The material properties of Non-Conductive Pastes (NCPs) for electronic packaging interconnection materials were investigated to improve reliability and processability of flip chip on organic substrate using NCP in this study. The paste materials composed of low temperature rapid curing epoxy resin, latent curing agent, ceramic fillers and reactive diluents.
For the characterization of NCP composites with different content of non-conducting fillers and diluents, differential scanning calorimeter (DSC), thermomechanical analysis (TMA), dynamic mechanical analysis (DMA), thermogravimetric analysis (TGA), HAAKE rheometer, and Brookfield viscometer were used. As the ceramic filler content increased, CTE values decreased and storage modulus at room temperature increased. Also, glass transition temperature increased. As the diluent content increased, viscosity decreased and thixotropic index increased but thermo-mechanical properties such as modulus, CTE, and $T_g$ deteriorated.
Daisy chain resistance changes were measured during reliability tests such as thermal cycling, high temperature storage, and high temperature and humidity test. Also, cumulative distribution of connection resistance changes was measured during thermal cycling and high temperature storage test. The reliability results were significantly influenced by CTEs and modulus of NCPs. Especially the reliability result of thermal cycling test was analyzed by Suhir’s model to investigate shear strain induced adhesive layer. The induced shear strain during flip chip assembly process affected the thermal cycling reliability.
NCP를 이용한 유기기판 플립칩 접속기술이 간단한 공정, 비용 절감, 유기기판에 알맞은 저온공정이라는 장점 등으로 인하여 최근 들어 많은 주목을 받고 있다. NCP를 이용한 유기기판 플립칩 어셈블리의 신뢰성을 증가시키기 위하여서는 열팽창계수를 낮추고 모듈러스를 증가시켜야 할 필요가 있다. 또한 작업성을 위하여 낮은 점도와 적절한 수준의 칙소성이 요구된다. 이러한 이유 등으로 NCP 재료를 개선하고자 비전도성 필러와 희석제를 첨가하였다. 또한 서로 다른 함량의 필러와 희석제를 함유한 세 가지의 NCP 재료를 선택하여 신뢰성 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 유기기판용 NCP 플립칩을 위한 NCP의 경화거동, 열기계적 성질, 레올로지와 같은 물성과 신뢰성에 실리카 필러와 희석제가 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 비전도성 필러는 NCP 재료의 기본적인 물성인 경화거동, 열팽창계수, 모듈러스, 유리전이온도 등을 조절하는 가장 중요한 요소였다. 비전도성 필러의 함량이 증가할수록 유리전이온도, 모듈러스, 경화온도가 증가하였다. 동시에 열팽창계수는 감소하였다. 희석제의 함량은 NCP재료의 디스펜싱 능력에 가장 중요한 요소이다. 희석제의 함량이 증가할수록, 점도는 감소하였으며 칙소성은 증가하였다. 그러나, 열팽창계수, 모듈러스, 유리전이온도 등과 같은 열기계적 물성을 저하시켰다. 이러한 결과들을 바탕으로 NCP 재료의 물성이 플립칩 신뢰성에 미치는 영향들을 알아보고자 하였다.
결론적으로, 비전도성 필러의 첨가는 NCP의 열기계적 특성을 개선시킨다. 희석제의 첨가는 NCP의 디스펜싱 능력을 개선시키는 반면에 열기계적 특성을 저하시킨다. 우수한 신뢰성을 위하여는 NCP재료가 너무 높지 않은 점도를 가지지 않는다면, 높은 함량의 필러가 첨가될수록 좋다. 적절한 NCP재료의 특성을 얻고자 한다면, 열기계적 특성과 디스펜싱 능력에 대한 트레이드오프가 필요하다. 또한, 본 연구를 통하여서 비교적 우수한 신뢰성을 가지는 NCP재료의 플립칩 기술 적용 가능성도 확인할 수 있었다.
