Flip chip technology using anisotropic conductive films (ACFs) is of growing interest of its some benefits such as green, simple, and cost effective process. And it is well known that the performance of flip chip assembly using ACFs is closely related with epoxy matrix properties and process conditions of chip connection. To improve thermo-mechanical properties of anisotropic conductive films (ACFs) and reliability of flip chip on organic substrate using ACFs, composition of ACFs and processing temperature of flip chip connection were studied. Related to ACF composition, the effects of epoxy monomer functionality, content of thermoplastic resin, and addition of inorganic ($SiO_2) fillers on the composite properties of cured ACFs and reliability of ACF flip chip assembly were considered. And in other aspect, the effect of processing temperature of flip chip assembly on the ACF composite properties and reliability of ACF flip chip assembly was also investigated.
In chapter 1 and 2, introduction and literature survey for this study were described respectively.
In chapter 3, the changes of physical and thermo-mechanical properties of ACFs, which were prepared by using di-, tri-, and tetra-functional epoxy monomers, were investigated. And the reliability of flip chip on organic board using thereof also studied.
As the functionalities of epoxy monomers increased, the thermal decomposition temperature and elastic modulus of ACFs increased. Furthermore, the glass transition temperature (Tg), which was important to the high temperature stability, was also increased as the functionalities of epoxy monomers increased. But the coefficient of thermal expansion (CTE) decreased at the same time.
The reason of these improvements of ACFs composite properties was originated from the increase of cure density of cured ACFs, which was proved by the measurement of density and rubber elasticity theory. Finally, the thermal cycling reliability was improved significantly as the functionalities of the epoxy monomers increased.
In chapter 4, effects of thermoplastic resin content on the composite properties of ACFs were studied. 6 samples, having from 10% to 60% content of thermoplastic resin content, were prepared and cure kinetics, water absorption, and thermo-mechanical properties were measured for each samples.
As the content of thermoplastic resin increased, the onset temperature of cure increased, and the amount of water absorption decreased. Because as the content of thermoplastic resin increased, the viscosity of ACFs also increased and as a result, the onset and peak temperature of cure was shifted to higher temperature. Furthermore, there was a remarkable decrease of water absorption as the thermoplastic resin content increased. This was due to the morphological change of cured ACFs. From the SEM images, the morphologies of ACFs with 10% and 20% thermoplastic resin content showed that thermoplastics islands were dispersed in epoxy matrix. In this case, the main path of water absorption was epoxy resin and the water absorption was easier because water absorption of epoxy resin was easier than the thermoplastic resin. But in case of higher thermoplastic resin content (over 30%), spherical epoxy-rich domains dispersed in thermoplastics-rich matrix and the main path of water absorption was changed from epoxy matrix to thermoplastics matrix which has less water absorption property. Therefore, the amount of water absorption decreased dramatically.
Therefore, as can be expected, the PCT reliability of flip chip on organic board using ACF improved remarkably as the thermoplastic resin content increased.
In chapter 5, flip chip assembly on organic board using anisotropic conductive films (ACFs) is gained more attention because of its many advantages, but to obtain more reliable flip chip assembly, it is necessary to have low coefficient of thermal expansion (CTE) value of ACFs.
To control the CTE of ACF materials, non-conductive silica fillers were incorporated into ACFs. The effect of non-conductive silica filler content of ACFs on cure kinetics, thermo-mechanical properties, and reliability for flip chip assembly using ACFs was studied. In accordance with increasing filler content, curing peak temperature, storage modulus (E'), and glass transition temperature (Tg) increased, But CTE decreased as the filler content increased. The effect of filler size on properties and reliability showed similar tendency with the filler content effect. The smaller filler size was applied, the better properties and reliabilities were obtained.
Therefore, the incorporation of non-conductive fillers, particularly in case of small size and high content, in ACFs improves the material properties significantly, and as a result, flip chip assembly using ACFs is resulted in better reliability.
In chapter 6, the effects of different bonding temperatures during flip chip connection in relation to the physical, mechanical properties and performance of anisotropic conductive films (ACFs) interconnection were studied. To exclude the degree of cure effects, ACFs were fully cured by controlling the bonding time. The experimental results were shown that lower bonding temperature resulted in higher glass transition temperature ($T_g$), higher elastic modulus (E'), and lower coefficient of thermal expansion (α). These results were due to the differences in network structures of ACFs which were cured at different temperatures. From the results, obtained from small angle X-ray scattering (SAXS), cured matrix of ACFs bonded at lower temperature had more dense network structures, that is, had higher crosslink density. The performance of flip chip on organic substrate assemblies using ACFs was also investigated as a function of bonding temperatures. As a result in thermal cycling test (-55℃/+150℃, 1000cycles), the lower bonding temperature resulted in better reliability of the assemblies. So the results of this study indicate that the properties and reliability of cured ACFs were strongly affected by the bonding temperature, even if ACFs were fully cured.
전자 패키징 접속용 이방성 전도성 접착필름의 전기적, 열적, 기계적 성질을 향상시키고 최종적으로 이들을 이용한 유기기판 접속용 플립칩의 신뢰성 향상을 위해 이방성 전도성 접착필름의 재료적인 부분과 공정적인 부분의 연구를 수행하였다. 먼저 재료적인 측면에서는 이방성 전도성 접착필름의 성분 중 열가소성 수지의 함량의 변화, 그리고 에폭시 모노머의 관능기수의 변화에 따른 이방성 전도 필름의 경화 후 특성의 변화를 관찰하였고, 또한 실리칸 충진제가 이방성 전도성 접착필름의 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 고찰하였다. 공정적인 부분의 연구에서는 이방성 전도성 접착필름을 이용한 플립칩의 접속시 접속온도가 플립칩의 신뢰성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였다.
3장에서는 이방성 전도 필름의 구성성분인 에폭시 모노머의 관능기 수의 증가에 따른 열적, 기계적 특성의 변화를 관찰하였다. 또한 이러한 열적, 기계적 특성의 변화가 플립칩 접속의 신뢰성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 고찰이 이루어 졌다. 다양한 에폭시 관능기 수의 효과를 확인하기 위해 각각 2개, 3개, 그리고 4개의 관능기를 가진 에폭시 모노머를 이용하여 이방성 전도성 필름을 제작하여 물리적, 열기계적 특성을 확인하였다. 에폭시 모노머의 관능기 수가 증가할수록 개선된 이방성 전도성 필름의 열분해 온도 및 탄성계수가 증가하는 경향을 보였으며, 열팽창계수 또한 다관능성 모노머를 사용하였을 때 감소하는 경향을 보였다. 또한 고온 신뢰성에 중요한 유리 전이온도 또한 다관능성 모노머를 사용하였을 때 높아지는 현상을 확인 할 수 있었다. 경화된 이방성 전도필름의 밀도 측정결과 및 고무탄성 이론으로부터 이러한 물성향상의 원인은 경화밀도의 증가에 기인한다는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 이방성 전도성 필름의 물성증가는 유기 기판용 플립칩 접속의 열사이클 신뢰성을 현저히 개선시켰다.
4장에서는 이방성 전도필름의 구성 성분인 열가소성 수지의 함량 변화에 따른 경화거동, 흡습율의 변화, 그리고 열기계적 특성의 변화를 관찰하기 위하여 열가소성 수지의 함량이 10% ~ 60%까지의 6종류의 샘플을 제조하였다. 용융점도가 높은 열가소성 수지의 함량이 증가할수록 경화속도는 감소하였으며, 흡습율 또한 감소하는 경향을 보였다. 경화 후 이방성 전도필름의 단면 SEM 사진으로부터 열가소성 수지 함량이 10% 와 20%의 비교적 낮은 경우는 열경화성수지가 연속상으로 존재하고 열가소성 수지가 불연속상으로 존재하는 것을 확인하였으며, 상대적으로 흡습율이 큰 열경화성 수지 연속상으로 흡습이 빠르게 진행되어 상대적으로 큰 흡습율을 보임을 알 수 있었다. 반면 30% 이상의 열가소성 수지가 포함된 경우는 연속상이 열가소성 수지로 이루어 지고, 열경화성 수지가 불연속상으로 존재하고 있어 상대적으로 흡습율이 낮은 열가소성 수지상이 흡습의 주된 경로가 되어 흡습율이 낮게 나타남을 확인하였다. 따라서 유기 기판용 플립칩 접속의 PCT 신뢰성은 열가소성 수지의 증가에 따라 현저한 개선을 보였으며, 고무적 성질을 가진 열가소성 수지 함량의 증가로 인한 응력완화가 용이해짐에 따라 열사이클 신뢰성 현저히 향상되었다.
5장에서는 이방성 전도성 필름을 이용한 유기 기판용 플립칩 접속의 열사이클 신뢰성을 향상시키기 위하여 다양한 크기와 함량의 실리카 입자를 첨가하여 이방성 전도성 필름을 제조 하였으며, 이를 이용하여 이방성 전도성 필름의 열기계적 특성 및 유기기판 플립칩 접속의 열사이클 신뢰성을 고찰하였다. 이방성 전도성 필름내의 실리카 입자의 함량이 증가할수록, 그리고 첨가된 실리카의 입자경이 작을수록 유리전이온도, 탄성계수, 경화시간은 증가하였으며, 열팽창계수는 감소하였다. 또한 유기 기판용 플립칩 접속의 열사이클 신뢰성에 있어도 현저한 개선을 보였으며, 이러한 변화는 첨가된 실리카 입자의 크기보다 함량에 더 민감한 반응을 보였다.
6장에서는 이방성 전도성 필름을 이용한 플립칩 접속공정에 있어서 접속온도에 따른 물성 및 열기계적 특성을 확인하였다. 접속온도가 감소함에 따라 이방성 전도 필름의 유리전이온도 및 탄성계수는 증가하는 경향을 보였으며, 열팽창계수는 감소하는 경향을 보였다. 이러한 변화는 온도의 변화에 따라 에폭시 모노머의 반응기구의 차이에 기인한 것으로, 저온에서 반응 시 분자량이 큰 올리고머의 경우 유동성이 커서 반응에 적극적으로 참여를 하지 못하고 모노머 사이의 반응이 주된 반응이 됨에 따라 경화밀도가 증가하게 됨을 SAXS 분석을 통하여 확인하였다. 이러한 결과에서 예상할 수 있듯이, 이방성 전도성 필름을 이용한 유기 기판 플립칩 접속 시 저온의 접속온도는 열사이클 신뢰성에 있어서 현저한 개선을 가져옴을 확인하였다.
