In this study, the interface of a organic rigid subsrate and a flexible substrate bonding by using anisotropic conductive flims (ACFs) were investigated.
In fact, ACFs have been widely used in electronic packaging area, especially, flip chip bonding on an orgarnic substrate, a glass substrate, or a flexible substrate. Hence, chip interconnection using ACFs has been technologically matured. In recent the portable electronic products have pursued multi-functionality in a body and this multi-functionality is achieved by a modular approach. The key of the modular approach is how to connect functional modules to a main rigid board and the rigid substrate and the flexible substrate bonding technology using ACFs is a promising modulation mehod.
Chapter 3 is about the formation of process-related bubbles inside the adhesive layer during RS-FS bonding. These bubbles can reduce the mechanical property, such as the adhesion strength of ACF joints, and induce moisture penetration and moisture entrapment at flexible substrate and ACF interface during reliability tests in humid environments. Consequently, bubbles also can deteoriorate the reliability of ACF interconnection joints. However, the reasons for the formation of bubbles during ACF bonding processes and the effect of these bubbles on ACF joints reliability have not been fully understood. Actually, there are several possible causes for bubble formation, such as bonding process variables and flexible substrate types. Accordingly, the process-related bubble formation was studied in terms of bonding process variables and flexible substrate types. According to the results, the bubble formation was significantly affected by bonding temperature. That is, fast curing at high temperature can make resin flow difficult so that bubbles form more easily at higher bonding temperature.
In chapter 4, the effect of the type of flexible substrates on the adhesion between PI surfaces and ACFs and was investigated. The surface characteristics of PI surface of flexible substrates are significantly influenced by the method of fabrication, a casting type or a sputtering and plating type. Besides, mechanical interlocking and surface energies also can influence the adhesion between polyimide surfaces and ACFs. Hence, chapter 4 describes the results of the surface analysis of the PI surfaces of different flexible substrates and ACFs, and the adhesion tests of PI and ACFs. According to the results, mechanical interlocking was the major cause of better adhesion rather than surface energy term. However, without mechanical interlocking, better adhesion strengths could be achieved at the combination of PI surfaces and ACFs with similar surface polarity.
Chapter 5 presents the reliability of RS-FS bonding assemblies by using ACFs in the two different flexible substrates and an ACF were used. Peel test, thermal cycling test (TC test), high temperature storage test (HTST), 85℃/85%RH test and pressure cooker test (PCT) results are summarized and the failure analysis is reported. Initial adhesion affected the reliability of final RS-FS bonding assemblies. The electrical failure mechanism after PCT was the contact losses between conductive particles and electrodes, accompanied with moisture penetration and swelling of polymer matrix of ACF.
The effect of final surface finishes of Cu electrodes on the adhesion and reliability of anisotropic conductive films (ACFs) joints was investigated in chapter 6. Two different materials, electroless Ni/immersion Au (ENIG) and organic solderability preservatives (OSPs), were selected because these materials has been most commonly used as the final surface finish materials in printed circuit board (PCB) industries. Recently, modulation has been the trend of hand-held products manufacturing for higher functionality and smaller size. Among various methods, rigid substrate-flexible substrate (RS-FS) bonding using ACFs is one of the promising modulation methods. As the use of OSP finish increases, the effect of OSP coating on the adhesion and reliability of ACF/OSP joints becomes important.
According to the result of contact resistance measurement, the initial contact resistances of OSP/ACF joints, 15 mΩ, were almost the same as those of the ENIG/ACF joints. And adhesion strengths of ACF/OSP joints were higher than ACF/bare Cu and ACF/ENIG joints. From the result of failure analysis, the fractured site of ACF/bare Cu and ACF/ENIG joints was the interface of ACF/metal electrode but that of ACF/OSP joints was ACF inside. Consequently, it was considered that OSP coating layer improves the adhesion between an ACF and a Cu electrode. Furthermore, cross-sectional TEM and FT-IR analyses showed that the OSP coating layer on Cu electrodes remained even after ACF bonding, and it was considered that OSP coating layer played as an adhesion promoter. Finally, in four reliability tests, ACF/OSP joints showed better reliability than ACF/ENIG joints.
이방성 전도성 필름 (ACF - Anisotropic Conductive Adhesive) 은 Ni 과 같은 금속입자나 금속코팅된 폴리머등의 전도성입자를 에폭시를 기반으로 하는 폴리머 레진안에 분산시킨 재료로서, 반도체 칩과 기판의 접속시에 고온의 솔더링 공정 및 환경에 유해한 플럭스 공정을 제거할 수 있는 장점을 환경친화적인 소재이다. 기존의 이방성 전도성 필름은 주로 LCD (Liquid Crystal Display) 의 구동회로 칩의 실장과 같은 COG (Chip-On-Glass) 공정의 접속재료로서 많이 연구 및 응용되어 왔으며, 극 미세피치 및 저온접속공정의 장점으로 인해서 유기기판 플립칩실장인 COB (Chip-On-Board) 공정, 스마트카드와 플렉서블 디스플레이용 실장을 위한 COF (Chip-On-Flex) 공정의 접속재료로 그 적용영역을 넓혀가고 있다. 최근에 들어서 휴대용 전자기기, 특히 휴대폰은 하나의 제품에서 여러 가지 기능 (카메라, 게임, DMB, mp3 재생 등) 을 동시에 구현하고자 하는 다기능성을 추구하고 있으며, 이러한 다기능성은 하나의 메인 보드에 각각의 기능을 가지는 연성 기판 모듈을 접속하는 방식으로 이루어지고 있다. 기존의 모듈화 방법은 주로 기계적으로 모듈을 삽입하는 소켓형태의 접속기 (socket type connector) 를 주로 이용해 왔으나, 이러한 접속기들은 그 크기 및 비용측면에서 제품의 소형화 및 생산단가를 낮추는데 불리하게 작용해왔다. 따라서 새로운 형태의 모듈화 기술에 대한 요구가 대두되었으며, 이미 반도체 칩의 접속방법으로 기술적인 성숙도가 높은 이방성 전도성 필름을 이용하여 메인 유기 경성 기판과 연성 기판 모듈을 접속하는 기술이 그 대안으로 제안되었다. 특히 모듈을 형성하는 연성 기판의 경우에는 폴리이미드 필름을 기반으로 제작되는데, 이 폴리이미드와 이방성 전도성 필름의 레진인 에폭시간에는 그 계면접합력과 같은 계면특성이 우수하지 않다고 알려져 있다. 또한 연성 기판은 그 제작공정에 따라서도 계면특성이 현저하게 다르므로 이방성 전도성 필름과 각 연성 기판간의 계면접착력 등에 대해서도 고찰이 필요하다. 이는 최종적으로 제작된 제품의 신뢰성에 직접적인 영향을 미치는 인자들이 되기 때문이다.
따라서 본 연구에서는 유기 경성 기판과 연성 기판 모듈을 이방성 전도성 필름을 이용하여 접착하였을 때 그 접합계면들에서 발생할 수 있는 문제들에 대해 고찰하고, 그 원인과 해결방법에 대해 연구하고자 하였다.
1 장에서는 연구에 대한 개요와 목적을 다루었으며, 2장에서는 연구를 수행하는 데 필요한 배경에 대하여 문헌조사를 수행하였다.
3 장에서는 이방성 전도성 필름을 이용하여 유기 경성 기판과 연성 기판을 접합하는 공정 중 발생하는 기포에 대한 연구를 수행하였다 특히 이러한 기포들은 접속부의 접합력과 같은 기계적 특성을 저하시킬 수 있으며, 고온 및 고습하의 신뢰성 시험 수행 시 수분이 침투할 수 있는 경로로 작용하여 접속부의 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있다. 그러나 기포의 형성원인에 대해서는 아직까지 정확하게 알려져 있지 않은 상태이다. 본 연구에서는 주된 본딩 공정 변수인 본딩 압력과 본딩 온도를 변화시키면서 기포의 형성경향을 확인하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과 기포의 형성은 주로 본딩 온도에 큰 영향을 받는 것으로 규명되었으며, 기포 형성경향은 본딩 공정 중 이방성 전도성 필름 내부의 온도 분포와 그 경향이 동일하게 관찰되었다. 또한 기포형성 위치를 확인함으로써 연성 기판의 표면특성 (계면에너지 및 조도) 들이 기포형성에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 특히 조도가 심한 연성기판의 경우에도 표면처리를 통하여 계면에너지를 증가시킴으로서 기포를 제거할 수 있었다.
4장에서는 연성 기판의 기반이 되는 폴리이미드 필름의 표면 특성에 따른 이방성 전도성 필름과의 접합특성에 대하여 연구하였다. 연성 기판의 폴리이미드 표면 특성은 그 제조방법 (casting 법과 sputtering & plating 법) 에 따라 크게 영향을 받게 된다. 따라서 각기 다른 제조방법으로 제작된 2종의 연성 기판에 대하여 접촉각 측정 및 AFM 측정을 통하여 계면 특성을 먼저 파악하였다. 이 후 각 2종의 기판과 이방성 전도성 필름을 접합하여 90?˚ peel 시험을 수행하여 접착력을 측정하였다. 실험결과 접착력에는 표면 에너지 보다는 폴리이미드 필름의 조도 차이에 따른 기계적인 결합 (mechanical interlocking) 이 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
5장에서는 실제로 유기 경성 기판과 연성 기판을 이방성 전도성 접착제로 기포가 형성되지 않도록 접합한 샘플을 제작하여 그 신뢰성을 측정하였다. 특히 상기 언급된 2종의 연성 기판을 이용한 샘플들을 각기 제작하여 그 신뢰성 결과를 비교하였다. 결과적으로 폴리이미드 필름의 큰 조도로 인하여 초기의 접합 특성이 우수하였던 casting type 의 기판이 sputtering & plating 법으로 제작된 기판에 비해 우수한 신뢰성을 보여주었다. 가장 시험 조건이 혹독한 PCT (Pressure Cooker Test) 에서는 두 가지 연성 기판을 이용한 경우에 모두 전기적 failure 가 발생하였는데, 이 때 주된 파괴 기구는 수분 침투와 이에 따른 이방성 전도성 필름 기지의 팽창에 따른 접촉부의 상실에 따른 저항증가로 밝혀졌다.
6장에서는 유기 경성 기판의 구리 배선 표면처리 조건이 이방성 전도성 필름의 접속부에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. 일반적으로 유기 경성 기판의 구리 배선 표면처리 방법으로는 무전해 니켈/금 (ENIG) 도금법과 organic solderability preservatives (OSPs) 가 주로 사용되고 있다. 기존의 이방성 전도성 필름의 접합부에는 거의 대부분 ENIG 처리된 유기 기판을 사용해 왔으나, 최근 공정의 간편성 및 비용절감의 목적으로 휴대용 기기의 메인 보드에 OSP 처리가 많이 사용됨에 따라, OSP 처리된 경성 기판에 이방성 전도성 필름으로 모듈을 접속하였을 때의 접합력 및 신뢰성에 대한 연구가 중요한 논점으로 떠오르게 되었다. FIB (Focused Ion Beam) 을 이용한 실험결과 두 가지 표면 처리 조건에서 전도성 입자의 접합 상태는 유사한 것으로 나타났으며, 그 결과 접촉저항 값도 거의 동일하였다. 또한 접착력 측정결과에서는 ENIG 처리한 경우에 비해 OSP 처리된 경우에 접합력이 매우 우수하게 측정되었으며, TEM 과 FT-IR 분석결과를 바탕으로 OSP가 이방성 전도성 필름의 기지인 에폭시와 반응하여 접착력을 향상시켜주는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 신뢰성 시험 결과에도 영향을 미쳐 OSP 처리된 경성 기판을 이용한 경우 ENIG 처리된 경우에 비해 매우 우수한 신뢰성을 가지는 것으로 확인되었다.
