In this study, the effects of anisotropic conductive film (ACF) properties on interconnection stability of ACF flip-chip assemblies were investigated.
Recently, many researches related to the ACF interconnection stability and reliability have been carried out. In addition, many papers report that the ACF interconnection stability and reliability are closely related with ACF material properties. However, there are so many influencing factors on the ACF material properties and the fundamental understanding of these factors is not still sufficient. Therefore, the objectives of this research are to better understand the influencing factors on ACF properties and to investigate the effects of ACF properties on interconnection stability of ACF flip-chip assemblies.
This thesis is divided into the following chapters. At first, chapter 2 is about the theoretical understanding and the quantitative analysis of the degree of cure of ACFs. The curing of ACF resin generates contraction stresses resulting in a good electrical and mechanical joint between the chip bumps and substrate electrodes. Therefore, the theoretical and quantitative analysis of the degree of cure of ACFs is important because ACF joints are stabilized through curing. In this chapter, the cure kinetics of an ACF was investigated by isothermal DSC analysis. The cure reaction of the ACF followed an autocatalytic cure mechanism, and the degree of cure of the ACF as a function of time and temperature was mathematically derived from an autocatalytic cure kinetics model. Thermal analysis was performed to investigate the thermal behavior of the ACF during the chip-on-flex (COF) bonding process by finite element simulation. The ACF temperature distribution during the COF bonding process was obtained by thermal analysis, and the degrees of cure of the ACF as a function of bonding times during the COF bonding process were theoretically predicted by the incorporation of the autocatalytic kinetics modeling and the ACF temperature simulation. The predicted degrees of cure of the ACF were well matched with the experimental data measured by ATR/FT-IR analysis regardless of the position of the ACF layer. Contact resistance, peel adhesion strength, and reliability test results show that the electrical and mechanical stability of ACF joints and the reliability of COF assemblies strongly depend on the degree of cure of the ACF.
Chapter 3 describes how the degree of cure of ACFs affects thermo-mechanical properties of ACFs. In addition, the effects of the degree of cure of ACFs on the contraction stress build-up of ACFs and the electrical and mechanical stability of ACF joints were also investigated. According to the results, the thickness expansion rate of ACFs as a function of temperature decreased and the storage modulus at room temperature increased as the degree of cure increased. Therefore, the material properties of ACFs strongly depended on the degree of cure of ACFs. In addition, the amount of the contraction stress build-up of the partially cured ACF with the degree of cure below 40% was much smaller than that of the fully cured ACF. The ACF contact resistances decreased and the ACF peel adhesion strengths increased as the degree of cure of ACFs increased. In particular, the ACF rebound resulting in a poor electrical contact was observed when the degree of cure was below 40 %, and it was induced by the small contraction stress build-up by the lower degree of cure. It is also confirmed that the peel adhesion strength of COF assemblies is closely correlated with the degree of cure-dependent ACF material properties such as ultimate tensile strength (UTS). These results clearly show that the electrical and mechanical stability of ACF joints of COF assemblies strongly depend on the degree of cure of ACFs.
In Chapter 4, the effects of the type of conductive particles on the electrical stability and reliability of ACF joints for chip-on-board (COB) applications were investigated. In this chapter, two types of conductive particles were prepared. One was a conventional Ni/Au-coated polymer ball, and the other was a Ni/Au-coated polymer ball with Ni/Au-projections. According to the results of a nano-indentation experiment of a conductive particle, the elastic recovery of a single conductive particle decreased as the applied load and the deformation of the conductive particle increased. The evaluated conductive particles which had the same polymer core showed the similar load-deformation behaviors regardless of the existence of Ni/Au-projections. The contact resistances of ACF joints using each conductive particle as a function of bonding pressure were measured, and the results showed that the contact resistances of ACF joints with the metal-projection-type conductive particles were lower and more stable than those with the conventional conductive particles. Especially at lower bonding pressure, ACF joints with the metal-projection-type conductive particles were much more stable and had lower contact resistances than the conventional ACF joints. According to the results of thermal cycling (T/C) reliability test, the metal-projection-type conductive particles also enhanced T/C reliability of ACF joints when compared with the conventional conductive particles.
Chapter 5 discusses the effects of ACF properties including ACF viscosity on the electrical stability of ACF interconnections for fine pitch chip-on-glass (COG) applications. During a thermo-compression COG bonding, the viscosity of ACF resin decreases, and the resin flow toward the space between chip bumps is generated. At the same time, conductive particles flow together with the resin and the electrical short circuit can be generated by the clustering and the contacts of the conductive particles. In this chapter, new ACFs for COG applications were designed by combining a high viscosity ACF layer and a low viscosity NCF layer to prevent the electrical shortage between bumps. As expected, the viscosity-controlled ACF showed better electrical insulation stability than a conventional ACF in fine pitch COG assemblies. According to the results of thermo-mechanical analysis (TMA) and dynamic-mechanical analysis (DMA), the viscosity-controlled ACF showed the improved thermo-mechanical properties such as lower coefficient of thermal expansion (CTE), higher storage modulus (E’) at higher temperature region, and higher glass transition temperature (Tg) than the conventional ACF. Furthermore, hot air reliability test and pressure cooker test (PCT) results showed that the viscosity-controlled ACF with higher Tg had better hot air test and PCT reliabilities than the conventional ACF.
이방성 전도성 필름 (ACF - Anisotropic Conductive Film) 은 막의 두께 방향으로는 도전성, 면 방향으로 절연성을 갖는 전기 이방성 및 접착성을 갖는 고분자 물질로써, 일반적으로 니켈과 같은 금속입자나 금속이 코팅된 폴리머 등의 도전 입자들과 열경화성, 열가소성 수지의 혼합물로 이루어져 있다. 이러한 이방성 전도성 필름은 저온공정 $(150\sim 200\degC)$, 공정의 용이성, 극 미세피치 가능성 ($35\microm$ 이하) 등의 장점으로 인해 COG (Chip-On-Glass), COB (Chip-On-Board), COF (Chip-On-Flex) 등과 같은 플립칩 (Flip-Chip) 접속 기술의 접속재료로써 평판디스플레이 구동회로 IC 실장 및 반도체 패키지용 플립칩 실장 등에 널리 사용되고 있다. 또한 최근 LCD (Liquid Crystal Display) 기술의 발전에 따라 접속피치의 극미세화도 급속하게 진행되고 있으며, 이에 따라 이방성 전도성 필름의 접속 안정성 및 신뢰성 향상이 크게 요구되고 있는 실정이다. 따라서 최종 제품의 신뢰성에 직접적인 영향을 끼칠 수 있는 이방성 전도성 필름 특성에 대한 이해와 이방성 전도성 필름 특성에 영향을 줄 수 있는 인자들에 대한 고찰이 필요하다.
본 연구에서는 이방성 전도성 필름 특성이 플립칩 어셈블리의 접속 안정성 및 신뢰성에 끼치는 영향에 대한 고찰이 수행되었으며, 특히 이방성 전도성 필름의 경화도, 점도를 포함한 필름의 물성, 그리고 도전입자의 형태에 따른 영향 등을 중점적으로 수행하였고, 최종적으로는 패키지의 접속 안정성 및 신뢰성을 향상시키고자 하였다.
1 장에서는 문헌조사를 바탕으로 한 연구 배경 설명 및 연구 목적을 다루었다.
2 장에서는 이방성 전도성 필름의 경화 특성이 고찰되었고, 특히 경화도에 대한 이론적인 해석 및 정량적인 분석이 수행되었다. 이방성 전도성 필름의 경화는 칩 범프 (bump) 와 기판 전극 (electrode) 사이에서 전기적, 기계적 접속을 가능하게 하는 수축응력 (contraction stress) 발생에 큰 영향을 끼친다. 따라서 이방성 전도성 필름 접속부위 (ACF joint) 는 이방성 전도성 필름의 경화를 통해 안정화 되기 때문에 경화도에 대한 이론적이고 정량적인 분석은 중요하다. 본 장에서는 이방성 전도성 필름의 경화도가 autocatalytic kinetics modeling과 열물성 측정 및 유한요소법을 이용한 이방성 전도성 필름 내부 온도 simulation을 통해 이론적으로 예측되고 정량적으로 분석되었다. 보다 정확한 경화도 해석을 위해 ATR/FT-IR (attenuated total reflectance/Fourier-transform infrared) 분석을 통해 경화도를 실험적으로 측정하였고, 측정 결과 이론적으로 예측된 경화도가 실험적으로 측정된 경화도와 일치하는 것을 확인하였다. 또한 COF 어셈블리의 접속 안정성 및 신뢰성은 접속재료인 이방성 전도성 필름의 경화도에 강하게 의존함을 확인하였다.
3 장에서는 2 장에서 연구된 이방성 전도성 필름의 정량적인 경화도 분석 결과를 토대로 하여 경화도가 이방성 전도성 필름의 열-기계적 물성에 끼치는 영향에 대하여 연구하였다. 또한, 경화도가 이방성 전도성 필름의 수축응력 및 COF 어셈블리의 전기적, 기계적 접속 안정성에 끼치는 영향에 대해서도 연구되었다. 실험 결과 이방성 전도성 필름의 경화도가 증가할수록 온도에 따른 이방성 전도성 필름의 두께 팽창율은 감소하였고 상온 모듈러스는 증가하였다. 따라서 이방성 전도성 필름의 물성은 경화도에 크게 의존하는 것을 확인하였다. 또한 경화도가 40% 미만으로 일부 경화된 이방성 전도성 필름의 수축응력 값은 완전히 경화된 것에 비해 훨씬 작았다. 경화도가 증가할수록 이방성 전도성 필름 접속부위의 접속저항은 감소하였고 접착력은 증가하였다. 특히 경화도가 40% 미만일 경우, 낮은 경화도에서 비롯된 작은 수축응력에 의해 접속부위의 전기적인 접촉 불량을 가져올 수 있는 이방성 전도성 필름의 되튀김 (ACF rebound) 현상이 관찰되었다. 이와 더불어 COF 어셈블리의 접착력은 인장강도와 같이 경화도에 의존하는 이방성 전도성 필름의 물성과 큰 연관성이 있다는 것을 확인하였다. 따라서 COF 어셈블리의 전기적, 기계적인 접속 안정성은 이방성 전도성 필름의 경화도에 강하게 의존함을 재료의 응력해석과 물성 평가를 통해 확인할 수 있었다.
4 장에서는 도전입자의 형태가 이방성 전도성 필름의 접속부에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. 이방성 전도성 필름 내부에 분산되는 도전입자는 금/니켈/폴리머 (Au/Ni/polymer core) 형태로 이루어진 도전볼이 일반적으로 많이 사용되고 있다. 이런 일반적인 폴리머 도전볼을 사용하게 될 경우, 낮은 접속저항을 위해서는 접합 압력을 높게 주어 도전볼의 변형을 많이 일으켜 칩 범프와 기판 전극 사이에서 도전볼의 접촉면적을 최대화 시켜주는 것이 중요한데, 도전볼의 과도한 변형은 회복력의 감소를 가져오기 때문에 어셈블리의 신뢰성 측면에서 바람직하지 못하다. 따라서 본 연구에서는 동일한 폴리머 core에 돌기를 갖는 니켈 층을 형성시키고 그 위에 금을 코팅하는 돌기형 폴리머 도전볼을 제안해서 연구를 진행하였다. 나노인덴터를 통해 도전볼 각각의 변형거동 및 탄성회복량을 실험적으로 분석하였고, 그 결과 동일한 폴리머 core를 갖는 일반형 및 돌기형 도전볼은 유사한 힘에 따른 변형 거동을 보여주었고, 두 도전볼 모두 변형량이 커질수록 탄성회복량이 감소하는 것을 확인하였다. COB 어셈블리의 접속부의 접합 압력에 따른 접속저항 측정 결과 돌기형 도전볼 접속부 저항이 일반형 도전볼 접속부 저항보다 낮고 안정적이라는 것을 알 수 있었고, 특히 낮은 접합 압력 하에서 그 효과가 큰 것을 확인하였다. 또한 COB 어셈블리의 열-싸이클 신뢰성 시험 결과 돌기형 도전볼은 일반형 도전볼에 비해 COB 어셈블리의 열-싸이클 신뢰성을 향상시켰으며, 특히 낮은 접합 압력 하에서 돌기형 도전볼로 접속된 접속부의 경우, 도전볼의 금속 돌기에 의한 안정적인 초기 접속저항과 낮은 접합 압력에서 기인한 도전볼의 높은 탄성회복력에 의해 우수한 열-싸이클 신뢰성을 확보할 수 있다는 것을 확인하였다.
5 장에서는 점도를 포함한 이방성 전도성 필름의 물성이 미세피치 COG 어셈블리에서 이방성 전도성 필름 접속부의 전기적 안정성 및 신뢰성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 미세피치 구조 하에서는 이방성 전도성 필름을 이용한 열-압착 공정 시, 열을 받은 이방성 전도성 필름 수지가 유동성을 가지게 되면 수지 내의 도전입자들이 인접한 범프 간 또는 전극 간의 gap에 흘러 들어 도전입자 간 단락이 일어나기 때문에 극 미세피치 COG 모듈에서 전기적인 불량이 발생하기 쉽다. 따라서 본 장에서는 도전입자 흐름에 의한 전기적인 불량을 개선하기 위해 높은 B-stage 점도를 갖는 이방성 전도성 필름 층과 그 위에 낮은 B-stage 점도를 갖는 비전도성 필름 (NCF - Non-conductive Film) 층을 형성한 2층 구조의 새로운 이방성 전도성 필름을 제안하였다. 필름의 점도는 필름을 구성하는 에폭시 수지의 분자량 및 고무변성 (rubber-modified) 에폭시 혹은 고무 수지 등을 사용하여 변화시켰다. 실험 결과 점도가 조절된 새로운 이방성 전도성 필름은 기존의 이방성 전도성 필름에 비해 극 미세피치 COG 구조에서 보다 향상된 전기 절연 (insulation) 안정성을 보여주었다. 또한 점도가 조절된 이방성 전도성 필름의 경우, 비전도성 필름 층에 사용된 다관능기 (multi-functional) 에폭시 수지에 의한 필름 cross-linking density의 증가에 따라 기존의 이방성 전도성 필름에 비해 낮은 열팽창 계수, 높은 유리전이온도 등의 향상된 열-기계적 물성들을 보여주었다. 또한 높은 유리전이온도를 갖는 새로운 이방성 전도성 필름의 경우, 기존 이방성 전도성 필름에 비해 열-관련 신뢰성 및 흡습과 관련한 PCT (pressure cooker test) 신뢰성이 상대적으로 우수하였다. 따라서 폴리머들의 formulation을 통해 이방성 전도성 필름의 점도 및 열-기계적 물성 등을 조절하였고, 이를 통해 극 미세피치 COG 구조하에서 이방성 전도성 필름 접속부위의 전기적 안정성 및 신뢰성을 향상시켰다.
