Anisotropic Conductive Films (ACFs) are well-known adhesive interconnect materials which consist of thermosetting polymer resins and conductive particles. ACFs have been widely used in semiconductor and display applications for chip-on-glass (COG), flex-on-glass (FOG), flex-on-board (FOB), chip-on-flex (COF), chip-on-board (COB) interconnections due to their fine-pitch capability, simple process, and cost effectiveness. Recently, the application of ACF bonding has been broaden to high-density flex-on-board assemblies for module interconnection to replace conventional socket-type connectors in mobile phone applications.
The most common method for ACF interconnection is Thermo-Compression (T/C) bonding which applies heat and pressure with a high temperature bonding tool. However, the T/C bonding method requires a high process temperature over 200℃ and a long bonding time from 6 to 20 seconds. These process conditions have some following limitations such as thermal damages and warpage problems due to high process temperature and the longer bonding times. Therefore, there has been a strong demand for an alternative bonding method to replace conventional T/C bonding.
Recently, room temperature Ultrasonic (U/S) bonding method was suggested and successfully demonstrated as an alternative of T/C bonding method. By utilizing spontaneous heat generation at the ACF layer by U/S vibration, U/S bonding achieved 3 seconds bonding time with reduced assembly thermal damage. At the same time, it was reported that U/S bonded ACF joints showed similar adhesion strength, contact resistances, and reliability as the T/C bonded conventional ACF joints.
In spite of the improvement of bonding process mentioned above, conventional ACF joints which utilize physical contacts of conductive particles have the limitations of low power handling properties for high-power module interconnection. The electrical properties and reliabilities of the ACF joints can be improved by using solder as conductive particles. The ACF joints which contain solder conductive particles can achieve inter-metallic bonding between the electrode pad finish and larger electrical path, thus we can expect that the solder ACF can improve the limitations of conventional ACF joints.
In this study, flex-on-board(FOB) assembly method using solder ACFs containing fine size Sn-58bi and 96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC 305) solder balls each combined with U/S bonding technique was investigated. The ACF materials and U/S bonding parameters were optimized and U/S bonded solder ACF joints were characterized in terms of ACF joint characteristics such as electrical properties, mechanical properties, and the reliability.
Test vehicles were 700 μm-thick rigid FR4 Printed Circuit Board (PCB) and 30 μm-thick Flexible PCB (FPCB) for mobile applications. The pitch size of electrodes was 200 μm. The solder ACFs contained each 20 μm Sn-58bi, SAC305 solder as conductive particles in an acrylic resin. The ultrasonic bonder with 40kHz longitudinal vibration was used to generate ultrasonic vibration resulting in local heating in the ACF layer.
During the U/S bonding, the solder ACF joints were heated up to 250℃ within 2 seconds. And with 4MPa bonding pressure at 5 seconds bonding time, U/S bonded Sn-58Bi, SAC305 ACF joints at each 200℃, 250℃ bonding temperature formed inter-metallic bonding resulting in excellent electrical joints with 30% lower resistances, 140% increased current carrying capabilities as well as sufficient curing of ACF and peel adhesion strength compared with T/C bonded conventional ACF joints. In the reliability test, U/S bonded Sn-58Bi, SAC305 ACF joints show no electrical failure up to 24 hours compared with less than 4 hours failure of T/C bonded conventional Ni ACF joints in PCT at 121℃, 2atm, and 100% RH conditions.
As a summary, the solder ACF FOB joints using an ultrasonic bonding method were successfully demonstrated and the U/S bonded solder ACF joints showed improved electrical property and reliability in comparison with the T/C bonded conventional Ni ACF FOB joints.
이방성 전도성 필름 (ACF, Anisotropic Conductive Film)은 열경화성 또는 열가소성 고분자 수지 내에 니켈과 같은 금속이나 금속 코팅된 고분자 형태의 도전 입자가 분산되어 있는 필름타입의 접속 재료로써, 미세 피치 가능성, 공정의 용이성, 비용 효율성 등의 장점으로 인해 chip-on-glass (COG), flex-on-glass (FOG), flex-on-board (FOB), chip-on-flex (COF), chip-on-board (COB)의 접속에 널리 사용되고 있다.
최근 모바일 기기의 고성능화와 소형화의 트렌드에 기존의 소켓 타입 모듈 접속 방법을 대체하기 위해 높은 I/O 밀도를 갖는 FOB(flex-on-board) assembly에 ACF 접합 방법이 적용되고 있다 [1]. ACF의 일반적인 접합 방식은 열압착 (Thermo-compression) 방식으로 고열의 tool을 이용하여 열과 압력을 접합부에 동시에 가하는 방법이다. 열압착 방법을 통하여 도전 입자를 양 전극 사이에 접촉 시키면서, 고분자 수지를 경화 시키게 되는데 이는 양 접합 대상 간에 접착과, 전극 간에 접촉이 이루어진 도전 입자를 고정 시키는 역할을 한다.
따라서 서로 다른 전극간의 전기적 쇼트가 발생하지 않고, 고정된 도전 입자를 통해 전기 신호는 한 방향으로만 흐르게 된다. 하지만 이러한 열압착 방식은 200℃ 이상의 높은 공정 온도를 요구하고, 6초에서 20초 가량의 긴 접합 시간이 필요하기 때문에, 접합부의 열 변형이나 생산성 측면에서 대체 접합 방법에 대한 필요성이 대두되었다.
열압착 접합의 대체 방법으로써, 상온 초음파 접합 (Ultrasonic bonding) 방법이 Lee 등에 의해 제안되었으며, FOB와 COB 등에서 성공적으로 그 활용가능성을 입증한 바 있다 [2-3]. 초음파 접합 방법은 접합 대상에 종방향의 초음파 진동을 인가하여 ACF layer 자체의 발열을 발생시키는 원리로써, 빠른 승온 속도를 얻을 수 있기 때문에 접합 시간을 기존 열압착 방법보다 짧은 5초 이내로 단축할 수 있었고, 접합 공정이 상온에서 이루어지기 때문에 열압착 공정에서 고온으로 인해 발생할 수 있었던 열 데미지를 크게 줄일 수 있었다.
하지만 위와 같은 공정적인 개선에도 불구하고, 더 높은 전기적인 출력과 신뢰성을 요구하는 모듈 접속에서 기존 ACF joint의 한계가 있었고 따라서 초음파 접합 공정과 더불어 재료적인 측면에서 개선의 필요성이 있어왔다.
ACF의 재료적인 관점에서 기존에 사용되던 금속 도전 입자는 접합 후 전극과 물리적인 접촉이 이루어져 전기 신호가 흐르게 되는데, 이 때 도전 입자가 흘려줄 수 있는 양은 한정적이며 또한 물리적으로 접합된 도전 입자는 신뢰성 적인 측면에서 불리하다. 이러한 단점을 해결하기 위해, 초음파 접합 방법으로 모듈 접속에 많이 사용되고 있는 솔더볼을 도전 입자로 적용하게 되면, 전극과의 alloy 접합을 이루게 됨과 동시에 넓은 전기적 경로를 확보할 수 있기 때문에 기존 ACF joint가 가지고 있었던 전기적, 신뢰성 적인 한계를 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 지금까지 솔더볼을 함유한 ACF와 초음파 접합 방법을 동시에 적용한 연구가 진행된 바 없기 때문에, 초음파 접합 방법을 활용한 solder ACF joint에 대한 연구는 ACF 접속의 공정적, 재료적인 측면에서 새로운 시도라는 점에서 의미가 있다.
