Anisotropic Conductive Film (ACF) which generally consists of conductive particles dispersed in a thermosetting polymer matrix is a well known interconnect material for its simple and lead-free processes in electronic packaging. For last decades, the use of ACFs has been significantly increased in various applications such as flat panel displays and semiconductor packaging as an alternative material to replace solder interconnection. In these applications, ACF bonding has advantages such as finer electrode pitches, relatively low temperature processes, and simple processing steps compared with solder interconnection.
Recently, mobile device manufacturers have started to use ACFs in combination with flexible PCBs and rigid PCBs to replace traditional socket-type connectors in module interconnection. The structure of a flexible PCB bonded on a rigid PCB, so called Flex-On-Board, has various advantages compared with socket-type connectors such as fine pitch capability up to 150 μm, an assembly thickness less than 100 μm, and reworkability. However, in spite of the advantages, ACF bonding still have several limitations in its conventional bonding methods and limited joint properties.
In terms of bonding method, there has been strong demand for an alternative bonding method for ACFs because a conventional thermo-compression bonding method has limitations such as thermal damages on bonding assemblies and slow curing of adhesives due to slow thermal conduction from a high temperature heating tool. Also in terms of ACF joint properties, there has been another demand for new ACF materials with higher current carrying capability and better reliability for wider applications such as high power modules, LED modules, and battery modules.
In this study, a novel room temperature ACF bonding method using ultrasonic (US) vibration was investigated as an alternative of conventional thermo-compression bonding method. In order to understand fundamentals of room temperature US bonding, US heating mechanisms, bonding and curing behaviors of ACFs in US bonding were investigated. By utilizing fundamentals of US bonding, module interconnection using ACFs were performed with electrical, mechanical properties characterization and reliability evaluation. In addition, solder ACF joints with solder metallurgical bonding were also realized by US bonding to achieve significantly improved electrical properties and reliability of ACF joints.
An ultrasonic bonder with 40kHz longitudinal vibration was used to produce ultrasonic vibration in Flex-On-Board ACF joints for module interconnection. The test boards were 0.8 mm-thick FR-4 rigid printed circuit boards (PCBs) and 25 um-thick polyimide based flexible printed circuits (FPCs) with 200 um-pitch Ni/Au finished Cu electrodes. ACFs consisted of fast curable acrylic resins and various solder particles such as Sn-58Bi and Sn-3.0Ag-0.5Cu solders with 10 um, 20 um, and 40 um diameters.
In terms of room temperature US bonding method, the relations between ACF heat generation and ultrasonic parameters obtained by theoretical derivation well agreed with experimental results. ACF heat generation was proportional to the square of the US vibration amplitude and proportional to the efficiency constant of vibration propagation which was saturated at above 3MPa. In US bonding, high ACF temperatures up to 300 °C with rapid ACF heating rates up to 700 °C/s was achieved without an external heat source. ACF heat generation could be successfully controlled by adjusting US bonding parameters due to independency between US vibration amplitude and bonding pressure. The minimum US bonding time was 1 sec at room temperature at 3MPa bonding pressure and 60% vibration amplitude. It was demonstrated that the ACF bonding process can be significantly enhanced by utilizing US vibration compared with conventional TC bonding at 190°C. Using the optimized US bonding parameters, the ACF joints showed similar bonding characteristics as TC bonding in terms of the adhesion strength, the daisy-chain resistance, and stable electrical resistances during 125°C high temperature storage test, 85°C/85 % RH test, and -40°C~125°C thermal cycling test. Significance of these results is that ACF bonding temperature can be reduced from typical 190°C to room temperature, and bonding time can be also reduced from typical 7~15 seconds up to 1 second by using the US bonding method.
In terms of solder ACFs, ultrasonic bonded solder ACF joints showed excellent solder alloy joining with more than 10 at. % Au diffused from Ni/Au finish into solder bulk at above the melting temperatures of solder particles. At the same time, the solder ACF joints showed higher than 90% curing of the adhesive matrix within 5 seconds and no void formation was observed at the joints. The solder ACF joints showed 30% reduced joints resistances, 90% improved power handling capability, and excellent reliability in an unbiased autoclave test (121°C, 2 atm, 100% relative humidity for 48 hours). Significance of this result is that the solder ACF joints not only take advantages of solder joining such as high power handling capability and high reliability but also enable simple process, fine-pitch capability. Based upon this study, a real module interconnection using solder ACF joints was successfully demonstrated in Nokia’s mobile phones.
이방성 전도 필름을 이용한 Flex-On-Board 접합은 초박형, 미세피치 접속부의 구현이 가능하다는 장점으로 인해 기존 휴대폰에서 사용되던 소켓 커넥터를 대체할 수 있는 대안 등장하였으며 그 사용이 꾸준히 증가하고 있다. 하지만 기존 이방성 전도 필름의 상용 접합 방법인 열압착 접합의 느린 열전도 메커니즘으로 인한 긴 접합 시간과 고열에 의한 접속부 열변형 문제로 인해 새로운 접합 방법의 개발이 끊임 없이 요구되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 기존 열압착 접합과 같이 외부 열원에 의한 열전도 방식이 아닌 새로운 방식의 대체 접합 방법에 대해 연구하고자 하였으며, 초음파 진동에 의한 이방성 전도 필름의 자체 발열을 이용한 새로운 방식의 접합 방법이 다음의 네 연구 단계를 통해 구현되었다.
첫번째 파트에서는 초음파에 의한 이방성 전도 필름의 발열 메커니즘을 알아보기 위해 발열 수식을 유도하고 이를 실험 결과와 비교하였다. 초음파 발열 실험을 위해 모듈 접속에 쓰일 수 있는 Flex-On-Board 구조로써 폴리이미드와 구리 배선으로 구성된 연성 기판과 FR-4와 구리 배선으로 구성된 유기 경성 기판이 사용되었다. 연성 기판과 유기 경성 기판의 접속을 위해서 상용 아크릴 이방성 전도 필름이 사용되었으며 접속부에 40 kHz의 종방향 초음파를 인가하여 온도 측정 및 발열량 계산을 수행하였다. 초음파 발열 수식은 훅의 법칙과 에너지 보존 법칙으로부터 유도되어 초음파에 의한 이방성 전도 필름의 발열은 재료 상수, 진동 전달 효율 상수, 진폭의 제곱에 비례하는 형태로 얻어졌다. 실제로 시편에 초음파를 인가하였을 경우 진폭에 비례하여 온도가 증가하였으며 외부의 열원 없이도 빠른 시간 내에 약 300 °C 까지 이방성 전도 필름을 가열할 수 있음을 증명하였다. 측정된 온도를 통해 발열량을 계산한 결과 진폭의 제곱에 비례하여 증가하는 경향성이 수식과 일치하였으며, 진동 전달 효율 상수는 접합시 인가한 압력에 비례하여 증가하다가 3 MPa 이상의 충분히 높은 압력에서 일정해 지는 것을 통해 일정 압력 이상에서 진동 전달 효율이 일정해 짐을 알 수 있었다.
두번째 파트에서는 초음파 발열에 의해 이방성 전도 필름을 빠르게 가열하는 경우 상용 열압착 공정과 비교하여 본딩 공정에서의 접합부의 열손상 문제와 이방성 전도 필름의 경화 거동에 대해 고찰하였다. 접합부의 열손상 거동 분석은 다양한 온도에서 접합한 시편의 단면 관찰 및 접착력 분석을 통해 수행되었으며, 이방성 전도 필름의 경화 거동 분석은 적외선 분광법을 이용한 화학 구조 분석을 수행하였다. 상용 열압착 공정에서는 접합 온도가높아짐에 따라 접합부의 열 손상 문제가 심각하게 발생하였다. 열 손상은 주로 접합부의 Delamination 형태로 나타났으며 이는 고온에서의 접착력 특성 저하로 인해 공정 중 약간의 외부 요인 및 열 응력에 의해서도 쉽게 접합부가 손상될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 반면 초음파 공정에서는 온도에 상관없이 접합부의 열 손상 현상이 전혀 발견되지 않았는데 이는 상온에서 초음파를 이용한 빠른 승온과 빠른 냉각으로 인해 메커니즘인 것으로 판명되었다. 초음파 접합에서의 이방성 전도 필름의 경화 특성은 압력이 높을 수록, 진폭이 클수록 더 빠른 발열에 의해 빨라지는 것으로 밝혀졌다. 특히 1초 내에 200 °C 이상의 온도를 얻을 수 있는 초음파 접합 조건에서는 Peroxide 경화 개시제와 Acrylate의 반응이 1초 내에 완전히 일어난 것을 확인할 수 있었으며 더 온도가 낮은 경우에서도 1초 ~ 3초 내에 빠르게 경화되는 것을 확인할 수 있었다.
세번째 파트에서는 초음파 발열에 의한 이방성 전도 필름의 빠른 경화를 이용하여 Flex-On-Board 접합을 수행하고 접합부의 특성 및 신뢰성을 평가하였다. 초음파 접합부의 특성은 다양한 초음파 접합 조건에서의 전기 저항과 접착력을 측정하였으며 신뢰성 평가를 위해 고온고습, 열충격, 고온유지 조건에서 저항 변화를 관찰하였다. 뿐만 아니라 초음파 접합 공정을 실제 휴대폰 모듈 접속에 응용하기 위해 다양한 표면 실장 부품에 초음파 진동에 의한 영향이 발생하는지 분석하였다. 초음파 접합부의 저항은 2 MPa 이상에서 위치에 상관없이 안정적으로 얻어졌으며 접착력은 접합 압력과 인가된 진폭이 높을수록, 즉 발열 속도가 빠를 수록 짧은 시간 안에 높게 측정되었다. 이는 이방성 전도 필름의 경화 거동과 정확히 일치하는 것으로써 압력 3 MPa, 진폭 12 μm의 초음파 접합 조건에서 1초 내에 완전 경화 됨으로써 1000gf/cm 이상의 높은 접착력을 보이는 것을 알 수 있었다. 초음파 접합부는 -40 °C/100 °C 열충격 테스트, 125 °C 고온 유지 테스트, 85 °C/85 %상대습도 테스트에서 모두 안정적인 저항을 보였다. 초음파 접합 공정에서의 초음파 진동은 기판을 통해 표면 실장 부품까지 전달되어 신뢰성을 저하시킬 수 있는 것으로 분석되었으나 접합부와의 거리가 1.0 mm 이상이 됨에 따라 그 영향은 무시할 만큼 감소하였다. 이 결과를 이용하여 NOKIA 휴대폰에서 Side-key 모듈과 스피커 커넥터 모듈의 초음파 접합을 실제 구현하였으며 성공적으로 작동함을 확인하였다.
네번째 파트에서는 앞에서 얻은 초음파 접합 연구 결과를 이용하여 기존 이방성 전도 필름의 한계를 뛰어넘는 새로운 고신뢰성 솔더 이방성 전도 필름에 대해 고찰하였다. 기존 이방성 전도 필름의 도전 입자는 금속 입자로써 전극과의 단순한 물리적 점접촉에 의한 통전 방식으로 인해 전기적 특성과 신뢰성에 한계가 있다. 따라서 고전류 및 고신뢰성을 요구하는 초박형 LED 백라이트나 배터리 모듈 등의 분야에 적용하는 데 한계가 있어왔다. 본 연구에서는 초음파 접합의 빠른 자체 발열 특성을 이용하여 빠른 승온에 의한 솔더 입자의 용융 및 전극과의 금속 결합을 구현하고 동시에 이방성 전도 필름의 레진을 경화 시킴으로써 간단한 공정으로 고전류 특성 및 고신뢰성을 가지는 접합부를 구현하였다. 솔더 이방성 전도 필름 내의 Sn-58Bi 솔더 입자는 초음파 접합에 의해 210 °C 이상에서 5초 내에 금속 결합을 형성하였으며 동시에 이방성 전도 필름의 레진도 완전히 경화되었다. 솔더 이방성 전도 필름을 이용한 접합부의 접촉 저항은 솔더 도전 입자의 금속 결합에 의해 기존 상용 이방성 전도 필름보다 30% 낮게 구현되었으며, 허용 전류는 90% 증가하였다. 121 °C, 2 기압, 100 % 상대 습도의 매우 가혹한 신뢰성 테스트조건에서 기존 상용 이방성 전도 필름을 이용한 접속부가 10시간 내에 대부분 빠른 저항 증가로 인한 failure를 보이는 것과는 다르게 솔더 이방성 전도 접착제를 이용한 접속부는 같은 시간 동안 전혀 저항 증가가 없는 안정적인 접속 특성을 보였다.
본 연구를 통해 구현된 이방성 전도 필름의 상온 초음파 접합을 통해 100 μm 이하 두께, 200 μm 이하 pattern pitch 를 갖는 고밀도 모듈 접속을 1초 ~ 3초 내에 빠르게 구현할 수 있으며, 금속 결합 접속부를 갖는 솔더 이방성 전도 필름을 이용해 향상된 전기적 특성 및 고신뢰성을 갖는 모듈 접속을 구현할 수 있다. 본 연구 결과는 다기능성 휴대용 기기, 초박형 가전의 디스플레이, 각종 센서, 카메라, 백라이트 등의 다양한 모듈 접속에 이용될 수 있으며 이방성 전도 필름을 이용한 다른 전자 패키지에서도 응용될 수 있다.
