Anisotropic conductive film (ACF) is a film-type interconnection adhesive material which consists of polymer adhesive resins and dispersed conductive particles. ACFs have been widely used in various applications such as display and semiconductor packaging [1]. Recently, ACFs are also being used for high-density Flex-On-Board (FOB) assembly in mobile phones and flat panel displays due to fine-pitch capability and cost effectivenesss [2].
For FOB assembly, the most common method is thermo-compression (TC) bonding using the epoxy based ACFs. However, TC bonding is often limited due to slow thermal cure. To solve this problem for the higher productivity, fast curable acrylic-based ACFs have been often used to replace the epoxy-based ACFs. Acrylic resin has a faster thermal curing rate and a lower bonding temperature than epoxy resin. However, even with the acrylic-based ACF, TC bonding times still requires at least 7 seconds.
In 2007, ultrasonic (US) ACF bonding method has been introduced in order to solve the problems of the TC bonding. US ACF bonding time was optimized at 3 seconds with epoxy-based ACFs resulting in similar adhesion strengths and contact resistances as conventional TC ACF bonding with 15 second bonding time [3]. Furthermore, the ACF bonding method using UV and laser have been also introduced to replace TC bonding. Recently, as high speed bonding for the high productivity was investigated such as acrylic-based ACF and US bonding, the optimizations of bonding parameters, substrate, and ACF materials are becoming more and more important due to side effects of fast curing rates such as insufficient contacts of conductive particles at the ACF joints. Moreover, the analysis of the ACF bonding mechanism is also needed for the optimizations.
In this study, fundamental resin flow behavior in ACF bonding was understood and in connection with the resin flow, the effects of bonding parameters, substrate geometry, and ACF material properties on the ACF joint characteristics were investigated to understand influencing factors for a stable ACF joint in the ACF bonding.
The high viscosity ACF in 3mm-length electrode showed unstable ACF joint with un-captured conductive particles at high bonding temperature and low bonding pressure due to small amount of resin. In this experiment as the bonding temperature increased from 150oC to 250oC, ACF joint gaps increased up to 12um due to smaller resin flow by higher viscosity at high temperatures. At 200oC constant bonding temperature, the ACF joint gaps decreased from 7um to 2um with increasing bonding pressure in the range of 2MPa to 4Mpa by the reason of sufficient resin flow. However, the ACF joint gap used 1mm-length electrode or low viscosity ACF showed stable ACF joint gap and low joint resistance despite of high bonding temperature within only 1 second because of large resin flow by low fluid resistance. Therefore, short electrode length or low viscosity ACF can be one of the solutions for the high speed bonding because these conditions resulted in sufficiently stable ACF bonding even at high bonding temperature within very short time.
ACF는 이방성 전도 접착 필름으로 접착성을 가진 레진에 도전 입자들이 분포되어 있는 형태로 구성되어 있다. 이러한 ACF는 현재 디스플레이, 반도체 패키징에 많이 쓰여왔으며, 현재는 모바일 기기에 도입될 것으로 기대된다. 이러한 ACF 본딩 방법에는 주로 열압착 본딩이 쓰여 왔는데, 열압착 본딩은 열과 압력을 가하여 압착하는 방식이다. 하지만 이러한 열압착 본딩의 경우, 느린 경화와 열에 의한 damage를 받을 수 있는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 최근에는 기존에 사용되어 왔던 에폭시 레진에서 높은 생산성을 위해 빠르게 경화가 가능한 아크릴 레진이 도입이 되었다. 하지만 빠른 경화가 가능한 아크릴 타입의 ACF의 경우에도 여전히 약 7초 정도의 느린 본딩에 의한 낮은 생산성의 단점이 남아 있게 되었다.
2007년에는 이러한 열압착의 문제를 해결하기 위해 새로운 본딩 방법으로 초음파 본딩이 도입되었다. 초음파 본딩은 에폭시 레진을 사용하여 3초만에 본딩하여 15초로 본딩한 열압착과 같은 접착력과 저항을 갖는 것을 기존 결과에서 확인된 바가 있다 [3]. 더불어 열압착을 대신하기 위한 다른 방법으로 UV와 레이저를 이용한 본딩이 도입되었다. 최근에 이렇게 빠른 생산성을 위한 빠른 본딩이 도입됨에 따라 본딩 파라메터, 기판, 재료의 특성들을 최적화 되는 과정이 중요하게 되었다. 그 이유는 빠른 본딩시, 빠른 경화에 의해 ACF 본딩 mechanism 중 하나인 레진 흐름이 제대로 일어나지 않아 도전볼에 의한 충분한 접속이 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
따라서 이번 연구에서는 ACF 본딩에서 기본적인 레진 흐름 거동을 이해하고 이와 연관하여 안정적인 ACF 본딩을 위해 본딩 파라메터, 기판구조, ACF 재료가 ACF joint 특성에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
안정적인 ACF 본딩을 위해서는 충분한 레진 흐름이 일어나야 하며, 이에 의해 전극과 전극사이의 gap이 충분이 작아져 그 사이 볼이 잘 capture되어야 한다. 더불어 이런 조건이 만족할 때 충분히 낮은 저항을 나타낼 수 있다. 이에 의해 레진의 flow rate와 fluid 저항을 각 변수와 연관지어 계산하였다.
실험결과로는 전극길이가 3mm이고 높은 점도를 가지고 있는 ACF 경우, 높은 본딩 온도와 낮은 본딩 압력에서는 전극과 전극 사이 gap이 매우 커서 도전볼이 capture 되지 않았고, 저항도 open이 났다. 그 이유는 높은 온도에서는 상대적으로 높은 점도를 갖고, 낮은 압력에서는 레진을 밀어내는 힘인 driving force가 작기 때문에 레진의 flow rate가 낮기 때문이다. 실제로 실험에서 온도를 150도에서 250도까지 증가 시킬 때, gap은 본딩시간 7초에서 2um부터 15um까지 증가하였으며, 150도에서는 10mOhm의 저항을 나타냈지만 250도에서 저항은 Open이 난 것을 확인하였다. 본딩압력은 2MPa에서 4Mpa로 증가시킬 때 gap은 7um부터 2um까지 감소하였으며, 2MPa에서는 저항이 Open이 난 것을 확인하였다. 하지만, 빠른 본딩을 위해서는 높은 온도에서 단시간 본딩이 가능해야 하므로, 이에 의한 대안으로, 기판 구조 중 전극길이를 변화시켜 보았다. 전극길이를 3mm에서 1mm로 감소시켰을 때 레진이 상대적으로 빠져나가야 하는 길이가 짧기 때문에 더 쉽게 빠져나가 1mm에서 flow가 충분히 일어났고, 250도 1초만에 약 6um의 안정적인 ACF joint gap을 형성하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 3mm를 사용하였을 때 250도에서는 저항이 open이 났지만, 1mm의 전극길이를 사용함으로써 안정적인 저항을 갖는 것을 확인하였다. 높은 온도에서 빠른 본딩을 위한 또 하나의 대안으로 레진의 점도 값을 낮춰 보았다. 3mm 전극길이를 사용하여, 250도 1초에서 본딩해 보았을 때 낮은 점도의 레진의 경우, 높은 점도를 갖는 레진에 비해 gap을 약 6분의 1로 줄일 수 있었고, 저항도 약 10mOhm까지 낮출 수 있었다.
따라서, 기본적으로 레진 흐름의 영향에 의해, 낮은 온도 높은 압력에서 ACF 본딩이 안정적으로 되지만, 빠른 경화를 위한 아크릴 레진과 빠른 본딩을 위한 초음파 본딩을 사용할 경우, 전극길이를 줄이고, 레진 자체의 점도를 낮춤으로 인해 높은 온도에서도 단시간에 본딩이 가능한 것을 알 수 있었다. 또한 이는 앞으로 높은 생산성을 필요로 하는 모바일 기기 등에 응용 될 수 있을 것으로 기대된다.
