The size of electronic devices has been miniaturized over the last decades. More functions can be performed within the same size of devices. It has brought great advantages in mobility and space efficiency. As the size of electronic devices has become smaller and smaller, packaging and interconnection in miniaturized devices has become very important in assembly process. In electronic packaging industry, Anisotropic Conductive Films (ACFs), well known adhesive interconnect materials which consist of conducting particles and adhesive polymer resins in a film format, have been widely used. However, as the size of devices has been miniaturized and the pitch has also become finer, a short circuit issue has been raised when bonding with the conventional ACFs in the fine pitch assembly. Moreover, it has become a problem when bonding with conventional ACFs con-taining Nickel particles since the assembly has such a poor joint properties and low reliability. It is imperative to fabricate ACFs that are suitable for fine pitch assembly and have higher reliability at the same time.
In this study, a new concept of ACF called “Nanofiber/Solder ACF” will be introduced for 100um fine pitch FOF (Flex on Flex) assembly. This new type of ACF is fabricated by laminating NCF (Non Conductive Film) on nanofiber containing SAC305 (96.5% Sn, 3% Ag, 0.5% Cu) particles. The nanofiber is formed from a mixture of PAN (Polyacrylonitrile+ Dimethylformamide) solution and SAC305 particles by electro-spinning method where the SAC305 particles are electrically insulated with the nanofiber layers. This new Nanofiber/Solder ACF would prevent short circuit for the fine pitch FOF assembly. In addition, while conventional Nickel particles can only provide mechanical joint between electrodes, SAC305 particles can provide mechanical joint as well as metallurgical joint which would improve the joint properties such as electrical properties, current carrying capability, and reliability. For the bonding process, vertical Ultrasonic bonding method will be used. In this method, a horn vibrates vertically with extreme speed, generating the local heat in ACF joint. This bonding process has a great advantage in terms of saving time compare with Thermo Compression (TC) bonding method and low process temperature.
Nanofiber/Solder ACF joints of fine pitch FOF assembly will have excellent joint properties such as no open or short circuit, higher current carrying capability, and higher reliability. Eventually, this study is expected to provide packaging industry with a new approach to realize further miniatur-ization of electronic devices.
나노파이버/솔더 이방성 전도필름은 현 패키징기술이 가지고있는 미세피치에서 발생되는 bridging 현상에 의한 short circuit을 해결하고자 도입된 기술이다. 나노파이버/솔더 ACF의 경우, 일반적인 ACF와는 다르게 첨가된 각각의 도전입자들을 나노파이버로 절연코팅을 시켜줌으로써 도전입자들이 서로 맞물려 있어도 절연막에 의해 전기적으로 통하지 않게 해주는 방식이다. 또한, 기존 ACF에서 주로 사용되어왔던 1000°C 가 넘는 높은 melting point를 가지는 니켈 도전입자 대신 SAC305라는 녹는 점이 218°C로 비교적 낮은 솔더입자를 사용함으로써, 접합시 도전입자들을 녹이고 metallurgical alloy를 형성시켜 패키징의 신뢰성을 높이고자 하였다. 또한, 미세피치에 한계가 있는 conventional socket 방식이나 flex-on-board (FOB) 방식 대신 미세피치가 가능한 flex-on-flex (FOF) 방식을 사용하여 접합을 진행하였다.
가장 먼저 접합 공정에 앞서 FOF 어셈블리에 필요한 100um의 미세피치를 가지는 flexible 기판을 제작하였고, 솔더입자들이 들어간 나노파이버를 electrospinning 공정을 이용해 전압에 대한 최적화를 진행한 뒤 나노파이버/솔더 ACF로 제작하였다. 접합 방식은 수직방향으로 압력과 진동을 가하여 빠른시간내에 ACF내에 고열을 발생시키는 초음파 접합 공정으로 진행되었다. 접합온도는 DSC (Differential Scanning Calorimeter)로 측정된 나노파이버/솔더 ACF의 경화시작점과 도전볼이 녹는 점 이상인 240°C로 설정하였고, 접합압력을 각각 2MPa, 3MPa, 그리고 4MPa로 설정하였다.
그 결과, 각각의 모든 조건에 대해 SAC305의 copper 조성이 늘어나는 것을 EDS 분석을 통해 확인할 수 있었다. 그리고 2MPa에서는 15 At% 내외였던 것에 비해 3MPa와 4MPa에서는 40 At% 이상까지 늘어나는것을 확인할 수 있었다. SEM 이미지 관찰 결과 역시 기존 사용하던 니켈 도전 입자와는 다르게 솔더 입자가 녹으며 위와 아래 기판이metallurgical contact을 이루는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 접합 후 남아있는 레진의 경화도를 FT-IR spectroscopy를 사용하여 분석하여 완전 경화가 된것을 확인한 뒤 절연저항 특정패턴을 이용하여 나노파이버를 사용하였을 때 절연적으로 뛰어난 효과를 가지는 나노파이버의 절연효과를 확인하였다.
나노파이버/솔더 ACF와 초음파 접합 공정을 이용해 미세피치에서의 FOF 어셈블리를 구현한 뒤 ACF 조인트의 특정들을 평가하였다. 먼저, contact 저항을 측정하여 도전입자들이 잘 캡쳐가 되어있는 지를 확인하였다. 그리고 current carrying capability를 통해 얼마나 많은 전류를 흘려줄 수 있는지를 확인하였고, 솔더입자를 사용하였을 때 니켈입자보다 30% 향상된 전류를 흘려주는 것을 확인하였다. 마지막으로, HTST와 PCT 테스트를 통해 악조건에서 패키지가 얼마나 오랜시간 살아남을 수 있는지 신뢰성분석을 한 결과, 여러포인트에서 electrodes간 접합이 떨어져 open failure을 보인 니켈 ACF와는 달리 도전입자를 사용한 나노파이버/솔더 ACF는 open failure가 일어나지 않고 안정적인 신뢰성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이 연구를 통해 나노파이버/솔더 ACF를 사용해 FOF 어셈블리에서 미세피치를 구현시키는 것을 성공하였고, SAC305 도전입자에 의한 metallurgical alloy contact을 통해 기존 니켈입자 ACF보다 current carrying capability와 신뢰성적인 측면에서 훨씬 더 향상된 효과를 가져오는 것을 확인할 수 있었다.
