Display related electronics such as cellular phones, laptops, and televisions have become an indispensable part of our lives. In line with this, as people are demanding images with high quality, the number of electrical paths from a display driver chip to display panel are increasing, resulting in a reduction of the electrode pitch, which is the center-to-center distance between nearby electrodes. The most critical issue facing current display devices is interconnecting the fine pitch driver chip on the display panel using anisotropic conductive adhesives (ACAs) without an electrical short circuit phenomenon, since conductive particles in the adhesives can be agglomerated between fine pitch electrodes during the bonding process, thereby causing electrical noise in the X-Y directions. In this study, we suggest and investigate a new concept of nanofiber ACA that incorporates conductive particles into nanofiber to suppress conductive particle movement and to obtain stable three-dimensional electrical properties of fine pitch electronics.
Chapter 2 describes the effects of nanofiber structures on the electrical properties of ACAs. Two types of nanofiber ACAs are suggested and are electrically characterized. One type has randomly distributed nanofibers in an anisotropic conductive adhesive (ACA) resin, and the other has randomly distributed nanofibers coupled with conductive particles (Cp/nanofiber) in a non-conductive film (NCF) resin. The PS nanofiber ACAs had stable contact resistances due to the PS melting effect during the bonding process. The PAN nanofiber ACAs, however, showed slightly higher contact resistances about 20~30%. This is attributed to the PAN’s thermal stability at the bonding temperature, which means that it was more difficult to squeeze out the thicker nanofibers from the bonding area. Nevertheless, the PAN/Cp nanofiber ACAs had stable contact resistances (4 mΩ), with values similar to those of the conventional ACA. The results of measurement of the insulation resistances of the PAN/Cp nanofiber ACAs revealed an excellent insulation property.
In chapter 3, we report a novel nanofiber ACA that incorporates conductive particles into nanofiber/nanoweb structure to obtain stable electrical properties of fine pitch display devices. The conductive particle movements during adhesive resin flow were fundamentally suppressed by the conductive particle incorporated nanofiber/nanoweb (CPIN) structure realized by electrospinning. The nanofiber ACA showed superior characteristics compared to the conventional ACA, providing 2.7 times higher particle capture rate and outstanding insulation properties at 20 μm fine pitch interconnections.
Chapter 4 discusses the effects of material properties of the nanofiber on nanofiber ACA interconnection stability in terms of tensile properties and thermal properties of nanofiber materials. The Nylon 6 nanofiber showed the highest ultimate tensile strength, 19.24 MPa, whereas the PVDF nanofiber and EVOH presented values of 16.2 MPa and 9.4 MPa, and therefore Nylon 6 showed the highest capture rate. Although the three kinds of nanofiber ACA showed different capture rates, they had stable X-Y axes insulation properties at 20 μm pitch interconnections of a COF assembly. The Z-axis contact resistance of all samples abruptly decreased below 300 mΩ from the starting point of nanofiber melting and stabilized to 4~6.4 mΩ above the nanofiber melting temperature.
Chapter 5 demonstrates a fine pitch COF assembly using a micro-solder (Sn3.0Ag0.5Cu)/nanofiber ACA. This adhesive offers many advantages, such as suppressing micro-solder ball movement during resin flow, perfect X-Y axes insulation at 25 μm fine pitch, easy fine solder ball handling, and improved unbiased autoclave reliability. Micro-solder balls were successfully incorporated into a nanofiber/nanoweb structure, and they had good solderability within the nanofiber/epoxy matrix. Remarkably, (Au,Cu)Sn and Cu3Sn IMCs were formed through an interfacial reaction of Au, Sn3.0Ag0.5Cu, and Sn-finished Cu due to the ample Au content compared to the micro-solder content. The continuous IMCs formed in micro-solder ball joint lowered the Z-axis contact resistances and significantly improved moisture resistance more than conventional polymer ball contact did. Therefore, the micro-solder/nanofiber ACA can provide an alternative solution for fine pitch interconnections of various electronic assemblies such as COF, COG, and 3D-chip stacks.
휴대폰, 노트북 등의 휴대용 전자기기 사용이 증가함에 따라 전자 패키킹 분야에서 가장 필요로 하고 있는 기술은 fine pitch interconnection 기술이다. 특히, 이방성 전도 접착제를 사용한 fine pitch interconnection 기술은 디스플레이 제품, 즉 디스플레이 구동 칩과 디스플레이 패널을 연결할 때 널리 적용되어 왔다. 최근, 전극간 pitch가 30 μm 이하로 감소하면서 이방성 전도 접착제 내부의 전도성 입자들이 미세 패턴 사이에 응집되어 X-Y 방향으로 electrical short 현상이 발생하고 있다. 본 연구에서는 칩과 기판 접합 도중 발생하는 전도성 입자의 움직임을 근본적으로 억제하여 25 μm 피치 이하에서 안정적인 X-Y axes 절연성을 확보하고자 전도성 입자가 나노파이버 구조체로 코팅되어 있는 CPIN 구조를 구현하였다. CPIN과 adhesive resin의 복합구조를 형성하여 새로운 개념의 nanofiber ACA를 제안하였으며, nanofiber ACA 특성이 fine pitch flip-chip assembly의 접속 안정성에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
Chapter 2에서는 nanofiber structure가 nanofiber ACA의 전기적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 전도성 입자가 nanofiber 사이 및 위 아래에 존재하는 경우와 전도성 입자가 나노파이버에 코팅되어 있는 경우에 대해 전기적 특성을 비교한 결과 전도성 입자가 나노파이버로 코팅되어 있는 경우에 안정적인 전기적 특성을 나타내었다.
Chapter 3에서는 CPIN 구조가 전도성 입자의 움직임과 X-Y axes 절연성에 미치는 영향을 실험결과와 resin flow simulation을 통해 분석하였다. Electrospinning 방법을 통해 Nylon 6 고분자로 전도성 입자를 incorporation 시켰으며 이렇게 제작된 CPIN과 epoxy adhesive film을 이용하여 필름 형태의 접착제인 nanofiber ACA를 제작하였다. CPIN구조체가 있는 nanofiber ACA의 경우 Au bump에 capture되는 전도성 입자의 비율이 약 70% 이상인 반면에 CPIN 구조체가 없는 conventional ACA의 경우 그 비율이 약 30% 이하였다. 무엇보다도 기존 COG assembly에서 conventional ACA의 X-Y axes 절연 비율이 62.5% 였으나, nanofiber ACA에서는 100% 절연성을 유지하였다. 이는 CPIN 구조에 의해 접합 공정도중 전도성 입자의 움직임이 상당부분 억제되었고, 이로 인해 초기에 약 1/3정도의 전도성 입자만 사용하더라고 conventional ACA와 유사한 수준의 capture rate을 보였기 때문이다.
Chapter 4에서는 nanofiber의 기계적, 열적 특성이 전도성 입자의 움직임과 Z-axis 접촉 저항에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 사용한 재료는 PVDF (Polyvinylidene fluoride), EVOH (ethylene vinyl alcohol copolymer) 와 Nylon 6이다. 최대 인장 강도가 가장 높으면서 strain 값이 가장 낮은 Nylon 6 nanofiber의 전도성 입자 capture rate이 가장 높았으며, 최대 인장 강도가 낮을수록 그 비율이 감소하였다. Z-axis 접촉저항은 nanofiber melting이 시작되는 시점부터 감소하였으며, PVDF는 200 °C, EVOH는 220 °C 그리고 Nylon 6는 270 °C에서 안정적인 값을 나타내었다. 따라서, nanofiber 재료의 기계적 특성은 전도성 입자의 움직임과 관계되고 열적 특성은 접합 온도와 연관되는 것을 확인할 수 있었다.
Chapter 5에서는 nanofiber ACA의 전도성 입자로써 일반적인 Ni/Au coated polymer ball을 사용하였을 경우와 Sn30.AG0.5Cu 계열의 solder ball을 사용하였을 때, joint morphology 변화와 COF assembly의 전기적, unbiased autoclave reliability 차이에 대한 연구를 수행하였다. micro-solder/nanofiber joint는 Au bump와 Sn-coated Cu electrode 사이에서 (Au,Cu)Sn 과 Cu3Sn IMC를 형성하였으며, 이와 같은 metal alloy formation은 polymer ball/nanofiber joint에 비해 접촉 저항을 12% 감소시켰으며 안정적인 unbiased autoclave reliability를 나타내었다.
