Anisotropic conductive film (ACF) is a film-type interconnection adhesive material which consists of polymer adhesive resins and randomly dispersed conductive particles. ACFs have been widely used due to low bonding temperature, fine-pitch capability, and cost effectiveness. Recently, as the use of ACFs has increased in electronic packaging such as flexible devices and semiconductors, demands for highly reliable ACFs have been also increased. For this demand, solder ACFs which use solder particles as conductive particles of ACFs have been introduced combined with an ultrasonic bonding method before. The electrical properties of solder ACFs such as lower contact resistance and higher current handling capability can be obtained by solder particle melted joints compared with physical contact of metal conductive particles of conventional ACFs. However, even with these advantages of solder ACFs, further investigations are needed to enhance the reliability of solder joints during high temperature and high humidity conditions.
In the solder ACF bonding, solders are melted simultaneously with polymer resin curing reaction and solder wetting. Therefore, the solders between electrodes form various joint morphologies depending on the ACF resin flow and curing characteristics. Furthermore, the solder joint morphologies between electrodes can affect the ACF joint reliability in high temperature and high humidity conditions. Therefore, the study on the morphology control of solder ACF joints and understanding the solder crack initiation and propagation during the reliability tests are needed for the highly reliable solder ACF bonding.
In chapter 2, in order to understand solder morphology formation during bonding process of solder ACFs, in-situ resin viscosity and joint gap between electrodes by resin flow were investigated. In-situ resin viscosity was predicted by the fitted equation at the specific temperature in this chapter. The viscosity of partially cured samples was measured. Resin viscosity at specific temperature increased as degree of cure of resin increased with s-shaped growth curve, which was fitted with Boltzmann equation. From fitted equation, we can predict the viscosity at solder MP using measurement of degree of cure of resin. The other factor which has effects on solder morphology is joint gap height between electrodes which is decided by ACF resins that flow out between electrodes. The induction method of Poiseuille’s law was used to derive joint gap by resin flow. When we assume that the resin flow is laminar flow, with this law, resin velocity for one lamina was calculated. In accordance with above resin velocity and the relationship between the amount of resin flow by horizontal and lateral direction, we could obtain predicted equation of joint gap changes between electrodes during bonding process. The equation was matched with no more than 1 um difference with the experiment result. Furthermore, the predicted viscosity and joint gaps could be used to analyze solder morphology.
In chapter 3, the effects of bonding process and ACF resin properties on solder morphology were investigated. As bonding pressure increased, aspect ratio of solder ACF joints was also increased due to decreased joint gap by larger amount of resin flow. In terms of bonding temperature, solder joints bonded at 250℃ bonding temperature showed a concave shape. In contrast, solder joints with bonding temperature of 200℃ showed convex shape. It was mainly due to lower resin viscosity at solder MP by lower degree of cure resin in ACF temperature profile of 250℃ than that of 200℃. Low viscosity resin around solders which is applied by solder wetting force can be easily moved with high velocity. However, despite of bonding temperature of 200℃, slow curing acrylic ACFs showed concave solder joints because of lower viscosity of resin at solder MP by lower degree of cure of resin compared with that of conventional acrylic ACFs. Moreover, resin curing speed also had effects on the solder aspect ratio. Slow curing acrylic ACFs showed higher solder aspect ratio than that of conventional acrylic ACFs due to smaller joint gaps by lower viscosity at initial bonding process. In terms of resin viscosity, low viscosity epoxy resin showed concave shaped solder joints due to lower viscosity at solder MP than that of conventional acrylic resin. In contrast, conventional acrylic ACFs showed convex shaped solder joints. Moreover, low viscosity epoxy ACFs showed higher solder aspect ratio than that of conventional acrylic solder joints due to 1.5 times smaller joint gap. The significance of the results is solder morphology could be controlled by bonding process and resin properties.
In chapter 4, the effects of solder morphology on the ACF joint reliability were investigated. In terms of solder aspect ratio, solder ACF joints bonded at higher bonding pressure provided better PCT reliability due to higher aspect ratio of solder joints by higher joint strength. Therefore, joints bonded at bonding temperature of 250℃ showed higher PCT reliability because of lower stress concentration compared to that of joints bonded at 200℃ due to concave shaped solder joints at 250℃ in FEM analysis by larger curvature of the tip of the stress concentration region compared with convex shaped solder joints. Solder joints bonded with slow curing acrylic ACFs showed higher reliability than that of solder joints with conventional acrylate ACFs. The reason of that was slow curing acrylic ACF solder joints were applied by lower stress concentration due to concave shaped solder joints than that of conventional acrylate ACFs. In addition, slow curing acrylic ACFs could have higher joint strength by high solder aspect ratio. Low viscosity epoxy resin also had effects on both stress concentration by solder shape and joint strength by aspect ratio. Low viscosity epoxy resin showed higher reliability in ACF joints than that of conventional acrylic resin due to lower stress concentration by concave shaped solder joints and higher joint strength by higher aspect ratio. The significance of the results was the reliability of the ACF joints can be improved by the control of ACF joint morphology. Moreover, the morphology is related to the bonding conditions and ACF material properties.
Finally, in chapter 5, for the application of solder ACFs, highly reliable camera module assembly was demonstrated. In order to use solder ACFs in camera modules, ultrasonic-assisted thermo- compression (TC) bonding with solder ACFs was demonstrated for highly reliable ACF joints in the camera module assembly, because conventional vertical ultrasonic bonding had effects on the mechanical damages of camera module components. According to the experimental results, ultrasonic-assisted TC bonded solder ACF joints showed excellent solder wetting on ENIG electrodes in the case of ultrasonic vibration applied after solder melting compared with conventional TC bonding. The reason of that is the solder oxide layers were broken by ultrasonic vibration applied during the bonding process. The ACF joints bonded with optimized ultrasonic amplitude showed well wetted solder ACF joints and no mechanical damages. This technology can significantly improve the ACF joint reliability of the camera modules by excellent solder wetting. During the PCT tests, ultrasonic-assisted TC bonded ACF joints showed no open circuit failure compared with conventional TC bonded Ni ACF joints due to metallurgical alloy joints between solder balls and electrodes by sufficient solder wetting. These results prove that ultrasonic-assisted TC bonding using solder ACFs can be applied for highly reliable ACF assembly in the camera module packaging without any mechanical damages.
이방성 전도필름(ACF)은 폴리머 레진 내에 도전볼들이 분산되어 있는 필름으로 두 기판 사이에서 전기 및 기계적 접합이 가능하게 하는 필름이다. 최근 전자 패키지 분야에서 ACF의 사용이 증가됨에 따라서, 고신뢰성 ACF에 대한 요구가 증가되고 있고, 이러한 요구에 따라 ACF의 도전볼로 솔더볼을 사용하는 솔더 ACF가 개발 되었다. 기존의 ACF에 사용되었던 도전볼은 니켈과 폴리머에 금이 도금되어 있는 형태였으나, 이를 솔더로 대체함에 따라서 두 전극 사이에서 금속합금 형성이 가능하게 되었고, 이에 의하여 기존 도전볼 대비 전기적 신뢰성을 향상 시킬 수 있었다. 하지만, 이러한 솔더 ACF의 장점에도 불구하고, 여전히 고온 고습 상황에서 솔더가 크랙이 발생하는 신뢰성 문제가 있어왔다. 솔더 ACF 본딩에서는 폴리머의 경화와 솔더가 녹는점 이상에서 녹게 되는 두 가지 반응이 동시에 일어난다. 그러므로 전극 사이에서 솔더는 솔더 주변의 폴리머의 경화 거동에 의하여 공정 중 다양한 솔더 조인트 형상 및 aspect ratio (solder area/joint gap)를 가지게 되고, 이 형상이 솔더의 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 레진의 경화 거동에 따른 솔더 조인트의 형상 및 aspect ratio를 컨트롤 하고 이에 따라 패키지 구조의 신뢰성이 어떻게 향상 되는지에 대한 연구가 필요하게 되었다.
Chapter 2에서는 본딩 도중의 조인트 형상 변화와 aspect ratio 변화를 이해하기 위해서 먼저 본딩 도중 resin의 점도변화를 예측하기 위한 실험을 하였다. 솔더 ACF에서 솔더가 전극에 wetting 되기 위해서는 솔더 주변에 있는 resin이 충분히 밀려나야 하는데, 이 때 resin이 밀려나는 속도는 resin의 점도에 반비례한다. 따라서 본딩 도중 solder가 녹는점에서 resin의 점도가 중요하지만, 본딩 중 온도 상승 속도는 100℃/s부터 200℃/s까지 굉장히 빠르기 때문에 직접 측정하긴 힘들다. 이와 같은 문제에 의하여 본 실험에서는 특정 온도까지 본딩 후 경화도를 측정하여 점도를 예측하는 실험을 하였다. 먼저 특정 경화도를 가지는 resin들의 점도를 rheometer를 통해 측정하였다. 일반적으로 열경화성 레진의 경우 온도가 증가함에 따라서 점도가 감소한 후 경화가 시작되는 온도부터 증가한다. 경화가 시작된 이 후부터는 경화도가 바뀌기 때문에 경화가 시작되기 전 특정 온도에서 경화도에 따른 점도 그래프를 그렸으며, 특정온도에서 레진의 점도가 경화도에 따라 s-자 곡선 형태로 증가함을 관찰할 수 있었다. 이는 Boltzmann 함수로 피팅 할 수 있었으며, 모든 온도에서 경화도에 따른 점도의 증가 비율이 같다는 가정하에, 얻어진 식을 통하여 특정 온도에서 경화도를 측정하여 점도를 예측할 수 있었다. 더불어 솔더 aspect ratio에 영향을 주는 joint gap을 예측하고자 이론적인 분석을 진행하였다. 레진의 fluid 저항에 관련된 식인 Poiseuille’s law를 본 실험에서 사용된 FOB (Flex-on-Board) 구조에 맞춰 적용하였다. Resin을 무한한 층으로 나누고 각각 층의 속도를 구하는 방법을 통하여 특정 시간 동안 흘러나간 resin의 양을 구할 수 있었으며, 이를 통해 joint gap을 예측 하였다. 이 수식은 실제 실험과 1um 이내의 오차를 보였다.
Chapter 3에서는 chapter 2에서 예측한 점도와 joint gap을 이용하여 본딩 공정과 resin의 특성에 따른 joint의 형상과 aspect ratio를 관찰하였다. 먼저 본딩 압력이 증가할수록 흘러나가는 resin의 양이 증가하여 joint gap이 감소하였으며 상대적으로 aspect ratio가 증가함을 확인 할 수 있었다. 본딩 온도에 따라서는 200도 본딩의 경우 convex한 솔더 형상을 보였으나 250도 본딩의 경우 concave한 솔더 형상을 보이는 것을 확인하였다. 이는 250℃ 본딩의 경우 빠른 heating rate에 의하여 솔더 녹는점까지 도달하는 시간이 200℃ 본딩 보다 빠르기 때문에 솔더 녹는점에서의 경화도가 더 낮기 때문으로 고려된다. 더 낮은 경화도에서는 상대적으로 낮은 점도를 보이며 솔더가 wetting하려는 force에 의해 resin이 충분히 빠른 속도로 밀려 나갈 수 있기 때문이다. 반면 200℃ 본딩 온도의 경우에도, 경화 속도가 느린 아크릴 레진을 사용할 경우 기존 아크릴 레진과 다르게 concave한 솔더 형상을 보였다. 이는 위에서 설명한 바와 같이 경화속도가 느리기 때문에 상대적으로 솔더 녹는점에서의 경화도가 낮기 때문이다. 실제로 chapter2에서 예측한 경화도에 따른 점도 그래프에서 경화속도가 느린 아크릴 레진이 기존 아크릴 레진에 비해 솔더 녹는점에서 약 50배 낮은 점도를 갖는 것으로 예측되었다. 더불어 경화속도가 느린 아클릴 레진의 경우, 본딩 도중 점도가 낮은 상태에 오래 존재하게 되어, joint gap 또한 기존 아크릴 레진에 비해 낮은 것을 관찰 했으며, 상대적으로 aspect ratio가 약 1.5배 높게 관찰되었다. 한편, 유사한 경화속도를 가진 레진의 경우에도, 점도가 낮은 epoxy resin의 경우 기존 아크릴 레진과 달리 concave한 솔더 형상과 높은 aspect ratio를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 레진의 전체적인 점도를 낮춤으로써 솔더 녹는점에서 레진의 속도를 향상시키고, 본딩 도중 전체적인 resin의 흐름을 증가 시켰기 때문이다.
Chapter 4에서는 관찰된 솔더 조인트의 형상과 aspect ratio가 솔더 조인트 신뢰성에 미치는 영향을 관찰하고자 PCT (pressure cooker test)를 진행하였다. 관찰 결과, aspect ratio가 증가할수록 솔더 joint 하나의 강도가 증가함을 FEM을 통해 관찰할 수 있었고, 이에 의하여 본딩 압력이 증가할 수록 aspect ratio 증가에 따라 신뢰성이 향상됨을 확인 할 수 있었다. 한편, 본딩 온도에 따라서, 250℃로 본딩된 concave한 솔더 형상을 가진 샘플의 경우가 200℃로 본딩된 convex한 솔더 형상을 가진 샘플보다 높은 신뢰성을 보였다. 이는 FEM을 통해 솔더 조인트에서 stress가 집중되는 부분에서의 최대 stress값이 concave한 형상이 낮기 때문으로 고려된다. 더불어 이와 같은 결과에 의하여, 경화속도가 느린 아크릴 레진과 점도가 낮은 에폭시 레진이 기존 아크릴 레진에 비하여 높은 aspect ratio와 concave한 형상에 의해 상대적으로 높은 신뢰성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 솔더 조인트의 형상을 컨트롤 하여 신뢰성을 향상 시킬 수 있음을 기대할 수 있다.
마지막으로 chapter 5에서는 위의 결과들의 적용을 위해 솔더 ACF 접합을 통한 카메라 모듈을 구현하고자 하였으며 더불어 열초음파 방식을 개발하였다. 기존의 수직 초음파 방식의 경우 솔더 산화막을 제거하는 장점이 있지만, 많은 부품을 가지고 있는 카메라 모듈의 경우 초음파에 의한 기계적 손상을 받는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 열압착 도중 솔더 산화막 제거를 위한 최소 초음파만 가하는 방식을 선택하였다. 이를 위해 초음파 진폭과 초음파를 가하는 시점에 대해 최적화를 진행하였으며, 솔더가 녹는 시점에서 6um의 초음파를 1초동안 가할 경우 카메라 모듈의 기계적 손상 없이 충분히 wetting된 솔더 조인트를 형상을 얻을 수 있었다. 이렇게 얻어진 카메라 모듈의 경우 기존 Ni 볼을 사용한 ACF에 비해 PCT test에서 높은 신뢰성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
