Anisotropic conductive films (ACFs) have been widely used as an interconnection adhesive materials for various applications such as interconnection material for flat panel displays (flex to PCB, chip-on-chip, and chip-on-glass) and flip chip semiconductor packaging applications due to its high resolution, light weight, thin structure, and low power consumption. However, the high demands for miniaturization caused interconnection issues such as short circuits when it comes to fine pitch applications. Also, due to the fast development of wearable devices, demands for flexible packaging as well as flexible interconnection method such as Flex-on-Flex (FOF) are growing more and more, where the bending characteristics are important. In this thesis, nanofiber is introduced into the ACF system. Nanofiber suppresses the solder ball movement during the bonding processes which improves the conductive particle capture rate. This eventually improves the interconnection electrical property as well as reliability properties. In addition, nanofiber forms an insulating layer around the solder ball preventing short circuit between neighboring electrodes to occur when it comes to fine pitch assemblies. These nanofiber are fabricated through a well-known technique called electrospinning, where high voltage is applied on the needle and charged polymers are fabricated on the ground receiver. Here we mix conductive particles (Sn58Bi solder ball) to incorporate nanofibers with the conductive particles. Even though the benefits of nanofiber were proven in the past, the effect of the nanofiber orientation on the solder ball movement suppression ability and bending properties has not been clarified.
In the introduction section, first electronic interconnection trend will be introduced by giving mobile phone as an example. Then we will explain why we introduced Sn58Bi solder incorporated nanofiber anisotropic conductive films (ACFs). In the past Ni incorporated ACFs were commonly used for flip chip assembly application. However, Ni particle has a high melting temperature and when it comes to bonding, Ni ball only forms a physical contact with the electrode. However, by applying solder ball, stable metallurgical joint forms which eventually improves the reliability of the interconnection joint. In addition, by incorporating nanofiber into the ACF system, nanofiber suppresses the solder movement which increases the solder ball capture rate. This will improve the electrical properties as well as reliability. Next, the advantages of aligned nanofiber will be explained. When performing electrospinning, there are few ways to align the nanofibers. Here we fabricated aligned nanofibers using a drum type receiver. When aligning the nanofibers parallel to the main resin flow direction, the conductive particle movement suppression capability of the nanofibers improve as well and the bending characteristics of nanofiber/solder ACFs. Lastly, the importance of flex-on-flex (FOF) assembly will be introduced. Here, we will explain what disadvantages socket type interconnectors have and because of what demands flex on flex interconnection have advantages over socket type interconnectors for wearable device applications.
In detail, chapter 2 focusses on fabrication of nanofiber/Sn58Bi solder ACFs and its interconnection properties. As mentioned above, interconnection problems such as short circuit tends to occur when it comes to fine pitch interconnections. Solder ball incorporated polyvinylidenefluoride (PVDF) nanofiber made by electrospinning technique was added into the ACF system to suppress solder ball movements during the flex-on-flex (FOF) bonding process, and forming an insulating layer around the solder ball preventing short circuit between the neighboring electrodes. Also, to improve the thermal mismatch of the flexible substrate which can lead to electrode misalignment during the bonding process, the bonding temperature was set to $200^\circ C$. In order to do that Sn58Bi solder ball which has a melting point of $138^\circ C$ was used instead of SAC305 solder ball which has a high melting temperature of $217^\circ C$. In addition, to form excellent metallurgical solder joints while removing the solder oxide around the solder ball surface, vertical ultrasonic (U/S) bonding method was used. When performing FOF assembly using PVDF nanofiber/Sn58Bi solder ACF and vertical ultrasonic bonding, it was shown that PVDF nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed 34% higher solder capture rate on an electrode compared to conventional Ni ACFs and conventional Sn58Bi solder ACFs. Additionally, PVDF nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed 100 % insulation between neighboring electrodes where conventional Ni ACFs and conventional Sn58Bi solder ACFs showed 75 % and 87.5 % insulation. Other electrical properties such as contact resistance and current handling capability as well as reliability test of PVDF nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed improved results compared to conventional Ni ACFs, which proves the formation of stable solder joint of PVDF nanofiber/Sn58Bi solder ACFs.
In chapter 3, nanofiber/solder ACFs using nanofibers that are aligned in various directions were investigated with respect to solder ball capture rate, electrical/mechanical properties, and reliability. The solder ball incorporated nanofibers were first obtained through electrospinning technique. In order to align the nanofibers, drum type receiver was used where the receiver was capable of rotating up to 2500 rpm during the electrospinning process. This allows the nanofibers to deposit in an aligned fashion. After the solder ball incorporated aligned nanofiber layer was obtained, the solder incorporated nanofiber layer was then laminated between two non-conductive films (NCFs) in order to produce the finalized aligned nanofiber/solder ACFs. The solder movement analysis, electrical/mechanical properties, and reliability measurements were done to confirm the aligned nanofiber effect. It was shown that parallel nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed 7% higher solder capture rate on an electrode compared to random nanofiber/Sn58Bi solder ACFs. Additionally, parallel nanofiber/Sn58Bi solder ACFs as well as random nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed 100 % insulation between neighboring electrodes where perpendicular nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed an insulation rate of 95 %. Other electrical properties such as contact resistance and current handling capability as well as reliability test of parallel nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed improved results compared to the other nanofiber/Sn58Bi solder ACFs which proves the excellent properties of parallel nanofiber/Sn58Bi solder ACFs.
In chapter 4, the bending characteristics of flex-on-flex assembly using nanofiber/Sn58Bi solder ACFs were investigated. The bending was performed by using 3-point bending method. The interconnection properties and reliability of nanofiber incorporated ACFs were introduced above where the nanofiber incorporated ACFs showed excellent conductive particle movement suppression capability which not only prevents short circuit to occur but also improves the joint reliability. Depending on the solder capture rate which leads to different solder joint area can affect the bending characteristics of the flex-on-flex assembly. This is because solder joints tend to prevent any sort of delamination during the bending process. Since same amount of stress is applied on the bonded area, the one with a larger joint area will have higher sustainability. It was shown that parallel nanofiber/Sn58Bi solder ACFs and random nanofiber/Sn58Bi solder ACFs a stable contact resistance even after 100,000 cycle bending where the bending radius was 0.33 mm radius. However, perpendicular nanofiber/Sn58Bi solder ACFs showed an open failure after 90,000 cycles due to the low solder ball capture rate in other words smaller solder joint area.
Lastly, chapter 5 introduces large scale nanofiber/solder ACFs based on the lab scale. The spinning apparatus consists of 5 needle setting all which contains a rotation system. This prevents any solder ball precipitation to occur during the spinning process. Also, inflatable pump rate controller is applied in order to supply the polymer solution continuously. Once the 10 m long solder incorporated nanofibers were fabricated, this was then laminated between two NCFs right after the film was coated. When comparing the interconnection characteristics as well as reliability properties with lab scale nanofiber/solder ACFs, it was shown that the results were similar proving the possibility of nanofiber/solder ACF mass production.
이방성 전도 필름 (ACF)는 고해상도, 경량도, 고효율 같은 이유에서 flat panel 디스플레이 (flex-on-board, chip-on-chip, chip-on-glass, 그리고 flex-on-flex) 같은 다양한 분야에서 패키지 접합 재료로서 널리 사용되어 왔다. 하지만 점점 기술이 발전하면서 소형화가 요구되어 왔고 이로 인해 초 미세피치에서 합선에 의한 상호접속 문제가 발생되기 시작했다. 또한 wearable 기기들의 빠른 발전으로 휘어지는 패키징 기술 특히 flex-on-flex 접합방식에 대한 관심과 중요도가 높아지고 있다. 현재 Flex-on-flex 접합방식에 대한 연구와 개발은 아직 크게 되어 있지 않은 것이 현실이다. 이 논문에서는 나노파이버를 접목시킨 이방성 전도 필름에 관한 연구를 말하고 있다. 나노파이버는 이방성 전도 필름에 접목되어짐으로써 본딩 과정에서 도전볼들의 움직임을 억제시켜 전극사이에 도전볼들이 더 많이 잡이게 하여 전기적인 특성을 좋게 해줄 뿐 아니라 도전볼에 절연 처리를 해주어 볼들이 서로 닿았을 적에도 합선이 일어나지 않게 하여 미세피치에서의 합선문제를 해결할 수 있다. 결과적으로 미세피치 flex-on-flex 접합에서의 전극적 특성 증가와 신뢰성을 증가 시킬수 있다. 이런 나노파이버는 널리 알려진 전기 방사에 의해 만들어진다. 전기방사가 이루어 지는 바늘에 높은 전압이 걸리면서 폴리머 용액이 일차적으로 charge가 된다. Charging 이 최대치가 되었을 때 땅전압이 걸려있는 쪽으로 방사가 되면서 나노파이버를 형성한다. 이런 나노파이버 기술은 우리 연구실에서 오랫동안 연구가 진행되어 왔지만 나노파이버 기술을 flex-on-flex 접합방식에 적용하여 휨현상을 분석하고 또한 대량생산을 진행한적은 없다. 이 논문에서는 flex-on-flex에서의 구현과 나노파이버의 효과를 정렬함으로써 증진시키는 연구, 휨특성에 대한 연구, 마지막으로 대량생산에 대한 연구를 다룰것이다.
먼저 introduction 에서는 전자 패키징에서의 접합방식 트랜드에서 대해 먼저 언급할 것이다. 기존에 사용되던 소켓타입의 접합방식의 문제점을 명시하고 왜 flex-on-flex 접합방식이 앞으로의 wearable 기기들에 필요한지 장점들을 설명하며 강조할 것이다. 그 다음으로 왜 Sn58Bi 솔더볼이 함유된 나노파이버 이방성 전도필름이 필요한지에 대한 설명을 기존 니켈볼이 함유된 이방성전도필름의 특성과 비교하여 강조될 것이며, 마지막으로 나노파이버의 특성을 증진시키는 방법으로 정렬방식이 어떠한 역할을 하고 어떤 특성에 의해 특성을 증진시킬 수 있는지에 대한 설명이 이루어질 것이다.
Chapter 2에서는 flex-on-flex 접합방식에서의 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름 제작과 접합특성에 관한 연구가 진행되었다. 앞서 말했듯이 나노파이버를 사용함으로써 본딩시 도전볼의 움직임이 억제되어 전기적인 특성이 좋아 질 뿐 아니라 미세피치에서의 합선 문제를 해결할수 있다. 또한 솔더를 사용함으로써 야금의 접속이 이루어져 신뢰성를 증진시킬수 있다. 실제로 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름을 사용하였을 때 볼 capture률이 기존 이방성전도필름보다 약 30 % 정도 증가하였으며 절연률 또한 100 마이크로 미세피치에서도 100 % 가 나오는 것을 볼수 있었다. 신뢰성 특성을 보았을 때 극심하게 높은 습도에서도 기존의 이방성 전도 필름 보다 높은 신뢰성을 가지는 것을 확인할수 있었다.
Chapter 3 에서는 나노파이버의 정렬방식에 따른 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름 제작과 접합특성에 관한 연구가 진행되었다. 이 chapter에서는 3가지 정렬 방식이 명시되어 있다: 레진흐름방향과 평행한 방향, 랜덤한 방향, 레진흐름방향과 수직인 방향. 실제로 정렬방향에 따라 인강강도를 측정해 보았을 때 레진흐름방향과 평행한 방향으로 나노파이버가 정렬된 경우 인장강도가 가장 높은 것을 확인하였고 반대로 레진흐름방향과 수직인 방향으로 나노파이버가 정렬된 경우 인장강도가 가장 낮은 것을 볼수 있었다. 이러한 현상을 볼 capture률과 비교해 보았을 경우 실제로도 레진흐름방향과 평행한 방향으로 나노파이버가 정렬된 경우 랜덤하게 나버파이버가 정렬된 경우보다 약 7 % 정도 증가한 것을 볼수 있었다. 신뢰성 측면에서는 이미 랜덤한 나노파이버가 신뢰성이 좋아 큰차이를 보이지는 않았지만 약간의 특성증진이 된 것을 볼수 있었고 반대로 레진흐름방향과 수직인 방향으로 나노파이버가 정렬된 경우 볼 capture률과 신뢰성이 나노파이버가 없는 이방성 전도필름과 비슷한 결과가 나오는 것을 확인 함으로써 나노파이버 정렬방향에 따른 접합특성을 확인할수 있었다.
Chapter 4 에서는 앞서 말한 여러가지 나노파이버에 대한 휨특성에 대한 연구가 진행되었다. 이 chapter에서는 휨 현상을 관찰하기 위해 실험에 적합한 휨 특성 분석방식을 채택하였고 3-point 분석방식이 가장 적합한 것을 확인하였다. 또한 최소 휨 정도를 찾고 그 곡률 반경을 사용하여 다양한 이방성전도필름에 적용하여 최대 몇 사이클까지 견딜 수 있는지 확인하였고 실제로 failure 모드가 어떻게 나타나는지도 확인하였다. 실제로 휨 현상때 failure에 차이가 나타나는 것은 전극 사이의 접합면적에 영향을 받을 것이라고 생각하였고 시물레이션을 통해 곡률반경에 따라 접합구간이 받는 stress값이 어떻게 되는지 보고 면적에 따라 stress를 견디는 정도가 다른지 확인하여 실제 현상과의 양상 차이를 확인한 결과 실제로 접합면적이 높아 질수록 stress를 더 잘 견디게 되고 이에 의해 휨 특성 또한 바꾸는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로 chapter 5 에서는 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름 대량생산에 관한 연구가 진행되었다. 이 chapter에서는 대량 나노파이버 제작을 위한 장비제작과 나노파이버 최적화 작업 그리고 대량생산된 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름과 실험실에서 제작된 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름의 특성평가 비교분석이 이루어졌다. 큰 스케일의 나노파이버를 제작하기 위해 5개의 주사기를 주입할 수 있는 장비를 제작하였으며 장비의 최적화 작업으로 최대 10 미터의 솔더가 함유된 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름을 제작하는데 성공하였으며 실제로 대량생산된 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름과 실험실에서 제작된 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름의 특성을 비교해 보았을 때 볼 capture률과 전기적인 특성 신뢰성특성에 거의 차이가 보이지 않는 것을 확인함으로써 10 m의 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름을 제작하는데 성공하였다.
종합적으로 flex-on-flex 접합방식에서의 나노파이버/Sn58Bi 솔더볼 이방성전도필름 특성 확인은 성공적이었으며 정렬방식을 바꾸어 나노파이버의 특성을 증진시키고 좋은 휨 특성을 갖게 함으로써 차세대 웨어러블 기술개발의 가능성을 보여주었다. 또한 실험실에서의 연구에서 그치는 것이 아니라 대량생산의 가능성 또한 보여줌으로써 나노파이버 기술의 사업화 가능성 또한 보여주었다.
