Anisotropic conductive films (ACFs) have been widely used for various electronic packaging and interconnection applications, due to its low temperature process, smaller package size, and compatibility with many substrate materials.
Recently, low temperature curable ACFs are strongly demanded for many applications, because of their high productivity, cost effectiveness, and good reliability. Furthermore, to prevent thermal deformation of polymer substrates having low glass transition temperature (Tg) such as polyethylene terephthalate (PET) substrates in the touch screen panels (TSPs), the bonding temperature should be lower than that of the conventional ACFs bonding temperatures. Therefore, acrylic resin based or thermoplastic resin based ACFs have replaced high temperature curing epoxy resin based ACFs for lower temperature bonding applications.
Since lower temperature curable ACFs are getting more and more important, more research is focused on developing low temperature curable ACFs which is lower than 120 ºC. However, there are two barriers to overcome in order to obtain low temperature curable ACFs. First barrier is the shelf life of ACFs. Crosslinking systems that could be cured at low temperature below 120 °C within a few seconds already exist, but they have no latent curing behavior at room temperature or freezer storage conditions. In order to commercialize, the shelf life of ACFs should be over one month at room temperature and six months at freezer storage conditions. Second barrier is the low limit of on-set temperature of ACFs curing. This is due to the temperature of solvent drying process. To avoid the curing of ACFs resin, solvent drying should be performed below the curing on-set temperature during the film coating process. In other words, curing on-set temperature should be higher than the solvent drying temperature.
In this thesis, low temperature curable anisotropic conductive films with photo-acitve curing agents (PA-ACFs) were investigated.
This thesis is divided into the following chapters. At first, in Chapter 2, crosslinking systems having photo active curing behavior are suggested for the ACFs which can be cured at low temperature below 120 °C. In these systems, photo-active curing agents (PAs) were used as cation curing agents and various epoxies were used as thermo-setting polymers. Low temperature curable ACFs with photo-active curing agents (PA-ACFs) based on these crosslinking systems and contained thermoplastic polymer resin for film-formability. Au coated Ni particles were used as conductive particles. PA-ACF resins are coated on a releasing film in the yellow room. PA-ACFs are exposed to UV after ACF pre-bonding on the substrates and removal of the releasing film. Finally, the main bonding was performed to obtain the electrical and mechanical interconnection. The PA-ACFs have semi-infinite shelf life before the UV activation, due to the lack of curing agent. There was no curing reaction in the DSC dynamic scan after exposing 40 W power fluorescence light for 1 hour. This means that PAs does not work under fluorescence light. Therefore, removing the releasing film along with the pre-lamination should be performed without curing. However, after the UV activation, PAs generate protons in the exposed area and the protons act as a powerful curing agent. Low temperature bonding was conducted above 120 °C within 15 seconds using PA-ACFs with flex-on-board (FOB) test vehicles. The FOB assemblies using PA-ACFs show peel adhesion strength of 700 gf/cm which matches those of FOB assemblies using conventional ACF. Consequently, photo-active crosslink systems were investigated as a curing system for PA-ACFs. As a result, low temperature curable ACFs below 120 °C were successfully formulated and characterized.
In chapter 3, curing behavior of PA-ACFs was theoretically predicted from dynamic DSC scan analysis using Doyle’s approximation and Ozawa’s method. The theoretically predicted degree of cure during isothermal curing was verified by comparison experimental degree of cure of conventional ACFs. In isothermal cure at various temperatures, time to cure was expected. Degree of cure curves could be obtained at specific temperature profile using the theoretical method. The PA-ACF temperature profile of In the PA-ACF bonding is not ideal isothermal condition. In the non-ideal isothermal condition, degree of cure curve of PA-ACFs could be also predicted. This fundamental study on the curing behavior prediction of PA-ACFs and ACF joints stability will provide optimized ACF cure conditions for highly reliable ACF assemblies. The theoretically predicted degree of cure during isothermal curing was well matched with experimental degree of cure. In isothermal cure at 100 ºC, 110 ºC, and 120 ºC, time to 95 % cure was expected to 113 s, 17 s, 2.9 s, respectively. Curing speed of PA-ACFs was 100 times faster than that of conventional ACFs. Degree of cure curves could be obtained at specific temperature profile using the theoretical method. The PA-ACF temperature profile of In the PA-ACF bonding is not ideal isothermal condition. In the non-ideal isothermal condition, degree of cure curve of PA-ACFs could be also predicted. This fundamental study on the curing behavior prediction of PA-ACFs and ACF joints stability will provide optimized ACF cure conditions for highly reliable ACF assemblies.
The additives are added in order to enhance the properties or solve the problem for the specific application. In chapter 4, glycidoxypropyltrimethoxysilane was added as a coupling agent between epoxy and metal, propylene carbonate (PC) was added as a plasticizer, and glycidyl phenyl ehter was added as a reactive diluent in order to enhance the adhesion between the PA-ACFs and low Tg polymer substrate. Effects of additives on adhesive properties were investigated by thermo-mechanical analysis (TMA), dynamic-mechanical analysis (DMA) analysis, stress-strain curve analysis, and adhesion strength measurement. Peel adhesion strength of PA-ACFs without additives was lower than 400 gf/cm at PET substrate. This lower adhesion strength was enhanced by various additives. Coupling agent made a strong interaction with metal electrodes and slightly increase the peel adhesion strength. Plasticizer made low modulus and high toughness and increase the peel adhesion strength to 700 gf/cm. In addition, there was no leak of plasticizer. Reactive diluent made low crosslink density and high toughness and increase the peel adhesion strength to 600 gf/cm
Finally, in chapter 5, process window for good electrical interconnection was investigated and the advantages that were provided from PA-ACFS were investigated through the comparison of assembly properties using PA-ACFs with those of using conventional ACFs. First one is lower amount of thermal degradation of low Tg substrate at various bonding temperature. Because in the thermo-compression bonding method, the substrate should be heated up to similar temperature of ACFs layer, low Tg substrates should be exposed to probability of thermal deformation of substrates. PA-ACFs provide not only fast curable properties at low temperature, but also lower amount of thermal degradation of low Tg substrate. Second one is good reliability. PA-ACFs provide higher reliability than other low temperature curable ACFs because the base resin of PA-ACFs is epoxy resin. Assemblies bonded at below 120 ºC using the PA-ACFs showed lowest amount of thermal deformation of low Tg substrate among the PA-ACFs, acrylic-ACFs, and epoxy-ACFs, and showed similar performances to assemblies bonded at 180 ºC using epoxy-ACFs. In low Tg substrate application, conventional acrylic resin based ACFs can’t guarantee the reliability and conventional epoxy resin based ACFs can’t be used because of high amount of thermal deformation. Only PA-ACFs satisfy these two requirements at the same time. PA-ACFs guarantee the reliability and make smallest amount of thermal deformation among the all ACFs.
이방성 전도성 필름 (ACFs)을 이용한 접속 방법은 다른 접속 방법에 비하여 낮은 공정 온도, 작은 패키지 크기 및 다양한 기판에서의 적용 가능성 등의 장점을 가지며, 이러한 장점에 의해 각종 전자 패키징 접속에 널리 사용되고 있다.
최근 생산성, 경제성, 신뢰성 등의 측면에서 저온 접합이 가능한 ACFs 개발이 요구되어지고 있다. 또한 터치 스크린, 연성 디스플레이, 연성 플래시 메모리등에 사용되는 주 고분자 기판은 낮은 유리전이온도를 가지는 PET, PEN, PC 등의 재료가 주를 이루고 있어 이러한 기판을 의도하지 않은 열 변형 없이 전기적 기계적 접속을 시키기 위한 공정 온도는 매우 낮아야 한다. 이에 의해 에폭시 기반의 ACFs에 비하여 아크릴릭 기반의 ACFs가 열기계적인 물성 및 신뢰성이 매우 낮은데도 불구하고 사용이 확대되고 있다.
본 연구에서는 기존 ACFs 시스템에서 전혀 달성할 수 없는 120도 이하의 공정온도를 가지고 고 신뢰성을 가지는 광활성화 이방전도성 필름 시스템을 제안하였다.
1장에서는 문헌조사를 바탕으로 한 연구 배경 설명 및 연구 목적을 다루었다.
2장에서는 120도 이하의 공정온도를 가지는 ACFs를 구현하기 위한 광활성 경화 시스템이 제안되었다. 에폭시 수지와 광활성화 경화제 및 필름 형성성을 위한 열가소성 수지, 전기적 특성 향상을 위한 전도성 입자등을 이용하여 광활성화 ACFs (PA-ACFs)가 구성되어지며 이형지 위에 코팅한 뒤 기판 위에 PA-ACFs 가접합이 이루어지게 된다. 이형지 제거한 뒤에 UV 활성화 및 본 접합이 이루어지고 최종적으로 PA-ACFs가 전기적, 기계적인 접속을 수행하게 된다. PA-ACFs는 UV노광 이전에는 반 영구적인 잠재성을 가지며 형광등 아래에서는 활성화가 되지 않는 것이 확인 되어 일반 작업환경하에서 충분히 사용 가능함을 입증 하였다. 또한 UV 활성화 이후에는 120도에서 매우 빠른 경화속도를 보여주며, 120도 15초 접합을 수행하였을 때 기존 상용 ACFs에 상응하는 접합력을 보여주었다.
PA-ACFs는 낮은 온도에서 매우 빠르게 경화가 이루어지므로 일반적인 DSC 등온 분석으로는 경화 거동을 관찰하기가 어렵다. 3장에서는 PA-ACFs의 경화거동을 DSC 분석을 바탕으로 Doyle의 근사와 Ozawa 방법을 통하여 이론적으로 분석하였다. 경화 속도는 온도와 경화도에 의한 함수로 결정되어지며 다양한 승온 속도를 가지는 DSC 승온 분석을 수행하게 되면 각 온도, 경화도별 경화 속도를 결정하는 경화 거동 변수들을 얻을 수 있다. 이를 이용하여 등온 상태에서의 경화 거동을 계산해 내었다. 그 결과 100도에서 113초 110도에서 17초 120도에서 2.9초안에 95%의 경화도가 예측 되었으며 이는 일반 상용 에폭시 기반의 ACFs에 비하여 100배 빠른 속도이다. 하지만 실제 접합시 온도 거동은 완벽한 등온 상태가 아니므로 이때의 온도 거동에 맞게 예측하게 되면 약 5초 정도의 시간에 경화가 완료되는 것으로 예측되었다. 이를 각 시간별 접합력 측정으로 확인해보았을 때 이론적 예측과 측정 결과과 일치함을 알 수 있었다.
4장에서는 커플링 에이전트 로 glycidoxypropyltrimethoxysilane를, 연화제로 propylene carbonate (PC)를 반응성 희석제로 glycidyl phenyl ehter를 첨가하여 PA-ACFs의 물성에 미치는 영향을 알아보았고 이 물성 변화를 통하여 낮은 유리전이 온도를 가지는 고분자 기판 사이의 접합력을 개선하였다. 커플링 에이전트의 경우 접착력을 소폭 상승 시켜주었으며 연화제와 반응성 희석제는 초기 400 gf/cm 에서 각각 700 gf/cm, 600 gf/cm 로 크게 상승하였으며 이는 연화제와 반응성 희석제로 인하여 터프니스가 크게 증가하였기 때문이다.
마직막 장에서는 상용 ACFs에 비하여 PA-ACFs가 가지는 장점들에 대하여 분석하였다. 낮은 유리전이 온도를 가지는 고분자 기판간 접속에 있어서 열변형 량을 측정하기 위하여 70도와 150도 유리전이온도를 가지는 PET와 PC에 접속을 수행하였다. PA-ACFs는 낮은 공정온도로 인하여 낮은 유리 전이온도를 가지는 고분자 기판에 가장 적은 변형을 유발하였다. 고온저장실험과 열충격 시험에서는 상용 에폭시 기반 ACFs가 가장 좋은 결과를 보여주었고 PA-ACFs는 그와 유사한 결과를 보여주었다. 아크릴 기반의 ACFs는 열변형에서는 PA-ACFs에 근사한 수치였지만 신뢰성에서 매우 높은 불량률을 보여주었다. 즉 낮은 유리전이 온도를 가지는 고분자 기판의 접속에 있어서 낮은 열변형과 높은 신뢰성을 동시에 만족시키는 접속재료는 PA-ACFs가 유일하였다.
