A study on highly reliable flex-on-board interconnection using solder anisotropic conductive films (ACFs) and ultrasonic bonding method

Abstract

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...