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동혁 야
6 years ago
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23 특집 : 3 차원전자패키지기술을위한요소기술과신뢰성 저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 Electrically Conductive Adhesive using Low-melting-point Alloy and Bonding Process using Them Byung-Seung Yim, Sung-Ho Jeon and Jong-Min

이에따라전자패키지방식은 DIP(Dual In-line Package) 로대표되던삽입실장형 (Insert Mount Technology: IMT) 패키지로부터 QFP(Quad Flat Package) 로대표되는표면실장형 (Surface Mount Technology: SMT) 패키지로발전되며다단자화, 미세피치화가전개되어왔다 1).

그러나상용화된 ECA의도전메커니즘은 Fig. 1에나타낸바와같이폴리머내부에포함된도전필러가상하단자에구속되어기계적 / 물리적접촉에의해도전이이루어지는방식 5) 으로이루어져기존의솔더접합에비해상대적으로낮은도전성, 불안정한접촉저항, 낮은접합강도, Ag 마이그레이션 (Migration) 등의커다란단점을가지고있다.

1 23 특집 : 3 차원전자패키지기술을위한요소기술과신뢰성 저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 Electrically Conductive Adhesive using Low-melting-point Alloy and Bonding Process using Them Byung-Seung Yim, Sung-Ho Jeon and Jong-Min Kim 1. 서론 정보통신기기의진보에따라반도체패키지는고집적화, 고성능화, 저비용화, 초소형화가가속화되고있다. 이에따라전자패키지방식은 DIP(Dual In-line Package) 로대표되던삽입실장형 (Insert Mount Technology: IMT) 패키지로부터 QFP(Quad Flat Package) 로대표되는표면실장형 (Surface Mount Technology: SMT) 패키지로발전되며다단자화, 미세피치화가전개되어왔다 1). 이러한전자패키지에서의표면실장형접합기술중폴리머기재와도전필러입자로구성되는도전성접착제 (Electrically Conductive Adhesive: ECA) 2) 를이용한접합방법은친환경대체재료인무연솔더를이용한기존의접합방법에비해공정의저온화, 프로세스의간이화, 솔더링이불가능한재료및폭넓은재료에사용이가능하다는장점등을가지고있어많은연구개발이활발히진행되고있다 3,4). 그러나상용화된 ECA의도전메커니즘은 Fig. 1에나타낸바와같이폴리머내부에포함된도전필러가상하단자에구속되어기계적 / 물리적접촉에의해도전이이루어지는방식 5) 으로이루어져기존의솔더접합에비해상대적으로낮은도전성, 불안정한접촉저항, 낮은접합강도, Ag 마이그레이션 (Migration) 등의커다란단점을가지고있다. 또한도전필러의접촉에의한도전방식은수많은단자들중하나의접촉불량에의해부품및전체의불량으로이어진다는취약한단점을가지고있다 6-8). 이에따라근래이러한단점들을보완하기위한새로운 ECA의접합프로세스가개발보고되고있다. Fig. 2 Ag Resin Bump Resin metallization Heating (a) Isotropic conductive adhesive Chip Heating (b) Anisotropic conductive adhesive Fig. 1 Schematic of conventional ECA bonding Resin Ag metallization (a) metallization Low melting point alloy Resin Sn Cu (b) Schematic of ECA bonding process with high melting point metal and low melting point alloy

2(b) 와같이금속필러입자위에 LMPA 재료를도포하고외부에도포된 LMPA 재료의용융및결합에의해금속학적결합을형성시킨연구도보고되고있다 10). 본고에서는 LMPA 필러만을포함하는솔더링의금속학적결합과 ECA가갖는저온프로세스등의장점만을합친새로운개념의 ECA를개발하고이를이용한새로운방식의접합프로세스에대한연구결과를소개하고자한다. 2.

2 24 이러한접합프로세스중큰접속저항등의전기적문제점을해결하기위하여 Fig. 2(a) 에나타낸바와같이 ICA에 Ag필러입자와저융점합금필러 (Low Melting Point Alloy : LMPA) 입자를함께혼합하여기재가완전경화되기전 LMPA 재료의용융에의한단자와 Ag필러, Ag필러간의젖음 (Wetting) 에의한금속학적결합을형성시켜전기적특성을향상시킨연구가보고되었다 9). 또한 Fig. 2(b) 와같이금속필러입자위에 LMPA 재료를도포하고외부에도포된 LMPA 재료의용융및결합에의해금속학적결합을형성시킨연구도보고되고있다 10). 본고에서는 LMPA 필러만을포함하는솔더링의금속학적결합과 ECA가갖는저온프로세스등의장점만을합친새로운개념의 ECA를개발하고이를이용한새로운방식의접합프로세스에대한연구결과를소개하고자한다. 2. LMPA 를이용한 ECA 접속프로세스 LMPA를포함하는 ECA는기판과칩사이에도포되고, 기판과칩은대향하는전극에대하여정렬된다. 정렬이완료된 ECA에대하여열을가하게되면폴리머매트릭스의화학적반응으로인하여점성이천천히낮아지게되고온도가 LMPA의녹는점에이르게되면 LMPA는용융된다. 상하부단자간의높이변화에의해폴리머매트릭스내부에서유동이발생되고이유동은용융된 LMPA의유동에대한추진력으로작용하게된다. 유동중의접촉에의하여주변의용융된 LMPA와결합하며액상수지에의한외압과용융합금고유의표면장력에의해거대한구상필러로성장한 LMPA는상하부기판에형성된전극 () 에대한뛰어난젖음거동을일으켜전도패스를형성하게된다. 가열온도가폴리머매트릭스의경화온도에이르게되면수지성분의경화에의하여대향하는단자를고착시키며, 인접전도패스간의절연성도확보하게된다. 접합공정동안에요구되는사항은용융필러가젖음 (Wetting) 과융합 (Coalescence) 을하는동안폴리머매트릭스가낮은점성을가져야한다는점과폴리머의환원특성에의하여필러표면의산화막이제거되어야한다는점이다. 폴리머가높은점성을갖게되면용융필러의유동을방해하게되고, 필러입자의표면에산화막이남아있게되면융합과젖음을방해하는요인으로작용하게된다 11,12,13). LMPA를이용한새로운 ECA의접합방식을 Fig. 3에나타내었다. Conduction path Bump Bump metallization & heat metallization (a) Isotropic conductive adhesive Chip & heat Chip Conductive path (b) Anisotropic conductive adhesive Fig. 3 Schematic of ECA bonding process with low melting point alloy 3. LMPA 를이용한 ECA 합성및접합프로세스개발 3.1 ECA 합성및특성평가 본연구에서합성된 ECA의구성성분을 Table 1에나타내었다. 폴리머매트릭스의바인더로열경화성수지인비스페놀A (DGEBA) 타입의폴리머가사용되었고폴리머의경화제로디아미노디페닐설폰 (DDS) 이사용되었으며아민타입의촉매제 (Catalyst) 가사용되었다. LMPA와전극 Table 1 Components for the new ECA Epoxy Curing Agent Catalyst Reductant Solder / diameter Component DGEBA DDS BF3MEA Carboxylic Acid h i h o h i h o Sn-58Bi / ave. 45 μm Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

3 저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 25 단자의표면산화막을제거하기위하여카르복시산 (Carboxylic acid) 이환원제 (Reductant) 로사용되었다. 폴리머내부에포함된 LMPA는 45μm의지름을갖는파우더상태의 Sn-58Bi (T m=138 ) 가선정되었다. 합성된복합재료의경화특성과온도의존적점도특성을평가하기위해 DSC분석및점성테스트를시행하였고그결과를 Fig. 4에나타내었다. DSC분석의경우검사시료를 DSC 팬에넣고, 공기를제거한 nitrogen gas환경하에서가열속도를 10 /min으로실온에서 300 까지가열하면서검사시료의열유속을측정하였다. 또한점성테스트에서는 20mm의지름을갖는원형판위에폴리머를올리고 1Hz의주파수를사용하여 DSC 분석과동일한가열속도로실온에서부터 250 까지가열하며폴리머의점도변화를측정하였다. Fig. 4의 DSC분석결과에서보여지듯 Sn-58Bi 의용융피크는 로나타났으며, 폴리머의경화피크는이보다높은 로나타났다. 그리고점도테스트를통해폴리머매트릭스는 LMPA의융점보다조금높은온도범위에서약 100cPs의매우낮은점성을유지하는것을확인할수있다. 이러한결과들을통하여필러의녹는점부근에서폴리머의경화가많이진전되지않으며용융된 LMPA는낮은점도를유지하고있는폴리머내부를원활히유동할것이라는것을짐작할수있다. DSC분석과점성테스트를통한결과를바탕으로합성된 ECA에적용할온도프로파일을작성하였다. 온도프로파일은 LMPA의자기조직화접속과정인용융, 유동, 융합과젖음이일어나는솔더반응영역 (Solder process zone) 과폴리머의경화에의하여접합이완료되는경화영역 (Curing zone) 으로구성된다. 솔더변화영역은 LMPA의융점 (138 ) 보다약 20 높은 160 로 20초간유지되며낮은점도 (100cPs) 를유지하는폴리머내부에서용융된 LMPA는유동, 융합, 젖음에의하여전도패 Heat flow[w/g] Heat flow (Solder : Sn-58Bi) Heat flow() Heating rate:10 /min Temperature[ ] 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 Fig. 4 DSC and Viscosity test for the polymer matrix and solder Viscosity [cps] Temperature[ ] , 80sec , 20sec Heating rate:120 /min Time[sec] Fig. 5 Temperature profile for the ECA. 스를형성하게된다. 솔더변화영역을지나면다시 12 0 /min으로 180 까지가열한후등온구간을유지하는경화영역을만들고폴리머의경화에의하여접합이완료된다. 작성된온도프로파일을 Fig. 5에나타내었다. 3.2 LMPA- 폴리머-전극재료의적합성평가 LMPA를이용한 ECA에의한안정된금속학적결합에의해도전경로가확보되기위해서는합성된 ECA 내의 LMPA 간및 LMPA와단자간의우수한젖음특성이필수적으로확보되어야한다. 본연구에서는젖음실험을통하여합성된 ECA와전극재료와의적합성평가를실시하였다. 젖음실험은솔더볼을기판위에실장한후 IR 리플로우장비를이용하여가열하는경우에 ECA 의공급유무에따른젖음각을측정하여폴리머의환원능력에의한 ECA 내부에서의솔더의젖음특성을평가하는솔더볼젖음실험과볼젖음실험에서사용한솔더와동일한조성을갖는 42μm직경의솔더입자를폴리머내부에분산시켜 ECA를합성한뒤젖음실험용기판표면위에도포하고리플로우프로파일 (Fig. 5) 을따라가열하며 CCD 카메라를통해솔더의젖음및융합특성을관찰하는솔더파우더젖음실험으로구성된다 솔더볼젖음실험솔더볼젖음실험을위해 20mm 20mm FR-4 기판상에 16mm 16mm 18μm의크기를갖는 Cu 전극표면을제작하였다. 전극의표면처리는 1분간아세톤초음파세척을한뒤증류수로세척한후건조시켜표면처리하였다. 복합재료가갖는환원능력을확인하기위하여 6% HCl/H 2 O 용액의세척에의한표면산화막제거는시행하지않았다. Fig. 6에나타낸바와같이표면세척이완료된전극표면상에 760μm의지름을갖는 Sn-58Bi 솔

6 Schematic of solder ball wetting test for ECA 더볼을실장하고복합재료를공급한경우와공급하지않은경우에대하여 IR

7에나타내었다. Fig. 7(a) 에서보는바와같이폴리머를적용하지않은경우전극표면위에서의젖음각은약 155deg정도로나타나전극표면위에서의젖음특성이매우안좋은것을알수있다.

2 솔더파우더젖음실험솔더파우더젖음실험을위해 25 35mm의 FR-4 기판위에 line pattern이 Cu로도금되어있는기판이제작되었다. 패턴은 10 0.

8에나타낸바와같이 Cu 패턴상에도포한후기판상에상부기판간의간격유지를위하여지름 100μm를갖는구리선을배치시키고상부기판을고정한후온도프로파일 (Fig. 5) 에따라 hot plate를이용하여열을가한다.

4 26 Solder ball 반면폴리머가적용된 Fig. 7(b) 의결과에서알수있듯이전극표면위에서의젖음각은약 46deg정도로나타나폴리머의환원능력에의하여솔더와전극패드의표면산화막이원활히제거되어매우뛰어난젖음특성을보이고있는것을확인할수있다. Heat Fig. 6 Schematic of solder ball wetting test for ECA 더볼을실장하고복합재료를공급한경우와공급하지않은경우에대하여 IR 리플로우장비를이용하여열을가한후단면가공을통하여솔더의젖음각을광학현미경으로측정하였다. 솔더볼젖음실험결과를 Fig. 7에나타내었다. Fig. 7(a) 에서보는바와같이폴리머를적용하지않은경우전극표면위에서의젖음각은약 155deg정도로나타나전극표면위에서의젖음특성이매우안좋은것을알수있다. 이는솔더및금속패드표면의산화막에기인한것으로폴리머내에서충분한젖음특성을보이기위해서는솔더및금속패드의표면산화막이충분히제거되어야할필요가있다는것을알수있다 솔더파우더젖음실험솔더파우더젖음실험을위해 25 35mm의 FR-4 기판위에 line pattern이 Cu로도금되어있는기판이제작되었다. 패턴은 mm의라인형상이 18μm두께로도금되어있으며패턴간의피치간격은 50, 100, 150, 200, 250μm로형성되어있다. 기판의표면세척은볼젖음실험과동일하게시행하였으며혼합이완료된 ECA를 Fig. 8에나타낸바와같이 Cu 패턴상에도포한후기판상에상부기판간의간격유지를위하여지름 100μm를갖는구리선을배치시키고상부기판을고정한후온도프로파일 (Fig. 5) 에따라 hot plate를이용하여열을가한다. 이때에상부기판을유리기판으로선택하여 ECA 내부에서일어나는솔더의젖음및융합거동을 CCD 카메라를이용하여관찰한다. Fig. 9에솔더의젖음에의한 line pattern형상을나타내었다. Spacer(Cu wire) LMPA Glass substrate Heating Spacer(Cu wire) Glass substrate LMPA (a) Without polymer Fig. 8 Schematic of LMPA wetting test (b) With polymer Fig. 7 Result of solder ball wetting test. (a) (b) (c) Fig. 9 Result of LMPA wetting test. (a) before dispensing the ECA, (b) after dispensing ECA and (c) completion of wetting process Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 27 그림에서알수있듯이합성된 ECA 내부에등분포로퍼져있던솔더입자들은솔더의용융과융합, 젖음거동으로인해금속 pattern 위로집중되고온도와시간에따라좋은젖음특성을보이는것을알수있다. 3.3 자기조직화접속프로세스두종류의젖음실험을통하여 LMPA와폴리머및전극재료간의적합성이확인된 ECA를이용하여 Fig.

1mm 의라인형상이 18μm두께로도금되어있으며패턴간의피치간격은 50, 100, 150, 200, 250μm으로형성되었다. 배열패턴은 0.1mm 0.1mm 의사각형상이전체패턴의외부에배치되고, 지름 0.1mm의원형상이내부에배치되도록설계되어있으며, 패턴이도금된두께와패턴간의간격은라인패턴과동일하다. 자기조직화실험순서는다음과같다. 먼저기판을표면세척하여준비한다.

고정이완료되면상부기판과하부기판사이간격의가변적조절과유지를위해 300μm의지름을갖는 Sn-58Bi 솔더볼과지름 100μm의구리선을고정된하부기판위에배치시킨다. 초기상태에서솔더볼에의해 300 μm의간격을유지하고있던상하부기판의간격은프로세스가진행됨에따라솔더볼의용융에의해구리선의 지름인 100μm으로변화된후고정된다.

5 저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 27 그림에서알수있듯이합성된 ECA 내부에등분포로퍼져있던솔더입자들은솔더의용융과융합, 젖음거동으로인해금속 pattern 위로집중되고온도와시간에따라좋은젖음특성을보이는것을알수있다. 3.3 자기조직화접속프로세스두종류의젖음실험을통하여 LMPA와폴리머및전극재료간의적합성이확인된 ECA를이용하여 Fig. 10에나타낸바와같이기판대기판접합을통한자기조직화접속실험을시행하였다. 자기조직화접속실험을위해 25mm 35mm 의 FR-4 기판위에라인패턴 (Line pattern) 과배열패턴 (Area-array pattern) 이 Cu로도금 (Plating) 되어있는두종류의기판이제작되었다. 라인패턴은 10mm 0.1mm 의라인형상이 18μm두께로도금되어있으며패턴간의피치간격은 50, 100, 150, 200, 250μm으로형성되었다. 배열패턴은 0.1mm 0.1mm 의사각형상이전체패턴의외부에배치되고, 지름 0.1mm의원형상이내부에배치되도록설계되어있으며, 패턴이도금된두께와패턴간의간격은라인패턴과동일하다. 자기조직화실험순서는다음과같다. 먼저기판을표면세척하여준비한다. ECA는 LMPA를각각 10vol% 와 40vol% 로달리하여혼합한후진공오븐에넣어거품을제거한다. 표면세척이완료된기판의패턴부분에혼합된 ECA를도포하고플립칩접합장비 (Lambda: Finetech. co) 의가열판위에진공으로고정시킨다. 고정이완료되면상부기판과하부기판사이간격의가변적조절과유지를위해 300μm의지름을갖는 Sn-58Bi 솔더볼과지름 100μm의구리선을고정된하부기판위에배치시킨다. 초기상태에서솔더볼에의해 300 μm의간격을유지하고있던상하부기판의간격은프로세스가진행됨에따라솔더볼의용융에의해구리선의 지름인 100μm으로변화된후고정된다. 기판사이의높이변화는폴리머내부에유동을발생시켜 LMPA의유동에대한추진력으로작용하게된다. 솔더볼과구리선의배치가끝나면플립칩접합장비의암에상부기판을고정하고상부기판과하부기판을정렬시킨다. 상하부기판의정렬이완료되면암을내려상하부기판을접촉시키고온도프로파일 (Fig. 5) 에따라열과압력을가한다. 자기조직화접속프로세스실험이완료되면 X-ray 투과장비 (SMX-160: Shimadzu) 를사용하여 LMPA 체적비와패턴간피치간격에따른자기조직화특성및브릿지현상을확인하고, 단면가공을통해 LMPA의체적비에따른전도패스형상을관찰한다. Fig. 11에접속프로세스가완료된라인패턴에대한 X-ray 투과사진을나타내었다. 사진상에서짙은회색으로나타나는영역은 Cu 패턴이마주보는영역으로상부라인과하부라인사이에 LMPA가모세관현상에의하여연속적으로젖어있고 FR-4 기판위에폴리머가채워진영역은밝은회색으로나타난다. LMPA의체적비에따른자기조직화접속프로세스테스트결과에서는다음과같은접합특성과브릿지특성이나타났다. 10vol% 인시편에대한 X-ray 투과사진인 Fig. 11(a) 을보면전체패턴상에서아무런브릿지현상도관찰되지않는것을확인할수있다. 폴리머영역상에서결합에참여하지못하고남아있는필러가일부존재하기는하지만브릿지를형성하기에는매우미량이므로인접한단자와의단락의위험성이배제된다. 그러나일부패턴상에서 LMPA가부분적으로비어있는것을확인할수있다. 이러한현상은자기조직화접속프로세스과정상에서젖음과융합현상은발생하였으나 LMPA의체적 Upper substrate Lower substrate h i (a) Volume fraction is 10%, Pitch is 100 μm & heat Upper substrate h o Lower substrate Fig. 10 Schematic of substrate to substrate bonding for self-organized interconnection Fig. 11 (b) Volume fraction is 40%, Pitch is 150 μm X-ray photographs of self-organization of line type pattern

28 비가너무적어전체패턴상에전도패스를형성시키지못한것으로보인다. 반면 40vol% 인시편 (Fig. 11(b)) 에서는 10vol% 에서필러의부족에의해나타났던전도패스미형성구역이모두사라지고전체패턴상에서마주보는상부라인과하부라인사이에 LMPA 필러가연속적으로젖어있는것을확인할수있다.

이는좁은패턴으로인하여인접한패턴에젖은용융필러들이패턴사이에존재하는필러들을접촉과융합에의해서로공유함으로써발생하는요인과전도패스를형성하고남은 LMPA들이패턴상에서상대적으로강한모세관현상을나타내는좁은패턴쪽으로집중되어브릿지현상이증가되는두가지요인이동시에작용한것으로판단된다.

사진에서보는바와같이접합부는용융된필러가 Cu 패턴에금속학적으로결합된부분과, 폴리머가채워져상하부의기판을접합하고있는두부분으로나뉜다. 폴리머의뛰어난환원특성에의해 LMPA와전극패드표면의산화막이제거되고, 용융 LMPA의젖음과융합에의하여전도패스를형성하게된다. 전도패스사이에형성된폴리머영역은인접한전도패스간의절연층으로작용하게된다. Fig.

13에서는라인패턴과동일한실험조건에서시행된배열패턴에대한 X-ray 투과사진을나타내었다. 피치간격 150μm에서 10vol% 는원형패턴을 40vol% 는사각패턴을나타내었다. 10vol% 인시편에대한 X-ray 투과사진인 Fig. 13(a) 를보면전체패턴상에서매우적은양의브릿지현상이발생한것을확인할수있다.

6 28 비가너무적어전체패턴상에전도패스를형성시키지못한것으로보인다. 반면 40vol% 인시편 (Fig. 11(b)) 에서는 10vol% 에서필러의부족에의해나타났던전도패스미형성구역이모두사라지고전체패턴상에서마주보는상부라인과하부라인사이에 LMPA 필러가연속적으로젖어있는것을확인할수있다. 하지만전체패턴사진에서알수있듯상하부의패턴상에전도패스를형성하고남은용융필러에의해인접한패턴간에브릿지를형성하고있는것을확인할수있다. 패턴의피치간격에의한영향을확인하기위하여전체패턴상의브릿지현상의분포를비교하여보았을때패턴간의간격이좁은영역에서브릿지가많이발생한것을확인할수있다. 이는좁은패턴으로인하여인접한패턴에젖은용융필러들이패턴사이에존재하는필러들을접촉과융합에의해서로공유함으로써발생하는요인과전도패스를형성하고남은 LMPA들이패턴상에서상대적으로강한모세관현상을나타내는좁은패턴쪽으로집중되어브릿지현상이증가되는두가지요인이동시에작용한것으로판단된다. 패턴간피치간격이넓어질수록인접한필러와의접촉기회가줄어들고좁은패턴쪽으로의용융필러의집중현상으로인해상대적으로브릿지는줄어드는경향을보인다. Fig. 12는라인패턴에서각각의체적비에서기판간높이가 100μm일때에상하부의전극패드간에형성된 전도패스의형상을나타낸다. 사진에서보는바와같이접합부는용융된필러가 Cu 패턴에금속학적으로결합된부분과, 폴리머가채워져상하부의기판을접합하고있는두부분으로나뉜다. 폴리머의뛰어난환원특성에의해 LMPA와전극패드표면의산화막이제거되고, 용융 LMPA의젖음과융합에의하여전도패스를형성하게된다. 전도패스사이에형성된폴리머영역은인접한전도패스간의절연층으로작용하게된다. Fig. 12(a) 에서는 10vol% 일때의전도패스형상을나타낸다. X-ray 투과촬영에서도확인한바와같이 LMPA의부족에의하여부분적으로전도패스를형성하지못하고용융필러가한쪽의전극패드에만젖어있는모습을나타내었다. 반면, 40vol% 의경우 (Fig. 12(b)) 전도패스는충분한필러의젖음과융합에의하여범프형상의전도패스를형성하고있는것을확인할수있다. Fig. 13에서는라인패턴과동일한실험조건에서시행된배열패턴에대한 X-ray 투과사진을나타내었다. 피치간격 150μm에서 10vol% 는원형패턴을 40vol% 는사각패턴을나타내었다. 10vol% 인시편에대한 X-ray 투과사진인 Fig. 13(a) 를보면전체패턴상에서매우적은양의브릿지현상이발생한것을확인할수있다. 또한라인패턴의경우보다전도패스를형성하기위한전극패드의면적이적어작은체적비에서도전도패스의미형성구간없이양호한접합을이루고있는것을확인할수있다. 반면 40vol% 인시편의경우 (Fig. 13(b)) 에서는전도패스를형성하고남은 LMPA 필러에의하여많은양의브릿지 (a) V f=10% ( pitch:250 μm ) (a) Volume fraction is 10%, Pitch is 150 μm (b) V f=40% ( pitch:200 μm ) (b) Volume fraction is 40%, Pitch is 150 μm Fig. 12 Morphology of the conduction path in ECA of line type pattern Fig. 13 X-ray photographs of self-organization of area array type pattern Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

이러한 LMPA 의체적비에따른접합테스트를통하여자기조직화접속프로세스에필요한최적의체적비를선정할수있다. 3.4 자기조직화 ICA 접속방식을이용한 QFP 접합프로세스 (b) V f=40% ( pitch:150 μm ) Fig.

7 저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 29 (a) V f=10% ( pitch:150 μm ) 접속시전체시스템상에서모세관력보다는전극패드에대한 LMPA의젖음력이더우세하게작용함을알수있다. 이러한사실을통해피치간격이동일하지않은패턴에대한접합에서너무많은체적비를갖는 ECA 를적용할시좁은패턴쪽에서의모세관현상에의한단락의위험을내포하고있어각접합상황에맞는적절한 LMPA의체적비를결정해야한다는결론을얻을수있다. 이는폴리머내부에포함되는 LMPA의체적비가안정한전도패스형성과접합상태를형성시키는주요한변수로작용하는것을나타낸다. 이러한 LMPA 의체적비에따른접합테스트를통하여자기조직화접속프로세스에필요한최적의체적비를선정할수있다. 3.4 자기조직화 ICA 접속방식을이용한 QFP 접합프로세스 (b) V f=40% ( pitch:150 μm ) Fig. 14 Morphology of the conduction path in ECA of area array type pattern 가발생한것을확인할수있다. Fig. 14에서는배열패턴에서상하부기판사이의높이가 100μm, 패턴간피치간격이 150μm일때에각각의체적비에서전극패드간에형성된전도패스의형상을나타낸다. 결과에서확인할수있듯 10vol% 인 Fig. 14(a) 와 40vol% 인 Fig. 14(b) 에서모두양호한전도패스를형성한것을확인할수있다. 이는앞에서도상술한바와같이전도패스를형성하기위한전극패드의면적이적어작은체적비에서도양호한접합을이룬것으로판단된다. 이러한결과들을통하여패턴의형상에따른적절한체적비를결정하는것은접합시에발생할수있는브릿지현상이나부적절한전도패스형성등의문제점을예방하는데에중요하게작용한다는것을알수있다. 또한 LMPA의체적비에따른라인패턴에대한접합특성을비교했을때 LMPA가 10vol% 일때에는젖음력에의한전도패스형성만이발생하고좁은피치를갖는패턴으로의모세관현상에의한 LMPA의집중현상은관찰되지않았다. 반면 40vol% 에서는젖음에의한전도패스의형성이완료된후모세관현상에의해좁은패턴으로 LMPA의집중이발생하여브릿지가발생한것을확인할수있다. 이러한결과를통하여자기조직화 LMPA를포함하는 ICA의 QFP접합방식은 Fig. 15에나타낸바와같이침적접합법에의해이루어진다. 40vol% 로제작된 ICA는유리기판위에도포되고스퀴지 (Squeegee) 를통하여평평한 ICA layer를형성시킨다. ICA layer 의형성이완료되면 QFP의 lead부위를침적 (Dipping) 시켜 lead의끝부분에 ICA를선택적으로도포시킨다. 플립칩접합장비의가열판 (Heating plate) 위에세척이완료된기판을고정하고 ICA의도포가완료된 QFP를실장한후아무런압력도가하지않은자연부유상태를유지하면서온도프로파일 (Fig. 5) 에따라열을가하여접합을시행한다. 실험에서사용된 QFP(Part No. QFP44T40-3.2: Topline) 는 mm( 리드피치간격 : 1.0mm) 규격으로 44개의 I/O를가지고있으며, lead는 Sn으로도금되어있다. 18μm두께의 Cu가도금되어있는 PCB가사용되었고 QFP와 PCB 모두에데이지체인 (Daisy chain) 이설계되어있어접합후전기저항을측정할수있다. 접합이완료된 QFP 시편에대한 X-ray 투과사진을 Fig. 15 QFP (a) Initial condition (c) ICA mount ICA Glass substrate Connection Heating ICA layer (b) Dipping process (d) Bonding completion Schematic of interconnection dipping process for the QFP bonding using solderable ICA

30 4 Contact resistance[mω] 3 2 1 3.13 3.46 3.27 3.29 Fig. 16 X-ray photographs of QFP assembly with solderable ICA 0 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Average Fig.

Lead와 Cu패턴이마주보는영역의외부에존재하는짙은회색의점들은인접필러들과융합은하였으나젖음에참여하지못하여패턴외부의폴리머상에존재하는 LMPA 필러들이다. 짙은회색으로나타나는필러가채워진영역은용융필러의융합및젖음특성과함께모세관현상 (Capillary force) 에의하여 lead 접합부의전면부에균일하게도포되어안정적인전도패스를형성한다.

8 30 4 Contact resistance[mω] Fig. 16 X-ray photographs of QFP assembly with solderable ICA 0 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Average Fig. 18 Electrical resistance of QFP using solderable ICA Fig. 16 에나타내었다. 사진상에서 QFP lead와 Cu패턴사이에 LMPA가채워져있는영역은짙은회색으로나타나고, 폴리머로채워진영역은밝은회색으로나타난다. Lead와 Cu패턴이마주보는영역의외부에존재하는짙은회색의점들은인접필러들과융합은하였으나젖음에참여하지못하여패턴외부의폴리머상에존재하는 LMPA 필러들이다. 짙은회색으로나타나는필러가채워진영역은용융필러의융합및젖음특성과함께모세관현상 (Capillary force) 에의하여 lead 접합부의전면부에균일하게도포되어안정적인전도패스를형성한다. 비록젖음에참여하지못한필러들이패턴외부의폴리머영역에존재하지만그양이매우적고패턴에근접하게존재하며절연체인폴리머내에고립되어있어인접패턴간의단락의위험은없는것으로판단된다. 단면가공을통한 QFP접합부형상 (Fig. 17) 에서알수있듯이접합부는용융된필러가 lead와 Cu패턴사이에금속학적으로결합된전도패스부분과형성된전도패스를외부에서감싸며 lead와기판을접합하는폴리머영역으로구성된다. 점선부분은접합부외부의폴리머영역을나타낸다. 폴리머내부에서용융된 LMPA는폴리머의뛰어난환원능력에의해표면산화막이제거되고, 용융필러고유의융합과젖음특성, 그리고모세관 Fig. 17 Morphology of the conduction path between QFP lead and Cu pattern of substrate 현상에의해 lead와전극패드사이에거대구상필러를형성하며모이게된다. 이와동시에점도가낮아진폴리머는외부로유동하여경화되고최종접합부를형성하게된다. 이와같은금속학적결합에의한전도패스의형성에의하여 ICA에의한접합부는안정하고뛰어난전기적특성을얻을수있다. 또한외부의경화된폴리머에의하여기계적접합강도를확보할수있다. Fig. 18에는접합이완료된 QFP시편에대한접촉저항측정결과를나타내었다. 접촉저항측정결과에서알수있듯접합이완료된 QFP시편들의전기저항이매우균일한값을나타내어기존의 ICA에서나타나던불안정한전기저항의문제점이발생하지않은것을확인할수있다. 이는 ICA의내부에포함된 LMPA의용융및젖음에의한금속학적결합에기인한것임을알수있다. 4. 결론 도전성접착제가갖는우수한특성들로인해응용범위가점차확대되어가고있고그시장규모또한증가하는추세에있다. 본고에서는기존의 ECA의도전메커니즘에의해기인되는문제점들을극복하기위하여 LMPA 필러만을포함하는새로운개념의 ECA를개발하고이를이용한새로운방식의접합프로세스에대한연구결과에대해소개하였다. 새롭게개발된 ECA는폴리머의뛰어난환원특성에의하여 LMPA와전극패드의표면산화막을제거하고, 용융필러고유의융합과젖음에의한자기조직화접합특성에의하여전도패스를형성하게된다. 이와같은새로운도전메커니즘에의해 LMPA의용융에의한금속학적결합이형성되어매우안정적인전기적특성을얻을수있다. 또한전도패스의외부를감싸는폴리머로인해기계적강도를확보하고, 인접단자간의절연 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 31 성을확보할수있다. 이와같은결과들을통하여새롭게개발된 ECA 접합방식은기존의 ECA 접합방식에서나타나던문제점들을극복할수있는뛰어난접합방식임을확인할수있다. 또한향후연구의진행에따른응용범위의확대도기대되어많은발전을기대할수있는기술이라할수있다.

Fujimoto : Adhesive Joining Process and Joint Property With Low Melting Point Filler, Journal of Electronic Packaging, 127 (2005), 12-17 2. F. Tan, X. Qiao, J.

Kim, F. G. Shi : Electrical reliability of electrically conductive adhesive joints: dependence on curing condition and current density, Microe- lectronics Journal 32 (2001), 315-321 4. D.

9 저융점합금필러를이용한도전성접착제및이를이용한접합프로세스 31 성을확보할수있다. 이와같은결과들을통하여새롭게개발된 ECA 접합방식은기존의 ECA 접합방식에서나타나던문제점들을극복할수있는뛰어난접합방식임을확인할수있다. 또한향후연구의진행에따른응용범위의확대도기대되어많은발전을기대할수있는기술이라할수있다. 후 기 본연구는 2007년도중앙대학교학술연구비지원으로수행되었으며관계자여러분께감사드립니다. 참고문헌 1. K. Yasuda, J. M. Kim and K. Fujimoto : Adhesive Joining Process and Joint Property With Low Melting Point Filler, Journal of Electronic Packaging, 127 (2005), F. Tan, X. Qiao, J. Chen and Hongshui Wang : Effects of Coupling Agents on the Properties of Epoxy-Based Electrically Conductive Adhesives, International Journal of Adhesion & Adhesives 26 (2006), H. K. Kim, F. G. Shi : Electrical reliability of electrically conductive adhesive joints: dependence on curing condition and current density, Microe- lectronics Journal 32 (2001), D. Wojciechowski, J. Vanfleteren, E. Reese and H.-W. Hagedorn : Electro-Conductive Adhesives for High Density Package and Fip-chip Interconnections, Microelectronics Reliability 40 (2000), Y. Li, C.P. Wong : Recent Advances of Conductive Adhesives as a Lead-Free Alternative in Electronic Packaging: Materials, Processing, Reliability and Applications, Materials Science and Engineering, 51-1~3 (2006), Q. K. Tong, D. L. Markley, G. Frederickson, R. Kuder and D. Lu : Conductive Adhesives with Stable Contact Resistance and Superior Impact Performance, Electronic Components and Technology Conference, 1-4 (1999), Y. S. Eom, J. W. Baek, J. T. Moon, J. D. Nam and J. M. Kim : Characterization of Matrix and Low Melting Point Solder for Anisotropic Conductive Film, Microelectronic Engineering, 85 (2008), M. Zwolinski, J. Hickman, H. Rubin, Y. Zaks, S. McCarthy, T. Hanlon, P. Arrowsmith, A. Chaudhuri, R. Harmansen, S. Lau and D. Napp : Electrically Conductive Adhesives for Surface Mount Solder Replacement, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology-Part C, 19-4 (1996), K. S. Moon, J. Wu and C. P. Wong : Improved Stability of Contact Resistance of Low Melting Point Alloy Incorporated Isotropically Conductive Adhesives, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 26-2 (2003), S. K. Kang and S. Purushothaman : Development of Conducting Adhesive Materials for Microelectronic Applications, Journal of Electronic Materials (1999), J. M. Kim, K. Yasuda, M. Rito and K. Fujimoto : New Electrically Conductive Adhesives Filled with Low Melting Point Alloy Fillers, Mater. Trans. 45 (2004), J. M. Kim, K. Yasuda, M. Yasuda and K. Fujimoto : The Effect of Reduction Capability of Resin Material on the Solder Wettability for Electrically Conductive Adhesives (ECAs) Assembly, Mater. Trans. 45 (2004), J. M. Kim, K. Yasuda and K. Fujimoto : Novel Interconnection Method Using Electrically Conductive Paste with Fusible Filler, Journal of Electronic Materials, 34-5 (2005), 임병승 ( 林炳承 ) 1977년생 중앙대학교기계공학부석사과정 마이크로시스템패키징 deuxyim@hanmail.net 김종민 ( 金鍾珉 ) 1972년생 중앙대학교기계공학부부교수 마이크로시스템패키징 kjm@cau.ac.kr 전성호 ( 全成浩 ) 1981년생 중앙대학교기계공학부석사과정 마이크로시스템패키징 larsens@hanmail.net

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DBPIA-NURIMEDIA C = / * 1 2 3-4 5 6 + 7 8 9 0. = 31 특집 : 차세대디스플레이모듈및 3 차원실장을위한마이크로전자패키징기술 전자패키징에서의도전성접착제기술동향 Recent Advances on Conductive Adhesives in Electronic Packaging Jong-Min Kim Personal computer PGA DIP Note