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1 C = / * = 31 특집 : 차세대디스플레이모듈및 3 차원실장을위한마이크로전자패키징기술 전자패키징에서의도전성접착제기술동향 Recent Advances on Conductive Adhesives in Electronic Packaging Jong-Min Kim Personal computer PGA DIP Note type computer Digital camera High speed, Large capacity SOP QFP 1. 서론 전자패키징 (electronic packaging) 기술이란반도체 IC를봉지수지로포장하여 IC의최종형태를만드는기술을말하며, 가까운일본에서는실장이라는의미로반도체, 전자부품, 반도체패키지, 프린트배선판, 설계등각각의기술을유기적으로연결해최적화하는시스템설계의총합이라고정의하고있다. 21세기에들어서면서혁신적인정보기술 (Information Technology) 은우리의삶을변화시키기시작해사회구조마저변화시키기에이르렀다. 정보통신기기의진보에따라반도체패키지의고집적화, 고성능화, 저비용화, 소형화가가속화되고있다. 따라서 LSI 칩의집적도향상과함께 Fig. 1에나타낸바와같이 DIP(Dual In-line Package) 로대표되던삽입형전자패키지로부터 QFP(Quad Flat Package), SOP (Small Outline Package) 로대표되는표면실장형패키지로전개되어다단자화, 미세피치화가전개되어왔다. 전자패키징기술의발달로높은입 / 출력단자를갖춘 BGA(Ball Grid Array), CSP( Scale Package), FC(Flip ), 3-D package 등과같은새로운전자패키지기술이개발되고있다 1). Portable phone BGA Palm Small, Light, High performance CSP High integration, High density FC-BGA Broad band Internet 3-D Device Fig. 1 Evolution of electronic packaging technology Opto-electronics Device 이러한전자패키지기술중솔더링기술은납이가지는우수한특성 2) 으로 Sn-37Pb 공정솔더를이용한기술이폭넓게이용되어왔다. 그러나, 최근 Sn-37Pb 공정솔더가가지는인체와환경에미치는악영향과오존층파괴등심각한환경적문제와국제적인환경규제로인해공정솔더를대체할대체재료의개발, 연구가활발히진행되고있다. 이러한대체재료개발에는크게두가지로납이함유되지않은무연솔더개발 3) 과도전성접착제 (Electrically Conductive Adhesive : ECA) 개발 4) 로구분지을수있다. 무연솔더중에서현재대표적으로사용하고있는솔더는 Sn/Ag와 Sn/Ag/Cu 솔더를들수있다. 그러나, 이들솔더는상대적으로높은융점 (Sn/Ag: 217, Sn/Ag/Cu: 221 ) 과젖음성이나쁘다고하는공통적인특징이지니고있다. 반면에도전성접착제는폴리머 (polymer) 기재와도전필러 (filler) 입자의주성분으로구성되어있다. 이러한도전성접착제는일반솔더에비해 1) 저온프로세스가가능 ( 낮은열응력 ), 2) 환경친화적 ( 무연, 독성금속미함유 ), 3) 프로세스간이화 ( 무플럭스, 세척공정불필요 ), 4) 솔더링이불가능한재료및폭넓은재료에사용가능, 5) 미세피치대응및 6) 열피로특성향상과같은장점을가지고있어 5) 많은연구개발이활발히진행되고있다. 그러나, 상용화된도전성접착제들은여전히솔더링에비해낮은전기전도도와열전도도, 내충격성및이온마이그레이션등의개선해야할문제점 6,7) 들을해결하기위한많은연구가활발히진행되고 있다. 본고에서는최근의전자패키징에서의도전성접착제에관련한연구개발현황을요약하고이를이용한접속기술의동향을분석하고그전망을살펴보고자한다. 2. 도전성접착제의종류 도전성접착제는전자패키징산업에서주로다이 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 133

2 32 Silver flake Pads s Squeegee (a) Stensil Pad Fig. 3 Schematics of surface mount interconnection Polymer matrix (b) ACA Polymer matrix (c) NCA Fig. 2 Schematics of ECA flip-chip bonding (die) 를붙이는재료로벌써 70년넘게사용되어오고있다. 이도전성접착제는 Fig. 2에나타낸바와같이전류가모든방향으로흐를수있는등방성도전성접착제 (Isotropic Conductive Adhesives : s) 와오직한방향즉 z축방향으로만흐를수있는이방성도전성접착제 (Anisotropic Conductive Adhesives : ACAs) 가있다. 또한, 도전필러가함유되지않은비전도성접착제 (Non-Conductive Adhesives) 가있으며각도전성접착제기술의동향에대해살펴보고자한다. 3. 등방성도전성접착제 (s) s 주성분은폴리머 (polymer) 기재와도전필러 (filler) 입자로구성되어있다. 폴리머기재로는페놀에폭시 (phenolic epoxy) 와폴리이미드 (polyimide) 등과같은열가소성수지 (thermoplastics) 를사용하고있으며일반적으로에폭시 (epoxy), 실리콘 (silicone), 폴리우레탄 (polyurethane) 등과같은열경화성수지 (thermosets) 가사용된다. 도전필러는일반적으로수 µm-수십 µm 크기의필러를사용하고있다. 도전필러의형상은구형과일반적으로많은점 면접촉을위하여플레이크 (flake) 형상의입자를사용하고있다. 도전메커니즘 8) 은이도전필러들의기계적 / 물리적접촉에의해상하두단자사이에도전이이루어지며, 필러의함유량은필러의형상및크기에따라다르지만일반적으로 vol% 의필러가함유되어있다. s 를이용한접속프로세스는 Fig. 3에나타낸바와같이일반적으로 s 를전기적인연결이요구되는금속패드위에스텐실프린팅 (Stensil Printing) 공정 을통하여국부적으로도포한뒤, 표면실장부품 (Surface-mount technology: SMT) 을장착하여리플로우프로세스를거쳐열을가하여수지를경화시킨다. 플립칩의경우, 접속부의장기적인신뢰성을향상시키기위해별도의언더필공정을필요로한다. 위와같은스텐실프린팅기법을통한플립칩접속공정은매우정교한패턴의정렬이요구되므로 Fig. 4에나타낸바와같은플립칩접속공정 9) 을사용되기도한다. 먼저 를칩이나기판쪽의접속단자에접촉시켜선택적으로단자에도포를한뒤칩을장착시킨뒤경화시킨다. 도전필러의재료로는은 (Ag), 금 (Au), 구리 (Cu), 니켈 (Ni), 카본 (carbon), 금속도금필러등이사용되는데거의대부분의 s 에서는 Ag가가지는낮고안정된저항률 (1.6µΩ cm) 과산화물의도전특성때문에 Ag를도전필러로사용하고있다. 최근에는전기적 / 기계적특성을향상시키기위해나노입자를이용한연구가활발히진행되고있다. Ni은 Ag에비해약 25% 전기저항이크지만값이저렴하고 Cu보다화학적및열적으로안정성이있어 Ni 나노입자를이용한 s 가개발되었다 10). 또한, 탄소나노튜브 (carbon nano-tubes; CNTs) 와은나노입자를이용한 개발을통해전기적인특성의향상보다는내충격성을향상시킨연구 11) 도소개되고있다. 탄소나노튜브 (φ: 30nm) 에 Ag를 substrate or Underfill Fig. 4 A schematic of Flip-chip bonding process with 134 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

3 전자패키징에서의도전성접착제기술동향 33 코팅한나노입자를사용한 12) 와 Ag 나노와이어 (nanowire) 를이용한 개발 13) 을통해전기적인특성을크게향상시킨연구결과가보고되었다. 또한, 최근에고융점의금속필러와저융점합금필러를섞어전기적인특성을크게향상시킨 (Fig. 5(a)) 14), 나노 Ag 입자를이용한저온소결 (sintering) 15), 저융점솔더합금입자 (Cu, Zn, Ag, Cd, In, Sn, Au, Pb, Bi와그합금 ) (Fig. 5(b)) 만을채용한새로운형태의 재료가개발 16) 되는등솔더입자의낮은융점을이용한새로운개념의도전성접착제개발을통하여전기적, 기계적접합특성을향상시키려는연구가활발히진행되고있다. 또한, 나노 Ag 및 Au 입자를도전성잉크가개발되고있는데, 이도전성잉크가가지는단점인접착기능을가미한잉크젯도전성접착제 17) 가보고되고있다. Ag 4. 이방성도전성접착제 (ACAs) ACAs 주성분은열가소성및열경화성폴리머기재와도전필러 (filler) 입자로구성되어있다. ACAs 는페이스트상태로프린트또는도포하여사용할수있는재료인 ACPs(Anisotropic Conductive Pastes) 와필름상태로릴 (reel) 에감길때서로부착이되지않도록취급을용이하게하기위한분리필름이부착된 ACFs(Anisotropoic Conductive Films) 의형태의재료로구분지을수있다. ACAs는수직방향인 Z-축으로만도통경로를형성하여한쪽방향으로만전류가통하게된다. 이러한특성으로인해 Fig. 6에보인바와같이 ACAs는기판의전 Polymer resin Component metallization ACAs Pressure & heat Polymer matrix Fig. 6 A schematic of flip chip bonding with ACA 체적인전극단자들위에도포하여일괄적으로단자들간의전기적접속및칩과기판간의기계적결합을얻을수있다. 또한, s 와같이별도의언더필공정이필요없으며, 손쉽게미세접합부를얻을수있는특징을가지고있다. ACAs 의도전메커니즘은전극패드위에갇혀진도전입자에의해기계적 / 물리적접촉에의해이루어진다. 따라서, 최종적인접합부의전기적특성은일반적으로패드위의평균필러입자수, 필러입자의압축정도등에의해결정된다. 접합부의특성을결정짖는주요변수는 1) 접합온도와시간, 2) 접합압력과압력분포, 3) 보드 (board) 및범프 (bump) 평탄도, 4) 필러입자분산도및크기분포등을들수있다. 일반적으로 s 의필러입자함유량에비해적은 5-10 vol% 의필러입자가함유되어있다. ACFs 는액정디스플레이 (Liquid Crystal Displays: LCDs) 와같은평판디스플레이 (Flat Panel Displays: FPDs) 에접합재료로폭넓게사용되고있다. 최근, 디스플레이들이박형화, 저비용화, 저전력화및고성능화되어감에따라 TCP (tape carrier package), COG(chip-on-glass), COF(chip-on film) 등의다양한패키징기술 18) 이개발되고있다. Fig. 7에 ACFs metallization Low-melting-point alloy (a) filled with a mixture of a high melting point metal powder and a low melting point alloy powder Conduction paths TAB bonding output FPC / PCB AnisoMat FP TAB bonding input FPC / LCD AnisoMat FI Component metallization metallization COG bonding IC / LCD AnisoMat GI Plasma display FPC / PDP AnisoMat PDP Fig. 5 Polymeric resin (b) filled with a low melting point alloy powder Schematics of bonding with low-melting point alloy filler COB bonding IC / PCB AnisoMat FCP NcfMat FCP COF bonding IC / FPC AnisoMat FCP NcfMat FCP Fig. 7 Various applications of ACFs ( com) 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 135

4 34 의적용분야를나타내었다. TCP 접합의경우, 드라이버 IC가장착된 TCP가 glass 기판위에도포된 ACF위에장착된뒤열과압력을가하여 glass 기판위의 ITO(indium tin oxide) 전극과 TCP 전극사이의압축구속된도전필러에의해접합이이루어진다. COG 접합의경우, glass panel에 bare chip을직접접합하는방식으로저비용으로실장밀도를향상시켜 LCD 모듈을경박단소화시킬수있는실장방식이다. 그러나, LCD panel 위에직접실장하므로별도의공간이필요하여디스플레이의주변이넓어지는단점을가지고있어드라이버 IC를집적화하고소형화하는패키징기술이활발히연구되고있다. 또한, 일반적으로열팽창계수의차이로인해 50µm이하의미세피치에적용하는데큰애로점이있다. 이러한초미세피치에 ACF를사용한 COF 접합방식이가장널리사용되고있다. COF 접합방식은폴리이미드 (polyimide) 기판상에 bare 칩을 접합하는방식으로구조가 TCP와비슷하나, 일반적으로기판이얇은구리와폴리이미드의이중구조로되어있어삼중구조 ( 구리, 접착제, 폴리이미드 ) 의 TCP 에비해뛰어난유연성과고온특성을가지고있다. ACAs에는굉장히다양한종류와형태의도전입자를사용하고있는데일반적으로도전입자에사용되는재료는 Fig. 8에보인바와같이 1) Ag, Ni, C 등과같은도전입자, 2) Au가도금된금속 (Ni, titanium oxide 등 ) 플라스틱 (acrylic rubber, polystyrene 등 ) 입자와 3) 위의두재료의입자들위에절연막을입힌입자가있다. 이중금속이아닌재료위에 Ag, Ni, Au가도금된형태가가장일반적인형태의필러로사용되었다. 최근에는낮은밀도특성을가지는플라스틱입자에 Ni, Au, Ni/Au 도금된도전입자와미세피치화의진전에따라인접한단자와의도전입자에의한전기적단락을최소화하기위해도전입자에절연막을형성시킨입자들도널리사용되고있다. 일반적으로 ACAs를통한접합부의전기적접속은솔더링과같이솔더와단자간의금속학적 (metallurgical) 결합이아닌칩과기판의전극사이에구속된필러의기계적 / 물리적접촉에의해이루어진다. 따라서, 일반적으로낮은전기전도도와불안정한전기적특성을가지고있다. 궁극적으로 Non-fusible filler (Ag, Ni, C, etc.) Metal/Non-conductive core Plating layer Insulating layer Metal/Non- conductive core Plating layer (Ag, Ni, Au, etc.) Fig. 8 Schematics of conductive particle structure 기존의솔더링수준의높은전기전도도와안정된전기적특성을얻기위해서는접착제내에서금속학적결합을통해전기적접속구조를형성하여야할필요가있다. 이에솔더입자가함유된 ACAs 19) 에대한연구가지속적으로진행되고있다. 이러한솔더입자들중에서 Sn/52In (T m=118 ), Sn/58Bi(T m=139 )) 솔더재료가낮은융점특성때문에널리사용되고있다. 이러한다양한도전입자를사용하여 Fig. 9에나타낸것처럼접합부의전기적특성을향상시키기위한접속프로세스가개발되었다. Figure 9는도전입자가포함되지않은층과포함된층으로구성이된이층 (double-layer) 구조의 ACF 20) 와도전입자가포함된층의상하에도전입자가포함되지않은층과포함된층으로구성된 3층구조의 ACF 21) 의접속프로세스를도식화한것이다. 이프로세스는칩범프간공간이도전입자가포함되지않은접착제로채워지고단층 (single-layer) ACF 에비해단자사이에효과적으로필러를구속시키며, 이갇혀진필러입자의수를늘려전기적특성향상을꾀하고있다. 또한, 나노 Ag 입자를이용한소결 (sintering) 프로세스 22) 를통해저온에서단자간에솔더접합부와같은금속학적결합을통해전기적특성을크게개선하였다. 저융점솔더합금입자를함유한 ACA 를이용하여솔더필러입자와접촉할단자에금속간화합물을형성하지않도록하는비반응 (nonreactive) 접속프로세스 23) (Fig. 10(a)) 와최근에는, 저융점솔더합금입자 (Cu, Zn, Ag, Cd, In, Sn, Au, Pb, Bi와그합금 ) 만을채용한새로운형태의 ACA를이용하여접착제내에균일분산된저융점솔더합금입자들의표면장력과접착제의유동성을이용하여전극단자에선택적으로전기적인접속을꾀하는프로세스 (Fig. 11(b)) 24) 가소개되기도하였다. Fig. 12에저융점솔더 (Sn/58Bi) 합금입자를이용한 ACF Adhesive layer Pressure & heat (a) Flip chip bonding with double layer ACF Adhesive layer Adhesive layer Pressure & heat (b) Flip chip bonding with triple layer ACF Fig. 9 Schematics of flip chip bonding with multi- layere d ACFs 136 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

5 전자패키징에서의도전성접착제기술동향 35 Fig. 10 Sn-coated bump Sn pad Pad Cu/Ni Solid solution Bi precipitates (a) Non-reactive bonding method Polymeric resin Coalesced LMPA (b) Self-interconnection method Schematics of bonding method with solder- filled ACFs Fig. 11 ACF using low melting point alloy Pad Pressure & Heat A1 A2 A3 Fig. 12 Schematic of contact formation in NCAs 를나타내었다. 또한, 범프가형성된웨이퍼위에 ACF를도포한뒤다이싱 (dicing) 하여칩을제작하는웨이퍼레벨패키징기술 18) 개발을통해기존의 ACF 접합공정을간이화한새로운개념의접합기술이소개되기도하였다. 이상과같이 ACA가가지는낮은전기전도도, 불안정한전기적특성등을개선하기위한필러의재료, 형상개발및폴리머주재의성능향상을위한연구가활발히진행되고있다. 또한, 저온프로세스, 열적성질의향상, 고주파 / 고전력대응, 미세피치대응을위한 ACAs 개발및공정개발연구가활발히진행되고있다. 5. 비전도성접착제 (NCAs) NCAs는도전입자가포함되지않은접착제로두단자간의절연층을형성한다. NCAs를이용한접합의도전은 Fig. 12에나타낸바와같이접촉하는두단자에 가해진열과압력에의해단자가밀착하게된다. 밀착된단자표면의돌기간의국부적인접촉면은압력에따라많아지고넓어져 A1, A2, A3와같이형성된접촉면을통하여전류가흐르게된다. 따라서, 고신뢰성의 NCAs 접합부를형성하기위해서는 1) 단자의평탄도 (coplanarity), 2) 단자에가해지는압력및온도, 3) 두단자간의열팽창계수등을고려해야할필요가있다 25). 일반적으로 Au 범프가전연성이크고, 내산화특성이우수하여널리사용되고있으나저비용의 Cu, Sn, Sn 도금및솔더도금된범프가저가의패키징기술로많은연구가진행되고있다. NCAs를이용한접합기술은다른 ECAs 접합기술과비교해단락의위험이거의없고극미세피치접합부 ( 패드패턴설계에의존 ) 를형성할수있는장점을가지고있다. 그밖의장점으로는공정이간편하며, 저온공정이가능하고폭넓은접합재료에적용이가능하다는장점을가지고있다. 그러나, NCAs 를이용한접합부은금속학적결합이아닌기계적 / 물리적접촉에의해형성되므로불안정한전기적 / 기계적특성을나타낸다. 이러한접합부의특성으로일반적으로접합부에수분이나응력완화에의한계면박리 (delamination), 단자간의오픈 (opening), 접합부의균열 (crack) 등과같은파괴모드가발생한다. 이와같은접합부의불안정한전기적 / 기계적특성을보완하기위해비도전성실리카 (SiO 2) 입자를분산시켜접합부에앵커 (anchor) 효과를이용하여칩과기판의열팽창계수차이에의한접합부의전단응력을최소화시켜접합강도를향상시키려는연구 26) 가보고되었다. 최근에는 NCA 내에서경화반응중에화학반응으로나노입자 (5-20nm) 를생성시켜기존의 NCA 접합기술과비교하여낮은압력으로접합부를형성시켜전기적인특성을향상시키고자하는연구 9) 가소개되었다. 6. 요약 도전성접착제는많은잠재적인우수한특성으로응용범위가점차로확대되어가고그시장규모가증가하는추세에있다. 본논문에서는전자패키징에서널리사용되어오던기존의솔더를대체하는재료로서도전성접착제의기술동향에대해살펴보았다. 최근, 기존의 ECAs의도전메커니즘 ( 도전입자의기계적 / 물리적접촉 ) 에기인한문제점을극복하기위한나노입자를사용한여러형태의 ECAs와접속기술들이활발히개발되고있다. 앞서언급한바와같이, ECAs가가지는낮은전기전도도와불안정한전기적특성을향상시키기위한개선하기위한도전입자및폴리머주재의성능향 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 137

6 36 상을위한연구가활발히진행되고있지만이러한문제점을극복할새로운재료의개발및공정에대한연구가필요한것으로판단된다. 또한, 최근급속하게전개되고있는전자패키징분야의경박단소화, 고기능화, 다기능화추세에따른미세피치화, 고전력 / 고주파대응, 발열문제등의해결할수있는새로운재료및공정에대한연구개발은가속화될것으로보인다. 후 기 이논문은 2005년도중앙대학교학술연구비 ( 일반연구비 ) 지원으로수행되었으며, 관계자여러분께감사를드립니다. 참고문헌 1. I. Anjoh, A. Nishimura and S. Eguchi, IEEE Trans. Electron Devices, 45-3 (1998), M. Abtew and G. Selvaduray, Mater. Sci. and Engineer. :R Rep., 27 (2000), K. Suganuma, Current Opinion in Solid State & Materials Science, 5 (2001), J. C. Jagt, P. J. M. Beris and G. F. C. M. Lijten, IEEE Trans. CPMT- Part B, 18-2 (1995), D. Wojciechowski, J. Vanfleteren, E. Reese and H.-W. Hagedorn, Microelec. Relia., 40 (2000), J. C. Jagt, IEEE Trans. CPMT Part A, 21-2 (1998), Y. Li, K.-S. Moon, C. P. Wong, Science, (2005), J. Liu (Eds.) : Conductive Adhesives for Electronics Packaging, Electrochemical Publications Ltd., 1999, Y. Li, C. P. Wong, Mater. Sci. and Engineer. :R Rep., 51 (2006), C. F. Goh, H. Yu, S. S. Yong, S. G. Mhaisalkar, F. Y. C. Boey and P. S. T 대, Mater. Sci. and Engineer. B, 117 (2005), M. Keil, B. Bjarnason, B. Wickstrom and L. Olsson, Adv. Packag., 10-9 (2001) 12. H. P. Wu, X. J. Wu, M. Y. Ge, G. Q. Zhang, Y. W. Wang and J. Jiang, Composites Sci. and Technol., 67 (2007), H. P. Wu, J. F. Liu, X. J. Wu, M. Y. Ge, Y. W. Wang, G. Q. Zhang and J. Z. Jiang, Int. J. Adhesion & Adhesives, 26 (2006), K. S. Moon, J. Wu and C. P. Wong, IEEE Trans. Components and Packag. Technol., 26-2 (2003), H. J. Jiang, K.-S. Moon, J. Lu and C. P. Wong, J. Electron. Mater., 34 (2005), J. M. Kim, K. Yasuda and K. Fujimoto, J. Elec. Mater., (2004), J. Kolbe, A. Arp, F. Calderone, E. M. Meyer, W. Meyer, H. Schaefer and M. Stuve, Microelec, Relia., 47 (2007), M. J. Yim and K. W. Paik, Int. J. Adhesion & Adhesives, 26 (2006), J. Liu (Eds.) : Conductive Adhesives for Electronics Packaging, Electrochemical Publications Ltd., 1999, J. H. Lau : Flip Technology, McGraw Hill, 1996, M. J. Yim, J. Elecon. Mater., 33-1 (2004), C. Gallagher, G. Matijasevic and J. F. Maguire, Proc. of 47th IEEE Electron, Compon. and Technol. Conf., (1997), J. Kivilahti and P. Savolainen, J. Elec. Manufac., 5 (1995), J. M. Kim, K. Yasuda and K. Fujimoto, J. Electron. Mater., 34-5 (2005), J. Liu (Eds.) : Conductive Adhesives for Electronics Packaging, Electrochemical Publications Ltd., 1999, M. J. Yim, J. S. Hwang, W. S. Kwon, K. W. Jang and K. W. Paik, IEEE Trans. Electron. Packag. Manufac., 26-2 (2003), 150 ( 金鍾珉 ) 1972년생 중앙대학교기계공학부조교수 마이크로시스템패키징 kjm@cau.ac.kr 138 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007