A study on solder anisotropic conductive film (ACF) using thermal acid generator (TAG) for high power and reliable flex-on-board (FOB) assemblies

Abstract

열경화성 폴리머 수지와 도전볼으로 이루어져 있는 이방성 전도성 필름 (ACF)은 칩, 유리, Flex-On-Board (FOB) 등의 기판간 전기적, 기계적 접합을 만드는 환경 친화적 재료이다. ACF에 쓰이는 도전볼은 보통 금 도금된 니켈볼이나, 금과 니켈이 도금된 폴리머볼인데, 이 종류의 도전볼은 단지 전극과 물리적으로 접촉되어 있을 뿐이기 때문에, 저항, 출력전달, 신뢰성 등에 취약하다. 따라서 이를 해결하기 위해서 솔더볼을 이용한 ACF가 제안되었다. 지난 연구에서는 솔더의 산화막을 제거하기 위해서 초음파 본딩 방법을 이용했는데, 그 결과 기판의 패드에 안정적인 금속간 결합을 만들 수 있었다. 그러나 초음파 본딩 방법을 이용했을 때에는 진동으로 인한 기판 내부의 잠재적인 데미지가 문제가 되었고, 따라서 이를 대체할 수 있는 다른 방법이 필요하게 되었다. 본 연구에서는 산(acid)을 이용한 솔더 산화막 제거에 대한 실험이 진행되었다. 일반적인 산을 이용하면 에폭시 계열 폴리머의 보관성에 문제를 야기하기 때문에, 본 연구에서는 고온에서만 산을 발생시키는 열산발생제(TAG)를 이용하였다. ACF에 직접적으로 TAG를 첨가하여 실험하기 전에, 산과 산화막의 반응에 대한 기초적인 실험이 선행되었는데, pourbaix diagram을 이용하여 산화막 환원 반응의 화학평형 조건은 TAG가 1.5 wt% 필요한 것으로 나타났으며, 산화막 제거 속도 측정 결과 10 nm 솔더 산화막의 제거에는 5초가 필요한 것으로 나타났다. 이 결과를 토대로, TAG를 솔더 ACF에 적용한 결과, 모듈러스, Tg, 상온 보관성, 흡습성 측면에서 ACF 물성 저하가 없었으며, 솔더의 웨팅성 증가로 인한 ACF 조인트의 출력 허용량 및 신뢰성이 개선되었다. 이 결과를 이용해서 실제 TAG가 첨가된 솔더 ACF의 성능을 기존의 ACF의 결과와 비교하는 실험이 진행되기 전에, 최적화된 솔더 ACF를 제작하기 위해서, ACF 내부 솔더볼 함량이 Open, short circuit 가능성에 미치는 영향이 수학적, 실험적으로 확인되었으며, 최적 솔더볼 함량은 15%로 결정되었다. ACF 조인트의 출력허용량, 신뢰성, 고주파 특성 관점에서 폴리머볼 ACF, 초음파 본딩된 솔더 ACF, TAG가 첨가된 솔더 ACF를 비교하였는데, 초음파 본딩된 솔더 ACF와 TAG가 첨가된 솔더 ACF는 같은 특성을 나타냈으며, 폴리머볼 ACF에 비해서 모든 특성이 더 좋은 것으로 나타났다.