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문제 정의
- 본 논문에서는 온도 조건을 변화하여 ACF를 이용한 FPD 열압착 접합을 실시하여 FPD의 구동 신뢰성을 검토하고 열충격 시험을 실시하여 FPD 구동 판명 지그를 통해서 구동여부를 실험을 통하여 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 많이 진행되고 있[3-5]. 본 연구에서는 온도에 따라 ACF와 FPD 구동 IC의 범프를 접합하고 접합부의 신뢰성을 규명하기 위해서 열충격 시험을 실시하고 신뢰성 테스트 후 평판디스플레이가 정상적으로 작동 여부를 실험을 통해 검토하였다.
제안 방법
- 3조건 모두 Au 범프와 A1 패드사이에 도전 입자들이 존재하고 그 형태가 도전이 가능하도록 소성변형 된 것을 확인하였다. 3 조건의 열압착 접합의 접합성에 대한 평가 후 열충격 시험을 통하여 신뢰성을 평가 하였다. 열충격시험 결과 전술한 접합성 평가와 동일하게 모든시편을 구동 지그로 확인한 결과 모두 정상 구동하는것을 확인하였다.
- FPD상의 A1 패드와 Au범프를 ACF를 이용하여열압찹 접합 후 신뢰성 테스트를 통하여 FPD 열압찹 접합 온도 조건에 따른 접합성 및 신뢰성 평가를 위해 열충격 시험을 통하여 실시하였다. 열충격 시험 전후, 열압착 접합 공정의 접합성을 평가하기 위해 구동판면 지그 및 단면관찰을 통해서 접합성을 확인하였다.
- 열충격 시험을 실시하였다. Icycle당 120분으로고온부(80 ℃)와 저온부(-30 ℃)에 각각 60분씩 유지 시간을 두었다. 신뢰성 테스트 과정에서의 저항 변화를 측정하기 어렵기 때문에 접합 후와 신뢰성테스트 후, 구동판명 지그를 통하여 FPD의 구동여부를 확인하고, 단면 가공을 한 뒤 SEMCScanning Electron Microscope)과 광학 현미경 (Keyence社 VHXT00)을 이용하여 관찰하였다.
- 접합 시, 압력에 의해 범프가도전 입자에 압력을 가하게 되고 압력에 의해 도전 입자들의 절연층이 파괴되어 Ni/Au 층이 들어나 접합하게 되기 때문에 단면관찰을 통한 도전입자의 형태 변형을 반드시 분석해야한다B1. 그림 6과 같이 열압착 접합 후 범프에 남아 도전을 하는 ACF 도전 입자의 형태가 도전을 할 수 있게변형된 형태로 접합이 되었는지 확인하기 위하여구동IC의 X축 방향으로 단면 가공을 실시하여 도전 입자를 관찰하였다. 3조건 모두 Au 범프와 A1 패드사이에 도전 입자들이 존재하고 그 형태가 도전이 가능하도록 소성변형 된 것을 확인하였다.
- 결과를 얻었다. 따라서 140 ℃ 이상의 온도 구간을 설정하여 표 1의 3가지 조건으로 열 압착 접합을 실시하여 열압착 접합의 접합 인자 중, 접합 온도에 따른 특성평가결과에 대하여 검토하였다. 즉, 본 논문에서는 접합인자 중 접합온도에 따른 접합성을 검토하였으며 압력 및 접합시간 등의 따른 접합성 평가결과는 추후 논문에 발표할 예정이다.
- Icycle당 120분으로고온부(80 ℃)와 저온부(-30 ℃)에 각각 60분씩 유지 시간을 두었다. 신뢰성 테스트 과정에서의 저항 변화를 측정하기 어렵기 때문에 접합 후와 신뢰성테스트 후, 구동판명 지그를 통하여 FPD의 구동여부를 확인하고, 단면 가공을 한 뒤 SEMCScanning Electron Microscope)과 광학 현미경 (Keyence社 VHXT00)을 이용하여 관찰하였다.
- 도전성 입자의 지름은 4 ㎛로 레진 입자에 Ni-Au가 도금되어 있고 Ni-Au 도금층 위에 절연층이 구성되어 있다. 앞에서 기술한 시편을 이용하여 구동 IC상의 Au 범프와 FPD상의 A1 패드를 ACF를 이용하여 열압착 방식으로 접합하였다. 열압착 방식은 열과 압력을 이용하여 구동 IC, ACF 에 압력을 가하여 ACF의 도전 입자들의 절연층을파괴 시키고 표면상에 드러난 Ni-Au를 이용해 도전이 된다.
- 열충격 시험 전후, 열압착 접합 공정의 접합성을 평가하기 위해 구동판면 지그 및 단면관찰을 통해서 접합성을 확인하였다. 구동판명 지그를 통한 FPD 의 구동여부를 확인해 본 결과, 3가지 조건으로 실험한 샘플 모두 구동에 문제가 없는 것으로 판명되었다.
- 열충격 시험은 ESPEC社 TSE-11-A를 이용하여 FPD생산 업체들이 가장 많이 사용하는 규격을 근거로 하여 실제 규격보다 가혹한 규격을 적용하여 열충격 시험을 실시하였다. Icycle당 120분으로고온부(80 ℃)와 저온부(-30 ℃)에 각각 60분씩 유지 시간을 두었다.
- 열압착 접합의 경우 접합시간, 온도, 압력에 접합공정인자로 고려된다. 접합온도에 의한 ACF의 접합부의 신뢰성을 규명하기 위해 온도 조건을 설정하였다.
대상 데이터
- 67 mm 규격의 1344 I/O(Input/Output)의 구동 IC를사용하였다. 구동 IC에 15 jtzm 높이의 Au 범프 (Bump)가 적용된 플립칩을 사용하였다. Au 범프의 역할에 따라 FPD의 Input과 output의 넓이가다르게 적용되어 있다.
- 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 시편은 24.03 mmxl.67 mm 규격의 1344 I/O(Input/Output)의 구동 IC를사용하였다. 구동 IC에 15 jtzm 높이의 Au 범프 (Bump)가 적용된 플립칩을 사용하였다.
이론/모형
- 구동 IC를 접합하기 위한 FPD의 경우 2.2“의 면적에 pixel 크기는 0.046><320(RGB Stripe) 방식을 사용했다.
성능/효과
- 1) 접합 시간 3초, 접합 압력 <3.038 MPa, 접합 온도 160-200 ℃ 의 온도영역이 적정 접합온도라는 것을 실험을 통해 확인하였다.
- 2) 온도 조건에 의한 3조건 모두 접합성 및 신뢰성을 확보 하였으며, 온도상승에 따라 ACF 도전입자량도 많았다' 이것은 상대적으로 높은 접합온도에 의해 ACF의 경화시간이 빠르기 때문이다. 3) 도전입자량에 따라 FPD의 구동 시, 확보된 도전입자량이 많으면 소비되는 전력량이 줄고 접촉 저항치가 낮아 발생하는 열량도 낮다.
- 때문이다. 3) 도전입자량에 따라 FPD의 구동 시, 확보된 도전입자량이 많으면 소비되는 전력량이 줄고 접촉 저항치가 낮아 발생하는 열량도 낮다. 이로 인해 모든 열압착 접합 조건은 구동에 문제는 없지만 소비전류량 증가한 경우, FPD의 열 영향에 따른 열적손상을 최소화 시킬 필요가 있다.
- 그림 6과 같이 열압착 접합 후 범프에 남아 도전을 하는 ACF 도전 입자의 형태가 도전을 할 수 있게변형된 형태로 접합이 되었는지 확인하기 위하여구동IC의 X축 방향으로 단면 가공을 실시하여 도전 입자를 관찰하였다. 3조건 모두 Au 범프와 A1 패드사이에 도전 입자들이 존재하고 그 형태가 도전이 가능하도록 소성변형 된 것을 확인하였다. 3 조건의 열압착 접합의 접합성에 대한 평가 후 열충격 시험을 통하여 신뢰성을 평가 하였다.
- 열충격 시험 전후, 열압착 접합 공정의 접합성을 평가하기 위해 구동판면 지그 및 단면관찰을 통해서 접합성을 확인하였다. 구동판명 지그를 통한 FPD 의 구동여부를 확인해 본 결과, 3가지 조건으로 실험한 샘플 모두 구동에 문제가 없는 것으로 판명되었다. FPD 열압착에 사용되는 ACF의 경우 일정 온도와 경화 시간을 필요로 하는데 3조건 모두정상 구동한 결과를 볼 때, ACF 접합 상태는 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 그림 7은 접합부의 단면 관찰을 통해 도전 입자와 ACF의 변형 형상을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 열충격 시험 전후의 도전 입자 및 ACF의 형상은 변화가 없는 것으로 확인되었으며, 본실험결과 각각의 온도 조건에 따른 열압착 접합 공정 모두 신뢰성을 확보 한것으로 판단된다.
- 즉, 본 실험결과를 통하여 ACF 열 압착 접합에서 접합 온도가 상대적으로 높게 되면 빠른 경화온도로 도달하는 과정에서 더 많은 도전 입자가 Au 범프와 A1 패드 사이에 고정 되어 도전을 위해 확보 가능한 도전 입자의 수가 증가하여 접촉 저항을 감소로 인해 낮은 소비 전류량으로 구동됨을 알 수 있었다. 또한 본 연구의 결과에 의하면 열압착 접합의 경우, ACF의 경화 온도까지 열과 압력에 의해서 접합을 하고 있고, 접합 온도가 높을수록 도전입자의 확보량이 늘어남에 따라 구동 전류가 낮아진다는 것을 확인하였다. 이에 따라 접합 공정 자체의 신뢰성을 확보하기 위해서 접합온도의 저온화 및 접합 시간 단축이 필요로하며, 이를 실현하기 위해 초음파 진동을 이용하는 초음파 접합 공정을 통해 초음파 접합 시험을 추가로 진행하여 초음파 접합 시, 실제 접합 툴의 온도가 ACF 경화 온도보다 낮은 상황에서 인가되는 초음파 진동에 의해 접합부의 온도가 순간적으로 상승시키고 ACF를 경화시켜 Test 3의 온도 조건보다 낮은 온도와 짧은 접합 시간에 동일하거나 그 이상의 ACF 도전입자 확보 및 신뢰성 향상 여부를 확인하여 초음파를 이용한 FPD ACF 접합의 기계적, 전기적 산뢰성 평가가 필요하다고 사료된다.
- 따라서 구동 IC의 범프가 확보한 도전 입자량이 많을수록 접합성 및 신뢰성을 확보하고 적은 소비 전류량을 보임을 알 수 있다. 또한 접합 조건의 온도 변화를 주고 실험을 진행한 결과, 모든 실험 조건의샘플이 구동은 하고 단면 관찰을 통하여 도전 입자의 형태가 원형에서 타원형으로 소성변형된 것을 확인하였고 접합 온도에 따라 Au 범프상에 확보되는 도전입자의 수가 상대적으로 증가하는 것을 확인하였다. 즉, 본 실험결과를 통하여 ACF 열 압착 접합에서 접합 온도가 상대적으로 높게 되면 빠른 경화온도로 도달하는 과정에서 더 많은 도전 입자가 Au 범프와 A1 패드 사이에 고정 되어 도전을 위해 확보 가능한 도전 입자의 수가 증가하여 접촉 저항을 감소로 인해 낮은 소비 전류량으로 구동됨을 알 수 있었다.
- 3 조건의 열압착 접합의 접합성에 대한 평가 후 열충격 시험을 통하여 신뢰성을 평가 하였다. 열충격시험 결과 전술한 접합성 평가와 동일하게 모든시편을 구동 지그로 확인한 결과 모두 정상 구동하는것을 확인하였다. 그림 7은 접합부의 단면 관찰을 통해 도전 입자와 ACF의 변형 형상을 나타낸 것이다.
- 우선 표 1의 조건을 설정하기 전 실측온도가 140 ℃이하에서는 ACF 열압착 접합을 실시한 결과 구동 판명 지그에서 FPD의 구동이 되지 않는다는 결과를 얻었다. 따라서 140 ℃ 이상의 온도 구간을 설정하여 표 1의 3가지 조건으로 열 압착 접합을 실시하여 열압착 접합의 접합 인자 중, 접합 온도에 따른 특성평가결과에 대하여 검토하였다.
- 또한 접합 조건의 온도 변화를 주고 실험을 진행한 결과, 모든 실험 조건의샘플이 구동은 하고 단면 관찰을 통하여 도전 입자의 형태가 원형에서 타원형으로 소성변형된 것을 확인하였고 접합 온도에 따라 Au 범프상에 확보되는 도전입자의 수가 상대적으로 증가하는 것을 확인하였다. 즉, 본 실험결과를 통하여 ACF 열 압착 접합에서 접합 온도가 상대적으로 높게 되면 빠른 경화온도로 도달하는 과정에서 더 많은 도전 입자가 Au 범프와 A1 패드 사이에 고정 되어 도전을 위해 확보 가능한 도전 입자의 수가 증가하여 접촉 저항을 감소로 인해 낮은 소비 전류량으로 구동됨을 알 수 있었다. 또한 본 연구의 결과에 의하면 열압착 접합의 경우, ACF의 경화 온도까지 열과 압력에 의해서 접합을 하고 있고, 접합 온도가 높을수록 도전입자의 확보량이 늘어남에 따라 구동 전류가 낮아진다는 것을 확인하였다.
- 표 3에서 광학 현미경을 이용하여 그림 8과 같이 접합면 뒤쪽을 관찰하여 각 조건별 도전 입자의 수를 측정하였다. 측정 결과 온도가 상대적으로높은 Test3의 조건이 가장 많은 ACF 도전입자가 Au 범프에 남아있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 구동 IC의 범프가 확보한 도전 입자량이 많을수록 접합성 및 신뢰성을 확보하고 적은 소비 전류량을 보임을 알 수 있다.
- 온도 조건에 의한 열압착 접합 결과도전 입자의 상태는 FPD 도전에 문제가 없지만 ACF의 경우 솔더를 이용한 플립칩 접합보다 접촉저항이 10배 이상으로 측정됨으로써 사용되는 전력량도 많아지게 된다[9, 10丄 본 연구에서 사용한 FPD의 경우 휴대폰에 장착하는 FPD이므로 과도한 소비 전류량은 베터리의 사용시간을 단축하고, 높은 저항 값으로 인해 발생되는 열의 양도 늘어나기 때문에 FPD의 신뢰성에 악영향을 주게 된다. 표 2에서와 같이 상대적으로 높은 온도의 접합 조건에서 낮은 소비전류로 구동됨을 확인할 수 있었다. 표 3에서 광학 현미경을 이용하여 그림 8과 같이 접합면 뒤쪽을 관찰하여 각 조건별 도전 입자의 수를 측정하였다.
후속연구
- 또한 본 연구의 결과에 의하면 열압착 접합의 경우, ACF의 경화 온도까지 열과 압력에 의해서 접합을 하고 있고, 접합 온도가 높을수록 도전입자의 확보량이 늘어남에 따라 구동 전류가 낮아진다는 것을 확인하였다. 이에 따라 접합 공정 자체의 신뢰성을 확보하기 위해서 접합온도의 저온화 및 접합 시간 단축이 필요로하며, 이를 실현하기 위해 초음파 진동을 이용하는 초음파 접합 공정을 통해 초음파 접합 시험을 추가로 진행하여 초음파 접합 시, 실제 접합 툴의 온도가 ACF 경화 온도보다 낮은 상황에서 인가되는 초음파 진동에 의해 접합부의 온도가 순간적으로 상승시키고 ACF를 경화시켜 Test 3의 온도 조건보다 낮은 온도와 짧은 접합 시간에 동일하거나 그 이상의 ACF 도전입자 확보 및 신뢰성 향상 여부를 확인하여 초음파를 이용한 FPD ACF 접합의 기계적, 전기적 산뢰성 평가가 필요하다고 사료된다.
- 따라서 140 ℃ 이상의 온도 구간을 설정하여 표 1의 3가지 조건으로 열 압착 접합을 실시하여 열압착 접합의 접합 인자 중, 접합 온도에 따른 특성평가결과에 대하여 검토하였다. 즉, 본 논문에서는 접합인자 중 접합온도에 따른 접합성을 검토하였으며 압력 및 접합시간 등의 따른 접합성 평가결과는 추후 논문에 발표할 예정이다.
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