[논문]전도성 접착제를 이용한 패키징 기술

김종웅; 이영철; 노보인; 윤정원; 정승부

전도성 접착제를 이용한 패키징 기술
Recent Advances in Conductive Adhesives for Electronic Packaging Technology 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.16 no.2, 2009년, pp.1 - 9

김종웅 (성균관대학교 마이크로 전자 패키징 연구소) , 이영철 (성균관대학교 신소재공학과 대학원) , 노보인 (성균관대학교 신소재공학과) , 윤정원 (성균관대학교 마이크로 전자 패키징 연구소) , 정승부 (성균관대학교 마이크로 전자 및 반도체 패키징 기술개발 사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

Conductive adhesives have recently received a lot of focus and attention from the researchers in electronics industry as a potential substitute to lead-containing solders. Numerous studies have shown that the conductive adhesives have many advantages over conventional soldering such as environmental friendliness, finer pitch feasibility and lower temperature processing. This review focuses on the recent research trends on the reliability and property evaluation of anisotropic and non-conductive films that interconnect the integrated circuit component to the printed circuit board or other types of substrate. Major topics covered are the conduction mechanism in adhesive interconnects; mechanical reliability; thermo-mechanical-hygroscopic reliability and electrical performance of the adhesive joints. This review article is aimed at providing a better understanding of adhesive interconnects, their principles, performance and feasible applications.

AI 본문요약
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문제 정의

"* 이에 반해, 전도성 접 착제 를 이용하는 adhesive법 은 금속간 화합물 성장에 따른 취성파괴는 예방할 수 있으나 상대적으로 높은 접속저힝-, 습윤 분위기나 열충격 환경에서의 낮은 신뢰성 등의 문제점을 나타낸다고 보고되고 있으므로 해당 공정에 적용하기 전에 사전 검증과정을 반드시 거쳐야 한다고 할 수 있다. 본 고에서는 현재 업계에서 가장 널리 쓰이는 전도성 접착제 (conductive adhesive) 중, 전도성 입 자 (conductive particle)를 포함하고 있는 필름형 태 의 접 착제 인 ACF (Anisotropic Conductive Film)오* 전도성 입 자를 포함하지 않는 NCF (Non Conductive Film) 관련 국내·외 연구결과들도 보고하였다.
본 논문에서는 대표적인 adhesive로 사용되고 있는 ACF와 NCF를 플립칩 패키지에 적용하였을 때의 다양한 신뢰성 및 특성 평가 결과들을 리뷰하였다. 구체적으로는 ACF와 NCF 접합부의 전도 메커니즘을 알아보고, 이 메커니즘에 기반한 여러 실험 기법으로 패키지의 기계적, 열적 신뢰성 및 전기적 성능 평가 결과를 나타내었다.

제안 방법

이 연구에서 적용한 굽힘시험은 변위제어가 아닌 하중제어 방식으로 실시하였는데, 이때 샘플의 최대 강도값을 알기 위하여 3점 굽힘 시험을 50 kgf의 하중 조건에서 10mm /min의 속도로 인가하여 별도 측정하였다. 3점 굽힘 시험을 통해 ACF 및 NCF 접합 샘플의 최대 파괴 하중은 각각 75, 98N 으로 측정 되 었으며, 이를 기준으로 각각 30%의 하중을 반복 인가하여 4점 굽힘 시험을 실시하였다. 전기저항은 Kelvin structure를 통해 회로 전체 의 저 항이 아닌 접 합부위만을 저 항을 개별적으로 측정 하였는데, Fig.
구체적으로는 ACF와 NCF 접합부의 전도 메커니즘을 알아보고, 이 메커니즘에 기반한 여러 실험 기법으로 패키지의 기계적, 열적 신뢰성 및 전기적 성능 평가 결과를 나타내었다. 전도성 입자의 유무에 따라 기계적 신뢰성 및 열적 신뢰성 결과가 다소 다르게 나타나는 것을 알 수 있었는데, 기계적 강도가 우수하다고 하여 열적 응력 하에서의 장기 신뢰성 또한 우수하게 나타나지는 않았다.
4 (b) 에 나타낸 최종 샘플을 시험하였는더〕, 이때 샘플의 파괴 유무를 판단하기 위하여 DC 전기저 항을 실시 간으로 측정하였다. 굽힘 시험은 FR4 기판을 고정시킨 상태에서 상부의 2 점에 압축 하중을 반복 적용하여 실시하였고, 이 때 0.01 A의 전류 인가로 인한 DC 전기저항이 200 옴이 넘는 시간을 파괴시간으로 설정하였다. 이 연구에서 적용한 굽힘시험은 변위제어가 아닌 하중제어 방식으로 실시하였는데, 이때 샘플의 최대 강도값을 알기 위하여 3점 굽힘 시험을 50 kgf의 하중 조건에서 10mm /min의 속도로 인가하여 별도 측정하였다.
13은 이러흔]; 전기적 특성 평가 결과의한 예를 나타낸다. 그림에 나타난 결과를 위하여 고주파 신호를 인가하기 위해서는 다이와 기판 모두 고주파에 적합하게 설계되어야 하는데, 이 연구에서는 이를 위하여 다이의 경우 GaAs로, 기 판의 경우 quartz wafer를 이용하여 제 작하였다. Quartz wafer는 SiO?로 이루어져 비 저 항이 대단히 높아 고주파 기판 재료로써 적 합하며, Si 반도체 프로세스를 이용하여 금속패턴을 형성시킬 수 있으므로 정밀도가 높은 CPW 또는 마이크로스트립 형태의 기판을 제작할 수 있다는 장점이 있다.
8 (a)와 (b)는 각각 ACF오+ NCF를 이용하여 접합한 패키지의 DC 전기 저항을 리플로우 횟수에 따라 측정한 결과이다. 본 논문에서도 Kelvin structure를 통하여 전기 저항을 측정하였고, 인가전류에 따라 측정 전압이 선형 적으로 증가하게 되는 Ohmic contact의 경우에 만 그 기울기 를 저 항 값으로 그래프에 나타내었다. 여기서 리플로우 온도와 시간은 최고온도 2* 4에서 1분으로 하여 반복 실시하였다.
01 A의 전류 인가로 인한 DC 전기저항이 200 옴이 넘는 시간을 파괴시간으로 설정하였다. 이 연구에서 적용한 굽힘시험은 변위제어가 아닌 하중제어 방식으로 실시하였는데, 이때 샘플의 최대 강도값을 알기 위하여 3점 굽힘 시험을 50 kgf의 하중 조건에서 10mm /min의 속도로 인가하여 별도 측정하였다. 3점 굽힘 시험을 통해 ACF 및 NCF 접합 샘플의 최대 파괴 하중은 각각 75, 98N 으로 측정 되 었으며, 이를 기준으로 각각 30%의 하중을 반복 인가하여 4점 굽힘 시험을 실시하였다.
Quartz wafer는 SiO?로 이루어져 비 저 항이 대단히 높아 고주파 기판 재료로써 적 합하며, Si 반도체 프로세스를 이용하여 금속패턴을 형성시킬 수 있으므로 정밀도가 높은 CPW 또는 마이크로스트립 형태의 기판을 제작할 수 있다는 장점이 있다. 이들의 금속 패턴은 기본적으로 50Q의 특성 임피던스를 가지도록 설계하게 되며, 이 연구에서도 이에 맞주어 회로를 설계하였다. Fig.
어느 것이나 신호선과 그라운드 간의 간격이 일정 하고 그 간격을 메우는 매질의 특성도 균일하게 제작해야 하므로, 일반 PCB를 이용한 CPW 혹은 마이크로스트립 기판 제작에는 어려움이 있다. 최근 발표된 논문에 따르면 adhesive의 전기적 특성 을 평 가하기 위하여 기 판을 quartz wafer를 이용하여 제작하였는데, 이 경우 제작 편의상 금속 패턴은 CPW 구조로 설계 및 제작하였다.'9)Fig.

성능/효과

Fig. 8 (a)에 나타난 바와 같이 ACF 접합부의 경우 리플로우 횟수가 증가함에 따라 모든 접 합력 조건 에서 저항값이 증가하였다. 이는 ACF의 curing 온도 이상의 구간에서 일정 시간 유지되는 동안 matrix 및 전도성 입자의 팽창에 의해 접합부 면적 이 줄어들었음에 기 인한다.
Fig. 8 (b)에 나타난 NCF 접합부의 저항 측정치에서는 이러한 Ohmic 거동 파괴가 보다 빈번히, 그리고 보다 빠르게 나타남을 알 수 있었는데, 이를 통해 NCF 접합부의 경우 기계적 접합강도는 ACF보다 우수할 수 있지만 열적 신뢰성은 그렇지 못할 수도 있음을 알 수 있다.
최근 연구 동향을 살펴보면 이와 관련된 결과가 나타나 있는데 , Fig. 14 (a), (b) 및 (c)는 각각 ACF, NCF 및 나노 입 자를 첨가한 NCF의 고주파 특성을 나타낸다& 그림에서 알 수 있듯이 3가지 경우에서 거의 동일한 손실계수가 측정되었고, 이를 통해 나노 입자의 크기, 조성 등을 보다 최적화 할 경우보다 우수한 전기적 성능도 달성할 수 있을 것이란 결론을 내리고 있다.
'" 이 에 따르면, OSP 처리 가 ACF와의 접 합을 촉진하는 일종의 촉진제 역할을 하여 ACF와의 접 합력을 향상시 키 고, 결과적으로 장기 신뢰성 시험 이후에도 OSP와 ACF오+의 계면 박리 현상을 현저히 줄여준다고 한다. Fig. 7이 해당 논문에서 나온 결과를 요약하고 있는데, Cu fbil에 OSP 처리 없이 ACF를 통하여 기판과 접합 후 박리시험을 실시하면, Fig. 7 (a)에 나타나 바와 같이 ACF와 Cu foil의 계면에서 박리가 일어나지 만, OSP 처리 이후 접합부를 시험 한 경우 ACF 내부에서 파단이 발생 힌-다고 한다、이를 통해 기존의 ENIG 또는 bare Cu 보다는 OSP 처리가 기계적 신뢰성 향상에 더 도움이 될 수 있는 것으로 결론 내리고 있다.
10에 나타난 바와 같이 신뢰성 시험이 진행되는 과정에서 기존 NCF에 비해 저 항 증가치는 크게 낮은 것을 알 수 있다. 결과적으로 나노 사이즈의 금속 입자를 NCF에 함유시 킬 경우 보다 우수한 신뢰성 및 낮은 초기 접속저 항을 달성할 수 있다고 논문은 결론을 내리고 있다. KAIST에서 발표한 최근 논문에 따르면 ACF는 기존의 디스플레이 분야에서의 여러 어플리케이션 외에도 NAND flash memory 등의 반도체 패키징 분야에도 적용될 수 있다고 한다.
10에 나타내었는데, 이와 같이 나노 사이즈의 Ag 입자를 NCF에 첨 가하면 구조는 ACF와 유사해 지 지 만, Ag 입 자의 크기가 워 낙 작기 때문에 극 미세피치 (30 呻이하)에도 적용 가능한 NCF의 특성 또한 가지게 된다. 논문에 따르면 나노 입자를 함유한 NCF의 초기 접속저 항치 는 기존의 ACF에 비해 크게 작고 기존의 NCF와 유사한 값을 나타내며, Fig. 10에 나타난 바와 같이 신뢰성 시험이 진행되는 과정에서 기존 NCF에 비해 저 항 증가치는 크게 낮은 것을 알 수 있다. 결과적으로 나노 사이즈의 금속 입자를 NCF에 함유시 킬 경우 보다 우수한 신뢰성 및 낮은 초기 접속저 항을 달성할 수 있다고 논문은 결론을 내리고 있다.
이는 ACF의 curing 온도 이상의 구간에서 일정 시간 유지되는 동안 matrix 및 전도성 입자의 팽창에 의해 접합부 면적 이 줄어들었음에 기 인한다. 이 중 적정 접합력 구간으로 사전 평가되었던 60N에서 70N 인가 샘플의 경우 약 100% 이상 저항이 증가하는 것으로 나타났지 민-, 이보다 높은 접 합력으로 제 작한 샘플의 경우 리 플로우 2회 또는 3회 실시 시 Ohmic 현상이 더 이상 나타나지 않는 것을 알 수 있다. Fig.
그림에서 ACF 접합부의 경우 전도성 입자 하단부, 즉 ACF와 기판의 패드 부에서 층간 분리가 일어난 것을 알 수 있고, NCF 접합부의 경우 Au 범프와 패드 사이에 크랙 또는 층간 분리가 발생한 것을 알 수 있다. 이러한 층간 분리 또는 크랙의 발생은 금속과 금속간의 접촉을 불안정하게 만들어 결과적으로 Ohmic 현상의 파괴를 유도한 것으로 결론 내리고 있다. 이와는 별도로 초기 접합력을 상대적으로 낮게 설정하여 접합한 샘플의 경우 Fig.
구체적으로는 ACF와 NCF 접합부의 전도 메커니즘을 알아보고, 이 메커니즘에 기반한 여러 실험 기법으로 패키지의 기계적, 열적 신뢰성 및 전기적 성능 평가 결과를 나타내었다. 전도성 입자의 유무에 따라 기계적 신뢰성 및 열적 신뢰성 결과가 다소 다르게 나타나는 것을 알 수 있었는데, 기계적 강도가 우수하다고 하여 열적 응력 하에서의 장기 신뢰성 또한 우수하게 나타나지는 않았다. 따라서 사용된 재료의 종류에 따라 특별히 취약한 환경을 찾기 위한 노력이 부가적으로 요구된다고 할 수 있겠다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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