횡 초음파를 이용한 차세대 플렉시블 디스플레이 모듈 저온 접합 공정 연구 Study of a Low-Temperature Bonding Process for a Next-Generation Flexible Display Module Using Transverse Ultrasound원문보기
오늘날 접합시 열에 의한 재료 손상과 접착제(ACA, NCA) 이용으로 부품간의 정렬이 문제가 되고있다. 따라서, 본 논문은 FPCB 와 HPCB 금속(Au) PAD를 직접 접합하였다. 이때 박막인 재료에 손상을 입히는 열, 부품간의 정렬에 문제가 되는 접착제(ACA, NCA)를 사용하지 않고 상온에서 접합을 하였다. 접합시 초음파 혼을 이용하여 접합을 하였으며, 초음파혼은 40kHz이다. 공정 조건은 접합압력 0.60MPa, 접합시간 0.5, 1.0, 1.5, 2.0sec이다. 또한, 산업에서 요구하는 접합강도는 필강도 테스트 결과값으로 0.60Kgf 이상이며, 본 실험에서는 접합강도가 0.80MPa 이상이 나왔다. 이로서, 열에 의한 재료 손상과, 접 착제(ACA, NCA)에 의한 정렬 문제를 해결하였다. 그리고 산업산업에서 바로 적용하고 생산할 수 있는 FPCB, HPCB 시료 제작을 하였다.
오늘날 접합시 열에 의한 재료 손상과 접착제(ACA, NCA) 이용으로 부품간의 정렬이 문제가 되고있다. 따라서, 본 논문은 FPCB 와 HPCB 금속(Au) PAD를 직접 접합하였다. 이때 박막인 재료에 손상을 입히는 열, 부품간의 정렬에 문제가 되는 접착제(ACA, NCA)를 사용하지 않고 상온에서 접합을 하였다. 접합시 초음파 혼을 이용하여 접합을 하였으며, 초음파혼은 40kHz이다. 공정 조건은 접합압력 0.60MPa, 접합시간 0.5, 1.0, 1.5, 2.0sec이다. 또한, 산업에서 요구하는 접합강도는 필강도 테스트 결과값으로 0.60Kgf 이상이며, 본 실험에서는 접합강도가 0.80MPa 이상이 나왔다. 이로서, 열에 의한 재료 손상과, 접 착제(ACA, NCA)에 의한 정렬 문제를 해결하였다. 그리고 산업산업에서 바로 적용하고 생산할 수 있는 FPCB, HPCB 시료 제작을 하였다.
This is direct bonding many of the metal bumps between FPCB and HPCB substrate. By using an ultrasonic horn mounted on an ultrasonic bonding machine, it is possible to bond gold pads onto the FPCB and HPCB at room temperature without an adhesive like ACA or NCA and high heat and solder. This ultraso...
This is direct bonding many of the metal bumps between FPCB and HPCB substrate. By using an ultrasonic horn mounted on an ultrasonic bonding machine, it is possible to bond gold pads onto the FPCB and HPCB at room temperature without an adhesive like ACA or NCA and high heat and solder. This ultrasonic bonding technology minimizes damage to the material. The process conditions evaluated for obtaining a greater bonding strength than 0.6 kgf, which is commercially required, were 40 kHz of frequency; 0.6MPa of bonding pressure; and 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 s of bonding time. The peel off test was performed for evaluating bonding strength, which was found to be more than 0.80 kgf.
This is direct bonding many of the metal bumps between FPCB and HPCB substrate. By using an ultrasonic horn mounted on an ultrasonic bonding machine, it is possible to bond gold pads onto the FPCB and HPCB at room temperature without an adhesive like ACA or NCA and high heat and solder. This ultrasonic bonding technology minimizes damage to the material. The process conditions evaluated for obtaining a greater bonding strength than 0.6 kgf, which is commercially required, were 40 kHz of frequency; 0.6MPa of bonding pressure; and 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 s of bonding time. The peel off test was performed for evaluating bonding strength, which was found to be more than 0.80 kgf.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서 FPCB Metal(Au) Bump PAD 와 HPCB Metal(Au) Bump PAD를 열, 접착제(ACA, NCA) 없이 접합하기 위한 연구를 진행하였다. 그래서, FPCB, HPCB 초음파 접합 장비를 구성하였고, 이 장비를 사용하여 산업에서 요구하는 목표 접합강도(박리강도)인 0.
03㎛ 이다. 본 논문에서는 Pitch 1㎜기준으로 FPCB, HPCB 접합실험을 하였다.
제안 방법
일반적으로 ACF와 같은 공정에서는 접합 온도, 접합시간, 접합압력과 같은 공정변수를 다루고 있다.(2~4) 본 논문에서 딜레이, 본딩, 홀드 Time을 실험으로 알아낸 적정인자를 적용하였고, 접합압력은 0.40㎫~0.60㎫를 사용하였다. 사용 공정변수는 Table 4와 같다.
본 논문에서 사용하는 FPCB, HPCB 초음파 접합장비는 매개체 없이 직접(Direct)접합하기 때문에 FPCB, HPCB 초음파 접합에 맞게 장비를 구성 하였다. FPCB, HPCB 초음파 접합을 위해 Fig. 3처럼 직접 만든 초음파혼, 40kHz 초음파 발진기, 릴레이 회로, 딜레이(Delay), 본딩(Bonding), 홀드(Hold) Time이 동작되도록 PLC 프로그램을 작성하였다.
이때 미소 정렬 불량을 줄이고, 마찰력을 높이기 위해 다른 매개체 없이 FPCB Metal(Au) Bump PAD와 HPCB Metal(Au) Bump PAD를 직접 금속-금속 접합하였다. 그리고 산업에서 요구하는 접합강도 0.6kgf를 확보하기 위해 기계적 신뢰성 평가를 하였고, 산업에 바로 적용할 수 있는 여부를 검증하였다.
사진에서와 같이 초음파 혼의 형태에 따라 접합부의 손상이 발생 되거나 접합이 불가함을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 초음파 혼을 접합재료의 크기정보에 따라 3종을 제작하였다. 이때 초음파 혼의 재료는 스테인리스강(SUS 440C)을 사용하였고 상온에서 300℃ 까지 온도를 견딜 수 있다.
따라서, 이 시험법은 파단형태가 인장모드와 전단모드 중에서 어느 쪽이 지배적인가에 따라 접합부의 특성을 판정하게 된다. 따라서 접합된 시편들의 응집력을 알아보기 위해 인장전단실험을 진행하였고, 이때 실험속도는 0.05 mm/sec 속도이다. Fig.
따라서, 본 논문에서는 재료 손상에 크게 영향을 미치는 열과 접착제(ACA, NCA)없이 초음파로 접합하였다. 이때 미소 정렬 불량을 줄이고, 마찰력을 높이기 위해 다른 매개체 없이 FPCB Metal(Au) Bump PAD와 HPCB Metal(Au) Bump PAD를 직접 금속-금속 접합하였다.
사용 주파수는 40kHz이며, 최대진폭은 9㎛이다. 또한, 초음파 진동 에너지의 손실을 막기 위해 초음파 혼형상을 대칭성에 두었고, 진동자를 사용하여 초음파 중에서도 제일 빠른 속도의 종파를 만들어 혼내부로 통과하여 횡방향으로 진동운동을 한다. Fig.
본 논문에서 사용하는 FPCB, HPCB 초음파 접합장비는 매개체 없이 직접(Direct)접합하기 때문에 FPCB, HPCB 초음파 접합에 맞게 장비를 구성 하였다. FPCB, HPCB 초음파 접합을 위해 Fig.
본 논문에서는 FPCB, HPCB 접합에 대해 횡 초음파 방식을 적용하였다. 접합하기전 Fig.
6kgf이다. 본 연구에서 접합된 시편들의 접착력을 알아보기 위해 Fig. 11과 같이 박리강도 실험을 진행하였고, 이때 속도는 0.1mm/sec이다.
따라서, 본 논문에서는 재료 손상에 크게 영향을 미치는 열과 접착제(ACA, NCA)없이 초음파로 접합하였다. 이때 미소 정렬 불량을 줄이고, 마찰력을 높이기 위해 다른 매개체 없이 FPCB Metal(Au) Bump PAD와 HPCB Metal(Au) Bump PAD를 직접 금속-금속 접합하였다. 그리고 산업에서 요구하는 접합강도 0.
접합된 시편들의 계면 접합여부를 확인하기 위해 몰딩된 시편들을 그라인딩(Grinding), 폴리싱(Polishing) 후 광학 현미경으로 단면을 관찰 하였다. 여기서 접합시간 0.
대상 데이터
6kgf 이상의 접합강도를 얻을 수 있다고 판단된다. 또한, 산업에서 바로 사용하고, 양산할 수 있는 FPCB, HPCB 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 산업에서 실제 사용하는 FPCB, HPCB와 공정이 같고, 증착된 두께 또한 같으므로 추가되는 비용이 없고, 대량 생산이 가능하다.
이때 초음파 혼의 재료는 스테인리스강(SUS 440C)을 사용하였고 상온에서 300℃ 까지 온도를 견딜 수 있다. 사용 주파수는 40kHz이며, 최대진폭은 9㎛이다. 또한, 초음파 진동 에너지의 손실을 막기 위해 초음파 혼형상을 대칭성에 두었고, 진동자를 사용하여 초음파 중에서도 제일 빠른 속도의 종파를 만들어 혼내부로 통과하여 횡방향으로 진동운동을 한다.
따라서 본 연구에서는 초음파 혼을 접합재료의 크기정보에 따라 3종을 제작하였다. 이때 초음파 혼의 재료는 스테인리스강(SUS 440C)을 사용하였고 상온에서 300℃ 까지 온도를 견딜 수 있다. 사용 주파수는 40kHz이며, 최대진폭은 9㎛이다.
성능/효과
본 논문에서 FPCB Metal(Au) Bump PAD 와 HPCB Metal(Au) Bump PAD를 열, 접착제(ACA, NCA) 없이 접합하기 위한 연구를 진행하였다. 그래서, FPCB, HPCB 초음파 접합 장비를 구성하였고, 이 장비를 사용하여 산업에서 요구하는 목표 접합강도(박리강도)인 0.6kgf를 가능하게 한 공정이 접합압력 0.60㎫, 접합시간 1.5~2.0sec 이면 0.6kgf 이상의 접합강도를 얻을 수 있다고 판단된다. 또한, 산업에서 바로 사용하고, 양산할 수 있는 FPCB, HPCB 시편을 제작하였다.
2kgf으로 상대적으로 가장 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 접합시간이 증가할수록 인장전단강도가 상승할 것으로 예상했으나, 접합시간이 제일 긴 2sec 인 경우는 인장전단강도가 7.6kgf으로 접합시간 1.5sec, 인장전단강도 8.2kgf 보다 낮아지는 것을 알 수 있었다. 또한, Fig.
이는 접합부의 접합된 면적에 관계없이 나온 값이다. 즉, 시편을 만들 때 값은 조건으로 Au, Ni, Cu를 증착한 시편을 접합을 했을 때, FPCB, HPCB Metal(Au) Bump PAD가 서로 맞닿아 일부 또는 전체면적이 접합만 되더라도 도통이 된 것을 알 수 있다.
0sec에서 접합이 되지 않았다. 즉, 접합압력이 내려갈수록 접합시간이 짧은 시간에서는 접합이 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있으며, 접합압력이 금속-금속 접합에 중요한 인자라는 것을 알 수 있다.
9kgf) 알 수 있었다. 특히 접합시간이 2sec일 때 박리강도가 0.86kgf≒0.9kgf으로 상대적으로 가장 높은 것을 알 수 있었다. 하지만, Fig.
후속연구
FPCB, HPCB의 양호한 접합력을 얻기 위해서는 딜레이, 본딩, 홀드 Time을 설정하고, Metal(Au) Bump PAD의 접합 위치도 중요하다. 마지막으로 초음파 저온 접합을 통해 열영향이 없고, 접착제를 사용하지 않음으로써, FPCB, HPCB접합에 있어서 생산비용 감소, 품질향상, 생산능률의 향상과 제품의 경박단소화를 기대할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FPCB를 PCB 기판에 연결하는 접합 방법에는 어떤 것들이 있는가?
특히, PCB 기판에 연결되는 FPCB는 자유로운 유연성 때문에 공간이 많이 확보가 되어 기존 PCB기판 대용으로 휴대용 전자기기, 디지털 카메라, 휴대폰, PDA 등과 기계적으로 움직이는 모듈부분에 연결된다. FPCB를 PCB 기판에 연결하는 접합 방법으로 로봇솔더링, 열을 이용한 접착제(ACA, NCA) 또는 초음파를 이용한 접합 방법 등이 있다. 접합시 고려해야 할 중요한 사항은 각각의 금속 PAD의 상호연결(Interconnection)이다.
로봇솔더링의 솔더링 고정은 어떻게 이루어지는가?
현재 FPCB와 HPCB(PCB기판을 HPCB라 하겠음) 일반적인 접합은 로봇을 이용한 솔더링(Soldering)공정을 하고 있으며, 로봇솔더링이라 한다. 로봇솔더링은 외부열을 사용하는 인두팁, 일정한 양의 솔더(Solder), 설정된 시간, 속도에 의해서 솔더링공정을 한다. 로봇솔더링이 접합시 솔더양을 자동적으로 공급하지만, 솔더 공급부의 정밀도 및 솔더 상태에 따라 공급량의 차이가 발생이 되고, 300℃가 넘는 인두팁 온도로 접합부 부위의 소납, 과납이 된다.
FPCB를 PCB 기판에 연결하는 접합 방법에서 접합시 주의해야할 부분은?
FPCB를 PCB 기판에 연결하는 접합 방법으로 로봇솔더링, 열을 이용한 접착제(ACA, NCA) 또는 초음파를 이용한 접합 방법 등이 있다. 접합시 고려해야 할 중요한 사항은 각각의 금속 PAD의 상호연결(Interconnection)이다. 상호연결은 전기적 특성 및 기계적 신뢰성이 우수해야 한다. 현재 FPCB와 HPCB(PCB기판을 HPCB라 하겠음) 일반적인 접합은 로봇을 이용한 솔더링(Soldering)공정을 하고 있으며, 로봇솔더링이라 한다.
참고문헌 (4)
Fan, A., Rahman, A. and Rief, R., 1999, "Copper afer Bonding," Electrochemical and Solid-State Letters, Vol. 2, No. 10, pp. 534-536.
Umemoto, M., Tanida, K., Tomita, Y. and Takahashi, K., Dec. 2002, "Non-Metallurgical Bonding Technology with Super-Narrow Gap for 3D Stacked LSI," Proc. of Electronic Components and Technology, pp. 285-288.
Tago, M., Tomita, Y., Nemoto, Y., Tanida, K., Umemoto, M. and Takahashi, K., 2002, "Superfine Flip-Chip Bonding Technology Utilizing Tin-Capped Cu Bumps in 20um-Pitch," Tech. Digest, 6th VLSI Pakaging Workshop of Japan, Kyoto, Japan, pp. 161-164.
Tsan, C. H., Schimidt, M. A. and Spearmg, S. M., 2001, "Fabrication Process and Plasticity of Gold-Gold Thennocompression Bonds," Proc. of the 6th International Symposium on Semiconductor Wafer Bonding Science, technology and Applications, pp. 1-8.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.