[논문]열압착 초음파 기법을 이용한 ACF 본딩기술 개발

정상원; 장태영; 윤원수; 김경수

문제 정의

그러나 이러한 방법에 대한 연구가 재료적인 해석에 초점이 맞추어져있고 공정장비로의 확대 적용 측면에서는 연구가 미비하다. 따라서 본 연구에서는 초소형, 고밀도 칩의 플립칩 접합을 위한 열압착 초음파기술 개발을 목표로 한다.
수행한 결과를 통해 제시한 방법이 기존 방법에 비해 생산성을 향상 시킬 수 있음을 보인다. 마지막으로 실험결과를 바탕으로 열압착 초음파 기법에서 개선해야 할 점에 대해 고찰해 본다.
본 연구에서는 열압착 초음파 접합 기술 평가를 위하여 휴대폰에 사용되고 있는 소형 LCD 구동 IC에 ACF를 매개체로 이용하여 이종금속간의 접합을 실험하였다. 일반적으로 동종 금속 사이에서는 초음파 접합 기술이 사용되고 있다.
이를 구현하기 위해 현재 ACF를 이용하여 열압착 방식으로 생산하고 있는 LCD 구동 IC의 실장에 열압착 초음파 방식을 적용해 본다. 열압착 초음파 방식을 적용한 실험 결과를 기존의 방식을 이용한 대조군과 비교해 봄으로써 이 기술이 기존의 방식을 대체할 수 있는 기술임을 보이고자 한다. 이를 위해 자체 제작한 초음파 본딩 기기를 이용하여 소형 액정용 LCD에 대해 접합 공정 실험을 수행한다.

제안 방법

ACF 접합의 성능은 IC의 범프와 LCD Panel의 패드사이에 얼마나 많은 도전볼이 생성되었느냐에 따라 판단된다. 따라서 열압착 방식과 열압착 초음파 방식으로 실험한 시편을 현미경(Olympus BX-51)으로 압흔을 관찰하였다. 열압착 초음파 방식으로 실험한 시편에서 혼의 편평도로 인하여 Panel 우측 패드부위에서는 압흔이 관찰되지 않았다.
열압착 초음파 방식을 사용해 접합 시간을 3초로 하였을 경우 전단력 실험 결과 기존에 양산되고 있는 제품의 전단력 (48kgf)과 비슷한 수치 (50kgf)가 나옴을 확인할 수 있었다. 또한 생성된 도전볼의 개수를 확인하여 보았다. 그림2는 패드위에 생성된 도전볼이다.
초음파 혼의 경우는 40kHz용으로 단차식 혼 (stepped horn)에서 착안하여 제작하였으며 혼의 재질은 SKD-11이다. 또한 접합의 정밀도 향상을 위하여 Horn을 최대한 대칭적으로 설계하였으며 이를 통하여 측면에서의 진동(parasitic vibration)을 최소화 하려고 하였다[5]. 실험을 위해 세팅한 혼 툴팁의 진폭은 최대 ±4um로 설정하였다.
열압착 실험에서 성능에 영향을 미치는 주요 인자는 접합 시간과 압력, 접합 온도이다. 본 실험에서 압력은 0.54MPa로 일정하게 유지하였고 접합 온도(230, 240, 250℃)와 시간(1.5, 3, 5초)에 변화를 주며 접합 실험을 수행하였다.
본 실험에서는 기존에 쓰이고 있는 열압착 방식을 대조군으로 하여 새로이 제시된 열압착 초음파 접합 방법과 비교 실험 하였다. ACF는 HITACHI社 제품을 사용하였으며 권장 사용 조건은 170~180℃에서 압력을 가한 다음 15~20초 정도 유지하는 것이다.
이를 구현하기 위해 현재 ACF를 이용하여 열압착 방식으로 생산하고 있는 LCD 구동 IC의 실장에 열압착 초음파 방식을 적용해 본다. 열압착 초음파 방식을 적용한 실험 결과를 기존의 방식을 이용한 대조군과 비교해 봄으로써 이 기술이 기존의 방식을 대체할 수 있는 기술임을 보이고자 한다.
열압착 초음파 방식을 적용한 실험 결과를 기존의 방식을 이용한 대조군과 비교해 봄으로써 이 기술이 기존의 방식을 대체할 수 있는 기술임을 보이고자 한다. 이를 위해 자체 제작한 초음파 본딩 기기를 이용하여 소형 액정용 LCD에 대해 접합 공정 실험을 수행한다. 수행한 결과를 통해 제시한 방법이 기존 방법에 비해 생산성을 향상 시킬 수 있음을 보인다.

대상 데이터

기기는 초음파 진동자와 진동자의 공진주파수에 적합하게 설계된 혼, 발진회로로 구성되어있다. 진동자의 경우는 40kHz 용 BLT 진동자 (일본 NTK 社)를 사용하였고 발진회로는 최대출력이 60W가 되도록 제작하였다. 초음파 혼의 경우는 40kHz용으로 단차식 혼 (stepped horn)에서 착안하여 제작하였으며 혼의 재질은 SKD-11이다.
진동자의 경우는 40kHz 용 BLT 진동자 (일본 NTK 社)를 사용하였고 발진회로는 최대출력이 60W가 되도록 제작하였다. 초음파 혼의 경우는 40kHz용으로 단차식 혼 (stepped horn)에서 착안하여 제작하였으며 혼의 재질은 SKD-11이다. 또한 접합의 정밀도 향상을 위하여 Horn을 최대한 대칭적으로 설계하였으며 이를 통하여 측면에서의 진동(parasitic vibration)을 최소화 하려고 하였다[5].

성능/효과

본 실험을 통하여 LCD 구동 IC 경우처럼 ACF를 이용하는 접합에서 열압착 초음파 방식이 기존 방식보다 이점이 있음을 확인 할 수 있었다. 즉, 초음파 에너지를 이용할 경우 실장 시간은 획기적으로 줄어들고 도전볼은 더 많이 생성됨을 확인 할 수 있었다.
본 실험을 통하여 열압착 초음파 접합기술이 현재 사용되고 있는 열압착 방식을 대체할 수 있는 효과적인 기술임을 확인할 수 있었다. 짧은 시간에 충분한 도전볼의 생성 및 전단강도 형성을 확인 할 수 있었다.
이를 위해 자체 제작한 초음파 본딩 기기를 이용하여 소형 액정용 LCD에 대해 접합 공정 실험을 수행한다. 수행한 결과를 통해 제시한 방법이 기존 방법에 비해 생산성을 향상 시킬 수 있음을 보인다. 마지막으로 실험결과를 바탕으로 열압착 초음파 기법에서 개선해야 할 점에 대해 고찰해 본다.
이는 횡방향 진동을 이용한 플립칩 본딩에서 나타나는 문제점으로 횡방향으로 진동을 가할 경우 칩과 기판의 상호 편평도(co-planarity)에 영향을 많이 받게 된다. 열압착 방식으로 시간을 1.5, 3, 5초 주었을 경우 전단력 실험 결과 적합하지 못한 것으로 판명되었다. 이는 ACF 제조사에서 권장한 것처럼 충분한 시간을 주지 못하여 ACF를 구성하고 있는 Epoxy가 충분히 경화될 열이 부족하였기 때문이다.
열압착 초음파 방식을 사용해 접합 시간을 3초로 하였을 경우 전단력 실험 결과 기존에 양산되고 있는 제품의 전단력 (48kgf)과 비슷한 수치 (50kgf)가 나옴을 확인할 수 있었다. 또한 생성된 도전볼의 개수를 확인하여 보았다.
본 실험을 통하여 LCD 구동 IC 경우처럼 ACF를 이용하는 접합에서 열압착 초음파 방식이 기존 방식보다 이점이 있음을 확인 할 수 있었다. 즉, 초음파 에너지를 이용할 경우 실장 시간은 획기적으로 줄어들고 도전볼은 더 많이 생성됨을 확인 할 수 있었다. 이는 ACF의 Epoxy가 점탄성을 가지는 물질이므로 여기에 초음파 진동을 가함으로 마찰열이 발생하였기 때문이다.
본 실험을 통하여 열압착 초음파 접합기술이 현재 사용되고 있는 열압착 방식을 대체할 수 있는 효과적인 기술임을 확인할 수 있었다. 짧은 시간에 충분한 도전볼의 생성 및 전단강도 형성을 확인 할 수 있었다. 그러나 열압착 초음파 방식에도 극복해야할 문제점이 있다.

후속연구

이로 인하여 패드위의 도전볼의 밀도가 높아짐을 확인 할 수 있었다. 그러나 아직 정확한 이론적 해석은 나오지 못한 상황이고 차후 이에 대해 보다 심도있는 연구가 필요하다고 본다.
이는 ACF의 Epoxy가 점탄성을 가지는 물질이므로 여기에 초음파 진동을 가함으로 마찰열이 발생하였기 때문이다. 이러한 현상을 이용하면 ACF의 권장 시간뿐만 아니라 온도 또한 보다 낮은 예열 온도를 가하여도 기존 방식과 비슷한 결과가 나올 것으로 예상된다. 낮은 예열 온도로 접합을 할 경우 실장 중에 열이 미치는 영향을 최소화 할 수 있으므로 불량률과 같은 초기 높은 예열 온도로 인한 부작용을 최소화 할 수 있을 것이다.

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