[논문]Navigation Connection용 ACF(Anisotropic Conductive Film)의 수명 예측

유영창; 신승중; 곽계달

Navigation Connection용 ACF(Anisotropic Conductive Film)의 수명 예측
Lifetime Estimation of an ACF in Navigation 원문보기

유영창 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학부) , 신승중 (한세대학교 IT학부) , 곽계달 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학부 신뢰성분석연구센터(RARC))

Recently LCD panels have becom very important components for portable electronics. In the high density interconnection material, ACF's are used to connect the outer lead of the tape automated bonding to the transparent indium tin oxide electrodes of the LCD panel. ACF consists of an adhesive polymer matrix and randomly dispersed conductive balls. In this study, we analyzed Failure Mode / Mechanism of ACF which is identified Conductive ball Corrsion, Delamination, Crack and Polymer Expansion / Swelling. In ALT(Accelerated Life Test), we select primary stress factors as temperature and humidity. As time passes by, an increase of connection resistance was observed. In conclusion, we have found that high temperature / humidity affects the adhesion.

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문제 정의

ACF가 LCD 패키징에 주로 사용된지 수십년이 지났지만, 전기적 접속과 신뢰성에 미치는 환경 변수의 영향에 대한 연구는 미비한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 ACF의 고장모드 / 메커니즘을 분석하고, 가속열화시험을 수행하여 ACF의 전기적 열화특성 및 B₁₀ 수명시간을 추정고자 하였다.
본 시험에서는 여러 분야에 다양하게 이용되고 있는 전도성 접착제인 ACF의 가속수명시험을 수행하였다. 고장분석 결과 주요 고장 메커니즘은 polymer의 expansion / swelling 으로 확인되었으며, 온도-습도를 가속인자로 한 가속시험을 실시하였다.

제안 방법

따라서 순수하게 ACF의 접합부분만을 독립적으로 시험하기 위해서, Fig. 5 (a)와 같이 하나의 pad에 FPCB 두 개의 Cu bump 가 ACF 접합되어 있는 형태로 설계하여 제작하였다. 시료는 ITO막이 수백Å 두께로 도포된 glass를 사용하였는데, LCD 용 ITO glass에 ACF를 1차 pre bonding 한 후, 그 위에 FPCB를 2차 main bonding 하였다.
ACF의 수명을 평가하기 위한 시험항목을 도출하기 위하여 2단계 품질기능전개(Two-Stage Quality Function Deployment)를 실시하였으며, 이를 Fig. 4에 나타내었다. 그림 (a) 에서는 사용 환경 및 조건과 고장 메커니즘과의 관계를, (b) 에서는 고장모드 및 메커니즘과 시험방법과의 관계에 대하여 분석하였다.
본 시험에서는 여러 분야에 다양하게 이용되고 있는 전도성 접착제인 ACF의 가속수명시험을 수행하였다. 고장분석 결과 주요 고장 메커니즘은 polymer의 expansion / swelling 으로 확인되었으며, 온도-습도를 가속인자로 한 가속시험을 실시하였다. 와이블 분포와 온도-습도 모델을 가정하고 실제 데이터를 분석하여 수명-스트레스 관계식과 가속계수를 추정할 수 있었다.
고장판정기준은 선행연구결과를(4)(5) 토대로 하여 500Ω을 고장기준으로 판정하였다.
시험조건의 주된 가속인자는 고온․ 고습이기 때문에 정상 기압에서는 이 조건을 충족시킬 수 없다. 그래서 본 연구에서는 PCT(Pressure Cooker Test) chamber에 시료를 넣어놓고, 각 Level당 1000시간씩 시험하였으며, 72시간마다 저항치를 측정하였다.
FPCB 자체의 저항은 가속수명시험 후에도 변동이 없었다. 따라서 간단히 두 점 사이의 저항접속저항치만 측정하기로 하였다. 측정은 4탐침 단자법(four-point-probe method)으로 하였다.

대상 데이터

시료는 ITO막이 수백Å 두께로 도포된 glass를 사용하였는데, LCD 용 ITO glass에 ACF를 1차 pre bonding 한 후, 그 위에 FPCB를 2차 main bonding 하였다.

이론/모형

ACF의 수명과 스트레스의 관게는 온도-습도 모델을 적용하였다. 따라서 ACF의 수명을 특성 수명(η), 온도(T), 습도(%RH) 사이의 관계식으로 아래의 식 (1)과 같이 가정하였다.
따라서 간단히 두 점 사이의 저항접속저항치만 측정하기로 하였다. 측정은 4탐침 단자법(four-point-probe method)으로 하였다. 고장판정기준은 선행연구결과를⁽⁴⁾⁽⁵⁾ 토대로 하여 500Ω을 고장기준으로 판정하였다.

성능/효과

가속시험을 통해 얻어진 데이터에 적합한 수명분포를 가정하기 위해서 와이블, 지수, 대수정규분포의 우도함수(likelihood function)값을 비교하여 Table 3에 나타내었다. 3개의 수명분포의 우도함수값 중, 가장 큰 수치를 갖는 와이블 분포가 가장 적합한 수명분포로 나타났다.
ACF의 가속수명시험 결과로부터 고장모드는 회로 단선임을 확인하였다. 또한 주요 매커니즘은 expansion / swelling 이라는 것도 알 수 있었다.
그림 (a) 에서는 사용 환경 및 조건과 고장 메커니즘과의 관계를, (b) 에서는 고장모드 및 메커니즘과 시험방법과의 관계에 대하여 분석하였다. QFD 분석결과 고온고습을 가속인자로 하는 시험법이 ACF의 가속열화시험으로 가장 적합하다고 판단되었다.
8에 나타내었다. 본 시험의 결과로부터 온도에 대한 가속계수가 습도에 대한 가속계수보다 상대적으로 높아 수명에 미치는 영향이 지대한 것으로 판명 되었다. 이는 ACF의 재료 특성상 고온에서 접착 성분이 물러지면서, 또한 대기중의 수분을 더 빠르게 흡수하기 때문이다.
9에 나타내었다 일반적인 환경에서 온도 60℃, 습도 60%에서의 B₁₀ 수명은 4,181시간으로 추정되며, 실제 사용 조건과 제품에 따라 수명시간은 달라질 수 있다.시험의 결과로 고온- 고습의 환경에서 ACF의 고장 발생시간은 단축됨을 확인하였다.
시험이 진행될수록 점점 저항치가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 고온의 환경에서 그 증가의 정도가 더 크다는 것을 관찰할 수 있었다.
고장분석 결과 주요 고장 메커니즘은 polymer의 expansion / swelling 으로 확인되었으며, 온도-습도를 가속인자로 한 가속시험을 실시하였다. 와이블 분포와 온도-습도 모델을 가정하고 실제 데이터를 분석하여 수명-스트레스 관계식과 가속계수를 추정할 수 있었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

ACF가 다른 전자 부품과는 구동원리, 고장 메커니즘 등이 많이 다른 이유는?

Navigation LCD panel과 PCB 기판의 연결 접합에 쓰이는 ACF를 시험하기로 하였는데, ACF는 주 성분이 고분자합성물질이기 때문에, 다른 전자 부품과는 구동원리, 고장 메커니즘 등이 많이 다르다.

ACF의 구조는 어떻게 되는가?

ACF는 필름형태로서 열 경화성 에폭시 접착제 성분 안에 도전볼이 포함된 구조인데, 크기는 종류마다 다르지만 보통 두께는 35-50㎛ 폭은 2㎜ 정도이다.

ACF의 주요 특징은 무엇인가?

ACF는 1977년 소니사에서 처음으로 개발되어 전자계산기에 사용되었다. 주요 특징으로는 미세한 피치의 패드간의 접합, 단순하고 낮은 공정온도, 적은비용, 거의 없다고 할 수 있는 환경오염 등의 장점이 많아 널리 사용되고 있는 재료이며, chip과 ITO(indium Tin Oxide) glass의 접속, chip과 FPCB(Flexible Printed Circuits Board)의 접속등에 사용되고 있는 미래 핵심 소재로서 기존의 solder와 connector를 대체하는 제품에 적용된다.

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