6
大韓熔接․接合學會誌 第25卷 第2號, 2007年 4月 133 31 전자 패키징에서의 도전성 접착제 기술 동향 김 종 민 Recent Advances on Conductive Adhesives in Electronic Packaging Jong-Min Kim 1980 1985 1990 1995 Broad band Internet 3-D Device Opto-electronics Device DIP QFP PGA BGA CSP FC-BGA Personal computer Note type computer Digital camera Portable phone Palm SOP 2000 2005 Small, Light, High performance High integration, High density 3 - High speed, Large capacity DIP QFP PGA BGA CSP FC- Personal computer Note type computer Palm SOP Fig. 1 Evolution of electronic packaging technology 1. 서 론 전자 패키징(electronic packaging) 기술이란 반도 IC를 봉지수지로 포장하여 IC의 최종 형태를 만드 는 기술을 말하며, 가까운 일본에서는 실장이라는 의미 로 반도체, 전자부품, 반도체 패키지, 프린트 배선판, 설계 등 각각의 기술을 유기적으로 연결해 최적화하는 시스템 설계의 총합이라고 정의하고 있다. 21세기에 들 어서면서 혁신적인 정보기술 (Information Technology) 은 우리의 삶을 변화시키기 시작해 사회구조마저 변화 시키기에 이르렀다. 정보통신기기의 진보에 따라 반도체 패키지의 고집적화, 고성능화, 저비용화, 소형화가 가속 화되고 있다. 따라서 LSI 칩의 집적도 향상과 함께 Fig. 1 에 나타낸 바와 같이 DIP(Dual In-line Package) 로 대표되던 삽입형 전자 패키지로부터 QFP(Quad Flat Package), SOP (Small Outline Package)대표되는 표면 실장형 패키지로 전개되어 다 단자화, 미세 피치화가 전개되어 왔다. 전자 패키징 기술의 발 달로 높은 입 / 출력 단자를 갖춘 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Package), FC(Flip Chip), 3-D package 등과 같은 새로운 전자 패키지 기술이 개발되 고 있다 1) . 이러한 전자 패키지 기술 중 솔더링 기술은 납이 가 지는 우수한 특2) 으로 Sn-37Pb 공정 솔더를 이용한 기술이 폭넓게 이용되어 왔다. 그러나, 최근 Sn-37Pb 공정 솔더가 가지는 인체와 환경에 미치는 악영향과 오 존층 파괴 등 심각한 환경적 문제와 국제적인 환경규제 로 인해 공정 솔더를 대체할 대체 재료의 개발, 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 대체 재료 개발에는 크 게 두 가지로 납이 함유되지 않은 무연 솔더 개발 3) 도전성 접착제(Electrically Conductive Adhesive : ECA) 개발 4) 로 구분 지을 수 있다. 무연 솔더 중에서 현재 대표적으로 사용하고 있는 솔더는 Sn/AgSn/Ag/Cu 솔더를 들 수 있다. 그러나, 이들 솔더는 상대적으로 높은 융점 (Sn/Ag: 217 , Sn/Ag/Cu: 221 ) 젖음성이 나쁘다고 하는 공통적인 특징이 지니고 있다 . 반면에 도전성 접착제는 폴리머(polymer) 기재와 도 전 필러(filler) 입자의 주성분으로 구성되어 있다. 이러 한 도전성 접착제는 일반 솔더에 비해 1)저온 프로세스 가 가능 (낮은 열응력), 2)환경 친화적 (무연, 독성 금속 미함유), 3)프로세스 간이화 (무플럭스, 세척공정 불필요), 4)솔더링이 불가능한 재료 및 폭넓은 재료에 사용 가능, 5) 미세피치 대응 및 6) 열피로 특성 향상과 같은 장점을 가지고 있어 5) 많은 연구 개발이 활발히 진 행되고 있다. 그러나, 상용화 된 도전성 접착제들은 여 전히 솔더링에 비해 낮은 전기 전도도와 열 전도도, 충격성 및 이온 마이그레이션 등의 개선해야 할 문제점 6,7) 들을 해결하기 위한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 본고에서는 최근의 전자 패키징에서의 도전성 접착제 에 관련한 연구개발 현황을 요약하고 이를 이용한 접속 기술의 동향을 분석하고 그 전망을 살펴보고자 한다. 2. 도전성 접착제의 종류 도전성 접착제는 전자 패키징 산업에서 주로 다이 특 집 : 차세대 디스플레이 모듈 및 3차원 실장을 위한 마이크로 전자 패키징기술

p aÆ - e-jwj.org · PDF filefkls ru#vxevwudwh 'jh " tdifnbujd pg 'mjq dijq cpoejoh qspdftt xjui *$" ejf gi k ua ... 'jh 7bsjpvt bqqmjdbujpot pg "$'t xxx ufmfqivt dpn}

Embed Size (px)

Citation preview

  • 25 2, 2007 4 133

    31

    Recent Advances on Conductive Adhesives in Electronic Packaging

    Jong-Min Kim

    0

    1 2 3

    4 5 6

    7 8 9

    =

    +

    -

    */=

    .

    C

    0

    1 2 3

    4 5 6

    7 8 9

    =

    +

    -

    */=

    .

    C

    0

    1 2 3

    4 5 6

    7 8 9

    =

    +

    -

    */=

    .

    C

    1980 1985 1990 1995

    Broad bandInternet

    3-D Device

    Opto-electronicsDevice

    DIP QFP

    PGA

    BGA

    CSP

    FC-BGA

    Personal computer Note type computer

    Digital camera

    Portable phone

    Palm

    SOP

    0

    1 2 3

    4 5 6

    7 8 9

    =

    +

    -

    */=

    .

    C

    0

    1 2 3

    4 5 6

    7 8 9

    =

    +

    -

    */=

    .

    C

    0

    1 2 3

    4 5 6

    7 8 9

    =

    +

    -

    */=C

    0

    1 2 3

    4 5 6

    7 8 9

    =

    +

    -

    */=C

    2000 2005

    Small, Light, High performance

    High integration, High density3

    -

    High speed, Large capacity

    DIP QFP

    PGA

    BGA

    CSP

    FC-

    Personal computer Note type computer

    Palm

    SOP

    Fig. 1 Evolution of electronic packaging technology

    1.

    (electronic packaging)

    IC IC

    ,

    , , , ,

    . 21

    (Information Technology)

    .

    , , ,

    . LSI

    Fig. 1 DIP(Dual In-line Package)

    QFP(Quad

    Flat Package), SOP (Small Outline Package)

    ,

    .

    / BGA(Ball Grid Array),

    CSP(Chip Scale Package), FC(Flip Chip), 3-D

    package

    1).

    2) Sn-37Pb

    . , Sn-37Pb

    ,

    .

    3)

    (Electrically Conductive Adhesive :

    ECA) 4) .

    Sn/Ag

    Sn/Ag/Cu . ,

    (Sn/Ag: 217, Sn/Ag/Cu: 221)

    .

    (polymer)

    (filler) .

    1)

    ( ), 2) (,

    ), 3) (,

    ), 4)

    , 5) 6)

    5)

    . ,

    ,

    6,7)

    .

    .

    2.

    : 3

  • 134 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

    32

    Chip

    Substrate

    Pad s ICA

    Silver flakeChip

    Substrate

    Pad s ICA

    Silver flakeChip

    Substrate

    Pads ICA

    Silver flake

    (a) ICA

    Bump

    Electrode padSubstrate

    Chip

    Conductive particle

    Polymer matrix

    Electrode padSubstrate

    Polymer

    (b) ACA

    Electrode padSubstrate

    Polymer

    Substrate

    Bump

    Electrode pad

    Chip Bump

    Electrode pad

    Chip

    Polymer matrix

    (c) NCA

    Fig. 2 Schematics of ECA flip-chip bonding

    SubstrateStensil Chip

    Substrate

    Substrate

    ChipICA

    Squeegee

    PadSubstrateStensil Chip

    Substrate

    Substrate

    ChipICA

    Squeegee

    PadSubstrate

    Chip

    Pad

    Stensil

    Squeegee

    Substrate

    Substrate

    ChipICA

    Fig. 3 Schematics of surface mount interconnection

    Chipor substrateBump

    Underfill

    ICA

    Chip or substrate

    Underfill

    ICA

    Chipor substrateBump

    Underfill

    ICA

    Chip or substrate

    Underfill

    ICA

    Chipor substrateBump

    Underfill

    ICA

    Chip or substrate

    Underfill

    ICA

    Fig. 4 A schematic of Flip-chip bonding process with

    ICA

    (die) 70

    . Fig. 2

    (Isotropic Conductive Adhesives : ICAs)

    z

    (Anisotropic Conductive Adhesives : ACAs)

    . ,

    (Non-Conductive Adhesives)

    .

    3. (ICAs)

    ICAs (polymer)

    (filler) .

    (phenolic epoxy) (polyimide)

    (thermoplastics)

    (epoxy), (silicone),

    (polyurethane)

    (thermosets) .

    m-m .

    (flake) .

    8) /

    ,

    30-40 vol% .

    ICAs Fig. 3

    ICAs

    (Stensil Printing)

    ,

    (Surface-mount technology: SMT)

    .

    ,

    .

    Fig. 4

    9) . ICA

    .

    (Ag), (Au), (Cu),

    (Ni), (carbon),

    ICAs Ag

    (1.6 cm)

    Ag . /

    . Ni Ag 25%

    Cu

    Ni ICAs

    10). , (carbon nano-tubes;

    CNTs) ICA

    11)

    . (: 30nm) Ag

  • 25 2, 2007 4 135

    33

    Polymer resin

    Component metallization

    Ag

    Substrate metallization

    Low-melting-point alloy

    ICA

    (a) ICA filled with a mixture of a high melting point metal powder

    and a low melting point alloy powder

    Component metallization

    Substrate metallization

    Polymeric resin Conductive particle

    Conduction paths

    ICA

    (b) ICA filled with a low melting point alloy powder

    Fig. 5 Schematics of ICA bonding with low-melting point

    alloy filler

    Chip Bump

    Electrode padSubstrate

    Conductive particle

    Bump

    Electrode pad

    Conductive particle

    Polymer matrix

    Pressure

    & heat

    ACAs

    Chip Bump

    Electrode padSubstrate

    Conductive particle

    Fig. 6 A schematic of flip chip bonding with ACA

    TAB bonding outputFPC / PCB

    TAB bonding inputFPC / LCD

    COG bonding IC / LCD

    AnisoMat FP

    AnisoMat GI

    COB bonding IC / PCB

    AnisoMat FCPNcfMat FCP

    COF bonding IC / FPC

    AnisoMat FCPNcfMat FCP

    AnisoMat FI

    AnisoMat PDP

    Plasma displayFPC / PDP

    Fig. 7 Various applications of ACFs (www.telephus. com)

    ICA12)

    Ag

    (nanowire) ICA 13)

    . ,

    ICA(Fig. 5(a))14), Ag

    (sintering)15),

    (Cu, Zn, Ag, Cd, In, Sn, Au, Pb, Bi )

    (Fig. 5(b)) ICA 16)

    ,

    .

    , Ag Au

    ,

    17)

    .

    4. (ACAs)

    ACAs

    (filler) . ACAs

    ACPs(Anisotropic Conductive Pastes)

    (reel)

    ACFs(Anisotropoic Conductive Films)

    .

    ACAs Z-

    .

    Fig. 6 ACAs

    . , ICAs

    ,

    .

    ACAs

    / .

    ,

    ,

    .

    1) , 2) ,

    3) (board) (bump) , 4)

    .

    ICAs

    5-10 vol% . ACFs

    (Liquid Crystal Displays: LCDs)

    (Flat Panel Displays: FPDs)

    .

    , , ,

    TCP (tape carrier package),

    COG(chip-on-glass), COF(chip-on film)

    18) . Fig. 7 ACFs

  • 136 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

    34

    Metal/Non-

    Plating layer

    Insulating layer

    Metal/Non-

    Plating layer

    (Ag, Ni, Au, etc.)

    Metal/Non-

    Plating layer

    Insulating layer

    Metal/Non-conductive core

    Plating layer

    Insulating layer

    Metal/Non conductive core

    Plating layer

    (Ag, Ni, Au, etc.)

    Non-fusible filler (Ag, Ni, C, etc.)

    Fig. 8 Schematics of conductive particle structure

    Chip Bump

    Conductive particle

    Pressure& heat

    Electrode padSubstrate

    Adhesive layer

    Chip Bump

    Conductive particle

    Pressure& heat

    Electrode padSubstrate

    Adhesive layer

    (a) Flip chip bonding with double layer ACF

    Chip Bump

    Conductive particle

    Pressure& heat

    Electrode padSubstrate

    Adhesive layer

    Adhesive layer

    Chip Bump

    Conductive particle

    Pressure& heat

    Electrode padSubstrate

    Adhesive layer

    Adhesive layer

    (b) Flip chip bonding with triple layer ACF

    Fig. 9 Schematics of flip chip bonding with multi- layere

    d ACFs

    . TCP ,

    IC TCP glass ACF

    glass

    ITO(indium tin oxide) TCP

    . COG

    , glass panel bare chip

    LCD

    . , LCD

    panel

    IC

    . ,

    50m

    . ACF

    COF . COF

    (polyimide) bare

    TCP ,

    (, , ) TCP

    .

    ACAs

    Fig. 8 1) Ag, Ni, C

    , 2) Au (Ni, titanium

    oxide ) (acrylic rubber, polystyrene

    ) 3)

    . Ag, Ni,

    Au

    .

    Ni, Au, Ni/Au

    . ACAs

    (metallurgical)

    /

    . ,

    .

    .

    ACAs19)

    .

    Sn/52In (Tm=118), Sn/58Bi(Tm=139))

    .

    Fig. 9

    . Figure 9

    (double-layer) ACF20)

    3 ACF21)

    .

    (single-layer) ACF

    ,

    . , Ag

    (sintering) 22)

    . ACA

    (non-

    reactive) 23)(Fig. 10(a)) ,

    (Cu, Zn, Ag, Cd, In, Sn,

    Au, Pb, Bi )

    ACA

    (Fig. 11(b))24)

    . Fig.

    12 (Sn/58Bi) ACF

  • 25 2, 2007 4 137

    35

    Sn -coated bump

    Bi precipitatesSn pad

    Cu/Ni

    Solid solutionSn-coated bump

    Bi precipitatesSn pa