KR101025623B1 - 코어쉘 구조의 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제 및 이를 이용한 전자부품간 접속방법 - Google Patents

코어쉘 구조의 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제 및 이를 이용한 전자부품간 접속방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 전자부품의 접속부 전극인 제1전극과 제2 전자부품의 접속부 전극인 제2전극을 전기적으로 접속시키는 이방성 전도성 접착제(ACA; Anisotropic Conductive Adhesives)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제는 절연성 폴리머 수지; 및 상기 이방성 전도성 접착제에 인가되는 초음파에 의해 발생하는 열에 의해 용융되는 전도성 접합 쉘(shell)과 상기 접합 쉘보다 높은 녹는점(melting point)을 갖는 스페이서(spacer) 코어(core)로 이루어진 코어-쉘 구조의 복합금속입자;를 함유하며, 상기 초음파에 의해 상기 복합금속입자의 상기 접합 쉘이 용융되어 상기 복합금속입자와 상기 제1전극 및 상기 제2전극에서 하나 이상 선택된 전극이 면접촉하고 상기 스페이서 코어에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극간 일정한 간극이 유지되어 상기 제1전극과 상기 제2전극이 전기적으로 접속되는 특징이 있다.
이방성 전도성 접착제, 접촉 저항, 패키징, 솔더, 초음파

Description

코어쉘 구조의 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제 및 이를 이용한 전자부품간 접속방법{Anisotropic Conductive Adhesives Having Core-Shell Structure for UltraSonic Bonding and Electrical Interconnection Method of Electronic Component Using Thereof}
본 발명은 제1 전자부품의 접속부 전극인 제1전극과 제2 전자부품의 접속부 전극인 제2전극을 전기적으로 접속시키는 이방성 전도성 접착제(ACA; Anisotropic Conductive Adhesives) 및 이를 이용한 전자부품간 접속 방법에 관한 것이다.
이방성 전도성 접착제는 절연성 폴리머 수지와 폴리머 수지 안에 분산되어 있는 도전 입자를 기본으로 하여 도전 입자에 의한 전극 사이의 전기적 접속, 폴리머 수지의 열경화에 의한 기계적 접속을 동시에 수행하는 접합 재료이다.
통상적으로 은, 금, 구리, 니켈, 탄소, 금속이 코팅(coating)된 폴리머, 고유 전도성 고분자(intrinsically conductive polymer)등의 미세 입자가 도전 입자로 사용되며, 폴리머 수지로 에폭시, 폴리이미드, 실리콘, 아크릴, 폴리에스테르 또는 폴리술폰 수지가 사용된다. 사용 분야에 따라서 도전 입자의 종류가 달라질 수 있으며, 열팽창 계수를 줄이기 위한 목적으로 비도전 입자를 포함하기도 한다.
이방성 전도성 접착제를 이용한 전자 부품간의 접속 방법은 기존의 땝납 공정을 대체하는 공정(lead free)으로 깨끗하고 공정자체가 간단하며 친환경적이고, 제품에 순간적인 고온을 가할 필요가 없으므로(저온 공정) 열적으로 더 안정한 공정이며, 유리 기판이나 폴리에스테르 플렉스와 같은 저렴한 기판을 사용하여 공정 단가를 낮출 수 있으며, 미세 도전입자를 사용하여 전기적 접속이 이루어지므로 극미세 전극 피치(pitch)의 구현이 가능한 장점들이 있다.
이러한 장점을 가지는 이방성 전도성 접착제는 스마트 카드, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 유기 EL(Organic Light Emitting Diodes) 등의 디스플레이 패키징(display packaging), 컴퓨터, 휴대용 전화기, 통신 시스템 등에 그 활용 범위를 넓혀가고 있다.
이방성 전도성 접착제가 가장 활발히 사용되어 온 분야는 디스플레이 모듈 실장인데, 연성 기판을 유리 기판에 접속할 때 사용되는 OLB(Outer Lead Bonding) 용, 연성 기판을 PCB(Printed Circuit Board)기판과 접합하는 PCB 본딩용 이방성 전도성 접착제의 시장이 가장 커지고 있다.
또한 구동회로 IC 칩이 유리 기판에 직접 접속되는 COG(Chip On Glass) 본딩, 연성 기판에 직접 플립 칩 접속되는 COF(Chip On Film) 본딩은 구동회로 IC가 고밀도화, 복잡화되면서 극미세피치 접속의 필요성이 더욱 대두되고 있어 이방성 전도성 접착제의 중요성 또한 급격히 커지고 있는 실정이다.
이방성 전도성 접착제를 사용한 전자 부품의 실장 기술은 기본적으로 열압착 공정을 사용하여 전극 패드 사이의 전도성 입자에 의한 도전과 주변 폴리머 수지의 열경화에 의해 접속이 완성된다.
이러한 이방성 전도성 접착제를 이용하는 경우, 폴리머 수지의 불균일한 열경화 문제, 가열 및 냉각과정에서 생성되는 잔류 응력에 의한 뒤틀림 문제, 패키지의 열변형 문제, 기판 평탄도 문제 등 여러 가지 문제점이 해결되어야 하며, 도 1에 도시한 바와 같이 이방성 전도성 접착제의 도전 입자와 전자부품의 전극이 점 접촉(point contact)하여 전자 부품들이 전기적 접속됨에 따라, 높은 접촉 저항을 갖는 문제점이 있다.
상세하게, 도 1(a)에 도시한 바와 같이 접속 대상인 두 전자부품(100, 300)을 접속시키기 위한 종래의 방법은 접속 대상 전자부품(100)의 전극(110)이 형성된 면 상부로, 절연성의 열 경화성 폴리머 수지(220) 및 전도성 금속 입자(210)을 함유하는 이방성 전도성 접착제인 이방성 전도성 페이스트(200) 또는 이방성 전도성 필름(200)을 도포하거나 부착한 후, 다른 접속 대상 전자부품(300)의 전극(310)과 정렬 한 후, 열과 압력을 가하여 폴리머 수지를 경화시키고 도전 입자(210)에 의해 두 전극(110 및 310)을 전기적으로 도통시킨다.
그러나, 이러한 종래의 기술은 도 1(b)에 도시한 바와 같이 도전 입자(210)가 전극(110 또는 310)과 물리적으로 단순 접촉하는 것이며, 이러한 물리적 점 접촉에 의해 높은 접촉 저항을 갖는 한계가 있다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전자부품간의 전기적 접속 및 물리적 결합에 사용되는 이방성 전도성 접착제 및 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자 부품간의 접속방법을 제공하는 것으로, 상세하게, 접속 대상인 두 전극간 접촉 저항을 현저하게 감소시키고 대량의 전류를 흐르게 할 수 있으며, 신뢰성이 높은 이방성 전도성 접착제를 제공하는 것이며, 또한 이방성 전도성 접착제를 균일하게 경화시키며, 신뢰성이 높고, 접속 대상인 전자부품들이 열변형되지 않으며, 전자부품의 전극 간 매우 낮은 접촉 저항을 갖는 초음파를 이용한 전자 부품간 접속 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 제1 전자부품의 접속부 전극인 제1전극과 제2 전자부품의 접속부 전극인 제2전극을 전기적으로 접속시키는 이방성 전도성 접착제(ACA; Anisotropic Conductive Adhesives)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제는 절연성 폴리머 수지; 및 상기 이방성 전도성 접착제에 인가되는 초음파에 의해 발생하는 열에 의해 용융되는 전도성 접합 쉘(shell)과 상기 접합 쉘보다 높은 녹는점(melting point)을 갖는 스페이서(spacer) 코어(core)로 이루어진 코어-쉘 구조의 복합금속입자;를 함유하며, 상기 초음파에 의해 상기 복합금속입자의 상기 접합 쉘이 용융되어 상기 복합금속입자와 상기 제1전극 및 상기 제2전극에서 하나 이상 선택된 전극이 면접촉하고 상기 스페이서 코어에 의해 상기 제1전극 과 상기 제2전극간 일정한 간극이 유지되어 상기 제1전극과 상기 제2전극이 전기적으로 접속되는 특징이 있다. 상기 제1전극과 상기 제2전극이 전기적으로 접속되는 특징이 있다.
상세하게, 상기 이방성 전도성 접착제는 상기 초음파 인가에 의해 상기 폴리머 수지의 소성변형이 야기되고, 상기 소성변형에 의한 폴리머 수지의 자체 발열에 의해 상기 복합금속입자의 상기 접합 쉘이 용융되는 특징이 있다.
상세하게, 상기 복합금속입자의 상기 스페이서 코어는 상기 초음파 인가시 고상을 유지하며, 상기 제1 전자부품 및 상기 제2 전자부품의 접속시 가해지는 압력에 대항하여 상기 제1전극과 상기 제2전극간의 간격을 유지하는 특징이 있다.
상세하게, 상기 복합금속입자의 쉘은 용융에 의해 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 전극물질과 합금화되는 특징이 있으며, 보다 상세하게, 용융된 접합 쉘과 상기 제1전극 및 제2전극에서 하나 이상 선택된 전극간의 계면에서 합금화가 수행된다.
특징적으로 상기 스페이서 코어와 상기 접합 쉘은 하기의 식 1을 만족한다.
(식 1)
0.1 Rcore ≤ Lshell ≤ 2 Rcore
(상기 Rcore는 스페이서 코어의 반경이며, 상기 Lshell은 접합 쉘의 두께이다.)
특징적으로 상기 복합금속입자의 상기 스페이서 코어와 상기 접합 쉘은 하기의 식 2를 만족한다.
(식 2)
Tm shell ≤ 0.9 Tm core
(상기 Tm shell은 접합 쉘의 녹는점(℃)이며, 상기 Tm core는 스페이서 코어의 녹는점(℃)이다.)
바람직하게, 상기 식 2를 만족하는 상기 복합금속입자의 상기 스페이서 코어와 상기 접합 쉘은 하기의 식 3 및 식 4를 만족한다.
(식 3)
120℃ ≤ Tm shell ≤ 300℃
(상기 Tm shell는 접합 쉘의 녹는점(℃)이다.)
(식 4)
200℃ ≤ Tm core ≤ 5000℃
(상기 Tm core는 스페이서 코어의 녹는점(℃)이다.)
상기 절연성 폴리머 수지는 열경화성 폴리머 수지 또는 열가소성 폴리머 수지이며, 상기 초음파 인가에 의해 상기 열경화성 폴리머 수지의 경화 또는 열가소성 수지의 용융; 및 상기 쉘의 용융;이 발생하는 특징이 있으며, 이방성 전도성 접착제에 초음파를 인가하는 단일 공정에서 본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제내 폴리머 수지가 경화 또는 용융되며 접합 쉘이 용융된다.
바람직하게, 상기 이방성 전도성 접착제는 5 내지 30 중량%의 복합금속입자를 함유하며, 상기 복합금속입자의 평균 입경은 3 내지 100 um 인 것이 바람직하다.
특징적으로, 상기 접합 쉘은 솔더물질로, Pb 계, Sn, Sn/Bi 계, Sn/Zn 계, Sn/Ag 계, Sn/Ag/Cu 계, 또는 이들의 합금 혼합물이다.
바람직하게, 상기 접합 쉘은 무연 솔더(lead free solder)이며, 유럽의 유해물질 사용제한 지침 RoHS-6을 만족하는 무연 솔더이다.
보다 바람직하게, 상기 접합 쉘은 상기 접합 쉘은 Sn, Sn/Bi 계, Sn/Zn 계, Sn/Ag 계, Sn/Ag/Cu 계, 또는 이들의 합금 혼합물이다.
특징적으로, 상기 스페이서 코어는 전도성 또는 비전도성 입자이며, 상세하게, 상기 스페이서 코어는 에폭시, 폴리이미드, 실리콘, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리스티렌, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 산화물 및 다이아몬드에서 하나 이상 선택된 비전도성 입자; 또는 은, 금, 구리, 니켈, 탄소, 금속이 코팅(coating)된 폴리머 및 고유 전도성 고분자(intrinsically conductive polymer)에서 하나 이상 선택된 전도성 입자인 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제.
본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제는 이방성 전도성 페이스트(ACP; Anisotropic Conductive Paste) 또는 이방성 전도성 필름(ACF; Anisotropic Conductive Film)이며, 특징적으로 이방성 전도성 필름이다.
본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제는 초음파의 인가에 따른 폴리머 수지의 자체 발열에 의해, 상기 접착 쉘의 용융 및 폴리머 수지의 경화 또는 용융이 발생하므로, 본 발명의 이방성 전도성 접착제는 산화로부터 자유로운 특징이 있으며, 이에 따라, 본 발명의 이방성 전도성 접착제는 환원제를 함유하지 않는 특징이 있다.
이하, 본 발명에 따른 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자부품간 접속방법에 대해 상술한다.
본 발명에 따른 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자부품간 접속 방법은 a) 동종 또는 이종의 전자부품과의 전기적 접속을 위한 접속부 전극이 형성된 제1 전자부품의 접속부 전극 상부로 본 발명에 따른 초음파용 이방성 전도성 접착제를 형성하는 단계; b) 상기 이방성 전도성 접착제를 사이에 두고 상기 제1 전자부품의 접속부 전극의 상측에 제2 전자부품의 접속부 전극을 정렬 및 적층하여 제1 전자부품, 이방성 전도성 접착제 및 제2 전자부품의 적층체를 형성하고, 상기 적층체에 초음파 진동 및 압력을 인가하여 상기 이방성 전도성 접착제에 함유된 절연성의 열경화성 또는 열가소성 폴리머 수지의 소성변형을 야기하고, 상기 소성변형에 의한 상기 폴리머 수지의 자체 발열에 의해 상기 이방성 전도성 접착제에 함유된 상기 폴리머 수지를 경화 또는 용융하고 복합금속입자의 접합 쉘을 용융하여, 상기 제1 전자부품의 접속부 전극과 제2 전자부품의 접속부 전극을 상호 접속하는 단계;를 포함하여 수행되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 전자부품간 접속 방법은 상기 b) 단계의 상기 초음파 인가에 의해 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제의 열경화성 폴리머 수지가 경화되거나 열가소성 폴리머 수지가 용융;되고 접합 쉘이 용융된다.
이때, 상기 압력의 크기, 상기 초음파의 주파수, 상기 초음파의 진폭, 상기 초음파의 파워, 상기 초음파의 인가시간, 또는 이들의 조합을 이용하여 상기 폴리머 수지의 자체 발열 정도에 의한 상기 이방성 전도성 접착제의 온도가 제어되는 특징이 있다.
상기 b)단계의 상기 초음파 및 압력의 인가에 의해 상기 이방성 전도성 접착제의 온도가 120 내지 300℃인 특징이 있다.
본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제 및 본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자부품간의 접속 방법은 초음파에 의해 발생하는 내부 발열에 의해 이방성 전도성 접착제 내 코어-쉘 구조인 복합금속입자의 쉘이 부분적으로 용융되어 접속 대상인 두 전극이 점 접촉이 아닌 면 접촉으로 연결됨에 따라 접촉 저항이 현저하게 감소되는 효과가 있으며, 내부 발열정도(즉, 이방성 전도성 접착제의 온도)를 매우 정밀하고 빠르게 제어할 수 있고, 이방성 전도성 접착제의 두께 및 면적과 무관하게 균일한 온도가 유지되며, 이방성 전도성 접착제 내 금속 물질들이 산화로부터 자유로우며, 이방성 전도성 접착제의 내부 발열을 이용하므로 접속 대상인 전자부품들의 열변형이 방지되는 효과가 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 이방성전도성 접착제 및 전자 부품간 접속 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제(400)는 절연성 폴리머 수지(430), 코어의 녹는점(melting point)이 쉘의 녹는점보다 높은 코어 쉘 구조의 복합금속입자(410)를 함유하며, 이방성 전도성 접착제(400)에 초음파가 인가되어 이에 의해 상기 폴리머 수지(430)의 경화 또는 용융이 이루어지는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제인 특징이 있다.
상기 절연성 폴리머 수지는 열 경화성 폴리머 수지 또는 열 가소성 폴리머 수지이며, 바람직하게는 열 경화성 폴리머 수지이다. 이하, 열 경화성 폴리머 수지를 기반으로 하기의 도 2 내지 도 3을 참고하여 본 발명을 상술한다. 하기의 설명에서 폴리머 수지가 열 경화성 폴리머 수지가 아닌 열 가소성 폴리머 수지인 경우, 초음파 인가에 의한 경화가 아닌 초음파 인가에 의한 열 가소성 폴리머 수지의 용융이 발생하는 것을 제외하고 본 발명의 핵심 사상의 유지됨은 자명하다.
상세하게, 상기 복합금속입자(410)는 상기 이방성 전도성 접착제(400)에 인가되는 초음파에 의해 발생하는 열에 의해 용융되는 전도성 접합 쉘(shell)(411)과 상기 접합 쉘(411)보다 높은 녹는점(melting point)을 가져 초음파의 인가시에도 고상을 유지하는 스페이서(spacer) 코어(core)(412)로 이루어진 특징이 있다.
상기 초음파의 인가는 상기 이방성 전도성 접착제(400)에 초음파 진동이 인가됨을 의미하며, 상기 초음파 진동은 소정의 압력을 동반한 진동을 포함한다.
이방성 전도성 접착제(400)에 인가되는 초음파는 이방성 전도성 접착제(400)에 함유된 폴리머 수지(430)의 소성변형을 유도하며, 이러한 소성변형에 의해 폴리머 수지(430)는 자체적으로 발열하게 된다.
상기 초음파 인가에 따른 폴리머 수지(430)의 자체 발열에 의해 이방성 전도성 접착제(400)의 온도가 폴리머(430)의 경화 온도 이상으로 승온된다.
본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제(400)는 상술한 초음파 진동에 의해 접착제(400)의 경화가 수행되며, 초음파 진동에 의해 발생하는 열에 의해 상기 복합금속입자(410)가 부분적으로 용융되는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제(400)인 특징이 있다.
도 2에 도시한 바와 같이 상기 복합금속입자(410)는 상기 초음파의 인가 시 발생하는 열에 의해 용융되는 전도성 접합 쉘(411)과 상기 초음파가 인가되어도 고상을 유지하는 스페이서 코어(412)로 구성된다.
본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제(400)를 이용하여 전자부품을 접속시키는 경우, 접속대상 전자부품의 두 접속부 전극(110, 310) 사이에 존재하게 되는 상기 복합금속입자(410)는 초음파 인가에 의해 이방성 전도성 접착제(400)에서 발생하는 열에 의해 부분적으로 용융(411')되어 상기 접속부 전극(110, 310)과 면으로 접하며 융착한다.
이에 따라 상기 접속부 전극(110, 310)과 복합금속입자(410)는 매우 낮은 접촉 저항을 가지며, 안정적으로 대량의 전류가 흐를 수 있게 되며, 물리적으로도 견고하게 결합되게 된다. 뿐만 아니라, 상기 용융된 접합 쉘(411)은 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 전극물질과의 계면에서 합금화되어 보다 낮은 접촉 저항과 보다 높은 계면 결합력을 가진다.
상기 복합금속입자(410)의 스페이서 코어(412)는 초음파 인가 시에도 고상을 유지하는 특징이 있으며, 이에 따라, 상기 초음파 인가시의 외부 압력에 대항한다.
상기 복합금속입자(410)의 스페이서 코어(412)는 접속대상 전자부품의 두 접속부 전극(110, 310)이 물리적으로 서로 맞닿는 것을 방지하며, 즉, 선택적 위치에서 통전이 발생하도록 하며, 복합금속입자(410)의 접합 쉘(411)은 상기 접속부 전극(110, 310)과 면으로 접하며 융착하여 접촉 저항을 감소시키게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제(400)는 초음파 인가에 의해 폴리머 수지가 경화(430')되며, 복합금속입자(410)가 부분적으로 용융(411')된다.
상기 폴리머 수지는 100 내지 300℃의 온도에서 경화되는 수지이며, 바람직 하게, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 아크릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리술폰 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 이들의 혼합물이다.
상기 이방성 전도성 접착제(400)의 자체 발열 시, 안정적으로 상기 접합 쉘(411)이 용융되고 상기 스페이서 코어(412)가 고상을 유지하기 위해, 상기 접합 쉘(411)은 상기 스페이서 코어(412)의 녹는점(Tm core, ℃)을 기준으로 0.9 x Tm core 이하의 녹는점을 갖는 특징이 있으며, 이때, 상기 이방성 전도성 접착제(400)의 자체 발열에 의해 폴리머 수지(430)가 경화되며 복합금속입자(410)가 부분적으로 용융될 수 있도록, 상기 접합 쉘(411)의 녹는점(Tm shell, ℃)은 120 내지 300℃이며, 상기 스페이서 코어(412)의 녹는점(Tm core, ℃)은 200 내지 5000℃이다.
접속부 전극(110, 310)과 복합금속입자(410)의 효과적인 융착 및 선택적 통전의 측면에서, 상기 접합 쉘(411)의 두께(Lshell)는 상기 스페이서 코어(412)의 반경(Rcore)을 기준으로 0.1 Rcore 내지 2 Rcore인 것이 바람직하다. 상기 복합금속입자(410)의 평균 입경은 3 내지 100 um인 것이 바람직하다. 상기 이방성 전도성 접착제(400)는 5 내지 30 중량%의 복합금속입자(410)를 함유하는 것이 바람직하다.
특징적으로, 상기 접합 쉘(411)은 무연(lead free) 솔더(solder)층이며, 상세하게, 상기 접합 쉘(411)은 Sn, Sn/Bi계, Sn/Zn계, Sn/Ag계, Sn/Ag/Cu계, 또는 이들의 혼합물이다.
상기 스페이서 코어(412)는 전도성 입자 또는 비전도성 입자이며, 바람직하게, 전도성 입자이다. 상기 스페이서 코어(412)가 비전도성인 경우, 에폭시, 폴리이미드, 실리콘, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리술폰 및 폴리스티렌을 포함하는 폴리머 입자와 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 산화물 및 다이아몬드를 포함하는 세라믹 입자에서 하나 이상 선택된 비전도성 입자인 것이 바람직하며, 상기 스페이서 코어(412)가 전도성인 경우, 은, 금, 구리, 니켈, 탄소, 금속이 코팅(coating)된 폴리머 및 고유 전도성 고분자(intrinsically conductive polymer)에서 하나 이상 선택된 전도성 입자인 것이 바람직하다.
특징적으로 본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제(400)는 초음파 인가에 의해 매우 빠르고 균일하게 폴리머 수지의 경화가 이루어져, 산화로부터 자유로운 특징이 있으며, 이에 따라, 환원제를 함유하지 않는 특징이 있다.
상술한 본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제(400)는 필름 또는 페이스트형일 수 있으며, 바람직하게 이방성 전도성 필름이다.
도 3은 본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제(400)를 이용한 전자 부품간의 접속 방법을 도시한 일 공정도이다. 도 3을 기반으로 본 발명에 따른 전자 부품간의 접속 방법을 상술함에 있어, 본 발명에 따른 이방성 전도성 접착제(400)의 핵심 사상이 유지되는 바, 이에 대한 기재는 생략한다.
접속 대상인 제1 전자부품(100)의 접속부 전극인 제1전극(110) 면에 이방성 전도성 접착제(400)를 형성한다.
상기 이방성 전도성 접착제(400)가 필름형인 경우, 상기 이방성 전도성 필름 을 상기 제1전극(100) 면에 필름을 부착하고, 상기 이방성 전도성 접착제(400)가 페이스트형인 경우, 상기 제1전극(100) 면에 스크린 프린팅(screen printing), 스핀코팅 (Spin coating) 또는 블레이드 코팅(Blade coating)을 이용하여 도포한다.
이후, 다른 접속 대상인 제2 전자부품(300)의 접속부 전극인 제2전극(310)과 상기 제1전극(100)이 서로 대향되도록 제2 전자부품(300)을 정렬하여 적층한 후, 상기 제1 전자부품(100), 이방성 전도성 접착제(400) 및 제2 전자부품(300)의 적층체에 초음파를 인가한다.
이때, 상기 적층체는 물리적 지지를 위한 지지대(1000) 상부에 위치할 수 있으며, 이방성 전도성 접착제(400)에서 발생하는 열의 손실을 최소화하기 위해 열전도율이 낮은 단열진동전달매개체(2000)를 통해 상기 적층체에 압력을 동반한 초음파 진동이 인가된다.
상기 초음파 인가에 의해 이방성 전도성 접착제(400)에 함유된 폴리머 수지(430)가 소성변형되며 열을 발생하게 되고, 이러한 자체 발열에 의해 폴리머 수지(430)가 경화되며 접속 입자(410)가 용융되어 상기 제1전극(110)과 제2전극(310)이 전기적으로 접속되게 된다.
외부 열원에 의한 열 전달이 아닌 소정의 압력을 동반한 초음파 진동을 이용하여 폴리머 수지(430)를 자체 발열시키는 본 발명의 특징에 따라, 접속 대상인 전자부품의 면적, 이방성 전도성 접착제의 두께와 무관하게 균일하게 온도가 유지되어 열의 불균일한 전도에 의한 폴리머 수지의 열화가 방지되며, 폴리머 수지에서만 발열이 발생하므로 열팽창 차이에 따른 열응력을 최소화 할 수 있다.
또한, 외부 열원의 열전달 보다 폴리머 수지의 경화가 매우 빠르게 이루어지며, 이방성 전도성 접착제(400)의 온도를 매우 빠르고 정밀하게 제어할 수 있다.
폴리머 수지(430)의 자체 발열 정도는 초음파 진동에 의해 상기 폴리머 수지(430)로 인가되는 압력의 크기, 상기 초음파의 주파수, 상기 초음파의 진폭, 상기 초음파의 파워, 상기 초음파의 인가시간, 또는 이들의 조합에 의해 제어되며, 이를 통해 이방성 전도성 접착제(400)의 온도를 정밀하고 빠르게 제어할 수 있다.
폴리머 수지(430)를 경화시키고 접속 입자(410)를 용융시키기 위해, 상기 초음파의 인가에 의한 상기 이방성 전도성 접착제(400)의 온도는 120 내지 300℃인 특징이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래의 이방성 전도성 접착제를 이용한 두 전자 부품간의 접속 방법을 도시한 공정도이며,
도 2는 본 발명에 따른 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자 부품간 접속 방법을 도시한 공정도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100, 300 : 전자 부품 110, 310 : 전극
400 : 이방성 전도성 접착제 410 : 복합금속입자
411 : 접합 쉘 412 : 스페이서 코어
430 : 절연성 폴리머 수지

Claims (10)

  1. 제1 전자부품의 접속부 전극인 제1전극과 제2 전자부품의 접속부 전극인 제2전극을 전기적으로 접속시키는 이방성 전도성 접착제(ACA; Anisotropic Conductive Adhesives)에 있어서,
    상기 이방성 전도성 접착제는 절연성 폴리머 수지; 및 상기 이방성 전도성 접착제에 인가되는 초음파에 의해 발생하는 열에 의해 용융되는 전도성 접합 쉘(shell)과 상기 접합 쉘보다 높은 녹는점(melting point)을 갖는 스페이서(spacer) 코어(core)로 이루어진 코어-쉘 구조의 복합금속입자;를 함유하며,
    상기 초음파에 의해 상기 복합금속입자의 상기 접합 쉘이 용융되어 상기 복합금속입자와 상기 제1전극 및 상기 제2전극에서 하나 이상 선택된 전극이 면접촉하며 상기 스페이서 코어에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극간 일정한 간극이 유지되어 상기 제1전극과 상기 제2전극이 전기적으로 접속되는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이방성 전도성 접착제는 상기 초음파 인가에 의해 상기 폴리머 수지의 소성변형이 야기되고, 상기 소성변형에 의한 폴리머 수지의 자체 발열에 의해 상기 복합금속입자의 상기 접합 쉘이 용융되는 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 복합금속입자의 상기 스페이서 코어는 상기 초음파 인가시 고상을 유지하는 전도성 또는 비전도성 입자이며, 상기 제1 전자부품 및 상기 제2 전자부품의 접속시 가해지는 압력에 대항하여 상기 제1전극과 상기 제2전극간의 간격을 유지하며, 상기 복합금속입자의 쉘은 용융에 의해 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 전극물질과 합금화되는 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 스페이서 코어와 상기 접합 쉘은 하기의 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제.
    (식 1)
    0.1 Rcore ≤ Lshell ≤ 2 Rcore
    (상기 Rcore는 스페이서 코어의 반경이며, 상기 Lshell은 접합 쉘의 두께이다.)
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 절연성 폴리머 수지는 열경화성 폴리머 수지 또는 열가소성 폴리머 수지이며, 상기 초음파 인가에 의해 상기 열경화성 폴리머 수지의 경화 또는 열가소성 수지의 용융; 및 상기 쉘의 용융;이 발생하는 것을 특징으로 하는 초음파 접합 용 이방성 전도성 접착제.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 이방성 전도성 접착제는 5 내지 30 중량%의 복합금속입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 접합 쉘은 Pb 계, Sn, Sn/Bi 계, Sn/Zn 계, Sn/Ag 계, Sn/Ag/Cu 계, 또는 이들 합금 혼합물인 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 스페이서 코어는 에폭시, 폴리이미드, 실리콘, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리술폰 및 폴리스티렌을 포함하는 폴리머 입자와 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 산화물 및 다이아몬드를 포함하는 세라믹 입자에서 하나 이상 선택된 비전도성 입자; 또는 은, 금, 구리, 니켈, 탄소, 금속이 코팅(coating)된 폴리머 및 고유 전도성 고분자(intrinsically conductive polymer)에서 하나 이상 선택된 전도성 입자인 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제.
  9. 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자부품간 접속방법으로,
    a) 동종 또는 이종의 전자부품과의 전기적 접속을 위한 접속부 전극이 형성된 제1 전자부품의 접속부 전극 상부로 제 1항 내지 제 8항에서 선택된 어느 한 항의 이방성 전도성 접착제를 형성하는 단계;
    b) 상기 이방성 전도성 접착제를 사이에 두고 상기 제1 전자부품의 접속부 전극의 상측에 제2 전자부품의 접속부 전극을 정렬 및 적층하여 제1 전자부품, 이방성 전도성 접착제 및 제2 전자부품의 적층체를 형성하고, 상기 적층체에 초음파 진동 및 압력을 인가하여 상기 이방성 전도성 접착제에 함유된 절연성의 열경화성 또는 열가소성 폴리머 수지의 소성변형을 야기하고, 상기 소성변형에 의한 상기 폴리머 수지의 자체 발열에 의해 상기 이방성 전도성 접착제에 함유된 상기 폴리머 수지를 경화 또는 용융하고 복합금속입자의 접합 쉘을 용융하여, 상기 제1 전자부품의 접속부 전극과 제2 전자부품의 접속부 전극을 상호 접속하는 단계;
    를 포함하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자부품간 접속 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 초음파 진동의 초음파 주파수, 상기 초음파 진동의 초음파 진폭, 상기 초음파 진동의 초음파 파워, 상기 초음파 진동의 초음파 인가시간, 상기 압력의 크기, 또는 이들의 조합을 이용하여 상기 폴리머 수지의 자체 발열에 의한 상기 이방성 전도성 접착제의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 접합용 이방성 전도성 접착제를 이용한 전자부품간 접속 방법.
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