KR102520768B1 - 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법 - Google Patents

이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 회로장치의 초음파 접합방법은 제1 기판 및 제2 기판의 전극부가 서로 대향하도록 배치하되, 상기 전극부 사이에 이방성 도전 필름(ACF)이 배치된 적층체를 마련하는 단계; 및 상기 적층체에 초음파를 인가하여, 상기 제1 기판 및 제2 기판을 전기적으로 접합하는 단계;를 포함하며, 상기 이방성 도전 필름은 수지 매트릭스 및 상기 수지 매트릭스에 분산된 솔더(solder)를 포함하고, 상기 초음파 접합은, 상기 적층체를 가압하면서 초음파를 인가하여 1차 승온하여 상기 수지 매트릭스를 용융하는 단계; 상기 초음파의 진폭을 조절하여 2차 승온하여 상기 솔더를 용융하는 단계; 상기 초음파의 진폭을 조절하여 상기 솔더를 냉각하는 단계; 및 상기 초음파 인가를 해제하되, 상기 적층체의 가압력을 증가하여 상기 솔더를 경화하여 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부 사이에 접합부를 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법 {METHOD FOR ULTRASONIC BONDING FOR CIRCUIT DEVICE USING ANISOTROPIC CONDUCTIVE FILM}
본 발명은 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법에 관한 것이다.
최근, 산업 발전에 따라 전자기기의 고성능화, 초소형화, 저전력화 및 스마트화가 요구되고 있다. 이에 따라 반도체 제조 기술은 다양한 형태로 발전하고 있으나, 상대적으로 반도체를 완벽하게 패키징 하는 기술은 뒷받침 되지 못하고 있다.
반도체의 다기능화, 고집적화 및 고속화 등을 추진하는 과정에서 반도체 칩 사이즈가 더욱 축소되고 있으며, 이로 인해 반도체 회로의 전극 사이의 패턴 폭(pitch)가 점점 미세화 되고 있다. 반도체 후공정인 패키징 공정에서 이러한 미세 패턴 폭을 갖는 전극 사이의 간격에 의해 발생되는 전기접속 불량 및 이에 따른 신뢰성 저하가 문제되고 있는데, 이를 해결하기 위해 도전성 입자가 분산된 수지 매트릭스를 포함하는 이방성 도전 필름을 이용하여 인쇄회로기판의 접속 단자를 접합하는 기술이 알려져 있다. 이방성 도전 필름을 이용하여 인쇄회로기판을 접합시, 미세 패턴 폭화된 좌우 전극 간의 전기적 단락(short)을 방지하기 위해 솔더(solder)가 사용된다.
그러나 이방성 도전 필름을 용융하여 인쇄회로기판을 접합시, 솔더(solder)의 주 성분인 주석(Sn)이 전극과 확산 반응을 통해 급속히 금속간 화합물 형태로 소모되어 접합부(solder joint)의 솔더의 크랙(crack) 발생 등의 결함이 발생하거나, 취성이 크게 증가하여 접속 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 발생하고 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 일본 등록특허공보 제3114162호(2000.12.04. 공고, 발명의 명칭: 전기적 접속 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 접합부의 전기적 성능 및 접속 신뢰성이 우수한 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전극 접합부의 솔더 취성 증가 및 결함을 방지할 수 있는 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 미세 패턴 폭을 갖는 전극 패턴에 적용 가능한 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작업성 및 생산성이 우수한 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법은 제1 기판 및 제2 기판의 전극부가 서로 대향하도록 배치하되, 상기 전극부 사이에 이방성 도전 필름(ACF)이 배치된 적층체를 마련하는 단계; 및 상기 적층체에 초음파를 인가하여, 상기 제1 기판 및 제2 기판을 전기적으로 접합하는 단계;를 포함하며, 상기 이방성 도전 필름은 수지 매트릭스 및 상기 수지 매트릭스에 분산된 솔더(solder)를 포함하고, 상기 초음파 접합은, 상기 적층체를 가압하면서 초음파를 인가하여 1차 승온하여 상기 수지 매트릭스를 용융하는 단계; 상기 초음파의 진폭을 조절하여 2차 승온하여 상기 솔더를 용융하는 단계; 상기 초음파의 진폭을 조절하여 상기 솔더를 냉각하는 단계; 및 상기 초음파 인가를 해제하되, 상기 적층체의 가압력을 증가하여 상기 솔더를 경화하여 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부 사이에 접합부를 형성하는 단계;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 제1 기판 및 제2 기판은 각각 연질 인쇄회로기판 또는 경질 인쇄회로기판일 수 있다.
한 구체예에서 상기 적층체는 상기 제1 기판 또는 제2 기판 표면에 형성되는 인터포저(interposer)를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 수지 매트릭스는 (메트)아크릴계 수지 및 에폭시계 수지 중 하나 이상 포함하고, 상기 솔더는 주석(Sn);과, 은(Ag), 구리(Cu) 및 비스무트(Bi) 중 하나 이상;을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 솔더는 평균 크기가 5~45㎛ 이며, 주석(Sn) 35~50 중량% 및 비스무트(Bi) 50~65 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 솔더는 평균 크기가 5~45㎛ 이며, 주석(Sn) 80~98 중량%, 은(Ag) 0.5~10 중량% 및 구리(Cu) 0.1~5 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부는 각각 높이 13~105㎛ 및 패턴 폭 100~550㎛인 전극 패턴을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 접합부는 두께가 1~10㎛ 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 1차 승온은 상기 이방성 도전 필름을 90~110℃까지 승온하며, 상기 2차 승온은 상기 이방성 도전 필름을 130~195℃까지 승온할 수 있다.
한 구체예에서 상기 1차 승온하는 단계는 0.1~5초 동안 실시되고, 상기 2차 승온하는 단계는 0.5~5초 동안 실시되고, 상기 솔더 냉각 단계는 0.1~15초 동안 실시되고, 그리고 상기 솔더 경화 단계는 0.5~5초 동안 실시될 수 있다.
한 구체예에서 상기 솔더를 경화하는 단계는 상기 적층체의 가압력을 상기 적층체의 초기 가압력 대비 5~15% 증가시킬 수 있다.
한 구체예에서 상기 회로장치는 차량 배터리팩용 센싱회로장치일 수 있다.
본 발명에 따른 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법을 적용시 접합부의 전기적 성능 및 접속 신뢰성이 우수하고, 전극 접합부의 솔더 취성 증가 및 솔더 크랙 등의 결함을 방지할 수 있으며, 미세 패턴 폭을 갖는 전극 패턴에 적용 가능하며, 작업성 및 생산성이 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 적층체를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 초음파 접합을 위한 초음파 접합장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 초음파 접합시 이방성 도전 필름의 온도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 4(a)는 본 발명의 이방성 도전 필름의 수지 매트릭스의 시차주사 열량 분석 그래프이며, 도 4(b)는 상기 수지 매트릭스의 온도에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 이방성 도전 필름의 솔더의 상태도 그래프이다.
도 6은 본 발명의 초음파 접합방법에 따라 접합되어 제조된 회로장치를 나타낸 것이다.
도 7(a)는 실시예의 접합부 단면을 나타낸 SEM 사진이며, 도 7(b)는 비교예 접합부 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에서 "(메트)아크릴"은 아크릴 및/또는 메타아크릴을 의미할 수 있다.
이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법
본 발명의 하나의 관점은 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법은 (S10) 적층체 마련 단계; 및 (S20) 초음파 접합단계;를 포함한다.
보다 구체적으로 본 발명의 이방성 도전 필름을 이용한 회로장치의 초음파 접합방법은 (S10) 제1 기판 및 제2 기판의 전극부가 서로 대향하도록 배치하되, 상기 전극부 사이에 이방성 도전 필름(ACF)이 배치된 적층체를 마련하는 단계; 및 (S20) 상기 적층체에 초음파를 인가하여, 상기 제1 기판 및 제2 기판을 전기적으로 접합하는 단계;를 포함한다.
(S10) 적층체 마련단계
상기 단계는 제1 기판 및 제2 기판의 전극부가 서로 대향하도록 배치하되, 상기 전극부 사이에 이방성 도전 필름(ACF)이 배치된 적층체를 마련하는 단계이다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 적층체를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 적층체(1)는 제1 기판(10)의 전극부(12) 및 제2 기판(20)의 전극부(22)가 서로 대향하도록 배치하되, 전극부(12, 22) 사이에 이방성 도전 필름(ACF)(30)이 배치된다.
상기 도 1을 참조하면, 제1 기판(10)의 전극부(12) 및 제2 기판(20)의 전극부(22)는 각각 높이(H1, H2)가 13~105㎛ 이고, 패턴 폭(P1, P2)이 100~550㎛인 전극 패턴을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 제1 기판 및 제2 기판의 전극패턴은 하나의 패턴 중심에서, 바로 이웃한 패턴의 중심까지의 거리(피치)가 각각 100~900㎛일 수 있다.
상기 전극 패턴의 패턴 폭에서, 이방성 도전 필름을 이용한 초음파 접합시 작업 효율성이 우수할 수 있다.
상기 제1 기판 전극부 및 제2 기판의 전극부의 전극 패턴은, 패턴 및 패턴 폭이 각각 동일하거나 상이할 수 있다.
이방성 도전 필름(30)은 수지 매트릭스(32) 및 수지 매트릭스(32)에 분산된 솔더(solder)(34)를 포함한다. 상기 이방성 도전 필름을 적용시, 접합부 품질과 작업성 및 생산성이 우수할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 이방성 도전 필름(30)을 적용하여 초음파 접합시, 제1 기판 및 제2 기판의 전극부(12, 22) 사이에 솔더가 용융되어 형성되는 전기접합부에 의해 전류가 z축으로 흐르며, 상기 솔더와 전극간 접촉이 발생하지 않은 방향(x축, y축)으로는 전류가 흐르지 않는다.
한 구체예에서 상기 제1 기판 및 제2 기판은 각각 연질 인쇄회로기판 또는 경질 인쇄회로기판일 수 있다. 예를 들면 제1 기판은 경질 인쇄회로기판이며, 제2 기판은 연질 인쇄회로기판일 수 있다.
적층체(100)의 높이(두께) 방향으로는 도전성을 가지나, 길이 방향으로 도전성이 없을 수 있다.
한 구체예에서 이방성 도전 필름(30)의 두께는, 접합 대상이 되는 전극 패턴의 형상에 따라 변화할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 기판 전극부 및 제2 기판 전극부 높이의 합(H1+H2)과 동일할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 이방성 도전 필름(30)의 두께는 10~100㎛ 일 수 있다.
한 구체예에서 수지 매트릭스(32)는 (메트)아크릴계 수지 및 에폭시계 수지 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 수지 매트릭스를 포함시 초음파 접합이 용이하며, 솔더 및 전극 패턴의 크랙 등의 결함을 방지하며, 접합부의 전기적 성능과 기계적 물성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 수지 매트릭스는 (메트)아크릴계 수지를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 이방성 도전 필름은 솔더 및 수지 매트릭스를 1:2~1:20 부피비로 포함할 수 있다. 상기 조건으로 포함시 상기 솔더의 분산성이 우수하며 초음파 접합시 작업성이 우수하며, 전극접합부의 기계적 물성과 전기적 특성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 솔더(34)는 구형, 타원형, 실린더형, 다각형 또는 부정형일 수 있다. 예를 들면 구형일 수 있다.
한 구체예에서 상기 솔더는 주석(Sn);과, 은(Ag), 구리(Cu) 및 비스무트(Bi) 중 하나 이상;을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 솔더(34)는 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다. 상기 주석 및 비스무트를 포함시, 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부에 융착되어 전극 접합부가 용이하게 형성되며, 전기적 특성과 기계적 물성이 우수할 수 있다.
다른 구체예에서 상기 솔더는 주석(Sn), 은(Ag) 및 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 상기 주석, 은 및 구리를 포함시, 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부에 융착되어 전극 접합부가 용이하게 형성되며, 전기적 특성과 기계적 물성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 솔더는 평균 크기가 5~45㎛ 일 수 있다. 상기 크기는 상기 솔더의 최대 길이 또는 직경일 수 있다. 상기 조건에서 분산성이 우수하고, 초음파 접합시 작업성이 우수하며, 전극접합부의 기계적 물성과 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 15~25㎛ 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 솔더는 평균 크기가 5~45㎛ 이며, 주석(Sn) 35~50 중량% 및 비스무트(Bi) 50~65 중량%를 포함할 수 있다. 상기 함량의 주석 및 비스무트를 포함시, 초음파 접합을 통해 상기 조성의 솔더가 용이하게 용융되며, 솔더의 크랙 등의 결함을 방지하며, 전극접합부의 기계적 물성과 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 솔더는 주석(Sn) 40~44 중량% 및 비스무트(Bi) 56~60 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 솔더는 평균 크기가 5~45㎛ 이며, 주석(Sn) 80~98 중량%, 은(Ag) 0.5~10 중량% 및 구리(Cu) 0.1~5 중량%를 포함할 수 있다. 상기 함량의 주석, 은 및 구리를 포함시 초음파 접합을 통해 솔더가 용이하게 용융하여, 솔더의 크랙 발생을 방지하고, 전극접합부의 기계적 물성과 전기적 특성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 솔더는 주석(Sn) 94~98 중량%, 은(Ag) 0.5~5 중량% 및 비스무트(Bi) 0.1~2 중량%를 포함할 수 있다.
(S20) 초음파 접합단계
상기 단계는 상기 적층체에 초음파를 인가하여, 상기 제1 기판 및 제2 기판을 전기적으로 접합하는 단계이다.
한 구체예에서 상기 초음파 접합은 초음파 접합장치를 이용하여 실시할 수 있다. 도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 초음파 접합을 위한 초음파 접합장치를 나타낸 것이다.
상기 도 2를 참조하면, 초음파 접합장치(200)는 초음파 진동을 기계적 에너지로 전환시키는 초음파 진동자(120); 초음파 진동자에 전원을 공급하는 전원부(110); 초음파 진동자(120)와 전기적으로 연결되어 상기 초음파 진동자를 제어하는 제어연산부(130); 초음파 진동자(120)와 연결되어 적층체(100)를 가압하면서, 적층체에 대하여 수직 방향으로 진동하면서 초음파를 인가하는 혼(horn, 140); 및 적층체(100)를 고정 지지하는 서포트 블록(150);을 포함할 수 있다. 제어연산부(130)에서는 적층체에 인가되는 압력값, 적층체에 인가되는 초음파 진폭 및 상기 압력과 진폭의 인가 시간 등의 파라미터가 입력되어 상기 초음파 진동자를 제어할 수 있다.
예를 들면, 초음파 진동자(120)에서는 40kHz의 진동 주파수를 발진시키며, 동일 주파수 또는 진폭을 증폭시켜 전기 에너지를 기계적 또는 열 에너지로 전환시킬 수 있다.
한 구체예에서 초음파 진동자(120)와 혼(140) 사이에는 진폭을 증폭시키기 위한 초음파 부스터가 더 구비될 수 있다.
상기 초음파 부스터는 초음파 진동자(120)로부터 발생하는 진폭을 증폭시키며, 혼(140)은 상기 전달된 진폭을 2차적으로 증폭하거나 진폭 에너지를 적층체(100)에 전달할 수 있다.
도 2를 참조하면, 적층체(100)는 상기 제1 기판 또는 제2 기판 표면에 형성되는 인터포저(interposer)(40)를 더 포함할 수 있다. 상기 인터포저(interposer)(40)는 제1 기판과 제2 기판, 그리고 이방성 도전 필름의 평탄도를 보정해 주기 위해 더 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 인터포저는 실리콘 또는 글라스를 포함할 수 있다. 예를 들면 적층체는 제2 기판 상에 인터포저가 형성되며, 상기 인터포저의 표면에 상기 혼으로 가압하면서 초음파를 인가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 초음파 접합시 이방성 도전 필름의 온도 프로파일을 나타낸 그래프이다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 초음파 접합은 (S21) 1차 승온단계; (S22) 2차 승온단계; (S23) 냉각단계; 및 (S24) 경화단계;를 포함한다. 좀 더 구체적으로 상기 초음파 접합은 (S21) 상기 적층체를 가압하면서 초음파를 인가하여 1차 승온하여 상기 수지 매트릭스를 용융하는 단계; (S22) 상기 초음파의 진폭을 조절하여 2차 승온하여 상기 솔더를 용융하는 단계; (S34) 상기 초음파의 진폭을 조절하여 상기 솔더를 냉각하는 단계; 및 (S24) 상기 초음파 인가를 해제하되, 상기 적층체의 가압력을 증가하여 상기 솔더를 경화하여 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부 사이에 접합부를 형성하는 단계;를 포함한다.
이하, 상기 초음파 접합을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S21) 1차 승온단계
상기 단계는 상기 적층체를 가압하면서 초음파를 인가하여 1차 승온하여 상기 수지 매트릭스를 용융하는 단계이다.
한 구체예에서 상기 1차 승온은 상기 이방성 도전 필름을 90~110℃까지 승온하는 것일 수 있다. 상기 온도로 승온시, 상기 이방성 도전 필름의 수지 매트릭스가 용융될 수 있다.
도 4(a)는 본 발명의 이방성 도전 필름의 수지 매트릭스의 시차주사 열량 분석 그래프이며, 도 4(b)는 상기 수지 매트릭스의 온도에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 수지 매트릭스로 (메트)아크릴계 수지를 포함하는 경우, 86.62~91.9℃까지 가열시 점도가 낮아지고 흐름(flow)이 시작되며, 약 91.9℃에서부터 경화가 시작되어 약 134℃부터 완전히 경화되는 것을 알 수 있다. 상기 도 4를 참조하면, (메트)아크릴계 수지의 점도가 가장 낮아져서 유동성이 가장 우수한 온도는 약 91.9℃인 것을 알 수 있다.
상기 도 3을 참조하면, 1차 승온하는 단계(T1)는 0.1~5초 동안 실시될 수 있다. 상기 조건으로 1차 승온시 상기 수지 매트릭스의 용융시 기포 발생을 방지할 수 있다. 예를 들면 1~3초 동안 실시될 수 있다.
(S22) 2차 승온단계
상기 단계는 상기 초음파의 진폭을 조절하여 2차 승온하여 상기 솔더를 용융하는 단계이다.
한 구체예에서 상기 2차 승온은 상기 이방성 도전 필름을 130~195℃까지 승온할 수 있다. 상기 조건으로 2차 승온시 상기 솔더가 용이하게 용융될 수 있다.
도 5는 본 발명의 이방성 도전 필름의 솔더의 상태도 그래프이다. 상기 도 5를 포함하면, 솔더가 주석(Sn) 42 중량% 및 비스무트(Bi) 58 중량%를 포함시 용융점(melting point)이 138℃인 것을 알 수 있다.
한 구체예에서 상기 2차 승온하는 단계(T2)는 0.5~5초 동안 실시될 수 있다. 상기 조건으로 2차 승온시 상기 솔더가 용이하게 용융될 수 있다. 예를 들면 1~3초 동안 실시될 수 있다.
한 구체예에서, 상기 2차 승온 단계 이후, 상기 냉각하는 단계 이전에 상기 2차 승온된 온도를 유지하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 단계는 상기 2차 승온된 온도를 유지하는 단계이다. 상기 온도를 유지시, 상기 용융된 솔더가 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부에 용이하게 부착될 수 있다.
한 구체예에서 상기 2차 승온 온도를 유지하는 단계는 0.1~10초 동안 실시될 수 있다. 상기 조건으로 승온 유지시 상기 솔더가 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부에 용이하게 부착될 수 있다.
(S23) 냉각단계
상기 단계는 상기 초음파의 진폭을 조절하여 상기 솔더를 냉각하는 단계이다. 예를 들면 상기 냉각 단계(T3)는 0.1~15초 동안 실시될 수 있다. 상기 시간 동안 냉각시 솔더의 크랙을 방지하면서, 접합부의 전기적 특성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 0.5~10초 동안 실시될 수 있다.
(S24) 경화단계
상기 단계는 상기 초음파 인가를 해제하되, 상기 적층체의 가압력을 증가하여 상기 솔더를 경화하여 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부 사이에 전극 접합부를 형성하는 단계이다. 상기 초음파 인가의 해제는, 상기 초음파의 진폭을 제거하는 것일 수 있다. 상기와 같이 경화시 상기 솔더의 크랙을 방지하면서, 접합부의 전기적 특성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다.
상기 경화 단계에서 초음파를 인가하면서 상기 적층체의 가압을 중지하는 경우, 초음파의 상하방향 진폭에 의해 상기 제1 기판 및 제2 기판 전극부 사이의 용융된 솔더가 경화되면서 크랙 등의 결함이 발생할 수 있다. 또한, 상기 초음파 인가를 해제 후 상기 적층체의 가압력을 그대로 유지하는 경우에도, 솔더의 크랙이 발생하거나, 접합부의 기계적 강도가 저하될 수 있다.
한 구체예에서 상기 적층체의 초기 가압력은 1.5~2.5MPa일 수 있다. 상기 조건으로 가압시 솔더의 크랙 발생을 방지하면서, 접합부의 전기적 특성과 기계적 강도가 우수할 수 있다.
한 구체예에서, 상기 도전성 입자를 경화하는 단계는 상기 적층체의 가압력을 상기 적층체의 초기 가압력 대비 5~15% 증가시킬 수 있다. 상기 조건으로 증가시 솔더의 크랙을 방지하면서, 접합부의 전기적 특성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 적층체의 초기 가압력 대비 10~15% 증가시킬 수 있다.
상기 경화 단계(T4)는 0.1~3초 동안 실시될 수 있다. 상기 시간동안 경화시 솔더의 크랙을 방지하면서, 접합부의 전기적 특성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 0.5~2초 동안 실시될 수 있다.
한 구체예에서 상기 접합부는 두께가 1~10㎛ 일 수 있다. 상기 두께는, 상기 제1 기판 전극부 및 제2 기판 전극부 사이의 거리일 수 있다. 상기 조건에서 기계적 강도와 전기적 특성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 본 발명의 회로장치는 차량 배터리팩용 센싱회로장치일 수 있다. 예를 들면 친환경자동차 배터리팩용 센싱회로장치일 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배터리팩(300)용 센싱회로장치(100)는 제1 기판(10) 및 제1 기판(10)과 연결된 제2 기판(20)을 포함한다.
한 구체예에서 제1 기판(10)은 적어도 마주하는 한 쌍으로 구비되고, 각각은 복수 개의 터미널(11)을 실장한다. 이때, 제1 기판(10)은 경질로 이루어질 수 있으며, 터미널(11)은 제1 기판(10)에 견고하게 실장될 수 있다.
도 6을 참조하면 센싱회로장치(100)는, 차량용 배터리팩(300)에 접속되는 터미널(11)을 실장하고, 적어도 한 쌍으로 이루어져 대향하게 배치되는 판 형상의 제1 기판(10)과, 이웃한 상기 제1 기판(10)과 전기적으로 연결되고, 배터리팩(300)의 형상에 따라 배선 궤적을 달리할 수 있는 제2 기판(20)을 포함할 수 있다.
제2 기판(20)은 대향하는 제1 기판(10) 각각의 외측면에 접속된다. 제1 기판(10)은 외측 상부에 노출된 경질의 전극부가 형성되며, 제2 기판(20)은 축 방향으로 양쪽 가장자리의 동일한 일측에 노출된 연질의 전극부가 형성된다.
상기 제1 기판의 전극부와 제2 기판의 전극부는, 본 발명에 따른 이방성 도전 필름을 이용한 초음파 접합방법을 이용하여 접합되어 전기적으로 연결될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 및 비교예
실시예
수지 매트릭스((메트)아크릴계 수지 포함) 및 이에 분산된 솔더(평균크기 15~25㎛, 주석 42 중량% 및 비스무트 58 중량% 포함)를 포함하는 이방성 도전 필름(ACF)을 준비하였다. 상기 이방성 도전 필름은 솔더 및 수지매트릭스를 1:2~1:20 부피비로 포함하였다.
하기 도 1과 같이, 경질의 제1 기판 전극부 및 제2 기판의 전극부(각각 높이 13~105㎛ 및 패턴 폭 100~550㎛인 전극패턴 포함)가 서로 대향하도록 배치하되, 상기 전극부 사이에 이방성 도전 필름(ACF)을 배치하고, 제2 기판의 표면에 인터포저를 적층하여 적층체를 마련하였다. 도 2와 같은 초음파 접합장치를 이용하여, 상기 적층체에 초음파를 인가하여, 상기 제1 기판 및 제2 기판을 전기적으로 접합하였다.
구체적으로 상기 초음파 접합은, 초음파 접합장치의 혼으로 상기 적층체를 가압(초기 가압력: 1.5~2.5MPa)하면서 초음파를 인가하여 상기 이방성 도전 필름을 1~3초 동안 110℃까지 1차 승온하여 상기 수지 매트릭스를 용융하였다. 그 다음에 상기 초음파의 진폭을 조절하여 1~3초 동안 이방성 도전 필름을 175~195℃까지 2차 승온하여 상기 솔더를 용융하였다. 그 다음에, 상기 초음파의 진폭을 조절하여 상기 솔더를 0.5~5초 동안 냉각한 다음, 상기 초음파 인가를 해제하되, 상기 적층체의 가압력을 적층체의 초기 가압력 대비 10% 증가하여, 0.5~1.5초 동안 가압하여 상기 솔더를 경화하여 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부 사이에 접합부를 형성하여 회로장치를 제조하였다.
비교예
상기 솔더의 경화시, 상기 적층체의 가압을 해제하고, 적층체에 상기 냉각시와 동일한 진폭의 초음파를 0.5~1.5초 동안 인가한 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 회로장치를 제조하였다.
도 7(a)는 실시예의 접합부 단면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이며, 도 7(b)는 비교예 접합부 단면을 나타낸 SEM 사진이다. 상기 도 7을 참조하면, 본 발명의 초음파 접합방법을 적용시 제1 기판 및 제2 기판의 전극부 사이에 두께 6.9㎛의 접합부가 형성되었으며, 접합부 솔더 성분의 크랙 등 결함이 발생하지 않았다. 반면 비교예의 경우 접합부 솔더 성분의 크랙 발생 등 결함이 발생한 것을 알 수 있었다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 적층체 10: 제1 기판
11: 터미널 12, 22: 전극부
20: 제2 기판 30: 이방성 도전 필름
32: 수지 매트릭스 34: 솔더
40: 인터포저 100: 회로장치
110: 전원부 120: 초음파 진동자
130: 제어연산부 140: 혼
150: 서포트 블록 200: 초음파 접합장치
300: 배터리팩

Claims (12)

  1. 제1 기판 및 제2 기판의 전극부가 서로 대향하도록 배치하되, 상기 전극부 사이에 이방성 도전 필름(ACF)이 배치된 적층체를 마련하는 단계; 및
    상기 적층체에 초음파를 인가하여, 상기 제1 기판 및 제2 기판을 전기적으로 접합하는 단계;를 포함하며,
    상기 이방성 도전 필름은 수지 매트릭스 및 상기 수지 매트릭스에 분산된 솔더(solder)를 포함하고,
    상기 초음파 접합은, 상기 적층체를 가압하면서 초음파를 인가하여 1차 승온하여 상기 수지 매트릭스를 용융하는 단계;
    상기 초음파의 진폭을 조절하여 2차 승온하여 상기 솔더를 용융하는 단계;
    상기 초음파의 진폭을 조절하여 상기 솔더를 냉각하는 단계; 및
    상기 초음파 인가를 해제하되, 상기 적층체의 가압력을 증가하여 상기 솔더를 경화하여 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부 사이에 접합부를 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 초음파는 상기 이방성 도전 필름의 온도가 140℃ 초과까지 초음파를 인가하고, 상기 이방성 도전 필름 온도가 140℃ 이하에서 상기 초음파의 인가를 해제하고, 상기 적층체의 가압력을 증가하여 상기 솔더를 경화하는 것이며,
    상기 솔더를 경화하는 단계는, 상기 적층체의 가압력을 초기 가압력 대비 5~15% 증가하여 가압하는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 각각 연질 인쇄회로기판 또는 경질 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적층체는 상기 제1 기판 또는 제2 기판 표면에 형성되는 인터포저(interposer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수지 매트릭스는 (메트)아크릴계 수지 및 에폭시계 수지 중 하나 이상 포함하고,
    상기 솔더는 주석(Sn);과, 은(Ag), 구리(Cu) 및 비스무트(Bi) 중 하나 이상;을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 솔더는 평균 크기가 5~45㎛ 이며, 주석(Sn) 35~50 중량% 및 비스무트(Bi) 50~65 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 솔더는 평균 크기가 5~45㎛ 이며, 주석(Sn) 80~98 중량%, 은(Ag) 0.5~10 중량% 및 구리(Cu) 0.1~5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판 및 제2 기판의 전극부는 각각 높이 13~105㎛ 및 패턴 폭 100~550㎛인 전극패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 접합부는 두께가 1~10㎛인 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 1차 승온은 상기 이방성 도전 필름을 90~110℃까지 승온하며,
    상기 2차 승온은 상기 이방성 도전 필름을 130~195℃까지 승온하는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 1차 승온하는 단계는 0.1~5초 동안 실시되고,
    상기 2차 승온하는 단계는 0.5~5초 동안 실시되고,
    상기 솔더 냉각 단계는 0.1~15초 동안 실시되고, 그리고
    상기 솔더 경화 단계는 0.5~5초 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 회로장치는 차량 배터리팩용 센싱회로장치인 것을 특징으로 하는 회로장치의 초음파 접합방법.
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