KR20000030037A - 플라스틱 기판의 플립 칩 접속용 이방성 전도성 접착제의 제조방법 - Google Patents

플라스틱 기판의 플립 칩 접속용 이방성 전도성 접착제의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에폭시수지를 주성분으로 하고 전도성 물질, 비전도성 물질, 커플링제 및 경화제를 혼합하여 일정한 열팽창계수를 갖는 플라스틱 기판의 플립칩 접속용 고신뢰성 이방성 전도성 접착제의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 종전의 이방성 전도성 필름이 갖고 있는 전기적 전도성과 솔더 플립칩의 하부충전재료 (underfill)의 기계적 신뢰성 향상기능을 동시에 갖는다. 본 발명은 플라스틱으로 된 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB) 위에 이방성 전도성 접착제 (Anisotropic Conductive Adhesive; ACA)를 도포하고 플립 칩을 플라스틱 기판에 접속한 후 열과 압력에 의해 플립 칩과 플라스틱 기판을 접속시킴으로써 간단한 접속공정과 높은 생산성, 저렴한 가격을 구현할 수 있는 새로운 ACA를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

플라스틱 기판의 플립 칩 접속용 이방성 전도성 접착제의 제조방법 {Manufacturing Method for Anisotropic Conductive Adhesive for Flip Chip Interconnection on an Organic Substrate}
본 발명은 에폭시수지를 주성분으로 하고 전도성 물질, 비전도성 물질, 커플링제 및 경화제를 혼합하여 일정한 열팽창계수를 갖는 플라스틱 기판의 플립칩 접속용 고신뢰성 이방성 전도성 접착제(Anisotropic Conductive Adhesive, 이하 ACA라 한다.)의 제조방법에 관한 것이다. 최근 급속히 발전하고 있는 반도체기술은 백만 개 이상의 셀(cell) 집적, 비메모리 소자의 경우 많은 입출력(Input/Output; I/O) 핀 개수, 큰 다이 크기, 많은 열 방출, 고전기적 성능 등의 경향으로 발전하고 있다. 그러나 반도체 기술의 급속한 발전에도 불구하고 전자 패키지 기술은 이를 뒷받침하지 못하고 있는 것이 실정이다. 전자 패키지기술은 최종전자 제품의 성능, 크기, 가격, 신뢰성 등을 결정하는 중요한 기술중의 한 분야로서 특히 고전기적 성능, 극소형/고밀도, 저 전력, 다기능, 초고속 신호 처리, 영구적 신뢰성을 추구하고 있으며, 최근의 전자제품에 있어 극소형 패키지 부품은 컴퓨터, 정보통신, 이동통신, 고급 가전제품 등의 필수 부품으로서 플립칩(Flip Chip) 기술은 스마트 카드(smart cards), 액정표시장치(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 등의 디스플레이(Display) 패키징, 컴퓨터, 휴대용 전화기, 통신시스템(Communication system) 등에 폭 넓게 활용되고 있다.
이러한 플립칩 기술은 기존의 솔더(Solder)를 이용한 접속 공정에서 저가, 극미세 전극 피치 가능, 무용제(fluxless) 공정의 환경 친화적인 공정, 저온 공정 등의 장점을 가지는 전도성 접착제를 이용한 접속으로 대체해 가고 있다.
전도성 접착제의 종류는 이방성 전도성 필름/접착제(Anisotropic Conductive Flim/Adhesive)와 등방성 전도성 접착제(Isotropic Conductive Adhesive) 등의 제품이 있으며 기본적으로 니켈(Ni), 금/폴리머(Au/polymer), 은(Ag) 등의 도전성 입자들과 열경화성, 열가소성의 절연수지(insulating resin)로 구성되어 있다. 보다 신뢰성 있고 낮은 저항값, 높은 접착력을 가지는 전도성 접착제를 이용하여 상호접속(interconnection)을 확보하기 위해서는 도전 입자의 크기와 분포, 함량, 변형량의 최적치 등을 알아야 하고, 보다 낮은 온도에서 빠른 시간 내에 경화 가능한 접착제 수지의 개발과 접착제 제조공정 그리고 이러한 접착제를 이용한 저가의 플립 칩 공정 개발을 위해서 이방성 전도성 접착제의 개발이 필요하다.
이방성 전도성 접착제는 필름 형태와 페이스트(paste) 형태가 있는데, 본 발명에서는 플라스틱 기판과 칩의 플립 칩 접속공정을 위한 접착제의 제조공정의 간편성을 위해 페이스트 형태의 접착제를 개발하는데 주안점을 두고있다.
현재까지 뚜렷하게 전도성 접착제를 이용한 플립 칩 기술이 표준화되어 있지 않기 때문에 전도성 접착제 개발의 선두 주자인 히타치나 소니사의 일본회사, 다국가간 연구 콘소시움을 통해 체계적으로 연구해 나가고 있는 유럽의 대학, 각국의 관련 회사 연구소들은 자사제품의 표준화를 통한 세계시장 선점을 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 특히 전자 패키징 기술은 전자제품의 제조에서 가장 중요한 부분 중의 하나이며, 사용재료의 선택 및 공정, 재료 개발이 중요해지고 있는 상황에서 환경 친화적인 제품의 경향에 발맞추어 기존의 솔더 접속을 대체할 전기 도전과 신뢰성을 확보한 접속재료의 사용이 필요하게 되어 더욱 새로운 전도성 접착제의 사용이 주목을 받고 있다.
본 발명과 관련된 종래기술로는 (1)No-flow underfill technology, (2)Conventional ACA 등이 있으나 (1)은 이미 솔더가 형성되어 있는 칩을 기판에 접속시킬 때 하부충전재가 형성되는 기술로서 도전성 입자를 함유하고 있지 않고, (2)는 ACA 내에 도전입자만 있어서 보통 열팽창계수가 커서 고신뢰성을 갖지 못하는 측면에서 본 발명과 다른 기술이다.
본 발명은 에폭시수지를 주성분으로 하고 전도성 물질, 비전도성 물질, 커플링제 및 경화제를 혼합하여 일정한 열팽창계수를 갖는 플라스틱 기판의 플립칩 접속용 고신뢰성 이방성 전도성 접착제의 제조하여 종래 이방성 전도성 필름이 갖고 있는 전기적 도전성과 솔더 플립 칩의 하부충전재료의 기계적 신뢰성 향상기능을 동시에 갖는 새로운 이방성 전도성 접착제를 제공하고자 한다. 즉, 플라스틱으로 된 인쇄회로기판(PCB) 기판 위에 본 발명의 ACA를 도포하고 칩을 정렬한 후 열과 압력에 의해 플립 칩을 접속시켜 간단한 접속공정과 높은 생산성, 저렴한 가격을 구현할 수 있는 ACA 제공을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 이방성 전도성 접착제의 제조공정을 나타낸 공정도.
도 2는 비도전성 입자들의 함량에 따른 이방성 전도성 접착제가 경화된 후 열팽창계수의 거동을 나타낸 그래프.
도 3은 이방성 전도성 접착제를 플라스틱 기판에 분산시키고 범프(bump)가 형성된 칩과 기판을 정렬시킨 후 고온압착시키는 플립 칩 접속 공정도.
도 4는 이방성 전도성 접착제에 의해 기판과 범프가 형성된 칩의 부착 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 전도성 물질 2 : 비 전도성 물질
3 : 기판 4 : 칩
본 발명의 이방성 전도성 접착제는 액상의 에폭시수지를 접착제 주성분으로 하고 전도성 물질(1)과 비전도성 물질(2)을 상온에서 3시간 동안 혼합하고, 커플링제 및 경화제를 첨가하여 1시간 동안 상온에서 믹싱(mixing)하여 제조하며 그 제조공정은 도 1과 같다. 에폭시수지는 비스페놀 에프형(Bisphenol F type)을 사용함으로써 기존의 에폭시수지를 이용한 접착제/필름과는 달리 여러 종류의 에폭시수지를 사용하지 않으며, 점도(viscosity)를 조절하기 위해 솔벤트를 사용하지 않는다. 전도성 물질(1)은 솔더(Solder), 금(Au)이 코팅된 폴리스티렌(Polystyrene) 고분자, 은(Ag) 분말 또는 니켈(Ni) 분말을 직경 5-10㎛로 하여 6-20wt%를 사용하고, 에폭시수지의 기계적 물성을 조절하기 위해 사용하는 비전도성 물질(2)은 알루미나 (Al2O3) 분말, 베릴리아(BeO) 분말, 실리콘 카바이드(SiC) 분말 또는 실리카(SiO2) 분말을 직경 0.1-1㎛로 하여 30-50 wt%를 사용한다. 이때 전도성 물질(1)의 크기는 비전도성 물질(2)의 크기보다 커야 하는데 이는 접착제내의 전도성 입자가 칩(4)의 범프와 기판(3)의 전극사이에 접촉하여 전도성을 부여하기 위해서이다. 한편 비전도성 물질(2)은 접착층의 칩(4)의 범프와 기판(3)의 전극이 접촉한 부위에 열팽창계수와 같은 물성에 영향을 미친다. 그리고 전도성 물질(1)과 비전도성 물질(2)의 혼합물이 액상의 에폭시수지 내에서 균일하게 분산시키고 침전을 방지하기 위해서 에폭시계 커플링제(coupling agent)로 3-글리시딜옥시 프로필 트리메톡시 실란(3-glycidyloxy propyl trimethoxy silane), 2-(3,4-에폭시시클로헥실)-에틸 트리메톡시 실란(2-(3,4-epoxycyclohexyl)-ethyl trimethoxy silane) 또는 3-글리시딜옥시 프로필 메틸 디에톡시 실란(3-glycidyloxy propyl methyl diethoxy silane)을 3-5 wt% 첨가하고, 에폭시수지의 열적 경화를 위해 일본 Asia Ciba사에서 상품으로 시판중인 HX3941 HP 또는 HX3748 HP인 이미다졸계의 경화제를 에폭시수지 중량당 30-50wt% 첨가하여 제조한다.
이하 본 발명을 다음의 실시예와 시험예, 적용예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 제한되는 것은 아니다.
＜ 실시예 1 ＞
본 발명의 이방성 전도성 접착제의 제조방법은 도 1에 나타낸 공정을 이용하였다. 비스페놀 에프 형의 액상 에폭시수지를 주성분으로 사용하고, 전도성 물질(1)은 기계적 강도와 전기적 전도도 및 자기장에 의한 정렬 가능성이 우수한 니켈 분말을 직경 5㎛로 하여 6wt% 사용하고, 비전도성 물질(2)은 직경 1㎛ 실리카(SiO2) 분말을 10wt% 사용하여 상온에서 3시간 동안 혼합하였다. 그런 다음 커플링제로 3-글리시딜옥시 프로필 트리메톡시 실란 3wt% 첨가하고, 에폭시수지의 열적 경화를 위해서 이미다졸(imidazole)계의 일종이며 시중에 상품명 HX3941 HP(일본 Asia Ciba사)으로 시판되는 경화제를 에폭시수지 중량당 50wt% 비율로 첨가하여 1시간 동안 상온에서 기계적인 믹싱을 통하여 제조한다. 믹싱 과정중 접착제 안에 기포가 많이 발생하는데 이를 제거하기 위하여 진공으로 흡입시켰다.
< 실시예 2 >
전도성 물질(1)로 직경 5㎛ 니켈 분말 10wt%와 비전도성 물질(2)로 직경 1㎛ 실리카(SiO2) 분말을 50wt% 혼합하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 하여 이방성 전도성 접착제를 제조하였다.
< 실시예 3 >
전도성 물질(1)로 직경 5㎛ 니켈 분말 15wt%와 비전도성 물질(2)로 직경 1㎛ 실리카(SiO2) 분말을 45wt% 혼합하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 하여 이방성 전도성 접착제를 제조하였다.
< 실시예 4 >
전도성 물질(1)로 직경 5㎛ 니켈 분말 20wt%와 비전도성 물질(2)로 직경 1㎛ 실리카(SiO2) 분말을 40wt% 혼합하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 하여 이방성 전도성 접착제를 제조하였다.
< 시험예 >
비전도성 물질(2)의 혼합량에 따른 경화 후의 접착제 열팽창계수의 변화를 알아보기 위하여 전도성 물질(1)로 니켈 분말의 함량을 10wt%로 고정하고 비전도성 물질(2)로 실리카(SiO2) 분말의 함량을 0-60wt%로 변화시키고 그 외 물질 및 사용량은 상기 실시예 1과 같은 방법에 의해 이방성 전도성 접착제를 제조 및 경화시켰다. 그런 다음 TMA(Thermo Mechanical Analysis)로 상온에서 250℃까지 분당 5℃의 속도로 승온하면서 초기시편의 길이 변화를 측정하는 방법에 의해 접착제의 열팽창계수를 측정하였으며 그 결과를 도 2에 나타내었다. 실리카의 함량이 10wt% 첨가되면서 낮은 열팽창계수를 나타내기 시작해서 실리카의 함량이 50-60wt% 일 때 가장 낮은 열팽창계수를 나타내었다. 즉, 전도성 물질(1)인 니켈 분말의 함량을 10wt% 사용할 때, 비전도성 물질(2)인 실리카 분말의 함량 50wt%이 최적특성을 나타낸다.
＜ 적용예 ＞ 플립 칩 공정
상기 실시예 2에서 제조한 이방성 전도성 접착제(ACA)를 이용하여 도 3의 순서에 따라 범프된 칩(Bumped chip)(4)을 플라스틱 기판(3) 위에 접속하였다. 먼저 접착제가 플라스틱 기판(3)위에서 잘 분산되도록 플라스틱 기판의 온도를 80℃로 유지한 후 이방성 전도성 접착제를 플라스틱 기판(3) 위에 분산시키고 칩(4)의 범프와 기판(3) 위의 전극끼리 정렬시킨 후 플립 칩 본더를 사용하여 150℃에서 열압착시켜 5분 이내에 접착제를 경화시켜 칩(4)의 범프와 기판(3)의 전극을 접속하였다. 이때 접착제는 플라스틱 기판(3) 위에 분배(dispensing)시 스크린 프린팅이 가능한 점도인 200,000 ~ 400,000 센티포이즈(CP)를 유지하기 위해서 에폭시수지의 솔벤트를 제거하여 도포 작업성을 높였다.
본 발명의 이방성 전도성 접착제는 기존의 이방성 전도성 필름(ACF)과 비슷한 전기적 성능을 가지며 하부충전재료를 사용한 플립 칩의 기계적 성질, 빠른 경화성, 도포와 스크린 특성, 전도성 입자와 비전도성 입자를 포함하는 이방성 전도성 접착제로서 제조공정이 간단하고 저가형 플립칩, 칩크기실장(Chip Size Packaging; CSP) 시장에 적용 가능하다. 또한 관련 부품 실장기술에 응용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 이방성 전도성 접착제에 있어서, 에폭시수지를 접착제 주성분으로 하여 전도성 물질(1)과 비전도성 물질(2)을 상온에서 3시간 동안 혼합하고, 이에 커플링제 및 경화제를 첨가하여 1시간 동안 상온에서 믹싱하여 제조하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기판의 플립칩 접속용 고신뢰성 이방성 전도성 접착제의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 커플링제는 3-글리시딜옥시 프로필 트리메톡시 실란(3-glycidyloxy propyl trimethoxy silane), 2-(3,4-에폭시시클로헥실)-에틸 트리메톡시 실란(2-(3,4-epoxycyclohexyl)-ethyl trimethoxy silane) 또는 3-글리시딜옥시 프로필 메틸 디에톡시 실란(3-glycidyloxy propyl methyl diethoxy silane)을 3-5 wt% 사용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기판의 플립 칩 접속용 이방성 전도성 접착제의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 경화제는 이미다졸계 HX3941 HP 또는 HX3748 HP를 에폭시 중량당 30-50wt% 사용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기판의 플립 칩 접속용 이방성 전도성 접착제의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 전도성 물질은 솔더(Solder), 금(Au)이 코팅된 폴리스티렌 (Polystyrene) 고분자, 은(Ag) 분말 또는 니켈(Ni) 분말을 직경 5-10㎛로 하고 10-20wt% 사용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기판의 플립 칩 접속용 이방성 전도성 접착제의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 비전도성 물질은 알루미나(Al2O3) 분말, 베릴리아(BeO) 분말, 실리콘 카바이드(SiC) 분말 또는 실리카(SiO2) 분말을 직경 0.5-1㎛로 하고 40-50wt% 사용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기판의 플립 칩 접속용 이방성 전도성 접착제의 제조방법.
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