KR20010095134A - 이방성 도전접착재료 및 접속방법 - Google Patents

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Abstract

(과제) 돌기형상전극을 구비한 베어 IC 칩 등의 전자소자와 배선기판의 접속패드를 이방성 도전접속할 때, 돌기형상전극으로 니켈범프 등의 비교적 단단한 범프를 사용한 경우라도, 금범프나 땜납범프를 사용한 종래의 이방성 도전접속과 다름 없는 접속신뢰성을 확보할 수 있는 이방성 도전접착재료를 제공한다.
(해결수단) 도전성입자를 열경화성수지로 분산시켜 이루어지는 이방성 도전접착재료에 있어서, 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 과, 해당 이방성 도전접착재료로 접속해야하는 전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 이 이하의 관계식 0.02 ≤E/E' ≤0.5 을 만족하도록 한다.

Description

이방성 도전접착재료 및 접속방법{ANISOTROPICALLY ELECTROCONDUCTIVE ADHESIVE MATERIAL AND CONNECTING METHOD}
본 발명은 이방성 도전접착재료 및 접속방법에 관한 것이다.
최근, 돌기형상전극으로 금범프 또는 땜납범프를 구비한 베어 IC 칩을 IC 탑재용 기판의 전극패드에 직접 플립 칩 실장하거나, 칩 사이즈 패키지 (CSP) 의 형태로 가공하여 실장하는 것이 행해지고 있다. 이와 같은 실장의 경우, 베어 IC 칩의 돌기형상전극과 IC 탑재용 기판사이에, 에폭시수지 등의 열경화성수지와 도전성입자가 배합된 필름형상, 페이스트(paste)형상 또는 액상(liquid)의 이방성 도전접착재료를 끼워 넣고, 가열가압하는 것이 행해지고 있다.
그런데, 금범프(gold bump)의 경우, 재료비용이 매우 고가라는 문제가 있다. 또, 땜납범프의 경우, 미세하고 균일한 범프형성을 목적으로 전해도금법에 의해 제조되지만, 레지스트공정이 필요할 뿐만 아니라, 땜납도금을 실시하기 전에 기초금속층 (Ti/Cu) 을 형성하고, 배리어금속 다층도금층 (Cu/Ni/Au) 을 형성하는 등 복잡한 전해도금공정을 필요로 한다는 문제도 있다.
그래서, 재료비용이 낮고, 비교적 단순한 전해도금공정으로 형성가능한 니켈범프를 사용하는 것이 시도되고 있다.
그러나, 니켈범프의 경도가 금범프나 땜납범프와 비교하여 높기 때문에, 이방성 도전접착재료중 도전성입자가 니켈범프에 의해 찌그러져 소성변형되고, 베어 IC 칩의 니켈범프와 IC 탑재용 기판의 전극패드에 대해 안정된 접촉상태를 유지하지 않고, 접속신뢰성이 저하된다는 문제가 있었다.
본 발명은, 이상과 같은 종래기술의 문제를 해결하는 것이며, 돌기형상전극을 구비한 베어 IC 칩 등의 전자소자와 배선기판의 접속패드를 이방성 도전접속할 때, 돌기형상전극으로 니켈범프 등의 비교적 단단한 범프를 사용한 경우라도, 금범프나 땜납범프를 사용한 종래의 이방성 도전접속과 다름 없는 접속신뢰성을 확보할 수 있는 이방성 도전접착재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1a 은 하중과 압축변위의 관계도.
도 1b 는 압축변형과 K 치의 관계도.
본 발명자들은, 이방성 도전접속시의 접속신뢰성이, 이방성 도전접착재료중 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 과 전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 과 밀접하게 관련되어 있고, 또한 (E) 에 대한 (E') 의 비를 특정한 범위로 조정함으로써 접속신뢰성을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 도전성입자를 열경화성수지로 분산(分散)시켜 이루어지는 이방성 도전접착재료에서, 상기 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 과, 해당 이방성 도전접착재료로 접속해야하는 전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 이 이하의 관계식 (1)
0.02 ≤E/E' ≤0.5 (1)
을 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 이방성 도전접착재료를 제공한다.
또, 본 발명은, 전자소자의 돌기형상전극과, 배선기판의 접속패드사이에, 도전성입자를 열경화성수지로 분산시켜 이루어지는 이방성 도전접착재료를 끼워두고, 이들을 가열가압함으로써 전자소자와 배선기판의 도통을 확보하면서 접속하는 접속방법에 있어서, 이방성 도전접착재료로서, 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 과 전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 이 상술한 관계식 (1) 을 만족하고 있는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 접속방법을 제공한다.
(발명의 실시형태)
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 이방성 도전접착재료는, 도전성입자를 열경화성수지로 분산시켜 이루어지는 필름형상, 페이스트형상 또는 액상의 접착재료이지만, 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 과, 해당 이방성 도전접착재료로 접속해야하는 전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 이 이하의 관계식 (1)
0.02 ≤E/E' ≤0.5 (1)
을 만족하는 것이 필요하다. 이것은, E/E' 가 0.02 미만이면, 도전성입자의 복원력이 작기 때문에 충분한 접속신뢰성을 확보할 수 없고, 0.5 를 초과하면 도전입자가 충분히 부서지지 않아, 역시 충분한 접속신뢰성을 확보할 수 없기 때문이다.
여기에서, 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 은, JIS Z2241 에 준하는 시험방법으로 측정할 수 있다. 또, 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 은, Landau-Liefschitz 이론물리학 교재 「탄성이론」(동경도서-Tokyo Library, 1972 년 발행) 42 페이지에 정의되는 K 치에 대응한다. 이 K 치의 의미는 이하와 같다.
반경이 각각, R, R' 의 두개의 탄성구체(彈性球體)를 압축시킨 상태로 접촉시킬 때, h 는 다음 식 (ⅰ) 및 (ⅱ) 에 의해 부여된다.
h = F2/3[D2(1/R+1/R')]1/3(ⅰ)
D = (3/4)[1-σ2)/E+(1-σ'2)/E'] (ⅱ)
여기에서, h 는 R+R' 와 양구의 중심간의 거리 차, F 는 압축력, E, E' 는 두개의 탄성구의 탄성율, σ, σ' 는 탄성구의 푸아송 비 (Poisson Ratio) 를 나타낸다.
한편, 구(球)를 강체의 판에 옮겨, 또한 양측에서 압축할 경우, R' →∞, E≫E' 로 하면, 근사적으로 다음식 (ⅲ) 이 얻어진다.
F = (21/2/3)(S3/2)(E·R1/2)(1-σ2) (ⅲ)
여기에서, S 는 압축변형량을 나타낸다. 여기에서, K 치는 식 (ⅳ) 와 같이 정의하면, K 치는 식 (ⅴ) 으로 나타내어진다.
K = E/(1-σ2) (ⅳ)
K = (3/√2)·F·S-3/2·R-1/2(ⅴ)
이 K 치는 구체의 경도를 보편적이며 정량적으로 나타내는 것이다. 이 K 치 (즉, 10% 압축탄성율 (E)) 를 사용함으로써, 미구체(microsphere) 또는 스페이서 (spacer) (이하, 스페이서 등이라 함) 의 바람직한 경도를 정량적이며 일의적으로 나타내는 것이 가능해진다. K 치의 구체적인 측정방법에 대해서는, 본 명세서의 실시예에서 상세하게 설명한다.
또한, 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 자체의 수치는, 지나치게 작으면 접속신뢰성시험에서 접속불량이 될 가능성이 높고, 지나치게 크면 초기 접속으로 도통을 취할 수 없는 위험성이나, 돌기형상전극 이외에서의 회로부에 손상를 줄 위험성이 있기 때문에, 일반적으로 3 ∼ 30Gpa 로 한다. 또, 전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 자체의 수치는, 지나치게 작으면, 접속시 도전입자가 돌기형상전극으로 미끄러져 들어가 접속불량이 될 위험성이 있고, 지나치게 크면, 접속시 압력이 높은 경우에는 기판측의 회로전극 등을 파괴할 위험성이 있기 때문에, 일반적으로 40 ∼ 200Gpa 로 한다.
본 발명의 이방성 도전접착재료는, 이상과 같은 특징을 갖지만, 다른 구성에 대해서는, 종래의 이방성 도전접착재료와 동일하게 할 수 있다.
예컨대, 열경화성수지로는, 에폭시수지, 우레탄수지, 불포화폴리에스테르수지 등을 들 수 있다. 또, 열경화성수지는, 아크릴산에스테르 잔류물 (acrylicacid ester residues) 메타크릴산에스테르 잔류물 (methaacrylic acid ester residues) 등의 광반응성관능기 (photoreactive functional group) 를 가질 수도 있다. 그 중에서도, 상온에서 고형의 에폭시수지를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상온에서 액상의 에폭시수지를 병용할 수도 있다. 상온에서 고형의 에폭시수지에 대한 액상의 에폭시수지 배합비율은, 필름형상으로 하는 이방성 도전접착재료에 대한 요구성능에 따라 적당하게 결정할 수 있다. 또한, 이상과 같은 고형 또는 액상의 에폭시수지로 이루어진 필름의 가요성(可撓性, flexability)의 정도를 보다 상승시키고, 그로 인해 이방성 도전접착재료의 박리 (peel) 강도 보다 향상시킬 경우에는, 이들 에폭시수지에 첨가하여 추가로 가요성 에폭시수지를 병용하는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 본 발명의 이방성 도전접착재료에 사용되는 가요성 에폭시수지의 함유량은, 지나치게 적은 경우에는 가요성 에폭시수지의 첨가효과를 충분히 얻을 수 없고, 지나치게 많은 경우에는 내열성이 저하되기 때문에, 바람직하게는 5 ∼ 35 중량%, 보다 바람직하게는 5 ∼ 25 중량% 으로 한다.
본 발명에서 사용하는 도전성입자로는, 종래부터 이방성 도전접착재료에서 사용되고 있는 재료중에서 전술한 식 (1) 을 만족하도록 적당히 선택하여 사용할 수 있다. 예컨대, 땜납입자, 니켈입자 등의 금속입자나, 스티렌수지 등의 수지코어표면에 금속도금피막이 형성된 수지코어금속피복입자나, 수지코어의 주위에 실리카 등의 무기분말체를 하이브리디제이션 (hybridization) 에 의해 부착시키고, 또한 금속도금피막으로 피복한 복합입자를 사용할 수 있다.
도전성입자의 평균입자지름은, 접속대상이 되는 전자소자의 범프재료나 범프높이 등에 따라 적당하게 결정할 수 있지만, 베어 IC 칩을 고밀도로 플립 칩 실장하는 경우 등에는 1 ∼ 10㎛ 의 크기로 하는 것이 바람직하다.
도전성미립자의 배합량은, 접속대상이 되는 전자소자의 범프면적이나 배선기판의 접속패드면적 등에 따라 적당하게 결정할 수 있지만, 지나치게 적으면, 상하 전극간에 도전입자가 끼워 넣어지지 않고 도통불량이 되며, 지나치게 많으면, 도전입자의 응집에 의해 인접하는 전극간에서의 단락의 원인이 되기 때문에, 통상, 본 발명의 이방성 도전접착재료의 수지고형분 100 중량 % 에 대해 3 ∼ 30 중량 % 로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 이방성 도전접착재료에는, 필요에 따라, 종래의 이방성 도전접착재료에 배합되어 있는 공지된 첨가제, 예컨대, 이소시아네이트계 가교제 (isocyanate-based crosslinking agents), 에폭실란 (epoxy silane) 화합물 등의 커플링제, 에폭시변성 실리콘수지, 또는 페녹시 (phenoxy) 수지 등 열경화성의 절연성수지를 첨가할 수 있다.
본 발명의 이방성 도전접착재료는, 상술한 열경화성수지와 도전성입자를 필요에 따라 톨루엔 등의 용매중에서 균일하게 혼합함으로써 조제할 수 있다. 액상 또는 페이스트형상 그대로 사용해도 되고, 또는 박막형성하여 열경화성 이방성 도전접착필름으로 사용할 수도 있다.
본 발명의 이방성 도전접착재료는, 전자소자의 돌기형상전극과, 배선기판의 접속패드사이에, 도전성입자를 열경화성수지로 분산시켜 이루어지는 이방성 도전접착재료를 끼워, 이들을 가열가압함으로써 전자소자와 배선기판의 도통을 확보하면서 접속하는 이방성 도전접속방법에 바람직하게 적용할 수 있다.
여기에서, 전자소자는, 돌기형상전극을 갖는 소자가 대상이 된다. 예컨대, 베어 IC 칩, LSI 칩 등을 들 수 있다. 돌기형상전극으로는, 금범프, 땜납범프 등을 예시할 수 있는데, 그 중에서도 경도가 높지만 상대적으로 재료비용이 낮은 니켈범프를 바람직하게 사용할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명을 이하의 실험예에 의해 구체적으로 설명한다.
또한, 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) (즉, K 치) 은, 이하에 설명하는 바와 같이 측정하였다.
(도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) (K 치) 의 측정방법)
평활표면을 갖는 강판상에 도전성입자를 흐트려 분포 (散布) 시키고, 그 중에서 1 개의 도전성입자를 선택한다. 이어서, 분말체 압축시험기 (PCT-200 형, 일본 島律製作所 (Shimazu Co) 제조) 를 사용하여, 다이아몬드로 제조된 직경 50㎛ 의 원주의 평활한 단면으로 도전성입자를 압축한다 (시험하중 = 0.0098N (10grf) ; 압축속도 (일정 부하속도 압축방식, constant load rate compression method) = 2.6 ×10-3N (0.27grf)/초 ; 측정온도 = 20℃). 이 때, 압축하중을 전자기력으로써 전기적으로 검출하고, 압축변위를 작동트랜스 (differential transformer) 에 의한 변위로써 전기적으로 검출하여, 도 1a 에 도시된 압축변위-하중의 관계를 구한다. 이 도면에서 도전입자의 10% 압축변형에서의 하중치와 압축변위를 각각구하고, 이들 값과 식 (ⅴ) 에서 도 1b 에 도시된 바와 같이, 압축변형과 K 치 (10% 압축탄성률 (E)) 를 구한다. 단, 압축변형은 압축변위를 도전성입자의 입자지름으로 나눈 값을 % 로 나타낸 것이다.
실시예 1
에폭시수지 (Epicoat 1009, Yuka Shell Epoxy Co. 제조) 50 중량 % 와 잠재성 경화제 (latent curing agent) (HX3721, Asahi Kasei (KK) 제조) 45 중량 % 를 혼합한 열경화성 절연성 접착제중에, 구(球)형상의 니켈입자에 금도금을 실시한 도전성입자 (日本化學工業 (株) (Nippon Kagaku Kogyo (KK)) 제조, 평균입자지름 6㎛, 10% 압축탄성율 (E) = 41.6 GPa) 5 중량 % 를 균일하게 분산시킨 것을 박막형성함으로써 두께 35㎛ 의 이방성 도전접착필름을 제작하였다.
이 이방성 도전접착필름을 반도체칩 (범프재질 = Ni, 범프높이 = 20㎛, 범프면적 = 10000㎛2, 종탄성율 (E') = 98Gpa, E/E' = 0.42, 외형 6.3㎜) 과 글래스에폭시기판 (배선재질 = Cu, Ni/Au 도금, 배선두께 18㎛) 사이에 끼우고, 180℃, 147N (15kgf), 20sec 의 조건에서 열프레스함으로써 양자를 접속하였다. 얻어진 접속체의 1 단자당 초기 도통저항은 5 ∼ 10mΩ이며, 양호한 접속상태였다. 또, 접속체에 대해 100 시간의 압력쿠커시험 (이하 PCT, Pressure Cooker Test) (121℃, 0.213Mpa (2.1atm), 포화습도환경) 를 실시하였지만, PCT 후의 도통저항치와 초기 도통저항치 사이에 큰 변동는 없었다.
실시예 2
실시예 1 에서 제작한 열경화성 절연성 접착제중에, 구(球)형상의 벤조구아나민 (Benzoguanamine) 수지의 입자에 금도금을 실시한 도전입자 (일본화학공업 (주) 제조, 평균입자지름 5㎛, 10% 압축탄성율 (E) = 4.7GPa, E/E' = 0.048) 5 중량 % 를 균일하게 분산시킨 것을 박막형성함으로써 두께 35㎛ 의 이방성 도전접착필름을 제작하였다. 이 이방성 도전접착필름을 사용하여 실시예 1 과 마찬가지로 반도체칩과 글래스에폭시기판을 접속하여 접속체를 얻었다. 얻어진 접속체의 1 단자당 초기 도통저항은 5 ∼ 10mΩ이며, 양호한 접속상태였다. 또, 접속체에 대해 100 시간의 PCT (121℃, 0.213Mpa (2.1atm), 포화습도환경) 를 실시하였지만, PCT 후의 도통저항치와 초기 도통저항치사이에 큰 변동는 없었다.
실시예 3
실시예 1 에서 제작한 열경화성 절연성 접착제중에, 구(絿)형상의 벤조구아나민수지를 실리카(silica)로 피복하고, 다시 그 외측에 금도금을 실시하여 얻어진 도전성입자 (일본화학공업 (주) 제조, 평균입자지름 7㎛, 10% 압축탄성율 (E) = 21.6 GPa, E/E' = 0.22) 5 중량 % 를 균일하게 분산시킨 것을 박막형성함으로써 두께 35㎛ 의 이방성 도전접착필름을 제작하였다. 이 이방성 도전접착필름을 사용하여 실시예 1 과 마찬가지로 반도체칩과 유리에폭시기판을 접속하여 접속체를 얻었다. 얻어진 접속체의 1 단자당 초기 도통저항은 5 ∼ 10mΩ이며, 양호한 접속상태였다. 또, 접속체에 대해 100 시간의 PCT (121℃, 0.213Mpa (2.1atm), 포화습도환경) 를 실시하였지만, PCT 후의 도통저항치와 초기 도통저항치 사이에 큰 변동는 없었다.
비교예 1
실시예 1 에서 제작한 열경화성 절연성 접착제중에, 구형상의 폴리스티렌수지에 금도금을 실시한 도전성입자 (일본화학공업 (주) 제조, 평균입자지름 5㎛, 10% 압축탄성율 (E) = 1.5GPa, E/E' = 0.015) 5 중량 % 를 균일하게 분산시킨 것을 박막형성함으로써 두께 35㎛ 의 이방성 도전접착필름을 제작하였다. 이 이방성 도전접착필름을 사용하여 실시예 1 과 마찬가지로 반도체칩과 글래스에폭시기판을 접속한 결과, 전극간에 끼워진 도전성입자는 찌그러진 상태 (즉, 도전입자가 파괴된 상태) 로 되었지만, 얻어진 접속체의 1 단자당 초기 도통저항은 5 ∼ 10mΩ이었다. 그러나, 접속체에 대해 100 시간의 PCT (121℃, 0.213Mpa (2.1atm), 포화습도환경) 를 실시한 결과, PCT 후의 도통저항은 초기 도통저항치로부터 크게 상승하고, 접속신뢰성이 크게 저하하였다.
비교예 2
실시예 1 에서 제작한 이방성 도전접착필름을 반도체칩 (범프재질 = Au, 범프높이 = 20㎛, 범프면적 = 10000㎛2, 종탄성율 (E') = 76.4Gpa, E/E' = 0.54, 외형 6.3㎜) 과 글래스에폭시기판 (배선재질 = Cu, Ni/Au 도금, 배선두께 18㎛) 사이에 끼우고, 180℃, 147N (15kgf), 20sec 의 조건하에서 열프레스함으로써 양자를 접속하였다. 얻어진 접속체의 1 단자당 초기 도통저항은 5 ∼ 10mΩ이며, 양호한 접속상태였다. 그러나, 접속체에 대해 100 시간의 PCT (121℃, 0.213Mpa (2.1atm), 포화습도환경) 를 실시한 결과, PCT 후의 도통저항은 초기 도통저항치로부터 크게 상승하고, 접속신뢰성이 크게 저하하였다.
본 발명의 이방성 도전접착재료에 의하면, 돌기형상전극을 구비한 베어 IC 칩 등의 전자소자와 배선기판의 접속패드를 이방성 도전접속할 때, 돌기형상전극으로 니켈범프 등의 비교적 단단한 범프를 사용한 경우라도, 금범프나 땜납범프를 사용한 종래의 이방성 도전접속과 다름 없는 접속신뢰성을 확보할 수 있다.

Claims (4)

  1. 도전성입자를 열경화성수지로 분산시켜 이루어지는 이방성 도전접착재료에 있어서,
    상기 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 과, 상기 이방성 도전접착재료로 접속해야하는 전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 이 관계식 0.02 ≤E/E' ≤0.5 을 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 이방성 도전접착재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성입자의 평균입자지름이 1 ∼ 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 이방성 도전접착재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자소자의 돌기형상전극이 니켈로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이방성 도전접착재료.
  4. 전자소자의 돌기형상전극과, 배선기판의 접속패드사이에, 도전성입자를 열경화성수지로 분산시켜 이루어진 이방성 도전접착재료를 끼워, 이들을 가열가압함으로써 전자소자와 배선기판의 도통을 확보하면서 접속하는 접속방법에 있어서,
    이방성 도전접착재료로서, 상기 도전성입자의 10% 압축탄성율 (E) 과 상기전자소자의 돌기형상전극의 종탄성율 (E') 이 관계식 0.02 ≤E/E' ≤0.5 을 만족하는 것을 시용하는 것을 특징으로 하는 접속방법.
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