KR20230056826A - 도전입자의 유동성을 제어한 이방도전성 접착필름 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이방도전성 접착필름은, 고분자의 높은 모듈러스(Modulus)를 통해 도전입자들을 강한 힘으로 고정시켜 압착 공정에서 도전입자의 이동을 최소화한다. 특히, 도전입자가 포함된 비유동성 전도층은 고분자 수지의 모듈러스 힘으로 도전입자를 고정시시키기 위하여 반경화 공정을 통해 형성되며, 이에 의해 압착 공정에서 압력에 의해 레진플로우 발생시 도전입자들의 움직임을 최소화되도록 한다. 또한, 반경화된 고분자 필름층의 상부 및 하부에 접착층을 형성하여, 반경화 필름에 의해 하락되는 물성, 예컨대 접착력, 신뢰성, 접속저항 등을 향상시켜 이방도전성 접착필름의 물성을 최적화한다.

Description

도전입자의 유동성을 제어한 이방도전성 접착필름{Anisotropic conductive adhesive film with controlled fluidity of conductive particles}

본 발명은 이방도전성 접착제를 이용한 회로접속기술에 대한 것으로서, 더 자세하게는 서로 대향하는 두 개의 회로부재를 상호 접속함에 있어서, 두께방향으로 대향하는 두 개의 전극을 전기적으로 도통시키면서 동시에 면방향으로는 이웃하는 전극들 사이에 절연성을 유지할 수 있는 회로접속용 이방도전성 접착제에 관한 것이다.

전자장치의 소형화 및 박형화에 수반되어, 회로부재가 고밀도화 및 고정밀화되고 있다. 이에 따라 미세회로의 접속을 위해서는 종래의 용접 또는 납땜 등의 방식으로는 대응이 곤란하게 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 이방도전성 접착제가 개발되었는데(일본 공개특허공보 소화51-21192호), 이방도전성 접착제(Anisotropic Conductive Adhesives)는, 경화수지를 포함하는 접착성분에 도전입자를 배합시키되 그 함량을 조절함으로써, 두께 방향으로는 서로 대향하는 두 전극을 전기적으로 도통시키고, 동시에 면방향으로는 이웃하는 전극간에 절연성을 유지할 수 있는 회로접속부재를 말한다. 이러한 이방도전성 접착제는 디스플레이 소자, 반도체 소자 등의 제조시 여러 회로부재들을 전기적으로 접속 및 접착시킬 목적으로 널리 사용되고 있다.

근래에 들어 전자회로의 집적도가 증가하면서 전극간 피치(Pitch)가 점점 미세화되고 있으며, 그에 따라 회로전극의 크기(면적)도 점차 소형화되고 있다. 더구나, 최근에는 신체에 부착하여 사용할 수 있는 다양한 웨어러블 디바이스(Wearable Device)의 개발 및 상용화가 더욱 가속화되고 있다. 따라서, 전극간 피치가 미세한 전자회로 및/또는 유연성이 있는 회로기판에 적용되는 경우에도, 회로부재들 사이의 전기적 접속 신뢰성이 유지될 수 있는 이방도전성 접착제가 절실히 요구되고 있다.

특히, 디스플레이 장치의 고해상도 및 소형화에 따라, COG(Chip on glass), COP(Chip on plastic) 접속구조에 적용되는 이방도전성 접착필름에서는, 도전입자의 밀도가 높기 때문에 도전입자가 서로 연결되는 현상을 억제하는 것이 신호의 안정성을 위해 매우 중요하다. 또한, 도전입자의 밀도가 높은 이방도전성 접착필름에서는, 압착시 레진의 흐름성에 의해 도전입자가 뭉치는 현상이 발생되면 이방도전성 접착필름의 성능에 치명적이다.

본 발명은 이방도전성 접착필름에 관한 것으로서, 더 자세하게는 극미세피치용 이방도전성 접착필름에 관한 것으로서, 도전입자가 포함된 고분자 필름층을 반경화를 통해 높은 레진의 모듈러스 힘으로 고정시켜, 압력에 의한 레진플로우 발생시 도전입자들이 강한 고정력으로 고정되게 하여 압착 공정에서 도전입자의 이동을 최소화할 수 있는 이방도전성 접착필름을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 이방도전성 접착필름은, 도전입자가 분산된 열경화성 수지 조성물을 반경화시켜 시차주사열량분석법을 통해 측정한 하기 식 1에 따른 경화율이 40% 이상 및 60% 이하가 되도록 한 비유동성 전도층; 열경화성 수지 조성물로 형성되고 도전입자를 포함하지 않는 접착성 비전도층;을 포함하고, 상기 전도층 및 상기 비전도층이 합지되어 형성된 것을 특징으로 한다.

[식 1] 경화율(%)=[1-(초기 열량값)/(반경화후의 열량값)]×100

여기서, 상기 전도층의 모듈러스는 10,000 ~ 50,000 Pa.s인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도층의 모듈러스는 상기 비전도층의 모듈러스보다 2배 이상인 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 비전도층의 모듈러스는 1,000 ~ 5,000 Pa.s의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 비전도층은 제1 비전도층 및 제2 비전도층을 포함하고, 상기 전도층은 상기 제1 및 제2 비전도층 사이에 개재되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도층 및 상기 비전도층의 상기 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 전도층의 두께는 상기 도전입자의 평균입자크기에 대하여 2㎛를 초과하지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 이방도전성 접착필름을 이용하여 회로부재를 접속시킬 대, 압착 공정에서 발생되는 도전입자의 이동을 최소화하여, 전극 간에 개재되는 도전입자의 포착수를 증가시키고, 또한 유실된 도전입자들의 응집을 최소화하여 전기소자의 접속 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 이방도전성 접착필름의 단면을 도시한 이미지이다.
도 2는, 본 발명에 따른 이방도전성 접착필름의 전도층에 대한 시차주사열량분석결과로서, 반경화 공정 전과 후의 열용량 그래프를 나타낸다.
도 3은, 전도층의 경화율에 따른 이방도전성 접착필름의 포착률 및 접속저항의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 4 내지 도 6은, 전도층 및 비전도층에 대하여 온도에 따른 점도변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 고분자의 높은 모듈러스(Modulus)를 통해 도전입자들을 강한 힘으로 고정시켜 압착 공정에서 도전입자의 이동을 최소화한다. 특히, 도전입자가 포함된 비유동성 전도층은 고분자 수지의 모듈러스 힘으로 도전입자를 고정시시키기 위하여 반경화 공정을 통해 형성되며, 이에 의해 압착 공정에서 압력에 의해 레진플로우 발생시 도전입자들의 움직임을 최소화되도록 한다. 또한, 반경화된 고분자 필름층의 상부 및 하부에 접착층을 형성하여, 반경화 필름에 의해 하락되는 물성, 예컨대 접착력, 신뢰성, 접속저항 등을 향상시켜 이방도전성 접착필름의 물성을 최적화한다.

본 발명에 따른 이방도전성 접착필름은, 도전입자가 분산된 전도층 및 도전입자가 포함되지 않는 접착성 비전도층을 합지하여 제조될 수 있다. 여기서, 전도층 및 비전도층은 열경화성 수지 조성물로 형성되는데, 전도층은 도전입자를 함유하고, 비전도층은 도전입자가 함유되지 않는다.

전도층 및 비전도층에 각각 사용되는 열경화성 수지 조성물은, 경화수지, 경화제를 포함할 수 있다.

여기서, 경화수지로는 에폭시 수지, 아크릴계 수지 등을 이용할 수 있으며 특별히 한정되지 않다. 예컨대, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 또는 변성 에폭시 수지 등의 에폭시 수지를 이용할 수 있고, 또한 아크릴계 수지로는, 예컨대 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 이소프로필아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, 에폭시아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트 등의 아크릴 수지를 이용할 수 있다.

또한, 경화제로는, 예컨대 유기과산화물과 같은 라디칼계 경화제, 잠재성 경화제로서 술포늄염, 오늄염 등을 경화수지의 종류에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

아울러, 열경화성 수지 조성물은 필름형성용 수지로서 페녹시 수지 등을 더 포함할 수 있고, 필요에 따라 회로부재와의 접착성을 향상시키기 위해 커플링제를 더 포함할 수 있다. 커플링제는 특별히 제한되지 않고, 예컨대 에폭시계 실란커플링제, 아크릴계 실란커플링제 등을 이방도전성 접착필름의 접속성 및 절연성을 향상시키기 위해 사용할 수 있다.

그리고, 전도층에 함유되는 도전입자는, 회로부재들이 접착되어 이루어진 접합체에서 서로 대향하는 전극 사이를 전기적으로 접속시키기 위해 사용되며, 도전입자로는 특별히 제한되지 않으나, 극미세피치를 가진 회로부재의 접속을 위해서, 1㎛ ~ 10㎛인 것이 바람직하다. 도전입자로는 전도성 금속 입자 또는 수지 입자 표면에 금속을 코팅한 입자 등을 사용할 수 있다.

이하에서 설명할 실시예에서는, 열경화성 수지 조성물로서 에폭시 레진 45~55wt.%와, 개시제로서 4-Hydoroxyphenylmethyl-1-naphthylmethyl sulfonium 5~10wt.%와, 필름형성용 수지로서 페녹시 수지 10~15wt.%를 사용하였고, 도전입자로는 니켈 볼 5~10wt.%를 사용하였다.

본 발명에 따른 이방도전성 접착필름은, 전도층 및 비전도층으로 구성되는데, 여기서 전도층은 열경화성 수지 조성물에 도전입자를 분산시킨 후 반경화시켜 형성한다. 반경화된 전도층은 본딩공정 시 도전입자를 감싸는 폴리머층에 흐름성이 발생되어 회로부재의 전극에 전기적으로 접속된다. 도 1은 본 발명에 따른 이방도전성 접착필름의 단면을 도시한다. 여기서, 전도층의 두께는 도전입자의 평균입자크기 보다 2㎛를 초과하지 않도록 형성되는 것이 바람직한데, 이는 전도층의 두께가 도전입자의 평균입자크기에 비해 2㎛를 초과할 경우 도전입자의 표면을 감싸는 반경화 상태의 레진이 본딩공정에서 도전입자의 표면에 잔류할 수 있고, 또한 전도층의 두께가 커서 도전입자에 인가되는 압력하중이 감소하기 때문이다.

전도층(110)은 경화수지로서 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 열경화성 수지 조성물에 도전입자(130)를 분산시킨 후, 건조 온도 조건을 50~100℃로 하고, 코팅 속도를 1~5m/min 정도로 조절하여, 에폭시 수지의 열에 의한 반응시간을 최적화함으로써, 반경화 공정을 진행하였다. 그리고, 비전도층(120)은 전도층과 동일한 경화수지 및 경화제를 포함하는 열경화성 수지 조성물을 이용하여 형성되며, 반경화 공정을 완료한 전도층에 합지되어 이방도전성 접착필름으로 제조된다.

전도층의 반경화 공정은 열경화성 수지 조성물을 베이스 필름 상에 도포한 후 건조 구간에서의 건조온도조건 및 코팅속도를 조절하여 경화수지의 열에 의한 반응시간을 제어한다. 그에 따라, 전도층의 반경화 상태는 경화율을 측정함으로써 확인할 수 있다. 전도층(110)의 경화율을 계산하기 위하여, DSC(Differential Scanning Calorimetry) 시차주사열량분석법을 통해 반경화 전 및 후의 열용량을 측정하였다. 도 2는 분당 10℃의 승온조건으로 반경화 공정 전(비유동층 초기 열량값)과 후(비유동층 건조 후 열량값)에 측정한 열용량 그래프를 나타낸다. 이렇게 측정한 열용량 분석결과를 기초로, 아래 [식 1]에 따른 경화율을 산출하였다.

[식 1] 경화율(%)=[1-(초기 열량값)/(반경화후의 열량값)]×100

경화율이 30~70%인 각 샘플(전도층 필름 샘플)에 따라 비전도층을 동일한 조건으로 합지하여 최종 이방도전성 접착필름을 제조한 후, 각 제조된 이방도전성 접착필름의 물성을 평가하기 위하여 범프면적 1500㎛², 피치 20㎛의 회로부재를 포함하는 칩에 본딩공정을 진행하여, 각 샘플별로 포착률 및 접속저항을 측정하였다. 측정 결과는 아래 표 1과 같다.

구분	샘플 1	샘플 2	샘플 3	샘플 4	샘플 5
경화율	30%	40%	50%	60%	70%
포착률(%)	31.5%	49.3%	61.2%	68.5%	80.1%
접속저항(Ω)	0.95	0.54	0.43	0.46	1.35

표 1에서 보듯이, 경화율 40% 미만(샘플 1)에서는 도전입자의 포착수 감소로 인해 접속저항이 커지는 문제가 발생되며, 60%를 초과(샘플 5)의 경우에는 압착 부족으로 인해 접속저항이 커지게 됨을 알 수 있다. 도 3은 본 실시예에서 확인한 전도층의 경화율에 대한 포착률 및 접속저항의 상관관계를 도시하였다.

도 4 내지 6은 레오미터(Rheometer machine)를 이용하여 25~200℃의 온도범위에서 전도층(Conductive layer)의 경화율이 40%(도 4), 50%(도 5) 및 60%(도 6)인 경우에 전도층(Conductive layer)와 비전도층(Non-conductive layer) 각각에 대한 점도(단위 Pa·s)를 측정한 결과를 나타내었다(측정조건 Ramp rate: 10℃/min, 각주파수: 1.0rad/s). 이방도전성 접착필름이 본딩될 때의 각층의 유동성을 확인하였다. 도 4 내지 6에서 보듯이, 반경화된 전도층(110)의 경화율에 따라 모듈러스(최저용융점도)가 증가하게 되는데, 경화율을 40~60%로 제어하면 전도층의 모듈러스를 10,000 ~ 50,000Pa·s로 조절할 수 있다(도 4에서 경화율이 40%인 전도층의 모듈러스는 29,800Pa·s, 도 5에서 경화율이 50%인 전도층의 모듈러스는 40,100Pa·s, 도 6에서 경화율이 60%인 전도층의 모듈러스는 49,905Pa·s임을 확인할 수 있다). 이 경우, 본딩 공정에서 발생되는 레진플로우 현상으로 인해 전극간 접촉에 관여하지 못하고 유실되는 도전입자의 수를 최소화할 수 있고, 그에 따라 안정적인 접속저항을 얻을 수 있다. 전도층의 모듈러스가 10,000 Pa·s 미만이면 본압착시 레진의 흐름성이 높아 전극 사이에 존재하는 도전입자의 유실이 다량으로 발생된다. 또한, 전도층의 모듈러스가 50,000Pa·s를 초과하면 레진의 경도(Hardness)가 커져서 본압착시 압착효과가 현저히 감소하게 되어 접속저항이 크게 상승하는 문제가 발생한다. 또한, 전도층의 모듈러스는 비전도층의 모듈러스보다 2배 이상인 것이 바람직하다. 비전도층 대비 전도층의 모듈러스가 2배 이상일 때 압착 공정에서 비전도층의 레진플로우에 의한 도전입자의 유실을 최소화할 수 있다. 또한, 비전도층의 모듈러스(최저용융점도)는 1,000 ~ 5,000 Pa·s의 범위 내인 것이 바람직하다(본 실시예에서 비전도층의 모듈러스는 2,178Pa·s로 확인되었다. 도 4 내지 6 참조). 비전도층의 모듈러스가 1,000Pa·s 미만이면 높은 유동성으로 인해 압착 공정 중 기포가 발생할 수 있고, 5,000Pa·s 초과이면 낮은 유동성으로 인해 접속 구조물에 대한 충진성이 감소하게 된다.

이방도전성 접착필름의 접착특성과 신뢰성 측면에서, 접착특성을 구현하는 상부 및 하부에 배치되는 비전도층(120)은 전도층(110)과 동일한 열경화성 수지를 사용함으로써 층간 정합성을 향상시켜 신뢰성을 높일 수 있다.

전도층의 높은 점도로 회로전극 사이에 개재되는 도전입자의 유실을 최소화할 수 있다. 종래의 이방도전성 접착필름의 경우 입자 포착률이 약 30%인데 반하여, 본 발명에 따른 이방도전성 접착필름은 40% ~ 60% 수준으로 포착률이 크게 향상될 수 있다. 이렇게 향상된 포착률을 가진 이방도전성 접착필름을 이용하면, 미세피치 접속에서 도전입자의 유동과 그에 다른 응집으로 인해 발생되는 전기적 단락 현상을 근본적으로 해결할 수 있다. 따라서, 입자 포착수가 증가한 만큼 종래의 이방도전성 접착필름에 비해 고가의 도전입자의 함량을 크게 절감하여도 미세피치에서 동등한 수준의 포착수를 구현할 수 있으므로, 이방도전성 접착필름의 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.

특히, COG 및 COP용 이방도전성 접착필름의 경우 미세피치를 요구하므로 평면접속 단면적이 좁게 설계되어 범프와 패널 사이에서 전도에 참여하는 도전입자의 수가 작아지게 된다. 이 때문에 종래의 COG 및 COP용 이방도전성 접착필름의 경우 도전입자의 밀도가 수만 pcs/mm²에 달할 정도로 고밀도로 도전입자가 함유된다. 본 발명에 따른 이방도전성 접착필름을 COG 및 COP 접속구조에 사용하는 경우, 도전입자의 함량을 대폭 절감하더라도 도전입자의 유동이 획기적으로 제어될 수 있으므로 작은 도전밀도에서도 안정적인 도전입자의 포착수를 확보할 수 있다.

또한, COG의 경우 칩구조를 가진 상부기판에 단단한(rigid) 하부기판이 적용되는 기재물성을 가지며, COP의 경우 칩구조를 가진 상부기판에 필름 구조의 하부기판이 적용되는 기재물성을 가진다. 본 발명의 경우, 2개의 비전도층에 전도층이 개재된 다층구조로 설계되어 전도층의 상부 및 하부에 배치되는 비전도층에 각기 다른 물성의 비전도층을 적용할 수 있으므로, 각기 다른 구조의 기판에 대해서도 최적화된 이방도전성 접착필름을 제공할 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

1. 시차주사열량분석법을 통해 측정한 하기 식 1에 따른 경화율이 40% 이상 및 60% 이하가 되도록 도전입자가 분산된 열경화성 수지 조성물을 반경화시켜 형성된 비유동성 전도층; 및
   열경화성 수지 조성물로 형성되고 도전입자를 포함하지 않는 접착성 비전도층;을 포함하고,
   상기 전도층 및 상기 비전도층이 합지되어 형성된, 이방도전성 접착필름.
   [식 1] 경화율(%)=[1-(초기 열량값)/(반경화후의 열량값)]×100
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도층의 모듈러스는 10,000 ~ 50,000 Pa.s인 것을 특징으로 하는 이방도전성 접착필름.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도층의 모듈러스는 상기 비전도층의 모듈러스보다 2배 이상인 것을 특징으로 하는 이방도전성 접착필름.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 비전도층의 모듈러스는 1,000 ~ 5,000 Pa.s의 범위 내인 것을 특징으로 하는 이방도전성 접착필름.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 비전도층은 제1 비전도층 및 제2 비전도층을 포함하고, 상기 전도층은 상기 제1 및 제2 비전도층 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 이방도전성 접착필름.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도층 및 상기 비전도층의 상기 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이방도전성 접착필름.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도층의 두께는 상기 도전입자의 평균입자크기에 대하여 2㎛를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 이방도전성 접착필름.

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