비전도성 접착제와 Sn/Cu 범프를 이용하여 제조한 협피치 COG 접합부의 신뢰성 연구

Abstract

최근 세계시장이 기존의 CRT보다는 TFT-LCD 등의 고부가가치의 차세대 디스플레이로 추세가 변화되고 있는 현실과 맞물려 CRT산업구조도 구조개편이 가속화되었을 뿐 아니라 개념도 과거와는 달리 변화하고 있다. 오늘날의 소비자들은 시각적으로 자연 화상을 재현한 듯한 완전평면의 Flat화, 고정세, 고해상도, 고휘도, 대형화, 멀티미디어, 인간공학적, 경량화, 환경친화형, 슬림화를 원하고 있고 업계에서도 이의 요구를 수용하기 위해 기술개발에 많은 노력을 하고 있다. TFT-LCD는 CRT에 필적하는, 또는 그보다 우수한 화질을 표시할 수 있고, 적은 소비전력과 경량, 박형화등의 특징으로 인하여 여러 평판형 디스플레이 소자 중에서도 가장 관심을 끌고 있다. 그리고 많은 연구개발을 거듭한 결과 휴대 전자장치의 디스플레이로서 시장형성에 성공하여 차세대 평판 디스플레이로서의 기술개발에 대한 연구를 더욱 더 노력하고 있다. 현재 대부분의 TFT-LCD 구동회로 실장기술로는 ACF(Anisotropic conductive film)을 이용한 실장기술이 주로 이용되고 있다. 이 방법은 LCD패널에 전도성 입자가 접착제 내부에 분포된 ACF를 lamination 시킨 후 구동소자를 정렬하고 열과 하중을 가하여 전도입자들이 범프와 전극 사이에 물려 접합되는 방법이다. 즉, ACF를 이용한 접합방법은 필름형태의 에폭시 수지 내부에 존재하는 전도성 입자의 탄성을 이용한다. 높은 열과 하중을 주게 되면 필름형태의 에폭시 수지가 녹게 되고 다시 경화되면서 칩과 기판을 고정시켜 주므로, 전도성 입자는 범프와 패드 사이에 고립되어 전기적으로 연결이 이루어지게 된다. 여기서 높은 하중으로 눌려진 전도성 입자는 탄성에 의한 복원력이 생기게 되므로 범프의 높이 차이가 생기더라도 전도성 입자의 탄성이 작용하기 때문에 범프와 패드간 접합이 이루어지게 된다. 그러나 접합시 높은 압력을 요구하기 때문에 유리 패널상에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 또한 전도성 입자에 의해 범프와 전극패드가 접촉하므로 전기적으로 연결되는 접촉면적이 작아 접속저항이 크며 범프간의 간격이 극 미세피치화 될 수록 범프의 면적이 줄어들게 되어 범프와 전극 사이에 존재하며 전도역할을 하는 전도입자가 범프와 패드계면에 존재하지 않아 발생하는 open현상이 생길 수 있다. 또한 범프와 범프 사이의 간격도 줄어들게 되므로 전도입자가 범프와 범프 사이에 끼어서 이웃 범프가 서로 전기적으로 연결되어 발생하는 short현상도 생길 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 최근에 비전도성 접착제(Non Conductive Adhesive; NCA)를 이용한 실장기술이 제안되었다. NCA를 이용한 접합방법은 전도성 입자 없이 범프 와 패드가 직접 접촉되며 접합도중 열에 의해 큐어링된 NCA가 칩과 기판을 지지해 주는 형태이므로 NCA는 필름 형태로 성형해야 하는 ACF와 달리 페이스트 형태이며 전도입자가 포함되어 있지 않으므로 보다 저가격으로 제조할 수 있으며 전도성 입자에 의해 전기적 연결을 수반하는 ACF 와 달리 NCA를 사용하면 범프의 전면적이 패드와 접촉하므로 접촉면적이 전도성 입자를 사용하는 ACF보다 커서 접속저항이 작다는 이점을 가진다. 또한 극 미세피치에 적용할 경우 전기적 open 현상이나 short가 발생 하지 않는다는 장점을 가진다. 하지만 NCA를 이용한 접합방법의 경우 일반적으로 사용하고 있는 Au 범프의 높이오차를 보정해줄 수 있는 전도입자가 없기 때문에 균일한 높이의 범프 형성이 매우 중요하다. 하지만 전해도금의 특성상 항상 범프의 높이를 같게 형성하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 ACF를 이용한 접합 방법과 NCA를 이용한 접합방법의 문제점을 복합적으로 보완할 수 있는 접근 방법이 필요하였으며 이러한 접근방법 중에 하나로서 NCA를 사용하며 범프의 소성변형을 이용한 접합방법을 이용하고자 하였다. 즉 범프 자체를 소성변형 시켜 범프의 높이오차를 보완하는 방법을 사용하였으며 소성변형이 잘되는 연성 범프를 사용하면 hard한 범프를 사용할 때 보다 높이가 높은 범프는 쉽게 소성변형이 일어나기 때문에 범프의 높이차이가 어느 정도 발생하더라도 소성변형으로 보완하여 전체 범프의 접속이 가능해진다. 하지만 연성 범프만을 사용할 경우 극 미세피치가 될 수록 접합 시 소성변형이 커져 이웃범프와 단락이 발생할 가능성이 있기 때문에 이러한 문제점을 최근 제안된 Cu column 범프를 이용하여 보완하고자 하였다. 즉, 본 연구에서는 극 미세피치 접합을 수행하기 위해서 NCA (non-conductive adhesive)와 작은 접합하중에도 소성변형이 가능한 Sn/Cu 범프를 이용한 COG 접합을 하였다. SiO₂/Si 웨이퍼 위에 스퍼터링 시스템을 이용하여 Ti/Au/Cu/Ti의 금속층을 형성하였으며 접속저항 측정을 위한 배선층과 범프가 형성될 범프 패턴을 노광 공정과 습식 에칭 공정을 이용하여 형성하였다. 전해도금을 이용하여 범프 패턴이 형성된 부분에 30 ㎛의 극 미세피치를 가지며, 약 20 ㎛의 Sn/Cu 범프를 형성하였다. Sn/Cu 범프와 금속 패드를 접합할 때 NCA가 트랩이 되는 현상을 줄이기 위해 전해 도금된 Sn/Cu 범프를 RTA (Rapid temperature annealing)를 이용하여 리플로를 실시하였다. 이때의 peak 온도는 275℃ 였으며 시간을 5초간 실시하였다. 접합공정은110, 150℃에서 경화가 가능하며 NCA 내부에 포함된 filler의 종류가 다른 3가지 종류의 NCA를 사용하여 저온에서 접합을 실시하였고, 하중은 90 MPa이하의 낮은 하중에서 접합을 실시하였다. 접합된 시편의 전기적 특성을 관찰하기 위해 4단자 방식으로 접속저항을 측정한 결과 일반적인 ACF를 사용한 접속저항에 비해 상대적으로 낮은 접속 저항을 얻을 수 있었다. 또한 접합된 시편의 신뢰성을 분석하기 위해 신뢰성 테스트로 high temperature storage test (85℃, 160 hr), thermal cycling test (-40℃/+85℃, 20 cycle), thermal & humidity test (50℃/90%, 160 hr)를 각각 순차적으로 실시하였으며 신뢰성 테스트 동안 NCA-A, NCA-B, NCA-C 를 사용한 모든 시편에서 접속저항이 증가하는 경향을 관찰할 수 있었으며 3 가지 종류의 NCA를 사용한 모든 접합에서 신뢰성 테스트를 마친 후 fail이 발생한 범프는 발생하지 않았다. 하지만 NCA-C의 경우 신뢰성 테스트 동안 접속저항의 증가가 가장 컸으며 이것은 초기 접속저항의 표준편차에 기인하여 증가하였다고 생각한다. 즉, 접합 시 NCA의 트랩 양이 더 많은 경우 초기 접속저항이 높았으며 신뢰성 테스트 이후 저항의 증가가 더 커지는 것으로 판단되었다. 본 연구에서 우리는 NCA와 리플로 Sn/Cu를 사용하여 일반적으로 사용되고 있는 ACF를 사용한 COG 접합방법에 비해 저온공정이 가능하고 낮은 접속저항을 가지는 COG 접합방법을 개발하였으며 신뢰성테스트를 거쳐 접합부의 신뢰성을 확보하였다.; With the continual miniaturization of electronic components and their increasing functionality, the electronics industry has required high speed and excellent performance along with I/O count, and the demand for the various electronic devices has remarkably increased in recent year. Several packages in specialized assembly such as heat and pressure sensitive electronic components need an alternative manufacturing process. The chip on glass (COG) technique using the ACF is widely used for the low temperature packaging applications, especially for LCD driver IC packaging. However, the COG bonding using the ACF has the disadvantages of poor electrical performance and high bonding pressure. Various interconnecting methods are suggested as an alternative technique. The flip chip technology using low temperature curable NCA can be applied to the package of the temperature sensitive devices such as the LCD's panel, and the image sensor module of digital cameras. Also, nonconductive adhesive (NCA) is very suitable for fine pitch interconnection of I/O pad, because it does not contain conductive particles. The electrical interconnection between the bump and pad is enabled by the compressive stress created as the adhesive cures and shrinks. NCA process realizes the direct electrical contact and thereby increases the contact area. We developed a reliable and ultra-fine pitch COG bonding technique using Sn/Cu bumps and NCA. Bumps used in this experiment were Sn/Cu double layer bumps which consisted of Sn half-dome formed on Cu columns. Sn/Cu bumps were formed by electroplating and reflowed to form the half-dome shaped Sn bumps. COG bonding was performed between the reflowed Sn/Cu bumps on the oxidized Si wafer and ITO/Au/Cu/Ti/ glass substrate using a thermo-compression bonder. Three types of NCAs were applied during bonding NCA-C contained silica fillers and NCA-B contained fluoropolymer fillers and NCA-Acontained no fillers. Bonding temperature was 150℃ for NCA-B and NCA-C, while bonding temperature was 110℃ for NCA-A. The electrical properties of COG joints were evaluated by measuring the contact resistance of each joint through four-point probe method. All joints were successfully bonded and the electrical measurements showed that the average contact resistance of each joint was 29.2 mΩ for NCA-A, 30.4 mΩ for NCA-B, 31.1 mΩ for NCA-C. The COG joints were subjected to reliability test. High temperature storage test (85℃, 160 hr), thermal cycling test (-0℃/+85℃, 20 cycle),and temperature & humidity test (50℃/90%, 160 hr) were continuously performed to evaluate the reliability of the COG joints. The contact resistance measurement showed that there are no failed bumps and all joints passed the criterion after reliability test. Our results indicate this technique has low contact resistance because bonded area is larger than the contact area made using ACF. Also, It will make use of the temperature sensitive devices such as LCD module and image sensor.