Sn 범프와 Non-Conductive Adhesive를 이용한 COG 접합에서 Sn 범프와 ITO 패드 사이의 접합성 및 전기적 특성 연구

Abstract

TFT (Thin film transistor)-LCD (liquid crystal display)는 CRT에 필적하는, 또는 그보다 우수한 화질을 표시할 수 있고, 적은 소비전력과 경량, 박형등의 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 더욱더 박차를 가하고 있다. TFT-LCD의 연구 개발동향을 살펴보면, 최근 급격한 신장세를 보이고 있는 차세대 이동통신용 web-browsing cellular phone이나, 개인정보 단말기(PDA), handheld PC등에서 사용되는 소면적 TFT-LCD의 저 소비전력, 고해상도 연구 개발과 컴퓨터 모니터, 또는 가정용 TV와 같은 대면적, 고해상도 디스플레이 장치로써의 연구 개발의 노력이 집중되고 있다. TFT-LCD 구동소자의 실장기술로 가장 많이 사용되는 있는 TAB (tape automated bonding) 공정은 한계피치가 50 ㎛로 알려지고 있으며, 전기적 신호길이가 길어 고속응답 HDTV용 LCD에는 적용되기 힘든 기술이다. TAB 공정보다 발전된 형태의 COG (Chip on glass) 공정은 구동소자를 뒤집어 구동회로의 패드를 LCD 패널에 플립 칩 형태로 직접 실장 하는 방법으로 TAB 방식보다 미세한 pitch를 가진 IC (integrated circuit) 실장이 가능하며, 칩 점유면적을 최소화시킬 수 있어 시스템 크기를 작게 할 수 있고, 박판화가 가능하며, 해상도의 향상도 가져올 수 있으며, 실장공정 단계의 감소와 재료비용의 감소로 제조비용도 줄일 수 있는 실장기술이다. 그러나, 모든 공정이 거의 표준화된 TAB 공정과는 달리 COG 공정은 LCD 모듈을 제조하는 전세계의 모든 회사가 다양한 재료와 공정을 적용하여 한가지 이상의 다른 COG 공정을 개발하여 특허화하였으나 제품화에 적용되고 있는 기술은 많지 않은 실정이다. 현재 가장 일반적인 COG 공정은 Au/Ni 금속막이 코팅된 3 - 5 ㎛ 크기의 폴리머 볼을 전도성 입자로 하는 ACF (anisotropic conductive film)와 구동소자와 LCD 패널에 형성된 ITO 와의 기계적 접촉에 의한 실장기술이다. 이와 같은 ACF를 이용한 COG 기술이 미세 pitch에 적용되기 위해서는 복잡한 구조의 ACF를 필요로 할뿐더러 이 경우 접속저항의 급격한 증가로 인해 아직까지 고해상도 TFT-LCD에는 적용하기 힘들다. NCA (non-conductive adhesive)를 이용하게 되며 도전 볼에 의한 접합이 아닌 범프의 직접적인 접합에 전기적으로 연결이 되기 때문에 ACF에서와 같이 접속저항의 급격한 증가문제를 해결 할 수 있다. 하지만 NCA를 사용하는 COG 방법은 사용되는 NCA의 열팽창계수에 따라서 신뢰성에 많은 영향을 받으며 접합 시에 NCA가 범프 표면과 패드 사이에 잔류해 접합면적이 줄어들며 NCA의 잔여 량이 많을 경우 전기적으로 open 되는 현상이 생길 수 있다. 또한 NCA를 이용한 COG 접합의 경우 범프의 높이가 다를 경우 hard한 범프를 사용 시 범프의 높이 차이로 인해 전기적인 open 일어 날 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 실험에서는 소성변형이 잘되는 Sn을 사용하여 hard한 범프를 사용할 때 보다 높이가 높은 범프는 쉽게 소성 변형이 일어나서 범프의 높이 차이가 어느 정도 발생하더라도 전체 범프가 접속이 가능할 수 있도록 하였으며, NCA의 특성에 따른 NCA trapping형태와 양에 대한 정량적인 분석과 범프 표면이 평탄하지 않을 경우 그 사이에 NCA가 갇혀 접합 시에 trapping 되는 현상이 일어날 수도 있기 때문에 범프 표면을 평탄 하는 공정을 거친 범프 또는 구형 등의 여러 가지 형태의 범프를 이용해서 범프 형태에 따른 NCA trapping 양을 분석하였다. 실험에 사용된 범프가 종류는 전해도금으로 형성된 square Sn 범프, 전해도금 후 범프의 형태를 리플로 공정을 통해 구형으로 형성된 reflowed Sn 범프, 전해도금 후 coining 공정을 통해 표면을 평탄화 시킨 coined Sn 범프 그리고 전해도금이 아닌 방식인 증발 법으로 제작된 evaporated Sn bump를 사용하였으며, NCA 특성에 따른 NCA trapping을 알아보기 위하여 점도, filler가 다른 NCA 3가지를 사용하였다. 접합은 Thermo-compression bonder를 사용하여 100 MPa/bump 의 하중으로 150℃에서 접합하였다. NCA에 따라서 NCA trapping 되는 양을 분석하기 위하여 유리기판 위에 AZ9260 PR을 spin coater를 이용하여 6 um 도포 후 직류 스퍼터링 방법으로 Ti (50 ㎚)를 증착 하였다. NCA trapping 양을 분석하기 위하여 Ti/ PR/ glass의 패드를 이용하여 범프와 접합 한 후에 아세톤을 이용하여 glass를 분리시켰으며, 표면 관찰을 위해 HF 5% 용액을 사용하여 화학 에칭을 실시 하였다. NCA trapping은 주사전자 현미경을 이용하여 관찰 후 kanscope program을 통하여 정량 분석을 하였다. 그 결과 사용된 모든 NCA 에서 Square 범프, coined 범프에서 NCA 트랩양은 7~25%을 나타내었으며 reflowed 범프에서는 4~8%의 트랩 양을 나타내어 reflowed 범프에서 가장 낮은 NCA trapping 을 보였다. 또한 NCA-A, NCA-B 그리고 NCA-C 에서 점도가 가장 낮은 NCA-C 에서 NCA trapping 양이 가장 적게 나타났으며 NCA의 점도가 낮을수록 NCA trapping 이 적게 됨을 관찰하였다. 이러한 NCA trap이 접촉 저항에 미치는 영향을 분석 하기 위하여 3가지의 NCA를 사용하여 ITO/ Au/ Cu/ Ti가 증착 된 glass와 접합하여 NCA trapping 양에 따른 전기적 특성을 4-point prove을 이용해 관찰하였으며 Reflowed 범프를 이용한 접합에서 접촉저항이 NCA-A, NCA-B 그리고 NCA-C에서 각 각 28 mΩ, 19 mΩ 그리고 15 mΩ 이 측정 되었다. 이것은 reflowed 범프에서 NCA trapping 의 양이 각 각 8 %, 6 % 그리고 3 % 인 것을 비교해 볼 때 NCA trapping 양이 증가함에 따라 접촉면적이 감소하여 접촉저항이 증가함을 알 수 있다. 또한 전해도금을 이용하여 범프패턴이 형성된 부분에 30 ㎛의 극미세 피치를 가지는, Sn/ Cu 범프를 형성하여 극미세 피치의 적용과 그에 따른 신뢰성테스트를 하였다. Sn/Cu 범프와 금속패드를 접합할 때 NCA가 트랩이 되는 현상을 줄이기 위해 전해도금된 Sn/ Cu 범프를 RTA (Rapid temperature annealing)를 이용하여 리플로우를 실시하여 구형의 범프를 형성하였다. 본 실험에서는 단락이 발생하지 않는90 MPa의 접합하중을 사용하였으며 NCA로는 silica 와 Fluoropolymer가 함유된 NCA를 사용하여 NCA filler의 종류에 따른 전기적 특성과 신뢰성 평가를 하였다. 90 MP의 접합 압력으로 Sn/Cu 범프와 ITO/Au/Cu/Ti 패드를 접합을 하여 4-point prove방식으로 접속저항을 측정한 결과 silica 와 Fluoropolymer를 함유한 각각의 NCA에서 패드와 접합한 시편의 초기접속 저항은 각각 44과 30 mΩ 으로 측정되었으며, aging test 와 thermal cycle test에서 모두 fail이 되는 범프는 하나도 없었다. 하지만 Fluoropolymer 가 함유된 NCA에서의 경우보다 silica가 함유된 NCA를 사용한 경우에서 접촉저항이 높았으며 표준편차가 커 더 가혹한 신뢰성 테스트 시에 fail 이 일어날 것으로 예상된다.; The evolution of LCD-driver packaging technology has driven by four main requirements: finer pixel pitch, smaller module area, thinner panels, and lower cost. Chip on glass (COG) has been developed as a method of direct assembly of electronic devices on the glass to accomplish the fine pitch requirements and cost reduction. The most common COG technology currently used in display applications is based on anisotropic conductive film (ACF). An ACF is composed of an adhesive polymer matrix and fine conductive particles. The principle of COG bonding using ACF is that the electrical connections are established through conductive particles and the mechanical interconnections are maintained by the adhesive. ACF bonding has several advantages such as low temperature, simple process, lead-free and fluxless bonding process. However, in the case of ultra-fine pitch packaging for high-definition LCDs, the failure caused by the electrical short and opening may be issued in the COG technique using ACF. In addition, the contact resistance will increase due to the reduction of contact area. Recently, prevailing interests and extensive investigations have been paid in the nonconductive adhesive (NCA) applied COG process. Instead of reckoning on the mediate connection of conductive particles squeezed between the bump and electrode pads, this process realizes the direct electrical contact and thereby increases the contact area, which is supposed to lower the contact resistance. It also features in simple process, cost down and fine pitch feasibility. Conventionally, Au or Au/Ni bumps are generally used for conductive metal bumps. In this study, Sn is selected as the bump material since it has higher plastic deformation capability than Au bump. NCA trapping may occur at the interface between the metal bumps and electrode pads. NCA trapping increases the contact resistance and induces the electrical failure at the interface. In this paper, we investigated the effects of NCA type and Sn bump formation process on the NCA trapping. We used three types of Sn bumps, the electroplated Sn bumps, reflowed Sn bumps, coined Sn bumps after electroplating. Corning�� 1737 glass from Corning Incorporation was used as the glass substrate. 3 types of NCA were used. Au (50 nm)/Cu (1 μm)/Ti (50 nm) thin films were deposited on oxidized Si wafer as under bump metallization (UBM), and ITO (100 nm)/ Au (50 nm)/Cu (1 μm)/Ti (50 nm) were deposited on glass substrate as pad layer using DC magnetron sputtering system. The rectangle metal traces were fabricated through the photolithographic process and wet chemical etching. Electroplating of Sn bumps was performed with matte Sn electrolyte. The coined Sn bumps were fabricated by flattening the electroplated bumps using thermo-compression bonder. Reflowed Sn bumps were formed by reflowing the electroplated bump at 270℃ for 20 sec in the forming gas (N2+H2) using the rapid thermal annealing system. Bonding was performed at 150℃ under 100 MPa using NCAs. The bonding time was 255 sec for NCA-B, and 225 sec for NCA-A and NCA-C. For NCA trapping study, the photoresist (6 μm) and Ti (50 nm) were deposited on the glass substrates. Then simulated bonding was performed using four types of Sn bumps and Ti/PR/glass substrates. The Sn bumps were separated from the substrates by chemical etching of Ti. NCA trapping was observed using BES images. To evaluate the bondability of NCA applied flip chip bonding on the glass substrate, the contact resistance of individual interconnects was measured using four-point probe method. In BSE images, the white region represents Sn bump surface and the dark region in the Sn surface is NCA with fillers. It is obvious that the NCA trapping in the reflowed bumps is the least among the bumps studied. The quantitative analysis of NCA trapping was done using the Kan-scope. The NCA trapping amount of electroplated, coined and was about 17~20% of the whole area in the NCA-A and NCA-B specimens and about 7% in the NCA-C specimens. Whereas, the NCA trapping area of the reflowed bumps was below 8% regardless of NCA types. The amount of NCA trapping is smallest in the reflowed bump since NCA can easily slide from the semi-spherical bumps. When NCA types were compared, NCA-C was trapped less than NCA-A and NCA-B since it has the lowest viscosity. Since the reflowed bumps showed the lowest NCA trapping, the COG bonding was performed between Si wafer and ITO/glass substrate using reflowed bump. The electrical measurements showed that the contact resistance of the each joint was within 15-28 mΩ. No joint failed electrically. SEM cross sectional images of COG joints made with reflowed Sn bumps represents that the chip and glass were successfully bonded through the deformed Sn bumps. After bonding, the height of reflowed Sn bump was reduced to 17 ㎛ from 40 ㎛. No NCA was trapped at the interface between Sn bump and ITO/glass substrate in this SEM image. Sometimes, it was observed that the NCA was trapped locally. We investigated the NCA trapping in the COG joints formed using Sn bumps and NCA. The effect of Sn bump types on the NCA trapping was studied with 3 kinds of NCAs. The reflowed bump has the least NCA trapping among the bumps studied. NCA with lowest viscosity was trapped less than other NCAs. The average contact resistance of COG joints formed using reflowed bumps was about 21 mΩ. No COG joint failed electrically. And Sn/Cu bumps with the ultra fine pitch of 30 ㎛ were successfully fabricated by photolithography and electroplating process. The average height of Sn/Cu bumps was about 20 ㎛. After performing the reflow process, the seed layer was needed to be etched away. Sn bumps with spherical shape were well formed on metal pad. Reflowed Sn bumps could be fabricated without bridging while Sn/Cu bumps were remelting and solidifing.. The interfaces of Sn/Cu bumps which had been reflowed were clean, which indicates that the NCA trapping was greatly reduced at the Sn interface. Average contact resistance of COG joint with reflowed Sn bump using NCA-A was 43 mΩ and 30 mΩ for NCA-B. There was no joint which was failed electrically. When the filler is harder, it can be easily structed in the soft Sn surface during bonding and NCA can be trapped easily near the filler. As a result, NCA trapped less in the COG joint formed using NCA-A which has lower viscosity and contains softer fluoropolymer fillers. The loss of contact area caused the increase of contact resistance. Therefore COG joint formed using NCA-A has low contact resistance. To evaluate the reliability of the bonded chips, aging treatment was carried out for 160 hours at 85℃ and thermal cycle test(-40/80℃, 20cycle) with the specimens which were bonded using two type NCA. The average contact resistance increase with the test time, but there was no fail. We developed fine pitch COG bonding for the high resolution devices such as LCD module. Si chip was successfully bonded with ITO pad on glass substrate by deforming reflow Sn bumps practically of reflowed Sn bumps. Aging test and thermal cycle test showed the stable COG joints. Currently, the reliability of the bump joints is now being evaluated systematically for practical applications.