NCA (Non-Conductive Adhesive)와 polymer 범프를 이용한 COG (Chip on Glass) 접합

Abstract

전자 패키징은 컴퓨터, 가전제품, 통신기기 등 모든 전자 장비에 적용되는 핵심적인 기술 분야로써, 현대 산업사회가 전자 정보화 시대로 진입하게 되고 핸드폰, 노트북 컴퓨터 및 디지털 카메라 등 전자 제품들이 초경량, 초소형화와 다기능화를 더욱 크게 요구하면서 그 중요성이 배가되었다. 디스플레이 분야의 패키징 기술은 드라이버 IC 를 기판에 본딩하는 것으로 wireless 공법을 중심으로 TAB (Tape Automated Bonding), TCP, COF, COG (Chip On Glass) 기술로 세분화되어 발전하고 있다. COF 에 이어 디스플레이 분야에서 최근 두각을 보이는 기술이 바로 COG 기술이다. COG 는 평판 디스플레이 제조시에 TAB 방식으로 액정 패널 및 패키징 된 LDI 를 실장해 온 방식과 달리 웨이퍼에서 절단한 플립 칩을 글래스 기판 위에 직접 실장하는 기술이다. 즉, COG 는 LCD 의 각 픽셀들을 제어하는 LDI 를 글래스 패널 위에 직접 본딩하여 미세 피치 및 초박형, 경략화를 가능하게 해준다. TCP 및 COF 패키지에 비해 더 미세한 피치를 가진 드라이버 IC 를 실장할 수 있기 때문에 실장면적을 최소화하고 두께를 얇게 만들 수 있어 초박형, 경량화의 장점이 있다. 또한 COG 기술은 전기적 특성 및 신뢰성이 우수하며, 특히 미세 피치에 대한 대응력, 굴곡성 및 신뢰성 등이 우수해 고해상도를 요구하는 적용분야에 주로 사용된다. 초기의 COG 실장 기술은 보수가 어렵고 수율이 낮아 많이 적용되지 않았으나 최근 재료의 발달과 설비 정확도의 향상으로 적용 범위가 점차 증가되고 있다. 현재 가장 일반적인 COG 기술은 이방성 도전 필름 (anisotropic conductive film; ACF)을 사용하는 방식으로, 공정이 단순하고 신뢰성이 높은 방법으로서 선호하고 있으나 범프 면적에 비하여 내부 전도성 particle 에 의해 상당히 작은 접합면적을 형성하므로 높은 접속저항을 가진다. 또한 극미세 피치가 요구될 경우 도전성 볼의 크기 및 균일한 분포상태 등 재료적인 문제 및 정렬 오차에 의한 문제 발생 가능성이 있고, 접합부의 open 현상과 단락현상이 발생할 수 있다. ACF의 단점을 보완하기 위한 여러 방법이 개발되어 있으나 복잡한 구조의 ACF를 필요로 할뿐더러 이 경우 접속저항의 급격한 증가로 인해 아직까지 고해상도TFT-LCD에는 적용하기 힘들어 현재는 저해상도의 STN-LCD 를 채용하는 소형 표시장치에만 적용되고 있는 실정이고, 최근에는 범프를 이용한 접합방법이 많이 개발되고 있다. 따라서 본 연구에서는 극미세 피치에 적용가능 한 NCA (non-conductive adhesive)와 기존에 사용되던 고형 금속 범프에 비해 범프 높이의 uniformity 가 뛰어날 뿐 아니라 Z 축으로의 탄성력이 뛰어난 폴리머 범프를 이용하여 COG 접합을 하였다. 또한 접합부의 신뢰성을 관찰하기 위해 thermal cycling test를 실시 하였고, thermal cycling test (0℃-50℃, 30분/cycle) 의 조건은 폴리머 범프의 열팽창계수와 비교하여 큰 값을 가지는 NCA 와 작은 값을 가지는 NCA, 두 종류의 NCA 의 Tg 온도를 고려하여 NCA 의 α₂영향을 배제 하고자 0℃-50℃ 의 조건으로 실행하였다. 두 종류의 NCA 를 사용하여 150 MPa 의 접합 압력으로 폴리머 범프와 Al 패드를 접합하여 4단자 방식으로 접속저항을 측정한 결과 초기 접속 저항의 평균은 AE 100 NCA 를 사용하여 접합한 시편의 경우 75 mΩ, AE 901B NCA 를 사용하여 접합한 시편의 경우 80 mΩ 이었다. 접합된 범프의 단면 관찰 결과 두 종류의 NCA 모두에 대해서 NCA filler particle 에 의한 변형 없이 모든 범프의 표면이 Al 패드와 접합된 것을 확인하였다. 접합부의 신뢰성 평가를 위해 0℃-50℃의 조건에서 thermal cycling test 를 실시하여 주기에 따른 접속 저항의 변화를 측정하였다. 이 때 초기 저항 값의 20% 이상 증가한 범프를 불량으로 판정하였다. 두 종류의 NCA 를 사용한 모든 시편에서 cycles 동안의 thermal cycling test 후 저항 값의 변화는 관찰되지 않았고, 이러한 결과는 NCA에 의한 기계적 접합이기 때문에 T/C test 도중에 발생하는 stress 를 폴리머 범프의 z 축 방향으로의 탄성력이 보정해 준 것으로 생각된다. Failure rate 의 경우 AE 100 NCA 를 이용하여 접합한 시편의 경우에 500 cycles 후에 3% 의 범프 fail 이 발생하였으나 2000 cycles 후에 더 이상의 범프 fail 은 관찰되지 않았다. 그러나 AE 901B NCA 를 이용하여 접합한 시편의 경우 100 cycles 후에 5%의 범프 fail 이 발생하였고, 2000 cycles 까지 꾸준히 증가하여 2000 cycles 후에는 26% 의 범프가 fail 되었다. Fail 된 범프들의 접합 단면 이미지를 관찰한 결과 fail 의 원인은 접합 공정시의 하중에 의한 접합부의 stress 와 T/C test 도중에 형성되는 CTE 의 불일치에 의해 범프의 윗부분보다 상대적으로 얇게 증착된 범프의 모서리 부분의 금속층의 끊김 현상에 기인한 것으로 생각된다. 범프가 fail 된 이유에 착안하여 범프의 형태를 바꾸어 실험을 진행하기 위해 폴리머 재료를 바꾸어 WL-5150 Photodefinable Spin-on Silicone 을 사용하여 범프를 형성하였고, WL-5150 폴리머의 경우 exposure time 이 증가할수록 범프의 형태가 사다리꼴에서 수직형태로 형성되는 것을 확인하였다. WL-5150 재료의 특성상 매우 soft 하기 때문에 접합 압력을 10 MPa 로 변화시키고, 다른 모든 조건은 SU-8 폴리머 범프의 접합 조건과 동일하게 접합을 실시하였다. 접속저항을 측정한 결과 초기 접속 저항의 평균은 사다리꼴 범프의 경우 두 종류의 NCA 에 대해 약 70 mΩ 의 값을 얻었고, 수직 범프의 경우 역시 두 종류의 NCA 에 대해 약 80 mΩ 이었다. 또한, Au 패드와의 초기 접속 저항은 사다리꼴 범프의 경우 15 mΩ, 수직 범프의 경우는 19 mΩ 이었다.; The demands for flat panel displays including LCD panel and portable electronics have remarkably increased in recent years. The most promising packaging technology to meet the challenge of lower cost while increasing performance is Chip-On-Glass (COG). Generally, COG bonding techniques utilizes Au bump and anisotropic conductive film (ACF) due to fine pitch capability and good electrical performance. Also, ACF bonding has several advantages such as low temperature, simple process, lead-free and fluxless bonding process. However, in the case of ultrafine pitch packaging for high-definition LCDs, the failure caused by the electrical short and opening may be issued in the COG technique using ACF bonding. Also, the contact resistance will increase due to the reduction of contact area.. Recently, COG technology using NCA has been introduced as one of the most suitable interconnection method for fine pitch packaging, since the bumps and electrode pads can be contacted directly. Au or Au/Ni bumps are generally used for conductive metal bumps. However, failures occur in adhesive flip chip assemblies on glass or ceramic for a variety of reasons. Electrical connections in most adhesive flip chip technologies are achieved through pressure contact between chip and substrate pads. This contact pressure is maintained throughout the product’s life by tensile stress in the adhesive. Loss of electrical contact can occur when the adhesive expands or swells in the Z-axis direction, due to thermal expansion or moisture absorption. Gross delamination and tensile stress cracking can occur in the adhesive when the bond stresses are excessive. In this paper, we studied the COG bonding using polymer bumps and NCA because the polymer bumps are elastically compressible up to 30% of the total bump height. We also evaluated the reliability of COG joints from the thermal cycling test. The polymer bumps were formed onto the SiO2/Si wafer by photolithographic process. And then Au (50 nm)/Cu (1 μm)/Ti (50 nm) metal thin films and were deposited on the polymer bumps for conductive lines using DC magnetron sputtering. The conductive lines were fabricated through the photolithographic process and wet chemical etching. The Al electrode pad was formed on the glass substrate using DC magnetron sputtering. Non-conductive adhesive (NCA) of optimized quantity was dispensed on the surface of the metallized polymer bumps, and then the bonding process was performed at 80℃ for 210 s under 150 MPa using thermo-compression bonder. The contact resistance was measured using four-point probe method at room temperature. For the reliability evaluation, thermal cycling test (0℃-50℃, 30 min/cycle) up to 2000 cycles was carried out. And, the contact resistance was measured every 100 cycles up to 1000 cycles, every 250 cycles from 1000 cycles to 2000 cycles. The microstructure and failure mechanism of COG joints before and after thermal cycling test were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) with the energy dispersive spectrometry (EDS). The initial average contact resistance of SU-8 2005 polymer bump/Al pad joint was 75 mΩ for AE 100 NCA, and 80 mΩ for AE 901B NCA respectively. After the thermal cycling test up to 2000 cycles, the contact resistance of the SU-8 2005 polymer bump/Al pad joints was not changed. The failure rate was defined as the percentage of electrical failures that was increased twenty percent or more of the initial contact resistance. The failure rate of the specimens bonded with AE 100 NCA was occurred the first time after 500 cycles, the failure rate was 3 %, and then that was maintained as 3 % up to 2000 cycles. However, that of the specimens bonded with AE 901B NCA was continuously increased from 100 cycles, and that after 2000 cycles reached 26 percent. The failed bumps after thermal cycling test were observed. As a result of the cross sectional images of the polymer bumps/Al pad joint, the cut phenomena of the metal thin film was observed at edge side of the bumps. The phenomena were caused by mismatch in the coefficient of thermal expansion (CTE) between the metal thin film and the polymer material because the thickness of the metal thin film deposited on the edge side of the bumps was less than that deposited on the top of the bumps. We expect that the the reliability is improved as the change of bump geometry.