ACF

Anisotropic Conductive Film 미세 도전 입자를 접착수지(일반적으로 열경화성)에 혼합시켜 film 상태로 만들고 한쪽 방향으로만 전기를 통하게한 이방성 도전막이다. 미세도전입자로는 Ni, carbon, solder ball이 있다. 주로 LCD와 PCB를 전기적으로 연결하는데 사용한다.

참고 문서

이방도전필름(ACF)는 에폭시와 아크릴수지 중에 수 um의 도전입자를 분산시킨 접착필름인데, 회로기판에 배치되어 가열가압해줌으로써 대향전극의 전기적인 접속, 인접전극의 절연 및 전극간 스페이스의 봉지가 한 공정으로 이루어진다. LCD 모듈의 디스플레이기판과 이에 화상신호를 보내주는 드라이브 IC를 접속하기 위하여 사용되고 있다. 여기에서는 ACF의 개요, 구성과 재료, 접속사례에 대하여 개괄적으로 설명한다.

1. ACF의 개요

ACF는 도전입자를 분산시킨 테이프상 접착제인데 미세한 다수의 고밀도회로의 동시 일괄 접속이 가능하게 한다. LCD 등의 글라스기판상에 형성된 회로와 구동용 드라이버 IC칩의 out-lead와의 접속에 필수적인 접속재료로서 PC 등 우리 주변의 제품에 널리 적용되고 있다. 이 경우 접속 핏치는 예를들어 40 um(25본/mm)와 같은 미세한 회로인데, 접속수가 3000~4000 점의 다수회로의 접속이 이루어진다.

A. 접속원리

ACF는 접속될 회로 사이에 삽입되어 가열가압됨으로쏘 대향회로간의 도전성과 인접회로간의 절연성을 발현시키며 양 기판을 접착고정시키는 3 가지의 기능이 동시에 달성가능한 이방도전접속이 얻어진다.

이방도전성은 접착제 중의 도전입자의 크기, 형상, 충전양, 분산상태, 두께 등을 제어하여 가능해진다. 일반적으로 도전입자의 함유량의 증가에 따라 열전도성, 접착성, 유동성 등의 여타 특성에도 영향을 미친다.

B. 특징

ACF에 의한 접속의 특징은 접착제로 접속 후의 별도 고정수단이 불필요한 고분해능의 접속이 얻어지며 200 C 이하의 땜납에 비하여 저온에서의 접속이 가능하다. 또한 ACF의 형상은 필름상인데 두께가 얇은 실장이 가능하고 더욱이 연속 테이프이어서 접속공정의 자동화가 용이하다. 필름상의 경우 페이스트상에 비하여 접착제에의 고분자물량의 충전이 가능하여 응력분산성 등의 설계가 용이하고, 입자의 분산과 두께의 제어 등을 메이커에서 관리가능하다. 이와 같이 박형의 고밀도실장에 매우 유리한 재료이다.

2. ACF의 사양과 구성재료

A. ACF의 구성과 사양

ACF의 구성은 도전입자를 분산시킨 접착제를 폴리에틸렌프탈레이트(PET) 등의 세퍼레이터라 불리우는 이형 필름에 형성한 테이프상의 접착제인데 세퍼레이터는 가압착후에 제거된다.

a) ACF의 사양

ACF의 일반적인 사양은 표 1 과 같다. 용도는 회로접속용과 칩접속용으로 대별되는데 양자에 있어 대응 핏치와 두께, 폭 등의 사양이 약간 다르다. ACF는 현재 두께 16 ~ 45 um, 폭 1.0~6.0 mm, 길리 50~100m 정도의 세폭장척의 테이프상으로 공급되고 있다.

회로접속용은 COF 등의 평행한 회로끼리를 접속하는 것으로 ACF의 개발 당초부터 적용되고 있다. COG 등의 칩접속에는 범프라 불리우는 돌기전극과 회로의 접속인데, 전극접속의 면적이 10% 정도로 급감한다. 접속조건은 회로접속용이 140 ~ 180 C에서 10초로 저온지향이지만, 칩용은 160 ~ 200 C에서 5~10 초로 단시간접속의 사용예가 많다. 접속품의 신뢰성 평가는 LCD의 내열성 등을 고려하여 고온고습의 85C-85% RH 시험과 -40 C/100C 의 열충격시험이 이용되고 있다. ACF에 의한 접속의 신뢰성은 ACF를 구성하는 도전입자와 표면형상 등의 접착체의 성질과 접속작업조건 등의 영향을 받는다.

b) 접착제

접착제는 당초 스타이렌계 블록공중합체 등의 열가소성접착제가 사용되었지만 최근에는 더욱 신뢰성을 향상시키기 위하여 내열성의 향상을 기대할 수 있는 에폭시수지 등의 열경화성 접착제가 주류를 이루고 있다. 접착제에의 요구특성으로서는 두께, 점착성, 유동성, 접착력, 불순물, 탄성율 등의 고려가 필요하다. 열경화성에 특유한 유동성과 반응성, 경화성과 보존성, 리워크성 등이 있다.

i) 유동성과 반응성

ACF는 도전입자가 접착제 중에 분산되어 있는데, 입자의 표면은 접착제로 피복되어 있으며 접속공정에서 전극과 도전입자의 계면으로부터 접착제가 배제되지 않으면 안된다. 접속과정에 있어서의 상황을 그림2에 나타내었다. 먼저 필름상의 접착제가 가열에 의하여 용융되어 유동상태로 되며 저점도하에서 도전입자와 전극의 접촉과 계면에의 젖음이 촉진되어 가압에 의하여 유지된다. 계속하여 접착제의 경화반응이 진행됨에 따라 접속이 완료되어 접속부분의 고정이 이루어지지만, 경화가 이르다면 접착제의 배제가 불충분하게 된다. 이와 같이 접착제의 유동성과 경화의 타이밍의 배려는 예를 들면 5 초이하라는 최근의 단시간 접속의 요구에 대하여 점점 중요해지고 있다.

B 열경화성 ACF

열경화성 ACF는 20초이하와 같은 단시간 경화와 사용시를 고려한 실온 2 주이상의 보존성의 양립이 필요하다. 히타치화성에서는 특수한 잠재성경화제를 에폭시수지계 접착제에 분산시킨 필름을 개발하여 속경화성(170 C/15~20초)와 실온에서 1 개월 이상의 장기보존성을 양립시키고 있다.

최근 LCD 모듈은 대형화와 협핏치화의 경향이 있는데 접속 시에 있어서 프린트기판의 휨의 증대와 LCD로서 ACF의 저온단시간접속의 요구가 한층 강해져서 신규 접착제계가 개발되고 있다. 저온경화형 ACF의 경우 히타치화성의 AC-9051의 경우 150 C에서 10초에서 반응율이 90 %에 이른다. 종래계(AC-2052)에 비하여 약 40 C 저온에서 단시간(150 C/10초)의 접속이 가능하여 시장에서 널리 시용되고 있다.

C. 도전입자

ACF용의 도전입자로서는 대별하여 니켈 등의 금속입자와 금속도금 수지입자의 2 종류가 채용되고 있다. 이들 입자는 미세 핏치댕응을 위하여 도전입자의 표면에 절연성 수지층을 입힌 것과 표면입자에 요철을 주어 회로표면의 오염층을 돌파하는 등에 연구가 이루어지고 있다.

ACF에 사용되는 도전입자 중에 금속입자의 경우네는 입자표면에 요철이 있어 접속부의 전극이 변형된다. 한편 금속도금 수지입자는 접착제 중에서의 입자의 분산성이 좋고 접속부의 편평성이 얻어진다. 이들 도전입자의 입경은 2~10 um 정도의 미립자이다. 최근의 미세핏치화에 따라 미소전극상에 도전입자를 확보하고 전극 간의 절연성을 얻기 위하여 입경은 미소화 하는 경향이 있는데 필름 중에의 분산성 제어가 중요해지고 있다.

a) 금속입자

도전입자 또는 니켈의 경우, 일반적인 회로재료로서 많이 사용되는 동에 비하여 경질이어서 접속시에 동을 뚫고 들어가서 접속하여 전극표면의 오염물질을 파괴할 수 있어서 저저항의 접속이 얻어진다. 또한 표면이 산화성의 박막금속전극의 경우도 마찬가지로 표면의 산화층을 뚫고 들어가 저저항의 접속이 얻어진다.

b) 금속도금 수지입자

이 입자는 폴리스티렌(PS) 수지와 아크릴수지 등의 고분자핵체의 표면에 니켈, 금 등의 도전성 금속박층으로 피복시킨 것이다. 고분자핵체는 합성기술에 의하여 제조할 수 있는데 입경과 극 ㅠㄴ일성의 제어가 비교적 용이하며, 금속도금 수지입자는 비중도 접착제에 비교적 근사하여 필름 중에서의 분산성이 우수하다. 또한 접속공정의 가열가압에 의하여 입자가 변형되어 전극과의 접촉면적이 커지게 되어 미소표면의 접속신뢰성을 높힐 수 있다. 이들 특징으로부터 금속도금 수지입자는 LCD 판넬의 글라스기판 등의 경질기판상에 형성된 ITO 등의 박막전극의 경우 특히 효과적이다.

(3) ACF에 의한 접속과 개발동향

LCD를 비롯하여 FPD는 대형화, 미세핏치화, 박형화의 경향이 있는데 ACF를 사용한 접속에서는 다양한 실장구조가 실용화되고 있다. ACF도 이들의 구조에 대응한 특성을 갖는 제품이 라인업되고 있다. 아래에 이러한 경향과 최근의 기술동향을 소개한다.

A. 실장구조와 과제

FPD의 ACF를 사용한 실장구조는 TCP, COG, COF 등이 있다. TCP(Tape Carrier Package)는 필름 기판상에 드라이버 IC를 패키지화한 것이다. 드라이버 IC로부터 봐서 LCD 판넬측을 축력용, PWB(Printed Wire Board)측을 입력용으로 한다. TCP법의 특징은 접속품의 좋고 나쁨의 판정이 용이한 점에 있다. LCD 용도로의 TCP의 적용은 ACF의 양산직후인 1985년부터 시작되어 가장 오랜 실적이 있는 실장법으로 모니터 등의 대형화면을 중심으로 널리 채용되고 있다.

COG(Chip On Glass)는 드라이버 IC를 bare 칩 그 자체를 ACF로 기판상에 실장하는 것인데 1995년경 부터 실용화되어 TCP와 PWB 등의 타부품의 사용량이 적다는 점으로부터 비교적 저비용의 실장방식으로서 카내비게이션과 휴대전화 등의 중소형장치를 중심으로 채용되어 왔고 최근에는 노트북 등의 대형에도 적용이 이루어지고 있다.

COF(Chip On Flex)는 유연성이 높은 2 층 FPC(Flexible Printed Circuit) 상에 드라이버 IC를 접속하는 것으로 2000년경부터 실용화되었다. 미세배선이 형성된 기판을damage 없이 구부리며 실장할 수 있어서 휴대전화에 채용되었고 그 후에 모니터용에 채용되는 등 최근 그 적용비율을 높혀가고 있다.

최근 전자기기의 소형/박형화에 수반하여 이들 실장구조는 실장시의 부품수 저감에 의한 미세핏치화와 테두리좁힘화, 기판박육화 등이 이루어지고 있다. 이를 위하여 접속재료인 ACF에는 저온단시간접속과 고정세대응, 저스트레스접속기술 등이 요구되고 있다.

B. 회로접속용 ACF

회로접속용은 평행한 회로끼리를 접속하는 것으로 ACF의 개발당초부터 적용되고 있다.

a) TCP, COF 출력용 (TCP, FPC/Glass의 접속)

TCP에 의한 방법은 소형/박형화, 접속의 자동화에 의한 고생산성 및 IC의 다핀화, 고정세화를 달성하고 있다. TCP 실장에 있어서는 LCD의 고정세화와 컬러화에 따라 화소수의 증가에 의하여 협핏치화의 진전이 현저하다. 금속도금 수지입자는 분산성의 향상을 얻기 쉽고 협핏치화에 대한 분해는 향상에도 유효하다.

최근 고정세화와 저코스트화의 관점으로부터 TCP로부터 COF에로의 변환이 주류로 되고 있다. COF는 폴리이미드 필름상에 증착 등에 의하여 직접회로를 형성시키기 때문에 TCP용 ACF로는 접촉강도가 불충분하다. 이 때문에 실용가능한 접착력과 신뢰성을 갖는, TCP와의 겸용가능한 품종이 히타치화성에서 개발되고 있다. 이 제품은 고정세화에 대응하기 위하여 시뮬레이션에 의한 쇼트 확률과 입자포착수의 예측과 병행하여 3 um 입자의 입자경도와 변형후의 회복률 등을 최적화한 것으로 핏치 50 um에서 고온고습시험 500 시간 후에도 양호한 절연성이 얻어지고 있다.

b) TCP 입력용 (TCP, FPC/PWB)

LCD의 TCP 입력측과 프린트기판 접속은 종래는 납땜으로 시행하였지만 접속밀도가 높아진 점과 환경문제로부터 1993년경 부터 니켈입자와 조합된 입력용 ACF이 채용되고 있다. 입력측은 출력측에 비하여 접속밀도가 낮지만 IC를 안정되게 작동시키기 위하여 저저항으로 안정된 접속이 필요하다.

c)신규 FPD용(TPC, FPC/Glass)

최근, LCD 이외의 PDP와 EL 등의 새로운 방식의 표시체에 의한 FPD의 발전이 현저하다. 이들 회로접속에도 ACF가 사용되고 있다. 이들 용도는 저저항으로 큰 전류용량이 필요하다는 점으로부터 글라스기판상의 전극은 금속박막이 채용되고 있다. 따라서 도전소자로서는 전술한 TCP 입력용과 마찬가지로 금속입자계가 중심이 되고 있다.

C. 칩접속용 ACF

이상의 회로끼리의 접속에 비하여 COG와 COF 등의 칩접속에서는 범프로 불리우는 돌기전극과 회로의 접속인데 전극접속의 면적이 10 % 정도로 급감한다. 그 때문에 미소한 범프상에 도통(導通)을 확보하기에 충분한 도전입자를 포착하고 또한 범프간의 절연을 확보할 필요가 있다.

칩실장의 협핏치접속에 대응하기 위하여 접착, 절연, 및 도전성능을 분리한 2 층 구성의 ACF가 히타치화성에서 개발되어 널리 실용화되었다. 종래의 단층품에 비하여 접속전극상에서의 도전입자의 포착효율이 종래의 2배 이상으로 향상되어, 전극 스페이스 간에 유출되는 도전입자의 수가 적어서 10 um의 좁은 전극 스페이스에도 절연성을 나타낸다.

a) COG(Chip/Glass)

COG용 ACF의 최근의 과제는 고생산성 실현을 위하여 단시간 접속과 특히 대형 판넬적용시의 접속온도분포에 따른 휨을 제어하기 위하여 접착제의 저온접속화와 저응력화에 있다. 이들 과제는 ACF의 물성 최적화와 프로세스의 개선에 의하여 극복할 수 있지만, 근본적으는 접속온도의 저온화가 중요하다. 이 대응으로서 앞서 기술한 바와 같이 신규 경화계의 적용이 추진되고 있는데 일부 품종은 이미 출시되고 있다.

b) COF용(Chip/FPC)

종래의 TCP가 동회로와 폴리이미드 필름의 사이에 접착층이 있는데 대하여 COF의 2 층 FPC는 접착제층이 없어서 접착성이 열악한 경우가 많으므로 ACF로서의 접착제에 특별한 배려가 주어지고 있다. 또한 COG의 경우는 Chip/Glass로 강성끼리의 접속이지만 COF는 Chip/FPC로 강체와 연질재료의 접속인데 구성차에 따라 응역을 흡수하는 높은 신뢰성이 요구된다. 또한 드라ㄴ이버침을 실장한 후에 IR 리플로우노를 사용하여 침캐패시터 등의 표면실장부품을 탑재하는 케이스가 많아서 접속부의 내땜난 리플로우성도 요구된다. 내땜납 리플로우성은 통상 피크온도 240 C, 무연 땜납의 경우 260 C라는 ACF의 접속온도보다도 높은 온도에서 3히 정도 노출되지만 이 공정에 견디는 ACF가 제품화되고 있다.

(4) 신규 ACF 재료

A. 니켈나노튜브를 이용한 신규 광경화형 이방도전필름(東北대학)

액정디스플레이(LCD) 등의 표시소자에서는 구동소자쪽 출력단자와 표시소자쪽 입력단자를 다수, 간편하게 단시간에 접속하기 위하여 이방도전필름(ACF)가 사용되고 있다.

ACF는 니켈분말과 균일구형의 금속피복고분자미립자를 도전성 필러로서 열경화성 고분자수지에 분산시킨 구조로 이루어지는데 ACF를 양단자사이에 끼우고 가열압착하여 대향단자간에 통전접속, 인접 단자간에 절연접속이 이루어진다. 대응배선간격은 도전성 필러에 의존하며 금속피복미립자에서는 약 40 um가 하한(2005년 데이터)로 되고 있다. 표시소자가 더욱 소형화 및 고정세화되는데 대응하기 위하여 고신뢰성의 이방도전재료의 개발이 요구되고 있다.

동북대학에서는 독자적으로 개발한 자성과 도전성을 동시에 갖는 니켈튜브를 도전성 필러로서 사용한 미세배선용의 이방도전 고분자시트(ACPS)의 개발을 수행하였다.

수소결합형 분자주형의 조정법의 개량과 사이즈 분리조작의 도입에 의하여 길이 분포가 1~10 um의 범위에 있는 니켈튜브의 개발에 성공하여 열경화형 실리콘 복합막에 적용하는 실험에서는 전극단자간격 10 um에서 이방도전성이 확인되었는데, 이방성비가 10의 10승인 것을 알 수 있었다. 또한 광경화성수지와 본 도전성 필러의 복합막 제조에 실리카 입자를 혼합하여 인접 단자 사이에서의 통전에러의 발생을 억제할 수 있다는게 밝혀졌는데, 광경화시의 체적수축률이 작은 광경화성수지를 사용하여 연속적으로 제막할 수 있고, 수초릐 광조사로 실장할 수 있는 실온압착방식의 광경화형 이방도전고분자시트를 개발하였다.

a) 개발기술의 특징

1. 대응단자의 간격 : 평균길이 3 um, 평균폭 0.4 um의 니켈나노튜브를 사용하여 전극간격 10um에서의 이방도전성을 확인
2. 통전에러의 제어 : 분산제로서 실리카 입자를 복합화함으로써 인접 전극간에서의 통전에러를 제어. 실리카 입자의 싸이즈와 혼합비를 최적화함으로써 더더욱 특성개선이 가능.
3. 막품질의 향상 : 경화수축이 작은 것이 특징인 올레핀계 광경화성수지를 사용하여 실온에서 압착하는 광실장방식을 채용함으로써 종래의 가열압착시의 열휨의 영향이 없어서 우수한 품질의 막이 제조가능. 필름 엘렉트로닉스 분야에의 진출이 기대됨
4. 양산가능한 연속제막에 대응 : 자상 도전성 필러로서 사용되는 니켈나노튜브의 자장에 의한 배향제어와 광경화 제막기술의 개발에 의하여, 1.4 m/min의 속도로 안정적으로 광경화형 이방도전시트의 제막이 가능.

B. 저환경부하의 나노입자도금법에 의한 도전성 마이크로비즈(오사카 부립대학)

휴대전하로 대표되는 개인용 휴대정보말단 등 액정디스플레이(LCD)를 사용한 제품의 박형화, 소형화의 요구는 점점 높아지고 있다. 이에 따라 LCD 및 화상신호를 송출하는 집적회로에서는, 고밀도, 다접점, 적층의 실장이 필요하게 되어, 3 차원의 회로를 전기적으로 접속하는 이방도전성막이 불가결하게 되었다. 이 이방도전성막에서는 도전성을 갖게하기 위하여 금도금을 실시한 마이크로비즈가 사용되고 있다.

종래의 무전해도금에 있어서 양질의 도금피막을 얻는데에는 도금욕의 관리가 곤란하고 작업자에 고도의 기능과 경험이 요구되었다. 이에 더하여 마이크로비즈 등 미소재료에의 도금은 표면적의 증대에 따라 제조공정의 복잡화와 대량의 도금용을 필요로 하는점 등 코스트와 효율면에서도 문제가 적지 않았다. 특히 얻어진 피막의 도전성, 밀착성, 균일성 등의 품질의 유지, 관리와 그 평가도 싸이즈의 축소와 함께 곤란하였다.

이에 대하여 오사카부립대학에서 개발한 나노입자 도금법에 의한 도전성 마이크로비즈는 금나노입자와 바인더의 혼합용액에 플라스틱을 침적하여 교반하는 것만으로 정밀도가 높게 도금할 수 있는 기술이다. 종래의 무전해 도금법에 의해 만들어진 것과 비교하여 도전성, 도금표면의 균일성, 분산성의 측면에서 우수한 품질의 금도금 도전성비즈를 대량으로 만들 수 있다. 자원절감 관점에서도 종래법보다 약 40 % 금을 절약할 수 있다.

개발기술의 특징은 아래와 같다.

1. 간단한 작업 : 금나노입자와 바인더의 혼용액에 플라스틱을 담구고 교반하는 것만으로 고품질의 도금이 가능함
2. 적은 공정수 : 종래의 도금법에서는 6 공정의 작업이 필요하였지만, 나노입자 도금법에서는 에칭, 감수화처리, 촉매화처리 등의 공정이 불피요하기 때문에 3 공정이 제외된다.
3. 자원절감 : 마이크로비즈의 도전성 획득을 위하여 금도금법에 있어서는 종래의 제법에 비하여 금을 약 40 % 절약할 수 있음
4. 낮은 환경부하 : 도금공정에 유해물질을 사용하지 않음
5. 낮은 제조코스트 : 상기 사항에 의하여 도전성 마이크로비즈 및 이를 사용한 이방도전필름막을 약 1/2의 저코스트로 제조할 수 있음.

   [출처] 이방도전필름(ACF)에 의한 실장기술|작성자 kistpm