최근에 스마트폰이나 타블렛PC등과 같은 휴대용 전자 제품들이 보급화 됨에 따라 고해상도이나 고성능뿐만 아니라 소형화, 경량화, 박형화등의 반도체 패기지가 시장에서 요구 되고 있다. 더욱 미세한 피치를 갖는 회로 기판에 대한 요구가 증가하고 있으며 이에 대해 COG (chip on glass)와 같은 패키지가 그 대안으로 떠오르고 있다. COG 접합은 칩을 유리 기판에 플립칩 본딩 방법으로 고밀도 실장이 가능 하며, 제품의 무게와 크기를 줄일 수 있다.
디스플레이 분야의 패키징 기술은 드라이버 IC 를 기판에 본딩하는 것으로 wireless 공법을 중심으로 TAB (tape automated bonding), COF (chip on flex), COG 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 LCD 드라이버 IC를 실장해 온 방식과 달리 드라이버 IC 칩을 글래스 기판 위에 직접 실장하는 기술이다. 즉, COG 는 LCD 의 각 픽셀들을 제어하는 LCD 드라이버 IC를 유리 패널 위에 직접 실장 하여 미세 피치 및 초박형, 경략화를 가능하게 해준다. TAB 및 COF 패키지에 비해 더 미세한 피치를 가진 드라이버 IC 를 실장 할 수 있기 때문에 실장면적을 최소화하고 두께를 얇게 만들 수 있어 초박형, 경량화의 장점이 있다. 현재 LCD 드라이버 IC와 같은 온도에 민감한 제품에는 저온공정이 가능한 이방성 전도필름(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 존재하며 압착되어 접합되는 방법이다. 즉, ACF를 이용한 접합방법은 필름형태의 에폭시 수지 내부에 존재하는 전도성 입자의 탄성을 이용한다. 열과 하중을 주게 되면 필름형태의 에폭시 수지가 녹게 되어 다시 경화되면서 칩과 기판을 고정시켜 주고, 전도성 입자는 범프와 패드 사이에 고립되고 압착되어 전기적으로 연결이 이루어지게 된다. 여기서 하중이 가해진 전도성 입자는 탄성에 의한 복원력이 생기게 되므로 범프의 높이 차이가 생기더라도 전도성 입자의 탄성이 작용하기 때문에 범프와 패드간 접합이 이루어지게 된다. 그러나 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 전기적 open현상이 생길 수 있다. 또한 범프와 범프 사이의 간격도 줄어들게 되므로 전도입자가 범프와 범프 사이에 끼어서 이웃 범프가 서로 전기적으로 연결되어 발생하는 전기적 단락현상도 생길 수 있다는 문제점을 지닌다. 또한 시장에서 점점 더 고해상도, 고성능이 요구됨에 따라 피치사이즈가 줄어들게 되었고 30 µm이하의 극 미세 피치에서는 전기적 open현상 이나 단락현상이 큰 문제점으로 나타나고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 최근 많은 연구들이 진행 되고 있으며 대표적으로는 비전도성 필름과 전도성 입자가 들어가 있는 필름을 결합한 double layer ACF와 전도성 입자에 절연층을 형성하는 Microconnector ACF를 이용하는 방법이 주로 사용되고 있다. Double layer ACF의 경우 전도성 입자가 뭉쳐 단락현상을 일으키기 쉬운 bump쪽에 전도성입자가 없는 비전도성 필름을 위치하게 하여 단락에 대한 확률을 줄이고자 했으면 Microconnector의 경우 범프 사이에서 전도성입자가 뭉쳐 물리적으로 연결되더라도 절연층으로 인하여 전기적으로 연결되지 않게 하였으며 절연층이 압력에 의해 쉽게 파괴되도록 하여 범프와 패드 사이에서는 전기적으로 연결되게 하였다. 하지만 double layer ACF의 경우 단락현상을 완벽하게 제거 할 수 없고 Microconnector의 경우 전도성 입자에 절연층을 형성하는 것이 어렵기 때문에 제조 단가가 증가하게 된다는 단점이 있다. Double layer ACF나 Microconnector 이외에도 두 방법을 결합한 방법이나 double layer ACF의 전도성 입자가 들어있는 층에 미세한 비전도성 입자를 넣는 방법, lithography를 통하여 범프의 옆면에만 절연층을 형성하는 방법들이 연구되고 있지만 공정비용의 증가나 공정의 증가 및 복잡성 등의 문제 때문에 이와 같은 방법은 사용되기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 ACF를 사용시 단락현상을 방지할 수 있는 새로운 접근 방법이 필요하였으며 이러한 접근방법 중 하나로 범프의 옆면에 절연층을 mask없이 형성하는 방법을 이용하고자 하였다. Mask를 사용하지 않고 범프의 옆면에 절연층을 형성할 경우 mask 정렬과 같은 공정이 필요 없기 때문에 간단한 공정으로 단락현상이 완벽하게 방지 할 수 있고 open현상 방지를 위해 더 많은 전도성 입자를 첨가하는 것이 가능해 진다. 즉 본 연구에서는 극 미세피지 접합을 수행하기 위하여 감광성 절연 폴리머를 이용하여 mask를 사용하지 않고 범프의 옆면에 절연층을 형성 하여 ACF를 사용시 발생하는 전기적 단락현상을 완벽하게 방지하고자 하였다.
범프에 절연층을 형성하기 위하여 전해도금을 이용하여 25 µm의 극 미세피치를 가지는 약 12 µm의 Cu 범프를 형성하였다. 그리고 감광성 절연 폴리머를 spin coating방법을 이용하여 50 rpm에서 10 sec, 300 rpm에서 10 sec 2500 rpm에서 30 sec의 조건으로 Cu 범프가 형성된 시편 위에 coating하고 prebaking을 한 후 시간을 조절하여 노광 한 후 develop을 하여 범프의 윗면만 드러나고 범프의 옆면에는 절연층이 존재하도록 하였다. 이 후 curing과정을 통하여 절연층의 조직을 치밀하게 만들고 내화성을 가지도록 하였다. 또한 범프 사이에서 형성되는 절연층의 높이를 조절하기 위해서 용매를 감광성 절연 폴리머와 혼합하여 점도를 낮춰 spin coating을 실시 하였으며 용매의 비율이 커져 점도가 낮아질 수록 범프 사이에서 형성되는 절연층의 두께가 얇아지는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 실제 칩과 디자인이 같게 범프가 형성 되어 있는 시편에 절연층을 형성한 뒤 배선층이 형성된 유리기판과 ACF를 이용하여 70 MPa의 압력으로 180°C에서 5 sec동안 접합한 뒤 2 point probe 방법을 이용하여 범프 사이의 절연저항을 측정하고 단면을 관찰하여 절연층이 효과적으로 단락현상을 방지하는 것을 관찰하였다. 또한 배선층이 형성되지 않은 유리기판과 같은 조건으로 접합한 뒤 절연층이 전도성 입자의 분포에 미치는 영향을 관찰한 결과 용매와 혼합하지 않은 감광성 절연 폴리머가 코팅 된 시편에서 가장 많은 전도성 입자가 범프와 패드사이에서 관찰되었으며 가장 적은 전도성 입자가 범프와 범프사이에서 관찰 되었다. 반면 절연층이 형성되지 않은 시편에서 가장 적은 전도성 입자가 범프와 패드사이에서 관찰되었으며 가장 많은 전도성 입자가 범프와 범프사이에서 관찰되었다.
COG 접합부의 접속저항을 측정하기 위해 SiO2/Si 웨이퍼 위에 스퍼터링 시스템을 이용하여 Ti/Au/Cu/Ti의 금속층을 형성하였으며 배선층과 범프가 형성될 범프 패턴을 노광 공정과 습식 에칭 공정을 이용하여 형성하였다. 전해도금을 이용하여 범프 패턴이 형성된 부분에 20 µm 의 극 미세피치를 가지는 약 12 µm의 Cu 범프를 형성하였다. 그리고 PGEMA가 혼합된 감광성 절연 폴리머를 spin coating방법을 이용하여 50 rpm에서 10 sec, 300 rpm에서 10 sec 2500 rpm에서 30 sec의 조건으로 Cu 범프가 형성된 시편 위에 coating과 prebaking을 한 후 노광과 develop을 하여 범프의 윗면만 드러나고 범프의 옆면에는 절연층이 존재하도록 하여 curing을 하였다. ITO패드와 ACF를 이용하여 90 MPa, 100 MPa, 110 MPa의 압력으로 200°C에서 5 sec동안 접합한 뒤 4 point probe 방법을 이용하여 COG 접합부의 접속저항을 측정하고 접합부에 존재하는 전도성 입자의 수를 관찰 하였다. 그 결과 90 MPa에서 절연층이 형성된 시편이 형성되지 않은 시편에 비해 다소 높은 접속저항이 나타났지만 접합 압력을 높여 그 차이를 줄일 수 있었다.
본 연구에서 우리는 감광성 절연 폴리머를 이용하여 mask없이 범프의 옆면에 절연층을 형성하였으며 single layer ACF를 이용하여 단락현상을 완전히 방지 할 수 있는 COG 접합방법을 개발하였다.