스마트폰과 같은 휴대형 전자제품은 카메라, 디스플레이, 터치스크린 등과 같은 다양한 기능의 모듈을 연결해 소형화를 추구하고 있습니다.
기술의 발전과 사용자 요구로 갈수록 사용되는 모듈의 수가 점점 더 늘어나고 있지만, 기존 모듈 연결에 쓰이는 소켓형 커넥터가 큰 부피를 갖기 때문에 소형화가 더이상 불가능해지면서, 이를 대체할 수 있는 새로운 모듈 접속방법 개발이 지속적으로 요구되고 있습니다.
KAIST 신소재공학과 백경욱 교수팀은 휴대형 전자기기의 기존 모듈접속을 완벽하게 대체할 수 있는 초박형 접합기술 개발에 성공했습니다.
연구팀은 초미세 솔더·접착제 필름을 이용한 복합 신소재를 개발하고, 수직방향 초음파 접합 공정을 고안해 이를 동시에 사용, 신뢰성이 높은 초박형 접속을 구현했습니다.
(상) 기존 소켓형 모듈 커넥터 (하) KAIST의 초박형 모듈 접속 기술
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(상) 기존 소켓형 모듈 커넥터 (하) KAIST의 초박형 모듈 접속 기술
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이번 기술 개발로 두께가 얇으면서도 신뢰성을 완벽히 개선해 소켓형 커넥터를 대체, 전자산업에 커다란 변화를 가져올 것으로 기대되고 있습니다.
이번 백 교수팀의 개발 핵심은 기존 제조상의 문제를 완벽하게 개선할 수 있는 대안으로, 열에 의해 녹아서 전극과 합금 결합을 형성할 수 있는 초미세 솔더 입자와, 열에 의해 단단히 굳으며 전극을 감싸 기계적으로 보호할 수 있는 열경화성 접착제 필름의 복합 신소재 개발입니다.
KAIST의 신소재를 이용한 초박형 모듈 접합부 개념도
이 소재를 이용하면 기존 소켓형 커넥터보다 두께는 1/100 수준으로 얇아지면서도 전기적·기계적 특성과 신뢰성이 모두 우수한 접속부를 구현할 수 있다.
또 공정 측면에서도 기존 접합방식인 뜨거운 금속 블록으로 열을 가하는 것은 생산관리가 어렵고 최대 소비전력이 약 1000W로, 에너지 소모가 많은 데다 접합시간도 최대 15초나 소요됐습니다.
백경욱 교수
이 같은 기술은 휴대폰을 뿐만 아니라 터치스크린 패널 조립, LED 백라이트유 등 다양한 전자제품 조립 분야에 광범위하게 쓰일 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.
백 교수와 이기원 박사과정 학생과 공동으로 개발한 이번 기술은 세계 최대 규모의 전자부품기술학회(Electronic Components and Technology Conference) 등의 저명 학술 대회에서 최우수 학생 논문상 2회 수상을 비롯해 세션 최우수 논문으로도 선정됐습니다.
<연 구 개 요>
연구팀이 개발한 복합 신소재는 학계와 업계에서 이방성 전도성 필름(ACF, Anisotropic conductive film, 전도성이 방향에 따라 다름, 상하방향으로는 전도성이 있으나 좌우 방향으로는 전도성이 없음)으로 불리고 있는 접속 재료에 새로운 초음파 공정과 솔더 합금화를 세계 최초로 응용하여 기존의 특성 한계를 넘어선 것에 그 의의가 있다. 기존의 ACF는 전자 패키징 (반도체나 부품을 사용할 수 있게 하는 기판, 전극, 접속 기술 등을 통칭하는 용어) 에서 널리 쓰이는 접속 재료로써 일반적으로 필름 형태의 열경화성(열에 의해서 단단하게 굳어짐) 폴리머 수지 내부에 분산된 도전(전기를 통하게 하는) 입자로 구성되어 있다. ACF는 접속하고자 하는 전극 사이에 간단히 도포하고 열과 압력만을 가하면 전기적, 기계적 접속을 동시에 이룰 수 있는 간단한 공정과 미세피치 (전극 간격이 미세한) 접속에 적용이 가능하다는 장점으로 인해 각광받고 있으며, 평판 디스플레이와 반도체 패키징 분야에서 다양하게 사용되어 왔다.
최근에는 ACF의 사용이 모바일 전자 기기의 모듈 접속 분야까지 확대되고 있다. 기존의 모바일 전자 기기에서 다기능성, 디자인 효율성, 경량화 등의 장점으로 인해 모듈화가 급속히 진행됨에 따라 모듈 접속 방법의 중요성 또한 커지고 있는데 기존의 모듈 접속 방법인 소켓형 커넥터는 실장 면적이 크다는 점과 미세피치 접속이 어렵다는 두 가지 뚜렷한 한계가 있었기 때문이다. ACF을 이용한 모듈 접속은 단순히 Flexible PCB(Printed circuit board, 휘는 플렉서블 기판)와 Rigid PCB(일반적인 단단한 인쇄회소 기판)를 ACF로 접합함으로써 초박형, 미세피치 접속을 가지는 모듈 접속부를 구현할 수 있다. 하지만 이런 장점에도 불구하고 모듈 접속 방법으로써 Flexible PCB와 Rigid PCB 간 ACF 접합은 매우 취약한 생산성의 기존 공정과 전기적 특성, 신뢰성의 한계가 실제 기술 도입의 걸림돌이 되고 있는 실정 이다. 따라서 이번 연구에서는 기존 ACF 접합 공정을 대체할 수 있는 새로운 상온 고속 ACF 접합 공정을 제안하는 동시에 이를 이용해 향상된 특성을 구현할 수 있는 새로운 ACF 재료를 제안했다.
첫째, 접합 공정 개선의 측면에서 기존의 고온 열압착 공정을 개선하기 위해 본 연구에서는 상온에서 초음파를 인가하는 방식의 새로운 ACF 접합 공정을 제안했다. 고온 열압착 방식은 ACF의 경화가 충분히 진행될 수 있는 약 180℃ ~ 200℃의 온도를 구현하기 위해 약 250℃ ~ 350℃의 높은 공정온도가 필요하며, 열전도에 의한 느린 경화로 인해 최대 15초 이상의 접합시간이 필수적이다. 이런 공정 조건들은 생산성에도 직접적인 영향을 미칠 뿐 아니라, 높은 접합온도에서 상온으로 냉각 시 발생하는 열응력 등 최종 샘플의 신뢰성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 외부에서 전혀 열을 가하지 않고 상온에서 초음파를 인가해 ACF에서 빠르게 발열이 일어날 수 있는 새로운 ACF 접합 공정을 제안했으며, 이론적 연구를 바탕으로 하여 접합 공정을 실제로 구현했다. ACF 온도는 인가하는 초음파 진동의 진폭을 조절해 상온에서 300도 이상의 범위에서 자유롭게 조절이 가능했으며 최대 초당 400도 이상의 빠른 속도로 순간적인 승온이 가능했다. ACF 접합은 5초 이내로써 최소 1초에도 접합이 가능했으며 동시에 상용 ACF를 사용하는 경우 짧은 공정 시간으로도 기존 열압착 공정에서의 접합부와 동일한 성능 및 신뢰성을 구현할 수 있었다.
둘째, 이번 연구에서는 상온 초음파 접합의 장점을 활용해 기존의 ACF 보다 성능이 더 뛰어나며 신뢰성이 크게 개선된 새로운 솔더 ACF 재료도 제안했다. 기존의 ACF의 경우 금속 입자와 전극 간의 물리적 접촉을 통해 접속을 수행해 점 접촉에 가까운 형태로써 높은 접촉 저항을 가지는 단점이 있었다. 또한 전기적 접촉이 금속 입자가 분산되어 있는 접착제 필름 자체의 접착력에 의해서 유지되므로 접속부의 신뢰성 또한 취약한 측면이 있었다. 이번 연구에서 제안된 초음파를 이용한 ACF 접합에서는 공정 온도와 상관없이 ACF 자체 발열을 통해 온도를 거의 제약 없이 제어할 수 있으므로 기존의 ACF에서 사용하던 금속 입자 대신에 솔더 입자를 사용해 솔더 조인트를 형성 할 수 있다는 장점이 있다. 솔더 조인트의 경우 솔더 입자와 전극 간의 금속간 합금 형성을 통해 솔더 입자와 전극이 완전히 하나로 결합되게 함으로써 매우 낮은 접촉 저항을 구현할 수 있고, 높은 전류를 통하는 것이 가능하며, 신뢰성이 극적으로 향상되는 우수한 결과를 얻을 수 있었다. |
