Win-Win Tech - Ultra-Low CTE 특성을 갖는 에폭시 소재 기술
1 ppm/℃이하의 극저열팽창 특성을 갖는 에폭시 복합체 기술
대부분의 물질들은 냉각되면 수축하여 부피가 감소되고, 가열되면 부피가 늘어나는 열팽창(Thermal Expansion) 현상을 보인다.
차가운 유리컵에 뜨거운 물을 부으면 유리컵이 깨지는 것이나, 뜨거운 여름날 기차선로가 뒤틀어지는 현상은 우리 주변에서 흔히 보게 되는 열팽창에 기인하여 발생하는 현상들이다.
유리컵에 뜨거운 물을 부으면 유리컵 내에 온도 편차가 생기는데, 유리같이 취성(Brittleness)이 큰 소재는 컵 내부에 발생한 불균일한 열팽창(Uneven Thermal Expansion)으로 인한 열응력(Thermal Stress)을 견디지 못하기 때문에 유리컵이 깨지는 현상이 발생하게 되는 것이다.
이와 같은 물질의 열팽창 특성은 모든 소재들의 고유한 특성으로, 아래 식과 같이 정의된 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)로 정량화된다.
소재별 CTE 특성을 살펴보면, 고분자소재는 일반적으로 50~200ppm/℃로 온도변화에 따른 열팽창이 매우 크고, 실리콘과 같은 무기계 소재는 3ppm/℃수준으로 온도변화에 따른 치수(Dimension) 변화가 매우 작고, 금속 및 금속 알로이 소재는 10~30 ppm/℃로 세라믹과 유기 고분자 소재의 중간 정도의 열팽창 특성을 보인다.
열팽창계수가 가장 낮은 것으로 알려진 물질은 1986년 스위스 과학자인 Charles Édouard Guillaume가 발명한 INVAR라고 불리는 Iron-Nickel Alloys로써, 0.6~1.2ppm/℃ 수준의 아주 낮은 열팽창 특성을 보인다.
INVAR라는 이름은 온도변화에 따른 팽창이나 수축이 없다는 ‘Invariable’라는 단어에서 유래된 것으로 알려져 있다.
온도에 따른 치수변화가 거의 없는 INVAR강의 발명은 치수안정성이 매우 중요한 정밀 과학계측기 제작에 크게 기여하였는데, Guillaume은 이 같은 공로를 인정받아 1902년 노벨물리학상을 받기도 했다.
한편, 2종 이상의 소재를 사용하여 부품을 제조하는 경우 온도에 따른 치수변화를 보이는 소재의 고유 특성으로 인하여, 소재 간 CTE-Mismatch 현상을 필연적으로 동반하게 된다.
바이메탈의 경우와 같이, 열팽창 특성이 다른 두 매의 금속판을 붙여서 만든 스트립이 온도변화에 따라서 휘어지는 원리를 이용하여 자동온도 조절 장치나 온도계 제조 등에 긍정적으로 응용되는 경우도 있다.
하지만 대부분의 경우 소재간 CTE 값 차이는 부품 설계 및 제조에 부정적인 영향을 준다.
예를 들어 CTE 값이 다른 이종 소재가 인접한 부품의 경우 CTE 차이로 계면에 발생된 열적스트레스로 인하여 계면 크랙이 발생되거나 기판이 휘는 현상이 발생한다.
때문에 부품의 신뢰성 확보에 큰 어려움을 겪기도 하는데, 반도체 패키징 분야는 이 같은 소재간 CTE-Mismatch로 인한 문제가 심각한 산업 분야 중의 하나이다.
반도체 패키징이란 실리콘 칩을 반도체 기판이나 PCB에 연결하여 부품으로 작동할 수 있도록 해주는 기술로써 실리콘 칩, 금속 전극, 에폭시 수지와 같이 CTE 차이가 큰 소재들이 동시에 사용된다.
따라서 반도체 공정 중에 발생하는 급격한 온도에 의해, 계면 크랙이 발생하거나 휨(Warpage)이 발생하는 등의 실장 신뢰성을 크게 감소시키는 일들이 종종 발생된다.
반도체 패키징에서의 CTE-Mismatch 문제는 Pb-Free 솔더링을 사용하거나, 기판의 박형 · 단소화 등과 같은 산업 트렌드로 인하여 최근에는 더욱 더 심각해지고 있다.
또한 칩면적이 큰 ASIC용 기판이나 Flip-Chip 접속타입(칩과 기재가 솔더에 의해 접속되기 때문) 역시 타소재에 비해 높은 CTE 특성을 보이는 에폭시 소재로 인한 문제가 심각해져서, 보다 낮은 열팽창계수를 가진 에폭시 소재에 대한 중요성이 증대하고 있다.
뿐만 아니라 최근 회로 밀도를 향상하기 위해서는 비아반경이 작아지는 경향이 있는데, 작아진 Land 접촉 면적으로 인한 고온 접속불량 감소를 위해서는 저CTE 층간절연재료가 필요하고, 에폭시 기판과 반도체 칩(특히 Low k)간의 CTE갭이 크면 실장시 칩파괴가 발생하므로 열팽창률이 작은 층간절연소재를 더욱 필요로 하고 있다.
상기한 바와 같이 에폭시 소재는 우수한 전기적 성질, 접착력, 성형성, 내열성, 기계적 강도 등을 갖고 있고, 경화제의 선택에 따라 다양한 물성의 구현이 가능하다.
때문에 반도체 패키징의 절연소재로 폭 넓게 사용되는 소재이나, 에폭시의 높은 CTE 특성 개선은 차세대 반도체 패키징 산업의 주요 연구 과제 중의 하나로 인식되고 있다.
현재 상용화되어 널리 사용되고 있는 대표적인 에폭시 유리섬유복합체인 FR-4의 경우는 15~20ppm/℃으로 높은 CTE 값을 보이고 있고, 해외 선진사의 Low-CTE Grade의 경우도 약 10ppm/℃수준으로 실리콘칩에 비해서는 여전히 높은 CTE 특성을 보이고 있다.
한국생산기술연구원에서는 반도체 패키징용 에폭시 소재의 가장 큰 문제점 중의 하나인 높은 CTE 특성을 개선하여, 높아진 반도체 공정온도 및 기판 박형화 등의 차세대 트렌드에 잘 대응할 수 있는 신규 에폭시 소재를 개발했다.
기존의 저CTE 에폭시 개발 연구에서는, 신규 에폭시 레진 개발보다는 무기물 함량증대와 같은 에폭시 배합 기술개발을 통하여 시스템의 CTE를 낮추려는 연구가 널리 진행되고 있다.
그러나 이러한 접근방법은 CTE 저감의 한계를 보일 뿐만 아니라, 필러 고충진으로 인한 공정성 감소 문제를 필연적으로 동반하는 문제점을 가지고 있다.
따라서 한국생산기술연구원에서는 무기물의 고충진화보다는 새로운 개념의 신규 에폭시 수지 설계를 통한 연구개발을 진행했으며, 최근 아래와 같은 Ultra-Low CTE 복합체 개발에 성공하였다.
한국생산기술연구원에서는 다양한 응용분야에 적용 가능 하도록, Bisphenol A계, 바이페닐계, 나프탈렌계, 트라이페닐메탄계, 아이소시아뉴레이트계, 노블락계 등 다양한 방향족 코아를 갖는 신규 에폭시를 합성했다.
본 에폭시 수지를 이용하여 제조된 유리섬유복합체는 실리콘 칩 수준의 3ppm/℃ 수준의 복합체부터, 아래 그림과 같이 CTE < 1ppm/℃ 수준으로 거의 열팽창이 없는 Ultra-Low CTE 에폭시 복합체 제조에 성공하였다.
무기물 수준의 Ultra-Low CTE 특성 이외에 한국생산기술연구원 에폭시만의 또 다른 특징은 유리섬유 · 필러와 복합화시, 유기고분자의 특징 중의 하나인 Glass Transition 현상이 사라지는 Tg-Less 전이현상을 보인다는 것이다.
DMA를 이용하여 온도에 따른 모듈러스의 변화를 측정해보면 ~300℃까지 Storage Modulus의 감소가 거의 없고, 해당 온도 구간에서의 tan δ의 변화가 거의 없는 것으로 관찰된다.
비교를 위해 같이 제공된 상용 BPA계 에폭시의 경우, 150℃ 부근의 유리전이온도를 거치면서 Storage Modulus가 크게 감소하는 것을 볼 수가 있다.
유리섬유복합체뿐만 아니라 필러복합체에서도 한국생산기술연구원에서 개발한 에폭시는 우수한 내열 특성을 보여주고 있다.
실리카입자가 80wt% 충진된 필러복합체는 3~5ppm/℃으로 매우 낮은 열팽창 특성을 보여줄 뿐만 아니라, 유리전이온도가 Tg > 250℃으로 매우 우수한 내열특성을 보여준다.
참고로 상용 나프탈렌계 에폭시(HP-4032D)와 생기원에서 합성한 나프탈렌계 에폭시 필러복합체를 동일한 조건에서 제조하여 그 결과를 아래 그림에 제공했다.
이상과 같이 한국생산기술연구원에서는 INVAR강 수준의 매우 낮은 열팽창 특성을 갖는 에폭시 복합소재 개발에 성공했으며, 이 소재는 차세대 3D 반도체 패키징 산업 이외에, 우수한 치수안정성 및 고내열 특성이 요구되는 코팅, 접착제, 기판 및 구조 재료로써 다양한 산업분야로 적용이 가능할 것으로 기대된다.