에폭시/실리카 혼합재료의 점도거동 특성

김인범, 이명천, 이의수

동국대 화학공학과

Viscosity Behavior Characteristics of Epoxy/Silica Compounds

In-Beom Kim, Myung-Cheon Lee, Euy-Soo Lee

Department of Chemical Engineering, Dongguk University

Introduction

일반적으로 반도체 봉지재로서 사용되어지고 있는 에폭시 몰딩 혼합 재료(Epoxy Molding Compound, EMC)는 에폭시 수지 이외에 많은 양의 충전제를 포함하고 있는데, 주로 사용되어지는 것은 여러 종류의 실리카로서 보통 70 wt.% 이상을 차지한다. 이와 같이 많은 양의 충전제를 함유하게 되면 이 물질은 실제 공정에서 사용하게 될 때 계가 나타내는 유동학적인 거동특성들은 에폭시 수지에 의해서 뿐만 아니라 충전제에 의해 매우 복잡하게 나타내게 된다. 충전제가 함유되어진 유체의 경우, 그 유동학적 거동특성에 영향을 미치는 인자들은 충전제의 기하학적인 형태, 고분자 수지와의 interface에서의 상태, 충전제의 분산정도, 함량, 크기, 크기분포, 표면 처리 여부 등으로 매우 다양하다. 또한, 최근에 들어 고기능 반도체 봉지재용 EMC의 경우 실리카의 함량을 증가시키는 방향으로 개발되어지고 있는데, 이는 실리카 충전제의 함량이 증가하면 열에 대한 저항성 및 수치 안정성이 개선되어지고, 재료에 대한 가격 절감 효과를 기대할 수 있기 때문이다. 하지만, 반대로 충전제의 함량이 증가함에 따라 점도의 상승이 크게 일어나기 때문에 그 유동학적 거동 특성을 예측하는 것이 보다 어려워진다.

일반적으로 고탄성 유체와 고분자 용융 유체의 경우, 낮은 shear rate에서의 steady shear viscosity를 측정하는 것이 어렵다. 이 shear viscosity를 예측할 수 있는 유용한 경험 식으로 제시되어진 것이 Cox-Merz 식인데, 그 식은 다음과 같이 표시되어진다.

[eqn: eta ( dot gamma `)~=~ eta ^* ( omega `)]

여기에서 [eqn: dot gamma]는 shear rate, □*는 동적점도, □는 동적frequency이다. 이 식은 cone-and-plate나 parallel plate를 사용하는 레오미터에 의해 유동 특성을 실험하게 될 경우, 낮은 범위의 shear rate에서의 steady shear viscosity, □를 측정하는 것이 어렵기 때문에 실험에 의해 보다 용이하게 측정할 수 있는 frequency 범위에서의 동적점도, □*를 결정하여 steady shear viscosity, □로 전환하는 유용한 경험식이다. 이 식은 점도변화가 strain값에 무관한 순수수지에 대하여 적용이 가능하지만 수지가 커다란 측쇄를  포함한다거나 고농도의 충전제가 포함되어 있는 경우 strain값에 따라 점도가 변하기 때문에 잘 맞지 않는다. 따라서, 고충전된 물질에 대하여는 steady shear viscosity를 effective shear rate,□m□의 함수로 표시한 modified Cox-Merz 식이 제안되었으며, 이 관계식은 다음과 같이 표시된다.

[eqn: eta ( dot gamma `)~=~ eta ^* ( gamma_m omega `)]

여기에서 [eqn: gamma _m]은 maximum strain이다. 이 식을 이용하면 동적점도측정 실험을 이용하여 비교적 넓은 범위에서 steady shear rate에 따른 점도변화를 알수 있다.

본 연구에서는 충전제가 함유되어진 고분자 유체에 대하여 충전제의 종류, 모양, 크기, 크기 분포, 함량에 따른 점도 등의 유동학적 거동 특성을 파악하고 이것에 근거하여 유동학적 거동 특성들을 기존의 모델식이나 이론들을 이용하여 보다 광범위하게 적용할 수 있는지의 여부를 확인해 보는 것이 필요하다고 하겠다.

따라서, 본 논문에서는 실리카의 함량, 모양 그리고 크기등이 변할 때 점도 거동이 shear rate에 따라 어떻게 변하는지를 modified Cox-Merz 식을 이용하여 도시한 후 살펴 보았다.

Experiment

실험에 사용되어진 에폭시 수지는 노블락계 수지로서 현재 반도체 봉지재용 컴파운드로 사용되어지는 수지이다. 또한, 실험에 사용되어진 실리카 충전제는 형태에 따라 구상과 각상의 2가지 종류에 대하여 실험을 진행하였는데, 구상 실리카의 경우는 평균 입자크기가 29, 15, 8□ (Silica A, B, C)의 세 가지가 사용되어졌으며, 각상 실리카의 경우는 5□의 한 종류(Silica D)가 사용되었다. 각각의 실리카의 함량을 40 ∼ 70 volume%로 하여 에폭시 수지와 혼합하여 준비한 후 이 시료를 Brabender kneader를 사용하여 80℃에서 10분간 혼련한 후 파우더로 제조하였다. 제조되어진 시료 파우더는 직경 25mm의 parallel-plate가 부착되어진 RMS (Rheomerics, RMS 800)용 시편으로 제작되어 점도거동변화  측정에 사용되었다.

Results and Discussion

RMS를 사용하여 각각의 실리카 충전제에 대하여 함량 및 frequency에 따른 점도 거동 변화를 strain 1%에서 실험한 결과를 fig. 1에 나타내었다. 이 그림에서 보면  충전제의 함량이 증가함에 따라서 점도의 상승이 지수승으로 증가함을 알 수있는데 구상의 경우 저충전농도에서는 상승이 미미하다가 고농도에서 급작스럽게 증가하는 반면 각상의 경우 저농도에서부터 고농도까지 지속적으로 점도가 크게 증가함을 알수 있다. 한편 frequency에 따른 점도변화를 보면 frequency가 클수록 shear thinning 현상 때문에 점도가 작아짐을 볼 수있고 고농도로 간다해도 점도상승폭이 줄어듬을 알수 있다. 그러나 각상의 경우 frequency증가에 따라 점도가 작아지기는 하나 점도상승폭은 지속적으로 커짐을 알수 있다.

구상충전제의 경우 충전제의 함량이 낮은 쪽에서 Newtonian flow behavior를 보임을 알 수 있으며, 함량이 높은부분에서는 shear thinning 현상을 볼 수 있는데 이는 데이터들을 Cox-Merz 식에 의해 도시한 fig.2에서 확인할 수 있었다. 또한 이 그림에서 보면 고농도로 갈수록 strain값에 따른 점도차이가 크기 때문에 Cox-Merz 식이 잘 맞지 않음을 볼 수 있다. 따라서, modified Cox-Merz 식을 사용하여 fig. 3에 나타내었다. 여기에서 보면 충전제의 함량이 증가할 때 shear rate가 증가함에 따라 점도가 감소하는 shear-thinning 이 커짐을 알 수 있다. 각상 실리카 충전제에 있어서는 shear-thinning 현상이 더 크고 빠르게 나타난다. 전반적으로 구상 실리카 충전제는 평균 크기에 따라서 일정 농도 이상이 되면 shear rate에 따라서 yield stress를 보인다. 특히 각상 실리카의 경우는 낮은 농도의 시스템에서도 shear-thinning과 yield stress 현상을 보임을 알 수 있었다.

Fig. 1 Silica A, B, C, D에 대한 함량 및 frequency 변화에 따른 점도 거동 변화.

Fig. 2 Silica A에 대한 shear rate 변화에 따른 Cox-Merz 식에 의한 점도 변화.

Fig. 3 Silica A에 대한 shear rate 변화에 따른 modified Cox-Merz 식에 의한	점도 변화.

References

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