고신뢰성 underfill

배종우, 황영훈, 정혜욱, 김원호

부산대학교 화학공학과

Advanced Underfill for High Thermal Reliability

Jong-Woo Bae, Young-Hun Hwang, Hye-wook Jung, and Wonho Kim,

Department of Chemical Engineering, Pusan National University, Pusan 609-735, Korea

서론

고분자 물질들은 저가이며, 낮은 유전상수를 가지는 장점에 의해 전자 패키징의 소재로 많이 이용되고 있다. 최근에 반도체 개발의 주요 경향은, 소형화와 다기능 화이다.[1] 이러한 경향에 따라 반도체 부분은 BGA(Ball Grid Arrays), 또는 flip chip on board assembly 등과 같은 공정으로 전환되어 가고 있으며, 공정의 변화에 따라 반도체 패키징 소재는 기존의 패키징 소재의 특성인, 높은 열전도도, 낮은 열팽창계수 등의 특성을 만족하면서 침투에 의한 공정이 가능한 저점도 액체 상의 새로운 물질(이후 underfill로 명명함.)을 요구하고 있다[1]. 이러한 underfill을 이용한 대표적 공정을 간단히 나타내면 다음 Fig. 1과 같다.

Underfill은 Fig. 1과 같은 공정을 거치는 과정에서 여러 가지 중요한 특성들이 요구되어 지는데, 공정 중 요구되는 주요 물성들을 보면, underfilling 공정에서 underfill은 capillary action에 의해 gap 사이를 완벽하게 채우도록 유도될 수 있을 정도의 높은 흐름성과 흐름공정 중 경화반응이 일어나지 않을 정도의 높은 경화온도를 요구하고, 경화공정에서 공정 중 열 소비에 대한 경제성 확보와 칩의 열적 stress를 감소를 위한 빠른 경화속도, 경화 후 solder/chip과 solder/substrate가 공존하는 공간에서 칩과 substrate사이의 열팽창의 불일치로 일어나는 물리적 stress를 최소화하기 위해 solder ball의 열팽창계수와 유사한 underfill의 열팽창계수를 필요로 한다.[2, 3] 그러나 underfill은 충분한 흐름성을 갖추기 위하여 filler의 함량이 낮기 때문에 기존의 wire-bonding packaging의 봉지재에 비하여 신뢰성이 떨어진다. 따라서 본 연구에서는 underfill의 신뢰성을 높이기 위하여, underfill resin, 경화제, 충진물(filler), 촉매 등의 underfill 첨가물의 각각의 물성, underfill 내의 조성, 첨가물들간의 상호관계에 의해 각 물질들의 특성을 파악하고 이들의 상호관계와 고내열 저용융온도의 thermoset imide(DBMI)를 투입하여 이에 따른 underfill의 열적 신뢰성을 향상시키고자 한다.

본론

1. 재료

본 연구에서 사용한 에폭시는 3,4-epoxy cyclohexylmethyl-3,4-epoxy cyclohexane carboxylate(Aldrich Co., USA)이며, 경화제(hardner)와 촉매는 각각 hexahydro-4-methylphthalic anhydride(Aldrich Co., USA)와,  cobalt(Ⅱ)acetylacetonate(Aldrich Co., USA)를 사용하였다. 충진제(filler)는 spherical type의 용융 실리카 2종(Tokuyama Co., Japan, 평균입자경; 1□, 8□)을 사용하였다. 또한 고신뢰성을 부여하기 위하여 낮은 용융온도(80oC)를 갖는 thermoset imide(이하 DBMI)를 실험실에서 합성하여 사용하였다.[4]

2. Underfill의 제조

필러 첨가 이전에 에폭시와 경화제의 원활한 분산을 위해 에폭시와 경화제를 2시간, 60∼70℃에서 자기 교반봉(magnetic stirrer)으로 충분히 혼합한 후, 촉매를 첨가하고 2시간, 60∼70℃에서 동일한 방법으로 다시 혼합하였다. 이렇게 혼합된 시료에 적정량의 필러를 투입하고 교반봉을 이용(1시간, 느린속도〈 300 RPM)하여 충분히 혼합하고 진공 chamber(1시간 이상, 60∼70℃)를 이용하여 기포를 제거하고 냉장고(-40℃)에 보관하였다.[2]

3 물성평가

3. 1. 경화도

촉매의 양에 따른 에폭시의 경화도를 측정하기 위해서 질소가스(N2) 분위기에서 DSC(Differential Scanning Calorimetry; Perkin Elmer Co., Pyris1)를 이용하여 촉매 양을 달리한 시료 각각을 5℃/min, 10℃/min, 20℃/min의 승온속도로, 40∼250℃ 범위에서 실험한 자료를 바탕으로 pyris kinetic program을 이용하여 경화도를 구하고 이를 전화율(conversion ratio)로 나타내었다.

3. 2. 표면장력

Capillary 침투의 주 변수인 표면장력을 측정하기 위해 tensometer(kruss Co., K101T)를 이용하여 80oC에서 plate method로 측정하였다.

3. 3. 점도

표면장력과 함께 침투의 주 변수인 점도를 측정하기 위해서 temp. controlled rheometer(Rheometrics, RDAⅡ)를 이용하여 cone-plate(직경: 2.5cm) method, 80℃, 10rad/s 조건에서 점도를 측정하였다.

3. 4. 열팽창계수의 측정

재료의 열팽창계수(CTE; Coefficient of Thermal Expansion)는 bar 형태의 시편을 사용하여 TMA(Thermal mechanical analyzer; Perkin-Elmer Co., TMA 7)에서 50mN의 힘으로 He 분위기하에서, 5oC/min의 승온속도로 측정하였다. 또한 유리전이온도(TgTMA)는 열 팽창율의 변곡점으로 결정한다.

3. 5. modulus의 측정

재료의 elastic modulus는 DMA(Dynamic mechanical analyzer; Perkin-Elmer Co., DMA 7e)에서 He 분위기에서 5oC/min의 승온속도로 측정하였다. 시료는 parallel plate 방법으로 110mN의 static force, 100mN의 dynamic force, 1Hz의 frequency로 측정하였다. 또한 유리전이온도(TgDMA)는 tan□의 최대점으로 결정하였다.

3. 6. 열중량분석

경화중의 중량감소를 TGA(Thermal Gravimetric analyzer; Perkin-Elmer Co., TGA7)를 이용하여 질소분위기(20ml/min)에서 20oC/min의 승온속도로 측정하였다.

3. 7. 내수성 평가

재료의 흡습율을 평가하기 위하여 바형태의 시편을 85oC의 증류수에 침지한후, 건조시켜서 시간에 따른 흡습량을 중량측정을 통하여 평가하였다.

결과 및 고찰

1. 충진제에 따른 흐름성 평가

크기가 다른(1□/8□) 필러 2종의 부피분율에 따른 표면장력과 점도의 변화를 측정하여 Fig. 2에 나타내었다. 시료들을 만드는 과정에서 1□의 필러의 경우에는 55 vol%를 초과 시에는, 필러의 과다충진으로 인한 혼합 중의 점도 증가로 균일한 분산 혼합이 어려웠고, 8□ 필러의 경우에도 65 vol%를 초과하기가 어려웠다.

2. R 값 변화에 따른 물성 평가

보조 경화제로서의 DBMI와 epoxy/anhydride system과의 당량비를 결정하기 위하여 DBMI를 수지의 4wt%로 고정한 후, R값을 달리하여 이에 따른 물성을 평가하였다. DBMI가 투입된 underfill의 R값을 달리하여 TMA로 측정한 유리전이온도와 CTE를 측정하여 Fig. 3에 나타내었다. 이때의 underfill은 170oC에서 2시간동안 경화하였다. Fig. 3은 R값이 높아짐에 따라서 상대덕인 경화제(anhydride)의 양이 감소함에도 불구하고, underfill의 Tg는 증가하고 CTE가 감소하는 것을 보여준다. 이는 DBMI가 경화제로서 epoxy와 반응을 함을 보여준다. 또한 DBMI 가 투입된 underfil이 기존의 underfill보다 높은 Tg와 낮은 CTE값을 가짐을 알수 있었다.

3. DBMI 함량에 따른 물성 평가

위의 결과를 바탕으로, DBMI가 투입된 epoxy/anhydride system의 R값을 1로 고정하고  DBMI의 함량에 따른 underfill의 물성을 열적 신뢰성의 평가 기준인 CTE, modulus와 내수성으로 평가하였다.

3. 1. CTE

DBMI의 함량에 따른 underfill의 CTE의 결과를 Table 1에 나타내었다. Table 1는 DBMI가 2wt% 투입될 때에 높은 Tg 값을 가져서 고온에서의 CTE가 급격하게 감소하는 것을 보여준다.

3. 2. modulus

일반적으로 재료의 열응력에 의한 crack에 대한 저항성은 재료의 elastic modulus와 반비례한다. 따라서 본 연구에서는 DBMI 함량에 따른 underfill의 modulus를 측정하여 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4는 anhydride보다 긴 사슬구조의 DBMI가 epoxy/anhydride system에서 toughener로 작용하기 때문에 작은 양(2∼4 wt%)의 DBMI가 투입된 underfill의 modulus 값이 급격하게 감소하는 것을 보여준다. 그러나, 그이상의 DBMI가 투입되게 되면 DBMI의 self-crosslinking 반응에 의하여 오히려 증가한다.

3. 3. 내수성 평가

DBMI의 함량에 따른 underfill의 내수성 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5의 상대적인 흡습량도 2wt%의 DBMI가 투입된 underill이 가장 낮아 내수성도 우수하다. 이는 높은 Tg 값을 가지는 2wt%의 DBMI가 높은 cross-linking density를 갖기 때문이다.

결론

DBMI의 함량이 2wt% 투입된 underfill 은 기존의 underfill 보다 CTE가 낮고, Tg와 내수성이 우수하여 높은 열적 신뢰성을 가진다.

참고문헌

1. C. P. Wong, S. shi and G. Jefferson, "High Performance Underfill for Low-Cost Flip-Chip Applications", Advances in Electronic packaging, ASME, 1, 157∼160 (1997)

2. C. P. Wong, M. B. Vincent and S. Shi, "Fast-Flow Underfill Encapsulant: Flow Rate and Coefficient of Thermal Expansion", Advances in Electronic packaging, ASME, 1, 301∼306 (1997)

3. M. L. Minges, Electronic Material Handbook, ASE International, 1 (1989)

4. H. Winter, H. A. M. Mostert and M. G. W. Tholen, J. of Appl. Polym. Sci., 45, 451-459(1992)

Table I. The CTE of the underfill as a function of DBMI content.

Fig. 1. Schematic diagram of general underfilling process.

Fig. 2. Surface tension and viscosity of underfill  Fig. 3 Tg and CTE of the underfill as a function         as a function of the volume fraction of a filler.   of R.

Fig. 4. The storage modulus of the underfill        Fig. 5.  Water resistance of the underfill as a function of DBMI content