충전재 변화에 따른 Chip Scale Package(CSP)용 액상 에폭시 수지 성형물 (Epoxy Molding Compound)의 흡습특성 The Moisture Absorption Properties of Liquid Type Epoxy Molding Compound for Chip Scale Package According to the Change of Fillers원문보기
반도체의 경박단소화, 고밀도화에 따라 향후 반도체 패키지의 주 형태는 CSP(Chip Scale Package)가 될 것이다. 이러한 CSP에 사용되는 에폭시 수지 시스템의 흡습특성을 조사하기 위하여 에폭시 수지 및 충전재 변화에 따른 확산계수와 흡습율 변화를 조사하였다. 본 연구에 사용된 에폭시 수지로는 RE-304S, RE-310S, 및 HP-4032D를, 경화제로는 Kayahard MCD를, 경화촉매로는 2-methyl imidazole을 사용하였다. 충전재 크기 변화에 따른 에폭시 수지 성형물의 흡습특성을 조사하기 위하여 충전재로는 마이크로 크기 수준 및 나노 크기 수준의 구형 용융 실리카를 사용하였다. 이러한 에폭시 수지 성형물의 유리전이온도는 시차주사열량계를 이용하여 측정하였으며, 시간에 따른 흡습특성은 $85^{\circ}C$ and 85% 상대습도 조건하에서 항온항습기를 사용하여 측정하였다. 에폭시 수지 성형물의 확산계수는 Ficks의 법칙에 기초한 변형된 Crank 방정식을 사용하여 계산 하였다. 충전재를 사용하지 않은 에폭시 수지 시스템의 경우, 유리전이온도가 증가함에 따라 확산계수와 포화흡습율이 증가 하였으며 이는 유리전이온도 증가에 따른 에폭시 수지 성형물의 자유부피 증가로 설명하였다. 충전재를 사용한 경우, 충전재의 함량 증가에 따라 유리전이온도와 포화흡습율은 거의 변화가 없었으나, 확산계수는 충전재의 입자 크기에 따라 많은 변화를 보여주었다. 마이크로 크기 수준의 충전재를 사용한 경우 확산은 자유부피를 통하여 주로 이루어지나, 나노 크기 수준의 충전재를 사용한 에폭시 수지 성형물에서는 충전재의 표면적 증가에 따른, 수분 흡착의 상호작용을 통한 확산이 지배적으로 이루어진다고 판단된다.
반도체의 경박단소화, 고밀도화에 따라 향후 반도체 패키지의 주 형태는 CSP(Chip Scale Package)가 될 것이다. 이러한 CSP에 사용되는 에폭시 수지 시스템의 흡습특성을 조사하기 위하여 에폭시 수지 및 충전재 변화에 따른 확산계수와 흡습율 변화를 조사하였다. 본 연구에 사용된 에폭시 수지로는 RE-304S, RE-310S, 및 HP-4032D를, 경화제로는 Kayahard MCD를, 경화촉매로는 2-methyl imidazole을 사용하였다. 충전재 크기 변화에 따른 에폭시 수지 성형물의 흡습특성을 조사하기 위하여 충전재로는 마이크로 크기 수준 및 나노 크기 수준의 구형 용융 실리카를 사용하였다. 이러한 에폭시 수지 성형물의 유리전이온도는 시차주사열량계를 이용하여 측정하였으며, 시간에 따른 흡습특성은 $85^{\circ}C$ and 85% 상대습도 조건하에서 항온항습기를 사용하여 측정하였다. 에폭시 수지 성형물의 확산계수는 Ficks의 법칙에 기초한 변형된 Crank 방정식을 사용하여 계산 하였다. 충전재를 사용하지 않은 에폭시 수지 시스템의 경우, 유리전이온도가 증가함에 따라 확산계수와 포화흡습율이 증가 하였으며 이는 유리전이온도 증가에 따른 에폭시 수지 성형물의 자유부피 증가로 설명하였다. 충전재를 사용한 경우, 충전재의 함량 증가에 따라 유리전이온도와 포화흡습율은 거의 변화가 없었으나, 확산계수는 충전재의 입자 크기에 따라 많은 변화를 보여주었다. 마이크로 크기 수준의 충전재를 사용한 경우 확산은 자유부피를 통하여 주로 이루어지나, 나노 크기 수준의 충전재를 사용한 에폭시 수지 성형물에서는 충전재의 표면적 증가에 따른, 수분 흡착의 상호작용을 통한 확산이 지배적으로 이루어진다고 판단된다.
Since the requirement of the high density integration and thin package technique of semiconductor have been increasing, the main package type of semiconductor will be a chip scale package (CSP). The changes of diffusion coefficient and moisture content ratio of epoxy resin systems according to the c...
Since the requirement of the high density integration and thin package technique of semiconductor have been increasing, the main package type of semiconductor will be a chip scale package (CSP). The changes of diffusion coefficient and moisture content ratio of epoxy resin systems according to the change of liquid type epoxy resin and fillers for CSP applications were investigated. The epoxy resins used in this study are RE-304S, RE310S, and HP-4032D, and Kayahard MCD as hardener and 2-methylimidazole as catalyst were used in these epoxy resin systems. The micro-sized and nano-sized spherical type fused silica as filler were used in order to study the moisture absorption properties of these epoxy molding compound (EMC) according to the change of filler size. The temperature of glass transition (Tg) of these EMC was measured using Dynamic Scanning Calorimeter (DSC), and the moisture absorption properties of these EMC according to the change of time were observed at $85^{\circ}C$ and 85% relative humidity condition using a thermo-hygrostat. The diffusion coefficients in these EMC were calculated in terms of modified Crank equation based on Ficks' law. An increase of diffusion coefficient and maximum moisture absorption ratio with Tg in these systems without filler can be observed, which are attributed to the increase of free volume with Tg. In the EMC with filler, the changes of Tg and maximum moisture absorption ratio with the filler content can be hardly observed, however, the diffusion coefficients of these systems with filler content show the outstanding changes according to the filler size. The diffusion via free volume is dominant in the EMC with micro-sized filler; however, the diffusion with the interaction of absorption according the increase of the filler surface area is dominant in the EMC with nano-sized filler.
Since the requirement of the high density integration and thin package technique of semiconductor have been increasing, the main package type of semiconductor will be a chip scale package (CSP). The changes of diffusion coefficient and moisture content ratio of epoxy resin systems according to the change of liquid type epoxy resin and fillers for CSP applications were investigated. The epoxy resins used in this study are RE-304S, RE310S, and HP-4032D, and Kayahard MCD as hardener and 2-methylimidazole as catalyst were used in these epoxy resin systems. The micro-sized and nano-sized spherical type fused silica as filler were used in order to study the moisture absorption properties of these epoxy molding compound (EMC) according to the change of filler size. The temperature of glass transition (Tg) of these EMC was measured using Dynamic Scanning Calorimeter (DSC), and the moisture absorption properties of these EMC according to the change of time were observed at $85^{\circ}C$ and 85% relative humidity condition using a thermo-hygrostat. The diffusion coefficients in these EMC were calculated in terms of modified Crank equation based on Ficks' law. An increase of diffusion coefficient and maximum moisture absorption ratio with Tg in these systems without filler can be observed, which are attributed to the increase of free volume with Tg. In the EMC with filler, the changes of Tg and maximum moisture absorption ratio with the filler content can be hardly observed, however, the diffusion coefficients of these systems with filler content show the outstanding changes according to the filler size. The diffusion via free volume is dominant in the EMC with micro-sized filler; however, the diffusion with the interaction of absorption according the increase of the filler surface area is dominant in the EMC with nano-sized filler.
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문제 정의
Table 2에서 나타낸 바와 같이 입자의 크기가 작을수록 비표면적이 증가하므로 충전재의 함량을 증가시키기는 어려움이 있다. 본 실험에서는 시편이 잘 제조될 수 있는 적정 충전재의 함량의 범위 내에서 실험을 진행하였다. 평균입도 99nm의 UFP-30의 경우 점도가 낮은 RE-304S와 RE-310S의 에폭시 시스템의 경우에 충전재의 함량이 60 wt %까지 제조가 가능하였으나, 점도가 비교적 높은 HP-4032D의 경우에는 시편이 잘 제조되지 않아 평가에서 제외하였다.
본 연구에서는 이러한 충전재가 에폭시 수지 성형재료의 내열, 내습 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하였다. 특히 충전재의 입자 크기에 따른 내열 및 내습 특성의 영향을 조사하였다.
차세대 반도체 패키지로 주목을 받고 있는 CSP의 성형 수지로 사용되는 액상 형태의 에폭시 수지 시스템의 흡습 특성을 조사하였다. 조사한 액상 형태의 수지로는 Bisphenol A와 Bisphenol F Type의 RE-310S와 RE-304S 수지를 사용하였고, Naphthalene Type의 HP-4032D수지를 사용하였다.
제안 방법
Figs. 6~8에 충전재의 함량을 각각40, 50, 60 wt %로 한에폭시 수지 성형재료의 충전재의 입자 크기 변화에 따른 RE-304S와 RE-310S및 HP-4032D를 에폭시 수지로 사용한 에폭시 수지 성형재료의 유리전이온도 변화와 확산계수 변화 및 포화흡습율의 변화를 도시하였다. 그림에 나타난 바와 같이 유리전이온도와 포화흡습율은 입자 크기에 따라 거의 변화를 보여주지 않는 반면, 확산계수는 큰 변화를 보여주고 있다.
흡습특성으로는 수분의 확산계수(Diffusion Coefficient)와 포화흡습율을 측정하여 비교하였다. 내열특성의 비교를 위해 각 성형물의 유리전이온도를 측정하였다. 또한 에폭시 수지변화에 따른 흡습율(Moisture Content Ratio) 및 수분의 확산계수를 측정함으로써 수지변화에 따른 수지성형 물의 흡습특성을 평가하였다.
내열특성의 비교를 위해 각 성형물의 유리전이온도를 측정하였다. 또한 에폭시 수지변화에 따른 흡습율(Moisture Content Ratio) 및 수분의 확산계수를 측정함으로써 수지변화에 따른 수지성형 물의 흡습특성을 평가하였다.
시료의 경화특성을 조사하기 위하여 Tg(유리전이온도) 를 측정하였다. 질소 Purging 하에서 TA Instruments사의 시차주사열량계(DSC, Model명: TA-2000)를 이용하여 측정하였으며, 승온조건은 0 ℃에서 250 ℃까지 10 ℃/min이다.
충전재를 사용한 에폭시 수지 성형재료 제조에는 우선 충전재의 표면처리를 위하여 충전재에 Coupling Agent를 넣고 Think Mixer에서 충분히 혼합한 후 성형재료 제조에 사용하였다. 여기에 액상 에폭시 수지와 경화제를 당량비 1:1로 하여 앞에서 언급한 동일한 과정을 거쳐 에폭시 수지 성형재료와 시편을 제조하였다.
입자의 형상도 중요한 변화 요인으로 사료되나, 체계적으로 변화를 주기가 어려우므로 일정한 모양(본 실험에서는 구형)을 갖는 용융 실리카를 충전재로 사용하였다. 입자의 평균 입도와 비표면적이 다른 용융 실리카를 사용한 에폭시 수지 성형물의 흡습특성을 용융 실리카의 평균 입도에 따라 분석하였으며, 충전재를 사용하지 않는 에폭시 수지 시스템의 흡습 특성과도 비교하였다. 흡습특성으로는 수분의 확산계수(Diffusion Coefficient)와 포화흡습율을 측정하여 비교하였다.
흡습율 측정을 위한 시편의 두께는 성형 후 Micrometer로 측정하였다. 충전재를 사용한 에폭시 수지 성형재료 제조에는 우선 충전재의 표면처리를 위하여 충전재에 Coupling Agent를 넣고 Think Mixer에서 충분히 혼합한 후 성형재료 제조에 사용하였다. 여기에 액상 에폭시 수지와 경화제를 당량비 1:1로 하여 앞에서 언급한 동일한 과정을 거쳐 에폭시 수지 성형재료와 시편을 제조하였다.
조사한 액상 형태의 수지로는 Bisphenol A와 Bisphenol F Type의 RE-310S와 RE-304S 수지를 사용하였고, Naphthalene Type의 HP-4032D수지를 사용하였다. 충전재의 입자 크기에 따른 에폭시 수지 성형재료의 흡습특성과 열적 특성과의 관계를 조사하기 위하여 Micro 크기 와 Nano 크기 수준의 입자를 갖는 충전재를 사용하여 에폭시 수지 성형재료를 제조하였으며, 이것의 유리전이온도와 확산계수 및 포화흡습율을 충전재를 사용하지 않은 에폭시 수지 시스템과 비교하였다. 유리전이온도는 에폭시 수지에 관련된 물성으로 충전재의 함량변화에 따라 거의 변화가 없었다.
본 연구에서는 이러한 충전재가 에폭시 수지 성형재료의 내열, 내습 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하였다. 특히 충전재의 입자 크기에 따른 내열 및 내습 특성의 영향을 조사하였다. 입자의 형상도 중요한 변화 요인으로 사료되나, 체계적으로 변화를 주기가 어려우므로 일정한 모양(본 실험에서는 구형)을 갖는 용융 실리카를 충전재로 사용하였다.
은 초기 시편의 무게이다. 포화흡습율의 측정은 시료를 100 ℃의 끓는 물속에 5일 정도 방치한 후 질량을 측정하여 포화 흡습율을 측정하였다. 포화 흡습율은 다음 식을 이용하여 계산하였다.
항온항습기를 이용하여 85℃, 85% 상대습도 조건하에서 흡습율을 측정하였다. 흡습율은 다음 식을 이용하였다.
이 시편을 150 ℃의 진공건조기에서 6시간 동안 후경화 하였다. 흡습율 측정을 위한 시편의 두께는 성형 후 Micrometer로 측정하였다. 충전재를 사용한 에폭시 수지 성형재료 제조에는 우선 충전재의 표면처리를 위하여 충전재에 Coupling Agent를 넣고 Think Mixer에서 충분히 혼합한 후 성형재료 제조에 사용하였다.
입자의 평균 입도와 비표면적이 다른 용융 실리카를 사용한 에폭시 수지 성형물의 흡습특성을 용융 실리카의 평균 입도에 따라 분석하였으며, 충전재를 사용하지 않는 에폭시 수지 시스템의 흡습 특성과도 비교하였다. 흡습특성으로는 수분의 확산계수(Diffusion Coefficient)와 포화흡습율을 측정하여 비교하였다. 내열특성의 비교를 위해 각 성형물의 유리전이온도를 측정하였다.
특히 충전재의 입자 크기에 따른 내열 및 내습 특성의 영향을 조사하였다. 입자의 형상도 중요한 변화 요인으로 사료되나, 체계적으로 변화를 주기가 어려우므로 일정한 모양(본 실험에서는 구형)을 갖는 용융 실리카를 충전재로 사용하였다. 입자의 평균 입도와 비표면적이 다른 용융 실리카를 사용한 에폭시 수지 성형물의 흡습특성을 용융 실리카의 평균 입도에 따라 분석하였으며, 충전재를 사용하지 않는 에폭시 수지 시스템의 흡습 특성과도 비교하였다.
성형 재료 제조에 사용된 에폭시 수지는 Nippon Kayaku Co. 제품인 RE-304S, RE-310S 및 Dai Nippon Ink사의 HP 4032D를 사용하였다. 경화제로는 Nippon Kayaku Co.
차세대 반도체 패키지로 주목을 받고 있는 CSP의 성형 수지로 사용되는 액상 형태의 에폭시 수지 시스템의 흡습 특성을 조사하였다. 조사한 액상 형태의 수지로는 Bisphenol A와 Bisphenol F Type의 RE-310S와 RE-304S 수지를 사용하였고, Naphthalene Type의 HP-4032D수지를 사용하였다. 충전재의 입자 크기에 따른 에폭시 수지 성형재료의 흡습특성과 열적 특성과의 관계를 조사하기 위하여 Micro 크기 와 Nano 크기 수준의 입자를 갖는 충전재를 사용하여 에폭시 수지 성형재료를 제조하였으며, 이것의 유리전이온도와 확산계수 및 포화흡습율을 충전재를 사용하지 않은 에폭시 수지 시스템과 비교하였다.
)을 사용하였다. 충전제로는 Denka사의 구형 실리카를, Coupling Agent로는 3-glycidoxy propyl trimethoxy silane을 사용하였다. Table 1에 각 원료성분의 구조와 Grade명을 나타내었다.
이론/모형
에폭시 수지 성형 재료의 확산계수를 측정하기 위하여 다음의 변형 Crank 방정식을 이용하였다. 11,12
성능/효과
그러므로 유리전이온도는 충전재의 함량과는 큰 관련이 없는 에폭시 수지의 고유특성으로 판단할 수 있다.17,18 확산계수는 충전재의 함량 증가에 따라 증가하는 경향을, 포화흡습율은 감소하는 경향을 보여주고 있다. 그러나 이 경향은 Naphthalene Moiety를 갖는 HP-4032D를 에폭시 수지로 사용한 성형재료의 경우에보다 확실하게 나타나는 것으로, RE-304S와 RE-310S를 에폭시 수지로 사용한 성형재료에서는 큰 변화를 관찰할수 없었다.
이러한 미충전된 액상 에폭시 수지 시스템의 유리전이온도와 식 (3)을 이용하여 계산한 확산계수 및 측정한 포화흡습율을 Table 3에 정리하였다. Table 3에서 보듯이 Bisphenol A type의 RE-310S 에폭시 수지 시스템의 유리전이온도가 Bisphenol A group의 methyl unit에 의해RE-304S에폭시 수지 시스템보다 높게 나타났으며, Naphthalene Moiety를 갖는 HP4032D 에폭시 수지 시스템의 유리전이온도가 가장 높게 나타났다.
유리전이온도는 에폭시 수지에 관련된 물성으로 충전재의 함량변화에 따라 거의 변화가 없었다. 확산계수는 유리전이 온도가 높은, 자유부피가 큰 HP-4032D를 에폭시 수지로 사용한 수지 성형재료에서 증가하였고, 표면적이 큰 Nano 크기 입자를 충전재로 사용한 에폭시 수지 성형재료에서도 확산계수가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 에폭시 수지 성형재료의 포화흡습율은 충전재의 함량 변화와 입자 크기 변화에 따라 거의 변화가 없었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반도체 소자의 패키지 소재에 기존의 재료에 비해 더 높은 수준의 내습특성이 요구되는 이유는 무엇인가?
1-3 그러나 현재 사용되고 있는 납을 사용하지 않는 무납 리플로우 솔더링 방식은 기존 공정보다 고온에서 이루어지기 때문에 내열성이 우수하고 내습특성이 향상된 패키지 재료를 요구하고 있다. 특히 본 공정에서의 가장 큰 문제는 패키지 자체가 직접 열에 접촉이 되기 때문에 반도체 소자 내부에 침투한 수분의 증기압에 의한 팝콘 균열이라고 불리는 패키지 균열이다. 또한 패키지 내부로 침투한 수분은 패키지 재료의 연성화와 접착력의 감소를 유발하여 Solder Bump또는 Wire Bond와 박리현상이 나타나 반도체 패키지의 신뢰성 저하를 초래하고 있다. 이와 같이 무납 솔더링 방식의 도입과 반도체 소자의 박형화 추세에 따라 CSP와 같은 반도체 소자의 패키지 소재에는 기존의 재료에 비해 더 높은 수준의 내열성과 내습특성을 요구하고 있다.
CSP에 사용되는 패키지 소재 중 에폭시 수지가 필수적으로 사용되는 이유는 무엇인가?
CSP(Chip Scale Package)는 정보화 산업의 발전에 따른 정보화 기기의 다기능화, 고성능화, 소형화의 추세에 따라 반도체 패키지의 핵심 형태로 자리매김하고 있다. 이러한 CSP에 사용되는 패키지 소재 중 Solder Bump의 안정성 및 반도체 소자의 신뢰성 향상을 위한 Underfill 재료로서 성형특성상 액상 형태의 에폭시 수지가 필수적으로 사용되고 있다.1-3 그러나 현재 사용되고 있는 납을 사용하지 않는 무납 리플로우 솔더링 방식은 기존 공정보다 고온에서 이루어지기 때문에 내열성이 우수하고 내습특성이 향상된 패키지 재료를 요구하고 있다.
무납 리플로우 솔더링 방식에서 요구되는 사항은 무엇인가?
이러한 CSP에 사용되는 패키지 소재 중 Solder Bump의 안정성 및 반도체 소자의 신뢰성 향상을 위한 Underfill 재료로서 성형특성상 액상 형태의 에폭시 수지가 필수적으로 사용되고 있다.1-3 그러나 현재 사용되고 있는 납을 사용하지 않는 무납 리플로우 솔더링 방식은 기존 공정보다 고온에서 이루어지기 때문에 내열성이 우수하고 내습특성이 향상된 패키지 재료를 요구하고 있다. 특히 본 공정에서의 가장 큰 문제는 패키지 자체가 직접 열에 접촉이 되기 때문에 반도체 소자 내부에 침투한 수분의 증기압에 의한 팝콘 균열이라고 불리는 패키지 균열이다.
참고문헌 (21)
Manzione, L. T.; Plastic Packaging of Microelectronics Devices: 1990, Van Nostrand Reinhold: New York, USA.
Zhang, Z.; Wong, C. P. IEEE Transactions on Advanced Packaging 2004, 27(3), 515.
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