[논문]다이접착필름용 조성물의 탄성 계수 및 경화 특성 최적화

성충현

doi:10.5762/kais.2019.20.4.503

다이접착필름용 조성물의 탄성 계수 및 경화 특성 최적화
Optimization of Elastic Modulus and Cure Characteristics of Composition for Die Attach Film 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.503 - 509

초록
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더욱 작고 얇고 빠르며, 많은 기능을 가진 모바일 기기에 대한 요구가 그 어느 때보다 높다. 이에 대한 기술적 대응의 하나로 여러 개의 칩을 적층하는 Stacked Chip Scale Package(SCSP)가 어셈블리 업계에서 사용되고 있다. 다수의 칩을 접착하는 유기접착제로는 필름형 접착제인 die attach film(DAF)가 사용된다. 칩과 유기기판의 접착의 경우, DAF가 기판의 단차를 채우기 위해서는 고온에서 높은 유동성이 요구된다. 또한 와이어 사이를 채우면서 고용량 메모리와 같이 동일한 크기의 칩을 접착하는 DAF의 경우에도, 본딩 온도에서 높은 유동성이 요구된다. 본 연구에서는 DAF의 주요 원재료 3성분에 대한 혼합물 설계 실험계획법을 통하여 고온에서 낮은 탄성계수를 갖도록 최적화하고, 이에 따른 점착 특성 및 경화 특성을 평가하였다. 3성분은 아크릴 고분자(SG-P3)와 연화점이 다른 두 개의 고상에폭시 수지(YD011과 YDCN500-1P)이다. 실험계획법 평가 결과에 따르면, 고온에서는 아크릴 고분자 SG-P3의 함량이 작을수록 탄성계수가 작은 값을 나타내었다. $100^{\circ}C$에서의 탄성계수는 SG-P3의 함량이 20% 감소한 경우, 1.0 MPa에서 0.2 MPa 수준으로 감소하였다. 반면, 상온에서의 탄성계수는 연화점이 높은 에폭시 YD011에 의해 크게 좌우되었다. 최적 처방은 UV 다이싱 테이프를 적용시 98.4% 수준의 비교적 양호한 다이픽업 성능을 나타냈다. 유리칩을 실리콘 기판에 부착하고 에폭시를 1단계 경화시킨 경우, 크랙이 발생하였으나, 아민 경화 촉진제의 함량 증가와 2단계 경화를 통하여 크랙의 발생을 최소화할 수 있었다. 이미다졸계 촉진제가 아민계 촉진제에 비해 효과가 우수하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The demand for smaller, faster, and multi-functional mobile devices in increasing at a rapidly increasing rate. In response to these trends, Stacked Chip Scale Package (SCSP) is used widely in the assembly industry. A film type adhesive called die attach film (DAF) is used widely for bonding chips in SCSP. The DAF requires high flowability at high die attachment temperatures for bonding chips on organic substrates, where the DAF needs to feel the gap depth, or for bonding the same sized dies, where the DAF needs to penetrate bonding wires. In this study, the mixture design of experiment (DOE) was performed for three raw materials to obtain the optimized DAF recipe for low elastic modulus at high temperature. Three components are acrylic polymer (SG-P3) and two solid epoxy resins (YD011 and YDCN500-1P) with different softening points. According to the DOE results, the elastic modulus at high temperature was influenced greatly by SG-P3. The elastic modulus at $100^{\circ}C$ decreased from 1.0 MPa to 0.2 MPa as the amount of SG-P3 was decreased by 20%. In contrast, the elastic modulus at room temperature was dominated by YD011, an epoxy with a higher softening point. The optimized DAF recipe showed approximately 98.4% pickup performance when a UV dicing tape was used. A DAF crack that occurred in curing was effectively suppressed through optimization of the cure accelerator amount and two-step cure schedule. The imizadole type accelerator showed better performance than the amine type accelerator.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Structure of SCSP using (a) FOW and (b) dummy chip
그림 Fig. 2. Concept of thermomechanical properties of DAF
그림 Fig. 3. Design of experiment for 3 component mixture and experimental results.
그림 Fig. 4. Contour plot of elastic modulus (MPa) at (a) 30℃, (b) 80℃, and (c)100℃.
그림 Fig. 5. Cox response trace plot for elastic modulus at (a)30℃, (b) 80℃, and (c)100℃.
표 Table 1. Optimized DAF recipe for low elastic modulus at 80℃ and 100℃.
표 Table 2. 180° peel strength and pickup performance of optimized recipes.
그림 Fig. 6. Crack after (a)1 step and (b)2 step curing.
그림 Fig. 7. Standard samples for evaluating cure crack.
표 Table 3. Cure crack performances according to catalyst type and amount.
표 Table 4. Effect of the amount of catalyst on the cure crack performance.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 상온에서는 픽업 및 다이싱 성능이 우수하고, 고온에서는 FOW와 같이 유동성이 높은 DAF 처방을 개발하고자 한다. DAF 처방의 주요 원재료 3가지 성분에 대해서 실험계획법(design of experiment, DOE)을 적용하여 상온과 고온에서 최적의 탄성계수를 가지는 처방을 선정하고, 그에 따른 점착력 및 경화 특성을 평가하였다.

제안 방법

100℃, 30분 + 150℃ 30분의 경화 조건에서, 크랙을 개선하기 위해, 경화 촉진제 함량을 증가시키는 실험을 실시하였다(Table 3). 경화 촉진제를 증가시키면 100℃, 30분의 1단계 경화에서 경화율을 증가시켜 2단계 경화 시 크랙 발생을 최소할 수 있다.
본 연구에서는, 상온에서는 픽업 및 다이싱 성능이 우수하고, 고온에서는 FOW와 같이 유동성이 높은 DAF 처방을 개발하고자 한다. DAF 처방의 주요 원재료 3가지 성분에 대해서 실험계획법(design of experiment, DOE)을 적용하여 상온과 고온에서 최적의 탄성계수를 가지는 처방을 선정하고, 그에 따른 점착력 및 경화 특성을 평가하였다.
개별 성분이 탄성계수에 미치는 영향을 관찰하기 위해 3성분에 대한 탄성계수의 등고선도를 살펴보았다(Fig. 4). 30℃에서는 고상 에폭시 YD011의 함량이 증가할수록 탄성계수가 증가하는 것으로 나타났다(Fig.
경화 크랙의 발생 수준를 개량화하기 위해, 6단계의 표준 견본 샘플 (Fig. 7)을 만들어 100점으로 경화 성능을 환산하였다. 80점 이상인 경우, 용인 가능한 수준의 크랙으로 판단하였다.
고온 유동성이 우수한 DAF 처방을 확보하기 위해,고상 에폭시 2종과 열가소성 아크릴 고분자의 혼합물 설계를 통하여 탄성계수의 최적화를 수행하였다. 상온에서의 탄성계수는 YD011, 고온에서의 탄성계수는 SG-P3에 의해 크게 좌우되었다.
고온에서 우수한 유동성을 가지는 최적 처방을 선정하여, DAF를 제조하여, 픽업 특성 및 다이 어태치 후 경화 특성을 평가하였다. 픽업 성능 평가 결과, UV 다이싱 테이프 사용시, 비교적 우수한 다이 픽업 성능을 나타내었다.
다음으로는 다이 어태치 및 경화 특성을 살펴보았다. 먼저 유리칩에 DAF를 부착시키고, 이 유리칩을 140℃, 2sec, 1kgf의 본딩조건에서 실리콘 웨이퍼에 부착시킨 후, DAF를 150℃에서 1시간 동안 경화하였다.
다이싱테이프와 DAF의 점착력은 먼저 다이싱 테이프와 DAF를 라미네이션 한 다음, 180° 박리력 테스트를 시행하였다.
상기의 혼합물 DOE에 의한 평가 결과를 바탕으로, Minitab의 반응 최적화 도구를 이용하여, 80℃와 100℃에서의 탄성계수가 최소가 되는 처방 2개를 선정하였다(Table 1). 처방 RV01는 80℃에서, 처방 RV02은 100℃에서의 탄성계수가 최소가 되는 처방이다.
YD011과 YDCN500-1P의 연화점은 각각 65℃와 52℃이다. 상온에서의 높은 강도와 고온에서의 유동성에 대한 특성 평가를 위해, DMA로부터 얻어 진 30, 80, 100℃에서의 탄성 계수(E)를 평가 항목으로 설정하였다. 3성분계 혼합물 DOE와 평가 결과를 Fig.
2%이다. 실란 페놀 경화제, 촉진제를 제외한 모든 원재료를 메틸에틸케톤에 분산하여 20시간 동안 교반하였다. 이후, 실란, 페놀 경화제, 촉진제를 넣고 1시간 동안 교반하였다.
이러한 DAF의 요구 특성을 구현하기 위해, 3가지 성분을 선정하고 혼합물 실험 계획법 (DOE)을 시행하였다. 3가지 성분은 아크릴 고분자 SG-P3, 고상 에폭시 YD011과 YDCN500-1P 이다.
촉진제는 이미다졸계 AMI-1과 3차 아민계 SA-102를 비교하였다. Table 3에 나타난 바와 같이, 2종류의 촉진제 모두 함량이 증가하면서, 크랙 성능이 향상되었다.
픽업 테스트는 먼저 다이싱테이프를 DAF에 라미네이션하여 DDAF를 만들고, DDAF를 실리콘 웨이퍼에 라미네이션 한 후, 5×5cm의 크기로 다이싱 한 후, 픽업 장비(Shinkawa SPA-100)를 이용하여 픽업 성능을 평가하였다. 총 64개의 다이를 픽업하여 불량률을 평가하였다.
최적 처방 2개에 대하여 180도 박리력 테스트와 다이 픽업 테스트를 실시하였다(Table 2).
SA-102는 에폭시의 경화를 촉진하는 성능이 떨어지기 때문으로 보인다. 크랙 성능을 최소화하기 위해, AMI-1 촉진제의 함량을 더 증가시키면서, 1단계 경화 조건을 변경하여 보았다(Table 4). AMI-1 촉진제의 함량이 1.
픽업 테스트는 먼저 다이싱테이프를 DAF에 라미네이션하여 DDAF를 만들고, DDAF를 실리콘 웨이퍼에 라미네이션 한 후, 5×5cm의 크기로 다이싱 한 후, 픽업 장비(Shinkawa SPA-100)를 이용하여 픽업 성능을 평가하였다.

대상 데이터

이러한 DAF의 요구 특성을 구현하기 위해, 3가지 성분을 선정하고 혼합물 실험 계획법 (DOE)을 시행하였다. 3가지 성분은 아크릴 고분자 SG-P3, 고상 에폭시 YD011과 YDCN500-1P 이다. 아크릴 고분자는 DAF의 필름형성에 중요한 영향을 미칠 뿐만 아니라, 반도체 패키지에 적용되었을 경우, 내습 또는 열충격 접착성에 매우 중요한 역할을 미친다.
탄성계수는 DMA(Mettler, DMA/STDA861)를 이용하여 측정하였다. 60㎛ 의 DAF를 라미네이션하여 약 400 ㎛ 두께의 샘플을 사용하으며, 주파수 1Hz, 변형속도 1% 조건에서 -20℃에서 300℃까지 측정하였다. 다이싱테이프와 DAF의 점착력은 먼저 다이싱 테이프와 DAF를 라미네이션 한 다음, 180° 박리력 테스트를 시행하였다.
DAF의 처방은 총 100% 중에서 66%를 SG-P3, YDCN500-1P, YD011로 구성하였다. 나머지 34%는 결정성 에폭시 (YSLV-80XY, 신일본제철) 10.
이 용액을 어플리케이터를 이용하여 60 ㎛ 두께로 코팅하고 80℃에서 10분간 건조하여 DAF를 얻었다. 본 연구에서는 76%를 차지하는 SG-P3, YDCN500-1P, YD011 대하여 Minitab을 이용하여 혼합물 실험 설계를 수행하였다.
에폭시 단량체 크레졸 노볼락 에폭시 YDCN500-1P(에폭시 당량 200) 와 비스페놀 에폭시 YD011 (에폭시 당량 475)은 국도화학에서 구입하였다. 열가소성 아크릴 고분자 SG-P3는 나가세 캠텍스(Nagase ChemteX)로부터 구입하였다.
에폭시 단량체 크레졸 노볼락 에폭시 YDCN500-1P(에폭시 당량 200) 와 비스페놀 에폭시 YD011 (에폭시 당량 475)은 국도화학에서 구입하였다. 열가소성 아크릴 고분자 SG-P3는 나가세 캠텍스(Nagase ChemteX)로부터 구입하였다. SG-P3는 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 아크릴로니트릴로 구성된 아크릴 에스터 고분자이다.
SG-P3는 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 아크릴로니트릴로 구성된 아크릴 에스터 고분자이다. 이미다졸 촉진제 AMI-1은 Evonik, 3차 아민 촉진제 SA-102는 Airproduct로부터 구입하였다.
탄성계수는 DMA(Mettler, DMA/STDA861)를 이용하여 측정하였다. 60㎛ 의 DAF를 라미네이션하여 약 400 ㎛ 두께의 샘플을 사용하으며, 주파수 1Hz, 변형속도 1% 조건에서 -20℃에서 300℃까지 측정하였다.

성능/효과

1단계 경화에서 필름이 천천히 전체적인 망상 가교 구조를 형성하여 에폭시와 아크릴 고분자 SG-P3와의 상분리를 최소화하여, 2단계 경화에서 경화 수축이 발생하더라도, 필름 전체가 가교구조로 연결되어 크랙이 발생하는 것을 최소화할 수 있는 것으로 판단된다.
3에 나타내었다. 7개의 처방 중에서는 R04가 저온에서 가장 높고, 고온에서는 제일 낮은 탄성 계수를 나타내었다.
5a에서 볼 수 있듯이, YD011가 증가할수록, YDCN500-1P와 SG-P3는 감소할수록 30℃ 에서의 탄성계수가 증가하는 것으로 나타났다. 80℃, 100℃ 에서의 탄성계수는 SG-P3에 의해 가장 크게 영향을 받으며, SG-P3의 양이 감소할수록 탄성계수가 감소하였다. YDCN-1P는 YD011에 비해 탄성계수에 미치는 영향은 작으나, 그 양이 증가할수록, 탄성계수가 감소하였다.
5). Fig. 5a에서 볼 수 있듯이, YD011가 증가할수록, YDCN500-1P와 SG-P3는 감소할수록 30℃ 에서의 탄성계수가 증가하는 것으로 나타났다. 80℃, 100℃ 에서의 탄성계수는 SG-P3에 의해 가장 크게 영향을 받으며, SG-P3의 양이 감소할수록 탄성계수가 감소하였다.
4% 픽업 성공률을 나타내었다. Non-UV 다이싱 테이프를 사용한 경우도 UV 다이싱 테이프를 사용한 경우와 같이 충분히 낮은 박리력을 나타냈으나, 픽업 성능이 우수하지 않은 것으로 보아, 박리력을 이용한 픽업 성능의 대용 평가는 신뢰성이 떨어지는 것으로 판단된다.
촉진제는 이미다졸계 AMI-1과 3차 아민계 SA-102를 비교하였다. Table 3에 나타난 바와 같이, 2종류의 촉진제 모두 함량이 증가하면서, 크랙 성능이 향상되었다. 크랙 개선 효과는 AMI-1가 우수하였다.
80℃, 100℃ 에서의 탄성계수는 SG-P3에 의해 가장 크게 영향을 받으며, SG-P3의 양이 감소할수록 탄성계수가 감소하였다. YDCN-1P는 YD011에 비해 탄성계수에 미치는 영향은 작으나, 그 양이 증가할수록, 탄성계수가 감소하였다. YD011은 양이 너무 감소하거나 증가하는 경우, 탄성계수가 오히려 증가하는 것으로 나타났다.
다이 어태치 이후 에폭시 경화단계에서 크랙이 발생하였으나, 이미다졸 경화제의 함량 조절과 2단계 경화 조건의 최적화를 통하여 효과적으로 억제할 수 있었다.
다이싱 테이프는 UV 조사형과 별도의 UV 조사가 필요하지 않은 것을 사용하였다. 두 처방 모두, UV 조사형 다이싱 테이프를 사용한 경우 픽업 특성이 우수하였다. 최고 98.
고온에서 우수한 유동성을 가지는 최적 처방을 선정하여, DAF를 제조하여, 픽업 특성 및 다이 어태치 후 경화 특성을 평가하였다. 픽업 성능 평가 결과, UV 다이싱 테이프 사용시, 비교적 우수한 다이 픽업 성능을 나타내었다. Non-UV 다이싱 테이프를 사용한 경우, 박리력은 낮았으나 픽업 성능은 저조하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	die attach film란?	이에 대한 기술적 대응의 하나로 여러 개의 칩을 적층하는 Stacked Chip Scale Package(SCSP)가 어셈블리 업계에서 사용되고 있다. 다수의 칩을 접착하는 유기접착제로는 필름형 접착제인 die attach film(DAF)가 사용된다. 칩과 유기기판의 접착의 경우, DAF가 기판의 단차를 채우기 위해서는 고온에서 높은 유동성이 요구된다.
	요구되고 있는 모바일 기기의 특성은?	더욱 작고 얇고 빠르며, 많은 기능을 가진 모바일 기기에 대한 요구가 그 어느 때보다 높다. 이에 대한 기술적 대응의 하나로 여러 개의 칩을 적층하는 Stacked Chip Scale Package(SCSP)가 어셈블리 업계에서 사용되고 있다.
	더욱 작고 얇고 빠르며, 많은 기능이란 요구에 부응하기 위한 반도체 패키징 기술은?	디자인 측면에서는 더욱 더 얇고, 가볍고, 크기가 작은 기기를 원하고 있으며, 기술적인 측면에서는 빠른 속도, 고용량, 다기능에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해, 반도체 패키지 레벨에서는 여러 개의 반도체 칩을 적층하는 Stacked Chip Scale Package (SCSP)가 산업계에서 널리 사용되고 있다[1-3]. 이 패키지는 로직과 메모리 칩 등을 적층하여 다기능을 구현하거나, 여러 개의 메모리칩을 적층하여 고용량을 실현한다. 또한 여러 개의 칩을 하나의 패키지에 구현함으로써 구동 속도를 증진시킬 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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