Microsoft Word _ __880 특집 김현중

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설윤 포
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1 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 31, No. 10, pp ISSN (Print), ISSN (Online) October 2014 / 특집 차세대반도체패키징기술 Temporary Bonding and Debonding 공정용 UV 경화형접착소재의코팅두께에따른물성및경화거동 Properties and Curing Behaviors of UV Curable Adhesives with Different Coating Thickness in Temporary Bonding and Debonding Process 이승우 1, 이태형 1, 박지원 1, 박초희 1, 김현중 1, Seung-Woo Lee 1, Tae-Hyung Lee 1, Ji-Won Park 1, Cho-Hee Park 1, and Hyun-Joong Kim 1, 1 서울대학교접착과학및바이오복합재료연구실 (Lab. of Adhesion and Bi-composites, Program in Environmental Materials Science, Research Institute for Agriculture and Life Sciences, Seoul National University) Corresponding author: hjokim@snu.ac.kr, Tel: Manuscript received: / Revised: / Accepted: UV curable adhesives with different acrylic functionalities were synthesized for temporary bonding and debonding process in 3D multi-chip packaging process. The aim is to study various factors which have an influence on UV curing. The properties and curing behaviors were investigated by gel fraction, peel strength, probe tack, and shear adhesion failure temperature. The results show that the properties and curing behaviors are dependent on not only acrylic functionalities of binders but also UV doses and coating thickness. Key Words: UV curable adhesives (UV 경화형접착제 ), Curing behaviors ( 경화거동 ), Temporary bonding and debonding process ( 임시가고정공정 ) 1. 서론 최근스마트폰, 태블릿 PC 와같은소형전자기기는사용자측면에서바라볼때무게면에있어서는경량화, 크기면에있어서는소형화, 두께면에있어서는박형화의특징을우선시하고있다. 이를위해서는반도체칩의박형화, 집적화, 고속처리화가요구되며실리콘관통전극 (through-silicon vias, TSVs) 을이용한 3 차원패키징기술이괄목할만한차세대기술로각광받고있다 (Fig. 1). 1,2 초박형디바이스웨이퍼를제조하기위해서는회로가형성되어있는디바이스웨이퍼상단면에전극을형성하고범프 (bump) 를형성한후박형웨이퍼를핸들링하기위해캐리어웨이퍼 (carrier wafer) 상에임시가고정형접착소재 (temporary bonding & debonding adhesives, 이하 TBDB 접착소재 ) 를이용하여접착하게된다. 이후백그라인딩 (back-grinding) 및패시베이션 (passivation) 공정등을거치고디본딩 (debonding) 공정으로이어지게된다 (Fig. 2). 1,3-5 따라서적용되는접착소재는공정 Copyright C The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp. 873-879 October 2014 / 874 Fig. 1 TSV & Bump pitch (zycube roadmap) Fig.

하지만안타깝게도이러한접착소재의연구및개발은해외에서는활발하게진행중이지만국내에서는전무한실정이다. 본논문에서는 TBDB 공정용접착소재측면에주안점을두고 UV 경화형아크릴계바인더 (binder) 를합성하였으며 UV 조사에너지및도포두께에따라다르게나타나는기본적인경화거동및접착물성을평가해보고자하였다. 2. 본론 Fig.

2 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp October 2014 / 874 Fig. 1 TSV & Bump pitch (zycube roadmap) Fig. 3 Synthesis of multifunctional acrylate binder I-III 온도에견딜수있는내열성과백그라인딩 (backgrinding) 공정중웨이퍼의파손을발생시키지않기위한접착강도, 디본딩 (debonding) 시웨이퍼에크랙 (crack) 및잔사를남기지않아야하는특징을가져야한다. 하지만안타깝게도이러한접착소재의연구및개발은해외에서는활발하게진행중이지만국내에서는전무한실정이다. 본논문에서는 TBDB 공정용접착소재측면에주안점을두고 UV 경화형아크릴계바인더 (binder) 를합성하였으며 UV 조사에너지및도포두께에따라다르게나타나는기본적인경화거동및접착물성을평가해보고자하였다. 2. 본론 Fig. 2 Temporary bonding & debonding process (EVG, Brewer science) 2.1 재료및실험사용된재료는우레탄디이소시아네이트올리고머 (urethane diisocyanate oligomer, 분자량 : 약 1500) 와 1 관능아크릴레이트 (hydroxyethyl methacrylate, Sigma Aldrich, Republic of Korea), 3 관능아크릴레이트 (pentaerythritol triacrylate, Sigma Aldrich, Republic of Korea), 5 관능아크릴레이트 (dipentaerythritol pentaacrylate, Sigma Aldrich, Republic of Korea) 를각각우레탄반응을이용하여합성하여 2 관능 (Binder I), 6 관능 (Binder II), 10 관능 (Binder III) 의 UV 경화형아크릴레이트바인더 (binder) 를얻었으며 (Fig. 3) 반응촉매로는 dibutyltin dilaurate (Sigma Aldrich, Republic of Korea) 이사용되었다. 광개시제로는 hydroxydimethyl acetophenone (Micure HP-8, Miwon specialty chemical Co., Ltd, Republic of Korea) 이사용

3 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp October 2014 / 875 Gel fraction (%) (a) UV dose (mj/cm 2 ) (b) 되었고개시제에의한개시반응메커니즘은 Fig. 4 와같다 Gel fraction UV 조사에의한경화거동을간접적으로평가해보기위하여겔분율 (gel fraction) 을측정하였다. 다관능성아크릴계고분자소재의경우, 경화반응이진행될수록가교 (cross linking) 에의해겔화 (gelation) 가진행된다. 측정방법은샘플을상온에서톨루엔 (toluene) 에 24 시간동안침지시킨후침지전후의무게를측정하여비율을계산하게된다. 수식은다음과같다. Gel fraction (%) = W 24 / W 0 x 100 W 24 = 24 시간침지후샘플의무게 (g) W 0 = 침지전샘플의무게 (g) Binder I Binder II Binder III Fig. 4 (a) Cleavage of hydroxydimethyl acetophenone as the photo-initiator in presence of UV light (b) Gel fraction on UV doses with different binders Fig. 4는 UV조사량에따른합성된바인더 (binder) 의겔분율 (gel fraction) 을측정한결과이다. 일반적으로 UV조사량이증가할수록 UV경화는더욱진행되고가교밀도 (crosslinking density) 는증가하게된다. 7,8 아크릴계 UV 경화시스템에있어서물성을조절할수있는주된인자로는광개시제의 종류및함량, 다관능성모노머및올리고머의종류및함량그리고 UV 조사량등을들수있다. 9,10 지금까지는주로광개시제의종류및함량, 다관능성모노머의종류및함량과 UV 조사량에따른경화정도를측정하고평가하는연구 11,12 가주로진행되었다면본논문에서는 1 차적으로합성된우레탄디이소시아네이트올리고머의양말단기에다관능성모노머를 2 차우렌탄반응을통해도입 (end-capping) 함으로써최종적으로 2 관능, 6 관능, 10 관능의다관능아크릴레이트올리고머와 UV 조사량에따른경화거동을살펴보고자하였다. 따라서기존선형구조의아크릴계광경화성고분자가아닌우레탄기반의내열성과물성이개선된소재를다관능구조로합성함으로써 TBDB 공정에적용할수있는접착소재로활용하고자하였다. 그래프에서볼수있듯이바인더 (binder) I III 모두초기에는겔분율 (gel fraction) 이급격하게증가하지만 UV 조사에너지가증가할수록증가폭이감소하다가일정해지는경향을살펴볼수있다. 가교반응을진행할수있는반응사이트가더많은경우동일한조사량에서더높은겔분율을나타내었고, 바인더 (binder) 모두겔분율은 UV 조사량 400 doses 까지는급격하게증가하였다. 하지만 UV 조사에너지의계속적인증가에도불구하고겔분율 (gel fraction) 이 100% 에다다르지않는결과를확인할수있다. 이는기존의논문 13,14 에서연구된바와같이겔분율의증가로인한 T g 의상승으로반응성이저하되어추가적인경화반응이진행되지않는것으로해석할수있다. 2.3 Peel strength 접착제의박리강도는 texture analyzer (TA-XT 2i, Micro Stable Systems, UK) 를이용하여측정하였다. 시편제작은먼저 PET 필름 (SK HAAS, Republic of Korea) 위에접착소재를코팅한후 stainless steel (SUS304) 에 25 mm 의폭으로 2kg 고무롤러를이용하여 2 회반복하여라미네이션 (lamination) 을진행한다. 이후상온에서 24 시간방치한후 ASTM D3330 규격에의해 180 o C 방향으로 300 mm/min 의속도로박리를진행하고강도를측정한다. Fig. 5(a)-(c) 는 UV 조사량에따른코팅두께별바인더 (binder) 의박리강도를측정한결과이다. UV 조사에따른경화율상승으로인행박리강도는모두감소하게된다. 앞서언급한겔분율 (gelfraction) 과마찬가지로초기의급격한경화진행으로인해

4 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp October 2014 / 876 (a) 20 µm (spin coating) 시접착물성에영향을끼칠수있는요소는스핀코팅 (spin coating) 속도, 도포량, 점도등을들수있으며이러한인자들을활용하여코팅두께를조절할수있게된다. Fig. 5(a) 의경우, 바인더 (binder) 에따른박리강도차이가그리크지않음을알수있다. 이는박막코팅의경우, 관능기에따른물성차이가크지않음을의미하며따라서관능기개수에따른바인더 (binder) 조절보다 UV 조사량으로박리강도를조절하는것이바람직하다는결과를얻을수있다. Fig. 5(b) 의경우, 바인더 (binder) 의관능기수와코팅두께증가에따라경화율이증가하며그결과박리강도는낮아지는결과를얻을수있으며 Fig. 5(c) 의경우, 도포두께에따른반응사이트의급격한증가로인해관능기개수에따른바인더 (binder) 의박리강도차이가 Fig. 5(b) 의결과보다는크지않음을알수있다. (b) 40 µm (c) 80 µm Fig. 5 Peel strength on UV doses with different coating thickness 박리강도는 UV 조사량 200 doses 까지바인더 (binder) I-III 모두급격하게감소하다가이후완만해진다. TBDB 공정에있어서접착소재는스핀코팅 (spin coating) 을통해웨이퍼위에도포된다. 스핀코팅 2.4 Probe tack 바인더 (binder) 의 tack측정을통해경화에의한거동을간접적으로평가해보고자하였다. Probe tack은 texture analyzer (TA-XT 2i, Micro Stable Systems, UK) 를이용하였으며상온에서 5 mm 직경의 stainless steel cylinder probe를이용하였다. Probe 속도는 0.5 mm/s이며 100 g/cm 2 의하중으로 1초간접촉하였다. Probe의디본딩 (debonding) 시최고값을 tack값으로측정하였다. Fig. 6(a)-(c) 는 UV조사량에따른코팅두께별바인더 (binder) 의 tack 값을측정한결과이다. 앞서언급한 peel strength와마찬가지로 tack은바인더 (binder) 의분자량, 경화율, 젖음성등으로부터영향을받는것으로알려져있다. 15,16 그래프를통해알수있는바와같이코팅두께에관계없이 UV 조사량 400 doses 이상부터는거의일정한값을가지는것으로나타났으며, 코팅두께를기준으로비교한다면모든조건에서바인더 (binder) I-III사이의차이가크지않다는것을알수있었다. 이는바인더 (binder) 의관능기수보다 UV조사에의한초기경화가 tack에보다큰영향을끼치는것으로해석할수있다. 2.5 Shear adhesion failure temperature (SAFT) 바인더 (binder) 의내열성을평가하기위하여 shear adhesion failure temperature 를측정하였다. 시편은 stainless steel (SUS304) 기재위에 1 x 1 in 2 면적으로코팅한후 2kg 고무롤러를이용하여라미네

5 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp October 2014 / 877 (a) 20µm (a) 20 µm (b) 40 µm (b) 40 µm (c) 80 µm Fig. 6 Probe tack on UV doses with different coating thickness 이션 (lamination) 을진행하였다. 시편은상온에서 24 시간방치된후 0.5kg 추를연결하여 0.4 o C/min 의속도로승온시키며기재에서떨어지는온도를측정하였다. (c) 80 µm Fig. 7 Shear adhesion failure temperature on UV doses with different coating thickness Fig. 7(a)-(c) 는 UV 조사량에따른코팅두께별바인더 (binder) 의 shear adhesion failure temperature 를측정한결과이다. TBDB 공정에있어서공정온도상승에대한소재의내열성은간과할수없는중

6 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp October 2014 / 878 요한요인이다. 17 따라서합성한바인더 (binder) 의 UV조사량과코팅두께에따른내열온도는 TBDB 공정온도를조절하기위한피드백으로활용될수있다. 그래프에서보여지는바와같이내열온도는코팅두께에관계없이모두바인더 (binder) 의관능기수의증가에따라증가하는경향을보인다. Fig. 7(a) 의경우, UV 조사에너지증가에따라내열온도가완만하게증가하다가일정해지는반면 Fig. 7(b)-(c) 에서는초기에급격하게증가하다가완만해지는거동을보이게된다. 이는내열성증가에있어서는, 코팅두께와더불어바인더 (binder) 가가지는관능기수가함께영향을미치며특히경화초기에보다큰영향을미친다는사실을확인할수있다. 결국, 앞서제시한경화초기에나타나는급격한겔분율 (gel fraction) 의증가, 즉가교밀도 (crosslinking density) 의증가에따라내열성이증가하는것으로해석할수있다. 18,19 3. 결론 그동안반도체산업의발달에힘입어반도체공정장비에대한연구및기술개발은국내대기업을중심으로활발하게진행되어왔다. 하지만반도체공정용접착소재의경우, 국내기술이세계최고수준에비해아직걸음마수준이고특히 TBDB 공정용접착소재의경우국내에서의연구개발이전무한실정이다. 소재에대한기술개발은비단소재에서끝나는것이아니라맞춤형장비를제작하고공정을결정짓게하며이후설비구동시다시해당소재에의존하게된다는점에서매우파급효과가크다고볼수있다. 따라서 TBDB 공정에적용가능한 UV 경화형접착소재를합성하고물성조절인자 ( 코팅두께, 바인더 (binder) 의관능기수, UV 조사량 ) 등을달리하여물성을평가해보는것은매우중요한작업이라볼수있다. 요컨대본연구는 TBDB 공정용접착제설계에있어서중요한기초데이터로활용되리라본다. 후기 본연구는미래창조과학부 / 산업기술연구회융합연구사업 ( 과제번호 OD0120) 및 BK21 플러스사업 ( 목질계바이오매스첨단소재화기술창의인재양성사업팀 ) 의지원으로수행되었음. REFERENCES 1. Lee, S.-W., Park, C.-H., Park, J.-W., Lim, D.-H., Kim, H.-J., et al., Temporary Bonding & Debonding Adhesives for 3D Multichip Packaging, Polym. Sci. Technol., Vol. 24, No. 3, pp , Lee, S.-W., Park, J.-W., Lee, S.-H., Lee, Y.-J., Bae, K.-R., et al., Adhesion Performance of UV-curable Debonding Acrylic PSAs with Different Thickness in Thin Si-wafer Manufacture Process, J. Adhesion and Interface, Vol. 11, No. 3, pp , Bilenberg, B., Niesen, T., Clausen, B., and Kristensen, A., PMMA to SU-8 Bonding for Polymer Based Lab-on-a-chip Systems with Integrated Optics, J. Micromech. Microeng., Vol. 14, No. 6, pp , Puligadda, R., Pillalamarri, S., Hong, W., Brubaker, C., Wimplinger, M., and Pargfrieder, S., High- Performance Temporary Adhesives for Wafer Bonding Applications, MRS Proceedings, Vol. 970, pp , Moore, J., Smith, A., Nguyen, D., and Kulkarni, S., High Temperature Resistant Adhesive for Wafer Thinning and Backside Processing, CS MANTECH, Vol. 8, pp , Chattopadhyay, D. K., Panda, S. S., and Raju, K. V. S. N., Thermal and Mechanical Properties of Epoxy Acrylate/methacrylates UV Cured Coatings, Prog. Org. Coat., Vol. 54, No. 1, pp , Lee, S.-W., Park, J.-W., Park, C.-H., Kwon, Y.-E., Kim, H.-J., et al., Optical Properties and UV-curing Behaviors of Optically Clear PSA-TiO 2 Nanocomposites, Int. J. Adhes. Adhes, Vol. 44, pp , Do, H.-S., Park, Y.-J., and Kim, H.-J., Preparation and Adhesion Performance of UV-crosslinkable Acrylic Pressure Sensitive Adhesives, J. Adhesion Sci. Technol., Vol. 20, No. 13, pp , Kajtna, J., Likozar, B., Golob, J., and Krajnc, M., The Influence of the Polymerization on Properties of an Ethylacrylate/2-ethyl hexylacrylate Pressuresensitive Adhesive Suspension, Int. J. Adhes. Adhes., Vol. 28, No. 7, pp , Kajtna, J., Golob, J., and Krajnc, M., The Effect of Polymer Molecular Weight and Crosslinking

7 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp October 2014 / 879 Reactions on the Adhesion Properties of Microsphere Water-based Acrylic Pressure-sensitive Adhesives, Int. J. Adhes. Adhes., Vol. 29, No. 2, pp , Lee, S.-W., Park, J.-W., Kim, H.-J., Kim, K.-M., Kim, H.-I., and Ryu, J.-M., Adhesion Performance and Microscope Morphology of UV-Curable Semiinterpenetrated Dicing Acrylic PSAs in Si-wafer Manufacture Process for MCP, J. Adhesion Sci. Technol., Vol. 26, No. 1-3, pp , Ryu, C.-M., Pang, B.-L., Kim, H.-I., Kim, K.-M., Lee, S.-W., et al., Effect of Side Chain on Wettability and Adhesion Performance of Acrylic Pressure-sensitive Adhesives on Thin Silicon Wafer, J. Adhesion Sci. Technol., Vol. 27, No. 10, pp , Park, Y.-J., Lim, D.-H., Kim, H.-J., Park, D.-S., and Sung, I.-K., UV- and Thermal-curing Behaviors of Dual-curable Adhesives Based on Epoxy Acrylate Oligomers, Int. J. Adhes. Adhes., Vol. 29, No. 7, pp , Lee, S.-W., Park, J.-W., Park, C.-H., Lim, D.-H., Kim, H.-J., et al., UV-curing and Thermal Stability of Dual Curable Urethane Epoxy Adhesives for Temporary Bonding in 3D Multi-chip Package Process, Int. J. Adhes. Adhes., Vol. 44, pp , Zosel, A., Adhesion and Tack of Polymers: Influence of Mechanical Properties and Surface Tension, Colloid Polym. Sci., Vol. 263, No. 7, pp , Zosel, A., Effect of Cross-linking on Tack and Peel Strength of Polymers, J. Adhesion, Vol. 34, No. 1-4, pp , Garrou, P., Bower, C., and Ramm, P., Handbook of 3D Integration: Technology and Application s of 3D Integrated Circuits, Wiley-VCH VerlagGmbH, Weinheim, pp , Czech, Z., Synthesis and Cross-linking of Acrylic PSA System, J. Adhesion Sci. Technol., Vol. 21, No. 7, pp , Czech, Z. and Wojciechowicz, M., The Crosslinking Reaction of Acrylic PSA Using Chelate Metal Acetylacetonates, Eur. Polym. J., Vol. 42, No. 9, pp , 2006.

8 한국정밀공학회지제 31 권 10 호 pp October 2014 / 880

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<30312DC1A4BAB8C5EBBDC5C7E0C1A4B9D7C1A4C3A52DC1A4BFB5C3B62E687770> Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지(J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 19, No. 2 : 258~264 Feb. 2015 ID3 알고리즘 기반의 귀납적 추론을 활용한 모바일 OS의 성공과 실패에 대한