특 집 환경친화형반도체봉지재 한승 장두원 1. 서론반도체봉지재는 IC(itegrated circuits), LSI (large scale IC), VLSI(very large scale IC) 등의반도체소자를외부로부터의충격, 진동, 수분, 방사선등으로부터보호하기위해사용된다. Epoxy moldig compoud ( 이하 EMC) 가개발되기이전에는금속또는세라믹으로반도체를봉지하였으나, 1960년대말부터미국 TI 사에서성형이용이하고경제적인에폭시수지를이용한복합재료즉, EMC가처음도입되면서주로민수용반도체봉지용재료로적용되기시작하였다. 이후급격한반도체산업발전에대응하여 EMC 관련소재개발도빠른속도로발전하였으며수년전부터는산업용및군수용반도체에도 EMC를적용할수있게되었다. 에폭시수지를이용한반도체성형재료의사용이일반화되면서현재는반도체성형재료중약 90% 이상이 EMC를사용하고있다. 그림 1에서나타낸것과같이 EMC의주된역할은 (1) 외부환경으로부터의반도체칩을보호하고, (2) 외부환경으로부터의전기적절연을이루며, (3) 디바이스의작동시발생하는열을효과적으로방출하며, (4) 표면실장의간편성을제공하는것이다. 표 1에현재적용되고있는대표적인 EMC의조성물과그역할에대하여간략하게정리하였다. EMC 는열에의해경화되어 3차원망목구조를형성하는에폭시및경화재를주성분으로하며, 기계적및전기적특성등의향상을위해실리카와같은무기충전재를기본구성요소로하고있다. 또한경화속도 의적절한조정을위한경화촉매, 유무기재료간의결합력을향상시키기위한커플링재, 성형작업시이형성확보를위한왁스, 난연성부여를위한난연재및착색제, 개질재등으로구성되어있다. 반도체의응용분야가급속히확대되고요구특성이다양해지면서반도체패키지의발전도급속히이루어지고있고, 이에따라 EMC도고유기능인반도체보호기능이외에추가적인특성이요구되고있다. 가장최근의반도체봉지용 EMC의요구특성은크게 2가지의흐름으로요약할수있다. 그중하나는 lead- 한승 1989 1993 1993 1995 1995 1999 1999 2003 2003 현재 장두원 1978 1980 1980 1983 1989 1990 현재 고려대학교재료공학과 ( 학사 ) 고려대학교재료공학과 ( 석사 ) 고려대학교재료공학과 ( 박사 )] 현대산업개발기술연구소 제일모직전자재료연구소 서울대화학과졸업 ( 학사 ) KAIST 화학과졸업 ( 석사 ) KIST 응용화학부근무 Priceto uiv. ( 박사 ) 제일모직전자재료연구소장 Gree Epoxy Moldig Compoud 제일모직전자재료연구소 (Seug Ha ad Tuwo Chag, Semicoductor & Dispersio Group, Electroic Chemical Materials R & D, Cheil Idustries Ic., 332-2, Gochu-dog, Euiwag-si, Kyugki-do 437-010, Korea) e-mail: seug.f.ha@samsug.com 38 Polymer Sciece ad Techology Vol. 16, No. 1, February 2005
free solder 대응화이며, 또다른하나는 halogefree화이다. 이두가지흐름은모두세계적인환경의식의변화와밀접한연관이있으며, 따로독립적이 기보다는일련의흐름으로인식되어야하기때문에앞으로개발될 EMC 제품은이두가지요구특성을모두만족시켜야만한다. 외부환경으로부터반도체칩을보호 칩의작동시발생되는열의효과적방출 그림 1. EMC 의주된역할. 표 1. EMC 의기본조성및역할 외부환경으로부터전기적절연 실장의간편성 No Compositio Fuctio ad Role Ratio 1 Epoxy Resi Basic Resi (as Bider) 5 20 2 rgaic Flame Retardat rgaic Flame Retardat Actio (Br-Epoxy) EMC Cold Wire Lead Frame 3 Hardeer Reactio with Epoxy Resi 5 10 4 Catalyst Cotrol Reactio Speed 1< 5 Filler Improve Stregth, Thermal Coductio ad Decrease Thermal Expasivity 60 93 6 Couplig Aget Icrease Bidig Betwee rgaic & Mieral Material 1< 7 Modifier Decrease Thermal stress 5< 8 Wax Improve Mold peratio 1< 9 Mieral Flame Retardat Flame Retardat (Sb23) 0.5 3.0 10 Colorat Colorig (Carbo Black) 1< 2< 2. 최근반도체봉지용 EMC의기술동향 2.1 Lead-Free Solder 대응화현재사용되는전자부품은대부분인쇄회로기판 (PCB: prited circuit board) 에부착이되며, 반도체디바이스를 PCB에실장하는방법에따라삽입실장형과표면실장형으로나눌수있다. 그림 2에삽입실장과표면실장을도식적으로나타내었다. 반도체소자의집적도가높아지면서회로배선은미세화되고패키지내소자의크기가대형화되고있어, 실장방법에있어서도종래의 DIP(dual ilie package) 형을주종으로한삽입형에서대량생산및자동화를위한표면실장형으로급속히이행되고있으며이러한기술을바탕으로패키지자체의소형화및박형화추세는향후더욱가속화될전망이다. 현재까지는실장하는방법과무관하게반도체디바이스를 PCB에실장하기위해납이함유된 S-Pb계 solder를이용하고있었다. 그러나이러한 lead계 solder는전기 / 전자제품등이폐기되었을때산성비에의하여납성분을용출시켜지하수나토양을오염시킬우려가있으며, 특히음료수나음식물에용해되어있는납이온이사람에게섭취될경우에는헤모글로빈생성을저지하는등의치명적인악영향을주게된다. 이에따라, 유럽을중심으로납규제에대한법 Surface Mout Package Cu 부품전극 PCB Cream solder [Reflow solderig] Through Hole Hole Solder paste DIP Surface Mout vs. vs. Througth Through Hole 부품전극 DIP 부품 PCB 그림 2. 삽입실장과표면실장. Cu Bar solder [Flow solderig] 고분자과학과기술제 16 권 1 호 2005 년 2 월 39
제화가활발히진행되고있는상태인데, EU 규제법중 2006년 7월부터시행될예정인 RoHS법은납, 수은, 카드뮴, 6가크롬등무기원소와, 브롬계난연재와같은유기원소를강력히규제하고있다. 이법이시행시기이전에전기 / 전자기기내유해물질이함유된부품전부를환경친화적으로교체하여야하므로 2006년도환경규제대응을위한 lead-free 제품의활발한개발및양산이진행중에있다. 이러한흐름에맞물려반도체실장공정중반도체패키지를융착시키기위해사용되는납함유 S-Pb계 solder 가납이함유되지않은 S-Ag-Cu 계등의 solder 로변경되고있는추세이다. 그러나 S-Ag-Cu 계등무연 solder는 S-Pb계 solder에비하여융점이높기때문에필연적으로반도체패키지실장공정의온도를상승시키는역할을하게된다. 삽입실장형의경우에는 solderig시 Lead에국한적으로열을주기때문에 ( 일반적인인두를이용한납땜을생각하면쉽게이해가될것이다.) 반도체디바이스에는극히적은열이전달된다. 따라서융점이높은 solder 로교체하여도반도체디바이스에가해지는열충격상승효과는미미하다. 이에반하여표면실장형의경우에는반도체부품을 PCB 표면에장착하고외부열원에의해 solder를용융시켜 solderig 하는 reflow 공정을거치게되므로 solder 뿐만아니라반도체부품및 PCB 전체가열충격을받게된다. 따라서필연적으로반도체디바이스및 EMC는다소가혹한고온의환경에노출된다. S-Pb계 solder 를이용한실장시 Reflow 공정에서반도체디바이스는최대 240 의고온에노출되는것에반하여무연 solder를사용할경우 Reflow 공정에서최대 260 이상의고온에노출된다. 단지 20 정도의온도상승이지만이정도의온도상승만으로도 EMC뿐만아니라반도체패키지에적용되는모든고분자재료의신뢰도에상당한영향을끼치게되는것이다. 그림 3은 reflow 공정시발생되는열에의해 EMC 가크랙및박리가일어나게되면서발생하는불량 mode를도식적으로나타낸것이다. 이러한불량이발생하는주된요인은패키징 (packagig) 후 EMC 가대기중의수분을흡수하여일정량의수분을포함하기때문이며, 일정량의수분을포함하고있는 EMC 를비롯한반도체패키지재료가고온의 reflow 공정에노출되면흡수된수분이급격히기화되어부피팽창을함으로써응력이유발되며, 패키지의가장취약한부분이이를견디지못할때크랙또는박리가발생하게된다. 일반적으로얇은패키지일수록외부에서유입되는수분에의해더욱민감하게신뢰도에영향을미치는것으로알려져있다. 이러한불량을방지하기위해서매트릭스수지를저흡습성수지로대체하거나필러의함량을늘리는등여러가지방법을채택할수있으나결과적으로 EMC 가격상승을가져오게된다. 일차적으로경제성을고려하고기존 240 reflow 공정에대응하여두께가두꺼운표면실장형반도체 (SP, PLCC, MQFP) 에는가격이저렴하고성형성이양호한노볼락 (ovolac) 형에폭시 Moisture Moisture Absorptio IR Reflow Vapor escape to weak poit Failure Mode A Iduced Vapor Pressure Failure Mode B Iduced Vapor Pressure uter crack Delamiatio 그림 3. Reflow 공정중 EMC 의 failure mode. Delamiatio uter crack 40 Polymer Sciece ad Techology Vol. 16, No. 1, February 2005
수지를기본으로충진재함량이 70 85 wt% 범위인 EMC가적용되고있다. 신뢰도가취약한두께가얇은표면실장형반도체패키지 (TSP, TQFP, LQFP) 는수분이패키지신뢰도에직접적인영향을주기때문에보다낮은흡습율을갖도록내습특성이양호한 bipheyl형에폭시를기본으로한충전재함량 85 90 wt% 의 EMC가적용되고있었다. 그러나 leadfree solder를적용할경우앞에서서술하였던바와같이 reflow 공정온도가기존의 lead계 solder를적용하였을때보다 20 이상높아지게되어, EMC 내부의수분기화에의한응력이 40% 이상증가하게되며상당수의기존 EMC가응력을견디지못하고크랙또는박리가발생하게된다. 표 2는종래의 240 reflow 공정대응 EMC를 LQFP에조립한뒤, 흡습후최대온도가 240 및 260 가되도록설정된 reflow machie을통과시킨다음 C-SAM 장비 ( 초음파를이용하여패키지의내부의박리를관찰할수있는장비 ) 를이용하여패키지내부를관찰한것이다. 표내의그림에서알수있듯이 reflow 온도가상승함에따라 EMC와구성품간의계면박리면적이증가하게된다. Lead-free 공정이도입됨에따라 EMC는발생된내부응력을견디지못하고박리및크랙이발생하게되어이러한경우해당 EMC 제품은 lead-free를대응할수있는신뢰도품질특성을만족하지못하게된다. Solder의 lead-free 화에대응하기위해서는 EMC 자체의고온내크랙성이향상되어야할뿐아니라, 팽창되는수증기의양을줄이기위하여흡습량자체가적어야하고, 리드프레임과의접착력이증가되어야한다. 이러한요구특성을 표 2. Reflow 온도변화에따른 EMC 의신뢰도저하 구분 Water Absorptio +240 IR Reflow Water Absorptio +260 IR Reflow 만족하기위하여일반적으로무기충전제인실리카의함량을늘리거나흡습이더욱낮은수지매트릭스를적용하여 EMC의자체의흡습량을줄이고, 저응력화를위해탄성률을낮추며, 칩또는리드프레임과반도체소자밀봉소재와의밀착성을높이기위하여부착력향상제등을첨가하여 EMC의신뢰도향상을꾀하고있다. 이와같이보다가혹해진표면실장조건에대한일련의신뢰도개선연구 / 개발이 EMC의 lead-free solder 대응화이다. 2.2 Haloge-free화이제부터 EMC의 haloge-free 화에대한동향을살펴보도록하겠다. EMC는전기절연성, 기계적강도및내습성등의신뢰도특성과함께대부분의반도체업체에서 UL-94 V-0의난연성을요구하고있다. UL 규정의난연성을확보하기위하여필연적으로난연재를사용하여 EMC를제조하고있으며, 표 1에나타낸바와같이현재유기난연재로서는 haloge계의브롬화에폭시수지 (Br-Epoxy) 를무기난연재또는난연조재로서삼산화안티몬 (Sb 2 3 ) 를주로사용하여난연성을확보하고있다. 대부분이러한조합을선택하는이유는브롬화에폭시수지와삼산화안티몬을병용사용할경우난연상승효과가나타나게되어 EMC에첨가되는난연재의첨가량을최소로줄일수있기때문이다. 최적조합으로적용될경우 EMC 전체조성중에 2 3 wt% 의난연재함량만으로도 EMC 본래의특성을해치지않는범위에서비교적용이하게난연화를실현할수있다. 그림 4는 EMC에서대표적으로사용되는있는대표적인브롬화에폭시수지를나타낸것이다. 그러나 haloge계난연재를사용하여고분자복합재료의경우소각또는화재시다이옥신 (dioxi) 이나다이퓨란 (difura) 등의유독성발암물질이발생되는 CH Top Br H 2C HC C CH Bottom 그림 4. EMC 에서사용되고있는대표적인브롬화계에폭시수지. 고분자과학과기술제 16 권 1 호 2005 년 2 월 41
것으로알려지게되면서점차 haloge계난연재에대한규제움직임이활발히진행되고있다. 엄밀히이야기하면연소시다이옥신을발생시키는 haloe계난연재는 EMC에서사용되고있는브롬화난연재와는별개의것이지만유해한 haloge계가스를발생시킬우려때문에반도체메이커를중심으로 o-aloge 난연화에대한요구가증대되고있는실정이다. 삼산화안티몬의경우에는유럽에서는발암물질로규정하고있으며할로겐계난연재와시너지효과를내기위하여사용되기때문에 o-haloge 요구에역행하는요인이되고있어점차적으로규제하는방향으로가고있다. 현시점에서는브롬화에폭시및삼산화안티몬에대한구체적인법률적인규제는없지만각반도체메이커에서환경친화적인기업이미지를구축하기위하여적극적으로탈 Br/Sb계난연 EMC 사용을검토 / 사용중에있으며이러한움직임은세계적인자율규제쪽으로흘러갈가능성이높은것으로알려진다. 인체 / 환경부하외에도 Br/Sb계난연재가반도체디바이스의고온방치특성을저해시키는문제점이있기때문에환경부하의감소뿐만아니라신뢰도측면에서도탈 Br/Sb, EMC의적용의필요성은날로증대되고있는실정이다. 인체 / 환경에대한부하를줄인다는관점에서탈 Br/ Sb계 EMC 또는 haloge-free EMC는통칭환경친화형 EMC 또는 gree EMC로불리고있으며, 실제로도탈 Br/Sb계환경친화형 EMC 시장의규모가급격히커지고있는추세이다. 2006년중반이후에는대부분의기존 Br/Sb계난연 EMC가환경친화형 EMC로대체될것으로예상되고있다. 는시험이다. 1 세트당 5개, 두세트의시험편을컨디셔닝한후메탄가스의파란색불꽃을이용하여각각의시편을 10초간두번연소하는데첫번째 10초연소후소화시간 (t 1 ) 을측정하고두번째 10초간불꽃연소후불꽃이사라지는시간 (t 2 ) 과무염연소 (gloig) 이지속되는시간 (t 3 ) 을측정하여등급을결정한다. 보통두세트를행하여좋은결과가나온것을등급으로인정한다. 표 3은 UL 94V의평가결과에따른난연등급을나타낸것이다. 3.2 난연메커니즘연소란가연물이공기중의산소와결합 반응하면서열과빛을동반하는현상이다. 가연물이산소와결합 반응하는현상을산화라고하며이중에서열이나빛과같은에너지를동반하면서급속히산화하는현상을연소라고한다. 연소가자동적으로지속되기위해서는산화에의해서열이발생하는속도와그열이외부로발산하는속도가같아균형을이루어야한다. 그림 6에고분자재료의연소사이클에대하여간략히나타내었다. 그림 6에서보는바와같이외부로부터어떠한열이재료에가해지게되면재료내의연소성분이분해되어가연성가스가발생하게되며이가스는주위의산소와반응해연소가시작된다. 연소시에 Vertical burig test for V-0, V-1, V-2 classificatio 3. 환경친화형 EMC 환경친화형 EMC에대한논의에앞서 UL-94 난연화규정과고분자복합재료의난연메커니즘에대하여간단히살펴보도록하겠다. 3.1 EMC의난연규정및시험법난연관련 UL 규정에는 UL 44, 62, 83, 94, 114 등이있으며이중 EMC과관련된 UL 94 vertical burig test(ul 94V) 에대하여살펴보도록하겠다. UL 94V는시편을그림 5와같이수직으로세워놓고버너로시편에불을붙여일정시간내에불꽃이꺼지는정도에따라 V-0, V-1, V-2 인증을부여하 그림 5. UL 94 vertical burig test 방법. 표 3. Vertical Burig Test 평가결과에따른난연등급 평가조건 V-0 V-1 V-2 각시편당 1차 (t 1 ) 및 2차 (t 2 ) 연소시간 10s 30s 30s 5개의시편에대한 t 1 과 t 2 를합한총연소시간 50s 250s 250s 2차연소시간과 glowig 시간의합 (t 2 +t 3 ) 30s 60s 60s 시편의지지위치까지연소유무 No No No 적하물에의한솜발화여부 No No Yes 42 Polymer Sciece ad Techology Vol. 16, No. 1, February 2005
그림 6. 고분자재료의연소사이클. 극히불안정하고활성화된프리라디칼이라는물질을만들게되는데, 이라디칼은인근의가연성재료와안정된산소분자를공격하여또다른라디칼을만들게되는데, 이과정을연쇄반응이라고한다. 여기에서생성된라디칼이연소를일으키는핵심적인역할을하게되는데, 활성화라디칼은화학반응을통하여열을발생하게되며이때발생된잠열은주위인화성물질이연소하는데소요되는에너지원으로작용하게된다. 이로써가연성물질에서외부에서제공되는열원을제거하더라도계속해서연소가일어나게된다. 이연소사이클의어느한부분만제거하여도난연화가가능하다. 즉산소, 열에너지, 연소성분, 프리라디칼중에서어느쪽이라도차단또는억제하게된다면고분자의난연화는가능해진다. 3.3 환경친화형 EMC의구현 Br/Sb계난연재를사용하지않고서 UL 94 V-0를만족시키기위하여크게 3가지의접근방법이있다. 첫번째는난연재를이용하지않고 EMC 조성의기존에폭시주제및경화제를대폭변경한예로수지자체의난연화에의한방법이며두번째는필러고충전에의해가연성물질을최소화함으로써난연화하는방법이며세번째는 itroge계, metal hydrate계, phosphorous계등의대체난연재를이용한방법이다. 앞에서서술하였지만다시한번상기하여야할사항은 haloge-free EMC는단순히탈 Br/Sb계대응뿐만아니라 lead-free 대응을기본으로염두해두고설계하여야하므로반드시난연성의확보뿐만아니라신뢰도측면도함께고려하여야한다. 위에서서술한난연화방법을단독또는혼용하여 EMC를난연화하는방법들이채택되고있는데, 각각에대해서더자세히살펴보도록하겠다. 3.3.1 자기소화성수지를이용한난연화방법자기소화성수지를이용한난연화방법은에폭시매트릭스수지안에지방족기를줄이고방향족기를늘려수지골격그자체가잘연소되지않도록하는방법이다. 이러한방법을이용할경우실리카등의충전재의양을최소화시킬수있고어떠한난연재도 사용하지않고서도필수적인난연성을부여할수있어최근에가장활발하게연구개발되고있는분야이다. 표 4와 5는현재상업화되어사용되고있는에폭시수지와페놀수지를나타낸것이다. 그림 7은어떠한난연재를첨가하지않고표 4와 5의수지조합으로제조된 EMC의최대연소시간및총연소시간에대한결과를나타낸것이다. 이때실리카함량은모두동일하게 86 wt% 적용하였다. 그림 7로부터수지조합에따라 EMC의난연특성이크게변화되는것을알수있다. CN/PN계및 DCPD/Xylok 조합의수지를적용한 EMC의경우전소되었으나, pheol bipheylee계에폭시또는경화제, pheol aphthalee계에폭시를적용한 EMC 의경우난연성은크게향상되는결과를보였다. 특히 pheol bipheylee계에폭시 /xylok, pheol aphthalee 계에폭시 /xylok 및 pheol bipheylee계에폭시 /pheol bipheylee계페놀수지를적용한 EMC의경우에는추가적인난연재첨가없이도 UL 94 V-0를만족하는것을알수있다. 난연재를사용하지않고서도난연성을확보할수있는것은매우흥미로운결과이다. 일반적인에폭시수지조성물 ( 대표적으로 CN/PN 계 ) 에서는조성물의가교밀도가높기때문에발화될경우수지가열분해되어발생한가스가수지층에크랙을주면서외부로발산하게되어결국에는화염을제거하여도완전히전소된다. 이에반하여 pheol bipheylee계수지또는 pheol aphthalee계수지를적용한 EMC의경우에는 EMC의열분해에의하여발생되는 carbo oxide와 hydrocarbo과같은휘발성물질, 그리고수지조성물로구성된안정된팽창층과균질한탄화층이발화와동시에 EMC 표면에즉각적으로형성되기때문에난연화가가능하다. 그림 8에이러한수지조성물들의난연화메커니즘을도식적으로나타내었다. 표면팽창층은 EMC로전달되는열전달을효과적으로차단할수있으며탄화층은연소시발생하는가연가스의직접적인방출을억제하게되므로어떠한난연재없이자체적인소화기능을제공하게된다. 이러한독특한소화현상때문에, pheol bipheylee계수지또는 pheol aphthalee 계수지를자기소화성줄여서자소성수지라고통칭하고있다. 만약팽창층이생성되지않는다면낮은단열효과와직접적인가연성가스의분출로연소가진행되게되며, 팽창층이형성되었다하더라도표면에균질한탄 고분자과학과기술제 16 권 1 호 2005 년 2 월 43
표 4. 상업적으로이용되고있는 EMC 용에폭시수지 Code Type Chemical Structure 대표적인메이커 A -cresol Novolac (CN) H 3C CH ᆞKukdo ᆞNippo Kayaku ᆞJapa epoxy resi B Pheol Dicyclopetadiee CH (DCPD) ᆞNippo Kayaku ᆞDIC H 3C C Bipheyl H 2C HC CH ᆞJapa epoxy resi ᆞTohto Kasei H 3C D Bispheol-F H 2C HC H 2 C CH ᆞTohto Kasei H 3C E Bispheol-S H 2C HC S CH ᆞTohto Kasei H 3C CH F Pheol Bipheylee ᆞNippo Kayaku CH G Pheol Naphthalee ᆞTohto Kasei H 2 C 표 5. 상업적으로이용되고있는 EMC 용페놀수지 Code Type Chemical Structure 대표적인메이커 H I Pheol Novolac (PN) Pheol p-xylee (Xylok) H H H ᆞKolo Chemical ᆞMeiwa ᆞKolo Chemical ᆞMeiwa ᆞMitsui Toatsu J Pheol Bipheylee ᆞNippo Kayaku H H K Pheol Naphthalee H 2 C ᆞTohto Kasei 44 Polymer Sciece ad Techology Vol. 16, No. 1, February 2005
수지조합 A/H B/I C/I C/K G/I F/I F/K 총연소시간최대연소시간 V-0 0 20 40 60 80 연소시간 (s) 그림 7. 수지매트릭스에따른연소시간. Igitio surface Thermal degradatio substaces (C, C 2, Hydrocarbo) Foamig layer Epoxy resi compoud 그림 8. 자기소화성수지의난연메커니즘 [Polym. Adv. Techol., 14, 638 (2003)]. 화층이생성되지않으면가연성가스의분출로인하여연소가계속진행되게된다. 표면팽창층의형성은수지경화물의가교밀도와반응성관능기사이의화학구조에직접적인연관을갖는다. 표면팽창층이용이하게생성되기위해서는높은온도에서낮은탄성률을가져야하며, 따라서수지조성물의가교밀도가낮아야만한다. 또한안정된표면팽창층을유지하기위해서는수지의높은열분해저항성이요구되므로분자구조가지방족치환체보다는방향족치환체가유리하다는것을알수있다. 이러한이유때문에 pheol bipheylee계수지또는 pheol aphthalee계수지가포함된조성물이자기소화성이라는독특한난연기구를형성하게된다. 수지별로이러한개념을이용하여난연성과구조와의연관성을다시살펴보면보다쉽게이해될수있을것이다. CN계또는 PN계수지를이용한 EMC의경우에는가교밀도가높아높은온도에서높은탄성률을가지게되므로표면팽창층을형성하지못하여난연성을 나타내지못한다. 반면 DCPD계에폭시수지를적용한 EMC의경우에는수지조성물의가교밀도가낮고높은온도에서낮은탄성률을갖기때문에자기소화성을가지게될것으로생각할수도있지만실제로가교밀도는낮추는반면관능기단인 DCPD가내열성이떨어지기때문에내열분해성이극히저하되어자기소화성의특성을나타내지못한다. 실제로 DCPD계수지는일반 CN 수지보다도난연성이취약한것으로나타난다. 자기소화성수지의사용은어떠한난연재없이도 EMC의난연성을만족시킬수있을뿐만아니라다른여타의수지시스템에비하여수분흡습률및접착력등이우수하여 lead-free 대응에매우효과적이다. 또한난연재첨가에따른불순물농도의증가를억제시킬수있으므로신뢰도향상에큰기여를할수있어최근에고신뢰성 EMC로써각광을받고있다. 3.3.2 필러고충전에의한난연화방법기존 EMC의일반적인필러충전량은 70 90 wt% 범위이다. 그림 9는에폭시수지로서 bipheyl계에폭시를경화제로서 xylok 수지를사용한 EMC의필러함량에따른난연특성을나타낸것이다. 그림에서보는바와같이이시스템이난연성을확보하기위해서는약 90 wt% 이상충전할필요가있다는것을 Base Resi for High Filler Loadig H 2 C CH CH Bipheyl Epoxy H H H H 2 C Flamig Time(sec) [t1+t2] Xylok 100 80 60 40 20 0 85 86 87 88 89 90 91 92 Filler Cotet (wt%) 그림 9. Fillezr loadig에따른난연성의변화. 고분자과학과기술제 16 권 1 호 2005 년 2 월 45
알수있다. 필러고충전에의한방법은난연재를전혀사용하지않기때문에당연히환경친화도가높다. 다만고충전으로인한 EMC의유동저하현상이발생하게되므로어떻게하면이러한문제점을극복할것인가가문제점으로남아있다. 과거에는여러입경을갖는실리카를 EMC 메이커에서직접혼용하여고충전시스템의유동성을높이기위한노력들이이루어졌지만최근에는고유동성을갖는실리카자체가실리카업체로부터바로공급되는경우가많아고충전 EMC의구현은예전보다는수월한편이다. 다만고충전시스템의경우기존저충전시스템과는달리생산설비및공정기술을확보하여야한다는문제점이남아있으며, 무엇보다도 bipheyl계 /xylok계 EMC 시스템과같이저점도수지로이뤄진시스템에만고충전이적용될수있다는문제점이남아있다. 3.3.3 대체난연재를이용한난연화방법현재 EMC용대체난연재로 itroge계, metal hydrate계, phosphorous계등이검토되고있다. 대체첨가형난연재를이용한방법은기존에개발된 Br/Sb 계의수지시스템을그대로사용하는것이가능하다는장점과가격측면에서도여타난연화방법에비하여비교우위를점하고있다. 그러나 EMC는특성상반도체 chip에직접접하는물질이기때문에내습성, 내부식성, 성형시의유동성, 내고온특성등여러가지제약이있어, 매우신중하게적용이검토될필요가있다. 첨가되는대체난연재에따라난연메커니즘이달라지게되는데, metal hydrate 계의경우에는연소시탈수반응에의한흡열효과로연소과정에서유지되어야할열에너지를소비시킴으로써연소를억제시키는메커니즘이며, phosphorous계는가연성물질이산소와접촉하지표면에탄화층을형성함으로써연소를억제시키는메커니즘을따른다. 대체난연재적용이 EMC에특성에미치는영향을살펴보면, melamie과같은 itroge계는난연효과가낮기때문에과량사용하여야하며이에따라 EMC 의흐름성을저하시키고기계적강도를떨어뜨리는문제점을가지고있어아직까지크게각광을받지못하고있다. Alumium hydroxide나 magesium hydroxide와같은 metal hydrate계는무독성이기때문에환경부하가낮고고온방치특성을악화시키는이온불순물을발생시키지않기때문에가장많은검토가이뤄지고있는대체난연재중에하나이다. 제품화초기에는난연성을확보하기위해서과량사용하여야하기때문에 EMC의흐름성을저하시키는단 점을가지고있었으나이러한단점을극복하기위하여 metal hydrate계의입도크기를제어하거나표면을개질하는방법등새로운기술들이도입되면서현재는유동성저하의문제점은크게해결된상태이다. 실제이시스템을적용한 EMC 제품이양산시판되고있으며 EMC 제품에대한가격민감도가큰 low ed 패키지를중심으로적극적으로적용되고있다. Phosphorous계는다른여타대체난연재에비하여우수한난연특성을갖기때문에초기에적극적으로환경친화형 EMC에도입되기시작하였다. 그러나인계난연재중최초로도입된적인 (red phosphorous) 이심각한반도체패키지의품질문제를일으킨이후상당수의반도체메이커가꺼리고있는난연재로취급받고있다. 적인으로부터파생된인계난연재에대한불신을결국이러한문제점이없을것으로기대되는다른유기 / 무기인사용에도영향을미치게되어많은반도체메이커에서는탈 Br/Sb계뿐만아니라유기 / 무기인계난연재를이용하지않는환경친화형 EMC를요구하는경우가많다. 현재가격부담이많은 low ed package나일부 EMC 제품군에유기인이적용되고있기때문에어느정도의시간이소요되면인계난연재에대한장기적인신뢰성의결과물이축적될수있을것으로예상된다. 4. 결언최근 EMC 업계의가장핵심적인기술개발방향은 EMC의친환경화이다. 환경친화성 EMC 제품의경우국내 EMC업체의기반기술은일본선진업체에비하여다소열세에놓여있는것이사실이다. 이는 EMC의컴파운딩기술뿐만아니라 EMC를구성하는원료의상당부분이일본원료메이커에의존하기때문이다. 앞으로환경친화형 EMC의요구가거세질수록국내에서아직개발되지않고있는자기소화성수지및고순도의대체난연재의일본업체의존도는더욱커질것으로예상된다. 따라서원료의일본종속을탈피하고국내 EMC 업체가일본선진사대비보다우수한성능및경쟁력을갖는환경친화형 EMC 를개발하여 EMC 시장을주도하기위해서는무엇보다도환경친화형 EMC와관련된핵심원료의국산화가시급하다고할수있겠다. 46 Polymer Sciece ad Techology Vol. 16, No. 1, February 2005
참고문헌 1. 香山會晋, 成瀨邦彦監修, VLSI パケージング技術, 日經 BP 社, 1993. 2. 株式會社技術情報協會, 半導 封止用材料の開發と信賴性技術, 6, 2000. 3. 한국과학기술정보연구원, 난연재, 12, 2002. 4. M. Iji, Y. Kiuchi, ad M. Soyama, Polym. Adv. Techol., 14, 638 (2003). 5. M. Iji ad Y. Kiuchi, Polym. Adv. Techol., 12, 393 (2003). 고분자과학과기술제 16 권 1 호 2005 년 2 월 47