반도체 패키징, 패키지 소재 방열 성능 향상 必

반도체 패키징 소재 성능, 수지·필러소재 특성에 좌우

패키징용 복합소재, 적용 분야 따라 다양한 특성 요구

2. 반도체 첨단패키징 복합소재기술

1. 기술의 개요

1.1 기술의 정의 및 분류

반도체 패키징은 현대 기술에서 첨단소재의 집약적인 적용 분야이며, 반도체 소자, 세라믹, 유리, 복합소재, 고분자, 금속 같은 다양한 재료가 전자 및 반도체 패키징 분야에 적용된다. 반도체 패키징은 반도체 칩을 전자 부품과 연결하는 데 사용되는 재료 및 구조를 지칭하며, 패키징 소재는 크게 금속계, 세라믹계, 고분자계 복합체로 구분된다.

고분자 기반 패키징 소재는 고분자와 세라믹·금속 필러를 사용해 제조된다. 세라믹 필러의 경우, 전기절연성과 열전도성이 우수한 무기 필러의 장점과 경량화, 가공하기 쉬운 유기 고분자의 장점이 결합되어 사용된다.

고분자에는 △에폭시 △페놀 △폴리에스테르 △실리콘 등 열경화성 소재가 주로 사용되며, 필러의 특성에 따라 비전도성 접착제, 도전성 접착제, 열전도성 접착제의 3가지로 구분할 수 있다.

고분자 및 고분자 복합체는 △반도체 칩을 금속 리드 프레임에 접착하는 접착 소재 △반도체 칩을 금속 리드 프레임에 접착시키는 데 사용되는 몰드 및 인캡슐레이션(encapsulation) 화합물 △열을 방출하기 위한 기판 및 열계면 소재(thermal interface materials, TIM) △전기적 에너지를 저장할 수 있는 유전 소재 △불필요한 전자파를 감쇄시키기 위한 차폐 소재에 주로 적용된다.

첨단산업의 급속한 발전과 함께 첨단 부품의 신뢰성과 내구성 확보를 위한 우수한 열관리의 필요성이 대두되면서, 패키지 소재의 열관리 성능 향상을 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.

패키지 소재의 방열 성능 향상 연구는 △필러 종류의 최적화 △필러 크기 분포 △필러의 배향 △수지 매트릭스의 변형 △필러와 폴리머 매트릭스 사이의 계면 특성 제어를 통한 성능 향상 등 다양하게 진행되고 있다.

본 백서에서는 반도체 패키징용 복합소재의 방열 특성을 좌우하는 고열전도성 세라믹 필러 소재와 고분자 수지 기반의 반도체 패키징 소재에 대한 현재 수준과 개발 동향을 소개하고 발전 방향을 논하고자 한다.

1) 고열전도성 방열 세라믹 필러 소재

방열 소재는 전자산업에서 전자부품의 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하는 데 사용되는 고열전도성 소재이다. 방열 소재의 열전도도가 높을수록 효과적으로 열을 제어할 수 있다. 반도체 패키징용 고분자 복합소재의 방열 성능은 방열 필러 소재의 열전도도에 좌우된다.

급속히 고집적화하는 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 관리하려면 기존보다 열전도도가 높은 소재를 사용해야 하지만, 가격 문제로 저렴한 알루미나 소재가 계속 사용되고 있다. 그러나 첨단 부품의 소형화 및 다기능화에 따라 열 발생 문제가 더욱 심각해지면서 알루미나보다 열전도도가 높은 세라믹 소재로 대체되고 있다.

2) 반도체 패키징용 고분자 복합소재

반도체 패키징용 고분자 복합소재는 첨단 부품의 안정성과 신뢰성을 확보하는 핵심 역할을 하고 있다. 세라믹·금속 필러 소재와 고분자를 복합해 제조되는 반도체 패키징용 고분자 복합소재는 사용 목적에 따라 △다층 기판 소재(laminated substrate) △봉지재(encapsulant) △몰딩(molding) 소재 △언더필(undefill) 소재 등으로 구분된다.

가. 다층 기판 소재

IC 패키지용 기판에는 △글래스 강화 절연 소재 △빌드 업 필름(build-up film) △다이렉트 플래팅 코퍼((direct plating copper, DPC) 및 다이렉트 본디드 코퍼(direct bonded copper, DBC)등의 세라믹 기판 △실리콘 인터포저(interposer) △리 디스트리뷰션 레이어(re-distribution layer, RDL) △유연 기판 회로 소재가 포함된다.

이러한 절연 소재는 반도체 I·O 단자를 직접 본 회로 기판에 실장시키도록 회로 간의 절연성 부여와 전기적 신호의 간섭 최소화뿐만 아니라 소자에서 발생하는 열의 효과적인 방출 등이 요구된다.

본 백서에서는 고분자 복합소재 기반의 패키징 기판 소재인 글래스 강화 절연 소재와 빌드 업 필름을 주로 소개한다. 유연 회로는 칩 온 플랙스((chip-on-flex , COF) 의료용 전자제품, 자동차용 드라이버 IC에 많이 사용되지만, 기판으로서 칩 스케일 패키지(CSP) 사용은 계속 감소하고 있어 본 백서에서는 다루지 않는다.

나. 봉지재 및 몰딩 소재

반도체 패키징 공정에 필요한 필수 기능성 재료 중 하나인 에폭시 몰딩 컴파운드(epoxy molding compound, EMC)는 고분자 수지와 필러 및 경화제의 혼합물이다. EMC는 반경화 상태인 혼합물이 반도체 소자, 기판 그리고 접합부 주변을 감쌀 수 있도록 성형된다.

특히 고온고압 상태에서 에폭시 수지의 경화와 더불어 주변의 기판이나 리드프레임, 와이어, 웨이퍼 등과 강한 결합력을 나타낼 수 있도록 설계된 경도가 매우 높은 물질이다. 경화된 EMC는 반도체가 작동하면서 변하는 온도에 따라 칩과 유사한 팽창 및 수축을 유지하도록 조절해 소자와 구조물의 안정성을 부여한다.

이뿐 아니라 외부의 충격과 내습, 온도 변화에서 부품을 보호하도록 소재의 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 결국 외부 보호 역할을 하는 EMC 소재의 특성이 최종 소자 부품의 안정성과 신뢰성을 결정하게 된다.

다. 언더필 소재

▲ <그림 1>언더필 소재의 적용 공정

언더필(underfill) 소재는 반도체 칩과 기판 틈새를 보강하는 열경화성 절연 수지로서 칩과 기판의 열팽창계수 차이로 인한 스트레스를 흡수하고, 솔더 범프가 지니는 접착력을 보완하는 소재이다. 전자소자의 신뢰성을 향상시킴으로써 소자의 구동 성능을 높이는 반도체 패키징용 화학소재라고 할 수 있다.

언더필은 범프와 마이크로 범프를 다이에 본딩하기 전에 적용하는 프리 어셈블리(pre-assembly) 언더필과 본딩 후에 적용하는 포스트 어셈블리(post-assembly) 언더필로 구분된다.

그뿐 아니라 △모세관 현상을 이용해 틈새를 채우는 캐필러리 언더필(capillary underfill, CUF) △페이스트(paste) 형태의 언더필 소재 도포 후 솔더링과 경화를 동시에 이루는 노-플로우 언더필(no-flow underfill) △범프(bump)가 형성된 웨이퍼(wafer)에 직접 도포하는 웨이퍼 레벨 언더필(wafer level underfill ) △트랜스퍼몰딩(transfer molding) 공법을 이용해 몰딩과 언더필을 동시 구현하는 몰드 언더필(molded underfill, MUF) 등으로 구분할 수 있다.

1.2 기술의 원리

반도체 패키징용 소재는 고분자 수지와 분말 형태의 방열 세라믹 또는 금속 필러를 복합화해 제조되며, 방열 성능을 비롯한 패키징 소재의 다양한 성능은 각 수지 및 필러소재의 특성에 좌우된다.

접착성 측면에서는 고분자 소재 단독으로 사용하는 것이 유리하지만, 고분자는 일반적으로 1W/mK 미만으로 열전도도가 낮아 첨단 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 없다. 전자부품의 열관리는 내구성과 신뢰성을 좌우하는 핵심 성능이다. 이 때문에 열전도도가 낮은 고분자 소재의 단점을 보완하려고 고열전도성 세라믹 필러를 고분자 소재와 복합화해 사용한다.

▲ <그림 2> 고열전도성 세라믹 필러 소재의 열전도도(단위: W/mK)

현재 세라믹 필러는 가격 경쟁력에서 장점이 있는 알루미나 소재가 주로 사용되지만, <그림 2>에서 확인할 수 있듯 다른 방열 세라믹 소재에 비해 열전도도가 낮아서 고열전도성 소재로 대체할 필요가 있다.

패키징용 복합소재는 적용 분야에 따라 방열 성능 이외의 다양한 특성이 요구되며, 고분자 수지와 필러의 종류, 함량 등 최적 조합을 통해 각각의 특성이 구현된다. 본 백서에서는 알루미나 필러를 대체할 소재로 유력한 MgO 필러 소재와 각 적용 분야에서 요구되는 반도체 패키징용 복합소재의 특성과 후보 소재군을 소개한다.

1) 고열전도성 방열 세라믹 필러 소재

▲ <그림 3> 일본 Denka사에서 제안한 차세대 고열전도성 MgO TIM

<그림 3>에 나타낸 것처럼, 알루미나보다 우수한 열전도도를 보이는 소재는 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si3N4) 등의 고가 고열전도성 질화물 방열 소재가 대표적이다. 가격 문제로 사용 분야가 매우 제한적이어서 질화물 방열 소재의 저가화 연구가 꾸준히 진행 중이지만, 여전히 알루미나 소재와의 가격 격차는 매우 크다.

고가인 질화물 소재 외에, 저렴하면서 열전도도가 높은 소재로 산화마그네슘(MgO)이 있다. 알루미나와 가격에서 차이가 없는 소재인 MgO(열전도도: 40~60W/mK)는 알루미나(열전도도: 20~30W/mK)보다 열전도도가 약 2배 높다.

일본의 덴카(Denka)사와 우베(Ube)사는 가격 경쟁력과 방열 특성이 모두 우수한 MgO 필러 소재를 선점하려고 고열전도성 MgO 방열 필러를 알루미나 필러 대체용으로 개발해 판매 중이다. 국내에서는 ’21년에 한국재료연구원에서 MgO 방열 필러 신소재 기술을 출자해 설립한 연구소기업인 ㈜소울머티리얼에서 MgO 방열 필러를 생산 및 판매하고 있다.

MgO가 높은 열전도도를 보임에도 불구하고 방열 소재로 사용되지 못한 이유는 1,800~2,000℃의 높은 온도에서 소결해야 함에 따라 공정 단가가 매우 높기 때문이다. 이뿐 아니라 MgO는 공기 중의 수분과 쉽게 반응해 표면에 Mg(OH)2가 형성되면서 표면이 거칠어진다.

이와 같은 흡습성은 MgO 소재를 보관하기가 용이하지 않을 뿐 아니라 수분과 반응해 거칠어지는 표면 문제로 고분자와 복합화가 쉽지 않아서 TIM으로 제조하기 어렵게 한다. 일본의 덴카사와 우베사에서 출시해 판매 중인 MgO 필러 제품은 높은 소결 온도와 흡습성 문제를 해결하지 않고 기존의 MgO 제조 공정으로 제조됐다.

반면에 한국재료연구원에서 개발해 ㈜소울머티리얼에서 판매 중인 MgO 필러는 신소재로서 소결 온도를 1,100~1,400℃로 낮췄는데도 일본의 MgO 필러 제품보다 열전도도가 우수하면서 알루미나 소재보다 흡습성이 낮다.

▲ <그림 4> ㈜소울머티리얼(한국재료연구원의 연구소기업)의 MgO 필러 제품

2) 반도체 패키징용 고분자 복합소재

가. 다층 기판 소재

▲ <표 1>패키지 기판 및 절연 소재로 사용되는 주요 에폭시 수지 및 특성

프리프레그(prepreg)는 pre-imperegnated material의 약어로서 유리 강화섬유에 에폭시 수지를 함침시킨 소재이며, 패키징용 기판(substrate) 혹은 인쇄 회로 기판에서 절연층 역할을 하는 유전체이기도 하다.

절연성을 제공하도록 프리프레그는 코어와 동박 사이 또는 두 코어 사이에 위치하며, 프리프레그의 종류에 따라 기판의 두께가 결정된다. 회로 간의 절연성 및 전기적 간섭 그리고 열 방출 등의 특성을 발현하려면 적용 분야별로 에폭시 수지와 세라믹 필러 그리고 유리섬유의 조합이 필요하다.

각각의 특성을 조합해 반도체 종류에 따라 최적의 절연 소재를 구현할 수 있다. <표 1>은 대표적으로 프리프레그 제작에 사용되는 고분자 수지의 종류를 보여 준다. 반도체 패키징에서 요구되는 높은 유리전이온도(Tg), 낮은 열팽창계수 특성을 만족시키기 위해 각각의 소재를 최적 비율로 조합하는 것이 프리프레그의 핵심 기술이다.

특히, 선진사인 일본의 미츠비시 가스 케미칼(Mitsubishi Gas Chemical, MGC)의 경우는 자체 개발된 BT 수지 기반의 프리프레그 상용화에 성공함에 따라 패키징 분야의 선도업체로 알려져 있다.

▲ <그림 5> MGC사의 BT resin systems

레진 코티드 코퍼(resin coated copper, RCC)는 앞서 기술한 프리프레그 소재와 달리 유리 강화 섬유가 포함되지 않은 절연 소재이다. 특수한 환경에서 반도체 패키징용 기판에 요구되는 특성(방열성, 저손실성, 초박막화 등)을 구현하고자 강화 유리섬유를 제거하려는 목적으로 사용된다.

일반적인 프리프레그는 유리강화 섬유에 함침돼 절연소재 단독으로 취급할 수 있지만, RCC는 유리강화 섬유가 없는 구조로서 공정상 취급성 향상을 위해 절연소재를 동박 위에 코팅해 사용한다.

빌드 업 필름(Build-up film)은 미세패턴이 필요한 고집적 회로 기판에 사용되는 절연층이며, 회로 구현을 무전해 도금으로 구현하기 위해 제작된다. 주로 고집적 회로 및 박막구현을 필요로 하는 플립칩 볼 그리드 어레이(flip chip ball grid array, FCBGA)와 같은 기판 부품에 사용된다.

회로 구현을 위해 구리 도금을 할 때 접착력 향상을 위한 구리 시드의 ‘앵커링(anchoring)' 효과를 부여해야 하는데, 이것이 접착력과 절연성을 높여주는 핵심기술이다. 상기 기술한 프리프레그 및 RCC 소재는 무전해 도금 공정에서 ‘앵커링'에 상당히 취약하다.

▲ <그림 6> Ajinomoto사의 빌드업 필름 레진 시스템(resin systems)

최근 소자의 집적도 개선을 위한 미세 공정의 한계를 극복하려고 팬-아웃-웨이퍼 레벨 패키지(fan-out wafer level package, FOWLP)의 재배선에 사용하는 유전체는 기판을 사용하지 않고 절연 유전체를 직접 웨이퍼에 적용함으로써 가격 절감 및 방열 효과까지 개선할 수 있는 기술이다.

FOWLP의 재배선에 사용되는 유전체는 비교적 낮은 경화 온도를 갖고 스핀 코팅 방법으로 제조되는 폴리이미드(PI) 또는 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(PBO)과 같은 유기물 기반의 소재가 주로 사용된다. 반면에, 공정 온도가 높고 스핀 코팅 공정보다 증착 두께가 낮은 화학증기증착법(chemical vapor deposition)으로 제조되는 무기물 기반의 소재는 거의 사용되지 않는다.

나. 봉지재 및 몰딩 소재

▲ <표 2> EMC 소재로 적용되는 주요 에폭시 소재

반도체 패키징용 봉지재 및 몰딩 화합물은 일반적으로 외부 환경에서 반도체 장치를 보호하려고 사용하는 에폭시 기반 소재이다. 기본적으로 사용되는 재료는 △유기 고분자 수지 △충진제(세라믹 필러) △촉매 △경화제 △실란 커플링제 △이형 재료 및 안료 또는 착색제 등이며 첨가제로는 △난연제 △접착 촉진제 △이온 트랩 △스트레스 해소제 등이 있다. 필러는 비정질 또는 결정질 실리카가 주로 사용되며, 비정질 필러는 낮은 열팽창계수(CTE)를 확보하고자 사용된다.

결정질 실리카의 경우, CTE가 증가하지만 몰드 화합물에 더 높은 열전도도가 필요할 때 사용된다. 알루미나 필러를 사용하면 열전도성을 더욱 향상시킬 수 있지만, 높은 연마성 때문에 금형 공구를 마모시키므로 사용 분야가 제한된다.

세라믹 분말 크기의 제어는 수지 내 충전재 로딩을 결정하는 중요한 변수일 뿐만 아니라 패키지 휨 제어, 공극 형성 방지 및 금형 공정 중 블리딩에 중요한 요소로 알려져 있다. 이와 같은 특성을 제어하도록 각 구성 요소를 첨가할 때 함량에 따르는 특성의 트레이드오프를 고려해야 한다.

예를 들어, 필러 로딩, 수지 배합 및 기타 첨가제(스트레스 개질제·유연화제) 트레이드오프는 굴곡 강도, Tg 및 CTE와 같은 물리적 특성과 연계돼 있어 이를 조절하는 최적 조합을 찾는 것이 매우 중요한 기술이다.

<표 2>는 일반적으로 사용하는 봉지재 및 몰드 컴파운드에 사용되는 대표 에폭시 수지의 예를 나타낸 것이며, 각 용도에 따라 최적 조합으로 배합해야 한다.

다. 언더필 소재

언더필 소재의 주요 구성은 앞서 기술한 바와 같이 에폭시와 세라믹 충진제로 이루진 것이 일반적이다. 미세패턴을 충진할 수 있도록 흐름성과 젖음성을 확보할 소재로 구성해야 하며, 전형적인 CUF은 액체 에폭시 수지 바인더와 무기 필러의 혼합물이다. 유기 바인더는 종종 에폭시 수지 혼합물이지만, 시안산 에스테르 또는 다른 수지가 언더필 용도로도 사용된다.

일반적으로 사용되는 에폭시 수지의 화학 구조를 <그림 7>에 나타내었다. 에폭시 수지 외에 경화 시 가교 구조를 형성하는 데 경화제가 사용되며, 긴 수명과 빠른 경화를 달성하도록 때때로 경화 촉매가 포함되기도 한다.

언더필 배합에 일반적으로 사용되는 무기 필러는 마이크론 크기의 실리카이다. 상기 실리카 필러는 수지 바인더에 내장돼 경화된 언더필의 재료 특성, 예를 들면 낮은 CTE, 높은 모듈러스, 낮은 수분 흡수 등을 향상시킨다. 추가적인 첨가제로는 접착 촉진제, 강화제, 분산제 등이 있다. 이러한 화학 물질은 수지 혼합을 돕고 경화된 언더필 특성을 향상하도록 배합되고 있다.

▲ <그림 7>언더필에 사용되는 주요 저분자 에폭시 수지