반도체 발열 문제 해결, 방열 세라믹 필러 소재 주목

기존 알루미나 소재 해외수입 의존, 脫알루미나 요구

재료연 소울머티리얼, MgO 소재 방열 세라믹 필러 개발

2. 반도체 첨단패키징 복합소재기술

1. 기술의 개요

1.3 기술의 중요성

1) 고열전도성 방열 세라믹 필러 소재

최근 반도체 부품의 열관리가 점점 더 어려워지는 추세이며, 고전력을 사용함으로써 발열 문제를 해결하기가 더욱 어려워진 전기차의 전력반도체가 대표적인 예이다. 이같은 전력반도체의 고열은 열전도도가 다른 방열 소재에 비해 낮은 알루미나로 제조된 반도체 패키징 소재로는 효과적으로 식히기 어렵다.

이와 같은 이유로, 최근 고가의 고열전도성 질화물 소재가 일부 사용되고 있으나, 가격 문제 때문에 대체 소재 개발이 요구되고 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 대체 소재 중에서 현재 가장 유력한 소재는 MgO이다.

2) 반도체 패키징용 고분자 복합소재

가. 다층 기판 소재

반도체 패키징용 기판 관련 소재는 지속적인 반도체 소자의 성능 향상 및 첨단 기판 수요에 힘입어 소재 및 이를 포함하는 기판 제조에서 변곡점에 도달했다. 증가된 I/O 수는 기판 계층수를 20개 이상으로 증가시키고 있으며, 더 큰 다이(Die)와 멀티 다이가 기판에 장착돼 구동된다.

많은 반도체 제조 업체는 로직 칩(logic chip)과 고대역폭 메모리(HBM) 사이의 연결을 제공하고자 여러 개의 RDL과 실리콘 인터포저를 사용한다. 결국 보디 사이즈의 증가에 따라 실리콘 인터포저의 크기가 증가하기 때문에 패키지 비용이 더 높아질 우려가 있다.

이뿐 아니라 실리콘 인터포저와 빌드 업 기판 사이의 CTE 불일치로 인한 패키지 휨(warpage) 발생이 우려되며, 이로 인해 인터포저를 패키징 기판에 부착하는 것이 더욱 어려워질 것으로 예상된다.

이러한 패키징 부품의 휨을 최소화하려면 CTE 불일치를 최소화하고 낮은 접합 온도를 사용해야 하며, 수율을 향상하도록 휨이 적은 얇은 기판이 필요하다. 이와 같은 요구에 부응하려면 앞서 기술한 고분자 수지와 세라믹 분말의 효율적인 배합을 통한 CTE의 조절이 필요하며, 스퍼터링, 코팅, 리소그래피 등의 첨단 장비를 포함한 새로운 기판 제조 기술도 요구된다.

나. 봉지재 및 몰딩 소재

봉지재 및 몰딩 소재에서는 부품의 고집적화와 고주파수 대역 적용, 높은 구동 온도 등 새로운 환경에 대비하려면 새로운 low Dk/Df 재료가 필요하고, 휨 및 내열 온도의 향상을 위한 신규 재료가 필요하다. 또한 집적 및 고성능에 따른 발열 문제를 해결하도록 외부 히트싱크와 같은 구조물과의 열전달을 효율적으로 증대시킬 고열전도성 확보가 기판 관련 소재의 핵심 요구 특성으로 부각되고 있다.

이러한 패키징 기판 소재 관련 기술은 지속적인 기술 향상을 위해 낮은 유전율, 낮은 수분 흡수율, 고내열성과 같은 유전 특성이 향상된 새로운 기판 재료를 계속해서 개발 중이며, 고집적 및 신뢰성 향상을 필요로 하는 10㎛ 이하의 미세한 라인에 대응할 수 있는 고접합 및 미세 공정에 대응할 수 있는 기판 소재 개발도 지속적으로 진행돼야 한다.

첨단 반도체 패키징 분야 중 몰딩 및 인캡슐레이션과 같은 소재의 추가 요구 특성은 자동차와 같은 신규 분야에서 적극적으로 성능 개선이 요구된다. 자동차 및 전력 장치 분야에서는 패키지의 열 분산을 개선하고 패키지 성능을 더 높게 유지하도려면 더 높은 내열 온도(200℃ 이상) 성능과 더 높은 열전도 특성이 확보되는 소재가 필요하다.

일반적인 고열전도성 몰드 화합물은 3.0W/mK 이상의 열전도도를 갖는 반면, 현재 상용화된 몰드 화합물은 일반적으로 0.6 또는 0.9W/mK 범위에서 열전도도를 갖는다. 이러한 고내열 및 열전도성 몰드 화합물은 접착성이 우수하고 할로겐이 없으며, 낮은 수축률 기반의 낮은 CTE를 가지고 구리 본딩 와이어와 호환성이 있어야 한다. 이러한 몰드 화합물은 대량 생산에 적합해야 하며, 목표 열 성능을 제공하는 데 가격 경쟁력이 있어야 한다.

태양열, 산업 및 자동차 용도에 사용되는 인버터 제품으로는 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화 갈륨(GaN) 웨이퍼로 제작된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 와이드 밴드갭(WBG) 소자가 대표적이다.

이러한 장치는 더 높은 유전 전압, 더 높은 스위칭 속도를 가지며 더 높은 온도 환경에서 작동한다. 이러한 애플리케이션에서 몰드 화합물의 물리적 특성은 장치의 신뢰성에 매우 중요하다. 또한 고출력 응용을 위해 200℃ 이상의 Tg(일부 재료의 Tg는 230℃) 화합물이 필요하며, 전기적 및 열적 안정성을 확보해 600V 이상의 고전압에 대응해야 한다.

다. 언더필 소재

언더필 재료는 칩-기판 인터페이스에 적용되고, 납땜 범프에 기계적 보호 역할을 하며, 열 사이클링 동안 다이(die)와 기판 소재 사이의 CTE 불일치로 인한 플립칩 연결부에 대한 응력을 분산시킨다. 또한 습기, 방사선, 충격 및 진동과 같은 환경적 영향에서 칩과 납땜 범프를 보호하는 역할도 부여한다. 또 언더필 재료는 칩과 기판 사이의 간극을 유동하기 쉽고 완전히 메울 수 있도록 점도가 낮은 것이 바람직하다.

높은 공정 온도에서 장치 및 부품의 신뢰성을 확보하려면 접합부와의 CTE 일치화와 높은 Tg가 필요하며, 언더필 재료는 단락을 방지하도록 전기적으로 절연돼야 하고, 높은 신호 전파 속도 보장 및 신호 손실을 줄이도록 유전율이 낮아야 한다. 또한 이상적인 고성능 언더필 패키징 소재는 열전도성이 높을 뿐만 아니라 전기절연성, 낮은 가공 점도, 적합한 CTE, 개선된 유전 특성 및 높은 Tg와 같은 특성을 만족해야 한다.

최근 몇 년 동안 연구원들은 고성능 언더필 포장재를 설계하고자 열전도율과 다른 필수 특성 사이 최적화 기술을 지속적으로 개선하고 있다.

2. 연구개발 동향

2.1 고열전도성 방열 세라믹 필러 소재

1) 국내 동향

국내 방열 세라믹 필러 소재는 주로 일본과 중국에서 수입해서 사용하고 있다. 알루미나 소재는 대한세라믹스와 한국알루미나에서 일부 생산 중이지만, 중국 제품과는 가격 경쟁이 어렵고 일본 제품에 비해 품질이 낮아 국내 시장점유율이 매우 낮은 실정이다. 게다가 점차 알루미나 소재를 열전도도가 더 높은 세라믹 소재로 대체하는 시장 흐름 때문에 국내 방열 세라믹스 산업에서도 탈알루미나 산업으로 변모해야 할 시점이다.

한국재료연구원의 연구소기업인 ㈜소울머티리얼에서는 알루미나 소재와 가격이 같으면서 열전도도는 2배 높은 MgO 소재를 방열 세라믹 필러로 개발해 판매 중이다. ㈜소울머티리얼에서 판매 중인 MgO 필러 소재(ExiAl 시리즈)는 기존에 MgO가 방열 소재로 사용하지 못했던 이유인 높은 소결 온도와 흡습성 문제를 모두 해결한 MgO 신소재이다.

2) 해외 동향

방열 세라믹 필러 시장을 선도하는 일본의 기업인 덴카사와 우베사는 알루미나를 대체할 유력한 소재로 MgO 방열 필러를 개발해 판매 중이지만, MgO의 고질적인 문제점을 해결하지는 못했다.

기존의 MgO 소재는 1,800~2,000℃에서 제조해 공정 단가가 매우 높고, 공기 중의 수분과 반응하는 흡습성 때문에 고분자와 복합화가 어려운 문제가 있다. 일본의 MgO 필러 제품은 이 같은 문제점을 해결하지 못해 기존의 소결 온도인 1,800~2,000℃에서 제조하고 있으며, 흡습성 문제 또한 해결하지 못한 것으로 알려져 있다.

2.2 반도체 패키징용 고분자 수지

1) 국내 동향

반도체 패키징용 에폭시 수지의 상업적 결과는 국내 일부 소재 업체에서 대응 중이며, 국내 패키징 분야 중 일부 PCB 소재와 몰딩 컴파운드용으로 상용화 수준에서 연구개발이 진행되고 있다. 대표적으로 국도화학에서는 고주파 적용이 필수인 통신 반도체 소자용 패키징 소자로서 적용하도록 지방 환형(cyclo-aliphatic) 구조를 포함하는 신규 에폭시 수지를 개발했다.

이 신소재는 에폭시 수지를 무기원소와 혼성시키고 산무수물을 글리콜로 변성시켜 전자기기의 투명기판, 외장재 및 보호재 등으로 응용할 수 있다고 알려져 있다. 반도체 패키징 기판용 에폭시 수지는 국내 신아티엔시사 등에서 개발하고 있으며, 저열팽창과 저유전 특성을 동시 구현할 수 있는 신규 에폭시 수지를 개발한 것으로 알려져 있다.

또한 한국생산기술연구원에서는 저수축 패키징용 에폭시 수지 구현을 위한 나프탈렌계 에폭시 수지를 개발함으로써, 대일 의존도가 높은 반도체 패키징 분야에서 대체 소재로 적용될 수 있음을 발표한 바 있다.

▲ <그림 1>IC 기판용 저열팽창계수 및 저유전율 에폭시 소재

2) 해외 동향

가장 사용 범위가 넓은 변성 에폭시계의 재료는 아지노모토파인테크노(Ajinomoto Fine-Techno), 세키스이화학공업(SEKISUI)이 에폭시 수지를 기초로 시안산염 에테르(cyanateester) 변성 수지 또는 활성에스테르를 경화제로 사용해 필름 제품화를 위해 노력하고 있으며, JXTG 니폰 오일 앤 에너지(JXTG Nippon Oil&Energy)사 및 미츠비시 가스 케미칼사에서 에폭시 수지를 개발한 것으로 알려져 있다.

▲ <그림 2>저유전 상수 구현을 위한 다양한 고분자 구조(자료 : HU, Zhendong, et al. Journal of Polymer Engineering, 2022.)

특히 반도체 패키징용 고분자 수지로서는 대표적으로 고주파 특성 향상에 대응하고자 신규 소재 개발이 현재 진행되는 주요 소재 개발 분야이며, 기존의 탄화 수소계 및 변성 에폭시계와는 달리 벤조사이클로계, 불소, 실리콘계와 같은 신규 열경화성 수지 개발이 주요 동향으로 파악된다.

대표적으로 벤조사이클로부텐(Benzocyclobuten, BCB) 수지는 일본의 NEC사 등에서 개발되고 있다. 이 소재는 유전 손실이 작고, 수분 흡수가 적으며, 화학적 안정성이 높고, 열적 안정성 및 필름 성형성이 우수해 신규 패키징용 고분자 수지로 적용하려는 시도가 이어진다. 또한 불소계 화합물은 폴리이미드와 아크릴, 에폭시계에 다양하게 적용되고 있으나, 경화 반응 중 수산화기 최소화를 위한 아크릴기와의 복합 구조 형성에도 시도되고 있다.

고분자 수지 내에 높은 자유부피를 부여하는 실리콘계 실세스키옥산(silsesquioxane)과 같은 구조를 도입해 낮은 유전 상수를 구현하는 기술도 개발하고 있다. 이러한 구조는 낮은 유전 상수 외의 기계적 물성과 흡습 같은 특성 제어가 필요하다고 알려져 있다.

그뿐 아니라 주로 접착제에 사용하는 저유전계 불소 고분자 소재인 6FDA(hexafluoroisopropylidene)는 일본 다이킨공업(Daikin Industries limited), 미국 하니웰(Honeywell), 중국 리안윤강과 차이나테크케미칼 등에서 개발하고 있다.

2.3 반도체 패키징용 복합소재

반도체 패키징용 복합소재 연구개발 동향은 고출력 반도체 패키징용 기판, 언더필 및 몰딩소재를 위한 고방열성 복합소재와 고주파 반도체 패키징용 기판, 언더필 및 몰딩 소재를 위한 저유전·저손실 복합소재로 나눌 수 있다.

1) 국내 동향

가. 고방열성 복합소재

반도체 패키징 복합소재의 경우 국내 연구 분야는 상대적으로 다양하게 분포돼 있으나, 관련 제조 및 산업의 형태는 일부 아이템으로 제한적이다. 반도체 패키징용 방열 기판은 일부 상업용 전력반도체 패키징용 유전체(dielectric) 소재로 개발되고 있으나 아직까지 상용화 및 채용 이력이 크지 않다.

일부 업체에서는 차량용 헤드램프의 기판용 메탈 클래드래머네이티드(metal clad laminated, MCCL)이 주요 대응 개발 아이템이지만 이는 패키징 레벨이 아니라 모듈화 레벨 적용 소재로 알려져 있다. 현재 두산전자, LT소재(구 희성소재), 아주스틸 등에서 차량 전장용 3~5W/mK 이내의 방열 기판용 복합소재를 개발해 상용화에 이르렀다.

방열 몰딩 및 인캡슐레이션 방열 복합소재의 경우 상용화 단계에 이르는 업체는 매우 극소수이다. KCC가 고방열 3W/mK 이상급 EMC 개발을 완료하고 상용화 단계에 근접했다고 알려져 있다. 고방열성 언더필 소재의 경우 국내 연구기관에서 일부 R&D 단계에서 개발이 진행 중이나 아직 상용화 단계에는 이르지는 못하고 있다. 삼화페인트에서 패키징용 저수축 EMC 소재 개발을 완료했으나, 고방열 등과 같은 특수 소재 개발 소식은 아직 들려오지 않는다.

이와 같은 각각의 적용 분야에서 핵심 원천 기술 개발은 국내의 연구 전문 기관 중심으로 개발하는 단계이며, 패키징 공정에 필수적인 신규 절연성 복합 방열 소재를 개발하려고 과기부에서 나노·소재 기술개발사업 미래기술연구실 선도형 과제를 진행하고 있다.

이 연구 사업에서는 입방정계 질화붕소(c-BN)를 이용한 초고방열 절연성 복합소재 개발이 진행 중이고, 기존 상용화 수준 이상(10W/mK 이상)의 절연성 복합소재를 개발해 상용화하는 것을 목표로 하고 있다.

나. 저유전·저손실 복합소재

현재 저유전 복합소재를 적용하는 소재 개발은 절연 기판 소재 업체 중심으로 진행되고 있으며, 일반 다층 기판에서의 채용을 기반으로 고주파 통신용 패키징 기판으로 확장을 시도하고 있다. 주요 업체는 ㈜두산 전자BG, LG화학, 이녹스 등이며, 절연 기판 소재로서 저유전 복합소재 개발을 선도하고 있다. 또 저유전 기반의 PI는 PI 첨단소재에서 저유전 특성을 발현할 수 있는 코어(core) 폴리이미드 필름 등 고주파 대역에 대응할 다양한 소재를 개발하고 있다.

2) 해외 동향

가. 고방열성 복합소재

해외에서는 패키징 소재와 관련하여 주요 선진사를 중심으로 고열전도 복합소재 개발이 지속적으로 추진되고 있다. 주요 개발 방향은 고성능 시스템 및 메모리 반도체의 발열성을 억제하도록 방열성 및 절연 특성 강화와 패키지 내 디자인 자유도 향상을 위하여 패키징 절연 소재의 고열전도화로 정리된다.

3M은 어글라머레이티드(agglomerated) BN 입자의 표면처리를 통해 전력 모듈용 고방열 절연 시트 개발을 완료하여 열전도도 10W/mK 수준의 성능을 확보했으며, 해외 주요 전장 소재 업체를 중심으로 상용화를 추진하고 있다.

일본에서는 세키스이화학공업, 스미토모(Sumitomo), 파나소닉(Panasonic), 리쇼공업(RISHO), 아데카(Adeka)사 등이 전력반도체용 방열 시트 개발을 시도하고 있으며, 5~10W/mK 수준의 열전도도를 가지는 방열 시트를 공급하고 있다.

전력반도체 모듈의 방열 특성을 향상하려는 소재 특성 개선은 EMC 소재에서도 시도되고 있다. 스미토모사는 전력반도체 및 5G에 대응할 신규 EMC 소재 개발을 진행하고 있으며, 현재 3W/mK 양산수준과 함께 10W/mK 수준의 열전도도를 목표로 개발을 진행하고 있음이 알려졌다.

교세라케미칼(Kyocera)역시 고방열성 EMC를 개발하고자 지속적인 성능 향상을 시도하고 있으며, 6W/mK 수준의 열전도도를 확보한다는 목표로 개발을 진행 중인 것으로 알려져 있다.

▲ <그림 3>Sumitomo사에서 개발 중인 복합소재(자료 : https://www.sumibe.co.jp/english/solution/IoT/5G/emc.html)

언더필 소재에서는 고열전도도 확보와 더불어 높은 흐름성 기반의 공정 적용 물성 등이 반드시 확보되어야 하는 물성으로 알려져 있다. 이러한 흐름성과 열전도성의 특성은 상호 반비례 관계에 있어서 물성의 동시 향상이 각 개발 업체 및 기관의 핵심 차별화 기술이다.

나. 저유전·저손실 복합소재

저유전 특성을 가지는 복합소재 제조는 해외 역시 기판, 몰딩 및 언더필 같은 소재 제조 업체에서 차세대 반도체 패키징 소재용으로 기술을 개발하여 선도하고 있다. 파나소닉, 로저스 코퍼레이션(Rogers Corporation)은 LCP 필름을 구입하여 칩 스캐일 패키지(chip scale package, CSP) 및 기판으로 사용될 수 있는 기판 절연 소재를 생산하고 있으며, 폴리페닐린 에테르(polyphenylene ether, PPE)를 열경화 타입 필름으로 나믹스(NAMICS)사, 리쇼공업이 제품화하고 있다.

최근 발표된 5G 이동통신용 화학소재 동향(출처: 화학소재 정보은행, 2020. 03)에 따르면 스미토모화학은 고주파 패키징 기판 소재로서 코팅 공정이 가능한 LCP를 최근 개발했다고 발표했다. AGC사는 유리와 불소수지로 된 5G 통신용 안테나 소재를, 도레이(Toray)사는 쌍극자모멘트(dipole moment)를 작게 하는 구조를 도입한 MPI와 폴리페닐렌셀피드(PPS)를 개발했다.

그리고 듀폰(DuPont)사는 폴리이미드의 주쇄에 작은 분극형 구조를 도입한 저유전 폴리이미드를 제품화하고 있으며, 쇼와덴코머티리얼즈(Showa Denko Materials Co.)은 말레이미드를 도입한 필름을 제품화하고 있다.

패키징용 기판 소재로 적용되는 빌드 업 필름 분야에서도 이러한 저유전·저손실 개념의 복합소재가 개발되어 상용화 단계이며, 대표적으로 아지노모토(Ajinomoto), 다우(Dow)사 등과 같은 복합소재 선진 기업에서 기술을 이끌고 있다.