패키지와 기판, 인터포저의 크기가 커지면서 패키지와 전자 패널의 휨이 증가하고 있다. 이에 따라 패키징 기업들은 휨을 단순히 줄이는 것을 넘어 열팽창을 상쇄할 수 있는 소재를 시험하고 있다. 한 가지 방법은 음의 열팽창 계수(NTE)를 가진 소재를 사용하는 것이다. 이러한 소재는 온도가 상승할 때 수축하거나 팽창을 제한하며, 이후 몰딩 컴파운드와 언더필(underfill) 소재에 사용되는 에폭시 수지와 혼합된다.
근본적인 문제는 서로 다른 열팽창 계수를 가진 소재가 접촉할 때 발생한다. 가열되면 각 구성 요소는 고유한 속도로 팽창하려 하지만, 층 사이의 접착 때문에 서로 독립적으로 움직일 수 없다. 그 결과 응력이 발생해 패키지나 패널이 휘어진다. 결합 면적이 클수록 가장자리의 접합부가 약해지거나 파손될 가능성도 커진다. 휨이 제조 장비 자체의 작동을 방해할 정도로 커질 수도 있다. Amkor의 Knowlton Olmstead는 휨이 클 경우 진공 고정 도구가 충분한 진공을 형성하지 못할 수 있다고 설명했다.
문제가 더욱 시급해지는 이유
패키지, 인터포저, 패널의 확대는 첨단 패키징의 흐름 중 하나지만, 실리콘과 기판, 몰딩 컴파운드 사이의 기계적 차이에 공정이 더 민감해진다. Amkor의 Mike Kelly에 따르면 실리콘을 얇게 만들어 휨을 줄일 수 있는 경우도 있지만, 이는 열 관리를 위해 더 큰 두께를 유지해야 하는 요구와 충돌할 수 있다.
유리와 같은 새로운 소재가 사용되면서 어려움은 더욱 커지고 있다. Synopsys의 Lang Lin에 따르면 현재 휨은 마이크로미터 단위로 논의되지만, 더 큰 유리 패널에서는 수 밀리미터에 이를 수 있다. 따라서 이는 단순히 소재 조성을 외형적으로 개선하는 문제가 아니라, 정렬과 접합, 제조 수율에 영향을 줄 수 있는 공정 한계의 문제다.
음의 열팽창 소재는 어떻게 작동하는가?
실제로 음의 열팽창을 보이는 소재가 있지만, 그 거동은 특정 온도 범위로 제한되거나 상 변화와 연관될 수 있다. 또한 다른 소재의 움직임을 제한하는 네트워크나 매트릭스를 사용해 유사한 효과를 구현할 수도 있다. 핵심은 내부 구조가 둘러싸인 소재의 자유로운 팽창을 허용하지 않고, 분자 운동의 방향을 바꿔 전체 팽창을 줄이거나 제한적인 수축으로 전환하는 것이다.
이 접근법은 화학적 조성만큼 충전재의 구조에도 초점을 맞춘다. house-of-cards 또는 rigid-rod와 같은 네트워크는 서로 다른 수준의 강성을 제공하고 소재의 흐름에 영향을 준다. 또한 구성 요소를 조립하고 화학적으로 활용하는 방식이 최종 거동을 결정한다. Mitsubishi Chemical Group의 Sanjiv Bhatt는 이 문제가 개별 소재의 특성이라기보다 네트워크 또는 구조의 문제에 가깝다고 설명했다.
목표가 반드시 열팽창 계수가 0인 소재를 만드는 것은 아니다. 목표는 몰딩 컴파운드의 열팽창 계수를 다이와 기판, 봉지 소재의 열팽창 계수에 가깝게 조정하는 것이다. 이를 통해 열적 불일치와 응력 축적을 줄일 수 있으며, 팽창을 완전히 없애려 할 필요는 없다.
연구에서 상용화로
음의 열팽창 소재는 여전히 제한적이다. Brewer Science의 Luke Prenger는 일부 세라믹 도구에 β-eucryptite가 사용된다고 설명했으며, zirconium tungstate는 일부 몰딩 컴파운드와 언더필 소재에서 첨가제로 사용된다. 3차원 방향에서 음의 열팽창을 보이는 유기 소재를 설계하는 일은 더욱 어렵다. 이러한 거동을 보이는 폴리머는 한 방향에서만 이를 나타내는 경향이 있기 때문에 무기 첨가제가 해결책의 핵심 요소가 된다.
Mitsubishi Chemical Group은 에폭시 수지와 혼합해 열팽창 계수를 맞춤화할 수 있는 무기 소재를 공급하기 시작했으며, 수지와 미리 혼합된 형태로도 제공된다. 이는 해당 기술이 아직 산업 전반에 도입된 것은 아니지만, 연구 단계에서 전자 패키징 응용 분야에서 시험할 수 있는 제품 단계로 이동하고 있음을 보여준다.
확산을 제한하는 요인은 무엇인가?
- 소재는 경화 공정과 더 높은 온도의 제조 공정을 포함하는 넓은 온도 범위에서 성능을 유지해야 한다.
- 수지와 쉽고 균일하게 혼합되어야 한다. 불균일한 분포는 결과를 약화하거나 예측하지 못한 거동을 만들 수 있기 때문이다.
- 특히 알파 입자에서 발생하는 방출이 패키지 신뢰성에 영향을 줄 수 있으므로 순도와 불순물을 관리해야 한다.
- 구속 매트릭스는 유리 전이 온도나 용융점과 같은 둘러싸인 소재의 기본 열전이 온도를 바꾸지 않는다.
certi.news의 분석: 여기서 실제 변화는 단순히 새로운 소재를 발표하는 데 있지 않다. 휨 관리를 패키지 설계 수준에서 소재 자체의 공학 수준으로 옮기려는 시도라는 점이 핵심이다. 이러한 조성이 여러 온도에서 안정적으로 작동한다는 점을 입증한다면, 더 큰 패키지와 패널을 가로막는 기계적 제약 중 하나를 해소하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 해당 출처는 정량적인 성능 데이터나 광범위한 생산 결과를 제시하지 않는다. 따라서 여전히 남은 질문은 혼합 용이성, 열 안정성, 순도가 이 접근법을 첨단 패키징의 표준 관행으로 전환할 수 있을 만큼 충분한지 여부다.