전자 수지란 무엇인가: 칩, 기판, 회로기판 속 고분자 재료

“전자 수지”는 단일 물질이 아닙니다. 전자 소자의 도전부를 절연하고 지지하며 봉지하고 패턴을 형성하는 전자급 고분자 재료군을 가리키는 실용적 명칭입니다. 동일한 기반 화학(대개 에폭시)이 매우 다른 형태로 나타납니다. 칩 주위에서 용융되는 분말 정제, 회로기판이 되는 유리천 보강 시트, 패키지 기판을 쌓아 올리기 위해 적층되는 박막, 회로 형상을 규정하는 감광성 도막 등입니다.

이들을 묶는 것은 고정된 배합이 아니라 일련의 물성 목표입니다. 전자 수지는 전기적 거동(신호를 얼마나 적게 저장하고 손실하는가), 열적 거동(연화되기 전까지 얼마나 높은 온도를 견디는가, 열을 얼마나 잘 전달하고 팽창하는가), 치수 거동(주변의 실리콘과 구리에 대해 얼마나 움직이는가)으로 평가됩니다. 화학 체계는 이 수치들을 달성하기 위해 선택됩니다.

기반 화학: 열경화성 에폭시

대부분의 전자 수지는 열경화성입니다. 열경화성 재료는 액체 또는 가용성 고체에서 시작해 경화되어 강직한 가교 네트워크가 되며, 다시 가열해도 재용융되지 않습니다. 지배적인 화학은 에폭시 수지로, 흔히 이관능 에폭사이드인 비스페놀 A 디글리시딜 에테르(DGEBA)를 기반으로 합니다.

경화는 이 작은 분자를 치밀한 고분자 네트워크로 바꿉니다. 다관능 경화제(하드너)—일반적으로 폴리아민, 아미도아민, 페놀계 화합물—가 장력이 큰 에폭사이드 고리를 엽니다. 아민계 경화제에서는 질소가 에폭사이드를 친핵 공격하여 새로운 탄소–질소 결합과 하이드록실기(β-하이드록시 에테르 결합)를 형성합니다. 페놀계 경화제도 유사하게 반응합니다. 이것이 수많은 자리에서 반복되어, 기계적 강도·접착력·내약품성으로 평가받는 고도로 가교된 열경화체가 만들어집니다.

네트워크는 경화되면 고정되므로, 경화 에폭시 같은 열경화체는 고온 공정—예를 들어 피크 약 260 °C에 이르는 솔더 리플로 프로파일—을 다시 녹아 흐르지 않고 통과할 수 있습니다. 이 내열성은 에폭시 계가 전자 패키징의 근간 재료가 된 이유 중 하나입니다.

봉지: 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)

완성된 반도체 칩이 검은 플라스틱 몸체 안에 밀봉될 때, 그 밀봉을 담당하는 재료는 대개 에폭시 몰딩 컴파운드입니다. EMC는 고형 열경화성 에폭시 수지, 페놀계 경화제, 다량의 미세 무기 충전재(일반적으로 용융 실리카 SiO₂), 그리고 난연제·커플링제·이형제·응력 조절제 같은 첨가제로 이루어진 배합체입니다.

실제로 EMC는 압축된 고형 정제로 공급됩니다. 저압 트랜스퍼 몰딩에서는 정제를 유동 상태까지 가열해 칩과 그 와이어 본드 또는 범프 주위의 게이트를 통해 밀어 넣고 그 자리에서 경화시킵니다. 마이크론 크기의 실리카는 용융체에 좁은 틈을 메울 만한 유동성을 주면서 최종 부피의 대부분을 차지해 열팽창과 수축을 줄입니다. 업계 설명에 따르면 반도체 소자의 80% 이상이 에폭시 몰딩 컴파운드로 봉지됩니다.

EMC의 물성 목표에는 낮은 흡습, 낮은 이온 오염, 실리콘에 가까운 열팽창, 그리고 점점 더 중요해지는 높은 열전도와 낮은 휨이 포함됩니다. 뒤의 두 가지는 열을 내보내고 조립 과정에서 평탄함을 유지해야 하는 파워 모듈과 대형 패키지에서 중요합니다.

회로기판: 동박적층판 수지

경성 인쇄회로기판은 동박적층판(CCL)에서 시작합니다. 절연 유전체에 동박을 접합한 것으로, 유전체는 유리천 같은 기재로 보강된 수지입니다. 수지 선택이 기판의 전기적·열적 거동 대부분을 결정합니다. 문헌에 기록된 유전체 수지 분류에는 페놀, 에폭시, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 비스말레이미드-트리아진(BT)이 있습니다.

• 에폭시 계 가 가장 일반적입니다. 잘 알려진 “FR-4” 등급은 유리 보강 에폭시이며, 난연성은 전통적으로 브롬화 에폭시 수지로 부여되었고 무할로겐 대체재도 사용됩니다.
• BT 수지(비스말레이미드-트리아진, 흔히 에폭시와 블렌드)는 더 높은 내열성을 제공하며 IC 패키지 기판에 널리 쓰여 왔습니다.
• 폴리이미드 수지는 유리로 보강되어 높은 온도 안정성과 기계적 인성이 필요한 곳에 사용됩니다.
• PTFE, 폴리페닐렌 에테르(PPE/PPO), 시아네이트 에스테르, 탄화수소계 수지는 고주파에서 신호 손실을 최소화해야 하는 곳에 사용됩니다(아래 참조).

핵심 전기 지표는, 재료가 전자기 신호를 얼마나 늦추고 저장하는지를 나타내는 유전율(Dk)과, 신호 에너지가 열로 얼마나 손실되는지를 나타내는 손실 계수(Df, 손실 탄젠트)입니다. Dk와 Df가 낮을수록 일반적으로 더 빠르고 손실이 적은 배선이 됩니다.

고주파·고속용 수지

데이터 전송률과 반송 주파수가 높아질수록—5G와 고속 디지털 영역에서—유전체의 손실이 제약 요인이 됩니다. 여기서 수지 계열은 분극률에 따라 갈립니다. 일반 에폭시, 변성 에폭시, 시아네이트 에스테르, 폴리이미드는 유용한 열적·기계적 특성을 가지지만 고주파에서 초저손실(Df 약 0.003 미만)에는 일반적으로 도달하지 못합니다. PTFE, PPE, 일부 탄화수소계 수지는 분자 분극률이 낮아 이를 달성할 수 있습니다.

PTFE는 낮은 유전율(Dk 약 2.1)과 매우 낮은 손실을 가져 RF·마이크로파·밀리미터파 기판의 기준 재료가 됩니다. 그 대가로 가공 요구가 더 까다롭습니다. 폴리페닐렌 에테르(PPE/PPO)는 유전 성능에서 PTFE 다음이라고 흔히 설명되면서도 가공이 더 쉬워, “Very Low Loss”와 “Ultra Low Loss” 고속 적층판을 위한 다양한 변성 PPE 배합을 이끌었습니다. 이 재료들 전반에서 반복되는 목표는 낮은 Dk, 낮은 Df, 낮은 열팽창계수(CTE), 그리고 충분한 열전도입니다.

패키지 기판: 빌드업 유전체 필름

실리콘 칩과 회로기판 사이에는 패키지 기판이 있으며, 고성능 프로세서에서 그 절연층은 흔히 빌드업 유전체 필름입니다. 가장 잘 알려진 것은 아지노모토 빌드업 필름(Ajinomoto Build-up Film, ABF)으로, 충전재가 든 수지 필름입니다. 수지를 약 10~100 µm 두께로 PET 캐리어 필름 위에 코팅하고 폴리프로필렌 커버 시트로 보호해 제조하며, 층마다 적층하여 고밀도 상호연결 기판을 만듭니다.

ABF는 1999년에 IC를 처음으로 패키징하는 데 사용된 이래, 고성능 CPU, GPU, FPGA, ASIC 기판의 유전체로 선택되어 왔습니다. 여기서 관련된 특성은 열 안정성, 낮은 유전 손실, 그리고 반복되는 열 사이클을 통한 절연 신뢰성입니다. 아지노모토 그룹은 이 특정 시장의 대부분을 보유하고 있다고 보고했습니다.

패턴 형성 재료: 포토레지스트

포토레지스트는 용도가 다른 전자 수지입니다. 소자에 남는 대신, 회로 패턴을 전사한 뒤 제거되는 임시 감광성 도막입니다. 그 거동은 빛에 노광될 때 용해도가 어떻게 변하는지로 정의됩니다.

고전적인 양성 레지스트는 노볼락(페놀 수지)과 디아조나프토퀴논(DNQ) 감광성 화합물을 결합합니다. DNQ는 노볼락이 수성 염기에 녹지 않도록 합니다. 자외선 노광이 DNQ를 변환하여 노광된 영역이 가용성이 되고 현상으로 제거됩니다. 심자외선(DUV)과 극자외선(EUV) 리소그래피의 더 미세한 형상에는 화학증폭형 레지스트(CAR) 가 사용됩니다. 노광이 산을 생성하고, 그 산이 흡수된 광자 하나당 다수의 탈보호 반응을 촉매하여 감도를 크게 높이고 10 nm 미만 형상을 가능하게 합니다. 기반 고분자와 보호기 화학은 각 노광 파장에 맞게 조정됩니다.

전자 수지를 정의하는 수치

이 모든 형태에 걸쳐, 일관된 파라미터 집합이 어떤 수지가 전자 응용에 맞는지를 설명합니다.

• 유전율(Dk) 과 손실 계수(Df)—신호 속도/저장과 신호 손실. 고속·고주파 용도에서는 일반적으로 낮을수록 선호됩니다.
• 유리전이온도(Tg)—경화 수지가 유리 상태에서 고무 상태로 연화되는 온도로, 치수와 강성이 안정적으로 유지되는 열적 범위를 한정합니다.
• 열팽창계수(CTE)—수지가 온도에 따라 얼마나 커지는가. 실리콘 및 구리와의 불일치가 기계적 응력과 휨을 일으킵니다.
• 열전도율—재료가 칩에서 열을 얼마나 잘 내보내는가. 파워 소자와 고성능 소자에서 점점 더 중요해집니다.
• 난연성—예를 들어 UL-94 체계와 FR-4 같은 등급으로, 브롬화 또는 무할로겐 화학으로 달성됩니다.
• 흡습과 이온 순도—흡수된 물과 이동성 이온은 절연, 신뢰성, 부식에 영향을 주므로 전자급은 낮은 값으로 배합됩니다.

이 목표들이 왜 한 단어가 그렇게 많은 재료를 포괄하는지를 설명합니다. 에폭시 몰딩 컴파운드, FR-4 적층판, ABF 층, EUV 포토레지스트는 최종 형태나 역할에서 공통점이 거의 없지만, 각각은 정의된 전기·열·치수 사양에 맞춰 설계된 유기 고분자 시스템입니다—그것이 “전자 수지”가 실제로 가리키는 것입니다.

참고 자료

• Sumitomo Bakelite: Epoxy Resin Molding Compounds for Encapsulation of Semiconductor Devices (SUMICON EME)
• Wikipedia: Epoxy molding compounds
• Shin-Etsu Chemical: Epoxy Encapsulant Material
• Wikipedia: Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA)
• PMC: Surface Chemistry and Molecular Dynamics of Epoxy Resin During Curing
• JLCPCB: What is Copper Clad Laminate (CCL)?
• PCBCart: A Comprehensive Introduction of Copper Clad Laminate
• MDPI/PMC: MPPE/SEBS Composites with Low Dielectric Loss for High-Frequency Copper Clad Laminates
• Cadence: Why Ajinomoto Build-Up Film (ABF) is Used in IC Packaging
• Polymer Innovation Blog: Build-Up Films for Flip Chip Semiconductor Substrates
• Shin-Etsu MicroSi: I-line / G-line / NOVOLAK and Chemically Amplified Resists
• RSC Polymer Chemistry: Emerging trends in polymeric resists for EUV lithography