1. Introduction

고분자 기반 복합 재료는 다양한 화학적(광경화성, 열경 화성 및 다양한 화학반응성 등) 및 물리적(기계적, 전기적, 열적 특성 등) 특성으로 인해 유연한 기판, 캡슐화 재료, 절연 재료, 신축성 또는 웨어러블 전자 장치 및 코팅과 같 은 다양한 응용 분야에 널리 사용되었다[1-7]. 특히 고분 자 기반 복합재료는 가벼운 무게와 가공 용이성 때문에 전자 패키징용 재료로 많이 사용되어지고 있다[8,9]. 일반 적으로 고분자 기반 패키징 소재는 유기 매트릭스와 무기 필러로 구성되어 우수한 기능성 및 가공성(매트릭스)와 우 수한 열 및 전기적 특성(필러)을 동시에 지니고 있는 복합 소재이다[1,8,10-12]. 이러한 복합체 제조의 주요 문제 중 하나는 유기 매트릭스내 필러 재료의 균일한 분포를 통한 성능 향상이다.

에폭시 기반 소재(특히, bisphenol A-type diglycidyl ether, BPA)는 우수한 성형성과 절연 특성으로 인해 솔더 페이스 트, 칩스케일 패키지, 언더필용 재료등의 전자 패키징 분 야에 많이 이용되어 왔다[11,13-15]. 이러한 다양한 장점 과 다양한 응용에도 불구하고, 기존의 에폭시 수지는 열 안정성이 낮고 열팽창 계수가 높아 제작된 필름의 박리 및 기판의 변형을 유발 등의 문제점들을 가지고 있다[14,16]. 무기 재료(금속 또는 세라믹)는 에폭시계 복합재료에 비해 열적, 물리적 특성이 상대적으로 높지만, 가공성이 떨어지는 등 산업현장에서의 실용화에 어려움이 있는 단 점이 있다[11,17]. 따라서, 고성능 전자 패키징 소재 개발 을 위해서는 무기물의 견고성과 유기물의 가공성을 동시 에 갖춘 하이브리드 복합소재의 개발이 요구된다.

솔-젤 공정 기반 실록산 하이브리드 재료는 유기 소재와 무기 소재가 화학적 결합에 의해 형성된 하이브리드 소재 로써 우수한 열∙기계적 특성과 다기능성의 장점을 가지고 있다[18,19]. 실록산 하이브리드 소재는 실록산 소재 내 의 유기 작용기를 쉽게 제어할 수 있어 적용 분야에 따라 다양한 형태와 특성의 구현하기 용이하다[1,20-23]. 특히, 에폭시 기반 실록산 하이브리드 재료는 우수한 열적, 기계 적 내구성 및 절연 특성으로 인해 패키징용 복합체의 매 트릭스 재료로 사용되어 왔다[11]. 더욱이, 실록산 하이브 리드 재료의 열적 안정성과 기계적 내구성은 필러 재료 (예: 무기 입자 또는 섬유)를 통합하여 더욱 향상될 수 있 으므로 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 고성능 복합 소재를 제작할 수 있다[11].

본 연구에서는, 고성능 전자 패키징 응용을 위한 솔-젤 공정기반 에폭시 기반 실록산 하이브리드 재료와 구형 실 리카 입자를 활용하여 에폭시 기반 실록산/실리카 복합재 료를 개발하였다. 실록산 하이브리드 매트릭스내에 무기 필러를 도입을 통해 기존 실록산 하이브리드 재료의 열적 및 기계적 특성이 크게 향상된 복합 재료를 제작할 수 있 었다. 조성, 화학적 및 분자구조에 따른 물성변화를 알아 보기 위해 지환식 에폭시 기반 그물망 실록산 구조의 실 록산 재료(Epoxy-Phenyl Siloxane Hybrid: EPH)와 글리시 딜 에폭시 기반 선형 실록산 구조의 실록산 재료(Glycidyl- Phenyl Siloxane Hybrid: GPH)의 두 종류의 실록산 매트 릭스를 도입하였다. EPH는 GPH대비 상대적으로 높은 기 계적 특성(탄성 및 굽힘 강도), 낮은 전기적 특성(절연파 괴강도, 표면저항 및 유전 특성)을 보였으며, 다른 물성에 도 불구하고 EPH와 GPH 모두 비슷한 열분해거동, 열전 도성 및 열팽창을 특성을 보였다. 또한, 실리카 입자의 첨 가에 따른 제작된 복합체의 특성 변화를 분석하였고, 두 가지 종류의 복합체의 모든 특성은 실리카 입자가 첨가됨 에 따라(60 wt%) 향상되었다.

2. Experimental

2.1 사용 재료

본 연구에서 사용된 재료들은 다음과 같다: EPH 제작에 는 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane(ECTS, Shin- Etsu, Japan 에서 구입), diphenylsilanediol(DPSD, Gelest, USA 에서 구입, 및 BPA(Kolon Industries, Republic of Korea에서 구입)가 사용되었다. GPH 제작에는 3-glycidyloxypropyl( dimethoxy)methylsilane(GDMS, Tokyo Chemical Industry, Japan에서 구입), DPSD 및 B PA가 사용되었다. EPH와 GPH의 가교제로는 methyl hexahydrophthalic anhydride(MHHPA, Sigma Aldrich, USA에서 구입)이 사 용되었다. 무기 필러로는 spherical fused silica particles (Sibelco Korea, Republic of Korea에서 구입)이 사용되었 다. EPH와 GPH의 에폭시 열개시제로 2-methylimidazole (Sigma Aldrich, USA에서 구입)이 사용되었다. 두 가지 유 형의 에폭시 기반 실록산 하이브리드 수지 합성을 위한 염기촉매로써 barium hydroxide monohydrate((Ba(OH)₂∙H₂O), Sigma Aldrich, USA에서 구입)가 사용되었다. 모든 재료 는 추가적인 정제과정 없이 구입한 상태로 사용되었다.

2.2 에폭시 기반 실록산 하이브리드 수지 합성

본 연구에서 사용된 지환식 에폭시-페닐 기반 그물망 구 조의 실록산 하이브리드 수지(Epoxy-Phenyl Siloxane Hybrid Resin: EPR)는 선행연구의 합성방법에 따라 비가 수분해 솔-젤 축합 반응을 통해 합성하였다[1,2,11]. ECTS와 DPSD를 몰비 1:1로 혼합하였다. ECTS와 DPSD 사이의 솔-젤 반응을 유도하기 위해 B a(OH)₂∙H₂O를 염기 촉매로 사용하였고, 전체 실란 전구체의 0.2 mol%를 첨가 하였다. 이후 80°C에서 추가적으로 혼합하였고, 투명하면 서도 점도가 있는 수지를 얻을 수 있었다. 글리시딜 에폭 시-페닐 기반 선형 구조의 실록산 하이브리드 수지(Glycidyl- Phenyl Siloxane Hybrid Resin: GPR)의 경우 ECTS대신 GDMS를 사용하는 것을 제외하곤 EPR의 합성법과 동일 하다.

2.3 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체 제작

합성된 EPR을 상용 B PA와 혼합하였다. EPR과 B PA의 혼합 비율은 에폭시 당량비 1:1로 혼합하였다. 이후 가교 제인 MHHPA를 혼합물의 에폭시 전체 몰수의 2/3을 첨가 하였다. 에폭시 경화제로는 2-methylimidazole을 전체 혼 합물의 1 wt% 첨가하였다. 구형 실리카 입자는 전체 혼합 물의 60 wt%를 추가하였다. 이후 형성된 혼합물을 120°C 에서 5시간동안 경화공정을 실시하여 최종적으로 EPH를 제작하였다. GPH의 경우 EPR대신 GPR을 사용하는 것을 제외하고 모든 조건과 공정은 동일하다.

2.4 특성평가

복합체의 열 특성은 thermogravimetric analysis(TGA, Q50, TA Instruments, Inc.)를 통해 10°C/min의 승온속도로 N₂ 환경에서 평가하였다. 열∙기계적 특성은 thermomechanical analysis(TMA, EXTAR TMA/SS 6100, Seiko Instrument, Inc.)를 통해 10°C/min의 승온속도로 측정하였 다. 두 가지 유형의 에폭시 기반 실록산 하이브리드 수지 및 복합체의 화학적 분석에는 Fourier-transform infrared (FT-IR)은 FT-IR 680 plus(JASCO, U.S.A.)를 사용하였다. 두 가지 유형의 에폭시 기반 실록산 하이브리드 수지의 실록산 결합 형성도는 ²⁹Si Nuclear magnetic resonance (NMR)은 DMX600 FT 600-MHz spectrometer(Bruker Biospin, Australia)를 사용하였다. 복합체의 기계적 특성 (인장 및 굴곡 특성)은 universal testing machine(AGS-X STD, Shimadzu, Japan)을 사용하여 평가하였다. 복합체의 유전특성은 micro dielectrometer(AET, Japan)를 사용하였 고, 측정 주파수는 10GHz였다. 복합체의 표면저항은 electrometer(6517 B, Keithley, USA)와 resistivity test fixture(8009, Keithley, USA)를 통해 평가하였다. 복합체의 절연파괴강도는 breakdown strength tester(SKY-HAV-1010, SKY Innotek, Republic of Korea)를 통해 평가하였다.

3. Results and Discussion

3.1 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체 제작

ECTS의 메톡시 그룹과 DPSD의 수산화 그룹 사이의 비 가수 솔-젤 축합 반응을 통해 EPR을 합성했다(Fig. 1a)[2,11]. FT-IR 분석을 통해 1000 – 1100 cm^-1에서 실록산 결 합 (Si-O-Si)에 해당하는 peak이 솔-젤 반응 이후 넓어지는 것을 확인하였으며, 이는 비가수 솔-젤 축합반응을 통해 실록산 결합이 형성되었음을 의미한다(Fig. 1b). 또한, 넓 어진 실록산 결합은 두 개의 페닐 그룹이 결합된 사다리 형태의 실록산 구조를 의미한다[24]. 에폭시 그룹(882 cm^-1, ECTS로부터 검출)과 페닐 그룹(1430 cm^-1, DPSD로부터 검출)이 솔-젤 반응 후에도 남아있는 것을 확인하였으며 이는 솔-젤 반응이 지환식 에폭시와 페닐그룹에 화학적 손 상을 일으키지 않았음을 의미한다. ²⁹Si-NMR분석을 통해 합성된 EPR의 실록산 결합 형성도(축합도)를 아래의 식을 통해 계산하였다.

(1)

DOC=D1+2D2+T1+2T2+3T32(D0+D1+D2)+3(T0+T1+T2+T3)

Fig. 1

a) Schematic illustration of EPR synthesis. b) Comparison of FT-IR spectra during sol–gel reaction between ECTS and DPSD. c) ²⁹Si-NMR analysis of EPR. d) Schematic illustration of GPR synthesis. e) Comparison of FT-IR spectra during sol–gel reaction between GDMS and DPSD. f) ²⁹Si-NMR analysis of GPR.

식(1)에서 D와 T는 각각 DPSD와 ECTS를 나타내는 피 크영역의 면적이며, D와 T의 첨자 n은 실리콘 원자 기준 으로 실록산 결합의 숫자를 의미한다. 이를 통해 계산된 EPR의 실록산 축합도는 약 85%의 높은 수치를 보이는 것 을 확인하였고, 이를 통해 높은 축합의 실록산 네트워크가 형성되었음을 확인하였다(Fig. 1c). GPR 또한 GDMS의 메톡시 그룹과 DPSD의 수산화 그룹사이의 비가수 솔-젤 축합반응에 합성되었다(Fig. 1d). GPR의 경우, GDMS와 DPSD에 각각 실록산 결합을 형성할 수 있는 반응 그룹이 두개가 있으며(GDMS의 두 메톡시 그룹과 DPSD의 두 수 산화 그룹), 이를 통해 선형형태의 실록산 결합이 형성된 다. 이는 FT-IR에서 1130 cm^-1의 피크가 증가되었음을 통 해 확인할 수 있다(Fig. 1e)[25]. EPR의 결과와 마찬가지 로 에폭시 그룹, 페닐 그룹 및 메틸 그룹(1230 cm^-1)의 피 크들이 남아있음을 확인할 수 있고, 솔-젤 반응에 의해 화 학적으로 손상되지 않았음을 의미한다. 또한, ²⁹Si-NMR 분석결과를 통해 GPR의 실록산 축합도는 아래의 식을 통 해 계산하였다.

(2)

DOC=D1+2D2+D1+2D22(D0+D1+D2)+2(D0+D1+D2)

식(2)에서 빨간색 D와 파란색 D는 각각 GDMS와 DPSD를 나타내는 피크영역의 면적이며, 계산결과 약 94%의 높은 실록산 결합형성도를 나타내는 것을 확인하 였다(Fig. 1f).

분자 구조가 다른 두 종류의 에폭시 기반 실록산 수지 에 사용하여 무기 필러로 구형의 평균 직경 약 10 μm의 실리카 입자를 실록산 수지의 60wt% 첨가하고, 상용 BPA수지와 혼합아여 에폭시계 실록산/실리카 복합체를 제조했다. 여기서 경화제로 가교제와 하드너(hardner)역할 을 하는 MHHPA를 사용하였다. Fig. 2a는 이러한 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체 제작의 모식도이다. Fig. 2b는 제작된 두 유형의 에폭시 기반 실록산/실리카 복합수지(경 화전, 왼쪽=EPR, 오른쪽=GPR)의 사진이다. 실리카 입자 가 포함되지 않은 수지는 투명하였으며, 실리카 입자가 혼 합된 복합수지는 광학적 산란에 의해 불투명한 모습을 보 였다. 이는 실리카 입자의 실록산 수지내 응집이나 상분리 가 일어나지 않았음을 보여준다. Fig. 2c는 열경화로 제작 된 EPH(실리카 함량 0wt%과 60 wt%)의 FT-IR 결과이다. 실리카 입자가 혼합되었지만 열경화 후 882 cm^-1의 에폭시 그룹의 피크가 완벽히 사라졌음이 확인되었고, 열경화 이 후 1860과 1780 cm^-1에서 검출되는 무수물(anhydride)의 C=O결합의 피크가 사라지고 1730 cm^-1에서 검출되는 에 스테르 결합의 C=O 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있 었다. 이는 MHHPA의 무수물(anhydride) 그룹의 분해와 함께 에폭시 그룹과 화학적 가교가 일어남에 따라 새로 형성되었음을 의미한다. 이를 통해, 실리카 입자가 포함되 더라도 에폭시 경화 메커니즘에 변하지 않았음을 확인하 였다. 열경화가 진행되는 동안 MHHPA는 에폭시와 두 가 지의 반응경로를 통해 가교결합을 한다: (1) 실록산 사이 의 에폭시 그룹, (2) 실록산과 B PA사이의 결합. 이 두 가 지 반응 경로를 통해 실리카 입자가 균일하게 분산된 에 폭시 기반 복합체가 형성된다[21,26]. EPH와 비슷하게, GPH의 FT-IR 또한 에폭시 그룹 피크의 사라짐과 C=O그 룹 피크의 형성 결과를 보였다(Fig. 2d). 제작된 복합체의 단면 SEM을 관찰한 결과 실리카 입자가 에폭시 기반 복 합 매트릭스 내에 응집없이 분산되어 있는 것을 확인하였 다(Fig. 2e). 따라서, 두 종류의 에폭시 수지를 활용하여, 실리카 입자가 균일하게 분산된 에폭시 기반 실록산/실리 카 복합체를 성공적으로 제작하였다.

Fig. 2

a) Schematic illustration of fabrication of two types of epoxy-based siloxane/silica composites (EPH and GPH). b) Photographs of epoxy-based siloxane resins with and without silica particles (left: EPR + silica, right: GPR + silica). Change in FT-IR spectra of c) EPH + silica and d) GPH + silica (black: before curing, red: bare EPH or GPH, blue: EPH or GPH with silica 60 wt%).

3.2 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체의 기계적 특성

두 가지 유형의 에폭시 기반 복합체의 기계적 특성을 확 인하기 위해 인장 시험을 실시하였다(Fig. 3). 실리카 입자 가 없는 순수 EPH의 인장 응력은 40.6MPa이며, 인장 곡 선에 변곡점이 없음을 확인하였고, 이는 하이브리드화된 에폭시 기반 매트릭스에 기인한 것으로 파악된다. 반면에, 낮은 탄성 계수(13.71 MPa)는 B PA의 선형 탄소 사슬 분 자구조에 의한 것으로 파악된다(Fig. 3a). 실리카 입자가 함유됨에 따라 EPH의 인장강도와(40.6→ 56.3 MPa) 탄성 계수(13.71→ 34.62 MPa) 모두 증가함을 확인하였다(Fig. 3b)[1,11,27]. GPH의 경우 실리카 입자가 없는 순수 GPH는 EPH대비 높은 인장강도를(45.76 MPa) 가지나, 인 장 곡선에서 소성변형이 보이며 낮은 탄성계수(6.75 MPa) 를 가지는 것이 확인되었고, 이는 선형구조의 실록산 구조 와 B PA 분자구조 사이의 상대적으로 높은 Van der waals 에 의한 상호작용에 의한 것으로 파악된다(Fig. 3c). 페닐 기가 있는 GPR 실록산의 선형 분자 구조는 EPH에 비해 BPA 수지의 페닐기와 더 강한 분자 상호 작용을 유도할 수 있다. EPH와 마찬가지로 GPH 또한 실리카 입자가 함 유됨에 따라 인장강도(55.8 MPa)와 탄성계수(25.5 MPa) 모두 증가함을 확인하였다(Fig. 3d).

Fig. 3

Change in mechanical properties of EPH and GPH with and without silica particle (black: bare EPH, red: EPH with silica 60 wt%). a) Tensile stress–strain curve of EPH b) Change in tensile stress (black bar) and elastic modulus (red line) values of EPH. c) Tensile stress–strain curve of GPH. b) Change in tensile stress (black bar) and elastic modulus (red line) values of GPH.

두 복합체의 기계적 유연성을 확인하기 위해 3점 굽힘 (3-point bending) 시험을 실시하고 굽힘 응력과 계수를 계 산하여 기계적 유연성을 평가하였다. Fig. 4a는 EPH내에 실리카 입자 분산 전후 굽힘 시험 결과를 보여준다. 실리 카 입자 분산 유무에 따른 굽힘 응력과 굽힘 계수의 경향 은 EPH의 인장응력 평가결과와 유사하다(Fig. 4b). 반면, GPH의 경우 실리카 입자가 없는 순수 GPH 실록산의 선 형 분자 구조로 인해 높은 연신율이 관찰되었다(Fig. 4c). 이는 GPH가 EPH대비 유연성이 더 높음을 의미한다. 이 러한 굽힘강도와 계수는 실리카 입자가 분산됨에 따라 증 가하였다.

Fig. 4

Change in flexural properties of EPH and GPH with and without silica particle (black: bare EPH, red: EPH with silica 60 wt%). a) Flexural stress–strain curve of EPH b) Change in flexural stress (black bar) and flexural modulus (red line) values of EPH. c) Flexural stress–strain curve of GPH. b) Change in flexural stress (black bar) and flexural modulus (red line) values of GPH.

3.3 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체의 열적 특성

열기계적 특성과 열 안정성은 전자 패키징으로의 실제 응용에 중요한 요소이다. 두 가지 유형의 에폭시 기반 실 록산/실리카 복합체의 열기계적 특성을 TMA을 통해 비교 하였다(Fig. 5a). EPH의 열팽창계수(CTE) 값은 실리카 입 자가 분산됨에 따라 감소하는 반면, 유리전이온도(T_g) 값 은 실리카 입자에 의한 고분자 사슬의 이동도 감소로 거 의 일정하였고, 기존 실록산 소재의 유리전이특성을 유지 하였다. 특히, T_g 전 EPH의 CTE는 복합체에서 선형 구조 탄소 사슬구조를 포함하고 있기 때문에 순수 실록산 소재 보다 더 높은 수치를 보였다(101.5 ppm/K). 하지만, T_g 이 후의 CTE 값은 순수 실록산 소재의 값과 거의 같았으며, 따라서 B PA에 지환식 에폭시 기반 실록산 매트릭스를 도 입함에 따라 열기계적 특성이 크게 향상되었음을 확인하 였다[28,29]. 실리카 입자가 없는 순수 GPH의 경우, 순수 EPH보다 낮은 T_g와 함께 높은 CTE를 각각 관찰할 수 있 는데, 이는 GPH가 복합체에서 선형 분자 구조가 지배적 이며, 이로 인해 상대적으로 더 높은 엘라스토머와 유사한 특성을 가짐을 의미한다[30]. GPH의 CTE 값은 EPH 결과 와 동일한 이유로 복합체 내 실리카 입자가 포함됨에 따 라 지속적으로 감소하였다. GPH의 모든 CTE(T_g 전후) 값 은 유사한 거동을 보였고 EPH보다 약간 낮았으며, 이는 기계적 특성의 결과와 일치하는 결과이며, 이는 선형 구조 의 글리시딜 에폭시 기반 실록산 매트릭스를 B PA에 도입 에 의한 효과이다[29].

Fig. 5

Change in a) thermo-mechanical properties and b) thermal stability of EPH and GPH. (black: bare EPH, gray: bare GPH, red: EPH with silica 60 wt%, blue: GPH with silica 60 wt%). c) Change of thermal conductivity of EPH (red) and GPH (blue) according to employing silica particle.

열안정성을 확인하기 위해 TGA를 이용하여 두 가지 유 형의 복합체의 열분해 거동을 조사하였다(Fig. 5b). 실리카 입자가 없는 순수 EPH의 5% 중량 손실 온도(T_d5wt%) 및 TGA 테스트 후 잔류 중량은 열기계적 결과와 동일한 이 유로 순수 실록산 매트릭스에 비해 약간 감소하는 것으로 확인되었고, 실리카 입자가 함유됨에 따라 증가하였다. 반 면에, 실리카가 없는 순수 GPH는 순수 EPH보다 낮은 T_d5wt% 및 잔류 중량을 보였고, 이는 글리시딜 에폭시 그룹 및 선형 분자 구조의 낮은 열 안정성을 나타낸다. 또한, 실 리카 입자가 함유됨에 따라 해당 수치들은 증가하였다. 또 한, 에폭시 기반 매트릭스에 실리카 입자를 분산시킴에 따 라 두 복합체의 열전도율 또한 실리카가 없는 순수 소재 에 비해 증가함을 보였다(Fig. 5c). 따라서, 복합체에 실리 카 입자를 혼합함에 따라 복합체의 열기계적 특성, 열안정 성 및 열전도도 특성이 향상됨을 확인하였다.

3.4 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체의 절연 특성

본 연구에서 개발된 두 종류의 복합체의 절연 특성을 확 인하였다. 절연특성은 반도체 패키징 응용 분야에서 전자 소자 및 부품 보호에 필수적으로 요구되는 물성이다[8]. Fig. 6a는 실리카 입자 함유 전후 두 유형의 에폭시-실록 산/실리카 복합체의 10 GHz에서의 유전상수를 비교한 것 이다. GPH의 유전상수는 EPH의 유전상수보다 약간 더 높음을 확인할 수 있는데(EPH: 2.89, GPH: 2.96), 이는 EPH의 그물망 구조의 실록산 분자구조가 유전상수를 감 소시키는 자유 부피(free volume)를 형성하기 때문으로 파 악된다[31]. EPH에 비해 비교적 높은 GPH의 유전상수는 실리카 입자가 첨가됨에 따라 감소하였으며, 동일한 이유 로 EPH 또한 실리카 입자가 첨가된 후에 GPH와 유사한 값을 보였으며, 이는 유전상수가 낮은 무기물 기반 실리카 입자의 첨가에 의한 것으로 파악된다. Fig. 6b는 실리카 입자 함유 전후 두 유형의 복합체의 유전손실 값을 보여 준다. 실리카 입자가 포함되지 않는 순수한 EPH의 유전손 실은 GPH에 비해 낮은 값을 보이는 것을 확인할 수 있는 데, 이는 EPH의 분자강성도(molecular rigidity)가 GPH에 비해 높기 때문으로 파악된다[31]. 실리카 입자를 두 유형 의 에폭시-실록산 매트릭스에 분산시킬 시, 두 복합체의 유전손실은 유사한 값으로 감소하는 경향을 나타냈으며, 이는 유전 특성이 실리카 입자의 유전 특성에 가까워짐을 의미한다.

Fig. 6

Change in a) dielectric constant, b) dielectric loss of two types of epoxy-based siloxane/silica composites (red: EPH and blue: GPH).

반도체 패키징 응용 분야에서 다른 중요한 절연 특성은 재료의 절연 파괴강도와 표면 저항입니다. 본 연구진의 선 행연구에서 에폭시 수지에 실리카 입자를 포함하면 절연 파괴강도가 향상될 것으로 예상했습니다[17]. 이를 통해, 실리카 입자와 에폭시-실록산 하이브리드 매트릭스를 모 두 사용하면 파괴 강도가 크게 향상된 복합체를 얻을 수 있었다(Fig. 7a). 두 유형의 에폭시-실록산/실리카 복합체 의 절연 파괴강도는 30 kV/mm 이상으로 상용 에폭시 수 지인 BPA(27 kV/mm)보다 높다[17]. 실리카 입자가 없는 순수 GPH의 경우 순수 EPH보다 절연 파괴 강도가 높았 는데(EPH: 28 kV/mm; GPH: 30 kV/mm), 이는 GPH 내부 의 선형의 실록산 분자구조와 선형의 탄소결합 사이의 강 한 상호작용으로 인해 더 높은 유전상수를 갖기 때문으로 파악된다[32]. 실리카 입자를 함유하면, 두 유형의 복합체 의 절연 파괴강도가 향상되었음을 확인하였다(EPH: 31 kV/mm, GPH: 33 kV/mm). 이는 복합체내의 많은 양의 실 리카 입자의 농도(60 wt%)가 복합체의 절연 파괴강도 특 성에 영향을 미쳤음을 의미한다[11]. 높은 절연 파괴 특성 에 따라, 두 유형의 에폭시-실록산/실리카 복합체의 표면 저항(EPH: 약 10¹⁵ Ω/sq, GPH: 약 10¹⁶ Ω/sq)도 향상된 값 을 보였고, 이 또한 상용 에폭시 수지인 B PA(약 10¹⁴ Ω/ sq)보다 높은 수치를 보였음을 확인할 수 있었다(Fig. 7b). 다양한 실험적 결과들을 종합하였을 때, 본 연구의 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체는 고내구성 및 고성능의 전자 패키징 재료로 활용되기에 큰 잠재성을 가지는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 우리의 복합체 설계 방법은 패키징 재 료로의(예: 기계적 물성(강성: EPH / 연성: GPH), 절연 특 성(낮음: EPH, 높음: GPH)) 성능을 최적화하고 균일한 실 리카 입자 분산을 통해 앞의 모든 특성 및 물성들을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.

Fig. 7

Change in a) breakdown strength and b) surface resistivity of two types of epoxy-based siloxane/silica composites (red: EPH and blue: GPH).

4. Conclusion

본 연구에서는 반도체 패키징 응용분야에 사용되는 상 용 에폭시 수지(BPA)의 기계적, 열적 및 절연 특성을 향 상시키기 위해 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체를 개발 하였다. 이를 위해, 두 가지 유형의 에폭시-기반 실록산 매 트릭스가 B PA수지에 혼합되어, 지환식 에폭시 기반 실록 산/실리카 복합체(EPH)와 글리시딜 에폭시 기반 실록산/ 실리카 복합체(GPH)를 제작하였다. 서로 다른 분자 구조 를 가지는 에폭시-실록산 수지를 활용하여, 분자 구조 및 조성에 따른 기계적, 열적 및 절연 특성에 대한 상관 관계 를 조사하였다. 그 결과, EPH는 그물망 형태의 실록산 구 조와 선형 탄소 분자 구조가 결합되어 단단하고 낮은 절 연성을 갖는 반면, GPH는 지배적인 선형 분자 구조로 인 해 부드럽고 높은 절연성을 갖는 것으로 나타났다. 한편, 두 유형의 에폭시 기반 실록산/실리카 복합체는 견고한 실 록산 네트워크의 존재로 인해 열적 특성(즉, 열팽창 및 열 안정성)이 상용 에폭시 수지인 B PA에 비해 우수함을 보 였다. 또한, 실리카 입자의 균일한 분산을 통해 두 유형의 에폭시-실록산/실리카 복합체의 다양한 특성과 물성들이 크게 향상되었다. 본 연구에서 개발된 에폭시 기반 실록산 /실리카 복합체를 활용하면 높은 열적, 기계적 및 절연 특 성이 요구되는 고성능 전자 패키징 재료에 에폭시 기반 수지를 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구에 서 개발한 복합체 설계 방식은 복합체의 물성(기계적 물 성-EPH: 강성, GPH: 연성), 절연특성(EPH: 낮음, GPH: 높 음))들을 쉽게 제어할 수 있으며, 균일한 실리카 입자의 분 산을 통해 다양한 특성과 물성들을 모두 개선할 수 있다.

Acknowledgements

Acknowledgement

본 연구는 한국전기연구원 기본연구사업(23A01001), 국 가과학기술연구회 선행융합연구사업(22A02180) 및 한국 연구재단의 세종과학펠로우쉽(NRF-2022R1C1C2003017) 의 지원을 받아 수행하였다.

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Figure & Data

References

Citations

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