IT/반도체용 실리카

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그림 1. 봉지된(Sealed) LSI 패키지의 예

LSI와 같은 반도체 집적회로는 보통 열팽창률을 낮추고 자외선과 온도, 물, 먼지, 물리적 충격으로부터 보호하기 위해 패키징되어 있습니다. 주로 사용되는 소재는 에폭시인데, 여기에 실리카(SiO2) 또는 무기질 미세 분말이 filler로써 포함되어 Packaging의 기능을 향상시킵니다.

구상 실리카(용융실리카 혹은 Colloidal 실리카)는 에폭시 수지와 섞였을 때 유동성이 높고 뾰족한 부분이 없어 회로에 타격을 주는 일이 적습니다. 반면, 파쇄실리카(분쇄된 용융실리카, 채굴된 결정질 실리카)는 패키지의 강도향상에 도움이 됩니다. 각각의 종류의 실리카는 장단점이 있기 때문에 적절히 혼합하여 사용됩니다.

이들 두 종류의 실리카의 제조에는 각기 다른 분체기술이 필요합니다. 구상실리카 제조에는 건식 분급기술, 분쇄실리카 제조에는 분쇄분급 기술 혹은 습식분쇄 후공정의 건조 기술이 필요합니다.

 

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그림 2. AFG의 분쇄 예

분쇄실리카의 제작 및 필요성

반도체 패키지의 경량화, 소형화에 따라 더욱 더 작은 입도의 실리카가 요구되고 있습니다. 그러나 입자가 작아질수록 점도가 증가하기 때문에 좁은 간격에 충진하기 어려워지는 문제점이 있습니다. 이를 해결하기 위해 구상실리카에 파쇄실리카를 혼합합니다. 이러한 실리카 제조장치에는 아래와 같은 조건이 요구됩니다.

  • 평균입도 수~수십 마이크로미터의 입자를 만들 수 있고, 필요에 따라 입도 변경이 가능해야 함
  • 조분 혹은 미분이 없을 것(균일한 입도분포: 미분은 점도를 증가시킴)
  • Contamination이 없을 것(금속, 이온 등)

당사에서는 이러한 조건을 만족시키는 다음의 2 종류의 장치를 추천드립니다.

  • AFG Fluidized bed opposed jet mill (그림 3,4)
  • ACM Pulverizer (Ceramic type) (그림 5,6)

두 장치 모두 분급 조건을 제어해 필요한 평균입도 및 입도분포를 얻을 수 있습니다. Grinding part와 기타 powder contact part는 금속 접촉이 없도록 설계가 가능합니다. 사용되는 내부 재질은 세라믹, Urea resin, PEEK resin 등이 있으며 금속 오염 없이 건조한 초미분 분쇄가 가능합니다.

 

그림 3. 세라믹 사양 AFG

그림 4. Fluidized bed opposed jet mill 400/1 AFG

그림 5. ACM Pulverizer ACM-30HC

그림 6. ACM Pulverizer ACM-15HC

구상실리카의 분급

용융실리카 등과 같은 구상실리카는 보통 wet sieving을 통해 입도를 맞추지만, 건식 공정을 이용할 경우 원심력을 이용한 기류식 분급기 ATP가 사용됩니다. ATP는 분급로터의 rpm을 조절하여 입도를 조절하며, 원료내의 미분을 제거하기 위해 사용되는 경우가 많습니다.

graph

그림 7. ATP를 이용한 분급

3156atp

그림 8. Turboplex 315/6ATP

실리카의 건조

습식 밀링(wet milling)은 미세한 입자의 생산에 사용됩니다만, 이후 공정에서 실리카 입자를 건조시켜야 합니다. 건조 기는 용량 및 제품 습기 등의 요구 사항에 따라 Flash dryer 또는 간접 가열 건조기가 권장됩니다. 전자의 경우 Xerbis(그림 9.) 또는 Drymeister, 후자의 경우 Solidaire(그림.10)가 각각  해당되는 장비입니다. 후자의 용량은 전자에 비해 작지만 열 효율은 더 높습니다.

 이는 경제적인 운전과 함께 매우 낮은 수분 함량에 이를 수 있다는 것을 의미합니다. 건조 프로세스에서는 작동 중에 크랙 등과 같은 입자 손상이 일어나지 않도록 해야 합니다.

그림 9. Xerbis XB-900

그림 10. Solidaire SJS-24-12

그림 11. Xerbis 건조 process

실리카 코팅 (표면 개질 및 절연 특성의 개선)

실리카 입자에 수지와의 친화성을 부여하기 위해 Liquid silane coupling agent를 고속 믹서 등으로 코팅시킵니다. 그러나 미반응 상태의 Si-OH기는 공기중의 수분을 흡습합니다. 이 상태의 입자를 수지에 섞은 복합수지에서 IC를 패키징하면 200℃나 되는 열 처리에서 수분이 폭발적으로 기화하므로 크랙이 발생할 수도 있습니다.

또한 봉지제는 빛의 통과를 방지하기 위해 카본 블랙 등의 흑색의 안료를 첨가해 착색하는데, 착색제 입자는 나노사이즈이기 때문에 응집성이 매우 강하고 유동성이 떨어지며, 도전성이 높은 문제를 가지고 있습니다. 

이를 해결하기 위해 다양한 입자의 코팅이 가능한 NOB Nobilta를 이용 가능합니다. Nobilta는 습식법으로Sliane coupling agent 입자에 카본블랙의 코팅을 용이하게 할 수 있으므로, 이러한 문제를 해결 할 수 있습니다.

그림 12. Nobilta NOB-450