Flip-chip technology has been a promising candidate for microelectronics in the next generation. In most of the microelectronic components including flip chip, there were many polymer composite materials having low thermal conductivities, such as 0.2 W/mK of epoxy. It is very important to improve the thermal properties of those polymer composites in the high integration electronic components. Underfill is an important part of the flip-chip package and is composed of epoxy polymer and the ceramic fillers. In this study, we investigated viscosity, coefficient of thermal expansion (CTE), density, thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity of the underfills with various fillers. Selected filler materials were silica, alumina, BN, and diamond (thermal conductivity ; 1.5, 36, 300, and 2000 W/mK). Thermal conductivity of the underfill without filler was about 0.237 W/mK at 25℃, and increased to about 0.253 W/mK at 55℃. Underfill with diamond 60wt% filler showed the highest thermal conductivity of 1.19W/mK at 55℃.
The effect of filler size was studied by using various size of spherical shape silica. For underfills having same filler content, CTE increased with increasing filler size due to reduce interphase area between the fillers and the resin compound. The underfill with larger filler size turned out to be filled in broader area because of increased surface tension and decreased viscosity of the underfill. Thermal conductivities of the underfills studied showed similar values, independent of filler size.
A flip-chip package was fabricated to measure temperature distribution of the package. The package consisted of diode temperature sensor array (DTSA) chip on printed circuit board (PCB). The gap between the chip and the PCB was filled with the underfill materials. Underfill was loaded with various fillers such as silica, alumina, and diamond. The conotent of the fillers was 30wt% or 50wt%. To investigate temperature distributions of a DTSA, 0.84W was applied a heater in the center of the DTSA. Then, 1,024 temperature signals from diodes was analyzed and compared with ICEPAK simulation. Measured thermal conductivity values of the underfill at 45℃ were used for the simulation since the measured maximum temperature range of the package was around 45℃. The ICEPAK simulation was comparatively well agreed with experimentally measured maximum temperature value for each underfill. Silica 50wt% loaded underfill showed calculated value;45.71℃ and measured value;46.85℃. Alumina 50wt% underfill filled package showed calculated value; 45.1℃ and measured 45.29℃. Package with diamond 50 wt% underfill showed simulated value;44.41℃ and measured 44.54℃. Also, thermal resistance model was used to analyze the DTSA package. Both ICEPAK simulation and thermal resistance model were comparatively well matched with the temperature measurements. DTSA package with diamond 50wt% loaded underfill has the least maximum temperature 44.41℃ and temperature distribution.
플립칩 패키지는 차세대 전자부품의 실장기술로써 각광을 받고 있다. 플립칩을 비롯한 많은 전자부품패키지에서는 고분자 복합재료가 많이 사용되고 있다. 그러나 이러한 고분자 복합재료는 낮은 열전도도를 가지고 있어 고집적화되어가는 디바이스에서 열문제를 해결하기 위하여는 이러한 고분자 복합재료의 열물성을 향상시키는 것이 중요한 문제이다. 특히 이러한 고분자재료의 주를 이루는 에폭시의 경우 열전도도는 0.2 W/mK 정도로 아주 낮다. 언더필은 플립칩패키지에서 아주 중요한 부분이며 이러한 언더필 또한 에폭시와 낮은 열전도도(1.5 W/mK)를 갖는 실리카 필러로 구성되어진다. 본 연구에서는 여러가지 열전도특성이 우수한 필러를 이용하여 언더필을 제조하고 이들의 열팽창계수, 밀도, 열확산계수, 열용량, 열전도도를 측정하였다. 필러로 사용된 재료로는 실리카, 알루미나, 보론나이트라이드, 다이아몬드 (각각의 열전도도는 1.5, 36, 300, 2000 W/mK이다)이다. 필러가 함유되지 않은 언더필의 열전도는 25℃ 에서 0.237 W/mK 정도였고 55℃ 에서는 0.253 W/mK의 값을 보였다. 다이아몬드 60 wt% 필러가 함유된 언더필이 가장 높은 열전도도를 보였으며 55℃ 에서 1.19 W/mK의 값을 보였다.
필러크기 효과를 보기위해 구형의 실리카 필러를 각기 다른 크기로 하여 물성을 측정하였다. 같은 필러 함량을 가진 언더필의 경우에 있어 열팽창계수는 필러크기가 증가함에 따라 증가하였는데 이러한 원인은 필러와 에폭시사이의 중간상의 면적이 감소하기 때문이다. 필러크기가 큰 필러를 함유하는 언더필의 경우 좀 더 넓은 면적에 대하여 언더필의 충진이 가능한데 이러한 이유는 같은 필러 함유량을 가질 때 필러크기가 증가함에 따라 언더필의 표면장력이 증가하고 점도는 감소하기 때문이다. 열전도도는 필러크기에 따라 거의 영향을 받지 않았다.
플립칩 패키지에서 언더필의 온도분포를 측정하기 위하여 플립칩 패키지를 제조하였다. 패키지는 온도측정이 가능한 다이오드 어레이를 갖고 있는 칩과 기판으로 이루어져 있으며 이 사이를 언더필로 충진하였다. 언더필은 실리카, 알루미나, 다이아몬드필러를 각각 30, 50 wt%로 충진하여 사용하였다. 온도분포는 다이아오드칩의 중안 히터를 0.84 W로 가열하여 측정하였다. 1,024개의 다이오드로부터 측정된 온도분포와 아이스팩 결과를 비교하였다. 다이오드칩을 이용한 온도측정에서 거의 최고온도값이 45℃ 근처로 나타나 45℃ 에서 측정된 열전도도 값을 아이스팩 계산자료로 이용하였다. 아이스팩 계산결과는 다이오드칩을 이용한 측정결과와 유사하였다. 실리카 50 wt% 충진된 패키지의 경우 계산결과는 45.71℃ 로 측정결과 46.85℃ 와 유사하였으며, 알루미나 50 wt% 충진된 경우; 계산: 45.1℃,측정: 45.29℃, 다이아몬드 50 wt% 충진된 언더필이 사용된 패키지는 계산: 44.41℃, 측정: 44.54℃ 의 결과를 보였다. 또한 열저항 모델을 이용하여 각 패키지의 열효과를 분석하였다. 아이스팩 계산, 열저항 모델을 통한 계산들은 다이아드 칩을 이용한 측정결과와 일치하는 결과를 보였다. 다이아몬드필러 50 wt%가 충진된 언더필이 사용된 패키지가 가장 낮은 최대 온도 44.41℃ 를 보였으며 또한 가장 낮은 온도분포를 보였다.
