There have been many researches related to the material properties and reliability of epoxy resin. Furthermore, the material properties and reliability of epoxy resin is closely related with curing agent and curing conditions. Curing behavior of epoxy resin can be changed by curing conditions that affect to the degree-of-cure and material properties of epoxy resin after cured. By understanding the relation between curing behavior depending on curing conditions and material properties of epoxy resin after cured, curing conditions of epoxy resin for ECF can be optimized.
In this study, epoxy/$BaTiO_3$ composite embedded capacitor films (ECFs) were fabricated using dicyandiamide (DICY) as a curing agent and 3-(4-c hlorophenyl)-1, 1-dimethylurea as a curing accelerator to investigate the curing behaviors and material properties of epoxy resins and ECFs with different curing agent, temperature and time. First, amount of curing accelerator was optimized in terms of glass transition temperature $(T_g)$, coefficients of thermal expansion (CTE), and chemical structure. From these results, the content of curing accelerator was optimized as 1wt%. In addition, effect of the curing accelerator addition on activation energy of epoxy resin was analyzed using the peak temperatures of differential scanning calorimeter (DSC) dynamic scans. The activation energy was reduced as 1wt% of curing accelerator was added because it enhanced the reactivity of DICY. The curing behaviors of epoxy resins with DICY 2wt%, DICY 6wt%, and the mixture of DICY 2wt% and curing accelerator 1wt% were also examined using DSC. According to results, peak of DSC dynamic scan was narrow and deep as DICY contents increased and curing accelerator lowered the curing on-set temperature and peak temperature of epoxy resin.
Effect of curing temperature on material properties of epoxy resins and ECFs were investigated in terms of $T_g$, peel adhesion strength, CTE, and chemical structure changes. Epoxy resins and ECFs were both used in this study to investigate the effect of ceramic powder addition on material properties of epoxy resin. As curing temperature increased, epoxy resin with DICY 2wt% cured continuously resulted in the improvement of $T_g$, peel adhesion strength, and CTE. In the case of DICY 6wt%, $T_g$, peel adhesion strength, and CTE saturated as curing temperature increased. Epoxy resin with the mixture of DICY 2wt% and curing accelerator 1wt% showed the improvement of CTE even after curing was completed due to additional crosslinking. Several mechanisms were proposed and the intensity changes of carbonyl peak with different curing temperatures were analyzed using Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy.
Effect of curing time on material properties of epoxy resins and ECFs were also investigated in terms of $T_g$, peel adhesion strength, CTE, and chemical structure changes. In terms of $T_g$, peel adhesion strength, and CTE, all epoxy resins and ECFs showed no increase as curing time increased. Further, chemical structure changes also saturated depending on curing time.
In summary, epoxy/$BaTiO_3$ composite ECFs were optimized in terms of curing agent, curing temperature and curing time. Furthermore, material properties of epoxy resins and ECFs were characterized according to curing conditions.
최근 전자제품 내에 수동 소자의 개수는 기술이 발전할수록 증가하고 있으며, 이에 맞추어 기판 표면에 있던 수동 소자를 기판 내부로 넣음으로써 패키지 면적을 줄이고 고주파에서의 전기적 성능을 향상시키며 신뢰성 문제도 향상시킬 수 있는 내장형 수동 소자 기술이 계속 연구되어 왔다. 수동 소자 중에서도 커패시터는 전체 수동 소자의 40%를 차지하며 전자회로상에서 매우 중요하므로 내장형 커패시터의 연구에 대한 관심은 더욱 커지고 있다. 본 연구에서는 콤마 롤 코터를 이용한 에폭시/$BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름을 제작하여 사용하였다. 이 필름이 PCBs (Printed Circuit Boards)에 multi-layer build up 공정으로 내장되면 접착제의 역할과 유전체의 역할을 동시에 하므로 PCB와의 접착력, 열팽창계수, 유리 전이 온도를 알아보는 것이 중요하다. 게다가 에폭시의 경화 거동과 물성은 경화제, 경화 온도나 경화 시간 등에 의해 바뀔 수 있고, 이는 나아가 제품의 신뢰성에도 영향을 주게 되므로 에폭시의 경화 거동과 물성에 경화제와 경화 조건이 미치는 영향을 알아보는 것이 필요하다.
본 연구에서는 경화제와 경화 조건이 에폭시 필름과 에폭시/$BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 에폭시 필름과 에폭시/$BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름은 세라믹 입자의 첨가 효과를 비교해 보기 위해 둘 다 사용되었다. 경화제로는 흔히 사용되는 DICY (dicyandiamide), 그리고 DICY/에폭시 시스템의 경화 촉진제 중 하나인 3-(4-chlorophenyl)-1,1-dimethylurea가 사용되었다. 그리고 DICY 2wt%, DICY 6wt%, DICY 2wt%와 dimethylurea 1wt% 혼합의 세가지 경화 시스템을 이용해 경화 거동을 비교하였다. Dimethylurea의 양은 유리 전이 온도 $(T_g)$, 열팽창계수 (coefficient of thermal expansion, CTE), FT-IR (Fourier Transform Infrared) spectroscopy 결과를 통해 1wt%로 최적화되었다. 그리고 dimethylurea의 첨가로 인해 낮아지는 활성화 에너지를 Differential scanning calorimeter (DSC)를 이용해 구하였다. 세 가지 경화제 시스템의 온도에 따른 경화도도 DSC를 통해 구할 수 있었다.
경화 온도가 에폭시 필름과 에폭시/$BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름에 미치는 영향은 유리 전이 온도, 접착력, CTE, 그리고 FT-IR을 통한 화학 구조 분석을 통해 알아보았다. DICY 2wt% 가 첨가된 필름들의 경우 경화 온도가 증가할수록 FT-IR 상에서 에폭시 링의 peak이 감소하는 것을 관찰할 수 있었고 이는 유리 전이 온도와 접착력의 증가, CTE의 감소로 나타났다. DICY가 6wt% 첨가된 필름의 경우 일정온도 이상부터는 경화도가 같음을 유리 전이 온도와 에폭시 링의 peak 으로부터 알 수 있었고 온도에 따라 물성들의 값은 거의 변화가 없었다. DICY 2wt%와 dimethylurea 1wt%가 첨가된 필름들은 경화가 끝나 에폭시 링이 다 소모되었음에도 경화 온도가 증가할수록 물성의 향상이 있었다. 이를 FT-IR 결과와 DICY의 몇 가지 고온 메커니즘으로 설명하였다. DICY의 양이 증가할수록 경화된 에폭시 구조에서 고리화가 많이 발견되었으며 이것이 온도에 따른 물성에 나쁜 영향을 끼치는 것으로 보인다.
경화 시간이 에폭시 필름과 에폭시/$BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름에 미치는 영향 역시 유리 전이 온도, 접착력, CTE, 그리고 FT-IR을 통한 화학 구조 분석을 통해 알아보았다. 모든 필름들의 경우에서 경화 시간이 증가하여 에폭시 링의 감소가 끝나게 되면 더 이상의 물성 증가가 없었고 화학구조 분석에서도 역시 더 이상 증가가 없음을 알아볼 수 있었다.
