첨단 패키지를 설명할 때 실리콘 칩렛, 구리 연결, 유리 코어, 히트 스프레더처럼 단단한 부품이 주목받습니다. 그러나 패키지가 버티게 하는 것은 그 사이를 채운 연성 재료입니다. 언더필은 마이크로범프 주변의 하중을 나누고, 몰딩재는 다이를 보호하며, 접착제는 서로 다른 층을 붙입니다. 열계면재는 거친 표면 사이로 열을 전달하고 유기 절연막은 배선을 지지합니다. 이 거동을 탄성률 하나와 유리전이온도(Tg) 하나로 설명할 수 없습니다.
NIST가 주도하고 NREL, Intel, ASE, Innocentrix, 대학 연구자가 참여한 IEEE T-CPMT 논문은 패키징 고분자가 왜 계측 문제인지 설명합니다.[1] 2024년 NIST 워크숍을 바탕으로 한 전망 논문이므로 새 소자 성능을 주장하지 않습니다. 분자 전환율과 공정 이력이 휨, 응력, 접착, 수분 반응, 수명 예측으로 이어지는 경로를 정리한 것이 기여입니다.
이력을 기억하는 패키지 재료 시스템
에폭시는 반응성 분자에서 시작해 경화 과정에서 가교망을 만듭니다. 온도와 시간이 연결망이 생기는 겔화와 반응 속도가 급격히 느려지는 유리화를 결정합니다. 배합이 같아도 경화 경로가 다르면 최종 전환율, 자유 체적, 잔류 응력, Tg가 달라질 수 있습니다.
논문은 민감도를 보여 주는 예로 한 에폭시 시스템에서 전환율이 90~100% 구간에서 1%포인트 달라질 때 Tg가 약 5°C 변할 수 있다고 설명합니다. 물성표의 최종 Tg 하나로는 조립 중 부분 경화 재료의 거동을 알 수 없습니다. 반응 경로를 직접 측정하거나 모델에 넣어야 합니다.
겔화와 유리화는 패키지에 응력이 잠기는 시점도 정합니다. 겔화 전에는 재료가 흐르며 응력을 완화할 수 있습니다. 연결망이 생긴 뒤에는 화학 수축과 열팽창 차이가 점차 응력을 만듭니다. 유리화 뒤에는 완화 속도가 더 느려집니다. 상온에서 측정한 최종 휨에는 이 순서가 남아 있습니다.
고정점이 아닌 측정 조건으로서의 Tg
유리전이는 분자 운동이 실험 시간 규모에서 달라지는 온도 범위입니다. 온도를 빠르게 바꾸면 고분자 연결망이 완화할 시간이 줄어 겉보기 Tg가 높아질 수 있습니다. 논문이 든 에폭시 예에서는 냉각 속도가 10배 달라질 때 Tg가 약 3~5°C 이동했습니다.
장비도 값을 바꿉니다. 동적 기계 분석(DMA)은 점탄성 응답의 변화를 보고, 팽창계나 열기계 분석은 치수 팽창을 봅니다. 분당 1°C 조건에서 손실 탄젠트로 정한 DMA Tg가 팽창계 값보다 15~20°C 높을 수 있습니다. 어느 한쪽이 틀린 것이 아니라 서로 다른 작동 정의를 측정한 결과입니다.
공급사와 시뮬레이션 팀이 자료를 주고받을 때 이 차이가 중요합니다. DMA 피크에 맞춘 모델이 다른 방법으로 찾은 열팽창 변화점과 같은 숫자라고 가정하면 안 됩니다. 시편 형상, 주파수나 온도 변화율, 경화 이력, 수분 전처리, 분위기, Tg 선택 기준을 함께 기록해야 합니다.
패키지 휨을 바꾸는 점탄성
고분자는 빠르게 힘을 줄 때와 오래 유지할 때 다르게 반응합니다. 온도에 따라 탄성률과 완화 시간이 크게 달라집니다. 순수 탄성 모델은 현재 변형만으로 응력을 계산하므로, 유지 시간에 경화 수축 응력이 풀리거나 냉각 중 다시 쌓이는 현상을 표현하지 못합니다.
논문은 자주 빠지는 입력으로 온도 의존 푸아송비도 지적합니다. 고정값 대신 온도에 따라 변하는 값을 사용했을 때 한 열 휨 예측의 정확도가 4배 좋아졌습니다. 이 배수는 해당 모델과 패키지에 한정되지만, 부차적으로 보이는 고분자 물성이 전체 오차를 지배할 수 있다는 점을 보여 줍니다.
패키지가 넓고 얇아질수록 작은 오차가 더 큰 거리에 누적됩니다. 칩렛과 패널 공정은 시간 상수가 다른 여러 재료를 결합합니다. 한 모델이 상온 휨은 맞춰도 본딩 계면 응력이나 리플로 온도 형상을 틀리게 예측할 수 있습니다.
화학과 기계를 연결하는 수분
패키징 고분자는 보관과 사용 환경에서 물을 흡수합니다. 수분은 연결망을 연화해 유효 Tg와 탄성률을 낮추고, 재료를 팽창시키며, 접착을 바꾸고, 가열 중 기화할 수 있습니다. 흡습 변형은 열 변형과 경화 변형에 더해집니다.
따라서 수분 전처리도 실험 조건입니다. 베이크 직후의 건조 시편은 공장 바닥에서 며칠 머물거나 습한 환경에서 수년 쓴 패키지를 대표하지 않습니다. 고온다습 순환은 단조로운 온도 시험에서 보이지 않던 계면 손상도 만들 수 있습니다.
수분 이동은 위치마다 다릅니다. 두꺼운 몰딩재, 얇은 언더필, 노출 가장자리, 금속 표면은 확산 거리와 경계가 다릅니다. 평균 흡수량만으로 취약한 구리-고분자 또는 실리콘-고분자 계면의 국부 농도를 알 수 없습니다. 모델에는 온도와 경화 상태에 따른 확산계수·용해도와 계면을 보는 검증 자료가 필요합니다.
공정 시간을 따라가는 계측
논문은 모든 문제를 해결할 장비 하나를 고르지 않고 서로 보완하는 방법을 정리합니다. 시차 주사 열량법은 경화열과 전이를 추적합니다. 유변 측정은 흐름, 겔화, 점도를 보여 줍니다. 라만과 적외선 분광은 화학기와 전환율을 추적하고, 핵자기공명은 연결망 구조와 분자 운동을 살필 수 있습니다.
기계·치수 측정도 다른 정보를 줍니다. DMA는 주파수에 따른 탄성률과 감쇠를 측정합니다. 열기계 분석은 팽창을 보고, 디지털 영상 상관법은 표면 변형과 휨 지도를 만듭니다. 브릴루앙 광산란과 레이저 주파수 영역 방법은 국부 탄성 특성을 볼 수 있습니다. 광섬유 브래그 격자는 패키지 안에 남아 공정 중 변형을 보고할 수 있고, 소각·초소각 X선 산란은 나노 구조를 보여 줍니다.
각 방법의 길이·시간 범위와 질문이 다릅니다. 같은 재료와 경화 이력으로 연결해야 결과를 함께 쓸 수 있습니다. 생산 패키지와 온도 상승 속도, 압력, 두께, 수분 상태가 다르면 정밀한 쿠폰 값도 실제 공정에는 맞지 않을 수 있습니다.
공정 중 측정이 특히 중요합니다. 실제 열이력을 따라가면서 경화와 응력을 보면 화학 수축과 뒤의 열수축을 구분할 수 있습니다. 겔화를 지나 응력 완화 능력을 잃는 시점도 알 수 있습니다. 이 사건들이 상온 최종값보다 공정 조건을 정하는 데 유용합니다.
공동 학습을 막는 비공개 배합
상용 언더필과 몰딩재는 복잡하며 배합이 공개되지 않는 경우가 많습니다. 공급사는 구매에 필요한 값은 제공해도 조성, 경화 반응, 충전재, 결합제, 공정 보조제를 공개하지 않을 수 있습니다. 연구실은 서로 다른 미공개 재료를 측정하므로 결과가 다른 이유가 장비인지 배합인지 구분하기 어렵습니다.
NIST는 투명하고 비독점적인 연구용 표준 재료(RGTM)를 제안합니다. 초기 대상은 언더필과 몰딩재입니다. 공개 배합 하나를 여러 기관이 쓰면 재료가 바뀌지 않은 상태에서 장비, 측정 절차, 경화 모델, 기관 간 비교 결과를 검증할 수 있습니다.
RGTM은 양산 재료를 대체하려는 것이 아닙니다. 방법과 모델을 전달하는 기준입니다. 연구실이 공개 기준을 재현한 뒤 비밀유지계약 아래 상용 배합을 측정하면 결과의 신뢰도가 높아집니다. 장비 공급사도 같은 재료로 체계적인 편차를 찾을 수 있습니다.
중요한 변수를 보존하는 표준
유용한 표준은 고분자 거동을 상온 탄성률 하나로 줄이면 안 됩니다. 시편 준비, 보관, 수분 전처리, 열이력, 온도 변화율, 하중 주파수, 변형 범위, 불확도를 정해야 합니다. 경화 측정에서는 전환율을 밝히고 겔화와 유리화를 구분해야 합니다.
패키지 모델에는 점탄성 계수, 경화 수축, 열팽창, 푸아송비, 수분 특성을 필요한 온도 범위에서 주고받는 형식도 필요합니다. 직접 측정한 값, 맞춤 계산한 값, 외삽한 값을 표시해야 합니다. 그렇지 않으면 시뮬레이션 입력은 완전해 보여도 서로 맞지 않는 가정을 숨깁니다.
고분자 측정은 장비 고정구와 분석 선택에 민감하므로 기관 간 순환 시험이 필수입니다. 같은 RGTM에서 일치하는지 확인하면 연구실 편차와 산업계가 써야 할 불확도 범위를 알 수 있습니다. 방법을 밝히지 않은 정밀 숫자보다 불확도를 포함한 표준이 더 유용합니다.
AI·HPC 패키지에서 커지는 모델 오차 비용
AI 가속기는 큰 실리콘 면적, HBM 스택, 유기 기판, 인터포저, 덮개, 언더필과 높은 열유속을 결합합니다. 미세 피치 계면은 변형을 흡수할 여유가 작고, 큰 패키지 치수는 휨을 키웁니다. 높은 전력은 넓은 온도 변화와 구배를 만듭니다. 작은 기존 패키지에서 충분했던 고분자 모델이 이 규모에서는 실패할 수 있습니다.
경제적 손실도 큽니다. 조립 모듈 하나에 값비싼 양품 다이와 메모리 스택이 여러 개 들어갑니다. 빈 공간, 박리, 범프 균열, 덮개 분리 하나로 전체 모듈을 버릴 수 있습니다. 보수적으로 설계하면 고장을 피할 수 있지만 재료, 공정 시간, 냉각 압력을 지나치게 늘립니다. 정확한 고분자 자료가 이 여유 폭을 줄입니다.
칩렛 재사용은 이동 가능한 재료 모델을 더 중요하게 만듭니다. 같은 컴퓨트 다이가 서로 다른 몰딩재, 기판, 덮개, 열이력을 가진 패키지에 들어갈 수 있습니다. 한 성공 적층에만 맞춘 모델은 다음 조합을 예측하지 못합니다. 화학과 이력을 포함한 측정이 더 재사용 가능한 설명을 만듭니다.
쿠폰과 실제 패키지의 연결
첫 단계는 이력을 완전히 기록한 재료 쿠폰입니다. 경화 반응, Tg 정의, 점탄성, 열팽창, 푸아송비, 수분 이동, 접착을 통제된 조건에서 정합니다. 두 번째는 단순 접합 구조로 계면과 잔류 응력을 분리합니다. 세 번째는 실제 조립 열이력을 적용한 대표 패키지에서 검증합니다.
모델과 측정은 같은 관측값을 비교해야 합니다. 휨을 예측하면 여러 온도에서 전체 형상을 측정해야 합니다. 계면 응력을 예측하면 해당 계면에 민감한 파괴·변형 측정이 필요합니다. 수분이 고장 원인이면 습도 이력을 통제하고 기록해야 합니다. 관계없는 신뢰성 시험 통과는 재료 모델 검증이 아닙니다.
최종 근거는 예측 능력입니다. 한 열이력이나 형상에서 계수를 맞춘 뒤 다시 조정하지 않고 다른 조건을 예측해야 합니다. 보정에 쓴 시험체만 재현하는 모델은 설명에는 유용해도 다른 패키지로 옮기기 어렵습니다. 논문이 제안한 계측 프로그램은 이 차이를 시험할 수 있게 합니다.
시스템 제약이 되는 재료 채택 시간
저자들은 새 패키징 재료가 대량 생산에 들어가기까지 10년이 넘고 때로 25년이 걸릴 수 있다고 지적합니다. 단순한 보수성 때문이 아닙니다. 공급 능력, 취급, 도포·몰딩 장비, 경화 범위, 오염 규칙, 검사, 수리, 장기 신뢰성을 모두 맞춰야 합니다.
AI 제품 주기는 이보다 짧습니다. 따라서 이미 인증한 재료의 계측과 모델을 지금 개선하는 경로와, 새 배합을 위한 공개 기준·가속 인증을 만드는 경로가 함께 필요합니다. RGTM은 측정 개선 결과를 기관 사이에서 옮길 수 있게 해 두 경로를 돕습니다.
모든 상용 배합을 공개하는 것이 목표는 아닙니다. 비공개 자료도 신뢰할 수 있는 절차에 들어가도록 측정 방법, 불확도, 모델 형식을 충분히 호환하는 것이 목표입니다.
물성표에서 재료 이력으로의 전환
NIST 주도 논문은 분석 단위를 고분자 물성표에서 재료 이력으로 바꿉니다. 경화 전환율, 온도 변화율, 측정법, 수분, 하중 시간이 어떤 Tg와 탄성률을 써야 하는지 정합니다. 3~5°C 속도 민감도, 15~20°C 측정법 차이, 4배 모델 개선은 모든 재료에 적용할 상수가 아닙니다. 빠뜨린 조건이 설계 여유보다 클 수 있다는 증거입니다.
첨단 패키징에서 연성 재료는 빈 공간을 채우는 수동 부품이 아닙니다. 미세 피치 계면이 맞닿는지, 큰 모듈이 평평하게 남는지, 시간이 지나며 응력이 어디에 모이는지를 정합니다. 공개 연구용 표준 재료와 공정 중 계측은 보기 좋은 시뮬레이션을 다른 연구실과 다른 패키지에서도 믿을 수 있는 모델로 바꾸는 경로입니다.
출처와 저작권 안내
이 글은 NIST가 공식 제공한 논문을 바탕으로 우리 표현으로 다시 쓴 독립 편집 요약입니다. 원문의 문장·도판·표를 재수록하지 않았습니다. 도판은 이 글을 위해 새로 만들었고 출처에서 가져온 수치는 코드로 합성했습니다. 이 논문은 미국 국립표준기술연구소의 공식 기여물로 미국 내 저작권 적용 대상이 아닙니다. IEEE 기록과 위 DOI에서 원문을 확인할 수 있습니다.