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접착이란 두 물질간의 물리적 혹은 화학적 친화력에 의해 결합되는 현상이며 결합된 두 물체의 상호작용력은 접착강도로 상대평가가 될 수 있다. 반도체 Package의 조립에 사용되고 있는 Polymer계의 재료들은 금속과는 다른 원자들 상호간의 여러 Mechanism에 의해 그 결합이 이루어진다. 금속과 금속간의 결합의 경우 상호 원자의 확산에 의해 형성되는 합금 또는 중간 화합물(Intermetallic Compound)이 하나의 접착층으로 간주될 수 있다. 예를 들어 Die Attach후 진행되는 Wirebonding 공정의 Gold Wire와 Aluminum Pad가 결합되는 것은 상호 확산 계수차가 큰 Gold와 Aluminum이 물리적으로 1차 접착한 후 접착 계면을 통해 AI 원자가 Au층으로 급속하게 확산되면서 AI2Au, AlAu,AIAu2 등과 같은 중간 화합물을 형성함으로써 강한 결합력을 유지할 수 있음이 이론적으로 정립된 바 있다. 그러나 Polymer간의 접착 이론은 금속과 같이 명확하게 규명되어 있지 않으며 접착 계면에서 구조나 특성이 유사한 고분자 사슬간의 운동성에 의한 상호 확산으로 접착을 이루는 것으로 추정된다. 그러나 Polymer는 대부분 동종의 물질이 아닌 성질이 상이한 금속, 세라믹, 플라스틱등과 같은 Substrate와의 접착에 많이 이용된다. 이 같은 경우 접착 경계 면에 존재하는 상호작용력은 다음과 같이 분류할 수 있으며 그 구조적인 차이는 그림 <Polymer System과 의 Bonding Mechanism>에 나타냈다.

  • A. 공유결합(Primary Covalent Bond : 두 원자가 한 쌍의 전자를 공유하는 결합)
  • B. 수소 결합(Hydrogen Bond : 수소와 전기 음성도가 큰 원자(N,O,F)와의 인력)
  • C. 쌍극 작용(Dipole interaction : 반대 전하 사이의 인력 또는 같은 전하 사이의 반발력)
  • D. 이온 결합(Ionic Bond : 서로 다른 두 원자간의 전자전이로 이루어 지는 결합)
  • E. 반 데르 발스 결합 (Van der Waals Bond : 분자간 쌍극인력)
     

< Polymer System과 Bonding Mechanism >
     

이와 같이 상이한 물질간의 경계면에 존재하는 다양한 상호작용력 가운데 어느 것이 두 물질간의 접착력에 주도적으로 작용하는 지에 대해서는 아직까지 명확히 규명되지는 않았으나 공유 결합, 수소 결합, van der Waals 결합 등이 계면 접착에 주로 영향을 미치는 것으로 보고 있다. <각종 결합의 Potential Energy 비교 곡선>은 공유 결합, 수소 결합, Van der Waals 결합의 Potential Energy 차이를 나타내고 있다. 공유 결합은 원자와 원자의 화학 결합인 관계로 원자간 거리가 상대적으로 짧고 강력한 인력으로 결합되어 있는 반면 분자와 분자 사이의 결합 형태인 수소 결합이나 Van der Waals 결합은 상대적으로 결합 거리가 길고 Energy도 훨씬 작음을 알 수 있다.

     

Metal Substrate의 경우 접착제와 Substrate사이의 극성 또는 산, 염기의 상호 작용이 가장 강한 접착력이라 볼 수 있으며 이런 형태의 결합은 Substrate에 존재하는 Hydroxyl계와 접착제의 Hydroxyl 또는 Amine계 성분이 상호 작용하는 수소 결합이다. 또 하나 고려할 Mechanism은 화학 결합을 통해 Substrate와 접착제가 상호 결합되는 것인데 이 경우 반응은 Substrate와 접착제의 Base Resin 또는 Coupling Agent가 서로 작용하는 것으로 볼 수 있다. 아래의 표는 각종 결합 또는 상호작용력의 일반적인 결합 Energy를 나타내고 있다.

결합 혹은 상호 작용력 결합Energy (kJ / mol)
이온결합 (원자간) 580 - 1000
공유결합 (분자간) 60 - 700
수소결합 (분자간) 10 - 25
불소를 포함한 수소 결합 (분자간) 40
< 분자간 인력 >  
- 극성 / 극성 4 - 20
- 극성 / 유도 극성 < 2



앞에서 언급된 상호 작용력에 기인하여 일반적으로 반도체 조립에 사용되고 있는 물질 접착제와 접착력이 좋은 물질부터 나열해 보면 다음과 같다.

  1. Bare Silicon
  2. Epoxy / Polyimide
  3. Copper(Copper oxide)
  4. Silver
  5. Gold

Gold나 Silver의 경우 화학적으로 매우 안정적이고 내산화성이 있어 화학적 상호작용력이 다른 물질과 비교해 현저히 낮으며 상대적으로 접착력이 떨어진다. 반면에 Silicon은 항상 얇은 층의 Oxide(Native Oxide)가 존재하기 때문에 Hydrogen Bonding이 형성되어 접착력을 강화시킨다.





 
   

접착제 사용 방법에 대한 지식은 성공적인 결합에 필수적인 기초사항이며, 접착부위 불량의 가장 흔한 원인은 접착 강도와는 무관하며 오히려 적절하지 못한 피착제의 준비와 부적당한 접착제의 선택에 있다고 할 수 있다.
1. 접착 부위의 준비

이종간의 접착을 위하여 접착제는 피착제 재료의 동일 여부와 관계없이 피착제의 표면 사이를 연결해 주는 다리 또는 고리라고 할 수 있다. 결합 방식은 아래의 사항에 의해서
좌우된다.

  • 소재(피착제)에 대한 접착제의 접착 강도- 접착(Adhesion)
  • 접착제내의 강도- 응집(Cohesion)

2. 접착

접착은 두 물질이 접촉하는 표면에서의 접착되는 힘이라 할 수 있다. 인력과 흡수라는 물리적인 힘 즉, 이러한 힘을 Vander Wasls forces라고 한다. 접착에 있어 매우 중요한 요소이다. 기계적으로 처리된 표면의 상대적 표면 조도로 인하여 접착 재료가 접착 부위와 제대로 접착되지 못하는 경우에는 이러한 분자간 힘의 범위는 상당히 줄어들게 된다.

이러한 이유로 접착제는 거친 표면속으로 깊숙이 스며들어야 하며, 표면이 완전히 적셔져야
한다. 그러므로, 접착제의 강도는 웨팅(Wetting) 의 침투력에 따라 좌우되며, 다른 한편으로는 피착제 표면의 접착 수용능력에 따라 좌우된다. 접착제의 주어진 표면 장력에서 웨팅은
소재의 표면 에너지와 접착제의 점도에 따라 좌우된다. 또한 웨팅은 표면이 오염된 경우 감소하게 된다.

3. 응집

응집은 어떤 물체를 유지하고 있는 접착제 내의 분자사이를 지배하는 힘이다. 이러한 힘은 다음 사항을 포함한다.

  • 인력으로 인한 분자간의 힘(Van der Waals forces)
  • wofy 사이의 중합체 분자의 상호 결합

분자 체인 구조는 가장 약한 연결 정도의 강도를 갖는다는 규칙에 따라 접착된 부위에서 응
집력과 접착력은 거의 동일해야 한다.

4. 표면 에너지와 접촉각

접착제와 소재(피착제)의 표면에너지 사이의 상관 관계는 접촉 각도의 직접적인 작용이다.
접착제의 표면 에너지 k가 소재의 표면 에너지보다 작거나 같은 경우에만 접착제는
고체의 표면을 적절하게 적시게 된다. 접착제의 표면 에너지가 소재의 표면 에
너지보다 작거나 같은 경우 접착제는 접착할 표면을 적절히 적셔 주게 된다.