실용화를 위한 고열전도 소재 Boron Arsenide 분말의 합성 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 반도체 패키징 공정에서 요구되는 고열전도성 언더필 소재 개발을 위해, 전자 소자의 주요 고장 요인인 열 관리 문제를 해결할 수 있는 Boron Arsenide(BAs)/에폭시 복합재를 제작하고 그 성능을 평가하였다. 특히 BAs가 이론적으로 1000 W/m·K 이상의 우수한 열전도도를 가지며 전기 절연성까지 유지하는 점에 착안하여, 이를 고분자 매트릭스 기반 패키징 소재로 적용하는 가능성을 탐색하였다.
우선 고순도 1:1 조성의 BAs 분말을 확보·합성한 뒤 비스페놀-A 계열 에폭시와 이미다졸계 경화제를 조합하여 점도 및 가공성이 확보되는 최적의 경화 조건을 설정하였다. 이러한 조건에서 다양한 함량의 BAs를 충전한 언더필 복합재를 제조하였으며, 점도가 13–43 Pa·s 범위 내에서 안정적으로 유지되도록 공정을 조절하였다.
제조된 복합재를 분석한 결과, BAs를 포함하지 않은 에폭시의 열전도도(0.25 W/m·K)에 비해 BAs 필러를 적용한 복합재는 최대 0.416 W/m·K까지 열전도도가 향상됨을 확인하였다. 이는 기존 대비 약 1.6배 수준의 개선으로, 고발열 환경에서 동작하는 전력 반도체, 고주파 소자, AI 및 HPC 칩 등에서 패키징 신뢰성 향상에 충분히 의미 있는 수준이다. 또한 기계적 성능 저하 없이 분산 안정성과 계면 결합 향상이 확보된 점을 통해 고분자 복합재로서의 실질적 적용 가능성을 확인하였다.
이와 같은 결과를 바탕으로, 본 연구는 BAs/에폭시 복합재의 조성 및 공정을 체계적으로 최적화함으로써 고열전도성 언더필 소재의 실용적 개발 가능성을 제시하였다. 특히 BAs를 고분자 매트릭스에 적용한 초기 사례를 제시함으로써 향후 차세대 패키징 소재 연구의 새로운 방향성을 제안할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This work presents the development of boron arsenide (BAs)/epoxy composites designed for high-thermal-conductivity underfill applications in advanced semiconductor packaging. Thermal management is a critical reliability factor in highly integrated electronic devices, and materials capable of dissipating heat efficiently are increasingly required. To address this need, high-purity BAs powder with a 1:1 stoichiometric composition was synthesized and employed as a thermally conductive yet electrically insulating filler. A bisphenol-A epoxy system combined with an imidazole curing agent was selected as the polymer matrix, and the curing conditions were systematically optimized to achieve adequate processability and rheological stability. Under these optimized conditions, composites containing various BAs loadings were prepared while maintaining viscosities within the controlled range of 13–43 Pa·s, suitable for underfill dispensing processes.
The incorporation of BAs resulted in a clear enhancement in thermal transport properties. The thermal conductivity increased from 0.25 W/mK for the neat epoxy to a maximum of 0.416 W/mK for the BAs-filled composites, corresponding to a 1.6-fold improvement. This enhancement is significant for applications involving high heat flux, including power devices, high-frequency components, and AI and high-performance computing chips. Moreover, the composites retained mechanical stability, uniform filler dispersion, and improved interfacial adhesion without compromising structural integrity, indicating their suitability for practical packaging environments.
Overall, this study establishes a foundational framework for the integration of BAs into polymer matrices and demonstrates the potential of BAs/epoxy composites as promising candidates for high-thermal-conductivity underfill materials. The results highlight the practicality of BAs-based polymer composites and provide insights into material and process optimization for next-generation electronic packaging technologies.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 제 1 절 열전도도 3
• 제 2 절 열전도 재료 4
• 제 1 항 기존 열전도 재료 4
• 제 2 항 Boron Arsenide(BAs) 7
• 제 3 항 BAs의 열전달 메커니즘 9
• 제 3 절 반도체 패키징 12
• 제 1 항 패키징의 종류 12
• 제 2 항 언더필과 복합재료 14
• 제 3 장 실험 방법 15
• 제 1 절 분말 합성 15
• 제 2 절 증착용 타겟 제작 17
• 제 3 절 BAs/에폭시 복합재료 제작 18
• 제 4 절 분석 방법 21
• 제 4 장 결과 및 고찰 22
• 제 1 절 합성 분말의 XRD, SEM, XPS 분석 22
• 제 2 절 타겟의 밀도, XRD, 열전도도 분석 32
• 제 3 절 복합재료의 점도, SEM, 열전도도 분석 37
• 제 5 장 결 론 44
• 참고문헌 45
• Abstract 52