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  1. 2012.11.05 MCM-C 세라믹 재료

 

세라믹 기판 재료 특성

 

MCM-C에서 사용되는 무기물질이며, 비금속재료인 세라믹은 1950년대 이후로 전자 패키징에서 중요한 역할을 해 왔습니다. 세라믹이 많이 사용되는 이유는 이 물질이 갖는 고유한 기계적, 물리적, 화학적, 전기적 성질의 독특한 조합 때문입니다. 세라믹은 개별소자, 단일집적회로, 하이브리드(개별소자나 IC 등의 조합)등에 쓰이는 칩 캐리어나 모듈 등에 쓰이며, 다음 단계의 패키징을 위한 세라믹 카드나 보드 등에도 많이 사용됩니다. 무엇보다도 세라믹이 많이 사용되는 영역은 기판(회로가 위치하며, 소자들이 붙여지게 되는 기본판)이나, 모듈의 커버 및 뚜껑, 봉지 재료 등입니다. 그 외에, 후막 도전체, 저항, 유전체 등과 박막 저항 등에도 사용됩니다. 현재 MCM-C에서 사용되는 세라믹은 주로 기판 용도이며, 특히 이제까지 기판 용도로 많은 관심을 끌었던 재료는 α-Al2O3와 BeO입니다. 그러나 소자가 더욱 고속화되고 고집적화 됨에 따라 새로운 재료에 대한 관심이 증가하고 있습니다.


가) 기판재료의 요구조건
칩의 I/O 수가 증가할수록 더 높은 고집적 interconnection network이 요구되며 따라서 포토리소그래피 공정이 필요합니다. 또한 절연체로서 기판은 가능한 낮은 유전 상수(K)가 필요합니다. 이것은 신호 라인에서의 시간지연(td)은 직접적으로 K1/2에 비례하기 때문에 근접하는 라인 사이의 간섭을 최소화하기 위해서는 낮은 유전상수를 가진 재료가 필요합니다. 또한 좋은 열전도도가 전원 분산이 중요한 응용에서 뿐만 아니라 회로 밀도가 높은 응용에서 중요합니다. 따라서 IC 칩이 직접적으로 기판에 결합되기 위해서는 실리콘의 열팽창계수와 거의 같은 기판을 사용하는 것이 중요합니다. 다층 세라믹(MLC) 기판의 사용이 증가함에 따라 고온에서 텅스텐이나 몰리브덴이 알루미나와 같이 열처리되는 공정이 점점 문제화 되고 있습니다. 또한 제품이 점점 고기능화 할수록 더 높은 전기 전도도를 가진 전도체가 요구되며 이런 전도체로는 Cu, Ag, Au등이 있으나 저렴하면서도 좋은 전기 전도도를 가지고 있고 세라믹과 같이 열처리할 수 있는 Cu가 가장 이상적인 재료로 여겨지고 있습니다. 따라서 기판 위에 커패시터 같은 수동소자를 삽입할 필요가 없다면 가장 이상적인 기판 재료는 다음 조건들을 만족하여야 합니다.


․높은 기계적 강도 : 가공과 취급이 용이
․고 열전도도 : 회로에서 발생하는 열을 신속하게 제거
․우수한 열 충격 능력
․열팽창 계수 : 부착되는 소자와 비슷해야 한다. (Si : 3.5×10-6/℃)
․낮은 유전 상수 : 회로선들 간의 용량성 부하를 줄임으로써 용량성 커플링에 의한 노이즈를 줄임
․낮은 손실율, 높은 유전체 강도, 높은 유전체 저항
․표면 결함이 없고 높은 수치 정밀도
․무 유해성
․공정 또는 사용 중 대기, 화학, 열 안정성
․Au, Ag, 또는 Cu 전도 재료와 동시소멸 가능
․저가
․낮은 전기 저항도

대부분의 세라믹 재료들은 절연성과 열적 안정성을 가지고 있으며, 다른 물성에 있어서도 뛰어난 경우가 많습니다. 그러나, 위의 모든 조건을 만족시키는 완벽한 소재는 없으며, 실제적으로 재료를 선택할 때에는 절충이 필요합니다. 즉 응용에 따라 요구되는 물성을 제한되는 범위 안에서 최적의 조건을 갖도록 조절하는 것이 보통입니다.


나) 기판 재료
순도, 불순물의 종류, 입자 크기, 출발물질의 입도 분포, 소결밀도, 측정 기술 및 공정 등 수많은 요인이 기판의 성질에 영향을 줍니다. 예를 들면, AlN의 열전도도는 출발 물질과 공정이 개발됨에 따라 최근에 지속적으로 증가하여 소결 중에 산소를 제거하기 위하여 CaC2를 사용함에 따라 260W/mㆍK 까지 증가했습니다. 보고된 표면 거칠기 또한 순도에 따라 크게 변화합니다. 알루미나 기판의 경우 0.3㎛ Ra(96% 순도) 에서 0.4㎛ Ra(99.7% 순도)까지 크게 변합니다. 추가적으로 재료 비용은 순도 등을 포함한 여러 가지 요인에 의하여 크게 변합니다.

․α-Al2O3 :
반도체 패키징 분야에서 현재 가장 많이 쓰이고 있는 세라믹 재료입니다. 보통은 알루미나를 90% 내지는 99% 정도에, SiO2, MgO, CaO 등을 섞어 알루미나의 결정립계에 유리상이 형성되도록 하여 사용합니다. (결정립계에 존재하는 glass는 소결 시 상호확산에 의하여 접착강도를 향상시킵니다.) 그러나 알루미나는 고성능 회로에 사용하기에는 상대적으로 낮은 열전도도, Si과의 열팽창계수 불일치, 상대적으로 높은 유전상수, 그리고 높은 공정온도로 인해 적당하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 가장 많이 사용되고 있는 것은 우수한 저하성, 유전체 손실율, 강도를 가지고 있으며, 열전도도가 일부 금속소재보다는 좋을 만큼 높은 편이기 때문입니다. 알루미나의 열팽창계수는 플라스틱 재료에 비해 낮아서, 작은 크기에서 중간크기의 Si 칩을 백 본딩(back bonding)이나 플립칩 방법으로 붙일 수 있습니다. 유전상수도 중간정도로 거의 모든 회로에 사용될 수 있습니다. 무엇보다도 큰 장점은 알루미나는 고성능 세라믹 재료 중에서 가장 싸다는 점입니다.

․BeO :
열전도도가 특히 중요한 경우에 기판으로 사용되므로 전원공급회로에 주로 이용되며 유전상수는 알루미나보다 더 낮습니다. Beryllia 분말은 매우 유독성으로 취급이 상당히 어려우며, 높은 열전도도를 위해서는 고순도를 얻어야 하고, 가공온도가 높은 관계로 비용이 알루미나의 10배 정도 듭니다.

․AlN :
전자 패키징 분야에서 새롭게 각광받기 시작하고 있습니다. 이 재료는 유전상수가 다소 높은 것을 제외하고는 열전도도가 세라믹 중에서는 매우 높으며(거의 beryllia의 수준), 열팽창계수도 알루미나보다 낮아서 거의 실리콘과 비슷합니다. 그러나 AlN은 반응성을 첨가제나 표면처리에 의해 감소시킬 수 있지만 100℃이상에서는 물과 반응하며 또한 공기 중에서 약 1000℃ 이상에서는 산화되므로 AlN은 밀폐 봉지될 필요가 있습니다. 마지막으로 텅스텐과 동시소멸된 다층구조에서는 벌크 열전도도의 1/3을 잃어버릴 수 있습니다. 이런 문제에도 불구하고 AlN은 고전력 패키징 분야에서  Beryllia를 대체할 소재로 많이 연구 개발되고 있습니다.

․SiC :
뛰어난 열적 성질로 인해 BeO의 대체 재료로 많은 연구가 진행되어 왔습니다. 또한 Si과의 열팽창계수 일치가 뛰어나고 열전도도가 높으므로 Si가 직접 접촉할 수 있습니다. 탄화 규소는 반도체이므로 절연성이 낮고 유전강도가 다른 재료보다 낮습니다. 그러나 반도체 회로에서 사용되는 5V에서는 크게 문제되지 않습니다. 또한 유전상수가 높지만 전력을 다루는 기판에서는 크게 문제되지 않습니다.

․Si3N4 :
질화규소는 알루미나보다 뛰어난 재료로 보고되어 있습니다. 그러나 아직 green-sheet 형성 또는 다층기판 제조에 성공이 보고되어 있지 않습니다. 오늘날 전자산업에서 질화규소의 주된 용도는 IC 기판의 보호막으로 사용되고 있습니다.

․BN :
hexagonal BN 은 자주 다른 세라믹의 물성을 증진시키는 첨가제로 사용됩니다. 그리고 수많은 복합체가 보고 되었습니다.(Al2O3/BN, AlN/BN 및 SiC/BN)

․mullite, cordierite 및 혼합물 :
필요한 CTE와 유전성질을 충족시키기 위하여 물성을 조절한 많은 시스템이 있습니다. 그러나 열전도도와 강도가 상대적으로 낮습니다. 또한 졸-겔 방법을 이용하여 뛰어난 물성을 가지고 알루미나와 거의 비슷한 비용을 가졌으며, 텅스텐을 사용하여 다층 기판을 동시소결할 수 있는‘new mullite'가 보고되었습니다.

․글래스 세라믹 :
적당한 열처리를 가하면, 비정질 상태에서 결정물질로 바뀌는 물질을 말합니다. 열처리의 결과로 생성되는 물질은 초기의 비정질에 비해 융점이 매우 높아, 온도에 대하여 매우 안정합니다. 또한, 유전율이나 열팽창계수가 일정 범위 내에서 원하는 값을 갖도록 조절할 수 있으나, 열전도도가 불량한 것이 문제입니다.

 

 

 

 

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Posted by 티씨씨
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