고출력 LED 패키지의 Thermal Via 형성을 위한 Si 기판의 이방성 습식식각 공정 Anisotropic Wet-Etching Process of Si Substrate for Formation of Thermal Vias in High-Power LED Packages원문보기논문타임라인
습식공정으로 thermal via용 SI 관통 via를 형성하기 위해 TMAH 용액의 농도와 온도에 따른 Si 기판의 이방성 습식식각 거동을 분석하였다. TMAH 용액의 온도를 $80^{\circ}C$로 유지한 경우, 5 wt%, 10 wt% 및 25 wt% 농도의 TMAH 용액은 각기 $0.76{\mu}m/min$, $0.75{\mu}m/min$ 및 $0.30{\mu}m/min$의 Si 식각속도를 나타내었다. 10 wt% TMAH 용액의 온도를 $20^{\circ}C$와 $50^{\circ}C$로 유지시에는 각기 $0.07{\mu}m/min$와 $0.23{\mu}m/min$으로 식각속도가 저하하였다. Si 기판의 양면에 동일한 형태의 식각 패턴을 형성하여 $80^{\circ}C$의 10 wt% TMAH 용액에 장입하고 5시간 식각하여 깊이 $500{\mu}m$의 관통 via hole을 형성하였다.
습식공정으로 thermal via용 SI 관통 via를 형성하기 위해 TMAH 용액의 농도와 온도에 따른 Si 기판의 이방성 습식식각 거동을 분석하였다. TMAH 용액의 온도를 $80^{\circ}C$로 유지한 경우, 5 wt%, 10 wt% 및 25 wt% 농도의 TMAH 용액은 각기 $0.76{\mu}m/min$, $0.75{\mu}m/min$ 및 $0.30{\mu}m/min$의 Si 식각속도를 나타내었다. 10 wt% TMAH 용액의 온도를 $20^{\circ}C$와 $50^{\circ}C$로 유지시에는 각기 $0.07{\mu}m/min$와 $0.23{\mu}m/min$으로 식각속도가 저하하였다. Si 기판의 양면에 동일한 형태의 식각 패턴을 형성하여 $80^{\circ}C$의 10 wt% TMAH 용액에 장입하고 5시간 식각하여 깊이 $500{\mu}m$의 관통 via hole을 형성하였다.
In order to fabricate through-Si-vias for thermal vias by using wet etching process, anisotropic etching behavior of Si substrate was investigated as functions of concentration and temperature of TMAH solution in this study. The etching rate of 5 wt%, 10 wt%, and 25 wt% TMAH solutions, of which temp...
In order to fabricate through-Si-vias for thermal vias by using wet etching process, anisotropic etching behavior of Si substrate was investigated as functions of concentration and temperature of TMAH solution in this study. The etching rate of 5 wt%, 10 wt%, and 25 wt% TMAH solutions, of which temperature was maintained at $80^{\circ}C$, was $0.76{\mu}m/min$, $0.75{\mu}m/min$, and $0.30{\mu}m/min$, respectively. With changing the temperature of 10 wt% TMAH solution to $20^{\circ}C$ and $50^{\circ}C$, the etching rate was reduced to $0.067{\mu}m/min$ and $0.233{\mu}m/min$, respectively. Through-Si-vias of $500{\mu}m$-depth could be fabricated by etching a Si substrate for 5 hours in 10 wt% TMAH solution at $80^{\circ}C$ after forming same via-pattern on each side of the Si substrate.
In order to fabricate through-Si-vias for thermal vias by using wet etching process, anisotropic etching behavior of Si substrate was investigated as functions of concentration and temperature of TMAH solution in this study. The etching rate of 5 wt%, 10 wt%, and 25 wt% TMAH solutions, of which temperature was maintained at $80^{\circ}C$, was $0.76{\mu}m/min$, $0.75{\mu}m/min$, and $0.30{\mu}m/min$, respectively. With changing the temperature of 10 wt% TMAH solution to $20^{\circ}C$ and $50^{\circ}C$, the etching rate was reduced to $0.067{\mu}m/min$ and $0.233{\mu}m/min$, respectively. Through-Si-vias of $500{\mu}m$-depth could be fabricated by etching a Si substrate for 5 hours in 10 wt% TMAH solution at $80^{\circ}C$ after forming same via-pattern on each side of the Si substrate.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 Cu thermal via를 구비한 고출력 LED 패키지용 방열 기판을 개발하기 위한 기초 연구로서 습식식 각 공정변수에 따른 Si의 습식식각 특성을 분석 후, 이방성 습식식각법으로 Si 기판에 관통 via hole을 형성하였다.
제안 방법
Si의 이방성 습식식각에 더 적합한 식각 용액을 선택하기 위해, 25 wt% TMAH 용액과 40 wt% KOH 용액을 사용하여 온도를 80℃로 유지하며 3시간 동안 Si 기판의 식각을 진행한 후 식각 형상을 관찰하였다. TMAH 용액을 사용하여 식각한 경우에는 Fig.
TMAH 용액의 농도에 따른 Si의 식각 특성을 분석하기 위해 TMAH 25% 용액을 증류수에 희석시켜 5% 및 10% TMAH 용액을 제조하였다. TMAH 용액에 SiO2 식각 마스크가 형성된 Si 기판을 장입한 후, 용액의 온도를 상온에서 80℃까지 변화시키며, TMAH 용액의 농도와 온도 및 식각 시간에 따른 식각 특성을 분석하였다. 식각이 진행되는 동안 식각 용액의 온도와 농도를 일정하게 유지하기 위해 식각 용액을 중탕기에 넣고 300 rpm으로 교반하며 식각을 진행하였다.
TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 용액과 KOH 용액을 사용하여 Si 기판의 식각 거동을 비교 분석한 후, Si 이방성 습식식각을 위한 식각 용액으로 TMAH 용액을 선택하였다. TMAH 용액의 농도에 따른 Si의 식각 특성을 분석하기 위해 TMAH 25% 용액을 증류수에 희석시켜 5% 및 10% TMAH 용액을 제조하였다. TMAH 용액에 SiO2 식각 마스크가 형성된 Si 기판을 장입한 후, 용액의 온도를 상온에서 80℃까지 변화시키며, TMAH 용액의 농도와 온도 및 식각 시간에 따른 식각 특성을 분석하였다.
Si 기판의 반대 면에도 동일한 via hole 패턴을 용이하게 형성하기 위해, Si 웨이퍼에 접촉시킨 필름 마스크가 붙어 있는 채로 via hole 패턴이 형성된 Si 웨이퍼를 뒤집었다. 뒤집은 Si 웨이퍼에 동일한 via hole 패턴의 다른 필름 마스크를 접촉시키고 양면에 있는 필름 마스크들의 via hole 패턴끼리 정렬시킨 후 노광 작업을 통해 Si 웨이퍼의 반대 면에도 동일한 via hole 패턴을 형성하였다. 양면에 via hole 패턴이 형성된 Si 시편을 TMAH 용액에 넣고 용액의 온도를 80℃로 유지하며 중탕으로 가열하여 식각시킴으로써 V-groove 형태가 위 아래로 겹친 모래시계 형태의 via hole을 형성하였다.
식각 공정 후에 α-step surface profiler를 이용하여 via hole의 식각 깊이를 측정하여 식각속도를 계산하였으며, 광학현미경과 주사전자현미경을 사용하여 식각된 via hole 패턴을 관찰하였다.
식각 패턴으로는 100 µm×100 µm, 300 µm ×300 µm 및 500 µm×500 µm 크기의 정사각형 형상의 패턴을 사용하였다. 식각 패턴을 형성한 Si 기판을 BOE (buffered hydrofluoric acid) 용액에 장입하여 식각하고자 하는 부위의 SiO2를 제거한 후 포토레지스트 패턴을 제거하여 이방성 습식식각을 위한 Si 기판 시편을 제작하였다.18,19)
습식식각을 이용해 Si 웨이퍼의 한쪽 면만을 식각하게 되면 V-groove 형태로 식각이 이뤄지기 때문에 관통된 형태의 via hole을 형성하기 위해서는 Si 웨이퍼의 양면에 동일한 형태와 크기와 간격을 갖는 식각 패턴을 각기 형성해야 한다. 이를 위해 Fig. 1과 같이 Si 웨이퍼를 절반으로 절단하고 Si 기판의 양면에 스핀코팅법으로 포토레지스트 층을 성막하였다. 이와 같은 Si 웨이퍼의 한쪽 면에 via hole 패턴이 형성된 필름 마스크를 이용하여 노광 및 현상 작업 등의 포토리소그래피 공정을 거쳐 via hole 패턴을 형성하였다.
대상 데이터
TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 용액과 KOH 용액을 사용하여 Si 기판의 식각 거동을 비교 분석한 후, Si 이방성 습식식각을 위한 식각 용액으로 TMAH 용액을 선택하였다. TMAH 용액의 농도에 따른 Si의 식각 특성을 분석하기 위해 TMAH 25% 용액을 증류수에 희석시켜 5% 및 10% TMAH 용액을 제조하였다.
5(a)와 같이 식각된 (100) 바닥면에 hillock이 형성되는 문제점이 있기 때문에, 5 wt% TMAH 용액은 cantilever 형성과 같은 MEMS 공정에 적용하기에는 적합하지 않을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 향후 MEMS 공정에의 적용 가능성을 고려하여 via hole 형성용 식각 용액으로서 10 wt% TMAH 용액을 선택하였다.
이방성 습식식각으로 via hole들을 형성하기 위한 Si 기판으로는 boron이 도핑된 p-type (100) Si 웨이퍼를 사용하였다. 식각 마스크로는 Si 식각용액에 대해 식각 선택도가 우수한 SiO2를 1000Å 두께로 열 성장시켜 사용하였으며, SiO2 층을 성장시킨 Si 기판에 포토리소그래피 공정을 사용하여 정사각형 형태의 포토레지스트 식각 패턴을 형성하였다. 식각 패턴으로는 100 µm×100 µm, 300 µm ×300 µm 및 500 µm×500 µm 크기의 정사각형 형상의 패턴을 사용하였다.
이방성 습식식각으로 via hole들을 형성하기 위한 Si 기판으로는 boron이 도핑된 p-type (100) Si 웨이퍼를 사용하였다. 식각 마스크로는 Si 식각용액에 대해 식각 선택도가 우수한 SiO2를 1000Å 두께로 열 성장시켜 사용하였으며, SiO2 층을 성장시킨 Si 기판에 포토리소그래피 공정을 사용하여 정사각형 형태의 포토레지스트 식각 패턴을 형성하였다.
성능/효과
(1) 25 wt% TMAH 용액을 사용하여 식각한 Si 기판은 V-groove 형태로 (100)면의 식각이 진행되는 반면에, 40 wt% KOH 용액을 사용한 경우에는 V-groove에서 벗어난 원형으로 식각되어 Si 기판의 이방성 식각공정에 KOH 용액보다 TMAH 용액이 더 적합하였다.
(2) TMAH 용액의 온도를 80℃로 유지한 경우, 5 wt%, 10 wt% 및 25 wt% 농도의 TMAH 용액은 각기 0.76 µm/min, 0.75 µm/min 및 0.30 µm/min의 식각 속도를 나타내었다.
(3) 10 wt% TMAH 용액으로 식각된 Si (100)면에서는 hillock이 관찰되지 않았으나, 5 wt% TMAH 용액으로 식각된 (100)면에서는 피라미드 형태의 hillock들이 관찰되어 5 wt% TMAH 용액은 cantilever 형성과 같은 MEMS 공정에 적용하기에는 적합하지 않을 것으로 판단된다.
(4) TMAH 용액의 온도 증가에 따라 Si 식각 속도가 크게 증가하였으며, 이는 Si 표면에 대한 식각 용액의 wetting angle 감소 및 식각 용액 내 OH- 이온의 확산 속도와 식각 반응물질의 확산속도가 증가하는데 기인한다.
26) 또한 식각 용액의 온도가 증가함에 따라 용액 내 이온의 확산 속도가 빨라져 식각 용액 내 OH- 이온이 Si 시편의 표면으로 보다 쉽게 확산되며, 식각반응 물질이 Si 표면에서 용액 내로 빠르게 확산하여 퍼져나갈 수 있기 때문에 Si의 식각 속도가 증가하게 된다.25) Fig. 6와 같이 TMAH 용액의 온도가 증가할수록 식각 속도가 증가하지만, TMAH 용액은 25 wt% 농도를 기준으로 비등점이 100~110℃이기 때문에, 80℃ 이상의 온도에서 용액이 심하게 증발하는 문제가 있어 식각 용액의 온도는 80℃가 최적 온도로 판단된다.
TMAH 용액의 농도와 용액 온도에 따른 실험 결과들로부터 TMAH 용액의 최적 식각조건은 10 wt% 농도, 용액 온도는 80℃로 결정되었으며, 이 때 Si의 식각 속도는 0.75 µm/min이었다.
후속연구
5,6) 또한 발생된 열이 장기간 지속되면 LED 소자의 색재현성이나 수명을 감소시키는 요인이 되어 LED 소자의 신뢰성이 저하되게 된다.7) 따라서 고출력 LED 소자의 개발을 위해서는 소자에서 발생한 열을 외부로 원활히 방출할 수 있는 방열 방안에 대한 연구개발이 필수적으로 요구된다.8,9)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발광 다이오드의 장점은?
발광 다이오드(light emitting diode, LED)는 친환경, 낮은 소비전력, 뛰어난 색 재현성, 긴 수명 등의 장점을 바탕으로 기존의 광원을 대체할 차세대 광원으로 큰 주목을 받고 있다.1-3) LED는 반도체 소자의 일종으로써 기존의 필라멘트를 사용하는 백색 광원에 비해 높은 효율성과 신뢰성을 가지기 때문에, 휴대전화 기판을 시작으로 LCD TV의 백라이트 조명장치나 자동차의 헤드라이트 등을 거쳐 현재는 일반조명 분야에 이르기까지 점점 그 활용 범위가 확대되고 있다.
습식공정에서 TMAH 용액의 농도와 온도에 따른 Si 기판의 이방성 습식식각 거동을 분석한 이유는?
습식공정으로 thermal via용 SI 관통 via를 형성하기 위해 TMAH 용액의 농도와 온도에 따른 Si 기판의 이방성 습식식각 거동을 분석하였다. TMAH 용액의 온도를 $80^{\circ}C$로 유지한 경우, 5 wt%, 10 wt% 및 25 wt% 농도의 TMAH 용액은 각기 $0.
고출력 LED의 방열 패키지 방안의 단점은?
현재 고출력 LED의 방열 패키지 방안으로는 우수한 열전도도 특성을 지닌 MPCB(metal printed circuit board) 위에 LED 칩을 실장하여 열을 분산시키는 방법,5,9,10) LED 칩이 실장되는 패키지 자체를 금속으로 제작하여 방열특성을 향상시키는 방법,11) 패키지의 하단부에 열전도도가 우수한 구리 등의 금속으로 제작된 heat sink를 부착하여 이를 통해 열을 방출시키는 방법5,12)이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 방열 패키지들은 고가의 비용이 발생하거나 구조적으로 큰 부피를 차지하거나, 무게가 무겁다는 문제점들이 있다.5) 이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 MPCB보다 가격이 저렴하고 Cu보다 가벼우면서 열전도도가 우수한 Si을 방열 기판으로 사용한 LED 패키지가 개발되었으며2,12,13), Si 기판의 방열 특성을 더욱 향상시키기 위해 Si 기판에 비아(via) hole을 뚫고 이를 Cu로 채운 thermal via 공정이 제안되었다.
발광 다이오드(light emitting diode, LED)는 친환경, 낮은 소비전력, 뛰어난 색 재현성, 긴 수명 등의 장점을 바탕으로 기존의 광원을 대체할 차세대 광원으로 큰 주목을 받고 있다.1-3)
K. Y. Kim and K. K. Ham, "The Technical Trend of Heat Dissipation for High Power LED Flood Light", Proc. KIIEE Spring Conference, Yongpyung, 214, Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers (2009).
발광 다이오드(light emitting diode, LED)는 친환경, 낮은 소비전력, 뛰어난 색 재현성, 긴 수명 등의 장점을 바탕으로 기존의 광원을 대체할 차세대 광원으로 큰 주목을 받고 있다.1-3)
LED를 일반 조명에 적용하기 위해서는 LED소자의 고출력화가 필수적이기 때문에, 수십~수백 W급의 고출력 LED 개발에 대해 국내외적으로 많은 연구가 진행되고 있다.2,5)
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 MPCB보다 가격이 저렴하고 Cu보다 가벼우면서 열전도도가 우수한 Si을 방열 기판으로 사용한 LED 패키지가 개발되었으며2,12,13), Si 기판의 방열 특성을 더욱 향상시키기 위해 Si 기판에 비아(via) hole을 뚫고 이를 Cu로 채운 thermal via 공정이 제안되었다.2,8,14)
S. J. Lee, J. S. Lee and Y. J. Kim, "Synthesis and Optical Properties of M-Si(Al)-O-N (M: Sr, Ca) Phosphors for White Light Emitting Diodes", J. Microelectron. Packag. Soc., 19(2), 41 (2012).
발광 다이오드(light emitting diode, LED)는 친환경, 낮은 소비전력, 뛰어난 색 재현성, 긴 수명 등의 장점을 바탕으로 기존의 광원을 대체할 차세대 광원으로 큰 주목을 받고 있다.1-3)
J. Hu, L. Yang and M. W. Shin, "Electrical, Optical and Thermal Degradation of High Power GaN/InGaN Light-Emitting Diodes", J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 1 (2008).
LED는 반도체 소자의 일종으로써 기존의 필라멘트를 사용하는 백색 광원에 비해 높은 효율성과 신뢰성을 가지기 때문에, 휴대전화 기판을 시작으로 LCD TV의 백라이트 조명장치나 자동차의 헤드라이트 등을 거쳐 현재는 일반조명 분야에 이르기까지 점점 그 활용 범위가 확대되고 있다.4,5)
S. H. Kim, S. I. Lee, J. K. Yang and D. H. Park, "Analysis of Thermal Properties in LED Package by Via-Hole and Dimension of FR4 PCB", J. KIEEME, 24, 234 (2011).
LED는 반도체 소자의 일종으로써 기존의 필라멘트를 사용하는 백색 광원에 비해 높은 효율성과 신뢰성을 가지기 때문에, 휴대전화 기판을 시작으로 LCD TV의 백라이트 조명장치나 자동차의 헤드라이트 등을 거쳐 현재는 일반조명 분야에 이르기까지 점점 그 활용 범위가 확대되고 있다.4,5)
LED를 일반 조명에 적용하기 위해서는 LED소자의 고출력화가 필수적이기 때문에, 수십~수백 W급의 고출력 LED 개발에 대해 국내외적으로 많은 연구가 진행되고 있다.2,5)
고출력 LED소자의 경우 출력 전압이 높아짐에 따라 그에 비례하여 LED 소자의 p-n 접합부에서 발생하는 열이 증가하며, 이 열이 내부에서 지속적으로 유지될 경우 LED 소자의 온도가 상승하여 광방출 효율이 감소되는 문제가 발생하게 된다.5,6)
현재 고출력 LED의 방열 패키지 방안으로는 우수한 열전도도 특성을 지닌 MPCB(metal printed circuit board) 위에 LED 칩을 실장하여 열을 분산시키는 방법,5,9,10) LED 칩이 실장되는 패키지 자체를 금속으로 제작하여 방열특성을 향상시키는 방법,11) 패키지의 하단부에 열전도도가 우수한 구리 등의 금속으로 제작된 heat sink를 부착하여 이를 통해 열을 방출시키는 방법5,12)이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 방열 패키지들은 고가의 비용이 발생하거나 구조적으로 큰 부피를 차지하거나, 무게가 무겁다는 문제점들이 있다.5)
그러나 이와 같은 방열 패키지들은 고가의 비용이 발생하거나 구조적으로 큰 부피를 차지하거나, 무게가 무겁다는 문제점들이 있다.5)
S. Chan and J. S. Jang, "Accelerated Degradation Stress of High Power Phosphor Converted LED Package", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(4), 19 (2010).
고출력 LED소자의 경우 출력 전압이 높아짐에 따라 그에 비례하여 LED 소자의 p-n 접합부에서 발생하는 열이 증가하며, 이 열이 내부에서 지속적으로 유지될 경우 LED 소자의 온도가 상승하여 광방출 효율이 감소되는 문제가 발생하게 된다.5,6)
J. Park, M. W. Shin and C. C. Lee, "Measurement of Temperature Profiles on Visible Light-Emitting Diodes by Use of a Nematic Liquid Crystal and an Infrared Laser", Optics Lett., 29, 2656 (2004).
또한 발생된 열이 장기간 지속되면 LED 소자의 색재현성이나 수명을 감소시키는 요인이 되어 LED 소자의 신뢰성이 저하되게 된다.7)
H. W. Shin, H. S. Lee, J. O. Bang, S. H. Yoo, S. B. Jung and K. D. Kim, "Variation of Thermal Resistance of LED Module Embedded by Thermal Via", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(4), 95 (2010).
따라서 고출력 LED 소자의 개발을 위해서는 소자에서 발생한 열을 외부로 원활히 방출할 수 있는 방열 방안에 대한 연구개발이 필수적으로 요구된다.8,9)
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 MPCB보다 가격이 저렴하고 Cu보다 가벼우면서 열전도도가 우수한 Si을 방열 기판으로 사용한 LED 패키지가 개발되었으며2,12,13), Si 기판의 방열 특성을 더욱 향상시키기 위해 Si 기판에 비아(via) hole을 뚫고 이를 Cu로 채운 thermal via 공정이 제안되었다.2,8,14)
M. H. Lee, T. J. Lee, H. J. Lee and Y. J. Kim, "Design and Fabrication of Metal PCB Based on the Patterned Anodizing for Improving Thermal Dissipation of LED Lighting", Proc. 5th Int. Conference on Microsys. Pack. Assembly Circuits Technol., 1, Taipei, IEEE (2010).
따라서 고출력 LED 소자의 개발을 위해서는 소자에서 발생한 열을 외부로 원활히 방출할 수 있는 방열 방안에 대한 연구개발이 필수적으로 요구된다.8,9)
현재 고출력 LED의 방열 패키지 방안으로는 우수한 열전도도 특성을 지닌 MPCB(metal printed circuit board) 위에 LED 칩을 실장하여 열을 분산시키는 방법,5,9,10) LED 칩이 실장되는 패키지 자체를 금속으로 제작하여 방열특성을 향상시키는 방법,11) 패키지의 하단부에 열전도도가 우수한 구리 등의 금속으로 제작된 heat sink를 부착하여 이를 통해 열을 방출시키는 방법5,12)이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 방열 패키지들은 고가의 비용이 발생하거나 구조적으로 큰 부피를 차지하거나, 무게가 무겁다는 문제점들이 있다.5)
J. Petroski, "Spacing of High-Brightness LEDs on Metal Substrate PCB's for Proper Thermal Performance", Proc. Intersoc. Conference Thermal & Thermomech. Phenomena Electron. Systems, 507, Las Vegas, IEEE (2004).
현재 고출력 LED의 방열 패키지 방안으로는 우수한 열전도도 특성을 지닌 MPCB(metal printed circuit board) 위에 LED 칩을 실장하여 열을 분산시키는 방법,5,9,10) LED 칩이 실장되는 패키지 자체를 금속으로 제작하여 방열특성을 향상시키는 방법,11) 패키지의 하단부에 열전도도가 우수한 구리 등의 금속으로 제작된 heat sink를 부착하여 이를 통해 열을 방출시키는 방법5,12)이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 방열 패키지들은 고가의 비용이 발생하거나 구조적으로 큰 부피를 차지하거나, 무게가 무겁다는 문제점들이 있다.5)
A. Christensen and S. Graham, "Thermal Effects in Packaging High Power Light Emitting Diode Arrays", Appl. Thermal Engineer., 29, 364 (2009).
현재 고출력 LED의 방열 패키지 방안으로는 우수한 열전도도 특성을 지닌 MPCB(metal printed circuit board) 위에 LED 칩을 실장하여 열을 분산시키는 방법,5,9,10) LED 칩이 실장되는 패키지 자체를 금속으로 제작하여 방열특성을 향상시키는 방법,11) 패키지의 하단부에 열전도도가 우수한 구리 등의 금속으로 제작된 heat sink를 부착하여 이를 통해 열을 방출시키는 방법5,12)이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 방열 패키지들은 고가의 비용이 발생하거나 구조적으로 큰 부피를 차지하거나, 무게가 무겁다는 문제점들이 있다.5)
M. Arik, C. Becker, S. Weaver and J. Petroski, "Thermal Management of LEDs: Package to System", Proc. 3th Int. Conference Solid State Lighting, 64, San Diego, International Society for Optics and Photonics (2004).
현재 고출력 LED의 방열 패키지 방안으로는 우수한 열전도도 특성을 지닌 MPCB(metal printed circuit board) 위에 LED 칩을 실장하여 열을 분산시키는 방법,5,9,10) LED 칩이 실장되는 패키지 자체를 금속으로 제작하여 방열특성을 향상시키는 방법,11) 패키지의 하단부에 열전도도가 우수한 구리 등의 금속으로 제작된 heat sink를 부착하여 이를 통해 열을 방출시키는 방법5,12)이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 방열 패키지들은 고가의 비용이 발생하거나 구조적으로 큰 부피를 차지하거나, 무게가 무겁다는 문제점들이 있다.5)
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 MPCB보다 가격이 저렴하고 Cu보다 가벼우면서 열전도도가 우수한 Si을 방열 기판으로 사용한 LED 패키지가 개발되었으며2,12,13), Si 기판의 방열 특성을 더욱 향상시키기 위해 Si 기판에 비아(via) hole을 뚫고 이를 Cu로 채운 thermal via 공정이 제안되었다.2,8,14)
W. K. Jeung, S. H. Shin, S. Y. Hong, S. M. Choi, S. Yi, Y. B. Yoon, H. J. Kim, S. J. Lee and K. Y. Park, "Silicon-Based, Multi-Chip LED Package", Proc. 57th Electron. Comp. Technol. Conference(ECTC), Reno, 722, IEEE CPMT (2007).
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 MPCB보다 가격이 저렴하고 Cu보다 가벼우면서 열전도도가 우수한 Si을 방열 기판으로 사용한 LED 패키지가 개발되었으며2,12,13), Si 기판의 방열 특성을 더욱 향상시키기 위해 Si 기판에 비아(via) hole을 뚫고 이를 Cu로 채운 thermal via 공정이 제안되었다.2,8,14)
L. Yang, S. Jang, W. J. Hwang and M. W. Shin, "Thermal Analysis of High Power GaN-Based LEDs with Ceramic Package", Thermochimica Acta, 455, 95 (2007).
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 MPCB보다 가격이 저렴하고 Cu보다 가벼우면서 열전도도가 우수한 Si을 방열 기판으로 사용한 LED 패키지가 개발되었으며2,12,13), Si 기판의 방열 특성을 더욱 향상시키기 위해 Si 기판에 비아(via) hole을 뚫고 이를 Cu로 채운 thermal via 공정이 제안되었다.2,8,14)
K. S. Kim, Y. C. Lee, J. H. Ahn, J. Y. Song, C. D. Yoo and S. B. Jung, "Effect of Process Parameters on TSV Formation Using Deep Reactive Ion Etching", Korean J. Met. Mater., 48, 1028 (2010).
Cu thermal via용 via hole을 Si 기판에 형성하는 방법은 Deep RIE(reactive ion etching)를 이용한 공정15)과 Si의 이방성 에칭 특성을 이용한 습식식각법으로 대별할 수 있다.16)
Y. Cao, W. Ning and L. Luo, "Wafer-Level Package with Simultaneous TSV Connection and Cavity Hermetic Sealing by Solder Bonding for MEMS Device", IEEE Trans. Electron. Pack. Manuf., 32, 125 (2009).
이방성 습식식 각법은 MEMS 분야에서 Si 기판에 via hole을 형성할 때 주로 사용하는 방법으로 Deep RIE에 비해 공정이 단순하여 공정단가가 저렴하며, 큰 부피를 갖는 via hole을 손쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있다.17,18)
C. R. Yang, P. Y. Chen, C. H. Yang, Y. C. Chiou and R. T. Lee, "Effects of Various Ion-Typed Surfactants on Silicon Anisotropic Etching Properties in KOH and TMAH Solutions", Sens. Actuators A, 119, 271 (2005).
이방성 습식식 각법은 MEMS 분야에서 Si 기판에 via hole을 형성할 때 주로 사용하는 방법으로 Deep RIE에 비해 공정이 단순하여 공정단가가 저렴하며, 큰 부피를 갖는 via hole을 손쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있다.17,18)
식각 패턴을 형성한 Si 기판을 BOE (buffered hydrofluoric acid) 용액에 장입하여 식각하고자 하는 부위의 SiO2를 제거한 후 포토레지스트 패턴을 제거하여 이방성 습식식각을 위한 Si 기판 시편을 제작하였다.18,19)
식각이 진행되는 동안 식각 용액의 온도와 농도를 일정하게 유지하기 위해 식각 용액을 중탕기에 넣고 300 rpm으로 교반하며 식각을 진행하였다.18-20)
K. Biswas, S. Das, D. K. Maurya, S. Kal and S. K. Lahiri, "Bulk Micromachining of Silicon in TMAH-Based Etchants for Aluminium Passivation and Smooth Surface", Microelectron. J., 37, 321 (2006).
식각 패턴을 형성한 Si 기판을 BOE (buffered hydrofluoric acid) 용액에 장입하여 식각하고자 하는 부위의 SiO2를 제거한 후 포토레지스트 패턴을 제거하여 이방성 습식식각을 위한 Si 기판 시편을 제작하였다.18,19)
식각이 진행되는 동안 식각 용액의 온도와 농도를 일정하게 유지하기 위해 식각 용액을 중탕기에 넣고 300 rpm으로 교반하며 식각을 진행하였다.18-20)
P. H. Chen, H. Y. Peng, C. M. Hsieh and M. K. Chyu, "The Characteristic Behavior of TMAH Water Solution for Anisotropic Etching on Both Silicon Substrate and SiO2 Layer", Sens. Actuators A, 93, 132 (2001).
식각이 진행되는 동안 식각 용액의 온도와 농도를 일정하게 유지하기 위해 식각 용액을 중탕기에 넣고 300 rpm으로 교반하며 식각을 진행하였다.18-20)
5(a)에서 관찰된 피라미드 형상의 hillock들은 <101> 방향의 모서리로서 식각 용액 내에 분해된 Si의 함량이 증가함에 따라 {101}면의 식각이 빨라지게 되어 형성되는 것으로 알려져 있다.20,24)
I. Zubel and M. Kramkowska, "The Effect of Isopropyl Alcohol on Etching Rate and Roughness of (100) Si Surface Etched in KOH and TMAH Solutions", Sens. Actuators A, 93, 138 (2001).
TMA+ 이온은 Si의 표면에 흡착되어 Si원자와 OH- 이온 간의 반응을 저해하는 요소로 작용하기 때문에,21-23) 5 wt%와 10 wt% TMAH 용액에 비해 25 wt%의 TMAH 용액에서 Si이 더 느리게 식각되는 것으로 판단된다.
H. Seidel, L. Csepregi, A. Heuberger and H. Baumgartel, "Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions", J. Electrochem. Soc., 137, 3626 (1990).
Seidel et al.의 식각 공정 모델에 따르면 TMAH 용액과 같은 염기성 용액에 의한 Si의 식각 속도는 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.22)
TMA+ 이온은 Si의 표면에 흡착되어 Si원자와 OH- 이온 간의 반응을 저해하는 요소로 작용하기 때문에,21-23) 5 wt%와 10 wt% TMAH 용액에 비해 25 wt%의 TMAH 용액에서 Si이 더 느리게 식각되는 것으로 판단된다.
I. Zubel, I. Barycka, K. Kotowska and M. Kramkowska, "Silicon Anisotropic Etching in Alkaline Solutions IV: The Effect of Organic and Inorganic Agents on Silicon Anisotropic Etching Process", Sens. Actuators A, 87, 163 (2001).
TMA+ 이온은 Si의 표면에 흡착되어 Si원자와 OH- 이온 간의 반응을 저해하는 요소로 작용하기 때문에,21-23) 5 wt%와 10 wt% TMAH 용액에 비해 25 wt%의 TMAH 용액에서 Si이 더 느리게 식각되는 것으로 판단된다.
L. M. Landsberger, S. Naseh, M. Kahrizi and M. Paranjape, "On Hillocks Generated during Anisotropic Etching of Si in TMAH", J. Microelectromech. Sys., 5, 106 (1996).
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