[논문]접합 소재에 따른 고출력 플립칩 LED 패키지 특성 연구

이태영; 김미송; 고은수; 최종현; 장명기; 김목순; 유세훈

doi:10.6117/kmeps.2014.21.1.001

접합 소재에 따른 고출력 플립칩 LED 패키지 특성 연구
Properties of High Power Flip Chip LED Package with Bonding Materials 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.21 no.1, 2014년, pp.1 - 6

이태영 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 김미송 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 고은수 (이아이라이팅) , 최종현 (이아이라이팅) , 장명기 (이아이라이팅) , 김목순 (인하대학교 금속공학과) , 유세훈 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터)

초록
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고출력 LED 패키지의 열적 경로(thermal path)를 줄이기 위해 플립칩 본딩법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 Au-Sn 열압착 본딩 및 Sn-Ag-Cu(SAC) 리플로우 본딩을 이용하여 본딩 특성 및 열적특성을 비교 평가 하였다. Au-Sn 열압착 본딩은 50 N에서 $300^{\circ}C$의 접합온도로 본딩하였고, SAC 솔더는 솔더페이스트를 인쇄한 후 리플로우법으로 피크온도 $255^{\circ}C$에서 30 sec에서 본딩하였다. SAC 솔더를 사용한 LED 패키지의 전단강도는 $5798.5gf/mm^2$로 Au-Sn 열압착 본딩의 $3508.5gf/mm^2$에 비해 1.6배 높았다. 파단면과 단면분석 결과 Au-Sn, SAC 솔더 모두 LED 칩 내부에서 파단이 일어나는 것을 관찰하였다. 반면 Au-Sn 열압착 본딩 샘플의 열저항은 SAC솔더 접합 샘플에 비해 낮았으며, SAC 솔더 접합부 내부의 기공에 의해 열저항이 커짐을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Flip chip bonded LED packages possess lower thermal resistance than wire bonded LED packages because of short thermal path. In this study, thermal and bonding properties of flip chip bonded high brightness LED were evaluated for Au-Sn thermo-compression bonded LEDs and Sn-Ag-Cu reflow bonded LEDs. For the Au-Sn thermo-compression bonding, bonding pressure and bonding temperature were 50 N and 300oC, respectively. For the SAC solder reflow bonding, peak temperature was $255^{\circ}C$ for 30 sec. The shear strength of the Au-Sn thermo-compression joint was $3508.5gf/mm^2$ and that of the SAC reflow joint was 5798.5 gf/mm. After the shear test, the fracture occurred at the isolation layer in the LED chip for both Au-Sn and SAC joints. Thermal resistance of Au-Sn sample was lower than that of SAC bonded sample due to the void formation in the SAC solder.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

패키지기판 위의 패드 표면처리는 electroless nickel immersion gold (ENIG)이었다. Au-Sn 플립칩 접합시에는 열압착 플립칩 법으로 LED칩의 패드와 기판의 ENIG층을 직접 접합하였고, SAC 솔더 본딩시에는 기판 패드 위에 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더페이스트를 인쇄한 후 LED칩을 솔더페이스트 위에 마운팅하고 리플로우를 실시하여 접합하였다. 두 접합소재가 적용되어 접합된 LED 패키지의 모식도를 Fig.
전단강도 시험후 파단면은 Scanning electron microscope(SEM)을 사용하여 관찰하였다. LED 의 열저항 측정은 다이오드 순방향 전압 방법, 피크 파장 방법등 여러 가지가 있는데,^11-15) 본 연구에서 열저항의 측정은 LED의 순방향 전압, V_F를 측정하여 관찰하였다.¹¹⁾
LED 플립칩 패키지에서 Au-Sn과 SAC솔더의 두가지 접합소재를 적용하였고, LED 패키지의 본딩 특성 및 방열특성을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. Au-Sn 열압착 접합부는 SAC솔더에 비해 낮은 접합 강도를 가졌고, LED 칩 내부에서 파단이 일어남을 확인 하였다.
각 접합재료의 접합 특성평가를 위해서 전단강도 시험을 실시하였고, 결과를 Table 1에 나타내었다. Au-Sn 열 압착본딩과 SAC 솔더 본딩은 각각 3508.
전단 조건은 전단 높이가 40 um이었고 전 단속도는 200 um/sec이었다. 전단강도 시험후 파단면은 Scanning electron microscope(SEM)을 사용하여 관찰하였다. LED 의 열저항 측정은 다이오드 순방향 전압 방법, 피크 파장 방법등 여러 가지가 있는데,^11-15) 본 연구에서 열저항의 측정은 LED의 순방향 전압, V_F를 측정하여 관찰하였다.
Au-Sn은 열압착 플립칩법을 사용하였고, SAC솔더는 솔더페이스트 인쇄후 리플로우법을 사용하였다. 제조된 LED 패키지로 접합강도 및 파단면을 비교 분석하였고, 열저항을 측정하여 방열특성을 비교하였다.
칩의 접합강도는 전단강도시험기(Dage 4000)을 사용하여 분석하였다. 전단 조건은 전단 높이가 40 um이었고 전 단속도는 200 um/sec이었다.
따라서, 금속 기판을 사용하였을 경우 툴과 접합부의 온도는 60~120℃까지 차이가 나며, 또한 본딩 압력이 낮을수록 툴과 접합부의 온도차이는 커지게 된다. 하지만 본딩압력이 50 N 이상일 경우 LED 칩이 파손되므로, 본 연구에서는 접합압력 50 N에서 본딩을 진행하였다. SAC솔더 리플로우의 피크 온도는 250℃이었고, 사용된 리플로우 프로파일을 Fig.

대상 데이터

LED칩의 패드는 3-5 um의 Au-20wt%Sn이 증착되어 있으며, 열압착 플립칩 접합시 LED칩 패드의 AuSn이 용융되어 접합이 이루어지게 된다. LED칩을 실장 하기 위한 패키지기판은 알루미늄 베이스의 금속 기판을 사용하였고, Fig. 2에 이미지를 나타내었다. 패키지기판 위의 패드 표면처리는 electroless nickel immersion gold (ENIG)이었다.
본 연구에서 사용된 LED 칩은 CHIMEI사의 2W LED 칩이다. Fig.
일반적으로 Au와 Sn 반응시 IMC는 Sn함량이 증가하는 순으로 Au₅Sn, AuSn, AuSn₂, AuSn₄이 형성된다. 본 연구에서는 LED chip과 솔더 계면에서 생성된 IMC는 layer타입의 AuSn이며 솔더 내부는 침상의 AuSn₄ 가 형성되었다. 일반적으로 AuSn₄상은 Au 와 용융 Sn 간에 가장 먼저 생성되는 상이며,¹⁷⁾ 솔더링시 Au가 용융 솔더에 용해, 과포화되고, 이 Au가 Sn과 반응하여 침상의 AuSn₄상으로 형성되는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 플립칩 LED에 사용될 것으로 전망되고 있는 Au-Sn 솔더와 SAC 솔더 2종의 접합 소재를 사용하여 플립칩 LED 패키지를 제조하였다. Au-Sn은 열압착 플립칩법을 사용하였고, SAC솔더는 솔더페이스트 인쇄후 리플로우법을 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 플립칩 LED에 사용될 것으로 전망되고 있는 Au-Sn 솔더와 SAC 솔더 2종의 접합 소재를 사용하여 플립칩 LED 패키지를 제조하였다. Au-Sn은 열압착 플립칩법을 사용하였고, SAC솔더는 솔더페이스트 인쇄후 리플로우법을 사용하였다. 제조된 LED 패키지로 접합강도 및 파단면을 비교 분석하였고, 열저항을 측정하여 방열특성을 비교하였다.

성능/효과

AuSn(Au-20wt%Sn) 솔더는 융점이 278℃로 높은 열전도도 및 우수한 강도를 갖고 있어 광전자소자에 많이 사용되고 있다.¹⁰⁾ SAC 솔더는 전자패키지에서 많이 사용되고 있는 접합소재 중 하나이며, 융점이 217~220℃로 Au-Sn 보다 낮은 온도에서 접합할 수 있어 공정 중 열에 의한 결함이 줄어든다는 장점이 있다. 접착제는 낮은 열전도도 때문에 LED에서 사용되지 않고 있으나, 최근 높은 열전도도를 갖는 소재들이 개발되고 있어, 향후 플립칩 LED에 사용될 것으로 전망되고 있다.
열압착 플립칩 본딩시 LED쪽의 온도는 300℃이고, 기판의 온도는 150℃로 유지되었으므로, 온도가 높은 LED쪽의 계면에서 금속간화합물의 두께가 두꺼운 것으로 사려된다. Au-20wt%Sn과 ENIG간 계면반응을 관찰하였으며, 계면에 (Au,Ni)₃Sn₂와 Au₅Sn이 형성됨을 확인하였다.¹⁶⁾ 본 연구에서는 (Au,Ni)₃Sn₂만이 관찰되었는데, 열압착본딩의 짧은 본딩시간 때문에 Au₅Sn이 형성되지 않는 것으로 판단된다.
LED 플립칩 패키지에서 Au-Sn과 SAC솔더의 두가지 접합소재를 적용하였고, LED 패키지의 본딩 특성 및 방열특성을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. Au-Sn 열압착 접합부는 SAC솔더에 비해 낮은 접합 강도를 가졌고, LED 칩 내부에서 파단이 일어남을 확인 하였다. 열저항은 Au-Sn이 SAC솔더보다 우수하였으며, SAC솔더는 열전도도가 Au-Sn에 비해 높으나, 솔더페이스트의 리플로우시 발생하는 기공 때문에 접촉면적이 작아져 열저항이 높아짐을 확인하였다.
Au-Sn 열압착 접합부는 SAC솔더에 비해 낮은 접합 강도를 가졌고, LED 칩 내부에서 파단이 일어남을 확인 하였다. 열저항은 Au-Sn이 SAC솔더보다 우수하였으며, SAC솔더는 열전도도가 Au-Sn에 비해 높으나, 솔더페이스트의 리플로우시 발생하는 기공 때문에 접촉면적이 작아져 열저항이 높아짐을 확인하였다. 따라서, SAC솔더를 LED에 적용하기 위해서는 진공 리플로우 등 기공을 줄일 수 있는 대안이 필요하다.
3^oC/W로 측정되었다(Table 2). 즉, AuSn 열압착 본딩에 의한 LED 패키지가 SAC 접합보다 높은 방열효과를 갖는 것으로 확인되었다. Au-Sn의 열전도도는 57 W/mK¹⁹⁾ 이며, SAC솔더의 열전도도는 ~60 W/ mK²⁰⁾으로 열전도도만으로 비교했을 경우에는 오히려 SAC솔더가 높은 열전도도를 갖고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED패키지의 p-n 접합부 온도와 순방향전압간 관계를 파악할 수 있는 방법은 무엇인가?	LED는 온도에 따라 순방향 전압이 변화하게 되고, 이를 측정하여 p-n 접합부 온도를 파악할 수 있다. 아주 작은 전류 인가시에는 p-n 접합부에서 온도와 주위 온도와 같게 되며, 따라서, 아주 작은 전류 인가시에 주위 온도를 변화하면서 순방향 전압을 측정하게 되면 LED패키지의 p-n 접합부 온도와 순방향전압간 관계를 알 수 있다.11)이 때 온도와 순방향 전압간에는 일차원 관계식을 얻을수 있고, 기울기를 K-factor라고 한다.
	플립칩 본딩의 특징은 무엇인가?	일반 적인 전자패키지와 같이 LED패키지도 와이어본딩 또는 플립칩 본딩으로 칩본딩을 실시하게 된다. 플립칩 본딩은 p-n 접합부에서 발생된 열의 이동경로가 와이어본딩에 비해 짧기 때문에 열저항이 낮은 칩본딩 방법으로 알려져 있다.5-9) 플립칩 LED 패키지에 사용되고 있는 접합 소재는 Au-Sn, Sn-Ag-Cu(SAC), 접착제 등이 있다.
	LED 패키지의 열관리가 중요한 이유는 무엇인가?	최근 전 세계적으로 수은등의 중금속 사용에 대한 환경규제 뿐만 아니라 전 세계적으로 에너지 절감 및 온실 가스 감축 정책을 추진하고 있는 가운데 전체 전력 소비량의 약 20%를 차지하고 있는 조명 분야에서도 기존 조명을 대체할 친환경, 저 전력, 고효율의 LED 조명이 각광 받고 있다. LED 패키지는 열에 대한 의존도가 매우 크며, 이 열을 효과적으로 패키지 밖으로 방출하지 못하면 10o C 온도 차이만으로도 LED 의 수명은 반으로 줄어들게 된다.1-4) 따라서, LED 패키지의 열관리는 고효율 LED 패키지를 개발 하는데 있어서 매우 중요하다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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