[논문]그래핀을 이용한 전자패키징 기술 연구 동향

고용호; 최경곤; 김상우; 유동열; 방정환; 김택수

doi:10.6117/kmeps.2016.23.2.001

그래핀을 이용한 전자패키징 기술 연구 동향
Trends of Researches and Technologies of Electronic Packaging Using Graphene 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.2, 2016년, pp.1 - 10

고용호 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 최경곤 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 김상우 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 유동열 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 방정환 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 김택수 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports the trends of researches and technologies of electronic packaging using graphene. Electronic packaging is to provide the signal and electrical current among electronic components, to remove the heat in electronic systems or components, to protect and support the electronic components from external environment. As the required functions and performances of electronic systems or components increase, the electronic packaging has been intensively attracted attention. Therefore, technologies such as miniaturization, high density, Pb-free material, high reliability, heat dissipation and so on, are required in electronic packaging. Recently, graphene, which is a single two-dimensional layer of carbon atoms, has been extensively investigated because of its superior mechanical, electrical and thermal properties. Until now, many studies have been reported the applications using graphene such as flexible display, electrode, super capacitor, composite materials and so on. In this paper, we will introduce and discuss various studies on recent technologies of electronic packaging using graphene for solving the required issues.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 산업 전반 및 다양한 연구 분야에서 가장 뜨겁게 다루어지고 있는 graphene을 이용한 전자패키징 기술 관련 최근의 연구 동향에 대하여 살펴보고자 한다.
본 논문에서는 최근 광범위하게 응용 연구가 진행되고 있는 graphene을 이용한 전자패키징 기술 관련 연구 동향및 결과들을 간략하게 살펴보았다. Graphene의 기계적, 전기적, 물리적, 화학적 특성 등을 이용하여 Pb-free 복합 솔더, 기판의 graphene 표면처리, graphene 복합 conductive adhesive, graphene을 이용한 방열 기술 등의 전자패키징 적용 기술들이 그동안 연구되어 왔다.

가설 설정

10. (a) A schematic of the MLG/Cu stack wire showing the distribution of electron movement and heat flow, (b) A comparison of the resistance of Cu and MLG/Cu interconnects and (c) Breakdown characteristics of Cu and 5 nm MLG/Cu interconnects.⁴²⁾

성능/효과

1¹⁾ 과 같이 sp² 탄소원자들이 벌집 구조의 안정된 육각형 원자 구조와 격자를 이룬 형태의 2차원 단일 탄소층으로 2004년 처음 실험적 발견이래 최근 가장 광범위하게 연구되고 있는 소재 중 하나이다.^2,3) Graphene이 가지고 있는 안정된 원자 구조에 기인하여 전기전도도는 상온에서 구리보다 약 100배 이상이며 기계적 강도도 강철의 약 200배 이상으로 신축 환경 에서도 전기 전도성을 잃지 않는 것으로 알려져 있다.⁴⁾ Graphene의 기계적, 전기적, 열적, 물리적 특성은 이론적으로 영률 1 TP, 인장강도 130 GPa, 전기전도도 ~10⁶ S/cm, 열전도도 3,000~5,000 W/m·K으로 알려져 있다.
4) Graphene의 기계적, 전기적, 열적, 물리적 특성은 이론적으로 영률 1 TP, 인장강도 130 GPa, 전기전도도 ~106 S/cm, 열전도도 3,000~5,000 W/m·K으로 알려져 있다.
12⁴⁵⁾ 는 Al(OH)₃ -GO composite 제조 과정의 모식도와 제조된 GO 및 Al-GO 복합 전자 접착제의 열적 특성 결과이다. GO 가 첨가되는 경우 순수한 epoxy resin에 비하여 열적 특성이 크게 개선되는 것으로 보아 이들의 결과로부터 GO 가 열전도도를 개선을 위한 필러로서의 가능성을 확인 할수 있다. 한편 Pu 등⁴⁶⁾ 은 nitrogen-doped graphene nanosheet (N-GNS)를 Ag 필러 함유 electrically conductive adhesive (ECA)에 첨가하여 N-GNS의 전도성 필러로서의 가능성을 보고 하였다.
Gao 등⁵²⁾ 은 전자패키징 에서 heat spreader로 graphene을 적용하고자 칩의 hot spot 위에 graphene을 전사 시키고 graphene heat spreader 의 열적 특성을 보고 하였다. 이 연구에서 온도 냉각 효과는 최대 13^oC 나타나는 것으로 확인 되었다. Fig.
9³⁹⁾ 와 같이 Cu 기판 표면에 전사된 graphene이 Cu 기판으로부터 나오는 Cu 원자의 확산을 방해하여 IMC 20% 이상 성장을 억제함을 보여 준다. 이 연구에서는 대면적이기는 하나 graphene을 이용하여 IMC 성장이 억제 됨을 보여주었다. 다만 미세피치 등의 적용에는 아직까지는 한계를 가지고 있기는 하다.
이들의 결과에서 열전도도는 14 W/m·K까지 확인 되면서 graphene의 TIM 소재 적용 가능성을 보여 주었다.

후속연구

Graphene의 기계적, 전기적, 물리적, 화학적 특성 등을 이용하여 Pb-free 복합 솔더, 기판의 graphene 표면처리, graphene 복합 conductive adhesive, graphene을 이용한 방열 기술 등의 전자패키징 적용 기술들이 그동안 연구되어 왔다. 기계적 특성 향상및 계면 반응 억제 등을 위한 graphene 복합 Pb-free 솔더에 대한 연구들이 최근 활발하게 진행되고 있으나 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더가 주를 이루고 있어 다양한 조성의 솔더 합금에 대한 추가적인 연구들이 필요하고 이와 더불어 graphene 소재의 솔더 내 균일 분산 기술에 대한 연구개발도 필요할 것으로 생각된다. 또한 기판의 graphene 표면처리를 통하여 계면 반응 억제를 시도한 연구의 경우 현재까지는 대면적에서의 graphene의 영향과 효과를 살펴보고 있어 향후 솔더 접합부 미세화에 따라 미세 피치 영역에서 선택적으로 균일하게 graphene 전사를 할 수있는 연구도 병행 되어야 할 것이다.
Epoxy기반의 TIM의 경우 전자패키 지의 사용환경 등에 따른 epoxy의 경화로 인한 shrinkage 등의 문제를 유발 할 수 있다. 따라서, Saw 등의 결과를볼 때 단순한 인장 강도 등의 기계적 물성뿐만 아니라저장 탄성률 관점에서의 graphene 응용 방안을 연구해 볼필요가 있다고 생각된다.
5Cu 솔더가 주를 이루고 있어 다양한 조성의 솔더 합금에 대한 추가적인 연구들이 필요하고 이와 더불어 graphene 소재의 솔더 내 균일 분산 기술에 대한 연구개발도 필요할 것으로 생각된다. 또한 기판의 graphene 표면처리를 통하여 계면 반응 억제를 시도한 연구의 경우 현재까지는 대면적에서의 graphene의 영향과 효과를 살펴보고 있어 향후 솔더 접합부 미세화에 따라 미세 피치 영역에서 선택적으로 균일하게 graphene 전사를 할 수있는 연구도 병행 되어야 할 것이다. Graphene의 열적, 전기적 등의 물리적 특성을 이용한 복합 polymer 소재들이 conductive adhesive나 TIM과 같은 방열 소재 분야에서 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 것으로 파악된다.
위에서 살펴본 바와 같이, 기존의 Pb-free 솔더에 graphene을 첨가한 복합 솔더에 대한 솔더 합금 내부의 미세조직 등 모합금의 특성을 연구하거나 기판과의 계면 반응 및 IMC 성장에 관한 연구들이 최근 활발하게 진행 되고 있고 연구 결과들을 살펴볼 때 graphene이 첨가된 경우 모합금의 특성뿐만 아니라 솔더 접합부의 계면 특성도 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
14⁴⁶⁾ 와 같이 Ag 필러간의 접촉을 증가 시키고 분산되어 있는 Ag 필러간의 전도를 높여줌으로써 ECA의 전기전도 특성을 향상 시킨다고 보고 하였다. 이들의 연구 결과는 Ag 필러의 함량을 낮추면서도 1 wt% 의 N-GNS로 전기적 특성을 향상 시킬 수 있어 기존의 Ag 필러 함유 ECA의 Ag의 함량을 줄일 수 있게 되므로 ECA의 비용 절감을 줄이는데 기여 할 수 있을 것으로 사료된다.
다만 미세피치 등의 적용에는 아직까지는 한계를 가지고 있기는 하다. 향후 미세피치의 접합부 패드 및 기판에 대한 선택적 전사 방법을 개발 적용한 다면 효과적인 IMC 억제 효과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지금까지 Graphene에 대한 어떤 연구가 활발하게 진행되고 있는가?	5) Graphene이 발견 된 이후 현재까지 graphene 고유의 우수한 특성을 이용하여 실용하기 위한 제조, 특성 분석, 응용기술 등에 대하여 다방면으로 검토 되어 왔다. 3,6-8) 유연하고 투명한 특성을 이용한 투명 디스플레이, 유연 전극 등의 분야에 적극적인 연구가 진행되고 있고 6) 물리적 특성 등을 이용한 방열 소재 및 센서, 9-11) 트랜지스터, 12) 캐패시터, 13) 복합소재 14) 등에 관한 응용 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. Fig.
	그래핀이란?	그래핀(graphene)은 Fig.1 1) 과 같이 sp 2 탄소원자들이 벌집 구조의 안정된 육각형 원자 구조와 격자를 이룬 형태의 2차원 단일 탄소층으로 2004년 처음 실험적 발견 이래 최근 가장 광범위하게 연구되고 있는 소재 중 하나이다. 2,3) Graphene이 가지고 있는 안정된 원자 구조에 기인하여 전기전도도는 상온에서 구리보다 약 100배 이상이며 기계적 강도도 강철의 약 200배 이상으로 신축 환경 에서도 전기 전도성을 잃지 않는 것으로 알려져 있다.
	Graphene의 기계적, 전기적, 열적, 물리적 특성은?	2,3) Graphene이 가지고 있는 안정된 원자 구조에 기인하여 전기전도도는 상온에서 구리보다 약 100배 이상이며 기계적 강도도 강철의 약 200배 이상으로 신축 환경 에서도 전기 전도성을 잃지 않는 것으로 알려져 있다. 4) Graphene의 기계적, 전기적, 열적, 물리적 특성은 이론적으로 영률 1 TP, 인장강도 130 GPa, 전기전도도 ~106 S/ cm, 열전도도 3,000~5,000 W/m·K으로 알려져 있다. 5) Graphene이 발견 된 이후 현재까지 graphene 고유의 우수한 특성을 이용하여 실용하기 위한 제조, 특성 분석, 응용기술 등에 대하여 다방면으로 검토 되어 왔다.

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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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