보고서 정보
주관연구기관 |
한국기계연구원 Korea Institute of Machinery and Materials |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2001-10 |
주관부처 |
과학기술부 Ministry of Science and Technology |
과제관리전문기관 |
한국기계연구원 Korea Institute of Machinery and Materials |
등록번호 |
TRKO200200050281 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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초록
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Ⅰ. 제목 반도체 패키징용 heat sink 소재기술개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 최근 전자부품소자의 고기능성화 및 경박단소화에 따라 반도체 칩에서 발생되는 열의 밀도가 급속히 높아지는 경향을 나타낸다. 이로 인해 발생하는 전자부품소자에서의 주된 문제점은 반도체 소자의 온도 상승으로 인해 일어나는 수명 단축과 신뢰성의 감소이다. 또한 소자와 전자패키지사이의 열팽창 계수의 차이로 인하여 접합부위의 solder 및 소자에 가해지는 열응력이 놓아지고 이로 인한 소자 및 솔더의 손상가능성이 높아진다. 이러한 문제점은 전자
Ⅰ. 제목 반도체 패키징용 heat sink 소재기술개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 최근 전자부품소자의 고기능성화 및 경박단소화에 따라 반도체 칩에서 발생되는 열의 밀도가 급속히 높아지는 경향을 나타낸다. 이로 인해 발생하는 전자부품소자에서의 주된 문제점은 반도체 소자의 온도 상승으로 인해 일어나는 수명 단축과 신뢰성의 감소이다. 또한 소자와 전자패키지사이의 열팽창 계수의 차이로 인하여 접합부위의 solder 및 소자에 가해지는 열응력이 놓아지고 이로 인한 소자 및 솔더의 손상가능성이 높아진다. 이러한 문제점은 전자패키징용 부품소재의 열팽창 계수를 반도체 소자의 열팽창 계수와 비슷하게 맞추어 줌으로써 열응력을 가능한 한 낮추어 주면서 동시에 열방출 효과를 높여 주어야 반도체 소자의 수명향상과 신뢰성을 기대할 수 있다. 따라서 소자의 집적도가 증가할수록 전자부품소자의 수면 및 성능 감소의 주원인인 열방출 및 열응력 문제를 해결할 수 있는 heat sink소재의 개방필요성이 증가되고 있다. 아울러 전자부품의 소형화 및 경량화의 필요성이 증대됨에 따라 밀도가 낮으면서 높은 강도를 가지는 우수한 비강도 특성도 최근에 전자 패키징 소재로써 요구되는 주요 특성이 되었다. 이러한 다양한 요구특성에 맞추어 최근에 관심이 집중되고 있는 heat sink소재가 금속 복합 재료 및 다공성 소재이다. 금속복합재료는 고강도, 귀열 팽창계수의 특성을 지닌 세라믹을 강화재로 하고 고인성, 고열도트의 특성을 지닌 금속을 기지로 하는 소재이며 강화재의 분율에 따라 특성을 제어할 수 있는 설계특성을 장점으로 한다. 한편 Skeleton 구조는 열전도성이 뛰어난 Cu 의 특성과 Skeleton구조의 높은 표면적을 활용하여 방열성능이 뛰어난 heat sink소재를 개발할 수 있다. 본 연구의 목적은 열팽창계수가 10ppm/k이하이며 200w/mk이상인 구리계 금속복합재료와, 130w/mk 이상인 Al계 금속 복합재료를 개발하여 Skeleton구조로서는 Cu대비 20%이상의 방열성능을 가진 소재를 개발하고자 하는 목적으로 수행되었다. Ⅲ.연구개발의 내용 및 범위 Heat sink로서 요구되는 특성을 지닌 Cu 및 Al 기지 금속 복합재료를 제조하기 위해서 본연구에서는 분말야금공정, 용침법 및 용탕가압법을 사용하여, 제조공정을 연구하였다. Cu 복학재료를 제조하기 위한 분말야금 공정은 원료분말과 강화재 분말을 혼합한 후 소결, 고밀도화 공정을 거쳐 진밀도화된 판재를 제조하는 연구를 수행하였다. 이 때 사용된 강화재는 SiC, AlN, TiC 및 graphite 였다. 이와 함께 원료 분말 제조를 위해 가스 분사법, In-situ 반응법에 대한 연구도 수행하였다. Al기지 복합재료는 고부피분율 예비성형체제도를 위한 연구와 제조된 예비성형체에 Al용탕을 합침시키는 공정에 대한 연구를 중점적으로 수행하여 heat sink 부품으로 응용가능성을 확인하였다. Cu-W복합재료는 W Skeleton을 제조한 후 Cu용탕을 합침시켜 98% 이상의 높은 밀도를 가지는 소재를 개발하는 연구를 수행하였다. 한편 Cu Skeleton 제조를 위한 연구는 균일한 Cu skeleton을 제조하기 위한 연구와 열팽창율을 제어하기 위한 Fe-Ni합금(In Var)도금, 방열성 평가 등의 연구가 수행되었다. Ⅳ. 연구개발 결과 분말야금공정에 의한 Cu기지 복합재료 제조에 있어서는 분말의 성형성을 향상시키기 위해서는 강화재의 크기를 적절히 조정할 수 있는 기술이 필요하고, 소결 후의 밀도는 분말의 성형 밀도에 크게 의존하였다. Cu 복합재료를 소결하기 위한 적정 소결조건은 소결온도 1000∼1050℃, 소결 분위기는 질도 : 수소의 비율이 95: 5 인 조건이 가장 적합하였다. Cu-SiC, Cu-AlN 복합재료의 경우 냉간압연이나 온간 압축 등에 의해 상대밀도 95%이상의 밀도를 가진 복합재료를 제조할 수 있었다. 특히 적절한 냉간 압연 조건하에서는 압연율 60% 이상의 높은 압연량을 나타냈으며 heat sink 소재목표로 하는 열팽창계수 10ppm/k 이하, 열전도도 200W/mk 이상의 조건은 상대 밀도 98% 이상으로 고밀도화 된 Cu-(40∼50vol) SiC, Cu-40vol%AlN 복합재료에서 얻을 수 있었다. 또한 분말 공정에 의해 Cu-graphite 복합재료를 제조하여 graphite의 종류 함량에 따른 소결, 압연, 및 압출등 공정 특성을 비교 고찰하였으며 진밀도 복합재료의 제조 공정을 확립하였다. 아울러 이들의 열 특성을 비교 분석하였으며, 본 연구의 목표치인 열전도도 200W/mK 및 열 팽창계수 10ppm/K이하에 근접하는 소재를 얻을 수 있었다. 열특성은 Cu-20vol% graphite (coated) 분말을 성형, 소결 및 canned 열간압출 (10:1)을 통하여 거의 근접하는 특성 (종방향 : 343.7 W/mK 및 10.8 ppm/K)을 얻을 수 있었다. Al/SiC 복합재료에서는 강화재 부피분율 50% 이상의 고부피분율 예비성형체를 제조하기 위해서는 크기가 서로 다른 SiC분말을 서로 혼합하여 부피분율을 50∼70vol% 범위로 제어할 수 있는 결과를 제시하였다. 제조된 SiC 분말 예비 성형체를 사용하여 Al 용탕온도 800℃, SiC 분말예비성형체에 예열온도 550℃, 가압력 50MPa으로 50∼70vol%의 SiC분말 예비성형체를 완전함침이 가능하였다. 제조된 고부피분율 50∼70vol%SiCp/Al금속복합재료의 열전도도는 149.3∼177.2 W/mK의 범위를 나타내었으며, 열팽창계수는 6.8∼9.7ppm/K의 범위를 나타내었다. SiCp/Al 금속복합재료의 열전도도는 무기바인더 함량, 강화재 부피분율과 같은 예비성형체의 제조조건과 금속기지의 가압력 및 용탕온도와 같은 함침조건 및 porosity와 같은 미세조직변수에 따라 크게 의존하는 것을 나타내었느며 SiCp/ Al 금속복합재료의 열팽창계수는 강화재 부피분율을 제외한 모든 변수에 의존하지 않는 것으로 관찰되었다. 특히, 강화재부피분율 70vol% SiCp/Al 금속복합재료의 열전도도는 150W/mK, 열팽창계수는 6∼7ppm/K, 밀도는 3.0g/㎤로 기존의 금속계 및 세라믹계 heat sink 부품소재에 비하여 우수함 특성을 나타내었다. 본 연구에서 확립된 제조공정을 바탕으로 하여 고부피분율 SiCp/Al금속복합재료를 이용하여 heat sink 용 실장품을 제조하였다.PGA(Pin Grid Array)또는 BGA (Ball Grid Array) 패키지에 쓰이는 박판형 Cu heat spreader를 0.5mm급 박판형 SiCp/Al 금속복합재료로 제조하였으며 제조된 실장부품의 열적특성을 평가한 결과 heat sink 부품으로 응용이 가능한 것으로 판명되었다. 용침법을 이용하여 적정 열팽창계수와 높은 열전도도를 갖는 Cu/W복합재를 제조하기 위하여 용침법을 적용한 기술을 개발하고자 하였다. 평균 입도 1.77㎛의 텅스텐 분말을 압축성형하여 1250∼1500℃로 20 시간 소결한 후 기공도 29∼47%의 텅스텐 소결체를 제조하였다. 구리의 조성에 따라 다른 열물성값을 보여주었다. 열팽창계수 10ppm/K미만, 열전도도 200W/mK 이상의 복합재를 제조하려면 구리의 조성이 중량비로 16.5∼26%, 부피분율로 30∼43%이어야 한다. 이러한 조성을 얻기 위한 텅스텐 소결체의 기공도는 1.77㎛분말을 사용하여 1350∼1500℃에서 20시간 소결 후의 텅스텐 소결체의 기공도와 일치한다. 실제 제품으로도 응용이 가능하게 하고자 하는 목적에서 3차원 형상을 갖는 패키지를 시제조하였으며, 시제작된 샘플은 양호한 외관과 98%이상의 높은 밀도를 나타내었다. 균일란 Cu skeleton제조에 관한 연구에서는 인가된 전류밀도가 1 A/d㎡일 때는 0.2M, 0.5A/d㎡일 때는 0.12M 수용액에서 최적의 균일전류밀도분포력(throwing power)을 나타내었으며, 기계적 강도를 유지하면서 throwing power를 최대화할 수 있는 용액의 조건은 0.2M【Cu2+】, 0.5M H₂SO₄수용액에 50ppm의 MPS가 함유된 전해질이었다. Fe/Ni 합금의 도금은 이상합금현상에 의한 mass transfer 의 영향이 크기 때문에 용액 교반조건이 합금 성분제어에 가장 중요한? 시스템이 효과적이었으며 paddle 교반 시스템이 효과적이었으며 paddle의 왕복속도는 0.8Hz임을 확인하였다. 또한 제조된 invar 합금의 열팽창율은 3.34×10-4mm/℃로서 구리에서 얻어진 4.63×10-4mm/℃보다 휠씬 작은 열팽창율 값을 가지고 있었다. 방열성능 평가에서 45ppi 시편의 경우 측정된 모든 시편이 표준 Cu판재보다 우수했으며, 45ppi 기공율 88%, 85% 시편은 최종목표인 Cu판재 대비 130% 이상의 방열성능을 달성하였다. Invar 합금의 도금에 의해 열팽창율을 감소시키고 방열성능은 오히려 향상시킨 시편을 제작할 수 있었으며, 기공율 91%의 시편은 30Ipm의 유속에서 Cu 판재 대비 230% 의 방열성능을 보였다. Ⅴ. 연구개발 결과의 활용계획 본 연구에 의하여 고부피분율 금속복합재료 및 Skeleton 구조를 이용한 전자패키징용 heat sink 소재를 개발하고자 한다. 본 연구에서 고성능 heat sink 용 부품의 열적 및 기계적 특성에 관한 data-base를 구축함으로써 향후 고밀도 정보통신용 부품용 heat sink 소재개발을 위한 기본설계자료로 활용하고자 한다. heat sink소재의 제조공정 및 이를 이용한 각종 부품제조 및 특성평가해석에 관한 학문적 성과는 국내 기능소재의 응용을 위한 새로운 기술개발에 이용될 수 있을 것이다. 차후 heat sink 부품 국산화를 목표로 하는 산-학 공동연구의 추진이 필요하며 이로부터 우수한 열적특성의 heat sink용 부품소재개발 및 상용화로 고밀도, 고출력 정보통신용 핵심 부품의 국산화를 추진할 계획이다.
Abstract
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I. Project Title Development of heat sink materials for electronic packaging applications II. Objective and Importance of Project The heat density generated from the electronic packaging components has been recently increased rapidly because the electronic devices are of high performance, light w
I. Project Title Development of heat sink materials for electronic packaging applications II. Objective and Importance of Project The heat density generated from the electronic packaging components has been recently increased rapidly because the electronic devices are of high performance, light weight and small size. The major problems caused directly by the increase of heat density from the electronic packaging components are the degradation of the electronic packaging components. Therefore, if the new grade heat sink materials are developed in order to solve the problems about the heat dissipation, the remarkable development in electronic packaging industry can be expected. And also, the increased thermal stress causes fracture of solder or electronic device due to the increased different CTE between the electronic components. Therefore, the thermal expansion coefficients between electronic devices are needed to be similar to each other in order to decrease the thermal stress. The high performance and the long-term life cycle of electronic devices can be expected by developing such a material having low thermal expansion coefficient similar to semiconductor. The materials with the low density and the high specific strength(strength/density) are also needed to satisfy the required properties of electronic packaging components. One approach to meet these requirements is to develop new materials for electronic packaging applications such as metal matrix composites(MMCs). The MMCs consist of the ceramic reinforcement with high strength, low thermal expansion coefficient and the metal matrix with high toughness, high thermal conductivity. The MMCs have tailorable properties that can control their properties according to each fraction. The other approach is to develop porous skeleton metals to provide large surface area enough to dissipate heat generated from the semiconductors. The objectives of this study are to study the fabrication process of Cu and Al matrix MMCs having thermal expansion coefficient lower than 10ppm/K and thermal conductivity higher than 200W/mK and 130W/mK, respectively. Porous skeleton metals having heat dissipation capability more 130% than that of Cu plate are developed III. Scope and Contents of Project The fabrication processes for the high volume fraction preform and metal matrix composite were investigated in order to manufacture the Cu and Al metal matrix composites having the required properties for the materials of electronic packaging components. Cu matrix compoites containing SiC, AlN, TiC and graphite as reinforcements were developed by using powder metallurgical process, The process consists of powder making, mixing, sintering and high density process such as cold rolling, hot compaction and extrusion. The study to fabricate the raw materials was also conducted by gas atomization, in-situ reaction and electroless plating process. SiC particulate preform was fabricated by ball milling and pressing method to study Al-SiC composite. The fabrication process of high volume fraction SiCp/Al MMCs ranged 50~70vol% was investigated by the fabrication variables such as melt temperature, preform preheat temperature, infiltration pressure, and so on in order to infiltrate Al melt into SiC particulate preform. the porous Cu plate was manufactured through the electroless and electrochemical plating technique and tested in terms of heat dissipation capability. In addition, the electrochemical coating of invar alloy, Fe/Ni, on the porous Cu plate has been performed to minimize a mismatch of thermal expansion between heat sink and silicon substrate. The fabrication of Cu-W composite has been also studied by using the infiltration method to provide a heat sink material having low thermal expansion and high thermal conductivit. IV. Results of Project In fabication of Cu-(SiC, AlN, TiC) composites, Size controll of the reinforcements is important to increase compactablity of the mixed powder. Sintered densites of the Cu matrix composites is mainly dependent on their green densities. The proper condition for sintering of the Cu powder composites is the sintering temperature range of 1000∼1050℃ in the nitrogen(95%) and hydrogen (5%) mixed atmosphere. Cu-SiC and Cu-AlN composites having higher than 95% of the relative densities were fabicated by sintering and cold rolling or sintering and hot pressing at the temperature of 500℃. The reduction ratio of the cold rolling is over than 60% by precious controlling of the start materials and cold rolling pass scedule. The plates having their thisckness lower than 1mm were fabricated by the sintering and cold rolling process. The cold rolled plates of Cu-(40-50)vol%SiC and Cu-40vol% AlN composites present that their thermal expansion coefficients are lower than 10ppm/K and thermal conductivitus are higher than 200W/mK. The relative densityies of the composites are higher than 98%. In the study of the Al/SiC composite, the SiC particulate preform was fabricted by mixing of unimodal size and bimodal sizes of SiC particles, pressing, drying and calcination process. The compressive strength of the preform increased during the calcination process by formation of SiO2 at inter SiC particles. The SiC particulate preform could be fabricated into 50~70vol% SiCp/Al MMC by pressure infiltration casting process. The full infiltration could be carried out by Al melt temperature of 800℃, preheat temperature of 550℃, infiltration pressure of 50MPa. The analysis of microstructures of SiCp/Al MMCs was followed according to their volume fraction. The relative density of 50~60vol%SiCp/Al MMCs showed the full density as 99~100% and that of 70vol%SiCp/Al MMC showed as 97~99%. The thermal conductivity of the developed 50~70vol%SiCp/Al MMCs were ranged 149.3~177.2W/mK and the CTE of them were ranged 6.8~9.7ppm/K. Specially, thermal conductivity and CTE of 70vol% SiCp/Al MMCs were shown to be good thermophysical properties as 150W/mK and 6∼7ppm/K, respectively. A prototype of SiCp/Al MMCs having 0.5mm thickness was successfully fabricated for the application as electronic packaging components. The fabrication of Cu-W composite has been also studied by using the infiltration method to provide a heat sink material having low thermal expansion and high thermal conductivity. First, porous W was formed with W powder of 1.77 m mean size by pressing it in the mold followed by sintering at 1,250 to 1,500 ℃ for 20 hrs. To meet the criterion of thermal properties, coefficient of thermal expansion less than 10 ppm/K and thermal conductivity greater than 200 W/mK, the composition of Cu of Cu-W composite should be in the range of 16.5 to 26 % in weight or 30 to 43 % in volume. Finally, the model specimen of Cu-W composite having the thermal properties of above criterion was successfully fabricated. In the fabrication of uniform Cu skeleton, maximum throwing power was obtained at 0.2 M and 0.12 M for the current density of 1 A/dm2 and 0.5 A/dm2, respectively. The additives such as MPS and PEG were found to play an important role in the fabrication of uniform and regular Cu skeleton. Electrolyte of 0.2 M Cu2+, 0.5 M H2SO4 and 50 ppm MPS was believed to allow the fabrication of the most uniform Cu skeleton. In the coating of Fe/Ni alloy, especially, mass transfer affected significantly the composition of coated layer due to anomalous codeposition. The paddle-type stirring system, which was employed to control the mass transfer of electrolyte in the work, was found to allow the coating with a precise composition of Fe/Ni layer. Thermal expansion of invar alloy prepared in the work was 3.34×10-4 mm/℃ while that of pure copper was 4.63×10-4 mm/℃. From the tests of heat dissipation, porous Cu skeleton of 45 ppi in pore size was superior to Cu plate of same thickness and heat dissipation capability of porous Cu skeleton was more than 130% that of Cu plate at the porosity of 85 to 88%. Finally, a heat sink material having low thermal expansion and high rate of heat dissipation could be fabricated by coating of invar alloy on porous Cu plate. V. Applications The heat sink material for electronic packaging applications was developed in this study using MMCs with high volume fraction and Cu skeleton plates. The established data-base on the properties of the electronic packaging materials can be used as a basic design guide to draw the process of the advanced electronic packaging parts. The scientific results on the fabrication process of high volume fraction MMCs and microporous plates for heat dissipiation can initiate the new technical fields of advanced materials for electronic applications. Hereafter, the research project in cooperation with the industry aiming for the domestic commercialized electronic packaging component is to be proposed. From the cooperation, it is expected that the development of electronic packaging component materials having excellent thermophysical properties and the home-produced core component for telecommunication industry having high integrity, high power will be obtained.
목차 Contents
- 제 1 장 서 론...15
- 제 2 장 기술개발 현황 및 열적 특성평가...24
- 제 1 절 기술개발 현황...24
- 제 2 절 열적 특성평가 및 해석...32
- 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...44
- 제 1 절 Cu-(SiC, AlN, TiC)복합재료 제조공정 개발...44
- 제 2 절 미세 다공성 그물구조 Cu판재 및 Cu-W복합재료 제조공정연구...81
- 제 3 절 Cu-graphite 복합재료 제조공정 및 열특성연구...152
- 제 4 절 SiCp/Al 복합재료 제조공정 개발...188
- 제 4 장 참 고 문 헌...225
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