초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목표는 기판 열저항이 최소화되어 열전특성의 향상이 가능한 신개념 열전박막소자로서 써멀비아전극 열전박막소자의 구현화 기술을 확립하고, 플립칩 공정변수에 따른 써멀비아전극 열전박막소자의 열전특성의 변화를 규명함으로써 신개념 써멀비아전극 열전박막소자의 열전특성을 최적화하는데 있다. 이를 위해 1차년도에는 Cu 비아필링공정을 이용한 써멀비아전극 형성기술 및 열전박막 레그 형성기술을 연구하고, 2차년도에는 ACA 플립칩 공정을 이용한 써멀비아전극 열전박막소자 형성기술을 연구하였으며, 3차년도에는 리플로우

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목표는 기판 열저항이 최소화되어 열전특성의 향상이 가능한 신개념 열전박막소자로서 써멀비아전극 열전박막소자의 구현화 기술을 확립하고, 플립칩 공정변수에 따른 써멀비아전극 열전박막소자의 열전특성의 변화를 규명함으로써 신개념 써멀비아전극 열전박막소자의 열전특성을 최적화하는데 있다. 이를 위해 1차년도에는 Cu 비아필링공정을 이용한 써멀비아전극 형성기술 및 열전박막 레그 형성기술을 연구하고, 2차년도에는 ACA 플립칩 공정을 이용한 써멀비아전극 열전박막소자 형성기술을 연구하였으며, 3차년도에는 리플로우 플립칩 공정을 이용한 써멀비아전극 열전박막소자 형성기술을 연구하였다.

연구결과
1차년도 연구에서는 Cu 도금용액의 조성 및 도금전류밀도를 변수로 Cu 비아필링 실험을 진행하여 내부 기공이 없는 Cu 써멀비아전극 형성공정을 확립하였다. 써멀비아전극 기판에 포토레지스트 공정을 이용하여 p형 Sb₂Te₃와 n형 Bi₂Te₃ 열전박막 레그들을 순차적으로 전기도금 후 평탄화 공정을 거쳐 15 μm 두께의 균일하고 평탄한 열전박막 레그들을 형성하였다.
2차년도 연구에서는 ACA 플립칩 공정을 이용한 써멀비아전극 열전박막소자를 형성하기위해, 우선 써멀비아전극이 242개 형성된 상부 써멀비아전극 기판에 p형 Sb₂Te₃ 및 n형 Bi₂Te₃ 열전박막 레그들을 전기도금하고 기계적 연마하여 18 μm 높이의 열전박막 레그들을 형성하였다. 하부 써멀비아전극 기판에 Cu/Au 범프들을 전기도금한 후. 이들을 상부 기판의 열전박막 레그들에 배열하고 ACA를 사용하여 플립칩 본딩하여 써멀비아전극 열전박막소자를 구성하였다. 이와 같은 열전박막소자는 양단간의 온도차 ΔT가 26.3 K일 때 194.8 mV의 전압과 211 μW의 최대 발전출력을 나타내었다.
3차년도 연구에서는 리플로우 플립칩 공정을 이용한 써멀비아전극 열전박막소자를 형성하기 위해, 우선 상부 써멀비아전극 기판에 n형 Bi₂Te₃와 p형 (Bi,Sb)₂Te₃ 열전박막을 20 μm 높이로 도금하고 그 위에 순차적으로 Ni/Cu UBM을 도금한 후 기계적 연마하여 38 μm 높이의 열전박막/UBM 레그들을 형성하였다. 하부 써멀비아전극 기판에 Cu 범프들을 도금하고 그 위에 Sn-In 솔더를 진공증착한 후, 이들을 상부 기판의 열전박막/UBM 레그들에 배열하고 Sn-In 솔더를 리플로우 시켜 플립칩 본딩하여 써멀비아전극 열전박막소자를 구성하였다. 이와 같은 열전박막소자는 양단간의 온도차 ΔT가 41.4 K일 때 431 mV의 전압과 2.3 mW의 최대 발전출력을 나타내었다.

연구결과의 활용계획
∙ 웨어러블 전자기기, self-sustained 센서, 심장박동기, 보청기 등의 미세동력원으로 사용할 마이크로 열전발전기 개발에 활용.
∙ 적외선 센서, micro calorimeter, RMS converter 등 마이크로 열전센서 개발에 활용.
∙ 광전부품, 통신부품, LED 등의 정밀온도유지용 및 반도체 칩의 미세국부냉각용 마이크로 열전냉각소자의 개발에 활용.
∙ 신개념 써멀비아전극 열전박막소자의 구현으로 열전공학의 발전에 이바지.
∙ 신개념 써멀비아전극 열전박막소자의 구현으로 기술경쟁력 확보 및 다양한 응용제품 개발 가능
∙ 열전 신소재, 센서 산업 및 반도체 산업 분야에 종사할 석·박사 연구인력의 양성.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
In this study, we have established the process technologies of the new conceptual thermoelectric thin-film devices consisting of thermal-via electrodes, of which thermoelectric properties can be improved by minimizing the substrate thermal resistance. In the 1^st year o

Purpose&contents
In this study, we have established the process technologies of the new conceptual thermoelectric thin-film devices consisting of thermal-via electrodes, of which thermoelectric properties can be improved by minimizing the substrate thermal resistance. In the 1^st year of this project, we investigated the process technologies to form thermal-via electrodes and thermoelectric thin-film legs. In 2^nd and 3^rd years, we investigated the process technologies to fabricate the thermoelectric thin-film devices consisting of thermal-via electrodes by using ACA flip-chip bonding and solder reflow flip-chip bonding, respectively.

Result
In the 1^st year of this research, Cu thermal-via electrodes could be formed without voids after various experiments of Cu filling into open via-holes with changing the electrode composition and electrodeposition current density. On the thermal-via electrodes, the 15-μm-thick p-type Sb₂Te₃ and n-type Bi₂Te₃ thin-film legs were formed by electrodeposition and subsequent mechanical grinding.
In the 2^nd year, thermoelectric thin-film devices consisting of thermal-via electrodes were formed using ACA flip-chip process. On the 242 thermal-via electrodes of the top substrate, the 18-μm-thick p-type Sb₂Te₃ and n-type Bi₂Te₃ thin-film legs were formed by electrodeposition and mechanical grinding. After electroplating the Cu/Au bumps on the thermal-via electrodes of the bottom substrate, they were flip-chip bonded to the thermoelectric legs on the top substrate using ACA. The thermoelectric thin-film device exhibited the output voltage of 194.8 mV and maximum output power of 211 μW at ΔT of 26.3 K.
In the 3^rd year, thermoelectric thin-film devices consisting of thermal-via electrodes were formed using solder reflow flip-chip process. On the 242 thermal-via electrodes of the top substrate, the 38-μm-thick p-type (Bi,Sb)₂Te₃/UBM and n-type Bi₂Te₃/UBM legs were formed by subsequent electrodeposition of 20-μm-thick thermoelectric thin films and UBM followed by mechanical grinding. After evaporation of Sn-In solder on the electroplated Cu bumps on the thermal-via electrodes of the bottom substrate, Cu bumps were flip-chip bonded to the thin film/UBM legs on the top substrate by reflowing the Sn-In solder. The thermoelectric thin-film device exhibited the output voltage of 431 mV and maximum output power of 2.3 mW at ΔT of 41.4 K.

Expected Contribution
∙ Utilizing the established process technologies to develop micro thermoelectric generators for wearable devices, self-sustained sensors, pace makers, and hearing aids.
∙ Utilizing the established process technologies to develop micro thermoelectric sensors.
∙ Utilizing the established process technologies to develop micro thermoelectric coolers such as on-chip coolers.
∙ Utilizing the device structures and process technologies to co-work with industry.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 10
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 10
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 11
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 11
• 8. 참고문헌 ... 11
• 9. 연구성과 ... 12
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 14
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 14
• 12. 기타사항 ... 14
• 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 15
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 30
• 끝페이지 ... 33