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Kafe 바로가기주관연구기관 | (주)월덱스 |
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연구책임자 | 정훈 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2017-07 |
과제시작연도 | 2016 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO201800040217 |
과제고유번호 | 1415146954 |
사업명 | 산업소재핵심기술개발 |
DB 구축일자 | 2018-09-22 |
키워드 | Si3N4 방열 기판.AMB접합.GPS 소결.Tape casting. |
핵심기술
- 4“ x 4” 이상 고강도, 고열전도성 Si3N4 소재 기판 대량 생산 기술
- AMB법을 이용한 회로 인쇄기술 및 PKG 시술
기술 개발 배경
높은 전기절연성․열전도율을 가지는 Si3N4 소재는 디바이스의 발생열을 빠르게 전달하고 확산시키는 열매체로서의 기능이 우수하여 LED 소자용 방열기판 소재, 수송기기용 디바이스의 기판소재, 고집적 전자회로용 기판 소재, 레이저 발진부 등의 방열부품(heat sink), 반
핵심기술
- 4“ x 4” 이상 고강도, 고열전도성 Si3N4 소재 기판 대량 생산 기술
- AMB법을 이용한 회로 인쇄기술 및 PKG 시술
기술 개발 배경
높은 전기절연성․열전도율을 가지는 Si3N4 소재는 디바이스의 발생열을 빠르게 전달하고 확산시키는 열매체로서의 기능이 우수하여 LED 소자용 방열기판 소재, 수송기기용 디바이스의 기판소재, 고집적 전자회로용 기판 소재, 레이저 발진부 등의 방열부품(heat sink), 반도체 제조 장치의 반응 용기 부품 및 정밀 기계 부품 등으로 사용되는 소재의 필요성 부각되고 있다. 하지만 현재 Si3N4 기판 소재는 일본에서 거의 독점적으로 생산 판매를 하고 있는 실정이며, 국내에서는 연구개발 단계에 머물고 있다.
따라서, 본 연구에서는 Si3N4 방열기판 소재의 제조 기술 개발 및 준 양산기술을 개발하고자 하였다.
최종목표
◎ 최종 목표
◦파워디바이스에 사용되는 고열전도성 Si3N4 방열기판 소재 및 이를 위한 맞춤형 규소원료와 디바이스 실장용 금속접합기술 개발
최종목표 및 결과
◎공정별 시제품 제작
개발내용 및 결과
1) Si3N4 기판 개발
◦ 맞춤형 Si 원료 처리기술개발
- 고순도 Si 조분 분쇄 및 분급을 통한 기판원료 제작기술 개발
- 최적의 Si 원료 입도 제어기술 : 1.0~1.5㎛
- 분쇄 Si 분말 산소함량 제어: 목표 <1.6 wt%, 결과 <1.50 wt%
- 분쇄 Si 분말 Al 함량 제어: 목표 <0.01 wt%, 결과 0.0023 wt%
◦ Si 원료의 성형기술개발
- Si 원료 크기별 Tape casting 기술
. 두께 80~130㎛의 Si 분말 Tape casting 기술
. 4인치 × 4인치, 두께 1~2mm의 Si 박판 적층기판 제조
(소결 후 수축 및 가공량을 감안한 적층기판의 두께 제어)
- Si 후판 성형체 제조기술 개발 (Press 성형)
. 4인치 × 4인치, 두께 3~15 mm의 성형체 제작 기술
◦ Si 성형체의 질화 기술 개발
- 처리온도 및 가스 분위기 : 1,350℃~1,450℃, N2/H2 혼합가스
- 질화반응 속도와 열방출/축적 속도를 계산한 Si 용출 억제 기술
- 기판 warpage 제어 기술 :목표<0.002”/inch, 결과 0.001”/inch
◦ 고열전도율 및 고강도의 질화규소 기판 소결체 제조기술 개발
- Y2O3, MgO, Sc2O3를 혼합한 신조성 소결조제를 적용하여 목표치를 상회하는 고열전도·고강도의 질화규소 제조
(열전도도 > 93 W/mK, 파괴강도 > 700 MPa)
- 상용화 크기인 4인치 × 4인치 질화규소 기판 제조 기술 확보
◦ 질화규소 기판 가공기술 개발
- 기판 표면조도 : 목표 <0.05 ㎛, 결과 0.02 ㎛
- 기판 두께 : 0.3~1.0mm t
2) Si3N4 기판/Cu 접합 기술 개발
◦ Ag-Cu-Ti 활성 금속 Paste (조성 2종) 및 인쇄 기술 개발
◦ 질화규소 기판 + Cu 접합 및 접합 후 열저항 제어 기술 개발
- Cu 접합 강도 : 목표 >11N/㎜, 결과 18.5㎜
- 열저항 : 목표 3K/W, 결과 0.3878 K/W
◦ 미세 패턴닝 및 Ni/Au 도금 기술 개발
3) Packaging 및 신뢰성 평가
◦ 디바이스 신뢰성 평가
- 열 cycle 평가(-45℃↔100℃): 목표 > 200cycle, 결과 200cycle 후 변화 없음
- 내 환경성 (85℃/85%) 평가: 목표 < 10%, 결과 –0.37% (Pass)
- 내전압 특성 평가(4kV, 6mA, 60s) : 목표 > 4kV, 결과 변화없음(Pass)
◦ 준 양산 규모의 질화규소 기판 제조기술 확보
- 상용화 수준의 대형기판 제조기술 확보: 목표 4”x 4”, 결과 : 4”x 4”
- 4” x 4” Si3N4/Cu 접합 기판
기술 개발 배경
일렉트로닉스(electronics)의 진보에 의해 전력의 변환과 제어를 고효율로 수행하는 파워디바이스(power device)가 폭 넓게 보급되고 있다. 특히, 수송기기 동력의 하이브리드화 및 전기모터화가 세계적으로 전개됨에 따라 파워모듈의 시장이 급속히 팽창하고 있다. 높은 전기절연성․열전도율을 가지는 특정의 세라믹 소재는 디바이스의 발생열을 빠르게 전달하고 확산시키는 열매체로서의 기능이 우수하여 수송기기용 디바이스의 기판 소재, 고집적 전자회로용 기판 소재, 레이저 발진부 등의 방열 부품(heat sink), 반도체 제조 장치의 반응 용기 부품 및 정밀 기계 부품 등으로 사용되는 소재의 필요성 부각되고 있다.
전력용 반도체에 사용되는 전류는 수십 A ~ 수백 A이며 전압도 수백 V 정도로 상당히 고 전력이다. 따라서 반도체로부터 발생하는 열이 높아 그 열에 의한 소자의 오작동 혹은 파괴를 방지하기 위해 열을 어떻게 효율적으로 방출하는지가 큰 이슈가 되고 있다. 조사결과에 의하면 전자 소자의 주요 파괴 원인은 과열․진동․습기․먼지이며, 발생비율은 55%․20%․19%․6% 정도로 파악되고 있다. 이처럼 원활한 열 방출이 전자제품의 정상적인 작동과 수명에 미치는 영향은 절대적이다. 따라서 높은 발열밀도에 기인하여 기판 전체의 면적에서 실제로 칩이 차지하고 있는 면적은 한계를 가지는데, 기판의 방열특성을 향상시키면 현재보다 높은 칩 밀도가 가능하여 한층 더 높은 수준으로 시스템의 소형화 및 저비용화를 구현할 수 있다.
하지만 아직까지는 고강도, 고열전도성을 가진 Si3N4 방열기판 소재는 일본에서 거의 독점적으로 생산 판매를 하고 있고 국내에서는 연구개발 단계에 머물고 있는 Si3N4 방열기판 소재를 개발 양산을 목표로 기술 개발을 진행하였다.
핵심개발 기술의 의의
현재까지 국내에서 Si3N4 방열기판 소재의 국산화에 성공한 사례는 없다. 기존에 사용되던 AlN이나 Al2O3 소재는 tape csating 방법으로 생산을 하고 있다. 하지만 아직까지 국내에서는 tape casting이나 bulk체를 제조하고 diamond wire saw를 이용하여 wafer형태로 제조하는 기술은 개발되어 있지 않은 실정이다. 이번 기술 개발에 의해 사용 용도에 맞는 두 가지 Si3N4 기판 소재를 양산할 수 있는 기반을 마련하게 되었다. 기술 개발이 완료된 후 2년 내에 소재를 대량으로 양산할 수 있는 기반이 마련된다면 일본 기업에서 독점하고 있는 소재를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
국내보다 기술 개발을 선진행 했던 일본의 경우 양산을 진행하고 있는 기업만해도 5곳이(Kyocera, Denka, NGK, Mitshubishi materials, Toshiba materials, Maruwa) 넘는다. 최근 전기자동차의 급격한 성장으로 인하여 전체적으로 capa 증설을 추진하고 있으며, Toshiba의 경우 2019년 10,000,000장/월 규모로 증설 진행 중에 있다. 하지만 국내에서는 아직 양산을 진행하고 있는 기업은 없고 계속적으로 양산을 위해 연구를 수행하고 있다.
본 기술은 해외로부터 도입이 거의 불가능한 수준이며 향후 중국 등으로 기술 수출도 가능할 것으로 기대된다.
적용 분야
- 전력의 변환과 제어를 고효율로 수행하는 파워디바이스
- 수송기기용 디바이스의 기판 소재
- 고집적 전자회로용 기판 소재
- 레이저 발진부 등의 방열 부품(heat sink)
- 반도체 제조 장치의 반응 용기 부품
(출처 : 최종보고서 초록 4p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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