초록 ▼

3. 개발결과 요약

최종목표
o 20℃ ⇒ 400℃ 급속 승온 및 400℃ ⇒ 20℃ 급속 냉각 사이클의 신뢰성이 확보된 100mm*100mm*5mm 사이즈의 질화규소 소재 개발

개발내용 및 결과
o 질화규소는 포논 열전달 기구에 의해 질화알루미늄과 더불어 세라믹스 중 최상급의 열전도도를 보유함으로써 우수한 기계적 물성과 열적물성의 조합에 의해 다양한 세라믹스 중 최상급의 내열충격성을 나타냄.
o 내열충격성이 우수하기 때문에 급속 승온 및 급속 냉각 등의 가혹한 작동환경 하에서 내구신뢰성이

3. 개발결과 요약

최종목표
o 20℃ ⇒ 400℃ 급속 승온 및 400℃ ⇒ 20℃ 급속 냉각 사이클의 신뢰성이 확보된 100mm*100mm*5mm 사이즈의 질화규소 소재 개발

개발내용 및 결과
o 질화규소는 포논 열전달 기구에 의해 질화알루미늄과 더불어 세라믹스 중 최상급의 열전도도를 보유함으로써 우수한 기계적 물성과 열적물성의 조합에 의해 다양한 세라믹스 중 최상급의 내열충격성을 나타냄.
o 내열충격성이 우수하기 때문에 급속 승온 및 급속 냉각 등의 가혹한 작동환경 하에서 내구신뢰성이 요구되는 히터 소재의 후보 소재로 각광 받고 있음
o 주관기관(재료연구소) 개발내용 및 결과
- 소결 전후 성분 분석에 의한 고휘발 소결조제의 조성 튜닝
- 승온 스케쥴 및 가스 운용 스케쥴 튜닝에 의한 고밀도 소결
- 시편 장입 컨피겨레이션 튜닝에 의한 건전 소결
- ‘1차 hot press (1700℃ 2h 20MPa) + 2차 후열처리 (1900℃ 1h N2 2MPa)’ 공정개발에 의해 정량적 목표를 상회하는 물성의 질화규소 소재 개발
o 참여기업((주)유제이엘) 개발내용 및 결과
- 기판 스케일업 성형을 위한 바인더 혼입 및 탈반인더 조건 확보
- 기판 스케일업을 위한, 원자재의 입형 및 입도 관리를 통한 치밀화 성형공정 개발
- 성형공정 시의 가압 방향성을 고려하고 성형 조건에 따른 소결체의 특성을 향상시키기 위한 성형 공정 조건 최적화
- 유제이엘이 보유한 양산형 GPS를 이용한 고열전도 질화규소 기판소성공정 최적화
- 휨 방지를 위한 적층 구조 및 소성 균일성 확보 공정 개발
- 히터 모듈 신뢰성 평가
① 참여기업 ㈜유제이엘이 제조한 질화규소 소재를 히터 제조업체에 제공하여 히터 모듈 제작
② 히터 모듈을 상온~400℃ 구간에서 열사이클 운행을 실시하여 개발 소재가 적용 가능함을 검증
- GSP(1950℃ 6 hr N2 2MPa) 소성 간 승온 프로파일 및 가스 투입 시기 및 압력 조절을 통하여 100 W/mK의 고열전도도 질화규소 소재 개발
- 세라믹 히터 모듈 제작 업체에 신뢰성 데스트 의뢰 결과 1만회 이상의 급속 승온/냉각 테스트 통과, 상용화 가능성 확인

기술개발 배경
o 기존의 2D 패키징의 경우, 칩 간의 bonding을 위해 큰 면적이 요구되며 긴 전기 배선에 의한 칩 간의 전기적·기계적 상호연결은 1)기생 커패시턴스와 인덕턴스의 증가, 2)잡음 여유도 (noise immunity)와 칩 디자인의 유연성 저하, 3)패키지 비용 증가 등을 유발함으로써, 3차원 공정인 TSV(through silicon via) 기술이 해결책으로 제시됨
o TSV 기술의 핵심은 TCB(thermal compression bonding) 공정에 의한 다층 스택의 접합을 효과적으로 구현하는 것으로, 대면적 히터의 급속승온 및 급속 냉각이 핵심 기술로, 히터 소재로 개발하고자 하는 질화규소는 기계적·열적 특성면에서 가장 유망한 후보 물질로 판단됨
o 질화규소가 ‘기계적 물성과 열적 물성’의 최적 조합을 발현하는 세라믹스로 각광 받고 있는 원인으로는, 미세구조의 입자가 일반적인 등방형상이 아닌 유니크한 침상형상을 나타냄으로 다양한 세라믹스 중 최상급의 강도와 인성 보유하고 있음.

핵심개발 기술의 의의
o 본 과제에서는, 반도체 산업의 핵심요소 중 하나인 제조설비용 소재인 세라믹 Heater용 질화규소 기판 기술의 개발을 통하여, 수입 의존도가 높은 핵심 세라믹 Heater 소재의 국산화를 달성하고, 기존 SiC 및 AlN 기판 소재보다 기계적 특성이 우수한 소재의 개발을 시도하였음
o 현재까지 질화규소를 TCB용 히터에 적용한 제품은 없기 때문에 시장의 선점을 통한 내수 및 수출 가능성이 높음
o 질화규소 세라믹스의 산업화를 위해 랩스케일 시편의 특성을 스케일업 시편에서 재현하는 것이 필수적임. 본 과제에서는 참여기업이 보유하고 있던 기존의 40*40 mm 사이즈 제조기술을 업그레이드하여 100*100 mm 사이즈에서도 구현함으로써 산업화의 가능성을 향상시킴

적용 분야
o TCB 장비뿐만 아니라, 향후 증착장비 및 플립칩 본더와 같은 반도체용 핵심 제조설비에서 요구하는 차세대 소재의 특성을 만족하는 소재기술이 개발된 것을 판단됨

(출처 : 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 10
• 목차 ... 13
• 제 1 장 서론 ... 14
• 제 1 절 과제의 개요 ... 14
• 제 2 절 개발 대상 기술·제품의 개요 ... 15
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 17
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 17
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 21
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 21
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 23
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 23
• 제 3 장 결과 ... 24
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 24
• (1) 연구개발 추진 일정 ... 24
• (2) 연구개발 추진 실적 ... 25
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 44
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 44
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 45
• 제 5 절 안전관리 이행 현황 ... 46
• 제 4 장 사업화 계획 ... 48
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 48
• 제 2 절 사업화 계획 ... 50
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 (개발기술 응용 등) ... 52
• 부록. 시험성적서 및 신뢰성 테스트 검증 자료 ... 53
• 끝페이지 ... 58