KR100292681B1 - 반도체용열방산체및그의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 텅스텐-구리 복합재료 열방산체 기판과, 그 표면에 대면적으로 형성된 다이아몬드 필름으로 이루어지는 반도체용 열방산체를 제공하고, 아울러 텅스텐-구리 복합재료 열방산체를 제조하고, 제조된 상기 열방산체의 표면에서 구리를 선택적으로 용출시킴으로써 표면을 개질시키고, 개질된 표면에 다이아몬드 핵생성을 위한 처리를 행하고, 처리된 표면에 다이아몬드 필름을 코팅시키는 반도체용 열방산체의 제조방법과, 텅스텐-구리 복합재료 열방산체를 제조하고, 제조된 상기 열방산체의 표면에서 텅스텐 입자를 부식시킨 뒤 구리를 용출시킴으로써 상기 표면을 개질시키고, 개질된 표면에 다이아몬드 핵생성을 위한 처리를 행하고, 처리된 표면에 다이아몬드 필름을 코팅시키는 반도체용 열방산체의 제조방법을 제공한다.

Description

다이아몬드 필름이 코팅된 마이크로파 반도체용 열방산체 및 그의 제조방법
본 발명은, 수 내지 수십 GHz 대역의 마이크로파 반도체, Gbps 수준의 레이저 다이오드 등의 이동통신, 위성통신 및 광통신용 고전력 반도체의 패키징에 사용되는 고열전도성 복합재료 열방산체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
이동통신, 위성통신 및 광통신에 사용되는 반도체 칩은 열도전성 재료(열방산체) 위에 올려지고, 외부 환경으로부터 칩과 구성회로를 보호하기 위하여 밀폐형 공간 속에서 패키징을 실시한다 [M. Tsujioka et al. : USP 5,574,959 / T. Arikawa et al. : USP 5,493,153 / C. Patel: USP 5,396,403 / M. Medeiros et al. : USP 5,188,985 / M. Osada et al. : USP 5,099,310 / Michael R. Ehlert et al. : USP 4,788,627].
반도체 칩은 열방산체 위에 올려지는데(die attaching), 일반적으로 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering) 방법에 의해서 상호접합이 이루어진다. 접합재는 칩과 열방산체 사이의 열팽창계수의 차이에 의해서 발생되는 응력을 흡수하는 역할을 하며, 이 때 열방산체는 칩 보다 낮은 열팽창계수를 가져야 한다. 또한 열방산체 위에 다이 어태칭된 반도체는 외부와 회로를 구성하기 위하여 Al2O3, BeO 등과 같은 세라믹 또는 유리 등으로 절연구조를 제공한 다음 외부 결선(external wiring)을 위하여 터미날, 리드 등을 열방산체와 절연시키면서 반도체와 결선을 하며 회로를 보호하기 위하여 상부를 뚜껑으로 덮어 밀폐시키는 패키징을 실시한다. 특히, 수 내지 수십 GHz 대역에서 사용되는 GaAs FET 또는 MMIC등과 같은 이동통신 또는 위성통신용 반도체, 수 Gbps 수준의 광통신용 반도체는 내부에 공간 구조를 갖는 패키징을 실시하여 아웃소싱이 가능한 모듈로 제조되고 있다. 패키지를 구성하는 열전도성 재료인 열방산체는 칩에서 발생되는 열을 외부로 방산시키는 역할을 하며 칩의 성능을 유지시켜준다. 열전도성 재료로서 최근 구리와 니켈를 함유하는 텅스텐, 몰리브덴 복합재료가 사용되고 있다 [Frank J. Polese et al. : USP 5,413,751 / M. Osada et al. : USP 5,409,864 / Mark R. Schneider : USP 5,172,301 / John L. Johnson et al. : Tungsten and Refractory Metals-1994, MPIF, Princeton, NJ, 1995, p.245].
즉, 열팽창계수가 낮은 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)과 열팽창계수가 높지만 열전도도가 높은 구리(Cu)의 성질을 서로 복합화(composite)시켜 열팽창계수를 반도체 칩(GaAs, Si) 또는 알루미나(Al2O3)와 유사화시키면서 열전도도를 향상시킬 목적으로 구리-텅스텐 복합재료가 열방산체로서 사용되고 있다.
그러나, 이들 재료는 융점과 비중 차이가 커서 주조방식(melting process)으로는 균일한 미세 조직을 얻을 수 없기 때문에 분말야금법(powder metallurgy)을 이용하여 제조한다. 일반적으로 텅스텐 분말 또는 이에 니켈를 1.0%(중량비) 이하로 첨가한 텅스텐-니켈 혼합 분말을 준비하여 이를 성형하고 소결하여 기공을 갖는 골격구조를 만든 다음 이에 대하여 구리액상을 용침하여 제조하거나, 텅스텐, 구리, 니켈 또는 코발트 혼합분말을 성형하고 이를 액상소결(liquide phase sintering)하여 제조한다[Nathaniel R. Quick and James C. Kenney : USP 5,184,662 / P. R. Mallory : USP 3,992,199 / Radall M. German : Sintering Technolgy and Practice, John Willey ＆ Sons, Inc., NY, 1996, p.387 / M. M. Parikh and M. Humenik, Jr. : J. Amer. Ceram, Sco., vol. 40, 1957, p.320]. 미세 조직의 균질성을 향상시키기 위하여 볼 밀링법을 이용하거나 [Moon-Hee Hong et al. : Proc. 13th Inter. Plansee Seminar, vol. 1, Metallwerk Plansee, Reutte, 1993, p.451], 반복 열처리 공정을 이용하기도 한다[박종구 등 : 대한민국 특허 공고 제 96-15218호].
최근 실형상화(net shaping)를 위하여 분말 사출 성형법이 이용되고 있다 [B. Yang and Randall M. German : Inter. J. Powder Metall., vol. 33, 1997, p. 55 / James B. Oenning et al. : USP 4,988,386]. 이 방법은 구리 액상의 용침 또는 액상 소결 전 성형 단계에서 금속분말과 고분자 결합제를 혼합하여 원하는 형상으로 사출성형하고 고분자 결합제를 제거하는 탈지 공정을 거친 금속 분말로 이루어진 성형체를 제조하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 실형상화를 위한 소결조건 및 균일한 미세조직을 얻기 위하 용침 또는 열처리 조건은 제조하고자 하는 형상과 원료분말의 평균입도, 입도분포 및 구리의 조성에 따라서 달라진다. 예를들면, 열전도도를 향상시키기 위하여 구리의 함량을 높이는 경우 액상량이 많아져 형상조절이 어렵고, 평균 분말 입도가 큰 텅스텐 원료분말을 사용하여 용침용 고상 골격구조를 제조하는 경우 높은 소결 온도를 요구한다. 또한, 소결 온도를 낮추기 위하여 니켈을 첨가하는 경우는 첨가한 니켈과 구리 사이에 고용이 일어나 구리의 열전도도를 저해시키는 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명은, 반도체 소자의 작동시 발생되는 열을 효율적으로 방산시키고, 이들 소자 또는 모듈을 구성하는 회로를 수분과 수 내지 수십 GHz 대역의 전자파 장애들의 외부환경으로부터 보호하기 위하여, 고전력 반도체에 사용될 수 있는 낮은 열팽창계수를 가지면서 높은 열전도도를 갖는 열방산체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 고전력 반도체 또는 레이저 다이오드의 열방산체용 재료로서 텅스텐-구리 복합재료를 실형상화시키고, 이의 열전도성을 향상시키기 위하여 칩이 올려질 표면에 또는 열 방출 부위에 다이아몬드 필름을 코팅하는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 분말 사출 성형법으로 제조된 텅스텐-구리 복합재료로 형성된 마이크로파 반도체용 패키지 구성요소를 보여주는 것으로, 도 1a는 판상의 열방산체이고, 도 1b는 벽면 구조로 이루어진 공간을 갖는 고전력 반도체용 밑판이고, 도 1c는 레이저 다이오드용 금속 헤더이다.
도 2는 도 1a 내지 1c에서의 c-c' 단면의 미세구조이다.
도 3은 도 2와 같은 미세 조직을 갖는 도 1a의 표면을 화학적으로 연마 및 부식된 단면의 모습을 개략적으로 보인 것으로, 도 3a는 구리만 부식시켰을 때의 모습이고, 도 3b는 텅스텐을 연마 및 부식하고 이어서 구리를 부식시켜 표면을 개질시킨 상태를 보인 것이다.
도 4는 도 3의 표면을 다이아몬드 필름으로 코팅한 상태를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 다이아몬드 필름이 코팅된 열방산체를 가지는 플라스틱 패키지를 개략적으로 보여준다.
도 6a는 도 1b의 공간에 다이아몬드 필름이 코팅된 판상의 열방산체가 접합된 모양을 보인 것이고, 도 6b는 도 1c의 공간에 도 1a와 마찬가지로 다이아몬드 필름이 코팅된 판상의 열방산체가 접합된 모습을 보인 것이다.
본 발명은 텅스텐-구리 복합재료 열방산체 기판과, 그 표면에 대면적으로 형성된 다이아몬드 필름으로 이루어지는 반도체용 열방산체를 제공한다.
또한, 본 발명은 텅스텐-구리 복합재료 열방산체를 제조하고, 제조된 상기 열방산체의 표면에서 구리를 선택적으로 용출시킴으로써 표면을 개질시키고, 개질된 표면에 다이아몬드 핵생성을 위한 처리를 행하고, 처리된 표면에 다이아몬드 필름을 코팅시키는 반도체용 열방산체의 제조방법과, 텅스텐-구리 복합재료 열방산체를 제조하고, 제조된 상기 열방산체의 표면에서 텅스텐 입자를 부식시킨 뒤 구리를 용출시킴으로써 상기 표면을 개질시키고, 개질된 표면에 다이아몬드 핵생성을 위한 처리를 행하고, 처리된 표면에 다이아몬드 필름을 코팅시키는 반도체용 열방산체의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 텅스텐 입자의 부식은 바람직하게는 무라까미 용액에 의해 행해질 수 있고, 상기 구리의 용출은 바람직하게는 질산 등의 산성 수용액으로 행해질 수 있다. 또한, 상기 다이아몬드 핵생성을 위한 처리는, 미세 다이아몬드 분말이 함유된 아세톤 용액에서 행해지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고전력 반도체 및 레이저 다이오드 등의 열방산체용 재료인 텅스텐-구리 복합재료의 열전도성을 향상시키기 위하여 칩이 올려질 표면 또는 열 방출 부위에 대면적으로 다이아몬드 필름을 코팅하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 텅스텐-구리 복합재료 열방산체는, 니켈, 코발트 등 천이금속의 첨가 없이 순수 텅스텐 분말을 고분자 결합제와 혼합하여 피드스톡을 얻고, 이를 사출 성형한 다음 탈지하고 소결하여 골격구조를 제조하고, 이에 대하여 구리액상을 용침시키는 방법으로 실형상화시킨 후, 그 표면을 화학적, 물리적 처리를 통해 개질하고 개질된 표면상에 다이아몬드 필름을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 분말 사출 성형법으로 제조된 텅스텐-구리 복합재료로 형성된 반도체용 패키지 구성요소를 보여주는 것으로, 도 1a는 판상의 열방산체 (1)이고, 도 1b는 벽면 구조로 이루어진 공간을 갖는 고전력 반도체용 밑판 (2)이고, 도 1c는 레이저 다이오드용 금속 헤더 (3)이다, 텅스텐-구리 복합재료로 형성된 상기 구성요소 1, 2 및 3의 각 C-C' 단면의 미세구조는 도 2에 보여진 바와 같다.
도 2와 같은 미세 조직을 갖는 열방산체 (1)의 표면에서 구리만을 부식시켜 표면을 개질시키는 경우, 열방산체 (1)의 표면은 도 3a의 모식도와 같은 미세조직을 갖고, 상기 열방산체 (1)의 표면에서 텅스텐을 연마, 부식한 후 구리를 부식시켜 표면을 개질시키는 경우, 열방산체 (1)의 표면은 도 3b의 모식도와 같은 미세조직을 갖게 된다. 도 3a 및 3b의 도면번호 4는 텅스텐 입자를 나타내고, 5는 텅스텐 입자간의 경계를 나타내고, 6은 구리를 나타낸다. 도 3a 및 3b와 같은 미세조직을 갖는 열방산체 (1) 표면에 대면적으로 다결정 다이아몬드 필름이 코팅되는 경우 상호결합(interlocking)에 의해 접착력이 우수한 코팅을 얻을 수 있고, 도 4는 도 3b와 같은 미세조직을 갖는 열방산체 (1) 표면에 대면적으로 다결정 다이아몬드 필름이 코팅된 경우를 보여준다. 여기서, 도면번호 7은 텅스텐-구리 복합재료로 이루어지는 열방산체 기지이고, 9는 코팅된 다이아몬드 필름이고, 8은 상호결합된 열방산체 (7) 및 다이아몬드 필름 (9) 사이의 계면이다.
도 5는 상기 다이아몬드 필름이 대면적으로 코팅된 열방산체 (1)가 반도체용 플라스틱 패키지에 사용된 예를 보여주는 것으로, 도면번호 11은 다이아몬드 필름이 코팅된 열방산체, 12는 반도체, 13은 솔더 또는 접착제, 14는 공간(emptystructure), 15는 뚜껑 (lid), 16은 외부결선을 위한 리드 (lead), 17은 반도체와 리드간의 결선, 18은 접착제를 표시한다.
도 6의 본 발명에 따른 다이아몬드 필름이 대면적으로 코팅된 열방산체의 또 다른 사용예를 보여주는 것으로, 도 6a는 도 1b의 고전력 반도체 밑판의 공간에 본 발명에 따른 다이아몬드 필름이 코팅된 열방산체가 접합된 모양을 보여주고, 도 6b는 도 1c의 레이저 다이오드 금속 헤드의 공간에 도 6a와 마찬가지로 본 발명에 따른 다이아몬드 필름이 코팅된 열방산체가 접합된 모습을 보여준다.
[실시예 1]
평균 입도 1.8 또는 2.4 미크론인 텅스텐 분말을 고분자 결합제와 혼합하였다. 혼합비는 부피 분율로 46% 대 54%로 하였다. 이렇게 제조된 피드스톡을 도 1a, 1b, 1c의 모양으로 사출 성형하고 탈지하여 텅스텐만으로 이루어진 성형체를 제조하였다.
이들 성형체는 1500℃의 수소 분위기에서 20시간 동안 소결을 실시하였다. 이들의 기공도는 각각 28%, 35± 1%로 측정되었다. 이들 기공들은 1150℃ 수소 분위기에서 액상 구리로 용침시켰다. 도 1a의 판상형 텅스텐-구리 복합재료 열방산체는 다이아몬드 필름을 코팅하기 위하여 40% 질산(HNO3)에서 2분 - 5분간 담구어 구리를 용출시켰다. 이 때 구리가 용출된 단면의 모습은 도 3a와 같다. 표면 화학부식 처리후 0.5 미크론 다이아몬드 분말이 함유된 아세톤(aceton) 용액에서 2분간 초음파 처리하여 다이아몬드 증착의 핵생성을 용이하게 하였다. 다이아몬드는 마이크로파(microwave) PACVD (plasma assisted chemical vapour deposition) 방법으로 증착하였고, 증착조건은 메탄(CH4) 가스 조성 5%, 증착 온도 950℃, 증착 시간 5 시간이었다. 다이아몬드가 코팅된 판상의 텅스텐-구리 복합재료 열방산체 (도 1a)를 도 1b 또는 1c에서 마련된 공간에 위치시키고 1100℃, 알곤 분위기에서 30분간 가열하여 구리를 용융시켜 그 계면이 상호 접합되게 하였다. 구리 용융 접합 후 10℃/분의 속도로 상온까지 서냉(slow cooling)하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 텅스텐-구리 복합재료를 준비하고 40% 질산(HNO3)을 사용하여 구리만을 용출시키기 전에 무라까미(Murakami) 용액(potassium ferricyanide[K3Fe(CN)6] + sodium hydroxide[NaOH] + water[H2O])을 사용하여 3분-5분 동안 텅스텐 입자를 부식시키면서 텅스텐 입자사이에서 도 3b와 같이 골을 형성시킨 다음 40% 질산(HNO3) 용액을 사용하여 구리를 용출시켜 표면을 개질하였다. 이에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 다이아몬드 필름을 코팅하여 다이아몬드 필름이 코팅된 텅스텐-구리 복합재료를 얻었다. 다이아몬드가 코팅된 판상의 텅스텐-구리 복합재료를 도 1b 또는 1c에서 마련된 공간에 위치시키고 1100℃, 알곤 분위기에서 30분간 가열하여 구리를 용융시켜 열방산체와 밀폐형 용기의 밑면이 상호 접합되게 하였고 상온까지 분당 10℃의 속도로 서냉하였다.
상술한 바와 같이, 분말 사출 성형법으로 실형상화된 텅스텐 골격구조를 만들고 이에 대하여 액상 구리를 용침시키는 방법으로 텅스텐-구리 복합재료 열방산체를 제조하며 그 표면을 화학적, 물리적으로 개질하여 열전도도가 우수한 다이아몬드 필름을 제공함으로서 열전도성을 보다 향상시킬 수 있다. 동시에 다이아몬드는 그 자체가 절연성을 갖기 때문에 플라스틱 패키징 공정에서 외부결선을 위한 단자 또는 결선의 제공시 필요한 절연층이 요구되지 않아 패키징 밀도를 낮출 수 있다.

Claims (8)

  1. 텅스텐-구리 복합재료 열방산체 기판과, 그 표면에 대면적으로 형성된 다이아몬드 필름으로 이루어지는 반도체용 열방산체.
  2. 텅스텐-구리 복합재료 열방산체를 제조하고; 제조된 상기 열방산체의 표면에서 구리를 선택적으로 용출시킴으로써 표면을 개질시키고; 개질된 표면에 다이아몬드 핵생성을 위한 처리를 행하고; 처리된 표면에 다이아몬드 필름을 코팅시키는; 것을 특징으로 하는 반도체용 열방산체의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 구리의 용출은 질산 등의 산성 수용액으로 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체용 열방산체의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 다이아몬드 핵생성을 위한 처리는, 미세 다이아몬드 분말이 함유된 아세톤 용액에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체용 열방산체의 제조방법.
  5. 텅스텐-구리 복합재료 열방산체를 제조하고; 제조된 상기 열방산체의 표면에서 텅스텐 입자를 부식시킨 뒤 구리를 용출시킴으로써 상기 표면을 개질시키고; 개질된 표면에 다이아몬드 핵생성을 위한 처리를 행하고; 처리된 표면에 다이아몬드 필름을 코팅시키는; 것을 특징으로 하는 반도체용 열방산체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 텅스텐 입자의 부식은 무라까미 용액에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체용 열방산체의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 구리의 용출은 질산 등의 산성 수용액으로 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체용 열방산체의 제조방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 다이아몬드 핵생성을 위한 처리는, 미세 다이아몬드 분말이 함유된 아세톤 용액에서 행해지는 것을 특징으로 하는 반도체용 열방산체의 제조방법.
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