KR101360175B1 - 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 45~55중량%에 바인더 수지 20~30중량%와, 세라믹 또는 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘 중에서 하나 또는 둘 이상으로 구성된 비철금속 파우더 10~25중량%, 충전제(filler) 0.1~5중량%의 혼합물을 함침하고 건조시킨 다음, 분쇄하여 탄소복합소재 분말체를 제조하는 단계와; 상기 제조된 탄소복합소재 분말체를 웨이퍼 지그의 구성요소별로 마련된 금형에 투입하고 100~300℃에서 100~350Kg/cm2 압력으로 각각 가압 성형하는 단계와; 상기 가압 성형된 성형물에 탄화(carbonization) 또는 화학기상증착(CVD)하여 성형물의 외면에 박막층을 형성하는 단계와; 상기 박막층이 형성된 웨이퍼 지그용 부품들을 조립하는 단계;를 포함하는 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그의 제조방법에 관한 것으로,
상기 제조방법에 의해 제조된 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그는 금속에 비하여 가벼우면서도 우수한 저열팽창성 및 고강도의 특성을 갖는 탄소섬유를 주 소재로 사용하여 제작함으로써 기존의 고비중 및 난절삭 소재인 인바(Invar), 노비나이트(Nobinate),스테인리스(Stainless)와 비교하여 제품의 경량화를 통한 취급의 용이성 및 작업성을 향상시킬 수 있고, 비금속 재료로서 절삭이 용이하여 가공성을 개선하여 제작비용을 절감할 수 있다.

Description

탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그 및 그 제조방법{A wafer jig of using a carbon complex material for testing semiconductor-chip and It's manufacturing method}
본 발명은 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 웨이퍼 지그의 고비중 난절삭 소재인 인바(Invar)나 노비나이트(Nobinate), 스테인리스(Stainless)를 대체할 수 있는 탄소복합소재를 개발함으로써 경량화를 통한 작업성 향상 및 가공성을 개선함과 동시에 우수한 열팽창율로 인해 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그로 적합한 물성을 제공할 수 있는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 산업기술의 발달이 급속하게 진행됨에 따라 복잡하면서도 방대한 산업상 정보를 단시간 내 처리함은 물론 빠른 시간 내에 기억 및 출력할 수 있는 수단으로 반도체 제품의 사용이 급격이 늘어나고 있다. 특히, 이러한 반도체 제품은 특히 정보 처리 성능의 업그레이드가 매우 빠르게 진행되어 산업상 정보를 처리하는 정보처리장치에 집중적으로 사용되고 있다.
이와 같은 반도체 제품은 웨이퍼(wafer)라 불리는 순수 실리콘 기판상에 박막 형태를 갖으면서도 수십∼수백만 개의 저항, 트랜지스터, 커패시턴스 등의 조합으로 이루어진 반도체 칩 모음을 제작하고, 제작된 반도체 칩을 외부 하드웨어와 전기 신호가 입출입 되도록 함과 더불어 취성이 약한 반도체 칩을 보호하는 패키징 공정 및 적어도 1 개 이상의 반도체 패키지가 인쇄회로기판 등에 실장된 반도체 모듈의 형태로 제작한 후 최종 테스트를 거쳐 사양대로 작동하는 반도체 모듈만이 사용자에게 판매된다.
한편, 상기와 같이 인쇄회로기판에 반도체 칩이 실장형 형태를 갖는 반도체 제품을 단시간 내 대량으로 테스트하기 위해서는 외부 기기와 접속되는 단자에 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그를 결합한 후 반도체 제품 테스트를 수행한다.
이와 같은 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그의 구성형태는 도 1에 도시된 바와 같으며, 임의적으로 Handle Lever, Top Cover, Top Idle Ring, Top Stiffener, PCB Terminal, Ring Plate, Strip Square라 칭해지는 구성부품들이 결합된 형태를 갖는다.
상기 반도체 칩 검사용으로 사용되고 있는 웨이퍼 지그는 공정의 특성상 Top Stiffener와, Ring Plate, Strip Square의 경우 열팽창 수축률이 극소화되어야만 하는 관계로, 일반 상용재료인 고장력 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 특수합금강을 소재로 사용할 경우에는 냉열에 의한 팽창 및 수축 변화 범위가 크다는 문제점이 발생하기 때문에, 통상적으로 냉열에 의한 변화량이 극히 적은 인바(Invar)나 노비나이트(Nobinate), 스테인리스(Stainless)와 같은 특수한 합금류를 소재로 제작되고 있다.
그러나, 이와 같이 나열된 특수 합금류는 열적변형을 극소화하기 위한 니켈(Ni)이 다량 함유된 합금이기 때문에 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그의 제품화에 따른 가공성이 좋지 못하여 제작기간의 지연 및 가공비의 상승요인이 되고 있으며, 상기와 같은 합금에 의해 제조된 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그의 경우 전체 무게가 20~30㎏를 상회하는 고중량물로서 작업자가 취급하기가 용이하지 못하여 작업피로도 심화 및 고가장비의 취급상 낙하위험이 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 기존 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그의 고비중 난절삭 소재를 경량소재로 대체하기 위한 방안으로 고장력 알루미늄 합금, 마그네슘 합금을 사용하는 것이 검토되고 있으나, 이 경우 제품의 일부 경량화는 가능한 반면 냉열에 의한 팽창 및 수축 변화 범위가 커서 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그로 사용하기에는 불충분하다는 결과가 나왔다.
이에, 기존 고비중의 인바(Invar), 노비나이트(Nobinate), 스테인리스(Stainless)를 대체하여 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그로 제작할 수 있는 소재에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있으나, 아직까지는 마땅히 대체할 수 있는 소재 개발이 미진한 실정이다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 고비중이면서 난절삭 소재인 인바(Invar)나 노비나이트(Nobinate), 스테인리스(Stainless)를 대체할 수 있는 탄소복합소재를 개발함으로써 경량화를 통한 작업성 향상 및 가공성을 개선함과 동시에 우수한 열팽창율로 인해 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그로 적합한 물성을 제공할 수 있는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소섬유 45~55중량%에 바인더 수지 20~30중량%와, 세라믹 또는 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘 중에서 하나 또는 둘 이상으로 구성된 비철금속 파우더 10~25중량%, 충전제(filler) 0.1~5중량%의 혼합물을 함침하고 건조시킨 다음, 분쇄하여 탄소복합소재 분말체를 제조하는 단계와; 상기 제조된 탄소복합소재 분말체를 웨이퍼 지그의 구성요소별로 마련된 금형에 투입하고 100~300℃에서 100~350Kg/cm2 압력으로 각각 가압 성형하는 단계와; 상기 가압 성형된 성형물에 탄화(carbonization) 또는 화학기상증착(CVD)하여 성형물의 외면에 박막층을 형성하는 단계와; 상기 박막층이 형성된 웨이퍼 지그용 부품들을 조립하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 탄소섬유 45~55중량%와, 바인더 수지 20~30중량%, 세라믹 또는 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘 중에서 하나 또는 둘 이상으로 구성된 비철금속 파우더 10~25중량%, 충전제(filler) 0.1~5중량%가 혼합된 성형물의 외면에 탄화(carbonization) 또는 화학기상증착(CVD)에 의한 박막층과 세라믹 코팅에 의한 절연막층이 차례로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그를 제공한다.
이상과 같이 본 발명은 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그를 제조함에 있어 금속에 비하여 가벼우면서도 우수한 저열팽창성 및 고강도의 특성을 갖는 탄소복합소재를 사용함으로써 기존의 고비중 및 난절삭 소재인 인바(Invar)나 노비나이트(Nobinate), 스테인리스(Stainless)와 비교하여 제품의 경량화를 통한 취급의 용이성 및 작업성을 향상시킬 수 있고, 비금속 재료로서 절삭이 용이하여 가공성을 개선하여 제작비용을 절감할 수 있다는 효과를 가져 온다.
도 1은 종래 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그를 나타낸 사진.
이하에서는 본 발명의 탄소복합소재를 이용한 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그에 사용되는 탄소복합소재에 대하여 그 제조방법을 통하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 웨이퍼 지그를 제조하기 위한 탄소복합소재를 분말체의 형태로 준비하게 되는데, 상기 탄소복합소재는 탄소섬유 45~55중량%에 바인더 수지 20~30중량%와, 비철금속 파우더 10~25중량%, 충전제(filler) 0.1~5중량%의 혼합물을 함침하고 건조시켜 제조된다.
보다 상세하게는, 우선적으로 바인더 수지와 비철금속 파우더, 충전제를 서로 혼합하고 상온에서 4~12시간동안 1,000rpm의 속도로 교반하여 균일하게 분산시킨 상태에서 탄소섬유를 함침하여 건조한 후, 열과 압력을 이용하여 열경화성 탄소복합재료를 제조하게 된다. 이 때 함침은 air pocket등을 제거하기 위해 진공상태에서 진행되는 것이 바람직하다.
이러한 탄소복합재료는 내화학성 및 열전도성이 우수하고, 저열팽창성에 따른 치수안정성과 800℃까지 역학적 특성이 변하지 않는 냉열 변형량이 매우 우수한 저밀도 소재이다. 따라서, 상기 탄소복합재료는 웨이퍼 지그가 요구하는 물성을 충족하면서도 그 비중이 기존의 인바나 노비나이트, 비하여 약 1/4로 낮은 경량화 물질이라 할 수 있다.
이때 상기 탄소복합재료의 배합비율은 탄소섬유 45~55중량%와 바인더 수지는 20~30중량%가 되도록 하는 것이 바람직하며, 이는 탄소섬유가 더 많은 양이 첨가되면 상대적으로 바인더 수지의 첨가량이 줄어들어 점도에 따른 작업성이 저하되고, 반대로 탄소섬유가 더 적은 양이 첨가되면 전술한 탄소섬유의 우수한 물성이 나타나지 못하기 때문이다. 상기 바인더 수지로는 에폭시(Epoxy) 수지 또는 페놀(Phenol) 수지, 폴리이미드(Polyimide) 중에 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 상기 비철금속 파우더는 가열 성형 및 고온 증착시 생길 수 있는 미세기공을 실링(sealing)하여 표면의 평활도를 유지하며 원가절감의 목적으로도 사용되며, 그 첨가량을 10중량% 미만으로 첨가하게 되면 상기한 효과가 미비하게 나타나는 반면, 30중량%를 초과하여 첨가하게 되면 상대적으로 바인더 수지의 첨가량이 감소하게 되므로 물성이 저하되는 현상이 발생된다. 이러한 비철금속 파우더는 중공세라믹, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 상기 충전제로는 흑연(Graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 사용되며, 이러한 충전제는 열팽창방지 및 혼합(Mixing)이 용이하도록 하는 역할을 수행하게 되는데, 그 최대 첨가량을 5중량%로 한정하는 것은 이를 초과하여 첨가하게 되면 제품의 강도가 저하되기 때문이다.
이와 같이 제조된 탄소복합소재 분말체를 웨이퍼 지그의 구성요소별로 마련된 금형에 투입하고 100~300℃에서 100~350Kg/cm2 압력으로 각각 가압 성형하게 된다.
상기와 같이 가압성형된 성형물에 탄화(carbonization) 또는 화학기상증착(CVD)하여 성형물의 외면에 박막층을 형성하는 단계를 거치게 되며, 이를 통하여 성형물의 표면을 경질처리함으로써 표면변화를 줄이고, 2,000℃이상의 고온에서도 사용하기 위함이다.
한편, 상기와 같이 박막층이 형성된 성형물에 대하여 적용분야가 절연성이 필요한 부품의 경우에는 추가로 절연막 코팅하는 단계가 시행될 수 있으며, 상기 절연막 코팅은 부도체 특성을 갖는 세라믹을 성형물의 외면에 최대 5㎛ 두께로 코팅함으로써 형성이 가능하다.
상기와 같이 본 발명에 의한 탄소복합소재를 이용하여 웨이퍼 지그의 구성요소 중 Stiffener, Ring Plate, Strip Square를 제조한 경우 실례 적용시 각각 그 중량이 각각 1,252g, 585g과 159g에 불과하며, 이는 기존의 노비나이트 합금이나 스테인리스로 제조된 제품이 각각 6,167g, 2,950g과 800g인 것을 감안하였을 때 그 중량이 약 1/4 정도로 가벼워진 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명에 의해 제조한 탄소복합소재를 이용하여 제조한 웨이퍼 지그의 냉열에 의한 팽창 및 수축 변화 범위를 측정한 결과 조성 비율에 따라 열팽창계수 1~12(1X10-6/℃)까지 제조 가능함으로, 인바(1~2(1X10-6/℃)), 노비나이트(2.5~3.5(1X10-6/℃)), 스테인리스(10~12(1X10-6/℃))와 비교하여 냉열에 의한 팽창 및 수축 변화 범위도 요구 기준에 따라 대응 제조 가능한 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명에 의해 제조된 탄소복합소재를 이용한 반도체 칩 검사용 웨이퍼 지그의 경우 탄소섬유를 주 소재로 사용함으로써 금속보다 낮은 비중으로 경량화가 가능하고 절삭성이 좋아 가공성이 우수하며, 바인더 수지에 의해 부식으로 인한 물성저하가 없을 뿐만 아니라 우수한 열팽창율로 인해 기존 인바(Invar)나 노비나이트(Nobinate) 스테인리스(Stainless)를 대체할 수 있다.

Claims (6)

  1. 탄소섬유 45~55중량%에 바인더 수지 20~30중량%와, 세라믹 또는 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘 중에서 하나 또는 둘 이상으로 구성된 비철금속 파우더 10~25중량%, 충전제(filler) 0.1~5중량%의 혼합물을 함침하고 건조시킨 다음, 분쇄하여 탄소복합소재 분말체를 제조하는 단계와;
    상기 제조된 탄소복합소재 분말체를 웨이퍼 지그의 구성요소별로 마련된 금형에 투입하고 100~300℃에서 100~350Kg/cm2 압력으로 각각 가압 성형하는 단계와;
    상기 가압 성형된 성형물에 탄화(carbonization) 또는 화학기상증착(CVD)하여 성형물의 외면에 박막층을 형성하는 단계와;
    상기 박막층이 형성된 웨이퍼 지그용 부품들을 조립하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 바인더 수지는 에폭시(Epoxy) 수지 또는 페놀(Phenol) 수지, 폴리이미드(Polyimide) 중에 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그의 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 충전제(filler)는 흑연(Graphite) 또는 탄화규소(SiC)인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 박막층이 형성된 성형물 외면에 최대 5㎛ 두께의 세라믹을 코팅하여 절연막층을 형성하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그의 제조방법.
  6. 탄소섬유 45~55중량%와, 바인더 수지 20~30중량%, 세라믹 또는 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘 중에서 하나 또는 둘 이상으로 구성된 비철금속 파우더 10~25중량%, 충전제(filler) 0.1~5중량%가 혼합된 성형물의 외면에 탄화(carbonization) 또는 화학기상증착(CVD)에 의한 박막층과 세라믹 코팅에 의한 절연막층이 차례로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 이용한 반도체칩 검사용 웨이퍼 지그.
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