KR101460432B1 - 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 적용하여 이루어지는 열전박막 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 모듈 - Google Patents

접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 적용하여 이루어지는 열전박막 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전박막 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제조공정 중의 불량을 방지하고 신뢰성의 향상을 이루기 위해 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 적용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈의 제조방법과 이에 의해 이루어지는 열전박막 모듈을 제공한다. 본 발명에 의해 솔더 리플로우 전에 비전도성 접착제가 열전박막 레그들과 솔더 및 솔더에 기계적 결합되어 있는 본딩 패드를 둘러싸게 됨으로써 리플로우 된 용융 솔더가 기존 기술에서와는 달리 열전박막 레그나 박막전극을 타고 퍼질 수 없게 되어 기존 기술에서 발생하였던 솔더 브리징에 의한 쇼트(short) 불량이 방지된다. 또한 기존 기술과는 달리 열전박막 레그들을 둘러싸고 있는 비전도성 접착제가 외부 충격을 흡수하고 열전박막 레그들과 수분과의 반응을 차단하여 신뢰성의 향상이 가능하게 된다.

Description

접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 적용하여 이루어지는 열전박막 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 모듈 {Fabrication methods of thermoelectric thin film modules using combined processes of adhesive flip chip bonding and solder reflow flip chip bonding and thermoelectric thin film modules produced using the same method}
본 발명은 마이크로 열전센서, 열전발전소자 및 열전냉각소자와 같은 마이크로 열전박막소자에 적용하기 위한 열전박막 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
열전재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열 에너지와 전기 에너지간의 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각 모듈과 열전발전 모듈은 n형 열전 레그(leg)들과 p형 열전 레그들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열적으로는 병렬 연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 n형과 p형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 cold junction 부위에서 hot junction 부위로 펌핑되어 cold junction 부위가 냉각된다. 이에 반해 열전발전의 경우에는 모듈의 고온단과 저온단 사이의 온도차에 의해 고온단에서 저온단 부위로 열이 이동시 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다.
전자냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다. 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치에 국한되었던 용도가 최근에는 산업폐열 등을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 증대하고 있다.
최근 초소형 고감도 센서와 마이크로 발전소자 및 마이크로 냉각소자의 필요성이 대두됨에 따라 마이크로 열전소자가 개발되었다. 이제까지 마이크로 열전소자에 사용되는 열전모듈은 단결정 잉곳(ingot)을 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 n형 열전 레그(leg)들과 p형 열전 레그들로 구성하거나, 가압소결법이나 열간압출법으로 제조한 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 n형 열전 레그들과 p형 열전 레그들로 구성되어 왔다. 그러나 이들 덩어리 형태의 열전 레그들은 단결정 잉곳을 절단하거나 또는 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조하기 때문에 크기 감소에 제한을 받는다. 따라서 이들을 이용하여 소형 열전모듈을 제작하는 것이 어려워 마이크로 열전소자를 구성하는데 어려움이 있었다.
상기와 같이 덩어리 형태의 열전 레그들을 사용하여 마이크로 열전모듈을 구성시 발생하는 문제점을 해결하기 위해 도 1에 도시한 바와 같은 열전박막 모듈이 개발되었다. 열전박막 모듈을 구성하는 n형 열전박막 레그(11)들과 p형 열전박막 레그(12)들은 기존 덩어리 형태의 열전 레그들에 비해 크기를 훨씬 미세하게 만들 수 있으며, 이에 따라 이들로 이루어진 열전박막 모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전센서, 마이크로 열전박막소자 및 마이크로 열전냉각소자와 같은 열전박막소자의 소형화가 가능하게 된다.
열전박막 모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전센서는 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 열전변환에 의해 전기적 신호가 열신호로부터 스스로 생성되므로 외부전원을 필요로 하지 않는다. 둘째, 작은 온도변화에도 감도와 응답성이 높으며, 출력신호가 크다. 셋째, 고온에서도 안정된 출력신호를 얻을 수 있어 활용 가능한 온도범위가 넓다. 이와 같은 장점으로 인해 마이크로 열전센서는 적외선 센서, 마이크로 칼로리미터, 습도계, RMS 컨버터, 가속도계, 유량계 등에 다양하게 응용되고 있다. 열전박막모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전발전소자에서는 열전박막 레그들의 미세화에 의해 작은 온도차에서도 큰 출력전압의 발생이 가능하여 출력밀도를 현저히 향상시키는 것이 가능하다. 열전박막모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전냉각소자는 냉각능이 크고 크기가 mm 이하로 소형화가 가능하며 반응시간이 짧아, 전자부품의 소형화와 고집적화에 따른 발열 및 온도 안정성 등의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
열전박막 모듈을 구성하기 위한 n형 열전박막 레그(11)와 p형 열전박막 레그(12)로는 상온 부근에서 열전특성이 우수한 비스무스 테루라이드(Bi2Te3)계 열전재료들이 주로 사용되고 있다. 비스무스 테루라이드계 열전재료 중에서 n형으로는 이원계 비스무스 테루라이드(Bi2Te3)와 삼원계 비스무스 테루라이드 세레나이드{Bi2(Te,Se)3}가 사용되고 있으며, p형으로는 이원계 안티모니 테루라이드(Sb2Te3)와 삼원계 비스무스 안티모니 테루라이드{(Bi,Sb)2Te3}가 사용되고 있다.
도 1과 같은 열전박막 모듈의 기존 제조방법은 도 2와 같은 방법에 의해 이루어졌다. 도 2(a)와 같이 상부 기판(14)에 금속박막을 증착하고 패터닝하여 박막전극(13)을 형성한다. 그런 다음에 도 2(b)와 같이 박막전극(13)의 일부에 n형 열전박막 레그(11)들을 형성하고, 상기 n형 열전박막 레그(11) 상부에 솔더(15)를 형성한다. 그런 다음에 도 2(c)와 같이 하부 기판(14)에 박막전극(13)을 형성하고, 박막전극(13)의 일부에 p형 열전박막 레그(12)들을 형성한 후 상기 p형 열전박막 레그(12)들의 상부에 솔더(15)를 형성한다. 그런 다음에 n형 열전박막 레그(11)들이 형성되어 있는 상부 기판(14)과 p형 열전박막 레그(12)들이 형성되어 있는 하부 기판(14)을 플립칩 배열한 후, 본딩압력을 가하면서 본딩온도에서 일정시간 유지하여 열전박막 레그(11,12)들의 상부에 형성되어 있는 솔더(15)를 리플로우 시켜 대응 기판(14)에 구비된 박막전극(13)에 본딩시킴으로써 도 2(d)와 같은 열전박막 모듈의 제작이 이루어지는 것이었다.
그러나 상기와 같은 솔더 리플로우에 의한 플립칩 본딩을 이용한 기존의 열전박막모듈 제작공정은 n형과 p형 열전박막 레그(11,12)들 위에 형성한 솔더(15)를 리플로우, 즉 용융시켜 대응 기판(14)의 박막전극(13)에 플립칩 본딩하는 과정에서 플립칩 본딩압력이 너무 낮은 경우에는 솔더(15)와 박막전극(13)의 본딩이 제대로 이루어지지 못해 본딩 불량이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 반면에 플립칩 본딩압력이 높은 경우에는 용융된 솔더(15)가 열전박막 레그(11,12)와 박막전극(13) 사이에서 스퀴즈 되어 나와 박막전극(13)을 타고 흘러서 이웃 열전박막 레그(11,12)의 솔더(15)와 붙어버리는 솔더브리징에 의한 쇼트(short)가 발생하며 또한 열전박막 레그(11,12)들을 타고 아래편의 박막전극(13)에 붙는 쇼트(short)가 발생하는 문제점이 있었다.
또한 도 1과 같은 기존의 열전박막 모듈에서는 외부에서 가해지는 하중이 모두 n형 열전박막 레그(11)들과 p형 열전박막 레그(12)들로 전해지게 된다. 그러나 열전박막 레그(11,12)들은 기계적으로 취약하여 작은 하중에 의해서도 쉽게 파괴가 발생하기 때문에 열전박막 모듈의 사용 중에 외부충격에 의해 열전박막 레그(11,12)들이 파손되어 열전박막 모듈을 사용하지 못하게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한 도 1과 같은 기존의 열전박막 모듈에서는 열전박막 레그(11,12)들이 공기 중에 노출되어 있어 대기 중의 수분과 반응하여 부식이 되어 신뢰성이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 솔더 리플로우에 의한 플립칩 공정을 이용한 기존 열전박막 모듈의 제조공정상의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 적용함으로써 열전박막 레그(11,12)들의 상부에 구비한 솔더(32)를 본딩 패드(33)에 기계적 접합을 시키고 솔더(32)를 리플로우하여 본딩 패드(33)와 금속학적 결합을 이루는 도 3과 같은 열전박막 모듈의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의해 솔더(32)의 리플로우 전에 비전도성 접착제(34) (NCA: nonconductive adhesive)가 열전박막 레그(11,12)들과 솔더(32) 및 솔더(32)에 기계적 결합되어 있는 본딩 패드(33)를 둘러싸게 됨으로써 리플로우 된 용융 솔더(32)가 기존 기술에서와는 달리 열전박막 레그(11,12)나 박막전극(13)을 타고 퍼질 수 없게 되어 기존 기술에서 발생하였던 솔더 브리징에 의한 쇼트(short) 불량이 방지된다. 또한 기존 기술과는 달리 열전박막 레그(11,12)들을 둘러싸고 있는 비전도성 접착제(34)가 외부 충격을 흡수하고 열전박막 레그(11,12)들과 수분과의 반응을 차단하여 신뢰성의 향상이 가능하게 된다.
본 발명의 일측면에 따르면, (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계; (b) 기판의 박막전극에 UBM(Under Bump Metallurgy, 범프 하지 금속)과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들을 형성시키는 단계; (c) 대응 기판의 박막전극에 본딩 패드들을 형성하는 단계; (d) 열전박막 레그들을 형성한 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 본딩 패드들을 형성한 대응 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 두 기판에 모두 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하는 단계; 및 (e) 대응 기판의 본딩 패드들을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 본딩 패드에 기계적 접합시킨 후 접착제를 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계; (b) 기판의 박막전극에 상부에 UBM과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들과 상부에 UBM과 솔더가 구비된 p형 열전박막 레그들을 형성시키는 단계; (c) 대응 기판의 박막전극에 본딩 패드들을 형성하는 단계; (d) 열전박막 레그들을 구비한 기판과 본딩 패드들을 구비한 대응 기판의 사이에 비전도성 접착필름 또는 이방성 전도접착 필름을 삽입하는 단계; 및 (e) 대응 기판의 본딩 패드들을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 본딩 패드에 기계적 접합시킨 후 접착필름을 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계; (b) 박막전극의 일부에 UBM과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들을 형성시키고 다른 일부에는 본딩 패드를 형성하는 단계; (c) 대응 기판의 박막전극의 일부에 UBM과 솔더가 구비된 p형 열전박막 레그들을 형성시키고 다른 일부에는 본딩 패드를 형성하는 단계; (d) 열전박막 레그들을 구비한 기판들에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하는 단계; 및 (e) 대응 기판의 본딩 패드들을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 본딩 패드에 기계적 접합시킨 후 접착제를 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계; (b) 기판의 박막전극에 UBM과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들을 형성시키는 단계; (c) 열전박막 레그들을 형성한 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 대응 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 두 기판에 모두 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하는 단계; 및 (d) 대응 기판의 박막전극을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 대응 기판의 박막전극에 기계적 접합시킨 후 접착제를 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 기판은 실리콘(Si)을 사용하여 이루어지며, 상기 n형 열전박막 레그는 비스무스 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지며, 상기 p형 열전박막 레그는 안티모니 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판은 실리콘(Si), SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판은 FR4, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 n형 열전박막 레그는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지며, p형 열전박막 레그는 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전기도금, 스퍼터링, 무전해도금, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 박막전극은 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 한 쌍의 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그 또는 한 쌍 이상의 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 UBM은 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 솔더는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 솔더는 진공증착, 전기도금, 무전해도금, 스퍼터링, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 본딩 패드는 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전술한 특징들 중 어느 하나에 따른 제조방법으로 제조된 열전박막 모듈을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 솔더(32)의 리플로우 전에 비전도성 접착제(34)가 열전박막 레그(11,12)들과 솔더(32) 및 솔더(32)에 기계적 결합되어 있는 본딩 패드(33)를 둘러싸게 됨으로써 리풀로우 된 용융 솔더(32)가 기존 기술에서와는 달리 열전박막 레그(11,12)나 박막전극(13)을 타고 퍼질 수 없게 되어 기존 기술에서 발생하였던 솔더 브리징에 의한 쇼트(short) 불량이 방지된다. 또한 기존 기술과는 달리 열전박막 레그(11,12)들을 둘러싸고 있는 비전도성 접착제(34)가 외부 충격을 흡수하고 열전박막 레그(11,12)들과 수분과의 반응을 차단하여 신뢰성의 향상이 가능하게 된다.
도 1은 기존 방법에 의한 열전박막 모듈의 개략적인 단면도.
도 2는 기존 방법에 의해 열전박막 모듈을 제조하는 방법을 나타내는 공정 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 본딩을 동시에 적용하여 제조된 열전박막 모듈의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 본딩을 동시에 적용하여 열전박막 모듈을 제조하는 방법을 나타내는 공정 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 접착 필름을 이용한 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 본딩을 동시에 적용하여 열전박막 모듈을 제조하는 방법을 나타내는 단면 개략도.
도 6은 하부 기판에는 UBM과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들을 형성하고 상부 기판에는 UBM과 솔더가 구비된 p형 열전박막 레그들을 형성한 후 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 본딩을 동시에 적용하여 열전박막 모듈을 제조하는 방법을 나타내는 단면 개략도.
이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 의한 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 적용하여 이루어지는 열전박막 모듈의 제조방법은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 도 4(a)에 도시한 바와 같이 실리콘(Si) 웨이퍼를 절단하여 형성한 실리콘 기판(14)에 메탈 마스크를 통하여 Ti와 Cu를 순차적으로 스퍼터링하여 Ti/Cu 박막전극(13)을 형성하였다. 상기와 같이 박막전극(13)들이 형성되어 있는 기판(14)에 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(11) 형성용 포토레지스트 패턴을 형성한 후 진공증착법을 사용하여 포토레지스트 패턴 내에 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(11)들을 형성하고 그 위에 UBM(Under Bump Metallurgy, 범프 하지 금속)(31)의 용도로 Ni과 Cu을 순차적으로 스퍼터링하여 Ni/Cu UBM(31)을 형성하였다. 그런 다음에 Ni/Cu UBM(31) 위에 진공증착법을 사용하여 Sn-Ag-Cu 솔더(32)를 형성함으로써 도 2(b)에 도시한 바와 같이 상부에 UBM(31)과 솔더(32)가 형성되어 있는 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(11)들을 구비하였다.
그런 다음에 p형 Sb2Te3 열전박막 레그(12) 형성용 포토레지스트 패턴을 형성한 후 진공증착법을 사용하여 포토레지스트 패턴 내에 p형 Sb2Te3 열전박막 레그(12)들을 형성하고, 그 위에 Ni/Cu UBM(31)을 스퍼터링한 후, 진공증착법을 사용하여 Sn-Ag-Cu 솔더(32)를 형성함으로써 도 2(c)에 도시한 바와 같이 상부에 UBM(31)과 솔더(32)가 형성되어 있는 p형 Sb2Te3 열전박막 레그(12)들을 구비하였다. 그런 다음에 도 4(d)와 같이 하부 기판(14)으로 사용할 실리콘 기판에 메탈 마스크를 통하여 Ti과 Cu를 순차적으로 스퍼터링하여 Ti/Cu 박막전극(13)을 구비하고 박막전극(13)의 일부에 Cu를 스퍼터링하여 본딩 패드(33)들을 구비하였다.
그런 다음에 도 4(e)와 같이 열전박막 레그(11,12)들이 구비된 하부 기판(14)에 비전도성 접착제(34)를 도포하고, 도 4(f)와 같이 상부 기판(14)의 박막전극(13)에 구비한 본딩 패드(33)들을 하부 기판(14)의 열전박막 레그(11,12)들을 상부에 구비한 솔더(32)에 플립칩 배열한 후, 본딩압력을 가하여 상기 솔더(32)를 본딩 패드(33)에 기계적 접합을 시키고 솔더(32)의 용융온도 이상의 온도로 유지하여 상기 솔더(32)를 리플로우 시켜 상기 본딩 패드(33)와 금속학적 결합을 이룸으로써 도 4(g)와 같은 접착제 플립칩 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 적용한 열전박막 모듈의 제작이 가능하였다.
본 발명에 의해 솔더(32)의 리플로우 전에 비전도성 접착제(34)가 열전박막 레그(11,12)들과 솔더(32) 및 솔더(32)에 기계적 결합되어 있는 본딩 패드(33)들을 둘러싸게 됨으로써 리플로우 된 용융 솔더(32)가 기존 기술에서와는 달리 열전박막 레그(11,12)나 박막전극(13)을 타고 퍼질 수 없게 되어 기존 기술에서 발생하였던 솔더 브리징에 의한 쇼트(short) 불량이 방지된다. 또한 기존 기술과는 달리 열전박막 레그(11,12)들을 둘러싸고 있는 비전도성 접착제(34)가 외부 충격을 흡수하고 열전박막 레그(11,12)들과 수분과의 반응을 차단하여 신뢰성의 향상이 가능하게 된다.
본 실시예에서는 비전도성 접착제(34)를 사용하여 열전박막 레그(11,12)들의 상부에 구비한 솔더(32)를 대응 기판의 박막전극(13)상에 구비한 본딩 패드(33)에 기계적 결합을 시키고 솔더(32)를 리플로우 하여 플립칩 본딩하였으며, 이와 더불어 본 발명에서는 이방성 전도접착제(34) (ACA: anisotropic conductive adhesive)를 사용하여 상기 솔더(32)를 구비한 열전박막 레그(11,12)들을 상기 본딩 패드(33)에 플립칩 본딩하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 열전박막 레그(11,12)들의 상부에 구비한 솔더(32)를 비전도성 접착제(34)를 사용하여 대응 기판의 박막전극(13)상에 구비한 본딩 패드(33)에 기계적 결합을 시키고 솔더(32)를 리플로우 하여 플립칩 본딩하였으며, 이와 더불어 본 발명에서는 도 5와 같이 비전도성 필름(51) (NCF: nonconductive film) 또는 이방성 전도 접착필름(51) (ACF: anisotropic conductive film)을 상부 기판(14)에 형성한 솔더(32)가 구비된 열전박막 레그(11,12)들과 하부 기판(14)의 박막전극(13)에 형성한 본딩 패드(33) 사이에 삽입하여 플립칩 본딩하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 열전박막 레그(11,12)들과 박막전극(13)을 구비하는 기판(14)으로서 실리콘(Si)을 사용하였으며, 이와 더불어 본 발명에서는 SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4와 같은 세라믹을 기판(14)으로 사용하는 것도 가능하다. 또한 본 발명에서는 FR4, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론과 같은 고분자를 기판(14)으로 사용하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(11)들과 p형 Sb2Te3 열전박막 레그(12)들을 사용하여 열전박막 모듈을 구성하였으며, 이와 더불어 본 발명에서는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 n형 열전박막 레그(11)들을 구성하며 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 p형 열전박막 레그(12)들을 구성하는 것이 가능하다.
본 발명에서 n형 열전박막 레그(11)들과 p형 열전박막 레그(12)들을 형성하는 방법으로는 본 실시예에 의한 진공증착법을 포함하여 전기도금, 무전해도금, 스퍼터링, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 포함하여 어떠한 박막형성법이나 코팅법의 사용도 가능하다.
본 발명에서는 n형 열전박막 레그(11)들 대신에 후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 n형 열전후막 레그들을 구비하며, p형 열전박막 레그(12)들 대신에 후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 p형 열전후막 레그들을 구비하여 열전박막 모듈 대신에 열전후막 모듈을 구성하는 것도 가능하다. 상기와 같은 열전후막 모듈에서 박막전극(13)을 사용하는 것도 가능하며, 박막전극(13) 대신에 전극 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 후막전극을 구비하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 n형 열전박막 레그(11)들과 p형 열전박막 레그(12)들을 연결하는 박막전극(13)으로서 Ti/Cu 다층구조를 사용하여 열전박막 모듈을 구성하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어진 박막전극(13)들을 형성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 박막전극(13)에 구비하는 본딩 패드(33)로서 Cu를 사용하여 이루어졌으며, 이와 더불어 본 발명에서는 본딩 패드로서 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 구성하는 것이 가능하다.
본 실시예에서는 박막전극(13)에 본딩 패드(33)를 형성하여 플립칩 본딩하여 이루어졌으며, 이와 더불어 본 발명에서는 본딩 패드(33)를 구비하지 않고 상기 솔더(32)를 박막전극(13)에 직접 기계적 결합시킨 후 리플로우 시켜 금속학적 결합을 이루어 플립칩 본딩하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 열전박막 레그(11,12)들의 상단에 구비하는 UBM(31)은 Ni/Cu 다층구조로 이루어졌다. 이와 더불어 본 발명에서는 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어진 UBM(31)을 구성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 열전박막 레그(11,12)들의 상단에 구비하는 솔더(32)는 Sn-Ag-Cu를 사용하여 이루어졌다. 이와 더불어 본 발명에서는 솔더(32)를 형성하기 위한 조성으로는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 합금 조성을 사용하는 것이 가능하다.
본 발명에서 솔더(32)를 형성하는 방법으로는 본 실시예에 의한 진공증착법을 포함하여 전기도금, 무전해도금, 스퍼터링, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)의 사용이 가능하다.
본 실시예에서는 상부 기판(14)에 UBM(31)과 솔더(32)가 구비된 n형 열전박막 레그(11)들과 p형 열전박막 레그(12)들을 형성하고 하부 기판(14)에 본딩 패드(33)가 구비된 박막전극(13)을 형성한 후, 비전도성 접착제(31)를 사용하여 플립칩 본딩하여 이루어졌다. 이와 더불어 본 발명에서는 도 6과 같이 하부 기판(14)의 박막전극(13)의 일부분에 UBM(31)과 솔더(32)가 구비된 n형 열전박막 레그(11)들을 형성하고 다른 일부에는 본딩 패드(33)를 형성하며, 상부 기판(14)의 박막전극(13)의 일부분에 UBM(31)과 솔더(32)가 구비된 p형 열전박막 레그(12)들을 형성하고 다른 일부에는 본딩 패드(33)를 형성한 후 비전도성 접착제를 도포하고 이들을 각기 대응되는 상부 기판(14)과 하부 기판(14)의 본딩 패드(33)에 배열한 후 비전도성 접착제 본딩과 솔더 리플로우 플립칩 본딩을 동시에 진행하여 이루어지는 것도 가능하다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
11. n형 열전박막 레그 12. p형 열전박막 레그
13. 박막전극 14. 하부 기판 및 상부 기판
15. 솔더
31. UBM 32. 솔더
33. 본딩 패드
34. 비전도성 접착제 또는 이방성 전도 접착제

Claims (17)

  1. (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계;
    (b) 기판의 박막전극에 UBM(Under Bump Metallurgy, 범프 하지 금속)과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들을 형성시키는 단계;
    (c) 대응 기판의 박막전극에 본딩 패드들을 형성하는 단계;
    (d) 열전박막 레그들을 형성한 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 본딩 패드들을 형성한 대응 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 두 기판에 모두 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하는 단계; 및
    (e) 대응 기판의 본딩 패드들을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 본딩 패드에 기계적 접합시킨 후 접착제를 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  2. (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계;
    (b) 기판의 박막전극에 상부에 UBM(Under Bump Metallurgy, 범프 하지 금속)과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들과 상부에 UBM과 솔더가 구비된 p형 열전박막 레그들을 형성시키는 단계;
    (c) 대응 기판의 박막전극에 본딩 패드들을 형성하는 단계;
    (d) 열전박막 레그들을 구비한 기판과 본딩 패드들을 구비한 대응 기판의 사이에 비전도성 접착필름 또는 이방성 전도접착 필름을 삽입하는 단계; 및
    (e) 대응 기판의 본딩 패드들을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 본딩 패드에 기계적 접합시킨 후 접착필름을 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  3. (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계;
    (b) 박막전극의 일부에 UBM(Under Bump Metallurgy, 범프 하지 금속)과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들을 형성시키고 다른 일부에는 본딩 패드를 형성하는 단계;
    (c) 대응 기판의 박막전극의 일부에 UBM과 솔더가 구비된 p형 열전박막 레그들을 형성시키고 다른 일부에는 본딩 패드를 형성하는 단계;
    (d) 열전박막 레그들을 구비한 기판들에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하는 단계; 및
    (e) 대응 기판의 본딩 패드들을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 본딩 패드에 기계적 접합시킨 후 접착제를 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  4. (a) 기판에 박막전극들을 형성시키는 단계;
    (b) 기판의 박막전극에 UBM(Under Bump Metallurgy, 범프 하지 금속)과 솔더가 구비된 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들을 형성시키는 단계;
    (c) 열전박막 레그들을 형성한 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 대응 기판에 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하거나, 또는 두 기판에 모두 비전도성 접착제 또는 이방성 전도접착제를 도포하는 단계; 및
    (d) 대응 기판의 박막전극을 열전박막 레그들의 상부에 구비된 솔더에 배열하고 본딩압력을 가하여 솔더를 대응 기판의 박막전극에 기계적 접합시킨 후 접착제를 큐어링하며 솔더를 리플로우 하여 플립칩 본딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si)을 사용하여 이루어지며, 상기 n형 열전박막 레그는 비스무스 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지며, 상기 p형 열전박막 레그는 안티모니 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si), SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 FR4, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n형 열전박막 레그는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지며, p형 열전박막 레그는 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기도금, 스퍼터링, 무전해도금, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  10. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  11. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막전극은 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  12. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 쌍의 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그 또는 한 쌍 이상의 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  13. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 UBM은 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  14. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  15. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더는 진공증착, 전기도금, 무전해도금, 스퍼터링, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈의 제조방법.
  16. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본딩 패드는 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  17. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 열전박막 모듈.
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