KR20040084315A

KR20040084315A - 진공아아크 용해법에 의한 고규소 Ａｌ－Ｓｉ합금전자패키징용 소재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20040084315A
Application number: KR1020030019298A
Authority: KR
Inventors: 이정일; 김일호; 홍태환; 어순철; 조경원; 고흥석
Original assignee: 이정일
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-06
Also published as: KR100519063B1

Abstract

진공아아크 용해법에 의한 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의하면,

순도 99.9%이며 -325메쉬의 알루미늄분말 30~50중량%와, 순도 99.9%이며 -200메쉬의 실리콘 분말 50~70중량%를 분비하는 단계(S1)와,

상기 단계(S1)에서 준비된 분말들을 볼밀을 사용하여 50rpm으로 1시간동안 혼합하는 단계(S2)와, 그리고

상기 단계(S2)에서의 혼합분말을 용해하여 잉고트를 얻는 단계(S3)로 구성되는 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법을 제공함으로써 그 목적이 달성된다. 본 발명에 의하면 상기 방법에 의해 불순물 및 가스 등의 혼입을 최소화하고 편석 등을 제거할 수 있다.

Description

진공아아크 용해법에 의한 고규소 Ａｌ－Ｓｉ합금 전자패키징용 소재 및 그 제조방법{Method for fabrication of high silicon Al-Si alloy for electronic packaging material by vacuum arc melting method}

본 발명은 고규소 알루미늄-실리콘 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 칩 및 세라믹 기판에 유사한 저 열팽창계수와 히트 싱크 소재로의 응용이 가능하고 소재비가 저렴한 고열전도의 전자 패키징용 Al-Si합금 소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

구체적으로 Si을 많이 함유한 Al-Si합금을 아아크 용해법으로 제조하였으며, 본 발명에서 제조된 고 규소 Al-Si소재는 상온에서 열팽창계수 약 7.36ppm/K, 밀도 약 2.5x10³kg/m³, 열전도도 110W/mK 등으로 우수한 전자 패키징 소재로서의 특성을 나타내었다.

전자 패키징용 소재는 전자산업의 발전에 따른 전자부품내의 소자의 고집적도 및 경박단소화로 야기될 수 있는 수명 단축, 신뢰성 등의 문제점들로 인하여 보다 우수한 물성과 비강도가 요구되고 있다. 이를 만족하기 위해서는 다음의 다양한 특성들이 요구된다. 우선 반도체소자와 열팽창 계수가 비슷해야 한다. 즉, 반도체 소자가 작동할 때 반도체 소자로부터 열이 발생하여 반도체 및 패키지의 온도가 상승하게 되며, 이때 반도체 소자와 패키징 소재의 열팽창 계수가 다르면 반도체 소자가 패키지로부터 박리되는 현상이 발생할 수 있다. 또한 패키징 소재는 가능하면 열전달 계수가 높은 것이 좋다. 즉, 패키징 소재의 열전도도가 높으면 반도체 소자가 작동하면서 발생하는 열을 외부로 빨리 방출하여 반도체 소자의 성능을 유지하는 데 유리하다. 또한 패키징 소재는 가벼울수록 유리하다. 즉, 저밀도의 패키징 소재를 사용함으로써 전자제품의 무게를 줄일 수 있으며, 따라서 전자 제품의 이동성을 향상시킬 수 있다. 또한 패키징 소재는 가공성이 우수해야 한다. 즉, 복잡한 형상의 패키지를 제조하거나 정밀한 치수 공차가 필요한 패키지를 제조하기 위해서는 패키징 소재의 가공성이 우수해야 한다. 또한 패키징 소재는 도금(plating) 특성이 우수해야 한다. 즉, 패키지 표면을 니켈, 구리, 은, 금 등으로 전기 도금하게 되는데, 이 때 도금 층과 패키지와의 접합성이 우수해야 패키지의 수명이 향상된다. 이외에도, 패키징 소재는 접합성이 우수해야 한다. 즉, 패키지 하부구조물(base)과 측면 구조물(sidewall), 또는 측면 구조물과 덮개(lid)를 접합해야 하며, 따라서 접합성이 우수한 소재를 사용하여야 패키지의 수명 및 특성이 향상될 수 있다. 이 때 하부 구조물, 측면 구조물, 덮개는 동일 소재이거나 이종 소재일 수 있으며, 접합 방법은 용접(welding), 납땜(soldering), 또는 접착제를 사용한 접합 등이 있을 수 있다. 마지막으로, 패키징 소재의 제조 공정이 간단하고 가격이 싸야 한다. 이와 같은 특성을 요구하는 패키징 소재로서 다양한 재료가 개발되었으며, 아래 표 1에 종래에 개발된 대표적인 패키징 소재의 열팽창계수, 열전도도, 밀도 등을 비교하여 나타내었다.

[표 1] 종래에 개발된 대표적인 패키징 소재의 특성 비교 (열전도도 ; coefficient of thermal expansion (CTE), 열팽창계수 ; thermal conductivity k, 밀도 ; density ρ).

소재	CTE(ppm/K)	k(W/mK)	ρ(x10³kg/m³)
코바(Kovar)티타늄(Titamium)알루미늄(Aluminum, 6061)동(Copper)동-85텡스텐(Copper-85 tungsten)몰리브덴(Molybdenum)아루미나(Alumina)베릴리아(Beryllia)질화 알루미늄(Aluminum Nitride)다이아몬드(Diamond)알루미늄-63탄화 실리콘(Aluminum-63Silicon Carbide)알루미늄-50탄화 실리콘(Aluminum-50Silicon, Osprey Metals)알루미늄-70탄화 실리콘(Aluminum-70Silicon, Osprey Metals)	5.85.623.617.67.05.16.37.25.3-28.211.06.8	171517139122614029260180>1000158140120	8.24.52.78.916.410.23.92.93.3.3.03.02.52.4

표 1에서 열거된 패키징 소재들은 각각 장단점이 있다. 일례로, 코바(Kovar)는 열팽창 계수는 적당하지만, 열전도도가 낮고 밀도가 높은 편이다. 티타늄(Titanium)의 경우에는 열팽창 계수 및 밀도는 양호한 편이나 열전도도가 낮고 소재의 가격이 비싼 것이 흠이다. 알루미늄의 경우 열전도도, 밀도는 패키징 소재로서 적당하나 열팽창 계수가 커서 패키징 소재로서의 적용에 제약이 따른다. 베릴리아(Beryllia), 다이아몬드(Diamond) 등은 열팽창계수가 작고, 열전도도가 높으며, 동시에 밀도도 낮지만 소재의 가격이 너무 비싼 것이 단점이다. 한편, 알루미늄 등의 금속 소재에 SiC, B₄N₃, Al₂O₃등의 강화재를 첨가한 금속기지 복합재(metal matrix composite)는 열팽창계수, 열전도도, 밀도, 가격 등의 여러 가지 측면에서 패키징 소재로서 우수한 특성을 보이고 있다.

종래의 제조방법들인 무가압침투법(pressureless infiltration method), 금속주사몰딩법(metal injection molding method), 통전가압소결법(spark sintering method)및 분무성형법(spray forming method) 등은 각각의 장·단점들을 가지고 있으나 대체적으로 고가의 제조공정비용이나 특수한 제조공정으로 과다한 초기 투자비나 특수공정기술들이 요구된다. 또한 특정 합금원소에 대한 특수공정이 요구되기도 하는 단점들을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 전자 패키징용 소재 제조 방법에 비해 공정이 간단하고 제조 단가가 낮은 새로운 공정 기술을 응용하여 보다 경제적으로 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면 원하는 크기로 Si분말과 Al분말을 혼합한 후 진공 중에서 용해함으로써 불순물, 가스 등의 혼입이 없는 건전한 조직의 제어가 가능하고, 또한 반복적인 아아크 용해에 의해 다량의 Si 원소 및 제2원소의 첨가가 가능하고 첨가된 원소들이 편석이 없는 균일한 조직의 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 Al-Si합금의 제조방법 및 제조된 전자패키징용 Al-Si합금의 미세조직 광학현미경 사진이다.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 전자패키징용 Al-Si합금의 열전도도 측정 장치의 개략도이다.

도 3a-3c는 본 발명의 방법인 진공아아크 용해법으로 제조된 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금의 전형적인 미세조직의 광학현미경사진이다.

도 4는 본 발명의 방법인 진공아아크 용해법으로 제조된 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금에 대해 도 2의 방법으로 측정된 온도에 따른 열전도도의 비례관계를 보여준다.

도 5는 Si 함량과 온도에 따른 열팽창계수의 비례관계를 표시한다.

도 6은 상온에서 Si 함량에 따른 전기비 저항값들의 비례관계를 표시한다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

순도 99.9%이며 -325메쉬의 알루미늄분말 30~50중량%와, 순도 99.9%이며 -200메쉬의 실리콘 분말 50~70중량%를 준비하는 단계(S1)와,

상기 단계(S2)에서의 혼합분말을 용해하여 잉고트를 얻는 단계(S3)로 구성되는 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법을 제공한다.

여기서 단계(S1)에서의 Si함량은 전자 패키지용의 특성에 따른 것이며, Al의 함량을 29.9~45중량%로 하고 성형용의 제 3원소, 바람직하게는 희토류 원소를 0.1~5중량% 첨가하여 사용할 수도 있다. 여기서 성형용 희토류 원소(예, Mg 등)는 Al-Si와 직접 화합물을 만들어 기계적, 조직적 특성을 향상시키고 Si를 미세화 시킨다.

또한 단계(S3)에서의 용해는 용해로를 사용하여 5×10^-8토르에서 130암페어의 아아크 전류에서 동 몰드를 사용하여 5회 반복함이 바람직한데, 이는 Al과 Cu가 반응하여 일반적인 몰드로는 사용이 불가능하나 아아크 용해에서는 국부적인 용해로 Al-Cu 몰드와의 반응이 없으며, Cu 몰드의 주된 사용 이유는 Cu의 냉각 능력이 우수하므로 급냉을 유도하고자 함이며, 5회 정도의 사용으로 인해 균일한 혼합을 얻을 수 있고, 즉 Al과 Cu의 편석을 방지할 수 있어서 균일한 조성의 조직이 될 수 있다.

이하에서는 바람직한 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

순도 99.9%, -325 메쉬의 알루미늄, -200 메쉬의 실리콘 분말을 준비한 후, 균일한 혼합을 위해 볼밀(ball mill)을 사용해서 회전속도 50rpm 정도로 1시간 혼합하였다. 혼합 분말은 아아크(arc) 용해로를 이용하여 8×10^－8토르에서 개당 30g 정도의 버튼형의 잉고트를 얻었다, 130암페어(A)의 아아크 전류에서 동 몰드(Cumold)를 사용하여 5회 반복 용해함으로써 시편의 편석을 방지하였다. 밀도는 아르키메데스(Archimedes) 방법을 이용하여 상온에서 측정하였고 온도에 따른 밀도의 변화가 없다고 가정하였다.

열팽창계수 측정은 진동 주기가 없이 일정하게 주어지는 하중에서 측정되는 물질이 프로그램에 의해 조절되는 온도상수에 따른 표면적의 변화를 측정하는 방법인 TMA(Thermomechanical Analysis)법을 이용하였으며 측정기준 ASTM E 831-86 (Linear Thermal Expansion of Solid Materials by Thermomechanical Analysis) 에 의거 측정하였다.

전기전도도는 4단자법(4 point-prove method)을 이용하였으며, 다음의 식 (1)에 의해 비저항을 계산한 후, 식 (2)의 비저항의 역수값으로 전기전도도를 계산하였다.

ρ(비저항)=(1)

σ(전기전도도)=(2)

이때 V는 시편에 발생되는 전압(V), A는 시편의 단면적(m²), I는 시편에 인가해준 전류(A), l은 전압단자간의 거리(m)이다. 여기서 시편에 인가해준 전류량은 1, 2, 3 A로 3번 측정을 하였으며, 전압단자간의 거리는 0.01 m로 일정하게 하였다. 각각의 전류, 전압 단자는 ψ 0.1 mm의 3N silver wire를 사용하여 단면에 수직하게 한바퀴를 감아서 은분을 칠하여 시편과 충분히 밀착되게 하였다.

열전도도 측정은 서멀인테그랄(thermal integral)방법의 직접측정법을 사용하였으며, 그 원리는 도 2(a)와 같이 강제형 냉각 방식이 이용되었고, 냉동기에서 히터(heater)를 이용하여 온도를 가변시키면서 10∼130 K 범위에서 열전도도를 측정하였다. 시편은 도 2(b)와 같이 무산소동(OFHC) 홀더(holder)에 부착시키고 다른 반대쪽 끝에 히터를 부착시켜 온도구배(ΔT)를 유도하였다. 히터에서 발생된 열이 전량 시편에 전달되도록 10^-6토르 정도의 진공도를 유지시켰으며, 히터와 무산소동 홀더사이에 에폭시 유리(epoxy glass)를 설치하여 홀더 쪽으로 열출입을 차단하고자 하였다. 온도측정에 사용된 Si-다이오드는 정확도가 ±0.05 K인 CU 형의 다이오드 2개와 정확도가 ±0.5 K인 SD 형의 다이오드 1개를 사용하여 측정하였으며, PID 온도 제어로 온도구배를 일정하게 조절하였다. 시편과 다이오드는 GE7031 니스(Varnish)를 이용하여 부착시켰고, 다이오드 사이의 간격을 4, 6, 10 mm로 달리하여 동시에 시편의 3구간으로부터 온도구배를 각각 측정할 수 있게 하였다. 먼저 냉동기를 이용하여 시편 전체를 약 10 K까지 냉각시킨 후 히터에 전류를 가하여 온도구배를 측정하였다. 온도구배는 정상상태(steady state)가 되도록 일정한 온도차가 100초 동안 유지되도록 하였으며, 10∼130 K 온도범위에서 약 20개의 온도구간으로 세분하여 측정하였다. 저온 영역에서의 온도구배는 0.5∼4K 미만이 되도록 조절하였으며 이때 히터에 인가된 열량은 나노볼트메터(nanovoltmeter)와 멀티메터(multimeter)를 이용하여 20회 측정하여 평균값으로 계산하였다. 열전도도(K)는 시편의 온도구배(ΔT)와 히터에서 나오는 열량(W), 시편의 단면적(A), 온도구배를 가지는 거리(L)에 의해 다음 식 (3)로 계산하였다.

(3)

도 3은 아아크 용해법으로 제조된 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금의 전형적인 조직사진으로 실리콘 양이 많아짐에 따라 성장이 억제된 각진 형태의 초정 실리콘의 형상을 보여준다. 도 4는 도 3의 시편에 대해 다이오드 거리 10㎜로부터 서멀인테그랄 방법으로 식 (1)에 의해 10∼130 K 온도 범위에서 열전도도를 측정한 결과이다.

(1)

이때,Q는 시편에 가해준 열량(W),A는 시편의 단면적(㎡),L은 시편의길이(m),k는 시편의 열전도도(W/m·K)를 나타낸다. 도 4에 나타난 바와 같이 실리콘 양이 증가함에 따라 Al-Si합금의 열전도도값은 감소함을 알 수 있다. 즉, 실리콘 원소의 첨가량이 많아짐에 따라 극저온 영역에서 포논(phonon)의 효과에 의한 열전도도의 증가 현상도 둔화되는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 Mg, Au, Pd 등의 이종 원소를 첨가하여 연구한 결과에서도 보고되고 있다. 또한 온도가 증가함에 따라 Al-Si합금의 열전도도값은 증가함을 알 수 있다. 약 130 K에서 Al-50wt%Si합금은 215 W/m·K, Al-60wt%Si합금은 146 W/m·K, Al-70wt%Si합금의 경우는 103 W/m·K로 측정되었으며, 상온에서 표 1에 제시된 같은 조성의 열전도도값인 Al-50wt%Si합금의 140 W/m·K 및 Al-70wt%Si합금의 경우는 120 W/m·K와 비교하면 온도가 낮아짐에 따라 감소한 것을 알 수 있다. 극저온 온도에서 포물선형으로 열전도도가 높아지는 현상도 포논의 효과에 기인하는 것으로 알려져 있다. 본 실험방법으로는 상온까지의 열전도도를 직접 측정할 수 없었으나, 도 4의 실험 데이터를 상온까지 왜삽하여 비교시 Al-50wt%Si합금은 약 220 W/m·K, Al-60wt%Si합금은 약 160 W/m·K, Al-70wt%Si합금의 경우는 약 110 W/m·K로 계산할 수 있으며, 상온에서의 표 1에 제시된 같은 조성의 열전도도값과 비교시 매우 근접함을 알 수 있다. 본 실험과 실시한 직접측정법에서는 diode 거리(L)에 약 10% 미만의 오차가, 또한 동일 조건에서 반복실험시 약 3% 내의 차이를 오차가 나타났으나, 이는 온도가 높아짐에 따라 온도구배의 크기가 증가하는 현상과 연관이 있는 것으로 판단되며, 이러한 차이는 다른 열전도도 실험에서 나타난 오차보다 작게 나타난 것으로 정확한 신뢰도와 측정결과의 재현성도 매우 높다고 할 수 있다. 본 실험 방법과 간접측정 방법인 레이저 플리쉬법(Laser flash method)에 의한 오차가 약 10∼40%로 나타났다. 이러한 오차범위는 다른 극저온 열전도도 측정실험 결과에서 발생하는 오차가 최대한으로 약 1,500%임을 감안하면 정확한 측정값이라고 사료된다. 두 측정방법에 따른 오차는 직접적인 측정법에서 온도가 올라감에 따라 온도구배가 커지는 현상과 스타이캐스트(stycast), 엑스포시 그라스(expoxy) glass, 니스(varnish) 등의 접촉 및 절연물질에 의한 미세한 열전달, 그리고 간접적인 측정방법에 의한 오차 등에 기인하는 것으로 판단된다.

도 5는 아아크 용해법으로 제조된 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금의 열팽창계수 측정 결과이며, 실리콘 함량이 많아짐에 따라 열팽창계수값은 작아짐을 알 수 있다. 측정된 온도 범위인 50∼500℃에서 Al-50, 60 및 70wt%Si 각 합금의 평균적인 열팽창계수값은 13.36, 9.84 및 7.36×10^-6/℃이며, Al-70wt%Si 합금의 경우50∼100, 100∼200, 300∼400, 400∼500℃의 각 온도구간별 평균값은 7.71, 7.24, 7.46, 6.83, 7.85 및 7.36×10^-6/℃로 대체적으로 일정한 경향을 나타내었다. 또한 아르키메데스(Archimedes) 방법을 이용하여 상온에서 측정한 밀도값은 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금이 각각 2.5∼2.4 g㎝^-3이었다.

도 6은 아아크 용해법으로 제조된 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금의 비저항을 4단자법으로 측정한 결과이다. 비저항값은 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금들이 상온에서 각각 2.56847, 3.52204 및 6.25814×10^-7Ωm이다. 측정된 비저항의 역수인 Al-50, 60 및 70wt%Si 합금의 전기전도도는 상온에서 각각 3.89337, 2.83926 및 1.59792×10⁶Ω^-1m^-1로 실리콘 함량이 증가함에 따라 전기전도도값은 감소하고 있다.

제조된 소재들은 우수한 기계가공성, 금 및 Ni도금 우수한 용접성 등을 가지는 것으로 알려져 있으며 이러한 특성들은 heat sink용 전자패키징 소재로서의 다양한 응용 가능성을 보여 준다.

(실시예)

본 발명은 최종적으로 전자 패키징 소재로 적용이 가능한 고 규소 Al-Si조성의 합금을 제조코자하였고, 고규소 Al-Si합금의 10∼300 K까지의 열전도도, 열팽창계수 및 전기전도도 등의 특성을 평가하였다. 제조된 고규소 Al-Si합금 합금의 열전도도는 Si의 함량이 증가됨에 따라 감소하고, 온도가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 실험결과 히트 싱크용 소재로서 가장 적합하다고 판단되는, Al-70wt%Si합금의 열전도도값은 130K에서 103, 상온에서는 110W/m·K, 열팽창게수값은 7.36×10^-6/℃이며, 전기전도도는 상온에서 1.59792×10⁶Ω^-1m^-1로 기 개발된 전자 패키징소재들과 비교시 손색이 없음을 알 수 있었다. 측정된 낮은 열팽창계수, 높은 열전도도, 충분한 강성 및 낮은 밀도 등의 특성은 기존의 제조법보다 상대적으로 저렴한 제조공정 및 보다 값싼 소재로 실리콘이나 GaAS와 같은 반도체와도 경쟁이 될 수 있는 소재로서의 응용이 기대된다.

본 발명의 방법에 따라 제조된 Al-Si계 합금은 지금까지 알려진 반도체 패키징 소재의 물리적 특성치와 비교하여 전혀 손색이 없을 뿐 아니라, 기존의 다양한 소재들의 제조공정들과 비교하여 공정이 간단하고, 제조단가가 싼 새로운 Al-Si계 합금 제조 할 수 있다.

Claims

순도 99.9%이며 -325메쉬의 알루미늄 분말 30~50중량%와, 순도 99.9%이며 -200메쉬의 실리콘 분말 50~70중량%를 준비하는 단계(S1)와,

상기 단계(S1)에서 준비된 분말들을 볼 밀을 사용하여 50rpm으로 1시간 동안 혼합하는 단계(S2)와, 그리고

상기 단계(S2)에서의 혼합분말을 용해하여 잉고트를 얻는 단계(S3)로 이루어짐을 특징으로 하는 진공 아아크 용해법에 의한 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법.
제 1항에 있어서 상기 단계(S3)에서의 용해는 용해로에서 8×10^-8토르, 130암페어의 아아크 전류로 동몰드를 사용하여 5회 반복함을 특징으로 하는 진공 아아크 용해법에 의한 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 용해의 분위기는 진공 또는 불활성분위기중에서 행함을 특징으로 하는 진공 아아크 용해법에 의한 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법.
제 1항에 있어서, 단계(S1)에서의 Al분말함량은 29.9~45중량%이며, 성형용 제 3원소로 희토류 원소가 0.1~5중량% 첨가됨을 특징으로 하는 진공 아아크 용해법에 의한 고규소 Al-Si 합금 전자 패키지용 소재의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항의 방법으로 제조되는 Al-si 합금 전자

패키지용 소재로서, 30~50중량%의 알루미늄과 50~70중량%의 실리콘을 함유함을 특징으로 하는 Al-Si합금 전자 패키지용 소재.
제 5항에 있어서, 상기 알루미늄은 29.9~45중량%이고 희토류 원소를 0.1~5중량% 더 함유함을 특징으로 하는 Al-Si합금 전자 패키지용 소재.