KR20240112448A - 방열기판 패키지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 공정 중에 발생하는 불순물 증기에 의한 방열기판의 오염을 최소화하여 제품의 수율을 향상시킬 수 있는 방열기판 패키지의 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법은, 반도체 칩을 방열기판 위에 가접합하는 제1단계와; 가접합된 반도체 칩 및 방열기판을 프레스 하부에 위치하는 완충필름 및 흡착필름의 하부 영역에 배치시키는 제2단계와; 완충필름 및 흡착필름이 반도체 칩의 상면과 접촉되도록 프레스로 가압하여 반도체 칩을 가압 소결을 통해 방열기판 위에 완전히 접합시키는 제3단계와; 프레스의 가압력을 해제하여 완충필름 및 흡착필름을 반도체 칩으로부터 분리시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 방열기판 패키지 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 공정 중에 발생하는 불순물 증기에 의한 방열기판의 오염을 최소화하여 제품의 수율을 향상시킬 수 있는 방열기판 패키지 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자장치의 사용 중에 장치내 구비되는 각종 부품에서 발생하는 열에 의한 오작동을 방지하기 위하여 발열이 있는 부품에는 방열부재를 장착한다. 방열부재는 통상적으로 열전도율이 높은 금속을 사용하여 장치나 부품 내의 열을 외부로 빠르게 방출될 수 있도록 한다.
이러한 방열부재는 방열판이나 방열시트 등의 형태로 구현되어 발열 부품(예를 들어, 반도체 칩)의 일측에 부착됨으로써, 발열 부품에서 발생된 열이 방열부재를 통해 외부로 방출될 수 있도록 한다.
발열 부품에 방열부재를 부착시키기 위한 하나의 방법으로, 방열부재(이하, '방열기판'이라 함)에 접합제를 도포하고 발열 부품(이하, '반도체 칩'이라 함)을 부착시킨 후 가압 소결 열처리하는 가압 소결 공정을 통해 반도체 칩을 방열기판에 접합시킬 수 있다.
그러나, 방열기판에 부착된 반도체 칩을 가압 소결 공정을 통해 접합하는 과정에서, 접합제 성분이 열 분해되면서 휘발됨에 따라 불순물 증기(fume)를 발생시키고, 이렇게 발생된 불순물 증기가 응축되며 생성된 미세한 불순물 입자가 반도체 칩 및 방열기판 표면에 부착됨으로써 반도체 칩 및 방열기판 표면을 오염시킬 수 있다.
이 때문에 반도체 칩 및 기판 표면에 부착된 오염물을 별도의 세척 공정을 통해 제거하여야 하는데, 오염물을 세척하는 데에 많은 시간과 비용이 소비됨으로써 제품의 수율을 저하시키게 되는 문제가 있었다.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 반도체 칩을 방열기판 위에 가압 소결 방식으로 접합하는 과정에서 발생하는 오염 물질이 반도체 칩이나 방열기판 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있는 방열기판 패키지 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 반도체 칩과 방열기판과의 가압 소결 접합 과정에서 프레스의 가압력을 완충시켜 반도체 칩의 손상을 방지할 수 있는 방열기판 패키지 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 반도체 칩과 방열기판과의 가압 소결 접합 과정에서 프레스의 가압력을 반도체 칩으로 균일하게 전달함으로써 반도체 칩의 접합 품질을 향상시킬 수 있는 방열기판 패키지 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방열기판 패키지 제조방법은, 반도체 칩을 방열기판 위에 가접합하는 제1단계와; 가접합된 반도체 칩 및 방열기판을 프레스 하부에 위치하는 완충필름 및 흡착필름의 하부 영역에 배치시키는 제2단계와; 완충필름 및 흡착필름이 반도체 칩의 상면과 접촉되도록 프레스로 가압하여 반도체 칩을 가압 소결을 통해 방열기판 위에 완전히 접합시키는 제3단계와; 프레스의 가압력을 해제하여 완충필름 및 흡착필름을 반도체 칩으로부터 분리시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계는, 방열기판을 준비하는 제1-1단계와, 방열기판 위에 접착층을 형성시키는 제1-2단계와, 반도체 칩을 접착층을 통해 방열기판 위에 가접합하는 제1-3단계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 완충필름과 흡착필름은 프레스의 가압방향과 직교하는 수평방향으로 거치될 수 있다.
상기 흡착필름은 완충필름의 하부에 배치될 수 있다.
상기 흡착필름은 완충필름과 이격된 하부 위치에 배치될 수 있다.
상기 완충필름은 테프론(Teflon)으로 구성될 수 있다.
상기 흡착필름은 산화성 금속 소재로 구성될 수 있다.
상기 흡착필름은 바람직하게는 구리(Cu) 소재로 구성될 수 있다.
상기 흡착필름의 두께는 반도체 칩의 두께보다 작을 수 있다.
상기 완충필름 및 흡착필름의 합산 두께는 반도체 칩의 두께보다 작을 수 있다.
상기 흡착필름의 두께는, 바람직하게는 1~50㎛일 수 있다.
상기 흡착필름은 매끄러운 표면을 가질 수 있다.
상기 접착층은 은(Ag) 소재로 구성될 수 있다.
상기한 본 발명의 방열기판 패키지 제조방법에 따르면, 반도체 칩을 방열기판에 가압 소결에 의해 접합하는 과정에서 불순물 증기(fume)가 발생하더라도 반도체 칩이나 방열기판 표면에 부착되기 이전에 흡착필름에 흡착(산화)되기 때문에, 불순물 증기 오염물이 반도체 칩이나 방열기판 표면을 오염시키는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 과정에서 프레스의 가압력을 완충필름으로 완충시킬 수 있기 때문에 반도체 칩의 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 과정에서 프레스의 가압력을 산화성 금속으로 구성된 흡착필름이 반도체 칩으로 균일하게 전달할 수 있게 됨으로써 반도체 칩과 방열기판의 접합부 전면적에 걸쳐 균일한 접합이 가능하고, 이에 따라 반도체 칩과 방열기판의 접합 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 반도체 칩과 방열기판 간의 접합이 완료된 이후에는 오염물질이 흡착된 흡착필름을 반도체 칩으로부터 분리시킴으로써 반도체 칩 및 방열기판 표면이 오염물이 부착되지 않은 깨끗한 표면으로 유지되기 때문에 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 반도체 칩을 가압 소결 공정을 통해 방열기판에 접합하는 과정에서, 접착층에 포함된 접착용 유기물들이 열 분해되어 생성되는 불순물 증기(fume)가 흡착필름 부분에 대부분 흡착됨으로써 반도체 칩이나 방열기판 표면에 불순물 증기가 부착되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라 상부로 노출되는 반도체 칩 및 방열기판의 표면아 불순물 증기에 의한 오염이 최소화된 깨끗한 표면을 유지하게 됨으로써, 반도체 칩 및 방열기판 표면에 부착된 오염물 제거를 위한 세척작업에 소요되는 비용 및 시간을 크게 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 방열기판의 표면이 불순물 증기에 의한 오염이 최소화된 깨끗한 표면을 유지하게 됨으로써, 반도체 칩의 보호를 위해 방열기판 위에 몰딩체를 형성한 경우에도 몰딩체와 방열기판과의 접합부위가 들뜨지 않고 견고한 접합구조를 형성할 수 있기 때문에 외부로부터 습기나 이물질 등이 전혀 침투되지 않는 견고한 밀봉구조를 형성할 수 있고, 그에 따라 방열기판 패키지 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있고 제품 수율도 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 반도체 칩을 가압 소결에 의해 방열기판 위에 접합하는 과정을 보인 공정도.
도 2는 종래의 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 과정에서 발생된 불순물 증기(fume)에 의해 방열기판 표면에 오염이 발생된 것을 보인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법의 주요 공정을 순차적으로 보인 공정도.
도 4는 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법의 전체 공정을 설명하는 순서도.
도 5는 반도체 칩을 방열기판 위에 접합하는 방법을 구체적으로 보인 순서도.
도 2는 종래의 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 과정에서 발생된 불순물 증기(fume)에 의해 방열기판 표면에 오염이 발생된 것을 보인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법의 주요 공정을 순차적으로 보인 공정도.
도 4는 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법의 전체 공정을 설명하는 순서도.
도 5는 반도체 칩을 방열기판 위에 접합하는 방법을 구체적으로 보인 순서도.
아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀 둔다.
이하, 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 1은 방열기판 패키지의 제조 시 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 과정에서 발생하는 불순물 증기(fume)에 의해 방열기판 표면이 오염된 모습을 보인 것이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 반도체 칩(30)을 방열기판(10)에 접합하는 경우, 방열기판(10) 표면의 접합 대상 부위에 전도성 입자가 포함된 접합제(20)를 도포하고 반도체 칩(30)을 부착시킨 후 가압 소결하여 반도체 칩(30)을 방열기판(10)에 접합하게 된다.
이때, 전도성 입자가 포함된 접착제(20)가 가압 소결되는 과정에서 접착제(20)에 첨가된 접착용 유기물이 열 분해되어 휘발되면서 불순물 증기(fume)를 발생시키고, 이렇게 발생된 불순물 증기가 응축되면서 반도체 칩(30) 및 방열기판(10) 표면에 부착됨으로써 반도체 칩(30) 및 방열기판(10) 표면을 오염시키게 된다. 이에 따라 반도체 칩(30)이 접합된 방열기판(10)의 표면에 불순물 증기의 부착으로 인한 오염 영역(P)이 발생된다.
이와 같이 반도체 칩(30)이 접합된 방열기판(10) 표면에 오염 영역(P)이 발생되면, 도 2에서 보는 것과 같이 반도체 칩(30)의 몰딩 과정에서 방열기판(10) 표면에 부착된 오염물로 인해 몰딩체(40)가 방열기판(10) 표면에 제대로 부착되지 못하고 들뜨는 현상이 발생됨으로써 방열기판(10)과 몰딩체(40) 사이의 들뜬 틈새 공간을 통해 습기나 이물질 등이 침투되어 제품의 수율을 저하시킬 수 있다.
이 때문에, 반도체 칩(30)이나 방열기판(10) 표면에 부착된 오염물을 제거하기 위하여 별도의 세척 공정을 통해 반도체 칩이나 기판 표면에 부착된 오염물을 제거해야만 하는데, 반도체 칩 및 기판에 부착된 오염물의 세척을 위해 추가적인 세척 공정이 수반됨에 따라 세척 비용과 세척 시간이 많이 소요됨으로써 제품의 수율을 크게 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 반도체 칩과 방열기판의 가압 소결 접합 과정에서 접착용 물질의 열 분해로 인해 불순물 증기(fume)가 발생하게 되더라도 반도체 칩이나 방열기판 표면에 직접 흡착되지 않도록 함으로써 반도체 칩 및 방열기판 표면이 오염물이 부착되지 않은 깨끗한 표면으로 유지될 수 있도록 하는 방열기판 패키지 제조방법을 제시한다.
이하, 본 발명에 따른 방열기판 패키지의 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법의 주요 공정을 순차적으로 보인 공정도이고, 도 4는 본 발명에 따른 방열기판 패키지 제조방법의 전체 공정을 설명하는 순서도이다. 그리고, 도 5는 반도체 칩을 방열기판 위에 접합하는 방법을 구체적으로 보인 순서도이다.
여기서, 본 발명의 방열기판 패키지를 구성하는 반도체 칩을 비롯한 각 구성부의 두께 및 폭은 설명상의 편의를 위해 다소 과장되게 표현하였음을 밝혀 둔다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 방열기판 패키지 제조방법은, 반도체 칩(130)을 방열기판(110) 위에 가접합하는 제1단계(S100)와, 가접합된 반도체 칩(130) 및 방열기판(110)을 프레스(140)의 하부에 위치하는 완충필름(150) 및 흡착필름(160)의 하부 영역에 배치시키는 제2단계(S110)와, 완충필름(150) 및 흡착필름(160)이 반도체 칩(130)의 상면과 접촉되도록 프레스(140)로 가압하여 반도체 칩(130)을 가압 소결을 통해 방열기판(110) 위에 접합시키는 제3단계(S120)와, 프레스(140)의 가압력을 해제하여 완충필름(150) 및 흡착필름(160)을 반도체 칩(130)으로부터 분리시키는 제4단계(S130)를 포함한다.
먼저, 제1단계(S100)에서는 반도체 칩(130)과 방열기판(110) 사이에 접착층(120)을 개재하여 반도체 칩(130)과 방열기판(110)을 가접합한다.
제1단계(S100)는, 방열기판(110)을 준비하는 제1-1단계(S101)와, 방열기판(110) 위에 접착층(120)을 형성시키는 제1-2단계(S102)와, 반도체 칩(130)을 접착층(120)을 통해 방열기판(110) 위에 가접합하는 제1-3단계(S103)를 포함한다.
제1-1단계(S101)에서는 세라믹 기재(111)의 상부 및 하부에 금속층(112,113)이 접합된 형태의 방열기판(110)을 준비한다.
방열기판(110)은 세라믹 기재(111)와, 세라믹 기재(111)의 상부 및 하부에 각각 접합되는 금속층(112,113)을 포함할 수 있다. 여기서, 세라믹 기재(111)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나로 구성될 수 있고, 상부 및 하부 금속층(112,113)은 알루미늄박 또는 동박 형태로 구성되어 세라믹 기재(111)의 양면에 각각 브레이징 접합될 수 있다.
이와 같이 금속박 형태를 갖는 상부 및 하부 금속층(112,113)이 세라믹 기재(111) 상에 브레이징 접합된 가지는 방열기판(110)을 AMB(Active Metal Brazing) 기판이라 한다.
실시예에서는 AMB 기판을 일 예로 들어 설명하나 DBC(Direct Bonded Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판, DBA 기판 등이 적용될 수도 있다. 다만, 내구성 및 방열 효율면에서 AMB 기판이 가장 적합하기 때문에, 방열기판(110)은 AMB 기판을 적용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 방열기판(110)은 반도체 칩(130)으로부터 발생하는 열을 외부로 발산시켜 반도체 칩(130)이 과열되는 방지하는 기능을 하며, 이러한 방열기판(110)이 반도체 칩(130)과 접합되어 하나의 방열기판 패키지를 구성하게 된다. 이와 같이 구성되는 방열기판(110)은 외부에서 완제품 형태로 제작되어 본 발명의 공정 상에 완제품 형태로 제공될 수 있다.
제1-2단계(S102)에서는 방열기판(110) 위에 접착층(120)을 형성시킨다.
접착층(120)은 전도성 금속 입자에 접착용 물질이 첨가된 형태로서, 접착층(120)을 구성하는 전도성 금속으로는 전도성이 우수한 은(Ag) 소재가 적용될 수 있다. 즉, 접착층(120)은 Ag 금속 입자에 접착용 물질이 첨가된 형태의 은(Ag) 접착층일 수 있다.
이와 같은 은(Ag) 접착층(120)은 필름 형태로 방열기판(110) 위에 적층 형성되거나, 은(Ag) 페이스트(paste) 형태로 방열기판(110) 위에 도포되어 적층 형성될 수 있다.
제1-3단계(S103)에서는 방열기판(110) 위에 도포된 접착층(120) 부분에 반도체 칩(130)을 안착시켜 접착층(120)을 통해 반도체 칩(130)과 방열기판(110)을 가접합한다.
방열기판(110) 위에 가접합되는 반도체 칩(130)은 전기에너지의 직류/교류 변환, 전압, 주파수 변화 등의 제어처리를 수행하는 전력반도체 소자(Power semiconductor device) 소자일 수 있다.
반도체 칩(130)은 GaN(Gallium Nitride) 칩, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction Field Effect Transistor), HEMT(High Electric Mobility Transistor) 중 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 GaN 반도체 칩이 사용될 수 있다.
GaN 반도체 칩은 대전력 스위치 및 고속 스위치로 기능하는 반도체 칩이다. GaN 반도체 칩은 기존의 실리콘 기반의 반도체 칩보다 열에 강하면서 칩의 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, GaN 반도체 칩은 높은 전자이동도, 높은 전자밀도 특성으로 인해 고속 스위칭이 가능하고 소형화가 가능하여 고성능 및 고효율화에 최적화된 전력 반도체 칩이다. 이와 같은 GaN 반도체 칩은 고온에서도 안정적으로 동작하며 고출력 특성을 가지기 때문에 고효율화가 가능한 장점이 있다.
다음으로, 제2단계(S110)에서는 상기 제1단계(S100)에서 가접합된 반도체 칩(130)과 방열기판(110)을 핫 프레스(Hot press) 방식으로 열간 가압 소결하여 접합하기 위해 프레스(140)의 직하방 위치에 위치하는 완충필름(150) 및 흡착필름(160)의 하부 영역으로 배치시킨다.
여기서, 완충필름(150)은 프레스(140)의 하단으로부터 일정거리 이격된 하부에 배치되고, 흡착필름(160)은 완충필름(150)으로부터 일정거리 이격된 하부에서 완충필름(150)과 평행을 이루며 배치된다. 또한, 흡착필름(160)은 반도체 칩(130)의 상단에서 일정거리 이격된 상부에 배치된다. 이 경우, 완충필름(150)과 흡착필름(160) 간의 이격 거리는 완충필름(150)과 프레스(140) 간의 이격 거리보다 작을 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 복수의 반도체 칩(130) 상에 한 장의 흡착필름(160)이 배치되거나, 또는, 복수의 반도체 칩(130) 마다 각각의 흡착필름(160)이 배치될 수 있다. 즉, 흡착필름(160)의 형태나 모양에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
완충필름(150) 및 흡착필름(160)은 프레스(140)의 가압방향(수직방향)과 직교하는 수평방향으로 길게 배치되어 각각의 양단부가 도시되지 않은 지지수단을 통해 탄력적으로 지지될 수 있다. 이에 따라, 완충필름(150) 및 흡착필름(160)은 프레스(140)와 반도체 칩(130) 사이 영역에서 부상된 모습을 갖게 되며, 프레스(140)의 가압방향(수직방향)으로 힘이 가해지면 상하로 일정수준 탄성 병형이 가능하다.
여기서, 복수 개의 프레스(140)를 동시 사용하여 방열기판 패키지 제품을 대량 생산할 수 있는 시스템의 경우에는 완충필름(150)의 상부에 복수 개의 프레스(140)가 완충필름(150)의 길이방향을 따라 일정 간격을 이루며 일렬로 배치되는 구조를 가질 수 있다.
완충필름(150)은 반도체 칩(130)에 가해지는 프레스(140)의 가압력을 완충시키는 기능을 한다. 즉, 완충필름(150)은 프레스(140)가 하방으로 이동하여 반도체 칩(130)을 가압할 경우 프레스(140)가 반도체 칩(130)과 직접 접촉되지 않도록 완충하는 완충 매개체의 역할을 수행한다.
이와 같은 완충필름(150)은 테프론(Teflon) 소재로 구성될 수 있다. 즉, 완충필름(150)은 테프론 소재로 이루어진 두께가 얇은 테프론 필름일 수 있다. 그러나, 반드시 이와 같은 소재에 한정되지는 않는다.
완충필름(150)은 프레스(140)와 반도체 칩(130) 사이에서 완충 매개체 역할만을 하기 때문에 필름 두께를 두껍게 형성할 필요는 없다. 즉, 완충필름(150)은 반도체 칩(130)보다 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반도체 칩(130)의 두께가 80㎛ 이면, 완충필름(150)의 두께는 반도체 칩(130)의 두께보다 얇은 60㎛로 형성될 수 있다.
이와 같이 완충필름(150)은 프레스(140)와 반도체 칩(130) 사이에서 완충 매개체 기능을 하게 됨으로써 프레스(140)와 반도체 칩(130)이 집적 접촉됨에 따라 발생할 수 있는 반도체 칩(130)의 손상을 방지할 수 있다.
흡착필름(160)은 완충필름(150)으로부터 일정거리 이격된 하부에 배치된다. 흡착필름(160)은 반도체 칩(130)의 가압 소결 시 발생하는 불순물 증기를 산화반응을 통해 흡착하는 기능을 한다.
즉, 흡착필름(160)은 반도체 칩(130)의 가압 소결 접합 과정에서 접착층(120)에 포함된 접착용 유기물들이 열 분해되어 발생된 불순물 증기를 산화방응을 통해 표면에 흡착시킬 수 있다.
이를 위해, 흡착필름(160)은 오염물질의 흡착성이 우수한 산화성 금속 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 흡착필름(160)은 열전도성이 높고 산화반응에 의한 흡착성이 우수한 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 산화성 금속 소재로 구성될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에서는 흡착필름(160)이 구리(Cu) 소재로 이루어진 구리 필름으로 적용된 것이 일 예로서 나타나 있다.
흡착필름(160)은 프레스(140)의 가압 시 완충필름(150)과 함께 하방으로 원활한 탄성 변형이 이루어질 수 있도록 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 흡착필름(160)은 1~50㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 바람직하게는, 흡착필름(160)의 두께가 10~40㎛의 범위로 형성될 수 있다. 이 경우, 완충필름(150) 및 흡착필름(160)의 합산 두께 도한 반도체 칩(130)의 두께보다 작게 형성될 수 있다. 또한, 흡착필름(160)은 매끄러운 표면을 가질 수 있다. 매끄러운 표면을 갖는 흡착필름(160)의 경우 오염물질에 대한 흡착력이 좋아진다.
또한, 금속 소재로 구성되는 흡착필름(160)은 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 가압 소결 접합 과정에서 프레스(140)의 가압력을 반도체 칩(130)으로 균일하게 전달함으로써 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 접합부 전면적에 걸쳐 균일한 접합이 가능하고, 이에 따라 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 접합 품질 향상에 기여할 수 있다.
다음으로, 제3단계(S120)에서는 프레스(140)를 하방으로 이동시켜 반도체 칩(130)을 일정 압력으로 가압한 상태에서 일정 시간동안 가열하여 반도체 칩(130)을 방열기판(110) 위에 접합시킨다.
이와 같은 제3단계(S120)의 가압 소결 공정에서는, 프레스(140)가 하방으로 이동됨에 따라 완충필름(150) 및 흡착필름(160)이 탄성 변형되면서 프레스(140)와 함께 하방으로 이동하여 반도체 칩(130)의 상면과 접촉하게 되고, 이 상태에서 프레스(140)의 가압력에 의해 반도체 칩(130)이 하방으로 가압되면서 반도체 칩(130)과 방열기판(110) 사이에 개재된 은(Ag) 소재의 접착층(120)이 가압 소결 경화되면서 반도체 칩(130)과 방열기판(110) 간의 접합이 이루어진다.
일 예로, 프레스(140)를 통해 반도체 칩(130)을 10~15Mpa 압력으로 가압한 상태에서 250℃ 온도에서 30분 동안 가열하여 반도체 칩(130)과 방열기판(110) 사이에 개재된 접착층(120)을 가압 소결함으로써 접착층(120)의 경화에 의해 반도체 칩(130)을 방열기판(110)에 완전히 접합시킬 수 있다.
이와 같이 가압 소결에 의해 반도체 칩(130)이 방열기판(110)에 접합되는 과정에서는, 완충필름(150)이 프레스(140)와 반도체 칩(130) 사이에서 완충 매개체 역할을 하게 됨으로써 프레스(140)와 반도체 칩(130) 간의 집적 접촉에 의해 발생할 수 있는 반도체 칩(130)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 반도체 칩(130)과 방열기판(110) 사이에 개재된 접착층(120)이 고온 환경에서 가압 소결되는 과정에서 접착층(120)에 포함된 접착용 유기물들이 열 분해되면서 불순물 증기가 발생하게 되더라도, 접착층(120)의 상부에 위치하는 산화성 금속 소재로 이루어진 흡착필름(160)이 휘발된 불순물 증기를 방열기판(110) 표면에 흡착되기 이전에 산화반응을 통해 표면으로 대부분 흡착시킬 수 있기 때문에 방열기판(110)의 표면은 불순물 증기가 거의 흡착되지 않은 깨끗한 표면으로 유지될 수 있다.
또한, 가압 소결 과정 중에 흡착필름(160)은 반도체 칩(130)의 상면과 지속적으로 맞닿은 상태로 유지되기 때문에 흡착필름(160)이 반도체 칩(130)의 상면을 커버하는 보호 커버 역할을 하게 됨으로써, 휘발된 불순물 증기가 반도체 칩(130)의 상면에 흡착되는 것이 방지된다. 이에 따라 반도체 칩(130)의 상부 표면 또한 불순물 증기가 전혀 흡착되지 않은 깨끗한 표면으로 유지될 수 있다.
상술한 제3단계(S120)의 가압 소결 공정을 통해 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 접합이 모두 완료되면, 다음으로 제4단계(S130)에서는 프레스(140)를 상방으로 이동시켜 반도체 칩(130)에 대한 가압력을 해제하여 완충필름(150) 및 흡착필름(160)을 반도체 칩(130)의 상면으로부터 분리시킨다.
프레스(140)의 상방 이동에 따라 반도체 칩(130)을 가압하던 프레스(140)의 가압력이 해제되면, 반도체 칩(130)의 상면에 접촉되어 있던 완충필름(150) 및 흡착필름(160)이 탄성 복원력에 의해 상부로 이동하여 원래의 위치로 복귀됨으로써 완충필름(150) 및 흡착필름(160)은 반도체 칩(130)의 상면으로부터 분리된다. 그에 따라, 방열기판(110) 위에 반도체 칩(130)이 완전히 접합된 상태의 방열기판 패키지 완제품이 완성될 수 있다.(S140)
여기서, 본 발명의 완충필름(150) 및 흡착필름(160)은 반도체 칩(130)을 제3단계(S120)의 가압 소결 공정을 통해 방열기판(110) 위에 접합한 이후에 프레스(140)의 상승 과정에서 프레스(140)와 함께 반도체 칩(130)의 상면으로부터 자발적으로 완전히 분리되기 때문에 최종적인 방열기판 패키지 제품에는 포함되지 않는다. 이에 따라, 완충필름(150) 및 흡착필름(160)을 방열기판 패키지 제품으로부터 분리시키기 위한 별도의 추가적인 작업이 수반되지 않는다.
상술한 일련의 과정을 거쳐 제조된 본 발명의 방열기판 패키지 제품은 반도체 칩(130)이 전도성 금속인 은(Ag) 소재로 구성된 접착층(120)을 매개로 방열기판(110)과 상호 접합되기 때문에, 은(Ag) 접착층(120)이 반도체 칩(130)과 방열기판(110) 사이에서 열전달 경로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방열기판 패키지 완성품에서, 방열기판(110)의 상부로 노출된 상부 금속층(112) 부분을 반도체 칩(130)과 와이어 본딩(wire bonding)으로 연결시키는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 방열기판(110)의 상부 금속층(112)이 회로패턴 형태로 구현되었을 경우, 반도체 칩(130)은 회로패턴이 형성된 방열기판(110)의 상부 금속층(112)과 와이어 본딩을 통해 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 반도체 칩(130)과 상부 금속층(112) 간의 와이어 본딩이 수행된 이후에, 반도체 칩(130) 및 와이어 본딩 부분을 보호하기 위해 방열기판(110)의 상부로 노출된 상부 금속층(112) 위에 반도체 칩(130) 및 와이어 본딩 부분을 감싸는 형태로 몰딩체(미도시)를 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다. 이때, 몰딩체는 반도체 칩(130)과 와이어 본딩이 이루어진 부분을 외부로부터 보호하기 위해 에폭시(epoxy) 수지를 이용하여 밀봉하도록 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 칩(130)을 방열기판(110)에 가압 소결에 의해 접합하는 과정에서 불순물 증기(fume)가 발생하더라도 반도체 칩(130)이나 방열기판(110) 표면에 부착되기 이전에 흡착필름(160)에 산화반응을 통해 흡착되기 때문에, 불순물 증기 오염물이 반도체 칩(130)이나 방열기판(110) 표면을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 가압 소결 중에 흡착필름(160)이 반도체 칩(130)의 상면과 지속적으로 맞닿은 상태로 유지되어 흡착필름(160)이 반도체 칩(130)의 상면을 커버하는 보호 커버 역할을 수행하기 때문에, 휘발된 불순물 증기가 반도체 칩(130)의 상면으로 흡착되는 것이 방지된다. 따라서 반도체 칩(130)의 상부 표면은 불순물 증기가 전혀 흡착되지 않은 깨끗한 표면으로 유지될 수 있다.
또한, 상부로 노출되는 반도체 칩(130) 및 방열기판(110)의 표면이 불순물 증기에 의한 오염이 최소화된 깨끗한 표면을 유지하게 됨으로써, 반도체 칩(130) 및 방열기판(110) 표면에 부착된 오염물 제거를 위한 세척작업에 소요되는 비용 및 시간을 크게 절감시킬 수 있다.
또한, 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 가압 소결 접합 과정에서 프레스(140)의 가압력을 완충필름(150)으로 완충시킬 수 있기 때문에 프레스(140)와 반도체 칩(130) 간의 집적 접촉에 의해 발생할 수 있는 반도체 칩(130)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 가압 소결 접합 과정에서 프레스(140)의 가압력을 산화성 금속으로 구성된 흡착필름(160)이 반도체 칩(130)으로 균일하게 전달할 수 있게 됨으로써 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 접합부 전면적에 걸쳐 균일한 접합이 가능하고, 이에 따라 반도체 칩(130)과 방열기판(110)의 접합 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 반도체 칩(130)과 방열기판(110) 간의 접합이 완료된 이후에는 오염물질이 흡착된 흡착필름(160)을 반도체 칩(130)으로부터 자동으로 분리시킴으로써 반도체 칩(130) 및 방열기판(110) 표면이 오염물이 부착되지 않은 깨끗한 표면으로 유지될 수 있고, 완충필름(150) 및 흡착필름(160)을 방열기판 패키지 제품으로부터 분리시키기 위한 별도의 추가적인 작업이 필요치 않다.
또한, 방열기판(110)의 표면이 불순물 증기에 의한 오염이 최소화된 깨끗한 표면을 유지하게 됨으로써, 반도체 칩(130)의 보호를 위해 방열기판(110) 위에 몰딩체를 형성한 경우에도 몰딩체와 방열기판과의 접합부위가 들뜨지 않고 견고한 접합구조를 형성할 수 있기 때문에 외부로부터 습기나 이물질 등이 전혀 침투되지 않는 견고한 밀봉구조를 형성할 수 있고, 그에 따라 방열기판 패키지 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있고 제품 수율도 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다
110 : 방열기판
111 : 세라믹 기재
112 : 상부 금속층 113 : 하부 금속층
120 : 접착층 130 : 반도체 칩
140 : 프레스 150 : 완충필름
160 : 흡착필름
112 : 상부 금속층 113 : 하부 금속층
120 : 접착층 130 : 반도체 칩
140 : 프레스 150 : 완충필름
160 : 흡착필름
Claims (13)
- 반도체 칩을 방열기판 위에 가접합하는 제1단계;
상기 가접합된 반도체 칩 및 방열기판을 프레스 하부에 위치하는 완충필름 및 흡착필름의 하부 영역에 배치시키는 제2단계;
완충필름 및 흡착필름이 반도체 칩의 상면과 접촉되도록 프레스로 가압하여 반도체 칩을 가압 소결을 통해 방열기판 위에 완전히 접합시키는 제3단계;
프레스의 가압력을 해제하여 완충필름 및 흡착필름을 반도체 칩으로부터 분리시키는 제4단계;
를 포함하는 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1단계는,
방열기판을 준비하는 제1-1단계와,
방열기판 위에 접착층을 형성시키는 제1-2단계와,
반도체 칩을 접착층을 통해 방열기판 위에 가접합하는 제1-3단계를 포함하는, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 완충필름과 흡착필름은 상기 프레스의 가압방향과 직교하는 수평방향으로 거치된, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착필름은 상기 완충필름의 하부에 배치된, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 흡착필름은 상기 완충필름과 이격된, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 완충필름은 테프론(Teflon)으로 구성된, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착필름은 산화성 금속 소재로 구성된, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 흡착필름은 구리(Cu) 소재로 구성된, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착필름의 두께는 상기 반도체 칩의 두께보다 작은, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 완충필름 및 흡착필름의 합산 두께는 상기 반도체 칩의 두께보다 작은, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착필름의 두께는 1~50㎛인, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착필름은 매끄러운 표면을 가지는, 방열기판 패키지 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 접착층은 은(Ag) 소재로 구성된, 방열기판 패키지 제조방법.
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