방열기판 전극형성 기술 동향
글 _ 김단비, 김지원, 엄누시아, 임재홍 한국기계연구원 부설 재료연구소 차세대 반도체 재료
특 집 특 집 차세대 반도체 재료
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Abstract
There is close relation between the heat generation and the performance of electronic device. The durability and efficiency of the device are degraded due to heat generation. It is necessary to release the generated heat from an electronic device. Based on demands of the printed circuit board (PCB) manufacturing, the robust and reliable plating technique of PCB is necessary. In this study, we review various methods for improving the heat sink property. These methods were considered to enhance the adhesion between ceramic substrate as heat sink and metal layer as electrode.
Keywords: Heat sink, PVD, Electroless plating, SAM
1. 서론
최근 자동차, 전자 분야 등에 사용되고 있는 다양한 전 자 기기는 고성능화, 경량화 및 고집적화를 추구하며 발 전되고 있다. 전자소자가 고집적화 될수록 전자 소자 내
부에서는 많은 열이 발생하는데, 이러한 열은 전자 기기 의 성능 저하 및 기기 수명 단축 등의 원인이 된다.1,2) 미 국의 Air Force Avionics Integrity program의 통계에 따르면 고출력 LED 소자와 같이 작고 출력이 높은 소자 의 경우, 소자 고장의 주요인으로 열이 55%를 차지할 정
Fig. 1. 전자 기기의 주요 고장 원인 및 열에 의한 성능감소 그래프
김단비, 김지원, 엄누시아, 임재홍
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도로 소자의 상당량의 에너지가 열로만 방출된다는 보고 가 있다(Fig. 1).3) 뿐만 아니라, 한정된 공간 안에 우수한 성능을 가지는 부품을 배치하면, 작은 소자 내에 다양한 부품들이 상호작용 하며 각 기능을 수행하기 때문에, 전 자소자는 더 극심한 열을 발생시킨다. 이로 인하여 기기 의 폭발을 유발 할 수 있으므로, 전자 기기를 사용하는 인 체에도 안전성 문제로 큰 영향을 줄 수 있다. 이에 따라 많은 연구자들은 전자 소자에서 발생하는 열을 효과적으 로 방출 시켜주기 위한 방열소재에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. 특히, 일반 인쇄회로기판(PCB) 유전체 층을 그대로 두고, 열 전달을 위한 방열기판층을 따로 만 들어 연결함으로써, 소자의 신뢰성을 그대로 가지고 있으 면서 열 방출도 활발히 일으키는 방향의 소자개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 고방열 특성의 방열기판층 개발을 위해서는 방열기판을 구성하는 기판과 전극 사이의 접착 성 향상을 위한 기술발전이 필수적이다. 이에 본 지에서 는 방열 기판 전극 형성기술 동향 및 접착성 향상에 관한 고찰을 해보고자 한다.
2. 본론
2.1 세라믹 기판에 전극형성 방법
인쇄회로기판(PCB) 유전체 층에 연결되어 있는 방열 소자는 전기 전도성이 뛰어난 Cu, Ag, Ni과 같은 금속으 로 구성된 회로전극층, 전기적으로 단절시켜주는 절연층 과 열을 방출시켜 주는 기판층으로 구성되어 있다(Fig.
2). 기판층으로는 방열기판을 주로 사용하는데, 방열기 판은 일반적으로 열 방출이 우수하며 기계적 특성 및 화 학적 안정성을 가진 세라믹 기판을 사용한다. 대표적으로 는 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4) 등이 있고, 이 물질은 절연체로서 절연층과 기판층을 일 체화하여 만들어진다.4,5) 즉, 방열기판은 주로 세라믹 재 료를 이용해야하며, 전극층은 주로 금속층으로 이루어져 있어야 한다. 하지만 세라믹과 금속은 계면접착성이 좋지 않기 때문에, 두 소재를 접합하는데 있어 다양한 문제점 이 야기된다. 이에, 본 절에서는 전기적으로 절연체인 방 열기판 위에 금속 전극층을 형성하기 위한 여러 기술을 소개하고자 한다.
2.1.1 건식공정
방열기판으로 쓰이는 세라믹기판 위에 금속 전극층을 형성하는 방법 중 가장 보편화된 방법으로는 건식 공정이 있다. 건식 공정은 크게 PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), ALD (Atomic Layer Deposition) 등이 있으며, 이 중 PVD (Physical Vapor Deposition)공정은 비교적 속도 가 빠르고 기판 종류에 상관없이 수 μm 두께의 피막을 증 착 시킬 수 있다.6,7) PVD (Physical Vapor Deposition) 공정에는 코팅층의 특성이나 목적에 따라 진공 증착법 (Vacuum evaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 이온 플레이팅(Ion plating)이 있으며(Fig. 3), 이 증착법들은 원하는 고순도 금속물질에 열 또는 이온 충격 등의 물리
Fig. 2. 인쇄회로기판 (PCB) 층과 방열기판의 구성
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적인 방법을 이용하여 박막을 증착하는데, 대부분 150~500 ℃에서 실행된다. 이러한 PVD 공정은 플라즈 마 형성을 위한 고진공을 요구하기 때문에 대량생산 혹은 대면적에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
2.1.2 페이스트 공정
절연기판에 금속층을 형성하는 방법 중 하나로, 전도성 페이스트 공정이 있다(Fig. 4). 금, 팔라듐 등의 귀금속이 나 탄소, 구리 등의 전도성이 뛰어난 금속 분말을 충전제 로 사용하여 열경화형 바인더, 에폭시 수지 등을 용제와 섞어 만든 페이스트를 절연 기판위에 도포하고 건조하여 전도층을 형성하는 방법이다. 일반적으로 많이 사용되는 페이스트는 은 분말을 충전제로 사용하는 은 페이스트이 다.5) 이러한 전도성 페이스트는 바인더 수지 내에 금속 입자를 90% 이상 충전할 수 있어 높은 전기전도도를 가
지는 금속 전극층을 형성 할 수 있는 장점이 있으나, 공정 특성상 미세한 전극 패턴을 형성하기가 어려운 한계점이 있다.
2.1.3 습식 공정
무전해 도금은 외부의 전기 에너지에 의해 도금 피막이 형성되는 전기도금과는 다르게 용액내 환원제의 산화 반 응에 의해 내놓은 전자가 금속 이온과 환원과정을 일으 켜, 기판 표면상에 석출시키는 공정으로, 세라믹 방열 기 판 위에 금속 전극층을 형성 시킬 수 있다(Fig. 5). 무전 해 도금의 경우 도금하고자 하는 기판에 활성화 과정 (activation)을 진행한 후, 도금 용액의 온도 및 pH 조건 만 만족한다면 용액 내에 침적시킬 시 도금 반응이 일어 나기 때문에 대량생산 및 대면적화에 용이하고 비용이 저 렴하다는 장점을 갖는다.8,9,10) 또한 균일전착성이 우수하
Fig. 3. 건식공정 종류
Fig. 4. 페이스트 공정 Fig. 5. 습식 공정 종류
김단비, 김지원, 엄누시아, 임재홍
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여 두께편차가 작은 균일한 도금층을 얻을 수 있으며 석 출되는 금속이 미립자성으로 치밀하여 전기도금보다 내 식성이 우수한 특징이 있다. 하지만 전기도금과 비교하여 도금속도가 느리기 때문에 두꺼운 전극층을 형성할 시 PVD법과 마찬가지로 무전해 도금을 통해 절연기판에 시 드 금속층을 형성한 후 전기도금을 통해 두께를 증가시켜 야 한다.
2.2 밀착력 향상방법
최근 전자기기의 고집적소자가 소형화 되고 형상이 복 잡해짐에 따라 높은 단차구조에 균일하고 얇은 두께의 박 막을 도포할 수 있는 증착 기술이 주목 받고있다. 이전까 지 널리 사용되었던 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 공정 기술이나 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 공정 기술 및 페이 스트 공정은 까다로워진 요구를 충족시키지 못하여 수요 가 점점 줄어드는 반면, 요구를 충족시킬 수 있는 가장 경 제성이 뛰어난 습식 공정으로 무전해 도금이다. 무전해 도금공정으로 금속 전극층을 형성하였을 시, 공정비용·
대면적·대량생산 용이공정 간소화 등의 우수한 특성을 가진다. 그러나, 무전해 도금 공정을 통하여 전극층을 형 성함에 있어서는 세라믹 기판과 금속 전극층 사이의 낮은 밀착력이 문제가 되어 기술적 발전이 부족한 상태이다,11) 따라서 본 글에서는 밀착력 향상 방법에 여러 방법을 고 찰 하였다.
2.2.1 표면적 증가
기판과 전극층 사이의 밀착력을 향상시키는 가장 간단 한 방법은 기판의 표면적을 증가시켜 접촉 면적을 향상시 키는 것이다. 먼저, 식각(etching) 표면처리를 통해 표면 의 거칠기를 증가시켜 표면적을 증가시키는 방법으로, 기 계적 식각처리와 화학적 식각처리가 있다. 기계적 식각처 리는 화학약품 처리 없이 연삭, 연마제 등을 이용하는 방 법으로, 브러시(brush)를 이용하여 표면 세정 및 거칠기 를 부여하는 브러시 연마, 연마 입자를 이용한 pumice 연마 등이 있다. 이러한 기계적 연마의 경우 미세한 패턴 및 식각 정도를 조절하기 힘들기 때문에, 최근 미세 패턴
을 가지는 회로 기판에 적용하기는 어려운 단점이 있다.
화학적인 방법을 통한 화학적 식각처리는 주로 질산, 황 산 등의 용액에 침적하여 표면을 식각 시키는 습식 식각 (wet etching) 방법이 있다. 습식 식각의 경우 비용이 저 렴하며, 진공 장비같은 복잡한 설비가 필요하지 않기 때 문에 비교적 쉽고 간단한 방법으로, 대량생산에 용이하 다. 건식 식각 공정에는 화학적 반응 건식 식각과 스퍼터 링(sputtering)같은 물리적 반응 건식식각 그리고 두 가 지 반응이 혼합된 반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching) 등이 있다.12,13)
2.2.2 자기조립 단분자막(SAM, Self-Assembled Monolayer) 세라믹 기판과 금속의 밀착력을 향상시키는 방법 중 하 나로, 화학적 기능을 이용한 자기조립 단분자막(SAM, Self-Assembled Monolayer)이 방법이 있다. 여기서 단 분자막은 기질의 표면에 자발적으로 달라붙어 규칙적으 로 배열되는 특성을 가지는 유기 분자막을 말한다. 이러 한 유기 분자막의 대표적인 물질로는 실레인(silane)이라 는 실란 커플링제가 있다. 실레인은 보통 한 분자에 유기 질재료와 화학 결합하는 반응기 R과 규칙적인 분자막 형 성을 가능하게 해주는 몸통 사슬 부분, 무기질 재료와 화 학 결합하는 반응기 OR’부분으로 이루어져 있어 무기질 소재와 유기질 소재를 화학적으로 결합시켜준다. 이러한 실레인은 기판위의 하이드록시(hydroxy, -OH)기와 반 응하여 화학적 결합을 형성하여 기판과 금속층간의 밀착 력을 증진시켜 준다.6,14) 참고로, 실레인은 유리 기판, 알 루미나와 같이 표면에 -OH기가 많은 기판의 경우에는 자발적으로 잘 흡착되지만 질화규소, 질화알루미늄 등과
Fig. 6. 식각 표면처리 종류
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같이 표면에 -OH기가 적은 경우에는 실레인 잘 결합되 기 위해서 실레인 처리 전에 기판 표면에 -OH기를 형성 시켜주는 가수분해(hydrolysis) 과정이 필요하다. 질화 규소 기판에 -OH기를 형성하는 방법으로는 질산, 피라 냐 용액 등을 이용한 습식 공정과 산소 플라즈마 처리를 통해 -OH기를 형성할 수 있다.15)
3. 결론
최근 산업시장에서 컴퓨터, 수송기기용 장비, 디스플 레이 및 핸드폰 등 고집적화된 전자소자들은 소자 내 발 생되는 열로 인하여 디바이스의 수명, 성능 등이 감소하 여 전자기기의 효과적인 열 방출을 위한 방열기판 층의 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 이에 주로 방열기판으 로 이용되는 세라믹 기판 위에 전자기기의 주 역할을 하 는 금속 전극층 형성에 대한 연구도 함께 이루어지고 있 다. 그러나 현재 널리 사용되었던 건식공정의 물리기상증 착(Physical Vapor Deposition, PVD) 공정 기술, 화학 기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 공정 기 술 및 페이스트 공정은 대면적 불가 및 치밀함이 부족한 단점이 있고, 습식 공정은 이러한 단점을 보안 가능한 기 술이나 아직 낮은 밀착력에 대한 고찰이 부족한 시점이 다. 이에 본 내용에서 고찰한 습식 공정을 이용한 고밀착 력 향상 연구가 활발히 진행되어 습식기반 차세대 방열기
판 전극 형성 기술을 확보한다면, 전과정 습식공정을 이 용한 공정 간소화와 표면처리 및 촉매처리공정을 통해 대 면적, 대량생산에 용이할 것으로 보인다.
4. 감사의 글
본 연구는 2015년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구입니다.
(No. 20153030013200) 또한 한국기계연구원 부설 재료연 구소의 지원을 받아 수행한 연구입니다. (PNK5870)
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Fig. 7. 자기조립 단분자막(SAM, Self-Assembled Monolayer)과 방열기판 위 실레인
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김 단 비
부경대학교 물리학과 학사
현재 부경대학교 물리학과 석사과정
현재 한국기계연구원 부설 재료연구소 연구원
엄 누 시 아
공주대학교 신소재공학과 학사
한양대학교 융합화학공학과 석사
한양대학교 융합화학공학과 박사
현재 한국기계연구원 부설 재료연구소 선임연구원
김 지 원
한양대학교 화학공학과 학사
University of California, Riverside Chemical and environmental engineering Phd.
현재 한국기계연구원 부설 재료연구소 선임연구원
임 재 홍
연세대학교 세라믹공학과 학사
연세대학교 신소재공학과 석사
광주과학기술원 신소재공학과 박사
현재 한국기계연구원 부설 재료연구소 책임연구원
