DBPIA-NURIMEDIA

Size: px

Start display at page:

Download "DBPIA-NURIMEDIA"

보검 순
6 years ago
Views:

1 연구논문 인쇄배선과이종재료기판과의접합계면 김근수 허석환 호서대학교융합기술연구소 오사카대학산업과학연구소 삼성전기 사업부 Interfacial Microstructures between Ag Wiring Layers and Various Substrates Keun-Soo Kim*, Katsuaki Suganuma** and Seok-Hwan Huh***, *Fusion Technology Lab., Hoseo University, Asan , Korea **ISIR, Osaka University, Ibaraki, Osaka , Japan ***ACI Divisions, Samsung Electro-Mechanics, Busan , Korea Corresponding author : shhuh12@gmail.com (Received October 6, 2011 ; Revised October 12, 2011 ; Accepted October 19, 2011) Abstract Ag metallic particles from nano-scale to submicron-scale are combined with organic solvent to provide fine circuits and interconnection. Ink-jet printing with Ag nano particle inks demonstrated the potentials of the new printed electronics technology. The bonding at the interface between the Ag wiring layer and the various substrates is very important. In this study, the details of interfaces in Ag wiring are investigated primarily by microstructure observation. By adjusting the materials and sintering conditions, nicely formed interfaces between Ag wiring and Cu, Au or organic substrates are achieved. In contrast, transmission electron microscope (TEM) image clearly shows interface debonding between Ag wiring and Sn substrate. Sn oxides are formed on the surface of the Sn plating. The formation of these is a root cause of the interface debonding. Key Words : Ag ink, Interface, Sintering, Wiring, Substrate 1. 서론 금속나노입자가배선재료등으로일렉트로닉스패키징분야에서주목을받기시작한것은 년대후반에들어서면서부터이다 잉크젯 을비롯한각종인쇄기술이발전하면서나노입자의응용분야로서미세배선기술로주목을받았던것이다 하지만 도전성입자를페이스트 화하여배선재료로사용한것은이전부터검토되어왔었다 적어도 년대에는오프셋인쇄 의방법으로배선형성이시도되었다 최근금속나노입자의합성법은다양한방법으로개발되고있으며 형상도구상뿐만아니라와이어형태 등다양한형상과크기 특성을가진것들이제안되고있다 한편 금속입자를배선에응용하는기술은이미 년대부터개발이시작되어잉크젯과같은다양한인쇄기술의성숙과함께발전하였다 최근에는금속나노입자의불안정성을이용한저온배선형성이각광을받고있다 은 이나다른금속나노입자를이용한미세배선기술은향후 여러분야에서고부가가치를창출하는기술로성장할것으로기대되고있다 금속나노입자를잉크화하여잉크젯을이용한배선형성까지의과정을살펴보면 먼저 배선재료로사용할금속나노입자는귀금속이주류를이루고있고 그크기는수 에서 정도이며 여러가지유기용매

인쇄배선과이종재료기판과의접합계면 나분산제를첨가하여잉크화가되고있다 그후에금 속나노입자를함유한잉크를잉크젯등의인쇄법으로 다양한기판에인쇄하여소결처리를하여배선을완성 하게된다 유기물에내포된나노입자와소결후벌크 화된금속배선 또는금속배선 각종기판과의계 면은기존의마이크로접합 에의해생성되는계면과 다르기때문에 상세히파악할필요가있고 금속나노

실험방법 나노입자배선과금속과의접합시편은상용의 나노입자페이스트 평균입경 를폴리이미드기판 상의동 금 주석 도금에각각잉크젯 프린터를이용하여도포한후 분 분의 조건으로대기중에서소결 접합하였다 나 노입자배선과폴리머기판과의접합시편은상용의 나노입자잉크를폴리이미드 상의에폭시 계절연막에잉크젯프린터를이용하여도포한 후 시간의조건으로대기중에서소결 접합 하였다

2 인쇄배선과이종재료기판과의접합계면 나분산제를첨가하여잉크화가되고있다 그후에금 속나노입자를함유한잉크를잉크젯등의인쇄법으로 다양한기판에인쇄하여소결처리를하여배선을완성 하게된다 유기물에내포된나노입자와소결후벌크 화된금속배선 또는금속배선 각종기판과의계 면은기존의마이크로접합 에의해생성되는계면과 다르기때문에 상세히파악할필요가있고 금속나노 입자를함유한잉크나페이스트와기판과의적합성등 을평가하기위한기초자료가된다 따라서본연구에 서는수동부품이나기판배선에서의전기적인접속을예 상한이종금속재료 등 과 인쇄배선과 의접합계면의미세조직을평가하여공정최적화나소 결조건최적화에기초적인정보를제공하는것을목적 으로하였다 2. 실험방법 나노입자배선과금속과의접합시편은상용의 나노입자페이스트 평균입경 를폴리이미드기판 상의동 금 주석 도금에각각잉크젯 프린터를이용하여도포한후 분 분의 조건으로대기중에서소결 접합하였다 나 노입자배선과폴리머기판과의접합시편은상용의 나노입자잉크를폴리이미드 상의에폭시 계절연막에잉크젯프린터를이용하여도포한 후 시간의조건으로대기중에서소결 접합 하였다 접합계면의미세조직은초미세절단기 로박편을제작하 여 투과전자현미경 로 관찰하였다 3. 실험결과및고찰 3.1 Ag 배선과 Cu 도금계면 에 상의 배선의소결후단면조직을 나타내었다 배선측에서는소결온도의높고낮음에 관계없이직경이수십 이상인입자상이관찰되었다 소결에의해입성장이일어났음을알수있다 또한 배선층은 도금표면의요철을따라형성되었음이관찰되었다 배선내부의 입자사이에는기공 이관찰되고있어완전히소결된배선조직이아님을알수있다 분의소결조건에서는 배선층내부의조직이비교적균일하지만접합계면은불균일하게관찰되고있고 분의경우에는 배선 계면에서반응층이확인되었다 에는 분소결시편의계면을확대하여나타내었다 계면의 상에폭이 정도인층은입자사이의기공이채워진상태가되어있다 계는 원계상태도 에서알수있듯이금속간화합물이없다 따라서이반응층은 와 가상호확산하여고용되고벌크화된영역혹은 나노입자가벌크화된영역으로판단된다 벌크 와 의경우 에서는 와 의상호간고용도가매우낮아 이상에서확산접합이이루어진다고보고되어있다 나노입자를이용할경우 나노입자특유의저융점화 소결온도의저하로인하여보다낮은온도에서반응층이형성된것으로생각된다 3.2 Ag 배선과 Au 도금계면 은 배선 도금계면의 관찰결과이다 배선의소결조직은 배선 도금시편과유사하게직경이수십 이상인입자상이관찰되었고 기공도확인되었다 모든소결조건에서계면에반응층이존재하였다 층의두께는 분소결한시편의경우가다소두꺼웠다 에는계면의확대사진을나타내었다 계 원계상태도 에서알수있듯이 계는전율고용체를형성하기때문에 계면에금속간화합물은생성되지않는다 분의소결조건에서 의산화는크게진행되지않으므로

김근수 허석환 반응층은 고용체를형성한영역또는 나노입자가벌크화된영역으로생각된다 와 는결정구조가면심입방격자

로표시한부분의결정방위가달라 도금의결정방위가반응층의형성에미치는영향은적은것으로판단된다 3.

분소결한시편의경우가다소기공이적었다 배선 도금계면에는 분소결한경우에도 배선 도금혹은

은계면의확대사진이다 원계는상태도 에서알수있듯이다수의금속간화합물을형성하고 부근에서반응이진행되는것으로알려져있다

에나타낸것과같이소결공정후 표면에산화막으로보이는 정도의얇은비정질층이관찰되었다 비정질구조의형성으로 와

3 김근수 허석환 반응층은 고용체를형성한영역또는 나노입자가벌크화된영역으로생각된다 와 는결정구조가면심입방격자 로같고 면간거리도유사하기때문에 인지고용체인지의판단은쉽지않다 전자선회절패턴의분석결과 에 로표시한부분과 로표시한부분의결정방위가달라 도금의결정방위가반응층의형성에미치는영향은적은것으로판단된다 3.3 Ag 배선과 Sn 도금계면 다 입자의크기는수십 로 다른도금재료의경우와동등하였다 분소결한시편의경우가다소기공이적었다 배선 도금계면에는 분소결한경우에도 배선 도금혹은 도금에서관찰된반응층은존재하지않았다 또한 와 의결합력은좋지않아서 미세조직관찰용시편제작중에도쉽게박리가일어났다 은계면의확대사진이다 원계는상태도 에서알수있듯이다수의금속간화합물을형성하고 부근에서반응이진행되는것으로알려져있다 하지만본연구에서는 분 분소결한경우에도금속간화합물층은관찰되지않았다 한편 배선이없는 도금의표면을관찰한결과 에나타낸것과같이소결공정후 표면에산화막으로보이는 정도의얇은비정질층이관찰되었다 비정질구조의형성으로 와 의계면반응이일어나지않은것으로판단된다 따라서 입자잉크또는페이스트를이용한배선과 도금혹은 계솔더등을이용해접합할경우에는 산화막을제어할필요가있다 은 배선 도금계면조직이다 배선 의소결조직은기공이많고 입자상의형태를나타내었

나노입자가다소성장하였지만초기페이스트상태에가까운입경을유지하는입자도많음을알수있다 최적조건이아닌조건에서소결을할경우 독립분산된나 노입자의표면에부착된유기막이완전히박리되지않아초기의나노입자보다조금성장한입자와성장하지못한입자가공존하는것으로보고되어있다 한편

배선의소결상태가변화한다 특히 기공이많은폴리이미드상에인쇄를할경우 홀내부로잉크가흘러들어가게되어불균일한배선층을형성할수있어주의가필요하다 유기기판의경우에는소결온도와시간을상기의금속도금의조건보다높고 길게설정하였음에도불구하고 배선에서소결이불충분한영역이존재하였다

4 인쇄배선과이종재료기판과의접합계면 3.4 Ag 배선 / 절연막 / 폴리이미드계면 에는 배선 에폭시계절연막 폴리이미드시편의소결후단면조직을나타내었다 배선의상층부 자유표면 부근에는수 정도의입자와수십 의입자가혼재함을알수있다 나노입자가다소성장하였지만초기페이스트상태에가까운입경을유지하는입자도많음을알수있다 최적조건이아닌조건에서소결을할경우 독립분산된나 노입자의표면에부착된유기막이완전히박리되지않아초기의나노입자보다조금성장한입자와성장하지못한입자가공존하는것으로보고되어있다 한편 절연막과인접한 배선의하층부조직은나노입자가존재하지않고 의결정립계가형성되어 벌크화가충분히진행되었음을알수있다 에는절연막과 배선의계면의확대사진을나타내었다 균일하고밀착상태가양호한계면이형성되어있음을알수있다 절연막을사용하지않을경우 폴리이미드의표면상태에따라 배선의소결상태가변화한다 특히 기공이많은폴리이미드상에인쇄를할경우 홀내부로잉크가흘러들어가게되어불균일한배선층을형성할수있어주의가필요하다 유기기판의경우에는소결온도와시간을상기의금속도금의조건보다높고 길게설정하였음에도불구하고 배선에서소결이불충분한영역이존재하였다 반면에 유기기판과의접합계면은양호한상태를나타내었다 다층배선을제조하는경우 금속배선과유기절연막을번갈아가며적층하게되는데 이때대부분의경우에절연층이형성되는단계에서가소결을한다 그위에다시층을올리는공정을반복하여 최종적으로전체소결을진행하게된다 에나타낸것과같은소결이불충분한경우에는나노입자의분산제등의기화에의한가스가발생하므로층간의박리나배선내부에기포가발생할수있어주의가필요하다 4. 결론 본연구에서는여러종류의도금기판및유기기판상에인쇄한 배선의계면을소결조건에따라 관찰하여그차이를검토하였다 도금시편과의계면에서는 분의조건에서 배선과도금사이에두께가수십 이상의층형성이확인되었다

5 김근수 허석환 한편 도금과의계면에서는소결조건에관계없이 이층의형성이발견되지않았고 비정질상의매우얇 은층이존재하였다 도금종류에따른접합성은 도금의경우 본연구의소결조건범위에서는금속 간화합물은관찰되지않았고양호한접합상태를나타내 었다 한편 도금의경우 도금표면에형성된비정 질상의얇은막이접합성을감소시킨것으로판단된다 유기기판의경우 에폭시등열전도율이낮은중간층을 삽입할때에는소결조건을선정함에있어주의가필요 하다 참고문헌

< 목차 > Ⅰ. 연구동기 1 Ⅱ. 연구목적 1 Ⅲ. 연구내용 2 1. 이론적배경 2 (1) 직접제작한물질의기본구조 2 (2) 회절격자의이론적배경 3 (3) X-선회절법-XRD(X-Ray Diffraction) 3 (4) 브래그의법칙 (Bragg`s law) 4 (5)

$< 목차 > Ⅰ. 연구동기 1 Ⅱ. 연구목적 1 Ⅲ. 연구내용 2 1. 이론적배경 2 (1) 직접제작한물질의기본구조 2 (2) 회절격자의이론적배경 3 (3) X-선회절법-XRD(X-Ray Diffraction) 3 (4) 브래그의법칙 (Bragg`s law) 4 (5)$ [ 첨부 4] 작품설명서표지서식 작품번호 1143 LASER 의라우에패턴을통한입체모형의구조분석 출품분야물리출품부문학생 2011. 7. 7 구분성명 출품학생 지도교사 김성현 권채련 김서연 전종술 - 1 - < 목차 > Ⅰ. 연구동기 1 Ⅱ. 연구목적 1 Ⅲ. 연구내용 2 1. 이론적배경 2 (1) 직접제작한물질의기본구조 2 (2) 회절격자의이론적배경 3 (3)