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윤영 즙
5 years ago
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1 특집 : 3 차원진보적전자패키징의공정기술과평가 및반도체소자리드프레임패키징용 클래드메탈의기계적 열전도 전기적특성연구 이창훈 김기출 김용성 서울과학기술대학교 대학원 목원대학교 소재디자인공학과 Study on the Mechanical Properties and Thermal Conductive Properties of Cu/STS/Cu Clad Metal for LED/semiconductor Package Device Lead Frame Chang-Hun Lee*, Ki-Chul Kim** and Young-Sung Kim*, *Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul National University of Science and Technology, Seoul , Korea **Department of Material Design Engineering, Mokwon University, Daejeon , Korea Corresponding author : youngsk@seoultech.ac.kr A bstract Lead frame which has a high thermal conductivity and high mechanical strength is one of core technology for ultra-thin electronics such as LED lead frames, memory devices of semiconductors, smart phone, PDA, tablet PC, notebook PC etc. In this paper, we fabricated a Cu/STS/Cu 3-layered clad metal for lead frame packaging materials and characterized the mechanical properties and thermal conductive properties of the clad metal lead frame material. The clad metal lead frame material has a comparable thermal conductivity to typical copper alloy lead frame materials and has a reinforced mechanical tensile strength by 1.6 times to typical pure copper lead frame materials. The thermal conductivity and mechanical tensile strength of the Cu/STS/Cu clad metal are W/m K and kg/mm 2, respectively. Key Words : Clad metal, Lead frame, LED, Semiconductor 는최근자동차의표시등 나핸드 1. 서론 발광다이오드 로해석되는 는빛을방출하는광소자이다 는화합물반도체특성을이용해전기에너지를빛에너지로전환시키는반도체의일종으로서 년 를사용하여적색가시광선방출이 의 에의해최초로개발되었다 이후황색 년일본니치아사의나카무라슈지에의한청색 의개발에이어백색 가개발되었다 는기존의광원대비월등히높은광원효율과저전력소모 백열등의약 장수명 만시간정도 빠른반응속도 친환경성 무수은 등의장점을가지고있다 폰키패드의 일반조명등 가시광통신 의료분야 농업과수산업등에폭넓게이용되면서반도체산업을뛰어넘어차세대산업군으로주목받고있다 특히스마트폰 및노트북 태블릿 등과같은개인용모바일정보통신기기에서는소형화및슬림화의요구가계속증대되고있다 최근에는대형디스플레이기기에서도슬림화에대한요구가커지고있으며 를이용하여어느정도슬림화를달성하였으나향후 전자부품산업계전반에걸쳐슬림화가요구되고있다 개인용모바일정보통신기기의소형화및슬림화에대한요구가증대하면서 및반도체리드프레임용

및반도체소자리드프레임패키징용 클래드메탈의기계적 열전도 전기적특성연구 구리소재에대하여높은기계적강도와높은전기전도 도및열전도도의특성에관한요구는점점커지고있 다 특히리드프레임은 패키지의광효율과열저 항및신뢰성에크게영향을미치는요소이다 현재이 러한리드프레임의소재로는 계동합금 계동합금및 등의다양 한합금소재가사용되고있다 하지만이러한소재의경 우 국제연동표준 에서요구하는

2 및반도체소자리드프레임패키징용 클래드메탈의기계적 열전도 전기적특성연구 구리소재에대하여높은기계적강도와높은전기전도 도및열전도도의특성에관한요구는점점커지고있 다 특히리드프레임은 패키지의광효율과열저 항및신뢰성에크게영향을미치는요소이다 현재이 러한리드프레임의소재로는 계동합금 계동합금및 등의다양 한합금소재가사용되고있다 하지만이러한소재의경 우 국제연동표준 에서요구하는 의기계적강도와 수준의전기전도도에대 한요구를충족시키지못하고있다 전자소자에사용 되는금속재료의경우반복적인열변형이가해질경우 오작동을유발하며 기계적파손의원인이므로대한신 뢰성을향상시키기위한연구도활발히진행중이다 이러한요구에부응하기위하여소자패키징에사 용되는리드프레임에사용중인합금재료들에첨가되는 원소의조합이나합금비 열처리조건등을조정하여 높은강도의기계적특성을확보하고자시도하고있다 하지만이러한시도들은기계적강도특성의확보에한 계를보이고있기때문에 새로운소재및공정기술에 대한다양한연구가이루어지고있다 에의하면클래드 는 어떤 금속을다른금속의전체면에걸쳐피복하고 또한그 경계면이금속조직적으로접합되어있는것 으로정의 하고있으며 클래드메탈 은 강재를모재 로한클래드 로정의되고있다 즉 클래드메탈은모 재가갖고있지않은새로운특성을부재를통하여충 족시켜각금속재료의장점을동시에구현하는것이특 징이다 용리드프레임은우수한열전도성과기계 적강도특성을동시에요구하고있다 본논문에서는 압연공정으로만들어진클래드메탈시료를기계적강 도 열전도도 전기전도도시험을통하여일반적인 리드프레임용도의 동합금과비교하였으며 리드프레임적용시소자성능에가장영향을미치는 방열특성을검토하기위해소재의기계및열전달특 성을검토하였다 2. 실험방법 2.1 LED 및반도체리드프레임패키징용클래드메탈제작 실험을위한클래드메탈리드프레임소재의모재는 높은기계적강도특성을갖고있는스테인레스스틸 제조사 대양금속 클래딩압연전경도 을사용하였고 의두께는 이다 부재는높은전기전도도와열전도도특성을가지고있는 제조사 이구산업 클래딩압연전경도 를사용하 였고 의두께는상하모두 로 과같 이제어하였다 클래드메탈리드프레임소재를제조하 는공정에서원소재의표면처리방법 압연속도 압하율 등의조건에따라원소재에크랙이발생하기도하였고 와 간의접합력에차이가발생하였다 따라서 본연구에서는다양한예비실험조건들로부터검토된최 적의공정조건인압연속도는 압하율은 의조건으로클래드메탈을제조하였다 전형적인단일 층의구리합금리드프레임소재 제조사 이구산업 주요성분 주요불순물 두께 와본연구에서제안된클래드메탈리드프레 임소재의기계적특성및열전도특성을비교분석하 였다 실험에사용된시편의재질은 에기술 하였다 2.2 기계적특성측정 클래드메탈의인장강도시험은 규격 에의하여진행하였으며 소재응용분야가리드프레임 인점을감안하여소형 박판형소재에대한테스트의 개념으로마이크로인장시험편을제작하여측정하였다 치수효과 에의한물성치의변화를확 인하기위하여마이크로인장시험편 파단부단면적 을제작하였다 클래드메탈의인장강도측 정의신뢰성과상대비교를위하여현재 리드프 레임에많이적용되는 구리합금에대해서도동 일한방법으로인장강도시험을실시하였다 마이크로 인장시험은 Cu STS 사의장비를사용하 였고 하중부가속도는 로드셀은 이었다 미소경도시험은 사의 Cu

3 이창훈 김기출 김용성 장비를사용하였으며 시험하중은 시험력 유지시간은 초로하여시험하였다 경도측정은미세연마를실시한표면중에서흠 이없고조도가가장좋은곳을선택하여 층클래드소재당 회씩측정하였다 단면적 을가지는표준열처리된구리선의저항은 Ω 즉 Ω 이며 이값을 로정의한다 식 의근거를통하여전기전도도값을구하였다 2.3 열전도측정 열전도특성분석을위하여우선각시편의비열은시차주사열량계 로알루미나 표준시편과의열흡수량을비교하여측정하였고 시편의밀도는아르키메데스 의원리인수중부유법으로측정하였다 또한 각시편의열확산특성은 법 으로측정하였다 열확산계수를측정하기위해박판의아랫면에 를조사하고 박판샘플의윗면에서적외선온도센서를이용해온도변화를전압의변화를통해환산하여열확산계수 α 값을이론적계산을통해구하였다 환산에사용된방식은 이론적모델을 으로보정한값이다 측정된각시료의비열과밀도 열확산계수를이용하여식 의관계식을이용하여열전도도 를구하였다 αρ α 는열확산계수 는밀도 는비열 을나타낸다 2.4 전기전도도측정전기전도도실험은더블브릿지장비를이용하여 규격에의거측정하였다 구리선에대한표준저항은 의온도조건에서길이 일정한 Stress (kg/mm 2 ) Stress (kg/mm 2 ) 결과및고찰 는 구리합금리드프레임단일소재와 층클래드메탈리드프레임소재의인장 Strain(%) trans Strain(%) long

및반도체소자리드프레임패키징용 클래드메탈의기계적 열전도 전기적특성연구 시험결과를각각비교해나타내었다 인장강도는압연방향에나란한방향이압연방향에수 직한방향보다크게나타났으며 이는금속소재의소 성가공효과에의한가공경화효과가압연방향쪽으로 크게작용한것으로판단된다 압연방향과나란한방향 의인장강도는 와 클래드메탈각각 로측정되었다 가공방향에 평행하게소재가공에따른경화및강화효과가보다

클래드메탈의외형은스테인레스스틸 양쪽에구 리또는구리합금 을덧대어접합 압 연을하였다 이때육안상외관은일반구리합금 과차이가없으나 을절단하여절단면의접합상태 를광학현미경으로관찰한결과 의 와 처 럼 의각층간경계면에서결합이없는안정된 층구조를확인할수있다 소재단면의가공에따른경도의균질도를확인하기위해미소경도의측정한결과를 에나타내었다 경도는소재에따라균질한값을가지며

4 및반도체소자리드프레임패키징용 클래드메탈의기계적 열전도 전기적특성연구 시험결과를각각비교해나타내었다 인장강도는압연방향에나란한방향이압연방향에수 직한방향보다크게나타났으며 이는금속소재의소 성가공효과에의한가공경화효과가압연방향쪽으로 크게작용한것으로판단된다 압연방향과나란한방향 의인장강도는 와 클래드메탈각각 로측정되었다 가공방향에 평행하게소재가공에따른경화및강화효과가보다 크게나타내고있다 에대한 클래드 메탈의상대적인인장강도의증가는 의 이며약 배증가하였다 이와같이클래드메탈소재의 이상의높은기계적특성을요구하 는향후고품질용 반도체및다양한전자소재의 리드프레임소재로의응용가능성을제시하고있다 본연구결과에는언급하지않았지만리드프레임용순 동합금의가공방향에따른경화효과 수준에 서압연방향에따른가공경화효과는 미만으로큰 변화를보이지않았다 한편 층구조의 클래드메탈의외형은스테인레스스틸 양쪽에구 리또는구리합금 을덧대어접합 압 연을하였다 이때육안상외관은일반구리합금 과차이가없으나 을절단하여절단면의접합상태 를광학현미경으로관찰한결과 의 와 처 럼 의각층간경계면에서결합이없는안정된 층구조를확인할수있다 소재단면의가공에따른경도의균질도를확인하기위해미소경도의측정한결과를 에나타내었다 경도는소재에따라균질한값을가지며 압연방향에나란한방향이압연방향에수직한방향보다 수준의경도증가를나타내었다 즉압연시클래드금속소재들의소성가공에따르는길이방향으로의가공경화효과가더욱크게나타나고있음을알수있었다 법으로측정된전형적인 리드프레임소재인 와본연구에서제안한 층구조를갖는클래드메탈리드프레임소재의열확산계수측정결과를 에나타내었다 시차주사열량계로측정된 와 클래드메탈의비열은섭씨 도에서각각 이었다 법으로측정된열확산계수는 와 클래드메탈각각 이었다 측정된비열과열확산계수 밀도값을이용하여식 에의해계산된열전도도는 클래드메탈 이었다 열특성분석결과 클래드메탈리드프레임소재의열전도도는 단일층리드프레임소재의열전도도의 에해당하는값 Hv 25 Hv Cu STS Cu Cu STS Cu

5 이창훈 김기출 김용성 Alloy-.358mm in plane Time/ms Cu/STS/Cu 3 layer:in plane Time/ms Detected/V Fit/V Detected/V Fit/V 으로단일 에 두께의스테인레스스틸이 삽입되었을때열전도도는약 감소하였다 따라 서 를메인프레임으로하는 층클래드소재는리 드프레임전용 소재의열전달특성의감소 를최소화시키며 앞서기계적인강도특성은최대화시킬수있는특성을보여준다 본클래드소재는향후고품질용 및반도체리드프레임의소재로적용가능성이높은것으로판단된다 클래드소재의전기적특성을일반단일동합금소재와비교평가하기위해비저항값을아래 의더블브릿지장비를이용하여측정하여계산하였다 합금의비저항값은 μω 였으며 클래드메탈의비저항값은 μω 를보였다 식 를이용하여환산하였을때 합금 클래드메탈 의전기전도도값을각각나타내었다 클래드메탈이단일층인 동합금에비해전기비저항의값이다소감소하여 값이약 우수한전기적특성을보인것은 층클래드소재화에따라전기적으로각층이병렬연결의저항체로구성됨에따라단일소재의직류전기적특성보다저항의감소효과가발생되어전도율의향상에기여한것으로판단된다 4. 결론 압연공정을통해 층구조의클래드메탈리드프레임소재를제조하였다 제안된 클래드메탈리드프레임소재와현재일반적으로사용되고있는구리합금리드프레임소재 의기계적 열전도도특성을비교하였고 전기전도도를측정하였다 다음과같은결론을얻었다 기계적인장강도는구리합금리드프레임소재 와비교하여 클래드된소재가 배강화된 의인장특성을보였다 마이크로비커스경도측정결과 및클래드공히소재압연방향과수직방향의경도차이는미미하지만압연방향이수직방향보다 가량증가하였다 열전도도특성은단일구리합금리드프레임소재 에비해클래드소재는약 감소한 를보였으나열전도도의특성은원소재의특성에 이상우수한특성을보였다 전기전도도는 합금 클래드메탈 의값을나타냈다 풀림 한순동을기준으로약 높은전도율을가진다 이는 층클래드소재의병렬구조형성에따른직류저항의감소효과에기인한것으로판단된다 이상의결론으로부터현재일반적으로사용되고있는구리합금리드프레임소재의열전도도특성과비교하여크게감소하지않고기계적인장강도가강화되었고 높

및반도체소자리드프레임패키징용 클래드메탈의기계적 열전도 전기적특성연구 은전기전도도값을보이는

용클래드메탈리드프레임소재로적용가능할것으로 예상된다 감사의글 본연구는 지식경제부의부품소재기술개

목원대학교소재디자인공학과교수 전자재료 나노유 무기복합소재 한 이창훈 년생 서울과학기술대학교

6 및반도체소자리드프레임패키징용 클래드메탈의기계적 열전도 전기적특성연구 은전기전도도값을보이는 클래드메탈 리드프레임소재는슬림화가요구되는모바일정보통신 기기에적용할수있는 및반도체소자의패키징 용클래드메탈리드프레임소재로적용가능할것으로 예상된다 감사의글 본연구는 지식경제부의부품소재기술개 발사업 관리번호 연구비지원에의해 수행되었습니다 참고문헌 김기출 년생 목원대학교소재디자인공학과교수 전자재료 나노유 무기복합소재 한 이창훈 년생 서울과학기술대학교 융합기술대학원석사과정 나노 융합기술및전자신소재 김용성 년생 서울과학기술대학교 융합기술대학원교수 나노 융합기술및전자신소재

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<31332DC0FAC0DABCF6C1A42DB1E8BFEBBCBA FBCF6C1A42E687770> LED 리드프레임패키징용 Cu/STS/Cu 클래드메탈의기계및열전도특성의온도안정성연구 김용성 김일권 大韓熔接接合學會誌第 31 卷 5 號別冊 2013. 10 77 연구논문 LED 리드프레임패키징용 Cu/STS/Cu 클래드메탈의기계및열전도특성의온도안정성연구 김용성 *, 김일권 ** * 서울과학기술대학교 NID 대학원 ** 서울과학기술대학교신소재공학과, Thermal