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 Stability of the Mechanical and Thermal Conductive Properties on Cu-STS-Cu Clad Metal for LED Package Lead Frame Young-Sung Kim*, and Il-Gwon Kim** *Graduate School o NID Fusion Technology, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 139-743, Korea **Advanced Materials Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 139-743, Korea Corresponding author : youngsk@seoultech.ac.kr (Received ;October 29, 2013 ; Revised October 29, 2013 ; Accepted October 30, 2013) Abstract We have investigated thermal stability of the mechanical and thermal conductive properties of Cu/STS/Cu 3 layered clad metal lead frame material for a LED device package at different temperatures ranging from RT to 200. The fabricated Cu/STS/Cu clad metal has a good thermal stability for the mechanical tensile strength and thermal conductivity of the over 50 Kg/mm 2 to the 150 and 270 W/m K to the 200, respectively. This clad metal lead frame material at a high temperature of 150 shows a reinforced mechanical tensile strength by 1.5 times to conventional pure copper lead frame materials and also a comparable thermal conductivity to typical copper alloy lead frame materials. Key Words : Clad metal, LED lead frame, Thermal stability, Thermal conductivity 1. 서론 최근전자부품및소자의발전으로이에대응하기위해서는금속복합소재, 고강도합금강, 특수금속등의새로운하이브리드소재의개발이요구되고있다. 이는단일금속소재로다양한기계및열전달특성을확보하는데한계가있어이들의요구에만족하는하이브리드신소재의개발이필요하다 1-3). 특히, LED(light emitting diode) 는 3, 5족화합물반도체로전류에의해전자와정공이서로결합하여발광하는소자이다. LED 는현재우수한광효율과내구성및신뢰성이양호하여디스플레이소자나조명등 의광에너지분야에사용되고있다 2-4). 또한 LED 는친환경적으로수은을사용하지않는장점을가지고있으며높은전기효율과, 긴수명으로차세대조명소자로각광받고있다 1-3). 또한최근 LED 제품패키징시리드프레임은 LED 의광효율과제품신뢰성및열저항에크게영향을미치고있다. 따라서LED 리드프레임패키징용구리소재에대한높은기계적강도와열전도특성의안정성요구가증가하고있다 2-3). 현재 LED 리드프레임으로 Cu-Fe-P 계동합금, 42 alloy(42% NiFe) 및 Cu-Ni-Si 계동합금등의소재가많이사용되고있다. 하지만이들합금소재는국제연동표준 (%IACS : international annealed copper standard) 에서요구하는 50kg/mm 2 이상의기계적강도와 70% 이상의전 Journal of KWJS Vol.31 No.5(2013) pp77-81 http://dx.doi.org/10.5781/kwjs.2013.31.5.77
78 김용성 김일권 기전도도에대한요구를충족시키지못하고있다 2-3). 이러한문제점을해결하기위해리드프레임에사용중인합금재료들에첨가되는원소의조합이나열처리조건, 합금비등을조절하여높은기계적강도및열전달특성을확보하려는연구가이루어지고있다 2,5). 하지만이들연구에서는기계적및열전도특성의확보에대한한계가있기때문에최근다양한소재를구리소재에적층시켜높은기계적특성과우수한열전도특성의안정성을확보하려는연구가진행되고있다 4-6). 본연구에서는 LED 제품에서요구하는높은기계적특성을확보하기위해열전도특성이높은 Cu에높은기계적강도를가진 STS소재를 Cu/STS/Cu 구조로적층시킨후압연하였다. 또한이들소재의디바이스응용시제품에서발생하는열영향에대한소재의기계및열안정성평가를위해상온에서 200 까지 50 씩변화를주어기계적특성및열전도특성을평가하였다. 2. 실험방법 2.1 LED 리드프레임패키징용클래드메탈제작 본실험에서는클래드메탈리드프레임소재의모재는높은기계적강도를가진스테인레스스틸 (STS316L, C1030 : 0.65 80 w STS316L : 0.4 80 C1030 : 0.65 80 w (a) before C1030 : 0.1 80 w STS316L : 0.055 80 C1030 : 0.1 80 w (b) after Fig. 1 Cross sectional structure of suggested Cu/STS/Cu clad metal lead frame materials; (a) before rolling, (b) after rolling 제조사 : 대양금속 ) 을사용하였으며부재는 Cu(C1030, 제조사 : 이구산업, Cu-99.96, P-0.0017, O2-0.0038) 를사용하였다. 클래드메탈의두께는스테인레스스틸의두께를 400 μm, Cu의상하층두께를각각 650 μm를사용하였다. 또한전체소재의클래딩시접착력강화를위해소재의표면에브러싱작업을수행한후, 압연은 2단롤을사용하여상온에서냉간압연하였다. 이때 1회당평균압하비 10% 수준으로최종압하율은 85% 수준으로제어하였다. 제작된클래드메탈의두께측정및표면분석은광학현미경 (LG-PS2, 제조사 : Olympus) 을사용하여측정및관찰하였다. Table 1 에서는시험에사용된클래드메탈 Cu/STS/Cu 의재질을나타내었다. 2.2 기계적특성측정 Cu/STS/Cu 클레드메탈의기계적특성은소재의응용되는분야가 LED 리드프레임인점을감안하여마이크로시험편을제작하여측정하였다 7-9). 제작된시험편의인장강도는마이크로인장시험기 (SMT-H50, Space Solution) 를사용하여로드셀 50kg f, 하중부가속도는 100 μm /s로상온에서 200 까지 50 간격으로온도의변화를주어측정하였다. 미소경도시험은 FUTURE- TECH 사의 JP/FM7 을사용하여시험하중은 25 gf (245.2 mn), 유지시간은 10초로측정하였다. 경도시험은미세연마를실시한표면중에서흠이없고조도가가장좋은곳을선택하여압입자크기의 5배의간격으로 5회씩측정하였다. 2.3 열전도측정클레드소재의열전도특성을분석하기위해각시편의비열은시차주사열량계 (DSC: differential scanning calorimetry, DSC 204 F1, Netzsch, Germany) 로열흡수량을측정하였으며, 시편의밀도는아르키메데스 (Archimedes) 의수중부유법으로측정하였다. 열확산특성을측정하기위해 25 mm 원형디스크형태로방전가공된클래드소재표면에레이저펄스의균일흡수와반사를방지하기위해콜로이드흑연입자를 Table 1 Detail specification of specimen for experiment. Sample Composition and hardness Maker Cu/STS/Cu clad metal (thickness: 1.7 mm) Manufactured by Lee-Ku Eng. Co. Cu C1030 STS 316L Cu : 99.96%, P : 0.0017%, O2:0.0038% Hardness : 98 Hv Cr : 18%, Ni : 13%, Mo : 3%, C : 0.03% P : 0.045%, Mn : 2%, Sl : 1%, Fe : 63% Hardness : 200 Hv Lee-Ku Eng. Co. Dae-Yang Metal Co. 444 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 5, October, 2013
LED 리드프레임패키징용 Cu/STS/Cu 클래드메탈의기계및열전도특성의온도안정성연구 79 분사하여처리하였다. 가공된클레드소재의열확산특성은 laser flash 법 (NanoFlash LFA 447, Netzsch, Germany) 으로상온에서 200 까지 50 간격으로측정하였다. 또한열확산계수를측정하기위해박판의아랫면에 Xenon nano-flash laser 를조사하였다. 그리고박판샘플의윗면에서적외선온도센서를사용하여온도변화를전압의변화를통해환산하여열확산계수 α 값을이론적계산을통해구하였다 10,11). 또한측정된각시편의비열과밀도및열확산계수를식 (1) 의관계식을사용하여온도변화에따른열전도도를구하였다 2). (a) (b) (1) 식 (1) 에서 k(w/m K) 는열전도도, α(m 2 /s) 는열확산계수 (thermal diffusivity), ρ(kg/m 3 ) 는밀도 (density), Cp(J/kg K) 는비열 (specific heat) 를나타낸다. Stress (kg/mm 2 ) 70 60 50 40 30 20 10 0 3. 결과및고찰 Fig. 2는 Cu/STS/Cu 3층클래드메탈의온도변화에따른기계적특성을평가하기위해응력변형률곡선을각각비교하여나타내었다. 인장강도는상온에서실험한시편이 53.74 kgf/mm 2 로가장우수한특성을나타내었으며, 온도가증가함에따라인장강도가 48.85 kgf/mm 2 수준으로점차감소하는경향을나타내었다. 특히 200 에서인장강도값은약 10% 감소하는경향을보였다. 이는일반적으로조명용등기구 LED 소자의칩패키징부분에서발열제한온도인 80 부근임을고려한다면, 이보다높은 100 에서 150 온도영역에서인장강도는 50 kgf/mm 2 이상을유지하는것으로나타났다. 따라서본클래드메탈소재의기계적특성은 150 까지온도안정성이있는 Stress(kg/mm 2 ) 60 55 50 45 40 RT 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 14 Strain (%) Stress RT 100 150 200 Temperature ( ) Fig. 2 Stress & Strain curves of the Cu/STS/Cu clad metal at different temperatures ranging from RT to 200 (c) (d) Fig. 3 Fracture morphology of the Cu/STS/Cu clad metal at different temperatures ranging from RT to 200, (a) RT, (b) 100, (c) 150, (d) 200 것으로나타났다. Fig. 3은 Cu/STS/Cu 3층클래드메탈의온도변화에따른기계적특성평가후의시험편의파면을주사전자현미경 (SEM) 을이용하여관찰하였다. 소재의기계적강도특성을유지하는 STS 316L 소재의파면은상온에서 200 까지전범위에걸쳐서내부에균일한미세 dimple 들이균일하게분포하는전형적연성파면의특징을지니며특별한파면의변화를보이지않고있음을보였다. 반면 STS 316L 을클래딩하고있는 C1030 소재의경우온도의증가에따라연신된두께측의감소가얇아지고있는것을확인할수있었다. 이는온도증가함에따라 C1030 소재의탄성계수가감소하여소성변형이크게나타난것으로판단된다 1,3). 따라서온도변화에따른클레드메탈의기계적강도의감소의원인은압연시가공경화된 C1030 소재의열에의한연화효과가지배적인것으로판단된다. Fig. 4는 Cu/STS/Cu 3층클래드메탈의실험온도변화에따른샘플의단면및경도값의변화를나타내었다. Fig. 4(a) 는시험전단면광학현미경으로관찰한단면이미지이다. 경도시험전상온에서단면이미지를분석한결과각층간의경계면에서결합이없는안정된 3층구조를나타내었다. Fig. 4(b) 는 Cu/STS/ Cu 3층클래드메탈의실험온도변화에따른각층별경도를측정한결과를나타내었다. 실험시 STS 및 Cu 소재별열처리효과에따른미소경도를측정한결과상 大韓熔接 接合學會誌第 31 卷第 5 號, 2013 年 10 月 445
80 김용성 김일권 3 2 Detector(V) Corrected(V) Fit(V) 1 0 Hardness (Hv) 500 400 300 200 100 0 (a) RT 100 150 200 Temperature( ) Cu STS (b) Fig. 4 Cross sectional image(a) and change of micro Vickers hardness of the Cu/STS/Cu 3-layered clad metal lead frame material(b) at different temperatures ranging from RT to 200 온에서 150 까지는경도의변화가크게나타나지않았으며, 소재의가공에따른경도의균질도는매우균질한값을나타내었다. 그러나 200 에서열처리된클래드메탈은 STS 소재의경우경도의감소는 5% 미만의변화를보였으나, Cu소재의경우경도가약 20% 이상크게감소하는경향을나타내었다. 따라서 200 고온상황에서클래드소재의경도특성은평균적으로 10% 를상회함을나타내었으나클래드소재의경도에대한열안정성은크게감소되지않음을알수있다. Fig. 5는상온에서 laser flash 법으로측정된 Cu/ STS/Cu 3층클래드메탈리드프레임소재의열확산계수측정결과와온도변화에따른클래드메탈의열전도도, 비열, 열확산계수를비교하여나타내었다. 시차주사열량계로상온에서 200 까지온도의변화를주어 Cu/STS/Cu 3층클래드메탈의비열을측정한결과온도가증가함에따라비열특성이약간증가하는경향을보였다. 하지만 laser flash 법으로상온에서 200 까지온도의변화를주어열확산계수를측정한결과온도가증가함에따라열확산계수가감소하 Diffusivity (mm 2 /s) 100 80 60 40 20 0 100 200 300 RT 100 Time (ms) (a) 150 Temperature ( ) (b) Diffusivity Conductivity Cp Fig. 5 Laser Flash measurement result (a) and diffusivity, Cp, conductivity of Cu/STS/Cu 3-layered clad metal lead frame material (b) at different temperatures ranging from RT to 200 는경향을나타내었다. 측정된비열과열확산계수, 밀도값을이용하여식 (1) 를사용하여계산된평균열전도도는 270.2(W/m K) 나타났으며, 온도변화에따른값을변화는크게나타나지않았다. 이는온도가증가함에따라비열특성의값이증가하였으나, 열확산계수가오히려감소하여열전도도값에크게변화가나타나지않은것으로판단된다. 따라서 Cu/STS/Cu 3층클래드메탈은열전도도가약 270(W/m K) 수준으로방열특성은온도에영향을받지않는것으로나타났다. 따라서본실험에서검토된상온에서 200 까지열전달계수의변화가전혀나타나지않은것을고려한다면클래드소재의 LED 패키징리드프레임으로사용시칩에서발열하는온도구간인 100 전후에서안정된방열특성을나타낼것으로판단된다. 200 4. 결론 압연공정에서압연율 85% 를적용하여 Cu/STS/Cu 3층구조의클래드메탈리드프레임소재를제조하였다. 320 300 280 260 240 220 200 Conductivity (W/m k) 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Cp(J/g/K) 446 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 5, October, 2013
LED 리드프레임패키징용 Cu/STS/Cu 클래드메탈의기계및열전도특성의온도안정성연구 81 제조된 Cu/STS/Cu 클래드메탈리드프레임소재는온도의안정성을확보하기위해온도변화에따른기계적, 열전도도특성을분석하였다. Cu/STS/Cu 클래드메탈의기계및열전도도특성에서다음과같은결론을얻었다. 1) 기계적인장강도는상온에서 53.72 kg/mm 2 의가장우수한인장강도를확보하였다. 2) 열처리효과에따른마이크로비커스경도측정결과열처리효과에의한경도의변화는 150 까지는크게변화가나타나지않아상온에서 150 까지의열안정성을확보하였다. 3) 온도변화에따른열전도도는약 270(W/m K) 로높은열전달특성을나타냈으며온도변화에따른열전도도는크게나타나지않았다. 따라서상온에서 200 까지우수한열안정성을가진열전달특성을확보하였다. 이상의결론으로부터 Cu/STS/Cu 3층구조의클래드메탈리드프레임소재는상온에서 150 까지원소재의특성을 95% 이상유지하는안정한기계및열전달특성을확보하였다. 따라서 LED 패키징용클래드메탈리드프레임소재로적용가능할것으로예상된다. 감사의글 본연구는 2011-0643 지식경제부의부품소재기술개발사업관리번호 : 100383982) 연구비지원에의해수행되었습니다. References 1. Young-Bae Kim, Jongsup Lee, Guen-Ahn Lee and Sangmok Lee An Overview and Prospects for Hybrid Materials Trends in Metals &Materials Engineering, 24, 4 (2011), 24-30 (in Korean) 2. Chang-Hun Lee, Ki-Chul Kim and Young-Sung Kim Study on the Mechanical Properties and Thermal Conductive Properties of Cu/STS/Cu Clad Metal for LED/semiconductor Package Device Lead Frame, Journal of KWJS, 30-3 (2012), 230-235 (in Korean) 3. E. Fred Schubert, Light Emitting Diodes, 2 nd Ed. p.13, Cambridge University Press, 2003 4. D. J. Lee, D. H. Ahn, E. Y. Yoon, S. I. Hong, S. H. Lee and H. S. Kim, Estimating interface bonding strength in clad metals using digital image correlation, Scripta Materialia 68 (2013), 893-896 5. S. H. Kee, W. J. Kim, J. P. Jung, Reflection characteristics of electroless deposited Sn-3.5Ag for LED lead frames, Surface & Coatings Technology 235 (2013), 778-783 6. Y. H. Cho, B. J. Kwon, Main issur and technology trend of domestic and international LED lignt, Korea institute of S&T evaluation and planning, 2010-2 (2010), 109-134 (in Korean) 7. S. J. Yoo, D. H. Kim, Super thin 0.25 mm thickness white LED lamp with PCB type lead frame, journal of the korean institute of electrical and electronic material engineers, 23-1(2010), 34-37 (in Korean) 8. B. J. Kim, M. H. Jeong, S. H. Hwang, H. Y. Lee, S. W. Lee, K. D. Chun, Y. B. Park, Y. C. Joo, Relationship between tensile characteristics and Fatigue failure by folding or bending in Cu foil on flexible substrate, J. Microelectron. Packag. Soc., 18-1 (2011), 55 9. J. S. Jeong, K. H. Shin, J. H. Kim, Estimation of mechanical properties of Sn-xAg-0.5Cu lead-free solder by tensile test, Jounal of KWJS, 29-1 (2011), 41-45 (in Korean) 10. Soon-Jae Yu, Do-Hyung Kim, Yong-Seok Choi and Heetae Kim, Development of a very small LED lamp with a low-thermal-resistance lead frame for an LCD backlight unit, J. Information Display, 10-2 (2009), 49-52 11.R. Kisiel, M. Jarosz, Thermal properties of SiCceramics substrate interface made by silver glass composition, Electronics Technology(ISSE), 34th International spring seminar on. (2011), 98-102 大韓熔接 接合學會誌第 31 卷第 5 號, 2013 年 10 月 447