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KR100260686B1 - 저열전도성삽입물을사용하여고열전도성기판을기밀밀봉시키는방법 - Google Patents

저열전도성삽입물을사용하여고열전도성기판을기밀밀봉시키는방법 Download PDF

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KR100260686B1
KR100260686B1 KR1019970048180A KR19970048180A KR100260686B1 KR 100260686 B1 KR100260686 B1 KR 100260686B1 KR 1019970048180 A KR1019970048180 A KR 1019970048180A KR 19970048180 A KR19970048180 A KR 19970048180A KR 100260686 B1 KR100260686 B1 KR 100260686B1
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KR
South Korea
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thermally conductive
thermal conductivity
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라에티스 이코노미코스
레스터 윈 헤론
마리오 제이 인터란트
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포만 제프리 엘
인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

본 발명은 일반적으로, 저 열전도성 삽입물(interposer) 및 그의 구조물을 사용하여 질화 알루미늄 기판과 같은 고 열전도성 기판을 기밀 밀봉(hermetically sealing)시키는 신규한 방법에 관한 것이다. 더욱 특히는, 본 발명은 신규한 열 삽입물에 의해 질화 알루미늄 기판에 고정시키는 기밀 캡(cap)에 관한 것이다. 신규한 열 삽입물은 기본적으로 저 열전도성인 금속성 물질의 코어층이 샌드위치된 비교적 고 열전도성의 금속성 물질의 층으로 이루어져 있다.

Description

저 열전도성 삽입물을 사용하여 고 열전도성 기판을 기밀 밀봉시키는 방법{HERMETIC SEALING OF A SUBSTRATE OF HIGH THERMAL CONDUCTIVITY USING AN INTERPOSER OF LOW THERMAL CONDUCTIVITY}
본 발명은 일반적으로 저 열전도성 삽입물과 그의 구조물을 사용하여 질화 알루미늄 기판과 같은 고 열전도성 기판을 기밀 밀봉시키는 신규한 방법에 관한 것이다. 더욱 특히는, 본 발명은 신규한 열 삽입물을 사용하여 질화 알루미늄 기판에 고정되는 기밀 캡에 관한 것이다. 신규한 열 삽입물은 기본적으로 저 열전도성인 금속성 물질의 코어층이 샌드위치된 비교적 고 열전도성인 금속성 물질의 층으로 이루어져 있다.
반도체 소자는 신규한 기술의 발전에 따라 점점 소형화되고 집적화되고 있다. 그러나, 회로 밀도가 증가함에 따라서 경쟁성을 유지하기 위한 전체 칩 요건이 그에 상응하게 증가하고 있다. 따라서 칩의 제조 방법과 칩을 제조하는데 사용되는 재료를 개선시키는 신규한 방법을 개발함으로써 고품질의 칩을 제조하려는 칩 제조사들의 연구가 계속되고 있다. 공정 변수를 없애거나 감소시키는 중요한 개선이 있어 왔으나 공정을 개선시키는 것만으로는 수율과 신뢰도 둘다를 증진시키는데 충분하지 않다. 따라서, 반도체 제조사가 경쟁력을 유지하려면 신규한 방법과 구조물을 발견해야 한다.
미국 특허 제 4,020,987 호(하스코에(Hascoe))는 용기를 기밀 밀봉시키는데 사용하기 위한 천공된 솔더 예비성형물 환(solder preform ring)을 성형하도록 천공된, 상부 및 하부가 얇은 합금으로 코팅된 두꺼운 합금 코어를 개시한다.
미국 특허 제 5,159,432 호(오쿠보(Ohkubo))는 우수한 열 복사성을 갖고 저 융점 유리로 기밀 밀봉되는 질화 알루미늄(AlN) 기판을 사용하는 반도체 소자용 패키지를 개시한다.
미국 특허 제 5,463,248 호(야노(Yano))는 반도체 소자가 적재된 질화 알루미늄 기판과, 밀봉 유리(sealing glass) 및 고정 유리(fixing glass)에 의해 상기 기판에 고정된 세라믹 밀봉 부재 또는 캡을 포함하는 반도체 패키지를 교시한다.
전술한 방법은 모두 기밀 밀봉을 위해서 전체 패키지가 노(furnace) 속에서 재유동(reflow)시킬 것을 요구한다.
그러나, 심 밀봉법(seam sealing method)이라고 알려진 저항 납땜 방법(resistance soldering process)을 사용하여 세라믹 패키지상에 금속성 리드(lid)를 기밀 밀봉(솔더땜/브레이즈땜(solder/braze))시킬 수 있다. 세라믹 또는 유리-세라믹 패키지를 기본으로 하는 상기 종래의 알루미나 기판은 비교적 낮은 열전도성을 갖기 때문에, 심 밀봉 공정을 사용하는 솔더/브레이즈 접합부의 재유동에 요구되는 국소 가열을 용이하게 한다.
그러나, 질화 알루미늄(AlN) 기판은 비교적 높은 열전도성을 갖도록 구성되어 있기 때문에 열 캡 또는 리드와 AlN 기판상의 밀봉 환상 금속화물 사이의 브레이즈땜/솔더땜 접합부의 습윤화(wetting)/재유동을 완결시키는데 필요한 충분한 국소 가열을 유지시키기가 매우 어렵다.
그러나 본 발명자들은 열 캡 또는 리드와 AlN 기판사이에 혁신적인 밀봉 환상 열 삽입물(seal ring thermal interposer)을 사용함으로써, 전자 소자를 AlN 기판의 표면에 적재시킴과 동시에 열 캡 또는 리드를 예를 들면 AlN 기판과 같은 비교적 열전도성이 높은 기판에 고정시키는데 있어서의 문제점들을 극복할 수 있는 방법을 발견하였다.
본 발명은 열 삽입물 및 그의 구조물을 사용하여 질화 알루미늄 기판과 같은 높은 열전도성 기판을 기밀 밀봉시키는 신규한 방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 한 목적은 신규한 열 삽입물을 사용하여 질화 알루미늄 기판과 같은 높은 열전도성 기판에 고정된 기밀 캡을 제공하는 방법 및 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 기본적으로 저 열전도성인 금속성 물질의 코어층이 샌드위치된 고 열전도성인 금속성 물질의 층으로 이루어진 신규한 열 삽입물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 삽입물 코어의 TCE(열팽창계수)를 AlN 기판의 TCE와 일치시키는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 비교적 낮은 열전도성을 갖는 열 삽입물의 코어층을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 AlN 기판의 TCE를 일치시키고 기밀 밀봉을 제공하는, 비교적 낮은 열전도성을 갖는 물질로 이루어진 리드 또는 열 캡을 제공하는 것이다.
그러므로, 한 실시태양에서 본 발명은 ① 고 열전도성 기판의 표면상에 액자(picture frame)를 형성시키는 하나이상의 밀봉 밴드(seal band)를 상기 고 열전도성 기판의 주변부에 고정시키는 단계; ② 하나이상의 제 1 고 열전도성 물질을 상기 하나이상의 밀봉 밴드에 고정시키는 단계; ③ 하나이상의 저 열전도성 물질을 상기 하나이상의 제 1 고 열전도성 물질에 고정시키는 단계; ④ 하나이상의 제 2 열전도성 물질을 상기 하나이상의 저 열전도성 물질에 고정시키는 단계; ⑤ 상기 저 열전도성 캡을 상기 하나이상의 제 2 고 열전도성 물질에 고정시키는 단계를 포함하는, 저 열전도성 캡을 저 열전도성 기판에 고정시키는 방법을 포함한다.
또다른 실시태양에서 본 발명은 밀봉 밴드에 의해 고 열전도성 기판에 고정된 저 열전도성 캡, 제 1 고 열전도성 물질, 저 열전도성 물질 및 제 2 고 열전도성 물질을 포함하는 반도체 패키지를 포함한다.
도 1은 본 발명의 열 삽입물이 AlN 기판에 고정된 것을 보여주는 본 발명의 실시태양을 예시한다.
도 2는 캡이 본 발명의 열 삽입물을 통해 캡이 AlN 기판에 고정된 것을 보여주는 본 발명의 완전한 실시태양을 예시한다.
질화 알루미늄(AlN) 기판의 기밀 밀봉은 전형적으로는 노 재유동법(furnace reflow method)에 의해 수행된다. 노 재유동법에서는 기본적으로 전체 AlN 패키지를 노 속에 위치시킨다.
이어서 노의 온도를 AlN 패키지의 밀봉에 사용되는 솔더/브레이즈의 재유동 온도로 상승시킨다. 노 재유동법에서 통상적으로 사용되는 솔더/브레이즈 온도는 약 225℃ 내지 약 400℃이다. 상기 높은 재유동 온도로 인해서, 몇 개만 예를 들면 반도체 칩, 커플링 분해 커패시터, 임의의 박막 와이어링과 같은 전자 소자 또는 부품들을 표면 적재시키는데 심각한 결과가 생긴다.
노 재유동법을 사용했을 때 일어날 수 있는 다른 문제점은 임의의 열적 열화 뿐만 아니라 후속되는 재유동로 인한 부착된 부품들의 신뢰도이다.
심 밀봉법은 사용될 수 있는 또다른 방법이다. 심 밀봉법은 전극이 접촉되는 국소 영역에 있는 솔더/브레이즈를 재유동시키는 저항 용접(resistance welding)을 사용한다.
심 밀봉법은 외부 리드-밀봉 영역에 근접한 전극 휠(electrode wheel)을 사용함을 포함한다. 이어서 전극 휠을 리드-밀봉 영역에서 제거하고 리드-밀봉 영역에서 고온을 사용하여 브레이즈 또는 솔더를 재유동시키고 이어서 리드를 리드-밀봉 영역에서 밀봉시킨다.
금속 리드의 종래의 심 밀봉법을 일반적으로 알루미나 및 유리-세라믹과 같은 저 열전도성 기판상에서 수행시킨다. 전극에 가해진 펄스 전류는 짧은 시간대(밀리초)이다.
그러나, 질화 알루미늄과 같은 고 열전도성 기판에 상기 종래의 심 밀봉 방법을 사용하는 경우, 기판으로의 열 소산이 너무나 빨라 기판 밀봉 밴드로의 브레이즈/솔더의 재유동 및 습윤화가 불완전하게 된다.
그러나, 본 발명자들은 AlN 기판과 같은 고 열전도성 기판을 저 열전도성 삽입물과 함께 심 밀봉법을 사용하여 기밀 밀봉시킬 수 있음을 발견하였다. 이해를 쉽게 하기 위해서, 고 열전도성 기판을 AlN 기판의 구체적인 실시예에 의해 예시하였다.
본 발명의 심 밀봉법에서는, 리드-밀봉 영역에서만 열을 집중시키는 삽입물의 낮은 열전도성 때문에 AlN 기판상에서 국소 가열로 인한 신뢰도 문제가 없다.
본 발명은 바람직하게는 질화 알루미늄 기판과 같은 고 열전도성 기판의 열팽창계수(TCE)를 일치시키는 열 삽입물의 사용을 포함한다. 열 삽입물을 사용하였더니 질화 알루미늄 기판으로의 열 소산이 현저하게 감소되어 솔더/브레이즈의 용융 및 기판 밀봉 환의 후속적인 습윤화가 완전하게 달성되었다. 열 삽입물은 비교적 낮은 열전도성을 가져야 한다.
본 발명의 양태는 신규하다고 생각되며 본 발명에 특징적인 요소는 특히 첨부된 특허청구범위에서 설정되어 있다. 도면은 단지 예시 목적으로 제시되었으며 일정 비율로 도시된 것은 아니다. 더욱이, 동일한 번호는 도면에서 동일한 부분을 나타낸다. 그러나, 본 발명의 구성 및 사용 방법 그 자체는 첨부된 도면과 관련하여 기술된 상세한 설명에 따라 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 열 삽입물(23)이 AlN 기판(10)과 같은 고 열전도성 기판(10)에 고정된 본 발명의 실시태양을 예시한다. 우선 AlN 기판(10)에서, 예를 들면 솔더/브레이즈층(13)과 같은 하나이상의 제 1 고 열전도성 물질층(13)을 질화 알루미늄 기판(10)상에 놓인 니켈/금 도금된 금속화 밀봉 환(19)과 같은 밀봉 밴드 또는 환(19)상에 형성시킨다. 고 열전도성 기판(10)은 바람직하게는 약 140W/mK 내지 약 210W/mK의 열전도성을 갖는다.
밀봉 밴드 또는 환(19)을 밴드 또는 액자와 유사한 방식으로 AlN 기판(10)의 외부 주변부에서 형성시킨다. 밀봉 밴드층(19)으로서 바람직한 물질은 몇 개만 예를 들자면 니켈/금, 금/주석, 주석/은 또는 그의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
제 1 고 열전도성 물질층(13) 또는 솔더/브레이즈층(13)으로서 바람직한 물질은 몇 개만 예를 들자면 금/주석, 주석/은, 주석/납 또는 그의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
이어서 제 1 솔더/브레이즈층(13)상에 하나이상의 열 삽입물 코어(23)를 형성시킨다. 열 삽입물(23)로서 바람직한 물질은 몇 개만 예를 들자면 니켈/철, 알로이(Alloy) 42, 알로이 45 또는 그의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 바람직하게는, 저 열전도성 삽입물(23)은 약 14W/mK내지 약 20W/mK의 열전도성을 갖는다.
알로이 42 또는 열 삽입물(23)로서 사용할 수 있는 임의의 기타 유사한 물질을 사용하여 AlN 기판(10)의 TCE(열팽창계수)와 매우 유사한 TCE를 갖는 열 삽입물(23)을 제조할 수 있다.
예를 들면 커플링 분해 커패시터 또는 반도체 칩(27)과 같은 표면 적재 전자 부품(27)을 솔더볼(17)과 같은 상호접속물(17)을 사용하는 것과 같은 당해 분야에 잘 공지된 방법에 의해 AlN 기판(10)에 부착시킬 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이 리드 또는 캡(20)을 고정시키기 전 임의의 시점에서 전자 부품(27)을 AlN 기판(10)상에 적재시킬 수 있다. 그러나, AlN 기판(10)은 이해를 돕기 위해서 도시하지 않은 박막 와이어링 등과 같은 기타 전자 부품들을 가질 수 있다.
솔더/브레이즈층(15)과 같은 하나이상의 제 2 고 열전도성 물질층(15)을 열 삽입물(23)상에 형성시킬 수 있다. 제 2 솔더/브레이즈층(15)으로서 바람직한 물질은 몇 개만 예를 들자면 금/주석, 주석/은, 주석/납 또는 그의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
제 1 열전도성 물질(13) 또는 제 2 열전도성 물질(15)의 열전도성은 바람직하게는 약 50W/mK 내지 약 60W/mK이다.
도 2는 저 열전도성 캡(20)과 같은 열 캡 또는 리드(20)가 종래의 심 밀봉법에 의해 본 발명의 열 삽입물(23)을 통해 AlN 기판(10)상에 고정된, 본 발명의 완전한 실시태양인 AlN 패키지(25)를 예시한다. 열 캡 또는 리드(20)는 바람직하게는 알로이 42 리드(20)이다.
리드(20)를 열 삽입물(23)상에 적당히 심 밀봉시킴으로써 기밀 전자 패키지(25)를 제조한다.
열 삽입물(23)을 솔더/브레이즈층(13)으로 밀봉 밴드(19)에 예비-브레이즈땜시킴으로써 심 밀봉 공정 동안에 질화 알루미늄(AlN) 기판(10)으로의 열 소산이 현저히 감소됨이 밝혀졌다.
열 삽입물(23)은 또한 밀봉 밴드(19)로의 습윤화가 완결될 정도로 충분히 긴 시간동안 AlN 기판(10)으로의 열에너지의 소산을 방지한다는 것을 알았다. 이로써 전자 패키지(25)를 위한 재생가능한 기밀성(reproducible hermeticity)이 수득된다.
상기 공정에서 노 재유동법을 사용하여 제 1 솔더/브레이즈층(13) 및 삽입물 코어(23)를 밀봉 밴드(19)를 통해 AlN 기판(10)에 고정시킬 수 있다. 제 1 솔더/브레이즈층(13)의 노 재유동에 의해 AlN 기판(10)상에서 밀봉 환(19)으로의 열 삽입물(23)의 우수한 습윤화/연결이 보장된다. 질소와 수소의 대기를 사용하였을 때 최적의 노 재유동이 달성되었다. 솔더/브레이즈중의 공극이 최소화되었고 열 삽입물(23)의 상부 표면이 심 밀봉 공정동안에 깨끗함을 유지하였다.
열 삽입물(23)이 AlN 기판(10)으로의 열 전달을 현저하게 늦추어 재생가능한 기밀 밀봉을 달성하게 할 뿐만 아니라, 기판/브레이즈 계면에서 응력 감소기(stress reducer)로서도 작용한다는 것이 밝혀졌다.
AlN 기판(10)상에 밀봉 환(19)상에 예비-브레이즈땜된 열 삽입물(23)을 사용하면 심 밀봉 공정 동안에 열 캡 또는 리드(20)를 삽입물(23)에 부착시키는 브레이즈 예비성형물(15)이 균일하게 국소 재유동하게 된다.
이는 전술한 바와 같이 AlN 기판(10)으로의 열 소산이 열 삽입물(23)의 비교적 낮은 열전도성으로 인해 현저히 감소하기 때문에 일어난다. 이로써 브레이즈 예비성형물(15)에 의해 삽입물(23) 및 리드 표면(20)의 습윤화가 완전해지고 우수한 기밀성이 보장된다.
실시예
하기 실시예는 본 발명을 추가로 예시하기 위한 것이며 어떠한 방식으로라도 본 발명의 범위를 제한하고자 함이 아니다.
실시예 1
열 삽입물(23)을 갖지 않는 질화 알루미늄 패키지를 표준 심 밀봉 공정에 의해 제조하고 그 기밀성을 시험하였다. 이들 모든 패키지는 "액체에서 액체로(liquid to liquid)(-65℃ 내지 150℃) 시험"에서 실패하였다.
추가의 시험으로서, 금속 리드(20)를 AlN 기판(10)상에 심 밀봉시킬 경우, 임의의 브레이즈 또는 솔더 물질이 액체 상태가 되자마자 열이 AlN 기판(10)으로 빠르게 소산되기에 완벽한 열 전도 경로가 생성되어, 밀봉 밴드(19)와 삽입물(23)사이의 필릿팅(filleting) 또는 습윤화가 불완전해짐이 밝혀졌다. AlN 기판(10)의 TCE는 약 3.4×10-6ppm이었다.
실시예 2
열 삽입물(23)을 갖는 질화 알루미늄 패키지(25)를 본 발명의 심 밀봉 공정에 의해 제조하고, 액체에서 액체로(-65℃ 내지 150℃) 시험을 사용하여 그 기밀성을 시험하였다. 열 삽입물(23)을 갖는 AlN 패키지(25)는 2,000 사이클이 넘은 후에도 기밀성을 가졌다.
사용된 알로이 42의 TCE는 약 4.3×10-6ppm인 반면에 AlN 기판(10)의 TCE는 약 3.4×10-6ppm이었다.
본 발명을 특히 구체적인 바람직한 실시태양과 관련하여 기술하였으나, 당해 분야의 숙련자들이라면 전술한 설명으로부터 다른 많은 변경, 개조 및 변화가 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진정한 범위 및 개념에 들어가는 임의의 이러한 변경, 개조 및 변화를 포함할 것이다.
본 발명에서는 열 캡 또는 리드와 AlN 기판사이에 혁신적인 밀봉 환상 열 삽입물을 사용함으로써, 전자 소자를 AlN 기판의 표면에 적재시킴과 동시에 열 캡 또는 리드를 예를 들면 AlN 기판과 같은 비교적 열전도성이 높은 기판에 고정시키는데 있어서의 종래의 문제점들을 극복할 수 있다.

Claims (15)

  1. 반도체 패키지에 있어서,
    밀봉 밴드(seal band)에 의해 고 열전도성 기판에 고정된 저 열전도성 캡(cap)을 포함하고, 상기 밀봉 밴드가 상기 고 열전도성 기판을 하나 이상의 제 1 고 열전도성 물질에 고정시키고, 하나 이상의 저 열전도성 물질이 상기 하나 이상의 제 1 고 열전도성 물질을 하나 이상의 제 2 고 열전도성 물질에 고정시키고, 상기 하나 이상의 제 2 고 열전도성 물질이 상기 저 열전도성 캡과 접촉 고정되어 있는 반도체 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 밴드가 니켈/금, 금/주석, 주석/은 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 반도체 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 고 열전도성 물질이 금/주석, 주석/은, 주석/납 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 반도체 패키지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 고 열전도성 물질이 금/주석, 주석/은, 주석/납 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 반도체 패키지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 열전도성 물질이 니켈/철, 알로이(Alloy) 42, 알로이 45 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 반도체 패키지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 열전도성 캡의 재료가 니켈/철, 알로이 42, 알로이 45 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 반도체 패키지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고 열전도성 기판이 질화 알루미늄 기판인 반도체 패키지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    노 재유동법(furnace reflow method)에 의해 상기 제 1 고 열전도성 물질이 상기 고 열전도성 기판상의 상기 밀봉 밴드에 고정된 반도체 패키지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    심 밀봉법(seam sealing method)에 의해 상기 저 열전도성 캡이 상기 제 2 고 열전도성 물질에 고정된 반도체 패키지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 열전도성 캡이 상기 고 열전도성 기판과 기밀 밀봉(hermetic seal)을 형성하는 반도체 패키지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    하나이상의 반도체 소자가 상기 고 열전도성 기판에 고정된 반도체 패키지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    하나이상의 반도체 소자가 상기 고 열전도성 기판에 고정되고, 상기 반도체 소자가 반도체 칩, 박막 와이어링, 커플링 분해 커패시터를 포함하는 그룹으로부터 선택된 반도체 패키지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 고 열전도성 기판이 약 140W/mK 내지 약 210W/mK의 열전도성을 갖는 반도체 패키지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 열전도성 물질이 약 14W/mK 내지 약 20W/mK의 열전도성을 갖는 반도체 패키지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 고 열전도성 물질이 약 50W/mK 내지 약 60W/mK의 열전도성을 갖는 반도체 패키지.
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