The heat generation problem in the electronic packaging components has been recently a critical issue because the electronic devices are of highly integrated circuit density, small size, light weight and rapidly high heat density generated from the semiconductors. The problems caused directly by the increase of heat density from the electronic packaging components are summarized as follows. Firstly, the degradation of the electronic packaging components occurs due to an increase of temperature in the electronic packaging components. It is reported that the life of semi-conductor such as Si or GaAs is reduced by 70∼75% as the service temperature increases by 10℃. The higher increase of the temperature in electronic packaging components is expected due to the trend of becoming small in size with high performance and high integrity. For example, the heat dissipation of Intel 368DX widely used in the microprocessor of popular PC in early 90s was 2W, while that of Intel Pentium used in the late 90s was 16W. Therefore, if the new grade heat sink materials are developed in order to solve the problems about the heat dissipation, the remarkable advantages in electronic packaging industry can be expected. Secondly, the thermal stress in solder or electronic packaging components increases due to the large difference in thermal expansion coefficients between the semiconductor and the electronic packaging component. From the result of the increased thermal stress, the fracture of devices takes place and the life of electronic packaging components is reduced. Therefore, the thermal expansion coefficients need to be similar to each other in order to reduce the thermal stress. The high performance and the long-term life cycle of electronic devices can be expected by developing such a material having low thermal expansion coefficient similar to that of semiconductor. Thirdly, the materials with the low density and the high specific strength(strength/density) are also needed to satisfy the required properties of electronic packaging components. One approach to meet these requirements mentioned above is to develop the new material, such as metal matrix composites(MMCs). The MMCs consist of the ceramic reinforcement with high strength and low thermal expansion coefficient and the metal matrix with high toughness and high thermal conductivity.
The objectives of this study are as follows: to establish the fabrication process of $SiC_p/Al$ MMCs having thermal expansion coefficient lower than 8ppm/K and thermal conductivity higher than 130w/mK; to construct the data-base on the design of electronic package by using the characterization and theoretical modeling of thermophysical properties of the fabricated $SiC_p/Al$ MMCs; to carry out the study on fabrication process of $SiC_p/Al$ MMCs for highly integrated electronic packaging components used in telecommunication industry with high thermal conductivity-low thermal expansion coefficient-low density. The results obtained from this study are expected to be a cornerstone in the application field of highly integrated electronic packaging components for telecommunication industry.
In order to fabricate the $SiC_p/Al$ MMCs for the electronic packaging applications, the pressure infiltration casting process was used in this study. Prior to the pressure infiltration casting process, the fabrication process of SiC particulate preforms needs to be established. The fabrication process of SiC particulate preform was carried out by using two methods, i.e., the vacuum assisted extraction method and the ball milling and pressing method, respectively. The optimum conditions of the preform fabrication process with SiC particles were investigated by controlling the fabrication variables such as mixing, drying, and calcination process. And also, the pressure infiltration casting process was established with the optimum fabrication variables such as melt temperature and infiltration pressure. As a successful result, the 50∼76vol% $SiC_p/Al$ MMCs could be fabricated. Then, the study on microstructures, thermophysical properties and theoretical modelling of 50∼76vol% $SiC_p/Al$ MMCs were carried out. Finally, the electronic packaging components such as heat spreader and microprocessor lids were fabricated. A prototype of electronic packaging component by $SiC_p/Al$ MMCs was successfully fabricated based on the established fabrication process. It shows an undeniable fact that $SiC_p/Al$ MMCs can be certainly applied in electronic packaging components. Therefore, the overall scope of this study involves fabrication process, thermophysical properties, theoretical modelling and fabrication of electronic packaging components using $SiC_p/Al$ MMCs having thermal expansion coefficient under 8ppm/K, and thermal conductivity over 130W/mK.
It could be concluded from the study on fabrication process, microstructures and thermophysical properties as following. The maximum volume fraction of the preform manufactured by vacuum assisted extraction method was 50vol%, while that by ball milling & pressing method was 76vol%. In order to prevent microcracks in SiC particulate preform due to the rapid vaporization of moisture during drying process, two-step drying process involving natural drying at 25℃ for 36hrs and forced drying at 100℃ for 12hrs was newly developed. The compressive strength of the preform increased due to the formation of $SiO_2$ during the calcination process having crystobalite phase between SiC particles. In this study, the fabrication processes for high volume fraction over 70% SiC particulate preform were nation wide firstly developed.
The 50~76vol% SiCp/Al MMCs were fabricated by pressure infiltration casting process. The infiltration behaviors of Al melt were investigated by the fabrication variables such as melt temperature, preheat temperature, infiltration pressure, etc. and the optimum conditions was suggested in this study. When the melt temperature of Al and the preheat temperature of SiC particulate preform was high enough not to solidify the Al melt on the surface of SiC particulate preform and the thermal equilibrium between Al melt and SiC particulate preform occurred, the Al melt could be infiltrated completely. The microstructures of 50~60vol% SiCp/Al MMCs using unimodal size of SiC particle, 70vol% $SiC_p/Al$ MMCs using bimodal sizes of SiC particle, and 76vol% $SiC_p/Al$ MMCs using trimodal sizes of SiC particle were much different. The microstructure of 70vol% $SiC_p/Al$ MMCs using 8mm and 48mm SiC particles showed that 8mm SiC particles were located between 48mm SiC particles. And the microstructure of 76vol% $SiC_p/Al$ MMCs using 0.2μm, 3μm and 48μm SiC particles showed that 0.2μm, 3μm SiC particles were located crowdedly between 48μm SiC particles. It was observed that the 3~8% pores were remained at the interfaces of SiC particles and Al matrix because the smaller SiC particles played a role of the obstacles for the infiltration of Al melt.
The thermal conductivity of the $SiC_p/Al$ MMC were obtained in the range of 85∼185W/mK and thermal expansion coefficient in the range of 6∼14ppm/K. Thermal property of $SiC_p/Al$ MMCs was sensitively dependent on the preform conditions such as amount of inorganic binder, volume fraction of reinforcement, on the infiltration conditions such as infiltration pressure, melt temperature and on the microstructure conditions such as porosity. However, the thermal expansion coefficient of $SiC_p/Al$ MMCs was not dependent on all the variables except the volume fraction of SiC particles. Thermal conductivity and thermal expansion coefficient of 70vol% $SiC_p/Al$ MMCs were 155W/mK and 6.7ppm/K, respectively, and the density was 3.0g/㎤. This result shows outstandingly better properties compared to the conventional electronic packaging materials such as ceramics or metals. The numerical relationships among fabrication process-microstructure-thermophysical property were established by using the theoretical modelling, enabling to predict on the thermophysical properties. The analysis of thermophysical properties on the effect of pore in $SiC_p/Al$ MMCs was carried out by the theoretical modelling considering the paths for thermal conductivity. Ultimately, the relationships of fabrication process, microstructure, thermophysical properties, theoretical modelling were deduced from this study.
Based on the result from this study, the electronic packaging components such as heat spreader and microprocessor lids were fabricated using $SiC_p/Al$ MMCs. Therefore, from this results, it is convincingly possible to replace the electronic packaging materials with the MMCs. The established data-base on the properties of the electronic packaging component using MMCs can be used as a basic design guide to develop the process of the advanced electronic packaging applications. Hereby, it is expected that the competitive power of domestic telecommunication industries increase through producing the electronic packaging components for excellent thermophysical properties, highly integrated circuit density and highly generating power in the nation.
최근 전자부품내의 소자의 집적도가 커지고 경박단소화되면서 소자로부터 발생되는 열의 밀도가 급속히 높아지는 경향을 나타내고 있다. 이로 인해 발생하는 전자패키징 부품에서의 문제점은 다음과 같다. 첫째, 반도체 소자의 온도 상승으로 인해 일어나는 수명 단축과 신뢰성의 감소이다. Si 또는 GaAs 계열의 반도체 소자는 사용 온도가 10℃ 증가됨에 따라 수명이 70-75%씩 감소하는 것으로 나타나는 것으로 보고되고 있다. 이러한 반도체 소자의 온도상승은 전자부품의 소형화, 고성능화, 고집적화로 더욱 증대될 것으로 예측된다. 예를 들어, 90년대 초반에 대부분 개인 컴퓨터의 마이크로프로세서로 쓰이던 Intel 386DX의 발열량이 2W인데 비해 90년대 후반에 사용되던 Intel Pentium의 발열량은 16W로써 소요전력이 8배이상 증가하는 경향을 나타내는 것으로도 이러한 예측이 타당함을 알 수 있다. 따라서 전자패키징 소자의 수명 및 성능 감소의 주원인인 열방출 문제를 해결할 수 있는 열방출부품소재를 개발하여 대체할 경우 전자부품산업의 획기적인 발전을 기대할 수 있다. 둘째, 소자와 패키지사이의 열팽창 계수의 차이로 인해 접합부위의 솔더 및 소자에 가해지는 열응력이 높아지고 이로 인한 소자 및 솔더의 손상가능성이 높아진다. 따라서 전자패키징용 부품소재의 열팽창 계수를 반도체 소자의 열팽창 계수와 비슷하게 맞추어 줌으로써 열응력을 가능한 한 낮추어 주어야 반도체 소자의 고신뢰성 및 수명향상을 기대할 수 있다. 셋째, 전자부품의 소형화 및 경량화의 필요성이 증대됨에 따라 밀도가 낮으면서 고강도를 만족시킬 수 있는 비강도, 즉 단위 밀도 당 강도가 우수한 전자패키징 소재가 요구된다. 이러한 다양한 요구특성에 맞추어 최근에 관심이 집중되고 있는 소재가 금속복합재료(Metal Matrix Composites, MMC)이다. 금속복합재료는 고강도, 저열팽창계수의 특성을 지닌 세라믹을 강화재로 하고 고인성, 고열전도도의 특성을 지닌 금속을 기지로 하는 소재이다.
본 연구의 목적은 열팽창계수가 8ppm/K 이하이며, 열전도도가 130W/mK 이상인 고밀도 전자패키징용 $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 제조공정을 확립하는 것이며, 제조된 $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 열적특성평가 및 이론모델링에 의한 전자패키징 설계용 자료를 구축하여 고열전도도-저열팽창계수-저밀도 특성을 지닌 $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 제조 및 응용가능성을 연구하는 것이다.
전자패키징용 부품소재로서 요구되는 특성을 지닌 $SiC_p/Al$ 금속복합재료를 제조하기 위하여 본 연구에서는 가압함침법 공정을 연구하였으며 특히 가압함칩법으로 금속복합재료를 제조하는 데 필수적인 예비성형체의 제조는 진공압추출법과 볼밀링가압법으로 수행하였다. SiC 분말을 사용하여 예비성형체를 혼합조건, 건조조건, 소성조건변수에 따라 제조공정변수를 연구하였으며, 또한 제조된 SiC 분말 예비성형체에 Al 용탕을 용탕온도, 가압력 공정변수에 따라 가압함침하여 강화재 부피분율 50∼76%의 $SiC_p/Al$ 금속복합재료를 제조하였다. 제조된 $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 미세조직을 분석하였고 열적특성을 평가하였으며, 이로부터 고부피분율 복합재료의 열적특성을 예측할 수 있는 이론적 모델링을 연구하였다.
본 연구의 범위는 열팽창계수가 8ppm/K 이하이며, 열전도도가 130W/mK 이상인 고밀도 전자패키징용 $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 제조공정을 연구하는데 있으며 제조된 금속복합재료의 열적특성을 평가 및 해석하고 고부피분율 금속복합재료의 열적특성을 예측할 수 있는 모델을 연구하는데 있다.
전자패키징용 고부피분율 강화재분말 함유 50∼76vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료를 가압함침법으로 제조한 후 열적특성과 미세구조를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 예비성형체를 진공압추출법과 볼밀링가압법의 두 가지 공정으로 제조하였으며 진공압추출법으로 제조한 SiC 분말 예비성형체는 최대 50vol%수준의 강화재부피분율을 나타내었고, 볼밀링가압법으로 제조한 SiC 분말 예비성형체는 50vol%이상의 높은 강화재부피분율을 나타내었다. SiC 분말 예비성형체의 급격한 수분증발로 인한 SiC 분말 예비성형체내의 미세균열을 방지하기 위하여 상온에서 36시간동안 자연건조(natural drying), 100℃의 건조기 내에서 12시간동안 강제건조(forced drying)의 두 단계 건조공정을 적용하였다. SiC 분말 예비성형체는 소성공정을 통하여 압축강도가 향상되며 이는 예비성형체의 제조공정에서 첨가되는 무기바인더 $(colloidal SiO_2)$ 가 SiC분말입자사이에 잔류되고 소성공정을 통하여 결정화되어 crystobalite상을 형성하기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 SiC입자 부피분율 함유 50~76vol%의 고부피분율의 예비성형체를 제조하는 새로운 공정을 제시하였다.
본 연구에서는 가압함침공정으로 50~76vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료를 제조하였으며 용탕온도, 예열온도 및 가압력 등의 제조공정변수에 따른 Al 기지의 함침거동을 분석하여 최적의 가압함침조건을 제시하고자 하였다. 따라서 가압함침공정 중의 용탕온도, 예열온도 및 가압력 등을 실시간으로 분석하여 완전한 함침조조건은 Al용탕온도와 SiC 분말 예비성형체 예열온도가 예비성형체 표면에서 용탕이 응고하지 않을 정도로 충분히 높아야 하며 또한 적절한 가압시기는 Al용탕과 SiC분말 예비성형체가 온도평형을 이룰 때임을 알 수 있었다. 단일입자의 SiC분말을 사용한 50~60vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 미세조직과 이종크기의 SiC 분말을 사용한 70vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료 및 삼종크기의 SiC분말을 사용한 76vol% SiCp/Al 금속복합재료의 미세조직은 명확하게 다른 것을 관찰할 수 있었다. 8μm SiC와 48μm SiC의 SiC분말을 사용한 70vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 미세조직은 작은 크기의 8μm SiC가 큰 크기의 48μm SiC사이에 형성하고 있는 것을 알 수 있었으며 0.2μm, 3μm 및 48μm 크기의 SiC분말을 사용한 76vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 미세조직은 SiC입자들이 70vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료보다 더욱 조밀하게 분포되어 있음을 알 수 있었다. 이종크기 또는 삼종크기의 SiC입자를 사용한 70~76vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료에서는 3~8%의 기공이 SiC/Al 계면에서 관찰되었으며 큰 SiC입자사이에 위치한 작은 SiC입자가 Al용탕의 함침거동을 방해함에 따라 기공이 잔류하게 된다.
본 연구에서 개발한 50∼76vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 열전도도는 85∼185W/mK의 범위를 나타내었으며, 열팽창계수는 6∼14ppm/K의 범위를 나타내었다. $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 열전도도는 무기바인더 함량, 강화재 부피분율과 같은 예비성형체의 제조조건과 금속기지의 가압력 및 용탕온도와 같은 함침조건 및 기공도와 같은 미세조직변수에 따라 매우 다른 특성을 나타냄을 알 수 있었으며 반면에 $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 열팽창계수는 강화재 부피분율을 제외한 모든 변수에 의존하지 않는 것으로 관찰되었다. 특히, 강화재부피분율 70vol% $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 열전도도는 155W/mK, 열팽창계수는 6.7ppm/K, 밀도는 3.0g/㎤ 으로 기존의 금속계 및 세라믹계 전자패키징 부품소재에 비하여 우수한 특성을 나타내었다. 복합재료의 열전달 경로를 고려한 이론 모델링을 제시하여 $SiC_p/Al$ 금속복합재료의 SiC와 Al에 잔류하는 기공에 의한 열적특성변화를 분석하였으며 궁극적으로는 제조공정-미세조직-열적특성-이론모델링의 상관관계를 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 연구결과를 바탕으로 실제 전자패키징용 부품에 쓰일 수 있는 전자패키징용 실장품인 히트스프레더(heat spreader) 및 마이크로프로세서 리드(microprocessor lid)을 제조하였다. 이는 향후 전자패키징 부품소재에 금속복합재료로 대체가능함을 나타내며 이로 인하여 금속복합재료의 응용분야가 확대될 수 있는 계기를 마련하고자 하였다.
