2-14) MEMS, 공정, 접합 기술, 여러 접합들

그 밖의 접합 방법들

 

접착제 적용 접합 기술들은 실로 여러가지입니다.  재료, 즉 중간 접착제만 보더라도 유리 용액이나 프릿으로부터 금속 공융 합금, 그리고 에폭시 등의 고분자로 다양하며, 이들은 각각 서로 다른 공정 조건, 온도, 압력, 분위기 가스 등에서 이루어지죠.  접합 후에도 탈 기체 현상, 정렬 오차의 발생, 내구성이나 내환경성 등에서 독자적인 특징들을 가지고 있어 공정 여건과 응용도, 사용 환경 등에 따라 면밀한 선택이 요구됩니다.

 

 

유리 프릿의 경우, 기본적으로 유리 매트릭스에 열팽창 계수를 조절하고 내구성을 올릴 수 있는 필러들을 첨가한 접착제입니다.  접합할 영역에 수~수십 마이크로의 두께로 설치한 뒤, 압력을 인가하면서 유리 프릿의 작업 온도 혹은 용융 온도까지 온도를 올려 프릿이 표면 형상을 따라 잘 도포되도록 한 다음에 냉각을 시켜 접합을 완성합니다.  한쪽 기판이 투명할 경우, 레이저 빔을 이용하여 선택적으로 프릿 공정을 진행할 수도 있죠.  접합 내구성과 기밀성이 좋아서 MEMS나 반도체 패키징 응용에 더하여 OLED와 같은 유기물로 이루어진 디스플레이를 밀봉할 때에도 종종 사용되고 있습니다.

 

 

용융 접합에서는 재료 공학에 대한 기초 지식도 필요로 하며, 특히 상태도(phase diagram) 등은 정확히 이해하여야 공융 접합(eutectic bonding) 등을 설계, 수행할 수 있습니다.  상태도와 관련된 내용들은 아래 참고 자료의 링크를 활용하기 바랍니다.  이에 더하여 접합 공정에서 두 기판 간의 접합 정렬도가 흔들리지 말아야 하며, 두 개 이상의 화합물에서 원자들 간의 상호 확산이나 조성 변화도 함께 고려되어야 합니다.  예를 들어 실리콘과 금 화합물을 이용한 공융 접합의 경우 실리콘 원자들이 금의 용매 안으로 확산이 되어 공융 상태를 유지하기 위한 정확한 조성과 온도 조절이 필요하죠.  물론 두 기판 간의 정렬 오차를 최소화하기 위해서는 단시간 내에 액상(liquid phase)과 고상(solid phase)의 공존 영역을 거치지 않고 액체 상태로부터 바로 고체 상태로 전환이 되는 공유 접합 조건이 필수적임은 자명합니다.

 

 

 

 

Au-Si 공융 접합

 

직접 접합 공정에 비해 반도체 공정 친화성은 떨어지더라도, 즉, 접합 후 후속 반도체 공정으로 이어지기는 만만치 않을 지라도 밀봉이나 패키징이 웨이퍼 단위로 진행되는 웨이퍼 레벨 패키징 공정은 접착제를 사용한 접합에서도 가능합니다.  이를 위해서는 다소 가혹한 후속 공정, 즉 세정이나 절단, 연마 등에서도 견딜 수 있을 점도로 강하고 안정된 접합이 요구되며, 에폭시와 같은 고분자 물질을 이용한 접합에 비해 상대적으로 높은 접합 강도를 갖는 유리 프릿류를 이용한 접합이 유리하다고 볼 수 있죠.  그리고, 열과 함께 압력을 인가하여 접합을 이루어가는 열 압착 접합(thermo-compressive bonding) 등이 효과적일 수도 있습니다.

 

 

합금 솔더나 유리 프릿 등에 비해 고분자 접착제들은 회사마다 각각의 모델명과 조성, 패터닝 가능 여부, 열 팽창 계수, 유리 전이 온도, 소결 온도, 유전율, 탄성 계수, 열 안정성과 변형 정도, 보관 조건과 수명 등, 서로 다른 특성들을 지니고 있습니다.  이에 대한 충분한 고려와 설계가 공정 이전에 있어야 함은 자명합니다.

 

 

 

 

# 참고로 하고 있는 여러 자료의 도움에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

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2-14. MEMS, 공정, 접합 기술, 여러 접합들-복사.pdf

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1-18. 합금, 상태도