반도체 정의, 반도체 장비, 반도체 재료

반도체의 정의
1.반도체란 무엇인가
전기가 반쯤 통하는 성질, 전기를 잘 통하지 않게 하는 이와 같은 것들을 부도체 또는 절연체 전기를 잘 통하게 하는 양도체,간단히 도체라고 부른다. 그런데 이세상에는 제작자의 의도에 의해 도체도 될 수 있고, 부도체도 될 수 있는 성질을 가진 것이 있는데 이것을 반도체라고 부른다.  반도체는 원하는 대로 저항의 크기를 조절하거나 빛을 내는 등 특별한 성능을 가질 수 있어, 전자 산업 발전의 핵심 역할을 하고 있다. 우리 주위의 모든 전자제품에는 반도체로 만든 조그마한 부품들이 들어 있으므로 우리는 반도체라는 물건에 둘러싸여 사는 셈이다.  반도체를 마법의돌, 전자 산업의 꽃, 산업의 쌀, 20세기 최대의 발명품 등으로 부르는 것은 당연한 일이기도 하다. 반도체는 독특한 몇 가지 특징을 가지고 있다.  ① 쇠붙이는 가열하면 저항이 커지지만 반도체는 반대로 작아진다.  ② 반도체에 섞여 있는 불순물의 양에 따라 저항을 매우 커지게도 할 수 있다.  ③ 교류전기를 직류전기로 바꾸는 정류작용을 할 수도 있다.  ④ 반도체가 빛을 받으면 저항이 작아지거나 전기를 일으키는데 이를 광전효과라 한다.  ⑤ 어떤 반도체는 전류를 흘리면 빛을 내기도 한다.
2.물질의 전기적 분류
① 전기를 잘 흘리는 물질을 도체  ② 전기가 잘 흐르지 않는 물질을 부도체  ③ 도체와 부도체의 중간 성질을 가진 물질을 반도체라한다.
3.반도체의 편리성
	반도체에 불순물을 첨가하거나 빛 또는 열을 가하여 전기가 흐르는 양을 조절할 수 있다. 반도체 물질에 열 또는 빛을 가하면 전구에 불을 켤 수 있다. 즉, 반도체의 전기적 성질이 변화됨을 알 수 있다.
4.반도체의 구성
반도체 물질에서 전기를 나르는 물질에는 자유전자(Free Electron)와 홀(Hole:구멍,즉 전자가 빠진 자리라는 뜻)이 있다. 이때 도핑(Doping: 불순물 주입)에 의해 전도도를 조절할 수 있다.  전자는 마이너스(Negative)전기를 가지고 있다. 전자가 많은 반도체를 N타입 반도체라 하고 홀이 많은 반도체를 P타입 반도체라고 한다.  N타입이나 P타입 반도체는 반도체에 첨가하는 불순물의 종류에 따라 마음대로 만들 수 있고, 그 불순물의 양에 따라 전자나 홀의 개수도 조절할 수 있다. 반도체는 여러 가지 특징을 가지고 있으므로 이것들을 이용하여 특별한 성능을 가진 부품을 만들 수 있다.
5.반도체의 특징
반도체 종류에는 다이오드,트랜지스터, IC(Integrated Circuit: 직접회로)등 여러 가지가 있는데 전자제품을 만드는 기본 요소가 된다고 해서 보통 반도체 소자라고 부른다.  다이오드(Diode)는 가장 간단한 반도체 소자로 P-N접합으로 되어있고 교류를 직류로 바꾼다거나 전파에서 소리를 끄집어내는 검파 작용을 한다. 트랜지스터는 P-N-P 또는 N-P-N 식이 있다. 작은 신호를 크게 하는 증폭작용이라는 아주 중요한 일을 한다.  집적회로는 사진기술과 밀접히 연관---개인용 컴퓨터나 핸드폰처럼 제품을 소형으로 만들 수 있는 것은 바로 집적화 기술 덕분이다.  트랜지스터나 다이오드를 개별소자라고 부르는 것에 비해 소자들을 모은 반도체를 집적회로라고 한다. 집적회로는 플래너(Planar) 기술이 개발된이래 눈부시게 발전하였다. 플래너 기술이란 웨이퍼라고 하는 평평한 반도체판 표면에 트랜지스터등의 소자를 새겨 넣는 것을 말한다.  이 집적회로 기술에는 사진기술이 밀접하게 연관되어 있다. 인화지에 해당하는 웨이퍼 위에 필름 역할을 하는 마스크를 놓고 빛 대신 자외선을 쬐어 아주 정밀하고 복잡한 회로를 새겨 넣는 것이다. 집적회로의 중요한 역할을 정보의 저장 또는 기억(Memory)과 연산(여러가지 조건에 의한 계산)이다.  기억용량이 핵심인 메모리 IC에는 램(RAM)과 롬(ROM)이 있다.  집적회로의 연산작용을 가장 잘 발휘하는 것이 마이크로 프로세서(Micro Processor)인데, 컴퓨터의 두뇌인 중앙 처리장치(CPU: Central Proxessing Unit)에 사용된다.
6.반도체의 재료
반도체로 쓰이는 재료는 게르마늄과 실리콘이 있다.그러나 실리콘은 열에 강하고 지구상에서 산소 다음으로 매우 흔한 물질로 모래나 돌멩이, 유리창문, 수정 등의 주성분이므로 우리 주위에서 가장 흔하게 보는 물질이기 때문에 현재는 이것을 더 많이 쓰인다.  실리콘을 반도체로 사용하기 위해서는 모래를 화학 처리하여 실리콘만을 뽑아 정제과정을 거쳐 순도를 높게한 것을 다결정 실리콘이라고 한다. 이것을 다시 녹인 다음 특수한 기술로 천천히 굳혀서 원통 모양의 단결정 실리콘 막대를 만든다. 반도체는 일상생활에서 첨단산업까지 우리 사회를 받치는 기둥이 되고 있다.
7.실리콘 재료의 산업적 장점
◈ MOS 구조에서 질 좋은 절연막을 쉽게 얻을 수 있다.     * SiO2의 특징     - SiO2는 양지의 절연특성을 가지며 두께 조정이 용이     - SiO2는 형성이 어렵고 물에 용해되며 섭씨 800℃ 이상에서 증발 ◈ Energy Band Gap이 크므로 고온동작이 가능하고 누설전류가 적다. ◈ 순도 높은 결정을 낮은 가격에 얻을 수 있다.
Assembly 장비  1. Die Attach Equipment  Die attach machine 또는 die bonder는 die 를 die pad 나 die 구멍에 접착시키는데 사용 된다. 일반적인 die attach machine 는 리드프레임(leadframe) 이나 마운트되는 패키지를 구별하여 고정시키고 die pad 나 die 구멍에 die attach 물질을 도포하며 웨이퍼로부터 die를 잡아 원하는 위치로 이동 시키는 일을 한다.  주요 장비 업체로는 Alphasem, ESEC, K&S 등이 있다. 　 Fig.1 Examples of Die bonders Kulicke&Soffa's E8088(left), ESC's Apollo 3000(right)  2. Wirebonder Equipment  Wirebonding 장비는 디바이스의 die를 매우 가는 선으로 패키지의 lead 와 전기적으로 연결하는 장비이다. 이 장비는 리드프레임(leadframe)을 고정하거나 wirebonding 시 발생하는 열을 적정 온도를 유지해야 한다.  주요 장비 업체로는 ESCS, ASM, Kaijo, K&S 등이 있다. 　 Fig.2 Examples of Wirebonders ASM's Eagle 60(left), Eagle AB339(right)  3. Molding Equipment  IC를 캡슐화 시키는 molding 장비는 다음과 같이 구성된다. 　 1) Preheating chamber :  molding 혼합물을 예열 시킨다. 2) Plunger : 예열된 molding 혼합물을 melting pot에 밀어 넣거나 액체 상태의 molding 혼합물을 runner에 밀어 넣는다. 3) Melting Pot : molding 혼합물이 녹는점에 도달하여 액체 상태로 된다. 4) Runner : 액체 상태의 molding 혼합물을 리드프레임이 있는 구멍까지 이동 시키는 경로이다.  주요 장비 업체로는 Sumitomo, Laufer , Towa 가 있다. 　 Fig.3 Example of Molding System Sumitomo's SG-180M(left), Toshiba's IS-100G(right) 　  4. DTFS(Deflash Trim Form Singulation) Equipment  IC 패키지의  Deflash, Trim, Form, Singulation 는 단계별로 장비를 따로따로 두고 운용 하거나 모든 작업을 한 장비에서 이루어 지도록 장비를 셋팅 할 수 있다. 기본적으로 DTFS는 기계적 프로세스 이기 때문에 punches, blades, strippers, anvils 등을 담당하는 부분으로 구성 된다. 　 Fig.4 Example of DTFS System JS Tech's TO-220(left), GSI's M350 Laser Trim(right) 　  5. Solder Plating Equipment  Solder Plating 장비는 lead 선을 반도체 제품에 붙이는 역할을 하며 다음과 같이 구성된다. 　 1) 부식되지 않는 프레임 구조 2) IC 들이 여러 lead finish 공정을 차례대로 거치도록 운반하는 벨트나 장치 3) 공정 중 IC 들이 이동 되는 channel 4) 공정 중에 쓰이는 화학 물질을 저장하는 탱크 5) 액체 화학 물질을 흘려 보내는 pump 6) 공정중에 발생되는 여러 가지 가스를 방출하는 extractor 7) loading, unloading 장치 8) 여러 파트들의 동작을 정확하게 제어하는 시스템  Lead finish 공정은 IC 들을 벨트 위에 위치시킴으로써 시작된다. 그 다음 벨트는 channel을 통해 각각을 운반한다. 이 단계에서 제품들은 전자기적인 처리를 받게 되는데 lead 선위에 필요한 금속막을 도포하는 등의 처리를 거치게 된다. Pump는 저장 탱크로부터 channel 까지 화학물질을 운반하고 사용하고 남은 화학물질을 배수관을 통해 다시 리턴 시킨다. 공정진행 중에는 가스가 지속적으로 발생하기 때문에 extractor 는 이 가스를 계속해서 제거 해야 한다. Solder plating 과정을 모두 거친 유니트들은 unloading 장치에 의해 카세트나 캐리어로 이송된다. 장비업체로는 MECO, Technic 등이 있다. 　 Fig.5 Example of Solder plating System Technic's SP10010A     Lead Frame 1. Lead Frame 이란? 　  Lead Frame은 반도체 IC를 구성하는 핵심부품으로서 반도체 Chip과 PCB 기판과의 전기신호를 전달하고, 외부의 습기,충격 등으로 부터 Chip을 보호하며,지지해 주는 골격 역할을 한다. 　  이는 칩을 비로소 외부와 연결하는 die paddle과 leads로 구성 되어 진다. 웨이퍼상에 잘려진 칩들은 금(Au)선으로 연결단자에 wirebonding을 통해 연결 된다. 플라스틱 패키지 lead frame은 합금으로 만들어 지는데 다음과 같은 특징이 있다. 화합물에 접착성이 우수, 칩과 화합물 사이의 우수한 열 확장성,높은 강도,형 변형 우수,높은 열 전도성등이 있다. Alloy42(57.7% Fe, 41% Ni, 0.8% Mn, and 0.5% Co)는 그와 같은 합금물의 좋은 예이다. Fig.1 Examples of Lead Frame 　  Lead Frame을 사용하는 패키지는 원가가 저렴한 구리 lead frame을 사용하기 때문에 생산원가가 저렴하다는 장점을 가진다. 대체로 전형적인 패키지 구조를 가지며, 구조가 상대적으로 간단해 출력 단자수가 적은 소자에 적합하다.  특히, 저렴한 가격과 작은 크기, 그리고 우수한 전기 및 열적 특성 때문에 무선 이동통신 제품에 많이 사용된다. 　 2. Lead Frame 구조 　 Fig.2  (a) (b) Top Rail : 정공이 존재하는 Rail Bottom Rail : 정공과 장공이 있는 Rail 정공 : Misfeeding 방지를 위한 Sensing Hole 역할 Symmetry : Top Rail 에서 Mold Location Hole 중심 까지의 거리 Fish Tail : Mold Gate 역할 Inner Rail Groove : 습기,불순물 차단 및 Crack 의 진전 방지 Fig.3 　 　 3. Lead Frame 공정 　  Lead frame은 stamping 공정이나 etching 공정에 의해 금속판으로 부터 만들어 진다. Stamping 공정은 대량 생산에 적합하고 Etching 공정은 여러 복잡한 구조 디자인에 적합하여 다품종소량 생산에 알맞다. 　 [표1]Stamping공정과 Etching 공정 비교 Stamping Etching (1) Suitable for mass production (1) multi-product, small-lot-sized production (2) Low running cost (2) Low initial cost (3) Accurate guide holes (3) Extremely flat (4) Accurate cross-sectional shaping (4) Highly precised processing 　   ① Stamping 공정 　   Stamping 공정은 고속 Press에 순차 이송타발(Progressive Die) 구조의 금형을 장착하여 lead Frame 을 형상화하는 공정이다. ■ Progressive Die 로서 25~30 공정이며, 금형 길이는 700~800㎜ ■ Piercing, Bending, Shearing, Parting 공정 적용 ■ Reel To Reel Type, 150~650 SPM, 50~80Ton Press Fig.4 SLF 공정 절차 　 　   ② Etching 공정 　 Etching 공정은 lead frame의 패턴에 따라 포토레지스트를 금속판 표면에 씌우고 etchant에 노출시켜 포토레지스트에 의해 덮히지 않은 부분을 제거한다. Stamping이나 Etching 공정 후에는 세정,은도금,테이핑,downset 절차를 수행한다. 은 도금은 wirebonding 과 칩 접착 성능을 향상하기 위해 쓰인다. Fig.5 Etching 공정 절차 　 　 Etching 공정 Silver plating Taping photofabrication 공정을 거쳐 얇은 금속판에서 leadframe으로 가공된다. 은도금은 wirebonding된 표면 위에 부분적으로 실시 된다. 내부의 리드선을 고정시키기 위해 polyimide tape로 고정 시킨다. DownSet 공정 Lead tip cut 공정 　  Etching,plating,taping 공정 중에는 리드선이 변형되는것을 막기 위해 내부 리드선을 유지한다. 그리고 마지막 공정에 연결된 부분을 잘라 버린다.이것은 plating 공정중에 발생할 수 있는 변형을 막을 수 있다.  Die가 접착될 부분이 downset tool에 의해 내리 눌려진다. 　 　 　 4. Lead Frame 재료 　  Lead Frame 은 철(Fe) 과 동계(Cu)으로 구분되는데 발열량이 큰 IC 에는 열전도율이 좋은 동(Cu)을 주성분으로 한 lead frame 을 사용하며 특성이 중시되는 경우는 Silicon 과 열팽창율이 비슷한 Fe-Ni 합금 계열인 Alloy lead frame을 사용한다. 　 [표2] (a) Fe 계 Lead Frame (b) Cu 계 Lead Frame  *.참고:  QPL Stamped Leadframe Open Tool Partial List, QPL Etched Leadframe Open Tool Partial List   <반도체 재료>  Die Attach 1.Die Attach 란? 　  Die Attach는 EMC 패키지공정에서 다이싱하여 분할된 반도체 칩을 리드프레임 등의 패키지 재료에 고정시키는 공정이다. 이 공정의 중요점은 후 공정에서 견딜 수 있는 충분한 강도의 접착력으로 칩을 고정시키는 것과 적절한 열전도도 & 전기 전도도를 부여함으로 칩에서 발생하는 열을 방열시켜 칩 표면의 전하축척을 방지하는데 그 목적이 있다. Die Attach의 방법으로는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다.  1.Polymer계 접착방법  2.Au-Si 공정합금 방법  3.Pb-Sn 땜납 방법 상기 방법중 Polymer계 다이 접착제가 가장 많이 사용되는 방법이다. Polymer계에는 Polymide 와 Epoxy 형태가 있다.  Polymide는 높은 온도와 단단한 접착성으로 polyamic 산을 응축 시킨 형태이다. Polymide는 용매제가 많이 포함 되어 있어 일반적으로 효율적인 cross-linking을 위해 각기 다른 온도에서 접착이 가능 하도록 두번 이상의 공정이 필요하다.  이 다이 접착제의 특성으로는 70~80%의 은을 함유하고 있어 전기전도도 및 열전도도가 우수하고 위 두가지의 공정과는 달리 후 공정이 필요하지 않으며, 내열성과 보존안정성만 제외한다면 아주 우수한 특성을 나타낸다. 특히 Ag-Epoxy에 사용되는 Epoxy 는 2 관능기의 DGEBA(digycidyl ether bisphenol A)를 많이 사용하며 150도~180도에서 1시간의 경화를 하여 사용한다. 간혹 UV(자외선)경화 시키는 제품도 있으나 이 제품은 자외선투과율이 내부에까지 도달 못할 때 수지가 경화가 않되는 경향이 있기 때문에 열경화형보다 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 또 Die Attach 액상 접착제를 사용할때 반도체칩의 대형화와 구리 재질의 리드프레임을 사용할때 접착제가 경화 된 후 칩과 리드프레임의 열팽창계수(CTE) 차이에 의해 휨이 발생하는데 반도체 칩은 3.2*10-6/C, 구리 리드프레임은 20*10-6/C의 열팽창계수가 발생되므로 칩 방향쪽으로 볼록하게 휨이 발생하게 된다. 따라서 칩에 걸리는 응력을 작게 하기 위해서는 접착제의 도포두께를 얇게하여 주거나 탄성율이 좋은 접착제(실리콘계 다이접착제)를 사용해야 한다. Epoxy 계는 낮은 온도에서 경화가 일어나며 인장 강도가 높아 한번의 공정으로 쉽게 경화된다. Au-Si 공정합금 방법은 주로 밀봉된 패키에 주로 사용 되는데 칩을 lead frame의 지정 위치에 접착 시키기 위해 이 합금물을 사용한다. 　 2.Die Attach properties [표1]Properties of Some Die Attach Alloys from Semiconductor Packaging Materials(SPM) [표2]Properties of Some Die Attach Alloys from Loctite [표3]Properties of Some Die Attach Adhesives fromAblestik 　 Last Update: 2008-5-1