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전자소재 패키징 연구실

충북대학교 신소재공학과

윤정원 교수

High-reliability Metal Paste

Micro Solder Bumps

Ultrasonic Welding

전자소재 패키징 연구실

신소재공학과 윤정원

전자소재 패키징 연구실은 첨단 반도체 및 전자 패키징 분야에서 세계적 수준의 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 미세피치 반도체 패키지, EV/HEV용 파워모듈 패키지, 모바일 및 웨어러블 전자기기 등 다양한 응용 분야를 대상으로, 고신뢰성 접합 소재 및 첨단 접합 공정 기술을 개발하는 데 주력하고 있습니다. 특히, Sn, Cu, Ag, Au 기반의 솔더 합금, 프리폼, 페이스트 등 다양한 접합 소재와 Cu, Ni, Pd, Au 등 표면처리 기술을 융합하여, 차세대 고집적·고밀도 패키징의 핵심 기술을 선도하고 있습니다. 연구실의 주요 연구 분야는 미세피치 플립칩, Cu Pillar Bump, Micro bump 등 미세접합 구조의 신뢰성 평가, 계면반응 및 금속간화합물 성장 제어, 다양한 표면처리(ENIG, ENEPIG, OSP, Direct Au 등)에 따른 접합부 특성 분석 등입니다. 이를 통해 5G, 고주파(RF), 고속 데이터 전송 등 차세대 반도체 패키지의 요구에 부합하는 혁신적 솔루션을 제시하고 있습니다. 또한, 전기자동차 및 하이브리드 차량용 파워모듈 패키징 분야에서는 고온·고전력 환경에서의 장기 신뢰성 확보를 위한 Au-Sn, TLP/TLPS, Ag & Cu 소결 소재 등 고온 내구성 접합 소재와 저온 접합 공정 기술을 개발하고 있습니다. 초음파 접합, 레이저 솔더링, 저온 소결 등 첨단 접합 공정과 소재의 융합을 통해, 기존 솔더링 방식의 한계를 극복하고, 고효율·고방열·고신뢰성 파워모듈 패키지 구현에 앞장서고 있습니다. 연구실은 다양한 신소재의 합성, 계면반응 및 미세구조 분석, 기계적·전기적 특성 평가, 파괴 메커니즘 규명 등 전주기적 연구를 수행하며, 실제 산업 현장에 적용 가능한 실용적 기술 개발과 인재 양성에도 힘쓰고 있습니다. 국내외 반도체, 자동차, 전자 산업체와의 산학협력을 통해, 산업계의 실질적 문제 해결과 미래 패키징 기술의 혁신을 선도하고 있습니다. 이러한 연구 역량을 바탕으로, 전자소재 패키징 연구실은 국내외 학술대회 및 저명 학술지에 다수의 논문을 발표하고, 다양한 특허 및 산학 프로젝트를 수행하며, 첨단 반도체 및 전자 패키징 분야에서 세계적 경쟁력을 갖춘 연구실로 자리매김하고 있습니다.

High-reliability Metal Paste
Micro Solder Bumps
Ultrasonic Welding
첨단 반도체 패키징을 위한 미세피치 접합 및 신뢰성 평가
첨단 반도체 패키징 분야에서는 고집적화와 고밀도화를 실현하기 위해 미세피치 접합 기술이 필수적입니다. 본 연구실은 Cu Pillar Bump, Flip-chip, Micro bump 등 다양한 미세피치 범프 구조를 활용하여, 반도체 칩과 기판 간의 신뢰성 높은 접합을 구현하는 기술을 개발하고 있습니다. 특히, 범프 직경이 70μm 이하로 축소될 때 발생하는 금속간화합물(IMC)의 과도한 성장과 이에 따른 취성 증가, 전기적 특성 저하 문제를 해결하기 위한 다양한 계면 제어 및 확산 방지막 기술을 연구하고 있습니다. 이러한 미세피치 접합부의 신뢰성 확보를 위해, 표면처리(ENIG, ENEPIG, OSP, Direct Au 등)와 계면반응 특성, 장기 신뢰성 평가, 5G 및 고주파(RF) 대응 특성 평가를 수행합니다. 다양한 표면처리 방식에 따른 접합부의 계면 미세구조와 금속간화합물 성장 거동, 그리고 이로 인한 기계적·전기적 특성 변화를 체계적으로 분석하여, 최적의 접합 조건과 소재를 도출하고 있습니다. 본 연구실의 미세피치 접합 연구는 차세대 모바일, 웨어러블, 고성능 컴퓨팅, 자동차 전장 등 다양한 응용 분야에서 요구되는 고신뢰성, 고성능 반도체 패키지 구현에 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 이를 통해 국내외 반도체 산업의 경쟁력 강화와 미래 패키징 기술의 선도에 기여하고 있습니다.
전기자동차/하이브리드용 파워모듈 패키징 및 고온 신뢰성 접합 소재 개발
전기자동차(EV) 및 하이브리드 자동차(HEV)용 파워모듈 패키징 분야는 고온, 고전력 환경에서의 안정성과 신뢰성이 매우 중요합니다. 본 연구실은 EV/HEV 파워모듈에 적용 가능한 고온 내구성 접합 소재(예: Au-Sn 고온 솔더, TLP/TLPS 접합 소재, Ag & Cu 소결 소재 등)와 저온 접합 공정 기술을 집중적으로 개발하고 있습니다. 이를 통해, 고온에서의 장기 신뢰성 확보와 동시에 저온에서의 공정 편의성을 동시에 달성하고자 합니다. 파워모듈용 접합부의 계면반응, 금속간화합물 형성, 미세구조 변화, 기계적 강도 및 열적 특성 평가 등 다양한 신뢰성 평가 기법을 적용하여, 실제 자동차 환경에서 요구되는 내구성과 성능을 검증합니다. 또한, 초음파 접합, 레이저 솔더링, 저온 소결 등 다양한 첨단 접합 공정 기술을 도입하여, 기존 솔더링 방식의 한계를 극복하고, 고효율·고방열·고신뢰성 파워모듈 패키지 구현을 목표로 하고 있습니다. 이러한 연구는 전기차 및 하이브리드 차량의 전력변환 효율 향상, 시스템 경량화, 장기 내구성 확보 등 미래 친환경 자동차 산업의 핵심 기반 기술로 자리매김하고 있습니다. 본 연구실은 국내외 자동차 및 반도체 산업체와의 산학협력을 통해, 실제 산업 현장에 적용 가능한 실용적 기술 개발과 인재 양성에도 힘쓰고 있습니다.
레이저, 초음파, 저온 소결 등 첨단 접합 공정 및 신소재 개발
반도체 및 전자패키지의 고신뢰성·고성능화를 위해서는 기존 리플로우 솔더링을 넘어서는 첨단 접합 공정과 신소재 개발이 필수적입니다. 본 연구실은 레이저 솔더링, 초음파 접합, 저온 소결(TLPS, TLP), 나노분말/나노와이어 첨가 저온 솔더 등 다양한 첨단 접합 공정 및 신소재를 연구하고 있습니다. 레이저 솔더링은 국부 가열을 통한 열 손상 최소화, 자동화 용이성, 미세피치 대응 등에서 강점을 가지며, 초음파 접합은 금속간의 직접 접합을 통해 고강도·고신뢰성 접합을 실현할 수 있습니다. 또한, 저온 소결 및 하이브리드 솔더 페이스트(Ag, Cu, Sn-Bi+X 등)는 기존 솔더의 한계를 극복하고, 고온·고전력 환경에서의 장기 신뢰성을 확보할 수 있는 대안으로 주목받고 있습니다. 본 연구실은 이러한 신소재의 합성, 계면반응 분석, 미세구조 및 기계적 특성 평가, 파괴 메커니즘 규명 등 전주기적 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 첨단 접합 공정 및 신소재 개발 연구는 반도체 패키지의 미세화, 고집적화, 고신뢰성화 요구에 대응할 뿐만 아니라, 전기차, 5G, 차세대 모바일, 고출력 전자기기 등 다양한 산업 분야에서의 혁신적 패키징 솔루션 제공에 기여하고 있습니다.
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Nickel–tin transient liquid phase sintering with high bonding strength for high‑temperature power applications
Jeong-Won Yoon, Young-Se Kim, So-Eun Jeong
Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2019.11
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Optimal Ni(P) thickness and reliability evaluation of thin-Au/Pd(P)/Ni(P) surface-finish with Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints
Jungsoo Kim, Seung-Boo Jung, Jeong-Won Yoon
Journal of Alloys and Compounds, 2019.10
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Effects of Ni layer thickness of thin-ENEPIG surface finishes on interfacial reactions and shear strength of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints during aging
Jungsoo Kim, Jong-Hoon Back, Seung-Boo Jung, Jeong-Won Yoon
Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2019.07
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(1차년도)Metastable 금속 기반 저온 접합 공정 및 전기적 특성 분석
한국산업기술기획평가원
2024년 04월 ~ 2024년 12월
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(1차년도-민간)Metastable 금속 기반 저온 접합 공정 및 전기적 특성 분석(민간지원연구개발비)
한국반도체연구조합
2024년 04월 ~ 2024년 12월
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(1차년도-정부)Metastable 금속 기반 저온 접합 공정 및 전기적 특성 분석
한국산업기술기획평가원
2024년 04월 ~ 2024년 12월