KR102513716B1 - Silver Coated Copper Preform and Sinter Bonding Method using the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 팩킹 밀도(packaging density)가 높으면서도 용제 성분이 없는 은 코팅 구리 프리폼 및 이를 이용하여 표면에 은(Ag) 피니쉬를 가지는 피접합체들을 소결접합하는 방법으로,
구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1인 은 코팅 구리 입자를 준비하는 단계;
상기 은 코팅 구리 입자를 필름 성형체, 펠렛(pellet) 또는 그린시트(green sheet) 형태로 변형하여 은 코팅 구리 프리폼(preform)을 제조하는 단계;
상기 은 코팅 구리 프리폼을 제 1 피접합체와 제 2 피접합체 사이에 삽입한 후 가압 소결하는 단계;를 포함하여,
상기 은 코팅 구리 프리폼 내 입자들이 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 재배열(rearrangement)되며 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면과 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 형성하는 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법 및 은 코팅 구리 프리폼을 제공한다.The present invention is a silver-coated copper preform having a high packing density and no solvent component, and a method of sintering joined objects having a silver (Ag) finish on the surface using the same,
preparing silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 6:4 to 9:1;
preparing a silver-coated copper preform by transforming the silver-coated copper particles into a film molded body, pellet, or green sheet;
Including; inserting the silver-coated copper preform between the first to-be-joined body and the second to-be-joined body and then performing pressure sintering,
Particles in the silver-coated copper preform are rearranged to correspond to the concavo-convex shapes of the surfaces of the first and second objects to be joined and sintered to the surfaces of the first and second objects to be joined, while silver coating A sintering method using a silver-coated copper preform forming a sintered joint based on pure copper particles and a silver-coated copper preform are provided.
Description
본 발명은 은 코팅 구리 프리폼 및 상기 은 코팅 구리 프리폼을 접합체로 이용하여 초고속 소결접합이 가능하면서도 형성된 소결접합부가 우수한 미세조직적, 기계적, 물리적 특성을 나타내는 소결접합 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a silver-coated copper preform and a sinter-joining method using the silver-coated copper preform as a bonded body, enabling high-speed sintering and exhibiting excellent microstructural, mechanical, and physical properties of the formed sintered joint.
최근 전기차 및 하이브리드 전기차 시장이 폭발적으로 증가함에 따라 IGBT 및 MOSFET형 전력반도체의 사용이 크게 늘어나고 있으며, 칩의 고집적화에 따른 고발열 소자의 사용량 역시 증가하고 있는 추세이다. 이러한 고발열 소자의 실장에는 Ag 분말을 사용한 페이스트 또는 필름 소재를 적용한 소결접합 기술이 개발되고 있다. 은 소재는 고융점, 고전기전도도, 고열전도도 등을 나타내는 재료특성으로 인해 고온에서 안정적이며, 방열 특성과 장기 신뢰성 또한 우수하다.Recently, as the electric vehicle and hybrid electric vehicle market explodes, the use of IGBT and MOSFET-type power semiconductors is greatly increasing, and the use of high-heating elements due to high integration of chips is also increasing. For the mounting of these high-heating elements, a sintering bonding technology using a paste using Ag powder or a film material is being developed. Silver material is stable at high temperatures due to its material properties such as high melting point, high electrical conductivity, and high thermal conductivity, and has excellent heat dissipation characteristics and long-term reliability.
도 1(a) 내지 (h)에는 다양한 크기와 형태의 은 입자를 함유한 페이스트를 사용하여 250℃에서 1시간 소결접합 시 관찰되는 조직을 보여주고 있다(Materials and Design, 162, p.311-321 (2019)). 구체적으로, 하기 도 1(a) 내지 (d)는 각각 (a) 나노입자, (b) 서브마이크론급 입자, (c) 마이크론급 입자, (d) 마이크론급 플레이크(flake) 입자의 소결접합 후 접합부 상부면 미세 조직을 보여주고 있고, 도 1(e) 내지 (h)는 각각 상기 도 1(a) 내지 (d)에 대응되는 입자들의 소결접합 후 접합부 단면 미세 조직을 보여주고 있다. 이를 참조하면, 은 페이스트는 은 입자 소재의 특성 상 소결접합 공정 후 입자의 크기에 비례하는 조대 보이드(void)가 접합부 내에 다수 존재하게 되어, 페이스트의 사용으로 접합 부위가 지저분해지는 문제가 필연적으로 발생하고, 공정 시마다 접합부의 국부적 미세조직이 크게 다를 수 있어 접합부의 품질 편차도 크게 발생하게 된다. 아울러 페이스트 내 용제 또는 용매를 제거하기 위한 예열단계가 추가될 필요도 있는데, 이는 연속 접합공정에서 생산성 및 접합 품질 재현성 측면에서 큰 문제를 야기하게 된다. 더욱이, 은 입자는 비싼 소재 가격과 20 내지 60분의 긴 소결접합 시간으로 공정의 신속성 및 이에 따른 공정의 가격 경쟁력을 크게 떨어뜨리므로 접합 소재로서 산업적 경쟁력이 크게 저하되는 문제가 있다. 1(a) to (h) show structures observed when sintering at 250° C. for 1 hour using a paste containing silver particles of various sizes and shapes (Materials and Design, 162, p.311- 321 (2019)). Specifically, Figures 1 (a) to (d) show (a) nanoparticles, (b) submicron-level particles, (c) micron-level particles, and (d) micron-level flake particles after sintering and bonding, respectively. The microstructure of the upper surface of the junction is shown, and FIGS. 1(e) to (h) respectively show the microstructure of the cross-section of the junction after sintering of the particles corresponding to FIGS. 1(a) to (d). Referring to this, due to the nature of the silver particle material, a large number of coarse voids proportional to the size of the particles exist in the joint after the sintering process, and the use of the paste inevitably causes the joint to become messy. In addition, since the local microstructure of the joint may vary greatly for each process, the quality of the joint may vary greatly. In addition, it is necessary to add a preheating step to remove the solvent or solvent in the paste, which causes a big problem in terms of productivity and reproducibility of bonding quality in the continuous bonding process. Furthermore, silver particles have a problem in that industrial competitiveness as a bonding material is greatly reduced because the high material price and long sinter bonding time of 20 to 60 minutes greatly reduce the speed of the process and thus the price competitiveness of the process.
이에, 가격이 저렴하면서도 열전도도 특성이 은 만큼이나 우수한 구리(Cu) 등의 금속을 소결접합 소재로 활용하기 위한 연구가 이루어지고 있으나, 구리는 질소나 아르곤과 같은 불활성 분위기 또는 진공 내에서도 극미량의 산소 등에 의해 쉽게 산화되며 온도 상승 시 그 산화 정도가 지속적으로 증가하는 특성이 있다. 이렇게 Cu 입자의 표면에서부터 발생하는 산화층은 치밀하지 않고 뾰족한 미세 형상의 껍질 형태이므로 소결접합 시 Cu의 확산을 저해하여 Cu의 소결을 방해하는 원인으로 작용하게 된다. Therefore, research is being conducted to utilize metals such as copper (Cu), which is inexpensive and has excellent thermal conductivity as much as silver, as a sintering bonding material, but copper is resistant to an inert atmosphere such as nitrogen or argon or a very small amount of oxygen even in a vacuum. It is easily oxidized by heat and has a characteristic that the degree of oxidation continuously increases when the temperature rises. Since the oxide layer generated from the surface of the Cu particles is not dense and has a pointed fine shell shape, it inhibits the diffusion of Cu during sintering and acts as a cause of hindering Cu sintering.
Cu 입자들 간의 소결 증진시키기 위하여 소결접합을 위한 가열 중 형성된 산화층을 제거하기 위해 forming 가스나 카르복실기를 가지는 산(carboxylic acid)의 증기 내에서 소결접합을 진행하거나, 페이스트 포뮬레이션 내에 환원제 성분을 첨가하거나, 또한 산화층의 생성이 최소화된 Cu 분말로 페이스트를 제조하여 불활성 분위기 내에서 Ag 피니쉬의 칩 및 기판을 사용한 소결접합을 진행하는 노력이 있었다. 그러나 이러한 페이스트 소재 기술은 연속적인 인쇄 및 디스펜싱(dispensing) 과정에서 점도 등이 변하거나, 그 위에 칩을 얹는 과정에서 칩이 오염되는 등의 문제가 발생할 수 있다.In order to promote sintering between Cu particles, in order to remove the oxide layer formed during heating for sintering, sintering is performed in a forming gas or carboxylic acid vapor, or a reducing agent component is added in the paste formulation. In addition, there has been an effort to prepare a paste with Cu powder in which the formation of an oxide layer is minimized and to perform sintering using Ag finish chips and substrates in an inert atmosphere. However, such a paste material technology may cause problems such as change in viscosity during continuous printing and dispensing or contamination of chips during the process of placing chips thereon.
이에 본 발명의 발명자는 한국공개특허 제10-2019-0096907호를 통해 구리 포메이트(formate) 프리폼(preform)을 소결접합소재로 사용하는 경우, Cu 피니쉬의 칩 및 기판을 사용하는 경우라도 우수한 내열성을 가지는 접합부를 대기 중에서 형성할 수 있을 뿐 아니라 페이스트 사용에 따른 문제를 해결할 수 있음을 제시한 바 있다. 다만 구리 포메이트 프리폼의 경우 소결접합을 위한 가열 중 분해되어 가스를 발생시키므로 접합부에 불규칙한 보이드(void)를 형성과 함께 대기 중 접합 후 접합부에 다소간의 산화물 생성을 유발시키는 단점이 존재한다. Accordingly, the inventor of the present invention discloses Korean Patent Publication No. 10-2019-0096907 when using a copper formate preform as a sintered joint material, even when using a Cu finish chip and substrate, excellent heat resistance It has been suggested that a joint having can be formed in the air and problems associated with the use of paste can be solved. However, in the case of copper formate preforms, since they are decomposed during heating for sintering and generate gas, irregular voids are formed at the joint and some oxides are generated at the joint after joining in the air.
따라서 이를 개량하여 고온에서 우수한 미세조직적, 기계적 특성과 더불어 우수한 열전도도 특성을 동시에 나타낼 수 있는 초고속 소결접합 방법에 대한 연구가 더 필요하다.Therefore, further research is needed on an ultra-high-speed sintering bonding method that can improve this and simultaneously exhibit excellent microstructural and mechanical properties at high temperatures as well as excellent thermal conductivity properties.
C. Chen, K. Suganuma, Microstructure and mechanical properties of sintered Ag particles with flake and spherical shape from nano to micro size, Materials and Design, 162, p.311-321 (2019)C. Chen, K. Suganuma, Microstructure and mechanical properties of sintered Ag particles with flake and spherical shape from nano to micro size, Materials and Design, 162, p.311-321 (2019)
한국공개특허 제10-2019-0096907호Korean Patent Publication No. 10-2019-0096907
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art and the technical problems that have been requested from the past.
구체적으로, 본 발명의 목적은 팩킹 밀도(packaging density)가 높으면서도 용제 성분이 없는 은 코팅 구리 프리폼 및 이를 이용하여 초고속으로 소결접합이 가능하면서도 우수한 미세조직적 특성, 기계적 특성 및 열전도도 특성을 동시에 나타내는 소결접합 방법을 제공하는 것이다.Specifically, an object of the present invention is to provide a silver-coated copper preform having a high packaging density and no solvent component, and using the same, which can be sintered at high speed while exhibiting excellent microstructural properties, mechanical properties, and thermal conductivity properties at the same time It is to provide a sinter bonding method.
본 발명은,The present invention,
표면에 은(Ag) 피니쉬를 가지는 피접합체들을 소결접합하는 방법으로,As a method of sintering and joining to-be-joined objects having a silver (Ag) finish on the surface,
구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1인 은 코팅 구리 입자를 준비하는 단계;preparing silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 6:4 to 9:1;
상기 은 코팅 구리 입자를 필름 성형체, 펠렛(pellet) 또는 그린시트(green sheet) 형태로 변형하여 은 코팅 구리 프리폼(preform)을 제조하는 단계;preparing a silver-coated copper preform by transforming the silver-coated copper particles into a film molded body, pellet, or green sheet;
상기 은 코팅 구리 프리폼을 제 1 피접합체와 제 2 피접합체 사이에 삽입한 후 가압 소결하는 단계;를 포함하여,Including; inserting the silver-coated copper preform between the first to-be-joined body and the second to-be-joined body and then performing pressure sintering,
상기 은 코팅 구리 프리폼 내 입자들이 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 재배열(rearrangement)되며 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면과 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 형성하는 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법을 제공한다.Particles in the silver-coated copper preform are rearranged to correspond to the concavo-convex shapes of the surfaces of the first and second objects to be joined and sintered to the surfaces of the first and second objects to be joined, while silver coating A sintering method using a silver-coated copper preform for forming a sintered joint based on pure copper particles is provided.
상기 은 코팅 구리 입자는 50 내지 500 nm의 입자 크기를 가질 수 있다.The silver-coated copper particles may have a particle size of 50 to 500 nm.
상기 피접합체의 표면 거칠기(Ra) 값이 0.1∼10 μm일 수 있다.The bonded body may have a surface roughness (Ra) value of 0.1 μm to 10 μm.
상기 가압 소결은 200 내지 400℃의 소결 온도로 승온 후, 상기 소결 온도에서 0.1 내지 10분 동안 1 내지 15 MPa 압력을 가하여 이루어질 수 있다.The pressure sintering may be performed by raising the temperature to a sintering temperature of 200 to 400° C. and then applying a pressure of 1 to 15 MPa for 0.1 to 10 minutes at the sintering temperature.
또한, 본 발명은,In addition, the present invention,
구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1인 은 코팅 구리 입자들로부터 형성된 필름 성형체, 펠렛(pellet) 또는 그린시트(green sheet) 형태로, 소결접합시 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 내부 입자들이 재배열(rearrangement)되며 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면과 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 형성하는 은 코팅 구리 프리폼을 제공한다.A film formed from silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 6:4 to 9:1, in the form of a pellet or green sheet, bonding the first and second objects to be joined during sintering Internal particles are rearranged to correspond to the concavo-convex shape of the surface and are sintered and joined to the surfaces of the first and second objects to be joined to provide a silver-coated copper preform for forming a sintered joint based on silver-coated pure copper particles. .
본 발명에 따르면 팩킹 밀도가 높고 유기물 또는 바인더 등의 용제 성분이 없는 은 코팅 구리 프리폼을 이용하는 바, 급속한 소결을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 가압 소결 공정 중 낮은 점도의 용제 성분이 흘러 칩이나 기판부를 오염시키지 않으므로 페이스트 소재 대비 매우 청정한 공정성을 제공할 수 있다. 또한 소결접합 후에도 접합부 내에 잔류 유기물이 존재하지 않아 형성된 접합부는 우수한 열전도도 특성을 제공할 수 있다.According to the present invention, a silver-coated copper preform having a high packing density and no solvent components such as organic substances or binders is used, which not only induces rapid sintering, but also contaminates chips or substrates by flowing low-viscosity solvent components during the pressure sintering process. It is possible to provide a very clean fairness compared to paste materials. In addition, even after sintering, the junction formed because residual organic matter does not exist in the junction can provide excellent thermal conductivity.
본 발명에 따르면 은 코팅 구리 프리폼 내 입자들이 가압 소결 공정을 통해 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 재배열되어 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 구현하므로, 구리의 산화를 억제하면서도 은 코팅 구리 프리폼과 피접합체들 피니쉬 계면에서의 접촉 면적이 최대화되어 계면부에서도 빠른 소결접합을 구현할 수 있고 동시에, 우수한 고온 안정성, 가격 경쟁력, 내열성, 열전도도 특성, 기계적 특성을 동시에 나타낼 수 있다. According to the present invention, since the particles in the silver-coated copper preform are rearranged through the pressure sintering process to correspond to the uneven shapes of the joint surfaces of the first and second objects to be joined to realize a sintered joint based on silver-coated pure copper particles, While suppressing oxidation, the contact area at the interface between the silver-coated copper preform and the finish to be joined is maximized, so that fast sintering can be realized at the interface, and at the same time, excellent high-temperature stability, price competitiveness, heat resistance, thermal conductivity, and mechanical properties are simultaneously can indicate
본 발명에 따른 은 코팅 구리 프리폼을 이용하여 대기 중에서 초고속으로 소결접합을 수행할 수 있으므로, 에너지 소모를 최소화하면서도 컨베이어 시스템을 사용한 연속 공정에 의한 다이 본딩(die bonding)이 가능하여 생산성을 극대화할 수 있는 바, 전기차용 파워 모듈의 대량 생산에 응용될 수 있다.Since sintering can be performed at high speed in the air using the silver-coated copper preform according to the present invention, die bonding can be performed by a continuous process using a conveyor system while minimizing energy consumption, thereby maximizing productivity. As such, it can be applied to mass production of power modules for electric vehicles.
도 1(a) 내지 (h)는 종래 기술에 따른 각각 다양한 크기와 형태의 은 입자를 함유한 페이스트를 사용하여 250℃에서 1시간 소결접합 시 관찰되는 조직으로, (a, e) 나노입자, (b, f) 서브마이크로급 입자, (c, g) 마이크론급 입자, (d, h) 마이크론급 플레이크(flake) 입자이며, (a) 내지 (d)는 소결접합 후 접합부 상부면 미세조직; (e) 내지 (h)는 소결접합 후 접합부 단면 이미지이다;
도 2은 본 발명의 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법을 적용한 연속 다이 본딩 양산공정의 모식도이다;
도 3a는 실험예 1-1에서 은 코팅 구리 프리폼의 소결접합 전 단면 미세조직을 보여주는 주사전자현미경 사진이다;
도 3b는 실험예 1-2에서 소결접합 전 초기 은 코팅 구리 프리폼의 바닥부 단면 미세조직을 보여주는 주사전자현미경 사진이다;
도 4a는 실험예 2에서 은 코팅 구리 프리폼을 가압 소결하여 형성한 접합부와 기판의 은 피니쉬 계면을 보여주는 대표 주사전자현미경 사진이다;
도 4b는 실험예 2에서 은 코팅 구리 프리폼을 가압 소결하여 형성한 접합부와 기판의 은 피니쉬 계면을 보여주는 대표 투과전자현미경 사진이다;
도 5는 실험예 3에서 은 코팅 구리 프리폼을 열압착하여 기판과 칩(또는 다이)이 소결접합된 소결접합 구조체의 단면 미세조직을 보여주는 주사전자현미경 사진이다;
도 6은 실험예 4에서 은 코팅 구리 프리폼을 가압 소결하여 형성한 접합부의 X-선 회절분석 결과를 나타내는 사진이다; 및
도 7은 실험예 5에 따른 은 코팅 구리 프리폼을 열압착하여 형성한 소결접합부의 전단강도를 보여주는 그래프이다.1 (a) to (h) are structures observed during sintering at 250 ° C. for 1 hour using a paste containing silver particles of various sizes and shapes according to the prior art, (a, e) nanoparticles, (b, f) sub-micro particles, (c, g) micron particles, (d, h) micron flake particles, and (a) to (d) are the microstructure of the upper surface of the joint after sintering; (e) to (h) are cross-sectional images of the joints after sintering;
Figure 2 is a schematic diagram of a continuous die bonding mass production process using the sinter bonding method using the silver-coated copper preform of the present invention;
3A is a scanning electron microscope photograph showing a cross-sectional microstructure of a silver-coated copper preform before sintering in Experimental Example 1-1;
FIG. 3B is a scanning electron micrograph showing the cross-sectional microstructure of the bottom of the initial silver-coated copper preform before sinter bonding in Experimental Example 1-2;
4A is a representative scanning electron microscope (SEM) photograph showing a silver finish interface between a substrate and a joint formed by pressure sintering a silver-coated copper preform in Experimental Example 2;
FIG. 4B is a representative transmission electron micrograph showing a silver finish interface between a substrate and a junction formed by pressurizing and sintering a silver-coated copper preform in Experimental Example 2;
5 is a scanning electron microscope photograph showing a cross-sectional microstructure of a sintered structure in which a substrate and a chip (or die) are sintered and bonded by thermal compression bonding of a silver-coated copper preform in Experimental Example 3;
6 is a photograph showing the result of X-ray diffraction analysis of a junction formed by pressurizing and sintering silver-coated copper preforms in Experimental Example 4; and
7 is a graph showing shear strength of a sintered joint formed by thermal compression bonding of silver-coated copper preforms according to Experimental Example 5;
본 발명은, 표면에 은(Ag) 피니쉬를 가지는 피접합체들을 소결접합하는 방법으로,The present invention is a method of sintering joined objects having a silver (Ag) finish on the surface,
구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1인 은 코팅 구리 입자를 준비하는 단계;preparing silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 6:4 to 9:1;
상기 은 코팅 구리 입자를 필름 성형체, 펠렛(pellet) 또는 그린시트(green sheet) 형태로 변형하여 은 코팅 구리 프리폼(preform)을 제조하는 단계;preparing a silver-coated copper preform by transforming the silver-coated copper particles into a film molded body, pellet, or green sheet;
상기 은 코팅 구리 프리폼을 제 1 피접합체와 제 2 피접합체 사이에 삽입한 후 가압 소결하는 단계;를 포함하여,Including; inserting the silver-coated copper preform between the first to-be-joined body and the second to-be-joined body and then performing pressure sintering,
상기 은 코팅 구리 프리폼 내 입자들이 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 재배열(rearrangement)되며 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면과 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 형성하는 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법을 제공한다.Particles in the silver-coated copper preform are rearranged to correspond to the concavo-convex shapes of the surfaces of the first and second objects to be joined and sintered to the surfaces of the first and second objects to be joined, while silver coating A sintering method using a silver-coated copper preform for forming a sintered joint based on pure copper particles is provided.
본 발명에서 은 코팅 구리 프리폼은 은 코팅 구리 입자를 필름 성형체, 펠렛 또는 그린시트 형태로 제조한 후 절단하여 사용할 수 있다. In the present invention, the silver-coated copper preform may be used by preparing silver-coated copper particles in the form of a film molded body, pellet, or green sheet and then cutting them.
구체적으로, 은 코팅 구리 프리폼은 바인더 성분을 전혀 사용하지 않고 은 코팅 구리 입자들만을 압연 또는 가압 성형하여 필름 성형체 또는 펠렛 형태를 제조하거나, 또는 바인더를 첨가하여 성형한 그린 시트(green sheet) 형태로 제조한 후 이를 절단하여 준비할 수 있다. 이 중 몰드(mold)를 사용한 냉간 또는 열간 펠렛타이징(pelletizing) 성형법에 비하여 압연 롤(roll)을 사용한 냉간 또는 열간 압연 성형법이나 테이프 캐스팅(tape casting)법을 사용할 경우 프리폼의 대량 생산에 보다 효과적이다. Specifically, the silver-coated copper preform is produced in the form of a film compact or pellet by rolling or pressing only silver-coated copper particles without using a binder component, or in the form of a green sheet formed by adding a binder. After manufacturing, it can be prepared by cutting it. Among them, the cold or hot rolling forming method using rolling rolls or the tape casting method is more effective in mass production of preforms than the cold or hot pelletizing forming method using a mold. am.
상기 은 코팅 구리 입자는 구리 입자의 표면 전체에 은이 위치하는 코어-쉘(core-shell) 형태로, 소결접합 과정에서 구리 입자의 산화를 효과적으로 억제할 수 있다. 이러한, 은 코팅 구리 입자는 프리폼의 제조 과정에서 입자들 사이의 간극이 제거되어 은 코팅 구리 프리폼 상태에서 이미 입자들 간의 접촉이 이루어진 상태가 되므로 이후 가압 소결 과정시 급속한 소결을 유도하여 치밀한 소결접합부를 유도할 수 있고 결과적으로 우수한 접합강도를 나타낼 수 있다. The silver-coated copper particles have a core-shell form in which silver is located on the entire surface of the copper particles, and can effectively suppress oxidation of the copper particles during the sintering process. Since the gaps between the particles are removed during the manufacturing process of the preform, the silver-coated copper particles are in a state in which contact between the particles has already been made in the silver-coated copper preform, so that rapid sintering is induced during the subsequent pressure sintering process, resulting in a dense sintered joint. It can be induced and as a result, it can show excellent bonding strength.
즉, 은 코팅 구리 프리폼 내 입자들은 가압 소결 공정을 통해 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 계면부 금속 피니쉬의 요철 형상에 대응되도록 재배열되어 계면이 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 구현하므로 780℃부근까지 내열성을 가질 수 있고 순수 Ag 접합부와 유사한 열전도도를 나타내며, 동시에 우수한 고온 안정성, 가격 경쟁력, 우수한 기계적 특성을 동시에 나타낼 수 있다. 특히, 가압 소결 공정에서 구리보다 상대적으로 강도가 약한 은 쉘(shell) 부분이 미끄러지며 집중적인 소성변형이 발생하면서 프리폼 내부 입자들은 보다 적합한 위치로 재배열되어 조대 보이드(void)가 제거된 치밀한 소결접합부가 형성되며, 프리폼 표면부 입자들은 피접합체들 상, 하부 표면 요철에 대응하는 형태로 재배열되어 계면에서의 접촉면적이 최대화되며 계면에서의 강한 소결접합이 진행될 수 있다. 따라서, 종래 은 입자만을 사용한 페이스트나 구리 입자만을 사용한 페이스트와 비교하여 소결접합 공정 시간을 월등히 감소시킬 수 있다. That is, the particles in the silver-coated copper preform are rearranged through the pressure sintering process to correspond to the concavo-convex shapes of the metal finishes of the interfaces of the first and second objects to be joined, and the interface is sintered to form a sintered joint based on silver-coated pure copper particles. As a result, it can have heat resistance up to around 780 ° C, exhibit thermal conductivity similar to that of pure Ag junction, and at the same time, exhibit excellent high-temperature stability, price competitiveness, and excellent mechanical properties. In particular, in the pressure sintering process, the silver shell, which is relatively weaker than copper, slides and intensive plastic deformation occurs, and the particles inside the preform are rearranged to a more suitable position, resulting in dense sintering with coarse voids removed. A junction is formed, and the particles of the surface of the preform are rearranged in a form corresponding to the upper and lower surface irregularities of the joined bodies, so that the contact area at the interface is maximized and strong sintering at the interface can proceed. Therefore, compared to a conventional paste using only silver particles or a paste using only copper particles, the sintering and bonding process time can be significantly reduced.
더욱이, 본 발명에서는 펠렛, 필름 성형체 또는 그린 시트 형태의 은 코팅 구리 프리폼을 사용하여 페이스트 타입 대비 용제 또는 용매를 제거하기 위한 예열 단계가 필요 없는 바, 공정이 단순해지고 소결접합의 총 공정시간을 단축할 수 있어 제조 공정성이 매우 우수하다. 이를 통해 소결접합 공정이 매우 빠른 시간에 완료될 수 있으므로 월등한 생산성 및 공정 가격 경쟁력을 제공하게 된다. 아울러 소결접합 공정 중 낮은 점도의 용제 또는 용매 성분이 흘러 칩이나 기판부를 오염시키지 않으므로 페이스트 소재 대비 매우 청정한 공정성을 제공하게 된다.Furthermore, in the present invention, by using silver-coated copper preforms in the form of pellets, film moldings or green sheets, compared to paste types, solvents or preheating steps for removing solvents are not required, simplifying the process and reducing the total process time of sintering. manufacturing process is very good. Through this, the sinter bonding process can be completed in a very short time, providing superior productivity and fair price competitiveness. In addition, since a low-viscosity solvent or solvent component does not flow and contaminate the chip or substrate during the sintering process, it provides a very clean process compared to paste materials.
본 발명에서 은 코팅 구리 입자는, 당업계에 알려진 방법으로 얻을 수 있으며, 예를 들어, 구리 입자에 은을 습식 증착시키는 방법으로 제조할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the silver-coated copper particles may be obtained by a method known in the art, and may be prepared, for example, by wet-depositing silver on copper particles, but is not limited thereto.
상기 은 코팅 구리 입자는 구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1일 수 있다. 상기 범위를 넘어서 구리의 함량이 지나치게 낮거나 은의 함량이 지나치게 높으면 소재의 가격 경쟁력이 크게 떨어질 수 있고, 구리의 함량이 지나치게 높거나 은의 함량이 지나치게 낮으면 가압 소결 공정에서 은의 미끄러짐 소성변형이 충분히 이루어지기 힘들어 빠른 공정성 및 치밀한 소결접합부에 의한 우수한 기계적 특성의 접합부를 형성할 수 없어 바람직하지 않다. 상세하게는 7.5 : 2.5 내지 8.5 : 1.5일 수 있다.The weight ratio of copper to silver in the silver-coated copper particles may be 6:4 to 9:1. If the copper content is too low or the silver content is too high beyond the above range, the price competitiveness of the material may be greatly reduced, and if the copper content is too high or the silver content is too low, the slip plastic deformation of silver is sufficiently achieved It is not preferable because it is difficult to form a joint with excellent mechanical properties due to fast processability and precise sintering joint. Specifically, it may be 7.5: 2.5 to 8.5: 1.5.
상기 은 코팅 구리 입자는 50 내지 500 nm의 입자 크기를 가질 수 있다. The silver-coated copper particles may have a particle size of 50 to 500 nm.
상기 은 코팅 구리 입자가 50 nm 미만인 경우 제조 공정성이 저하되고 재료의 원가가 크게 상승하거나 동일한 은 중량 대비 은 코팅 두께가 지나치게 얇아져 안정적인 은의 미끄러짐 거동을 유발하기가 힘들어질 수 있고, 500 nm를 초과할 경우 동일한 가압력에서 펠렛 또는 필름 성형체로 만들기가 더 어려워지고, 소결접합 과정에서 피접합체의 표면 요철 형상에 대응하여 은 코팅 구리 입자가 치밀하게 대응하기 어려워 계면부에서 큰 보이드들이 다수 생성될 우려가 있어 바람직하지 않다. 상세하게는 200 내지 400 nm의 입자 크기를 가질 수 있다.When the silver-coated copper particles are less than 50 nm, manufacturing processability is lowered, the cost of the material is greatly increased, or the silver coating thickness is too thin compared to the same silver weight, making it difficult to induce stable silver sliding behavior. In this case, it becomes more difficult to make a pellet or film molded body at the same pressing force, and it is difficult for the silver-coated copper particles to respond closely to the surface irregularities of the joined body during the sintering process. Not desirable. Specifically, it may have a particle size of 200 to 400 nm.
상기 은 코팅 구리 프리폼의 두께는 10 내지 600 μm일 수 있다. The silver-coated copper preform may have a thickness of 10 μm to 600 μm.
상기 은 코팅 구리 프리폼의 두께가 10 μm 미만인 경우 필름 성형체, 펠렛 또는 그린시트를 제조하기가 어렵고, 기계적 강도가 약해 제조 후 손상될 우려가 있고, 소결접합이 이루어지더라도 접합부의 신뢰성이 크게 떨어질 수 있고, 600 μm를 초과할 경우 지나치게 두꺼워져 가압력이 높아지는 등 제조 공정성이 저하되는 바 바람직하지 않다. 상세하게는 상기 은 코팅 구리 프리폼의 두께는 50 내지 200 μm일 수 있다.When the thickness of the silver-coated copper preform is less than 10 μm, it is difficult to manufacture a film compact, pellet, or green sheet, and there is a risk of damage after manufacturing due to low mechanical strength, and even if sintering is performed, the reliability of the joint may be greatly reduced. And, when it exceeds 600 μm, the manufacturing processability is deteriorated, such as excessively thick and high pressing force, which is not preferable. In detail, the thickness of the silver-coated copper preform may be 50 μm to 200 μm.
상기 피접합체는 표면의 표면 거칠기(Ra) 값은 0.1∼10 μm 일 수 있다.The bonded body may have a surface roughness (R a ) value of 0.1 μm to 10 μm.
표면 거칠기(Ra) 값이 0.1 μm 미만인 경우는 실제 구현하기가 어려워 가격 경쟁력이 저하될 수 있고, 10 μm를 초과할 경우 은 코팅 구리 프리폼이 요철의 파인 부분을 완전히 채우지 못하거나, 피접합체의 요철 형상에 대응하여 은 코팅 구리 입자가 재배열되는 과정에서 조대한 균열이나 결함부를 형성할 수 있어 바람직하지 않다. If the surface roughness (R a ) value is less than 0.1 μm, it is difficult to actually implement it, and price competitiveness may be lowered. Coarse cracks or defects may be formed in the process of rearrangement of the silver-coated copper particles corresponding to the concavo-convex shape, which is undesirable.
한편, 대기 중 가열 접합 과정에서 구리 입자들은 쉽게 산화되어 소결접합이 방해될 수 있으며, 피접합체 금속 피니쉬(finish) 표면에 형성되는 산화막 역시 접합 소재와의 소결접합을 방해하여 접합강도를 저하시키는 주요 원인이 된다. On the other hand, copper particles are easily oxidized during the heating bonding process in the air, which can hinder sinter bonding, and the oxide film formed on the surface of the metal finish to be joined also hinders sinter bonding with the bonding material, which is a major factor that lowers the bonding strength. cause
본 발명에서는 가열 및 가압 접합 공정을 통하여 프리폼 내 은 코팅 구리 입자들간의 소결과 은 코팅 구리 입자들과 내산화 은 피니쉬간의 소결접합이 초고속으로 구현되어 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 구현하므로 이러한 문제를 해결할 수 있다. 즉, 상기 소결된 은 코팅 구리 프리폼은 치밀한 내부 구조로 인하여 대기 중 산소가 프리폼 내부로 침투하지 못하여 은 및 순수 구리 상으로 이루어진 소결접합부를 형성하는 바 200℃ 이상의 소결접합 환경에서도 구리 산화물의 생성이 최소화되어 기계적 특성이 저하되지 않으며, 형성된 접합부는 열적 특성 저하 없이 우수한 열전도도 특성을 제공할 수 있다. 특히 장기간의 가열 접합 공정시 하부 구리층이 내산화 표면 은 피니쉬를 뚫고 나와 노출되며 산화되는 문제가 보고되고 있는데, 본 발명에 의하면 소결접합 공정이 매우 빨리 완료되므로 이러한 문제가 전혀 발생하지 않게 된다.In the present invention, the sintering between the silver-coated copper particles in the preform and the sintering between the silver-coated copper particles and the oxidation-resistant silver finish are realized at high speed through the heating and pressure bonding process to realize a sintered joint based on silver-coated pure copper particles. can solve the problem That is, the sintered silver-coated copper preform forms a sintered joint composed of silver and pure copper phases because oxygen in the air cannot penetrate into the preform due to its dense internal structure, and copper oxide is not generated even in a sintered joint environment of 200° C. or higher. It is minimized so that mechanical properties are not deteriorated, and the formed junction can provide excellent thermal conductivity without deterioration in thermal properties. In particular, during a long-term heat bonding process, there has been a reported problem that the lower copper layer penetrates the oxidation-resistant surface silver finish and is exposed and oxidized. However, according to the present invention, since the sintering process is completed very quickly, this problem does not occur at all.
여기서 순수 구리는 산화되지 않은 구리를 의미하나, 경우에 따라 구리 전체 중량 대비 0.1 중량% 이내에서 불순물을 포함할 수 있다. Here, pure copper means copper that is not oxidized, but may contain impurities within 0.1% by weight of the total weight of copper in some cases.
또한, 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부는 은 코팅 구리 프리폼이 가압 소결을 통하여 변형되어 형성된 본드라인(bondline) 부분을 의미하나 경우에 따라서는 피접합체 금속 피니쉬의 접합 계면까지 포함하는 의미로 사용될 수 있다.In addition, the silver-coated pure copper particle-based sintered joint refers to a bondline portion formed by deforming the silver-coated copper preform through pressure sintering, but in some cases, it may be used to include the joint interface of the metal finish to be joined. there is.
상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체는 접합소재에 의한 접합이 필요한 소재라면 한정이 없으나, 예를 들어, 각각 기판과 칩(다이), 또는 칩(다이)과 칩(다이), 또는 기판과 기판 등일 수 있다. The first to-be-joined body and the second to-be-joined body are not limited as long as they are materials that need to be bonded by a bonding material, but, for example, a substrate and a chip (die), a chip (die) and a chip (die), or a substrate and a chip, respectively. It may be a substrate or the like.
상기 은 코팅 구리 프리폼은 접합하고자 하는 기판 상에 위치시키고, 그 위에 칩을 정렬하여 놓은 후 샌드위치 구조에서 열압착(thermo-compression) 본더 (bonder)를 사용한 열압착 방식으로 대기 중 소결접합을 실시할 수 있다. The silver-coated copper preform is placed on a substrate to be joined, chips are aligned thereon, and then sintered in the air by a thermal compression method using a thermo-compression bonder in a sandwich structure. can
상기 가압 소결은 200 내지 400℃의 소결 온도로 승온 후, 상기 소결 온도에서 0.1 내지 10분 동안 1 내지 15 MPa 압력을 가하여 이루어질 수 있다.The pressure sintering may be performed by raising the temperature to a sintering temperature of 200 to 400° C. and then applying a pressure of 1 to 15 MPa for 0.1 to 10 minutes at the sintering temperature.
상기 소결 온도가 200℃ 미만일 경우 은 쉘(shell)부의 소성 변형이 쉽지 않아 프리폼 내 은 코팅 구리 입자들의 재배열이 충분히 이루어지기 쉽지 않고, 400 ℃을 초과할 경우 불필요한 에너지의 낭비가 발생하거나 접합부가 심하게 산화되거나 피접합체에 고온 손상이 가해질 수 있어 바람직하지 않다. When the sintering temperature is less than 200 ° C, plastic deformation of the silver shell part is not easy, so it is not easy to sufficiently rearrange the silver-coated copper particles in the preform, and when the sintering temperature exceeds 400 ° C, unnecessary energy is wasted or the junction is It is undesirable because it can be severely oxidized or high-temperature damage can be applied to the bonded body.
상기 가압 소결 시간이 0.1분 미만일 경우 은 코팅 구리 프리폼의 소성변형에 따른 재배열이 충분히 이루어지지 않아 접합강도가 낮게 되며, 10분을 초과할 경우 공정 시간이 지나치게 길어지므로 생산 경쟁력이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.If the pressure sintering time is less than 0.1 minutes, rearrangement due to plastic deformation of the silver-coated copper preform is not sufficiently performed, resulting in low bonding strength. Not desirable.
상기 소결 온도로 승온 후, 적정 시점에서 1 내지 15 MPa 압력을 가하는 가압공정으로 인해 소결접합부의 공극이 최소화되고 미세구조가 보다 치밀해진다. 또한, 은 코팅 구리 나노 입자들과 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체간 계면 소결접합이 원활이 진행되는 바, 이러한 가압공정은 소결과정과 조합하여 상승 효과를 통해 소결접합을 보다 빠르게 진행할 수 있어 소결접합 공정의 생산성을 향상시키고 생산 가격을 크게 저감시킬 수 있다. After the temperature is raised to the sintering temperature, the voids of the sintered joint are minimized and the microstructure becomes more dense due to the pressurization process of applying a pressure of 1 to 15 MPa at an appropriate time point. In addition, the interface sintering between the silver-coated copper nanoparticles and the first to-be-joined and the second to-be-joined proceeds smoothly, and this pressurization process is combined with the sintering process to achieve a synergistic effect. The productivity of the sintering process can be improved and the production cost can be greatly reduced.
이때 가해지는 압력이 1 MPa 미만일 경우 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체간의 원활한 계면 소결접합을 통한 우수한 접합강도의 구현을 기대하기 힘들고 15 MPa 초과할 경우 칩과 같은 피접합체에 기계적 손상이 가해질 수 있어 바람직하지 않다. At this time, if the applied pressure is less than 1 MPa, it is difficult to expect the realization of excellent bonding strength through smooth interfacial sintering between the first bonded body and the second bonded body, and if it exceeds 15 MPa, mechanical damage may be applied to the bonded body such as a chip. It is not desirable to have
상기 접합 공정은 대기 중에서 진행 시 최고의 산업적 경쟁력을 가지나 접합강도를 보다 향상시키거나 접합부의 품질을 보다 개선시키기 위해 경우에 따라, 질소와 같은 불활성 분위기 또는 진공 내에서도 실시될 수 있다.The bonding process has the highest industrial competitiveness when conducted in the air, but may be carried out in an inert atmosphere such as nitrogen or in a vacuum in order to further improve the bonding strength or the quality of the bonding part.
본 발명에서, 상기 제 1 피접합체와 제 2 피접합체 표면의 은 피니쉬는 상기 제 1 피접합체와 제 2 피접합체의 표면의 전부 또는 일부에 각각 형성되어 있는 일종의 금속층을 의미한다.In the present invention, the silver finish on the surfaces of the first to-be-joined and the second to-be-joined means a kind of metal layer formed on all or part of the surfaces of the first to-be-joined and the second to-be-joined, respectively.
본 발명에 따른 소결접합 방법을 통해 대기 중에서도 초고속으로 소결접합을 수행할 수 있으므로, 에너지 소모를 최소화하면서도 컨베이어 시스템을 사용한 연속 공정에 의한 다이 본딩이 가능하여 생산성을 극대화할 수 있는 바, 전기차용 파워 모듈의 대량 생산에 응용될 수 있다.Since the sinter bonding method according to the present invention can perform sinter bonding at high speed even in the air, it is possible to perform die bonding by a continuous process using a conveyor system while minimizing energy consumption, thereby maximizing productivity. It can be applied to mass production of modules.
또한, 본 발명은,In addition, the present invention,
구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1인 은 코팅 구리 입자들로부터 형성된 필름 성형체, 펠렛(pellet) 또는 그린시트(green sheet) 형태로, 소결접합시 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 내부 입자들이 재배열(rearrangement)되며 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면과 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 형성하는 은 코팅 구리 프리폼을 제공한다.A film formed from silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 6:4 to 9:1, in the form of a pellet or green sheet, bonding the first and second objects to be joined during sintering Internal particles are rearranged to correspond to the concavo-convex shape of the surface and are sintered and joined to the surfaces of the first and second objects to be joined to provide a silver-coated copper preform for forming a sintered joint based on silver-coated pure copper particles. .
본 발명에 따른 은 코팅 구리 프리폼을 이용하여 앞서 설명한 소결접합 공정을 수행할 수 있다.The sintering process described above may be performed using the silver-coated copper preform according to the present invention.
즉, 팩킹 밀도가 높고 유기물 또는 바인더 등의 용제 성분이 없는 은 코팅 구리 프리폼을 이용하는 바, 급속한 소결을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 가압 소결 공정 중 낮은 점도의 용제 성분이 흘러 칩이나 기판부를 오염시키지 않으므로 페이스트 소재 대비 매우 청정한 공정성을 제공할 수 있다. 또한 소결접합 후에도 접합부 내에 잔류 유기물이 존재하지 않아 형성 접합부는 우수한 열전도도 특성을 제공할 수 있다.That is, since silver-coated copper preforms with high packing density and no solvent components such as organic matter or binders are used, not only can rapid sintering be induced, but also low-viscosity solvent components do not flow and contaminate the chip or substrate during the pressure sintering process. It can provide a very clean fairness compared to paste materials. In addition, since residual organic matter does not exist in the joint after sintering, the formed joint can provide excellent thermal conductivity.
또한, 상기 내부 입자, 즉, 은 코팅 구리 프리폼을 구성하는 입자들이 가압 소결 공정을 통해 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 재배열되어 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 구현하므로, 구리의 산화를 억제하면서도 은 코팅 구리 프리폼과 피접합체들 피니쉬 계면에서의 접촉 면적이 최대화되어 계면부에서도 빠른 소결접합을 구현할 수 있고 동시에, 우수한 내열성 및 고온 안정성, 가격 경쟁력, 열전도도 특성, 기계적 특성을 동시에 나타낼 수 있다. In addition, the inner particles, that is, the particles constituting the silver-coated copper preform, are rearranged through a pressure sintering process to correspond to the concavo-convex shapes of the bonding surfaces of the first and second objects to be joined, resulting in a sintered joint based on silver-coated pure copper particles , thereby suppressing oxidation of copper, maximizing the contact area at the interface between the silver-coated copper preform and the finish to be joined, enabling rapid sintering at the interface, and at the same time, excellent heat resistance and high-temperature stability, price competitiveness, and thermal conductivity. Characteristics and mechanical properties can be displayed at the same time.
이러한 은 코팅 구리 프리폼을 이용하여 대기 중에서 초고속으로 소결접합을 수행할 수 있으므로, 에너지 소모를 최소화하면서도 컨베이어 시스템을 사용한 연속 공정에 의한 다이 본딩이 가능하여 생산성을 극대화할 수 있는 바, 전기차용 파워 모듈의 대량 생산에 응용될 수 있다.Since sintering can be performed at high speed in the air using these silver-coated copper preforms, die bonding can be performed in a continuous process using a conveyor system while minimizing energy consumption, thereby maximizing productivity. Power modules for electric vehicles can be applied to mass production of
상기 은 코팅 구리 입자는 구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1일 수 있다. 상기 범위를 넘어서 구리의 함량이 지나치게 낮거나 은의 함량이 지나치게 높으면 소재의 가격 경쟁력이 크게 떨어질 수 있고, 구리의 함량이 지나치게 높거나 은의 함량이 지나치게 낮으면 가압 소결 공정에서 은의 소성변형(미끄러짐 거동)이 충분히 이루어지기 힘들어 빠른 공정성 및 치밀한 소결접합부에 의한 우수한 기계적 특성의 접합부를 형성할 수 없어 바람직하지 않다. 상세하게는 7.5 : 2.5 내지 8.5 : 1.5일 수 있다.The weight ratio of copper to silver in the silver-coated copper particles may be 6:4 to 9:1. If the copper content is too low or the silver content is too high beyond the above range, the price competitiveness of the material may be greatly reduced, and if the copper content is too high or the silver content is too low, plastic deformation (slip behavior) of silver in the pressure sintering process It is difficult to achieve this sufficiently, so it is not possible to form a joint with excellent mechanical properties due to fast processability and precise sintering. Specifically, it may be 7.5: 2.5 to 8.5: 1.5.
이외 상기 은 코팅 구리 입자의 입자 및 이로부터 제조된 은 코팅 구리 프리폼에 관한 구성은 앞서 설명한 바 이하 자세한 설명은 생략한다.In addition, since the structure of the silver-coated copper particle and the silver-coated copper preform prepared therefrom have been described above, a detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only to illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1-1><Example 1-1>
은 코팅 구리 프리폼의 제조Preparation of Silver Coated Copper Preforms
습식 합성법으로 Cu 입자를 합성하고, Cu 표면에 Ag를 코팅하여 구리와 은의 중량비가 8 : 2이며 평균 입경이 350 nm인 은 코팅 구리 입자를 준비하였다.Cu particles were synthesized by a wet synthesis method, and Ag was coated on the Cu surface to prepare silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 8:2 and an average particle diameter of 350 nm.
상기 은 코팅 구리 입자들을 몰드(mold) 내 가압 공정으로 필름 형태로 성형 후 칩의 크기와 모양을 고려하여 절단하여 350 ㎛의 두께의 은 코팅 구리 프리폼을 제조하였다.The silver-coated copper particles were molded into a film form through a pressurization process in a mold, and then cut in consideration of the size and shape of the chip to prepare a silver-coated copper preform having a thickness of 350 μm.
은 코팅 구리 프리폼를 이용한 소결접합Sintering using silver-coated copper preforms
상기 은 코팅 구리 프리폼을 접합하고자 하는 기판 표면의 은 피니쉬 상에 올려놓은 후 그 위에 접합하고자 하는 칩의 은 피니쉬 바닥 면이 닿게끔 정렬하여 놓는 방식으로 기판과 칩 사이에 삽입시켰다. 이후, 대기 중에서 250℃의 소결 온도로 승온 후, 300초 동안 10 Mpa로 가압 소결을 하여 은 코팅 구리 프리폼에 의해 기판과 칩 간에 소결접합부가 형성된 소결접합 구조체를 제조하였다. The silver-coated copper preform was placed on the silver finish of the surface of the substrate to be bonded and then inserted between the substrate and the chip by arranging it so that the bottom surface of the silver finish of the chip to be bonded contacted thereon. Thereafter, after raising the temperature to a sintering temperature of 250 ° C. in the air, pressure sintering was performed at 10 Mpa for 300 seconds to prepare a sintered joint structure in which a sintered joint was formed between the substrate and the chip by the silver-coated copper preform.
실시예 1-1에서 하기 표 1의 조건으로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 소결접합을 수행하였다. Sinter bonding was performed in the same manner as in Example 1-1 except for changing the conditions in Table 1 below.
<실험예 1-1><Experimental Example 1-1>
실시예 1-1 내지 4-4에서 제조된 은 코팅 구리 프리폼에 대하여, 이의 소결접합 전 단면 미세조직을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 하기 도 3a에 나타내었다.For the silver-coated copper preforms prepared in Examples 1-1 to 4-4, SEM (Scanning Electron Microscope) images showing cross-sectional microstructures before sintering are shown in FIG. 3A below.
도 3a에 따르면, 은 코팅 구리 프리폼은 은 코팅 구리 입자들이 가압 성형된 필름 형태로, 은 코팅 구리 프리폼은 은 코팅 구리 입자들이 성형 과정에서 이미 상당 부분 소성변형되어 압착된 상태이며, 구리 입자들 간의 경계부에 은(흰색 부분)이 잔존하며, 보이드가 거의 관찰되지 않아 팩킹 밀도가 매우 높은 것을 알 수 있다. According to FIG. 3A, the silver-coated copper preform is in the form of a film in which silver-coated copper particles are press-molded. It can be seen that silver (white part) remains at the boundary, and voids are hardly observed, indicating that the packing density is very high.
<실험예 1-2><Experimental Example 1-2>
실시예 1-1 내지 4-4에서 제조된 은 코팅 구리 프리폼에 대하여, 이를 마운팅한 후 폴리싱하여 소결접합 전 초기 은 코팅 구리 프리폼의 바닥부 단면 미세조직을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 하기 도 3b에 나타내었다.With respect to the silver-coated copper preforms prepared in Examples 1-1 to 4-4, SEM (Scanning Electron Microscope) images showing the cross-sectional microstructure of the bottom of the initial silver-coated copper preforms before sintering after mounting and polishing are shown below. shown in Figure 3b.
도 3b 하단의 검은색 부분은 마운팅한 에폭시이다. 도 3b에 따르면, 은 코팅 구리 프리폼 바닥부는 그 표면이 입자 형태의 요철을 그대로 나타내어 울퉁불퉁한 것을 확인할 수 있다.The black part at the bottom of FIG. 3B is the mounted epoxy. According to FIG. 3B , it can be seen that the surface of the bottom portion of the silver-coated copper preform is uneven with particle-shaped irregularities intact.
<실험예 2><Experimental Example 2>
실시예 1-1 및 4-4에 따른 은 코팅 구리 입자 기반 소결접합부와 기판의 은 피니쉬 계면을 보여주는 대표 이미지들을 각각 하기 도 4a(SEM(scanning electron microscopy) 이미지) 및 도 4b(TEM(transmission electron Microscopy) 이미지)에 나타내었다.4a (scanning electron microscopy (SEM) image) and FIG. 4b (transmission electron TEM (TEM) representative images showing the silver-finish interface of the silver-coated copper particle-based sintered joint and the substrate according to Examples 1-1 and 4-4, respectively. Microscopy image).
도 4a 및 도 4b에 따르면, 기판의 접합 표면에는 요철부가 형성되어 있으며, 은 코팅 구리폼은 이러한 요철 형상에 대응되도록 재배열되어 은 코팅 구리 입자 기반 소결접합부와 기판의 은 피니쉬 계면에서의 접촉면이 최대화된 것을 알 수 있다.4a and 4b, concavo-convex portions are formed on the bonding surface of the substrate, and the silver-coated copper foam is rearranged to correspond to the concavo-convex shape, so that the contact surface between the silver-coated copper particle-based sintered joint and the silver finish interface of the substrate is formed. It can be seen that the maximum
<실험예 3><Experimental Example 3>
실시예 3-1 및 4-1에 따른 은 코팅 구리 입자 기반 소결접합부에 의해 기판과 칩이 소결접합된 소결접합 구조체의 단면 미세조직을 보여주는 SEM 이미지를 하기 도 5에 나타내었다.SEM images showing the cross-sectional microstructure of the sintered joint structure in which the substrate and the chip are sintered by the silver-coated copper particle-based sintered joint according to Examples 3-1 and 4-1 are shown in FIG. 5 below.
도 5에 따르면, 30초간의 극도로 짧은 소결접합 시간에도 불구하고 모두 치밀한 접합부 및 계면 미세조직을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 은 코팅 구리 입자 기반 소결접합부와 기판의 은 피니쉬 계면에서의 접촉면뿐만 아니라 접합부 내부에서도 조대한 보이드(void)가 전혀 없는 조직으로 확인되는 바, 접합 후 초기 불량 발생이나 장기 신뢰성 평가 후 예상치 못한 접합부의 기계적 특성 감소 등을 최소화할 수 있다. According to FIG. 5, it can be confirmed that all of them show a dense joint and interface microstructure despite the extremely short sintering time of 30 seconds. In other words, it is confirmed that there is no coarse void at all in the contact surface of the silver-finish interface between the silver-coated copper particle-based sintered joint and the substrate, as well as inside the joint. It is possible to minimize the decrease in mechanical properties of the joint.
<실험예 4><Experimental Example 4>
실시예 2-1에 따른 은 코팅 구리 입자 기반 소결접합부의 X-선 회절분석 결과를 도 6에 나타내었다The results of X-ray diffraction analysis of the silver-coated copper particle-based sintered joint according to Example 2-1 are shown in FIG. 6
도 6에 따르면, 은 코팅 구리 입자 기반 소결접합부는 은과 순수 구리로만 이루어져 있으며 산화 구리가 포함되지 않은 것을 알 수 있다. 이는 은 코팅 구리 프리폼은 은이 구리 입자를 완전히 감싸고 있는 입자들로 구성되는 한편 매우 치밀한 내부 구조를 가지므로, 소결접합 과정에서 대기 중 산소가 프리폼 내부가 침투하지 못하여 구리의 산화가 일어나지 않기 때문이다. 은과 순수 구리로만 이루어진 은 코팅 순수 입자 기반 소결접합부는 고온에서 우수한 기계적 특성과 더불어 우수한 열전도도 특성을 동시에 나타낼 수 있다.According to FIG. 6 , it can be seen that the silver-coated copper particle-based sintered joint consists of only silver and pure copper and does not contain copper oxide. This is because the silver-coated copper preform is composed of particles in which silver completely surrounds the copper particles and has a very dense internal structure, so oxygen in the air cannot penetrate into the inside of the preform during the sintering process and oxidation of the copper does not occur. The silver-coated pure particle-based sintered joint made of only silver and pure copper can exhibit excellent thermal conductivity as well as excellent mechanical properties at high temperatures.
<실험예 5><Experimental Example 5>
실시예 1-1 내지 실시예 4-4에 따라 소결접합을 수행 후 형성된 소결접합부의 전단강도를 측정하여 도 7에 나타내었다. 전단시험 시 전단 팁(tip) 부분의 높이는 기판 바닥부로부터 200 μm이었으며, 이를 200 μm/s의 속도로 움직이면서 주로 칩 부분을 전단시키는 과정에서 측정되는 최대강도값을 전단강도값으로 정의하였다. The shear strength of the sinter joint formed after performing the sinter joint according to Examples 1-1 to 4-4 was measured and shown in FIG. 7 . During the shear test, the height of the shear tip was 200 μm from the bottom of the board, and the maximum strength value measured in the process of shearing the chip part while moving it at a speed of 200 μm/s was defined as the shear strength value.
도 7에 따르면 실시예 3-1 및 4-1의 경우 단 30초의 소결접합으로도 20 MPa에 상응하는 충분한 전단강도값이 얻어지며, 실시예 3-1 내지 3-4의 경우 단 5 MPa의 압력을 가하여도 우수한 전단강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 4-1 내지 4-4의 경우 소결접합 시간의 증가에 따라 전단강도 값이 크게 상승하는 경향을 보였다. 이는 높은 온도 및 가압력에서 소결접합 시 프리폼 내 Ag 쉘 부분에서 집중적인 미끄러짐 소성변형이 발생하면서 프리폼 내 입자들(특히 표면부 입자들)의 위치가 변이되며 상, 하부의 칩(다이) 및 기판 계면부 금속 피니쉬의 요철 형상들에 대응되게 입자들이 재배열됨으로써 상, 하부 계면에서의 치밀한 소결접합이 진행되기 때문이다.According to FIG. 7, in the case of Examples 3-1 and 4-1, a sufficient shear strength value corresponding to 20 MPa was obtained even with sintering for only 30 seconds, and in the case of Examples 3-1 to 3-4, only 5 MPa It can be confirmed that it exhibits excellent shear strength even when pressure is applied. In addition, in the case of Examples 4-1 to 4-4, the shear strength values tended to increase significantly with the increase in sinter bonding time. This is because intensive slip plastic deformation occurs in the Ag shell part in the preform during sintering at high temperature and pressure, and the position of the particles (particularly the surface particles) in the preform is shifted, and the upper and lower chip (die) and substrate interfaces This is because the particles are rearranged to correspond to the concavo-convex shapes of the secondary metal finish, so that dense sintering at the upper and lower interfaces proceeds.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능하다. Those skilled in the art to which the present invention pertains can make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above information.
Claims (5)
구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1인 은 코팅 구리 입자를 준비하는 단계;
상기 은 코팅 구리 입자들만을 필름 성형체 또는 펠렛(pellet) 형태로 변형하여 은 코팅 구리 프리폼(preform)을 제조하는 단계;
상기 은 코팅 구리 프리폼을 제 1 피접합체와 제 2 피접합체 사이에 삽입한 후 가압 소결하는 단계;를 포함하여,
상기 은 코팅 구리 프리폼 내 입자들이 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 재배열(rearrangement)되며 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면과 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법.As a method of sintering joined objects having a silver (Ag) finish on the surface,
preparing silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 6:4 to 9:1;
manufacturing a silver-coated copper preform by transforming only the silver-coated copper particles into a film molded body or pellet form;
Including; inserting the silver-coated copper preform between the first to-be-joined body and the second to-be-joined body and then performing pressure sintering,
Particles in the silver-coated copper preform are rearranged to correspond to the concavo-convex shapes of the surfaces of the first and second objects to be joined and sintered to the surfaces of the first and second objects to be joined, while silver coating A sintering method using a silver-coated copper preform, characterized in that for forming a pure copper particle-based sintered joint.
소결접합시 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 접합 표면의 요철 형상에 대응되도록 내부 입자들이 재배열(rearrangement)되어 상기 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면과 소결접합되면서 은 코팅 순수 구리 입자 기반 소결접합부를 형성하는 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 표면을 소결접합시키는 것을 특징으로 하는 은 코팅 구리 프리폼.In the form of a film molded body or pellet formed only from silver-coated copper particles having a weight ratio of copper to silver of 6: 4 to 9: 1,
During sintering, internal particles are rearranged to correspond to the uneven shapes of the surfaces of the first and second objects to be joined and sintered to the surfaces of the first and second objects to be joined, silver-coated pure copper particles A silver-coated copper preform characterized by sintering surfaces of a first to-be-joined body and a second to-be-joined body forming a base sintered joint.
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