KR102513716B1 - 은 코팅 구리 프리폼 및 상기 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법 - Google Patents

은 코팅 구리 프리폼 및 상기 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법 Download PDF

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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.

Description

은 코팅 구리 프리폼 및 상기 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법{Silver Coated Copper Preform and Sinter Bonding Method using the Same}
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.
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.
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.
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.
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.
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.
따라서 이를 개량하여 고온에서 우수한 미세조직적, 기계적 특성과 더불어 우수한 열전도도 특성을 동시에 나타낼 수 있는 초고속 소결접합 방법에 대한 연구가 더 필요하다.
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 제10-2019-0096907호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
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.
본 발명은,
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 방법을 제공한다.
상기 은 코팅 구리 입자는 50 내지 500 nm의 입자 크기를 가질 수 있다.
상기 피접합체의 표면 거칠기(Ra) 값이 0.1∼10 μm일 수 있다.
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.
또한, 본 발명은,
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명은, 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 방법을 제공한다.
본 발명에서 은 코팅 구리 프리폼은 은 코팅 구리 입자를 필름 성형체, 펠렛 또는 그린시트 형태로 제조한 후 절단하여 사용할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 은 코팅 구리 입자는 50 내지 500 nm의 입자 크기를 가질 수 있다.
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.
상기 은 코팅 구리 프리폼의 두께는 10 내지 600 μm일 수 있다.
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.
상기 피접합체는 표면의 표면 거칠기(Ra) 값은 0.1∼10 μm 일 수 있다.
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.
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.
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.
여기서 순수 구리는 산화되지 않은 구리를 의미하나, 경우에 따라 구리 전체 중량 대비 0.1 중량% 이내에서 불순물을 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 본 발명은,
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.
본 발명에 따른 은 코팅 구리 프리폼을 이용하여 앞서 설명한 소결접합 공정을 수행할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
이외 상기 은 코팅 구리 입자의 입자 및 이로부터 제조된 은 코팅 구리 프리폼에 관한 구성은 앞서 설명한 바 이하 자세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1-1>
은 코팅 구리 프리폼의 제조
습식 합성법으로 Cu 입자를 합성하고, Cu 표면에 Ag를 코팅하여 구리와 은의 중량비가 8 : 2이며 평균 입경이 350 nm인 은 코팅 구리 입자를 준비하였다.
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.
은 코팅 구리 프리폼를 이용한 소결접합
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.
실시예 1-1에서 하기 표 1의 조건으로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 소결접합을 수행하였다.
소결접합 온도(℃) 소결접합 압력(MPa) 소결접합 시간(s)
250 10 300 (실시예 1-1)
300 10 30 (실시예 2-1)
60 (실시예 2-2)
180 (실시예 2-3)
300 (실시예 2-4)
350 5 30 (실시예 3-1)
60 (실시예 3-2)
180 (실시예 3-3)
300 (실시예 3-4)
350 10 30 (실시예 4-1)
60 (실시예 4-2)
180 (실시예 4-3)
300 (실시예 4-4)
<실험예 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.
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.
<실험예 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.
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.
<실험예 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.
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.
<실험예 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.
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.
<실험예 4>
실시예 2-1에 따른 은 코팅 구리 입자 기반 소결접합부의 X-선 회절분석 결과를 도 6에 나타내었다
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.
<실험예 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.
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.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능하다.

Claims (5)

  1. 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 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.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 은 코팅 구리 입자는 50 내지 500 nm의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 피접합체의 표면 거칠기(Ra) 값이 0.1∼10 μm인 것을 특징으로 하는 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 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 이루어지는 것을 특징으로 하는 은 코팅 구리 프리폼을 이용한 소결접합 방법.
  5. 구리와 은의 중량비가 6 : 4 내지 9 : 1인 은 코팅 구리 입자들만으로부터 형성된 필름 성형체 또는 펠렛(pellet) 형태로,
    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.
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