KR20200043033A - 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 구리 입자는 구리 전구체 용액에 아연 분말을 첨가하여 상온 합성되는 것으로서, 마이크로 스케일의 구리 로드(rod) 형태에 나노 스케일의 구리 입자들이 붙어 구현된 벼이삭형 형태로 페이스트의 필러(filler) 소재로 사용되며, 상기 벼이삭형 구리 입자는 내산화 유기물 표면처리된 것을 특징으로 하는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 구리 입자에 적절한 표면처리를 하는 것과 저온에서 최대한 빠른 소결이 일어날 수 있도록 구리 입자의 형태를 나노입자 기반 벼이삭 형태로 적용하여, 저온 공정으로 고속 소결 접합 시에도 충분한 접합성을 확보할 수 있는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트를 제공하는 이점이 있다.

Description

벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트{Paste containing rice-ear-shaped Cu particles}

본 발명은 접합 페이스트에 관한 것으로서, 대기 중 산화를 방지하기 위하여 구리 입자에 적절한 표면처리를 하는 것과 저온에서 최대한 빠른 소결이 일어날 수 있도록 구리 입자의 형태를 나노 스케일 구조 기반 벼이삭 형태로 적용하여 페이스트의 필러 소재로 사용한 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트에 관한 것이다.

최근 EV(electrical vehivle), HEV(hybrid electrical vehicle), aerospace, deep-well drilling 및 기타 에너지 산업 분야에는 파워모듈(power module)이 사용되고 있다.

파워모듈은 전력의 변환, 변압, 안정화, 분배 및 제어 등을 수행하는 장치로, 전력의 전달 및 제어 과정에서 에너지 효율을 향상시키고 전압 변화를 제어하여 시스템 안정성과 신뢰성을 제공하는 기능을 수행하는 핵심 부품이다.

이러한 파워 모듈에 적용되는 파워소자를 DBC(direct bonded copper) 기판에 접합시키기 위해서는 낮은 온도에서 빠른 시간에 접합이 가능하여 제조 공정상 경쟁력을 가지는 소재 개발이 요구되고 있다.

필요로 하는 접합 소재의 특성은 최대 동작온도를 견딜 수 있는 내열 및 방열성, 20kHz 이상의 turn-on 및 turn-off 특성을 견딜 수 있는 열적 내피로 특성 및 자동차 전장품의 내구 수명(10)년을 만족할 수 있는 장기 내구성을 갖추어야 한다.

일반적으로 파워모듈 접합소재로는 현재 고Pb계 솔더(solder)를 주로 사용하고 있으나, 향후 무연 소재의 사용 규약이 확산될 예정이다. 아울러 Pb를 함유하지 않는 무연 솔더를 적용하는 경우에도 내열 및 방열 특성이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 파워소자가 기존 Si 기반 반도체에서 최근 넓은 밴드갭(band gap), 높은 파괴전압, 높은 열전도도 및 빠른 포화전자속도를 가지는 WBG(wide band gap) 화합물 반도체로 점차 대체되는 상황이어서 Ag 입자를 사용하는 소결 접합 페이스트가 개발, 보급되고 있다.

WBG 화합물 반도체 파워소자는 그 동작온도가 궁극적으로 250~300℃에 이를 것으로 예상되는데, 이는 Sn-3.0Ag-0.5Cu와 같은 일반적인 무연 솔더의 융점(217℃)보다 높게 되므로 일반적인 솔더 접합 공정은 적용이 불가능해진다.

이에 솔더를 사용한 TLP(transient liquid phase) 접합이 연구되고 있으나, 이는 고온 및 긴 접합시간이 요구되는 바, 제조 공정상의 경쟁력이 매우 떨어진다. 또한 접합부를 구성하는 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)은 본질적으로 취성이 강해 자동차와 같이 진동이 심한 환경에 노출되는 전기전자부품의 접합소재로 적합치 않다.

이에 Heraeus와 같은 소재 기업들은 소결 접합용 페이스트(상품명 mAgic)를 출시하고 있는데, 이러한 페이스트는 필러소재로 가격이 높은 Ag를 사용하고 있다. 아울러 보다 저온에서 빠른 시간에 접합을 완료하기 위해서는 소결성을 향상시켜야 하므로 나노~서브마이크론 크기의 작은 Ag 입자를 사용해야 하는데, 이 경우 Ag 입자의 가격은 더욱 고가가 된다.

또한 Ag 입자를 이용한 페이스트의 경우 30~60분의 긴 소결시간은 공정의 신속성 및 가격 경쟁력을 크게 떨어뜨리므로 산업적 경쟁력이 매우 낮은 문제점이 있다.

이러한 Ag 페이스트의 높은 가격으로 인해, 현재 궁극적인 미래형 소결 접합용 소재로는 구리 입자를 필러로 사용하는 페이스트를 고려하고 있다. 구리는 은에 비해 그 원가가 1/60~1/100 수준으로 매우 낮은 소재이지만 Ag와 유사한 열 및 전기전도도를 나타내며, 이미 기판 배선용 소재 등으로 오랫동안 사용되어 온 소재이다.

그러나 Ag에 비해 구리는 산화되려는 특성이 매우 높으므로 접합소재의 필러로써는 매우 부적절한 특성을 보유하고 있다. 즉, 산화가 심하게 진행될 경우 전기전도도뿐만 아니라 소결성이 급속히 떨어지는 단점이 있으므로 이를 적절히 제어해야 할 필요성이 있다.

한편, 일반적으로 구형의 금속 입자보다 플레이크 형태에서, 플레이크 형태 보다는 가지가 많은 형태의 금속 입자 형태에서 동일 무게 대비 표면적이 증가하게 되므로 입자간의 접촉에 의해 진행되는 고상 소결이 보다 원활해지는 효과를 기대할 수 있다.

현재까지 가지가 많은 형태의 금속 입자에 대한 연구는 덴드리머(dendrimer) 형태를 중심으로 진행되어 왔는데, 이를 도전 페이스트의 필러 소재로 사용할 경우 표면적 증가 효과에 의한 전기적 접점수의 상대적 증가로 적은 량의 첨가량만으로도 기존과 유사한 전기 전도도 및 전자파 차폐 특성을 얻을 수 있는 장점 때문이었다. 일예로 덴드리머 형태의 도전성 필러는 종래의 플레이크(flake) 형태의 필러 대비 약 50%의 첨가량만으로도 유사한 전기 전도도를 얻을 수 있음이 보고된 바 있다(Nature Communication, 2015). 따라서 덴드리머 형태 도전성 필러의 제조 및 응용 연구가 현재에도 활발히 진행 중이다.

그러나 상기 예와 같은 결과는 페이스트 제조 과정에서 필러와 레진 포뮬레이션(resin formulation)간에 이상적인 혼합이 이루어질 때 구현되는 것으로 실제 상황의 일반적인 혼합 방법으로 덴드리머 형태의 도전성 필러와 레진 포뮬레이션과의 원활한 혼합은 매우 어려운 상황이다.

특히 도전성 필러가 덴드리머 형태인 경우 가지가 많아지고 길어질수록, 그리고 더욱 미세한 크기로 제조될수록 표면적 비율이 크게 증가하여 레진 포뮬레이션이 빈틈없이 가지들 사이로 침투하면서 균일하게 혼합되는 것이 더욱 어려워지는 바 페이스트화를 위한 실제 혼합공정에서의 안정적인 혼합을 위해서는 덴드리머형 필러의 형태를 다소 일체화된 간단한 형태로 변화시킬 필요성이 있다.

지금까지의 덴드리머 형태의 도전성 필러 소재의 개발 연구는 은 위주로 진행되어 왔으나, 상기 가격적인 부분과 Ag와 유사한 구리의 전기적, 열적 특성을 고려할 때, 덴드리머 형태의 도전성 필러의 소재는 궁극적으로 구리 기반으로 완성될 것으로 예상된다.

일반적으로 알려진 덴드리머 형태의 구리의 제조방법은 아연 또는 알루미늄 호일(foil)을 사용하여 아연 또는 알루미늄과 구리 이온 간의 갈바닉 치환 반응(galvanic displacement reaction)에 의해 알루미늄 또는 아연 호일 표면에서 구리 덴드리머를 생성, 성장시키는 방법 또는 상기 호일들을 음극재로 사용한 전기분해 적용 공정법을 사용하고 있다.

그러나, 이와 같은 제조방법은 다소 복잡한 장비가 이용되거나, 입자 형성 과정에서 최대 120℃ 정도로 가열하면서 최대 18시간 동안 유지해야 하는 등 가열 공정과 오랜 합성 시간으로 생산성이 매우 낮으며, 따라서 고비용 공정으로 알려져 있다. 아울러 전기분해를 적용한 제조방법은 다소 복잡한 장비가 이용되거나, 대량 생산을 위해 수많은 호일을 침지시켜야 하는 등 방법적 제한성을 가지고 있다.

본 발명자는 이러한 기존의 덴드리머 형태의 구리의 제조방법에 대한 문제점을 해결하기 위하여, 기존 덴드리머 형태와는 다른 "벼이삭형 구리 입자의 제조방법"에 대해서 출원(출원번호 10-2016-0183021)한 바 있다.

상기 기술은 구리 전구체 용액에 아연 분말을 첨가하는 상온 합성 공정으로 빠른 시간 내에 벼이삭형 구리 입자를 대량으로 합성할 수 있는 것으로서, 상온에서 10분 이내로 반응이 종결되는 초고속 제조 공정으로 생산성을 극도로 향상시킬 수 있어 저가의 벼이삭형 구리 입자를 제공할 수 있는 장점이 있다.

이러한 초고속 공정에 의해 제공되는 벼이삭형 구리 입자의 경우 입도의 크기가 작으며, 종래의 덴드리머 형태에 비해 중심가지에 대해 파생가지의 길이가 상대적으로 짧게 형성된 특이한 형태로 그 연구분야가 다양할 것으로 기대되고 있다. 이에 본 특허에서는 당 벼이삭형 구리 입자를 반도체 칩의 소결 접합을 위한 페이스트용 필러 소재로 사용하고자 한다.

본 발명은 내산화 처리된 벼이삭형 구리 입자를 필러로 이용한 접합 페이스트의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 구리 전구체 용액에 아연 분말을 첨가하여 상온 합성되는 것으로서, 마이크로 스케일의 구리 로드(rod) 형태에 나노 스케일의 구리 입자들이 붙어 구현된 벼이삭형 구리 입자가 필러(filler)로 사용되며, 상기 벼이삭형 구리 입자는 내산화 유기물 표면처리된 것을 특징으로 하는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 벼이삭형 구리 입자는, 구리 나노입자들이 붙어 형성된 파생가지의 길이에 대해 중심가지인 구리 로드의 길이의 비가 1:3~20인 것이 바람직하다.

또한, 상기 벼이삭형 구리 입자는, 상기 구리 로드의 길이는 1~10㎛이며, 상기 구리 나노입자의 직경은 5~50nm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 내산화 유기물 표면 처리는, 상기 벼이삭형 구리 입자를 합성한 직후 유기물 처리에 의해 상기 벼이삭형 구리 입자 표면에서 complex를 만들며 코팅되거나 킬레이팅(chelating)되어 구현되며, 상기 유기물은, benzotriazole, ehylenediaminetetraacetic acid 중 어느 하나 또는 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트는, 상기 벼이삭형 구리 입자에 대해 용제의 무게비가 10 : 5~6으로 형성되며, 180~320℃에서 피접합체 간 가압 소결되어 die attach 공정에 적용될 수 있다.

본 발명은 대기 중 산화를 방지하기 위하여 구리 입자에 적절한 표면처리를 하는 것과 저온에서 최대한 빠른 소결이 일어날 수 있도록 구리 나노입자들이 결합하여 중심가지와 파생가지를 이룬 벼이삭 형태를 필러 입자로 적용하여, 칩의 가압 소결 접합 중 빠른 시간 내에 구리 입자간의 소결 및 이에 따른 접합부 내 공극 최소화룰 유도함으로써 단시간에 충분한 소결 접합성을 확보할 수 있는 벼이삭형 구리 입자를 이용한 페이스트를 제공하는 효과가 있다.

보다 구체적으로, 본 발명은 벼이삭형 구리 입자를 페이스트의 필러로 사용함으로써, 10분 이내로 소결 접합 반응이 종결되어 생산성을 극도로 향상시킬 수 있으며, 고속 소결에 기인한 공정 가격의 경쟁력 확보를 추구하고자 한다.

또한, 접합부에 전기전도도 및 열전도도 특성이 나쁜 이종 소재가 잔존하지 않고 접합부가 전기전도도 및 열전도도 특성이 우수한 구리로만 이루어져 기본적으로 접합부의 전기적, 열적 특성이 매우 우수하며, 소자 동작 동안의 고온 발열 시에도 발생된 열을 접합부를 통해 주변으로 잘 배출시키므로 소자 및 모듈에 열-기계적 손상이 가해지는 것을 최소화시켜 소자 및 모듈의 신뢰성을 향상시키므로, 고발열 소자 및 이와 연결된 접합부의 신뢰성 및 안정성을 크게 향상시키는 효과가 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자를 이용한 페이스트와 이를 사용하여 칩을 저온 및 고속 접합하는 기술은 기존에 소개된 적이 전혀 없으며, 벼이삭형 구리 입자는 마이크로 크기의 입자에 그 표면이 나노입자들로 형성된 구조이므로 마이크로 입자의 쉬운 핸들링 및 혼합 특성과 나노입자의 저온 및 고속 소결 특성을 동시에 구현할 수 있는 독창적인 기술인 것이다.

또한, 기존 Ag에 비해 매우 저가격인 구리를 사용하여 상기 저온 및 고속 소결 특성의 구현이 가능하므로 향후 크게 확대될 전기 자동차 시장을 중심으로 한 각종 파워 모듈의 제조 시 파워 소자들의 접합 소재로서, 소재 및 공정적 가격 경쟁력이 매우 우수하므로 산업적 적용이 매우 용이한 소재 및 공정이 될 것으로 기대된다.

도 1 - 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자에 대한 SEM 이미지를 나타낸 도.
도 3 - 본 발명에 따른 유기물 표면처리에 따른 벼이삭형 구리 입자의 산화 억제 모식도.
도 4 - 본 발명에 따른 유기물 표면처리에 따른 벼이삭형 구리 입자의 XRD 패턴을 나타낸 도.
도 5 - 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자들을 가압 소결할 경우 소결시간에 따른 접합부의 단면 미세조직 변화를 나타낸 도.
도 6 - 본 발명에 따른 die attach 공정 모식도.
도 7 - 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트를 사용한 die attach 후 접합부 접합 강도 평가 모식도.
도 8 - 본 발명의 일실시예에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트 적용 시 180~250℃의 온도에서 접합 시간에 따른 접합 강도 변화 그래프를 나타낸 도.
도 9 - 본 발명의 일실시예에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트 적용 시 250℃ 이상의 온도에서 접합 시간에 따른 접합 강도 변화 그래프를 나타낸 도.

본 발명은 저온에서의 고속 소결을 통해 충분한 칩의 접합 강도 특성을 확보하기 위해 구현된 것으로서, 구리 입자 표면의 산화를 억제하기 위한 적절한 표면처리를 하는 것과 저온에서 최대한 빠른 소결이 일어날 수 있도록 구리 입자의 형태를 나노입자 기반 마이크로급 벼이삭 형태로 적용하여, 이를 페이스트의 필러 소재로 사용하고자 하는 것이다.

즉, 본 발명자에 의해 출원된 "벼이삭형 구리 입자의 제조방법"(출원번호 10-2016-0183021) 기술에 의해 확보된 벼이삭형 구리 입자의 대량 합성 기술을 통해 소결에 매우 적합한 형태의 구리 입자를 제공하고, 그 표면을 유기물로 내산화 처리한 후, 용제와 혼합하여 페이스트를 제공하는 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자에 대한 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자에 대한 SEM 이미지를 나타낸 도이고, 도 3은 본 발명에 따른 유기물 표면처리에 따른 벼이삭형 구리 입자의 산화 억제 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 유기물 표면처리에 따른 벼이삭형 구리 입자의 XRD 패턴을 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자들을 가압 소결할 경우 소결시간에 따른 접합부의 단면 미세조직 변화를 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명에 따른 die attach 공정 모식도이고, 도 7은 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트를 사용한 die attach 후 접합부 접합 강도 평가 모식도이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트 적용 시 180~250℃의 온도에서 접합 시간에 따른 접합 강도 변화 그래프를 나타낸 도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트 적용 시 250℃ 이상의 온도에서 접합 시간에 따른 접합 강도 변화 그래프를 나타낸 도이다.

본 발명에 사용되는 구리 입자는 구리 전구체 용액에 아연 분말을 첨가하여 상온 합성되는 것으로서, 마이크로 스케일의 구리 로드(rod) 형태에 나노 스케일의 구리 입자들이 붙어 구현된 벼이삭형 구리 입자가 페이스트의 필러(filler) 소재로 사용되며, 상기 벼이삭형 구리 입자는 내산화 유기물 표면처리된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용되는 벼이삭형 구리 입자는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 스케일의 구리 로드 형태에 나노 스케일의 구리 입자들이 붙어 구현된 것이다.

이러한 벼이삭형 구리 입자는 구리 나노입자들이 붙어 있는 파생가지의 길이에 대해 중심가지인 구리 로드의 길이의 비가 1:3~20이며, 상기 구리 로드의 길이는 1~10㎛이며, 상기 구리 나노입자의 직경은 5~50nm인 것을 그 특징으로 하고 있다.

즉, 도 1의 모식도에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자 자체는 수 마이크로미터의 길이이나, 이를 구성하는 파생가지는 나노 스케일의 구리 입자들의 aggregation 구조임을 알 수 있다.

이는 기존의 페이스트의 필러로 나노입자를 직접 첨가할 경우 페이스트 제조 등을 위한 균일 혼합 및 핸들링 과정에서 공정이 매우 어려워지고 고가의 공정을 동반시켜야 하나, 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자의 경우 일반적인 마이크로 입자에 적용되는 공정을 사용하는 것이 가능하다.

특히 전형적인 덴드리머 형태의 구리 입자의 경우 가지가 매우 얇고 길어 미세한 크기로 제조될수록 표면적 비율이 크게 증가하여 레진 포뮬레이션 또는 용제가 빈틈없이 가지들 사이로 침투하면서 균일하게 혼합되는 것이 더욱 어려워지는 바 페이스트화가 매우 어렵거나 고가의 공정을 동반시켜야 한다.

그러나 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자는 그 자체로서 마이크로 스케일을 가지므로 마이크로 입자에 적용되는 동일한 공정에 적용할 수 있어 안정적인 페이스트 혼합이 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 벼이삭형 구리 입자의 첨단부는 나노 스케일을 나타내는 바, 입자들 간의 접촉 시 입자 간 소결이 급속도록 진행되게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 유기물 표면 처리에 따른 벼이삭형 구리 입자의 산화 억제 모식도를 나타낸 것이다.

구리 소재는 산화에 매우 민감한 소재이며, 특히 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자의 경우 마이크로 크기의 로드 형태에 나노스케일의 구리 입자들이 붙어 있어 그 표면적이 매우 발달된 상태여서 상온의 대기 중에서도 그 표면이 쉽게 산화되어 소결 특성이 크게 감소할 수 있는 바, 원활한 소결 특성을 부여하기 위해서는 내산화 특성을 가지는 유기물 표면처리를 수행하여 그 표면 산화를 최대한 억제시켜야 한다.

구리 입자의 산화를 방지하기 위해 구리 전구체 용액에 아연 분말을 첨가하여 상온에서 벼이삭형 구리 입자의 합성 직후 잔존 용매를 버리고 약간의 세척을 실시한 다음, 세척액에 benzotriazole 및 ethylenediaminetetraacetic acid 중 어느 하나 또는 혼합액을 세척된 벼이삭형 구리 입자에 투입하여 벼이삭형 구리 입자의 표면처리를 실시한 후 건조하게 된다.

이러한 유기물은 상기 벼이삭형 구리 입자 표면에서 complex를 만들며 코팅되거나 킬레이팅(chelating)되어 구현되게 되며, 이후 구리 입자의 산화를 방지하게 된다. 이러한 유기물 표면처리는 벼이삭형 구리 입자를 사용한 페이스트 제조 시 용제 내에서의 분산성도 개선시키게 된다.

도 4는 발명에 따른 유기물 표면처리에 따른 벼이삭형 구리 입자의 XRD 패턴을 나타낸 것으로서, 유기물 표면 처리를 하지 않은 벼이삭형 구리 입자에 비해 Cu₂O peak가 현저히 줄어드는 것으로 보아 유기물 표면처리 후의 구리 입자의 산화는 크게 억제되는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 사용되는 용제는 소결 공정을 위한 가열 과정에서 제거되는 것으로서, ethylene grycol, diethylene grycol, triethylene glycol, tetraethylene grycol, polyethylene grycol, propylene grycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, polypropylene grycol, grycerol, 1,4 butane diol, 1,5-pentanediol, α-terpineol, diethyl toluene diamine, diethanol amine, triethanol amine 중 어느 하나 또는 혼용되어, 상기 벼이삭형 구리 입자와 무게비로 10(구리 입자) : 5~6(용제), 바람직하게는 10 : 5.5~5.7로 사용되어, 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자를 이용한 페이스트를 제공하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자는 그 자체로서 마이크로 스케일을 가지므로 마이크로 입자에 적용되는 페이스트 제조 공정을 적용할 수 있어 안정적인 페이스트 제조 공정을 제공하게 된다. 그럼에도 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자의 표면은 나노입자의 특성을 가지게 되므로 극도로 발달한 표면적에 의해 급속한 소결이 이루어지게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자들을 가압 소결할 경우 소결시간에 따른 접합부의 단면 미세조직 변화를 나타낸 것으로, 예비 실험을 통해 유기물 표면처리한 벼이삭형 구리 입자들을 225℃에서 가압 소결할 경우 소결 시간에 따른 접합부 단면 미세 구조의 극적인 변화를 관찰한 것이다.

도시된 바와 같이, 작은 이삭부(파생가지부)들의 첨단부가 나노스케일을 나타내는 바, 입자들 간 접촉 시 입자 간 소결이 급속도록 진행됨을 세계 최초로 관찰하였다.

즉, 기존의 최소 20~30분 이상이 걸리는 일반 구리 입자들간의 소결 공정에 비해 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자를 이용한 페이스트의 경우 10분 이내에(250℃에서는 3분, 275℃ 이상에서는 1분만에) 충분한 소결이 이루어짐을 확인할 수 있었다.

이러한 고속 소결 특성은 공정 온도의 증가 시 더욱 향상되었는데, 마이크론급 구리 입자 함유 페이스트에서 이러한 고속 소결 특성은 보고된 바가 없다.

소결은 대기 중에서도 실시할 수 있지만, 접합부의 산화를 최소화시키기 위해서는 질소 및 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 실시하는 것이 바람직하며, 수소가 함유된 forming gas나 formic acid와 같은 고가의 환원 분위기 적용은 불필요하다.

도 6은 본 발명에 따라 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트를 die attach 공정에 적용하는 공정 모식도를 나타낸 것으로서, 제1피접합체(기판)의 상부면과 제2피접합체(실장하고자 하는 칩)의 하부면은 금속층으로 코팅되어 있다. 이에 제2피접합체의 하부 접합 면적에 대응되게끔 스텐실 프린팅(stencil printing) 공정을 사용하여 벼이삭형 구리 입자 페이스트를 제1피접합체 상부에 인쇄(예: 3x3mm)한다. 인쇄 패턴의 두께는 스텐실 마스크의 두께와 같은데, 100㎛ 정도로 형성한다.

인쇄된 페이스트 패턴 위에 제2피접합체를 올려 놓고, 상하부를 특정 온도(180~320℃)로 가열하는 동시에 제2피접합체를 통해 접합부를 가압하면서 가압 소결 접합을 실시하게 된다. 상기 공정을 통해 페이스트 내 벼이삭형 구리 입자들은 서로 접촉하여 수분 내에 고속 소결되면서 고밀도의 접합부를 형성하게 된다. 그 뒤에 가압을 제거한 뒤 공냉시킴으로써 접합 공정이 완료되게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트를 사용한 die attach 후 접합부 접합 강도 평가 모식도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트 적용 시 180~250℃의 온도에서 접합 시간에 따른 접합 강도 변화 그래프를 나타낸 도이며, 도 9는 일실시예에 따른 벼이삭형 구리 입자를 함유한 페이스트 적용 시 250℃ 이상의 온도에서 접합 시간에 따른 접합 강도 변화 그래프를 나타낸 도로, 10Mpa의 가압 소결 공정으로 더미 칩(dummy chip) 접합 시 온도 및 시간에 따른 접합 강도값 측정 결과를 나타낸 것이다.

매우 낮은 접합 온도(예컨대 180℃, 200℃)에서도 7분 후에 우수한 강도값이 측정되었으며, 250℃의 접합 온도에서는 3분의 매우 짧은 접합 시간에도 25Mpa의 충분한 강도값을 확보함을 확인할 수 있었다. 아울러 275℃와 300℃의 접합 온도에서는 1분의 극도로 짧은 접합 시간에도 각각 21Mpa과 31Mpa을 상회하는 강도값이 얻어짐을 확인할 수 있었다.

앞서 도 5에 도시한 바와 같이, 접합부의 밀도가 극적으로 높아지면서 그에 상응하는 접합 강도값이 측정됨을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 저온에서의 고속 소결을 통해 충분한 칩의 접합 특성을 확보하기 위해 구현된 것으로서, 구리 입자 표면의 산화를 억제하기 위한 적절한 표면처리를 하는 것과 저온에서 최대한 빠른 소결이 일어날 수 있도록 구리 입자의 형태를 나노입자 기반 마이크로급 벼이삭 형태로 적용한 것이다.

이러한 벼이삭형 구리 입자를 이용한 페이스트와 이를 사용한 칩의 저온 및 고속 접합 기술은 기존에 소개된 적이 전혀 없으며, 벼이삭형 구리 입자는 마이크로 크기의 입자에 그 표면이 나노입자들로 형성되어 있는 구조이므로 마이크로 입자의 핸들링 및 혼합 특성과 나노입자의 저온 및 고속 소결 특성을 동시에 구현할 수 있는 독창적인 기술이 포함되어 있다.

또한, 기존 Ag에 비해 매우 저가격인 구리를 사용하여 상기 저온 및 고속 소결 특성 구현이 가능하므로 향후 크게 확대될 전기 자동차 시장을 중심으로 각종 파워 모듈의 제조 시 파워 소자들의 접합 소재로서, 소재 및 공정의 가격 경쟁력이 매우 우수하므로 산업적 적용이 매우 용이한 소재 및 공정이 될 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 구리 전구체 용액에 아연 분말을 첨가하여 상온 합성되는 것으로서, 마이크로 스케일의 구리 로드(rod) 형태에 나노 스케일의 구리 입자들이 붙어 구현된 벼이삭형 구리 입자가 필러(filler)로 사용되며,
   상기 벼이삭형 구리 입자는 내산화 유기물 표면처리된 것을 특징으로 하는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 벼이삭형 구리 입자는,
   구리 입자들이 붙어 있는 파생가지의 길이에 대해 중심가지인 구리 로드의 길이의 비가 1:3~9인 것을 특징으로 하는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 벼이삭형 구리 입자는,
   상기 구리 로드의 길이는 1~10㎛이며, 상기 구리 입자의 직경은 5~50nm인 것을 특징으로 하는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트.
4. 제 1항에 있어서, 상기 내산화 유기물 표면 처리는,
   상기 벼이삭형 구리 입자를 합성한 직후 유기물 처리에 의해 상기 벼이삭형 구리 입자에 complex를 만들며 코팅되거나 킬레이팅(chelating)되어 구현되며,
   상기 유기물은,
   benzotriazole, ethylenediaminetetraacetic acid 중 어느 하나 또는 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트.
5. 제 1항에 있어서, 상기 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트는,
   상기 벼이삭형 구리 입자에 대해 용제의 무게비가 10 : 5~6으로 형성되며,
   180~320℃에서 피접합체 간 가압 소결되어 die attach 공정에 적용되는 것을 특징으로 하는 벼이삭형 구리 입자 함유 페이스트.

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