KR101776427B1 - 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법은, 파워모듈의 기판과 반도체칩을 접합재를 이용해 접합하는 방법으로서, 솔더와, 상기 솔더 안에 삽입되어 상기 솔더의 인장강도를 향상시키는 보강재로 구성된 접합재를 준비하는 단계 및 상기 접합재를 상기 기판과 상기 반도체칩 사이에 배치하고 가열하여 상기 기판과 상기 반도체칩을 접합시키는 단계를 포함하고, 상기 접합재를 준비하는 단계는, 매쉬 형상으로 형성된 보강재의 양면에 각각 솔더를 배치시키고, 상기 접합시키는 단계는, 솔더-보강재-솔더 순으로 적층된 상기 접합재를 상기 기판과 상기 반도체칩 사이에 배치시키고, 상기 접합재를 가열하여 상기 솔더가 상기 보강재의 매쉬 눈 사이로 인입되어 상기 솔더와 상기 보강재를 일체화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법{METHOD FOR BONDING USING BINDER FOR POWER MODULE}

본 발명은 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인장강도가 향상된 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법에 에 관한 것이다.

파워모듈을 제작하기 위해서는 접착제로서 금속을 사용한 솔더링 공정이 필요하다. 통상적으로 파워모듈은 금속이 부착된 세라믹 기판, 반도체칩, 각 부재를 연결하기 위한 접합재(솔더)로 구성된다. 파워모듈이 동작하기 위해서는 각 부재가 물리적, 전기적으로 연결되어야 하며, 이러한 연결은 솔더링 공정을 통한 접합이 일반적으로 사용되고 있다. 솔더링은 솔더의 녹는점 이상으로 가열할 수 있는 가열로에 각 부재를 넣고 가열하여 솔더의 용융, 응고 현상을 이용하여 접합시키는 공정이다. 일반적으로 솔더링 공정에서 사용되는 솔더는 주변 부재가 손상되지 않는 소정의 온도내에서 솔더링이 가능한 재료여야만 한다.

파워모듈의 반도체칩에서는 전기가 흐름에 따라 열이 발생하게 되며, 발생한 열이 솔더부에 전달되게 된다. 전달된 열에 의해 열팽창계수가 작은 반도체 칩 및 세라믹과, 열팽창계수가 큰 금속전극부의 열팽창계수 차에 의해 큰 열응력 및 열피로가 야기된다.

도 1에 이로 인한 솔더(100)의 파손 모습이 도시되어 있다.

도 1(a)와 같이 기판(20)은 세라믹부(22)와 금속부(21)가 교번되어 적층된 구조인데, 이 중 일면의 금속부(21)에 반도체칩(10)이 부착되어야 한다. 이를 위해 기판(20)과 반도체칩(10) 사이에 솔더(100)를 배치하고, 가열하여 용융된 솔더(100)가 기판(20)과 반도체칩(10)을 결합시키게 된다.

그러나 계속된 작동에 의해 열저항 발열이 발생되면, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 솔더(100)에 균열이 발생하고 파손되는 문제가 발생한다. 이는 반도체칩(10)과 금속부(21)의 열팽창계수가 상이하기 때문인데, 열팽창계수가 낮은 반도체칩(10)과 맞닿은 부분의 솔더(100)는 비교적 적게 팽창되는 반면, 열팽창계수가 높은 금속부(21)과 맞닿은 부분의 솔더(100)는 비교적 많이 팽창되므로, 솔더(100)의 상, 하부 팽창율이 달라지게 된다. 이러한 차이에 의해 솔더(100)에 응력이 발생되고, 결국 균열이 발생, 성장하여 파손되는 것이다.

따라서 솔더합금은 우수한 기계적 특성, 열피로특성, 내식성이 요구된다. 가혹한 환경에 의한 솔더재의 파괴는 파워모듈의 물리적, 전기적 연결을 상실시키며, 이는 파워모듈의 주요 고장원인이 된다.

최근, 반도체의 집적화, 소형화, 고성능화가 진행됨에 따라 파워모듈의 솔더 접합부에 더욱 가혹한 환경이 인가되고 있으며, 이는 기존의 솔더보다 더욱 우수한 특성을 요구하고 있다. 따라서, 가혹한 동작환경에서 파워모듈의 물리적, 전기적 연결을 유지하고, 내구성 및 수명 향상을 달성할 수 있는 접합재 및 접합 방법이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 10-2015-0053522 (2015.05.18.)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 인장강도가 향상되어 열피로파괴를 방지할 수 있는 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법을 제공하는 데 있다.

파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법은, 파워모듈의 기판과 반도체칩을 접합재를 이용해 접합하는 방법으로서, 솔더와, 상기 솔더 안에 삽입되어 상기 솔더의 인장강도를 향상시키는 보강재로 구성된 접합재를 준비하는 단계 및 상기 접합재를 상기 기판과 상기 반도체칩 사이에 배치하고 가열하여 상기 기판과 상기 반도체칩을 접합시키는 단계를 포함하고, 상기 접합재를 준비하는 단계는, 매쉬 형상으로 형성된 보강재의 양면에 각각 솔더를 배치시키고, 상기 접합시키는 단계는, 솔더-보강재-솔더 순으로 적층된 상기 접합재를 상기 기판과 상기 반도체칩 사이에 배치시키고, 상기 접합재를 가열하여 상기 솔더가 상기 보강재의 매쉬 눈 사이로 인입되어 상기 솔더와 상기 보강재를 일체화시키는 것을 특징으로 한다.

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상기 솔더는, 구리, 은 중 어느 하나 이상을 포함하는 주석 합금 재질로 형성되고, 상기 보강재는, Al, Cu, Ni, Co, Mo 중 어느 하나의 재질 또는 Al, Cu, Ni, Co, Mo 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 파워모듈용 접합재 및 이를 이용한 파워모듈 접합방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 솔더의 인장강도를 향상시켜 열응력, 열피로에 의한 파손을 방지할 수 있다.

둘째, 적용이 간단하여 종래의 가공 방법 및 기구를 활용할 수 있다.

셋째, 파워모듈의 파손을 방지하여 파워모듈의 수명 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 파워모듈을 개략적으로 나타내고 솔더가 파손되는 모습을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 여러 실시예에 따른 접합재의 모습을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 여러 실시예에 따른 보강재의 모습을 나타낸 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 파워모듈용 접합재 및 이를 이용한 파워모듈 접합방법에 대하여 설명하기로 한다.

우선 파워모듈용 접합재에 대해 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 접합재는, 파워모듈의 기판(20)과 반도체칩(10)을 부착시키기 위한 것으로서, 솔더(100)와 보강재(200)로 구성된다.

솔더(100)는 Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5Cu 등의 물질을 사용할 수 있다. 이들 합금은 주석을 주 성분으로 하여, 200~230℃ 정도에 용융되어 녹는 점이 낮고, 전기 전도성이 우수하며, 접착력 또한 우수하여 솔더 재질로 쓰기에 적합하다.

그러나 상술한 합금들은 인장강도가 낮은 문제가 있다. Sn-0.7Cu은 30MPa, Sn-3.5Ag은 38MPa, Sn-3.0Ag-0.5Cu은 46.2MPa 등으로, 통전에 의한 가열로 팽창과 수축을 반복할 때, 피로파괴를 일으키는 문제가 발생할 수 있다.

이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 보강재(200)를 솔더(100) 내부에 삽입하는 것이다. 보강재(200)는 예를 들어 철근 콘크리트 구조에서 철근의 역할을 수행하는 부재로서, 콘크리트에 해당하는 솔더(100)를 내부에서 잡아줘 인장강도를 향상시키게 된다.

이러한 목적에 부합할 수 있도록, 보강재(200)는 솔더(100)에 비해 높은 인장강도를 갖는 것이 바람직하고, 가능하다면 낮은 열팽창계수를 갖는 것이 더욱 바람직하다. 이는 솔더(100)와, 반도체칩(10) 및 기판(20) 사이의 열팽창계수 차이를 완화시키는데 도움을 줄 수 있다.

보강재(200)는 판상구조 또는 선형구조보다는 망상구조를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 솔더(100)와의 일체화 정도를 향상시키고, 전방위적인 인장강도 향상을 위해, 와이어를 여러 방향으로 교차시킨 매쉬 형상으로 제조하는 것이 바람직한 것이다.

매쉬 형상을 특별하게 한정할 필요는 없지만, 제조상의 편의를 위해 매쉬 눈의 형상이 정사각형, 직사각형, 마름모, 삼각형 등 다각형 형상이 되도록 제조하는 것이 바람직하다. 이러한 매쉬 형상의 예시들이 도 3에 도시되어 있다.

또한 보강재(200)는 면 형상으로 제조되어, 높이 방향으로 입체적으로 형상되지 않는 것이 바람직하다. 이는 접합재의 두께를 최소화시키기 위함이다. 만약 보강재(200)를 입체적으로 형성시킨다면, 솔더(100)의 상하방향, 즉 반도체칩(10)과 기판(20)이 서로 대면하는 방향의 인장강도를 향상시킬 수는 있겠지만, 솔더(100)의 두께가 두꺼워져 저항이 상승하는 원인이 될 수 있다.

보강재(200)는 Al, Cu, Ni, Co, Mo 중 어느 하나의 재질 또는 Al, Cu, Ni, Co, Mo 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이들 원소들은 모두 주석 합금에 비해 높은 인장강도를 가지고 있으므로, 솔더(100)의 인장강도를 향상시키는 보강재(200)의 역할을 수행할 수 있다.

한편, 상술한 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법은, 접합재를 준비하는 단계 및 접합시키는 단계로 크게 구분될 수 있다.

접합재를 준비하는 단계는 솔더(100)와 보강재(200)를 일체화시키는 단계로서, 세 가지 방법을 사용할 수 있다. 아래에 설명하는 실시예들은 도 2에 도시되어 있다.

첫 번째로, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 기판(20), 하부솔더(100a), 보강재(200), 상부솔더(100a), 반도체칩(10) 순서로 적층한 후 가열하여 하부솔더(100a) 및 상부솔더(100a)를 용융시키고, 이를 다시 냉각하여 용융된 하부솔더(100a)와 상부솔더(100a)가 기판(20)과 반도체칩(10)을 접합시키면서, 동시에 보강재(200)와 솔더(100)를 일체화시킬 수 있다.

이러한 방법을 사용할 경우, 종래에 사용되었던 솔더(100)의 절반 정도의 두께로 제조된 두 솔더 층 사이에 보강재를 배치하고 솔더링하는 식으로 본 발명의 접합재를 적용할 수 있다.

두 번째로, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 몰드에 보강재를 배치한 상태로 용융된 솔더를 투입하여, 보강재(200)가 솔더(100) 내부에 삽입된 채로 일체화된 접합재를 제조할 수 있다.

이러한 방법을 사용할 경우, 접합재의 제조 공정이 약간 복잡해질 수는 있지만, 솔더링 공정 자체는 종래와 동일하게 수행할 수 있다.

세 번째로, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 망상 구조로 형성되어 있는 보강재(200)에 솔더(100)를 도금시킬 수 있다.

즉, 솔더(100)가 보강재(200)를 완전히 감싸는 형태는 변하지 않지만, 솔더(100)의 외형이 블록 형상으로 형성되는 것이 아니라, 보강재(200)의 두께를 두껍게 한 형태로 제조되는 것이다.

이러한 방법을 사용할 경우, 사용하는 솔더의 양을 최소화하여 원가 절감 및 중량 감소가 가능하고, 솔더링 과정 중에 기판(20)과 반도체칩(10) 사이에서 솔더가 삐져나오는 현상을 방지할 수도 있다.

이때 솔더(100)가 블록 형상이 아닌 만큼 강도는 감소되지만, 강도는 보강재(200)의 인장강도로 보상이 가능하다.

이외의 설명은 상술한 파워모듈용 접합재에 대한 설명과 중복되므로, 여기에서는 생략하도록 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 반도체칩 20: 기판
21: 금속부 22: 세라믹부
100: 솔더 200: 보강재

Claims (10)

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6. 파워모듈의 기판과 반도체칩을 접합재를 이용해 접합하는 방법으로서,
   솔더와, 상기 솔더 안에 삽입되어 상기 솔더의 인장강도를 향상시키는 보강재로 구성된 접합재를 준비하는 단계; 및
   상기 접합재를 상기 기판과 상기 반도체칩 사이에 배치하고 가열하여 상기 기판과 상기 반도체칩을 접합시키는 단계;를 포함하고,
   상기 접합재를 준비하는 단계는, 매쉬 형상으로 형성된 보강재의 양면에 각각 솔더를 배치시키고,
   상기 접합시키는 단계는, 솔더-보강재-솔더 순으로 적층된 상기 접합재를 상기 기판과 상기 반도체칩 사이에 배치시키고, 상기 접합재를 가열하여 상기 솔더가 상기 보강재의 매쉬 눈 사이로 인입되어 상기 솔더와 상기 보강재를 일체화시키는 것을 특징으로 하는, 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법.
   
7. 삭제
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10. 청구항 6에 있어서,
    상기 솔더는, 구리, 은 중 어느 하나 이상을 포함하는 주석 합금 재질로 형성되고,
    상기 보강재는, Al, Cu, Ni, Co, Mo 중 어느 하나의 재질 또는 Al, Cu, Ni, Co, Mo 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재질로 형성된 것을 특징으로 하는, 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법.

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