KR101898647B1 - 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재 및 이를 이용한 접합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접합 소재 및 이를 이용한 접합 방법에 관한 것으로서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구리 호일과, 상기 구리 호일의 상부 및 하부에 형성된 은코팅층을 포함하여 이루어지되, 상기 은코팅층은 특정 온도 이상에서 미세 은 노듈(nodule)로 인시츄(in situ) 전이되도록 구현되거나, 상기 구리 호일의 표면에 처음부터 노듈형으로 구현되어, 피접합체 간을 접합시키는 것을 특징으로 하는 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재 및 이를 이용한 접합 방법을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 구리 호일에 은코팅층을 형성하여 구리 호일 기반 접합 필름을 제공함으로써, 접합 공정을 간략히 하고, 소재의 낭비를 줄이며, 대면적 소자 및 칩의 접합이 안정적으로 수행되는 한편, 접합 온도 및 접합 시간을 최소화할 수 있으며, 접합 후 접합부에 전기전도도 및 열전도도 특성이 나쁜 다른 소재가 잔존하지 않고 전기전도도 및 열전도도 특성이 우수한 은과 구리로만 이루어져 기본적으로 전기적, 열적 특성이 매우 우수하며, 소자 동작 동안의 고온 발열시에도 발생된 열을 주변으로 잘 배출시키므로 소자 및 모듈에 열적, 기계적 손상이 가해지는 것을 최소화시켜 소자 및 모듈의 신뢰성을 향상시켜, 고발열 소자 및 이와 연관된 접합부의 신뢰성 및 안정성을 보장하는 이점이 있다.

Description

은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재 및 이를 이용한 접합 방법{Bonding material of a Cu foil coated with Ag and bonding method using the Cu foil with coated Ag}

본 발명은 접합 소재 및 이를 이용한 접합 방법에 관한 것으로서, 특히, 종래의 용제 함유 페이스트 접합 소재에서 탈피하여, 구리 호일(foil)에 은코팅층을 형성하여 구리 호일 기반 접합 필름을 제공하기 위한 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재 및 이를 이용한 접합 방법에 관한 것이다.

절연게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)는 스위칭 기능을 빠르게 수행할 수 있도록 구성된 고전력 스위칭용 반도체로, 전류 변화량의 증가로 인하여 IGBT 소자에는 상당히 많은 열이 발생하게 된다.

이러한 IGBT와 같은 고발열 소자의 실장에 솔더와 같은 전통적인 접합 소재가 사용될 수 있으나, 이 경우 작동 중 최대 발열 온도(약 220℃ 이상)를 견딜 수 있는 조성이어야 하므로, 고온용 솔더를 적용해야 한다.

그러나 현재까지의 고온용 솔더는 각 조성마다 치명적인 단점을 가지고 있고, 실장 공정 온도가 그 융점에 비례하여 증가해야 하기 때문에 실장 공정 중에 소자 및 부품에 열 데미지가 가해질 수 있고, 접합 후 접합부에 큰 잔류 응력을 형성하는 문제점을 나타내게 된다. 아울러 솔더 접합부의 열전도도도 우수하지 않다.

따라서, 장, 단기 신뢰성 문제로 인하여 고온 솔더를 사용한 고발열 소자의 실장법은 점차 인기가 하락하는 추세이다.

최근 들어 고발열 소자의 실장에는 은(Ag) 나노입자를 사용한 페이스트 소재의 적용이 활발히 진행되고 있으나, 이 경우 우수한 방열특성과 신뢰성에도 불구하고 은 나노입자의 비싼 가격과 30~60분의 긴 소결시간은 공정의 신속성 및 가격 경쟁력을 크게 떨어뜨리므로 산업적 경쟁력이 매우 낮은 문제점이 있다.

이러한 낮은 가격 경쟁력을 해결하기 위하여 은과 다른 금속을 함께 사용하는 복합 소재에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그 예로 구리 코어 표면에 은이 코팅된 코어쉘 구조의 은코팅 구리 입자를 함유한 페이스트(paste)형 접합 소재가 본 발명자에 의해 제안된 바 있다.

일반적으로, 구리(Cu)는 가격이 저렴하고 열적, 전기적 특성이 우수하나, 표면이 쉽게 산화됨에 따라 열전도성 및 전기전도성이 떨어지게 되어 전도성 재료로 사용하기 부적합한 면이 있었다.

또한, 은은 열적, 전기적 특성이 우수하고, 페이스트 상태로 제조되어 전극 및 배선 재료 등으로 널리 활용되고 있으나, 은(Ag)은 가격이 비싸고, 전기적 또는 화학적 마이그레이션(migration)이 일어나기 쉬운 단점이 있다.

따라서, 이러한 단점들을 보완하면서, 전기적, 열적 특성이 우수한 구리와 은의 장점은 그대로 사용하기 위해 구리 입자 표면에 은 셀층이 코팅된 코어-셀 구조의 은코팅 구리 입자에 대한 연구가 특히 활발하게 이루어지고 있고, 그 결과 서브마이크론급의 은코팅 구리 입자를 함유하는 페이스트를 사용한 저온 및 고속 칩 접합 기술이 특허출원된 바 있다.

그러나, 은코팅 구리 입자는 일반적으로 구리 입자를 선제조한 후 전해도금법(electro plating), 무전해도금법(electroless plating), 침지도금법(immersion plating) 및 기상 코팅법 등을 통해 은을 코팅하는 방식으로 은 셀층을 제조하여 은코팅 구리 분말을 제조한 다음 이를 사용한 페이스트를 제조하는 과정을 거쳐야 하나, 이러한 제조방법은 그 과정들이 매우 복잡하고 각 제조 공정에 대한 광범위한 노하우를 확보해야 하는 단점이 있다.

또한, 종래의 이러한 접합 소재는 은코팅 구리 입자를 함유한 페이스트 형태로 사용되면서, 페이스트 소재의 특성 상 접합 공정 후 접합부에 보이드(void)와 같은 결함이 형성될 가능성이 높으며, 접합부위가 불균일하거나 지저분해질 수 있는 단점이 있다.

대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2014-0058893호. 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1617717호.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 용제 타입의 페이스트 접합 소재에서 탈피하여, 구리 호일에 은코팅층을 형성한 구리 호일 기반 접합 필름을 제공함으로써, 접합 소재의 제조 공정 및 적용 공정을 간편화하고, 가격 및 공정 경쟁력을 추가적으로 확보하며, 접합 후 접합부의 신뢰성을 더욱 확보할 수 있는 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재 및 이를 이용한 접합 방법의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구리 호일과, 상기 구리 호일의 상부 및 하부에 형성된 은코팅층을 포함하여 이루어지되, 상기 은코팅층은, 특정 온도 이상으로 가열하는 과정에서 미세 은 노듈(nodule)로 인시츄(in situ) 전이되도록 구현되거나, 상기 구리 호일의 표면에 처음부터 노듈형으로 구현되어, 피접합체 간을 접합시키는 것을 특징으로 하는 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 구리 호일은, 표면 상태가 평판형 또는 요철형으로 형성되며, 상기 구리 호일이 평판형으로 형성된 경우 상기 은코팅층은 상기 노듈형으로 구현되며, 상기 구리 호일이 요철형으로 형성된 경우 상기 은코팅층은 상기 구리 호일 표면의 요철을 따라 형성되어 상기 특정 온도 이상에서 미세 은 노듈로 인시츄 전이되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구리 호일은, 요철형의 경우 요철의 크기(지름)가 50nm~9㎛로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 은코팅층이 노듈형으로 형성된 경우, 상기 구리 호일 상하측면에 추가로 평판형 은코팅층을 먼저 형성한 후, 상기 노듈형 은코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 접합 소재를 이용하여 제1피접합체와 제2피접합체를 서로 접합시키는 방법에 있어서, 상기 접합 소재는 표면 상태가 평판형 또는 요철형으로 구현된 구리 호일의 상하측면에 은코팅층이 형성된 것으로서, 상기 은코팅층은 특정 온도 이상에서 미세 은 노듈로 인시츄 전이되도록 구현되거나, 상기 구리 호일의 표면에 처음부터 노듈형으로 구현되어, 상기 제1피접합체와 제2피접합체 표면 금속층 사이에 상기 접합 소재를 정렬 적층시키고, 상기 제1피접합체 및 제2피접합체 중 어느 하나 또는 양쪽을 가압하면서, 150~250℃의 온도까지 가열함으로써, 상기 미세 은 노듈 또는 노듈형 은코팅층에 의해 상기 제1피접합체 및 제2피접합체 간을 접합시키는 것을 특징으로 하는 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.

이러한 본 발명에 따른 접합 소재는 용제가 함유된 페이스트 접합 소재에서 탈피하여, 구리 호일에 은코팅층을 형성하여 구리 호일 기반 접합 필름을 제공함으로써, 기화에 의한 용제 제거 예열 단계를 제거하여 실제 접합 공정 시간을 수분 이내로 더욱 단축시키는 한편, 접합부에 전기전도도 및 열전도도 특성이 나쁜 다른 소재가 잔존하지 않고, 접합부가 전기전도도 및 열전도도 특성이 가장 우수한 은과 구리로만 이루어져 기본적으로 전기적, 열적 특성이 매우 우수하며, 소자 동작 동안의 고온 발열시에도 발생된 열을 주변으로 잘 배출시키므로 소자 및 모듈에 열적, 기계적 손상이 가해지는 것을 최소화시켜 소자 및 모듈의 신뢰성을 향상시켜, 고발열 소자 및 이와 연관된 접합부의 신뢰성 및 안정성을 보장하는 효과가 있다.

또한, 용제의 제거는 인쇄된 페이스트의 체적 및 면적의 영향을 받기 때문에 용제를 전혀 사용하지 않는 은코팅 구리 호일의 사용 공정은 대면적 소자 및 칩(chip)의 접합 시 더욱 유용한 접합 공정을 제공하게 된다.

아울러 접합부를 구성하는 구리와 은은 종래의 솔더에 비해 융점이 월등히 높아 소자 동작 동안의 고온 발열시에도 결코 용융 조건에 다가가지 않으므로 접합부의 신뢰성이 충분히 확보될 수 있는 고온 접합재를 제공하는 효과가 있다.

또한, 기존의 페이스트 제조방법에 비해 소재의 제조공정 및 이를 사용한 접합 공정이 단순하며, 접합 소재로 페이스트 사용시에 발생되는 보이드(void)와 같은 결함, 불순물, 지저분함 등의 문제점을 최소화할 수 있어 공정의 재현성이 크게 향상되는 장점을 나타내게 된다.

또한, 본 발명은 구리 호일에 은코팅층이 형성된 접합 소재를 제공함으로써, 용제 타입의 접합 소재에 비해 소재의 보관 및 관리가 편리하고, 접합공정의 process window가 넓어지는 한편, 페이스트를 이용한 접합 공정에서의 용제 또는 용매의 제거를 위한 예열 단계 등이 필요없어 접합 공정이 단순해지는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 획기적으로 낮은 접합 공정 온도 및 짧은 접합 공정 시간과 같은 기존 은코팅 구리 페이스트 소재의 공정적 장점은 그대로 유지되면서 포트 라이프(pot life)의 제약으로 버려지는 소재가 없기 때문에 친환경 공정이 가능하면서, 공정의 가격 경쟁력을 더욱 확보할 수 있다.

특히, 본 발명은 IGBT 소자와 같이 고발열 소자의 실장에 적용할 수 있어, 고발열 소자의 방출열에 대하여 우수한 고열 신뢰성을 가지면서도 전기적 특성 및 방열 특성이 우수하고, 가격이 저렴한 고온용 접합 소재를 제공할 수 있는 효과가 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 은코팅 구리 호일의 사용 시 얻어질 수 있는 다양한 장점들은 소자 또는 칩 접합의 실제 양산 시 대단히 유리한 이점으로 작용하는 효과가 있다.

도 1 - 본 발명에 따른 은코팅 구리 호일을 이용한 접합소재의 일실시예로 그 구조를 나타낸 모식도.
도 2 - 본 발명에 따른 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재의 일실시예의 접합 공정 시 소재의 표면 형상 변화를 나타낸 모식도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따른 구리 호일의 상부 표면 상태(a), 단면 상태(b) 및 하부 표면 상태(c)를 나타낸 도.
도 4 - 도 3의 구리 호일의 확대 단면(a) 및 본 발명의 실시예에 따라 상기 구리 호일을 이용한 피접합체와의 접합 후 접합부 단면(b)과 접합부의 상,하부 확대 이미지(c)를 나타낸 도.
도 5 - 본 발명의 일실시예에 따른 접합부의 접합 강도를 나타낸 도.

본 발명은 IGBT 소자와 같이 고발열 소자의 실장에 적용하여 고발열 소자의 방출열에 대해 우수한 고열 신뢰성을 가지면서도 전기전도도 및 열전도도가 우수한 고온용 접합 소재에 관한 것이다.

특히, 종래의 용제 함유형 페이스트 접합 소재에서 탈피하여, 구리 호일에 은코팅층을 형성하여 구리 호일 기반 접합 필름을 제공함으로써, 기존의 페이스트 제조방법에 비해 제조공정이 단순화, 안정화되며, 접합 소재로 페이스트 사용시에 발생되는 보이드(void)와 같은 결함, 불순물, 지저분함 등의 문제점을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명은 구리 호일에 은코팅층이 형성된 접합 소재를 제공함으로써, 용제 함유 접합 소재에 비해 보관 및 관리가 편리하고, 페이스트를 이용한 접합 공정에서 포트 라이프(pot life) 문제가 없고, 용제 또는 용매의 제거를 위한 예열 단계 등이 필요없어 접합 공정이 단순해지거나 빨라지는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 접합 소재는 용제나 용매가 포함되지 않고, 구리 및 은으로만 이루어지므로 대면적 소자의 접합에서도 용제에 의한 보이드 형성이 없고, 접합 공정 중 버려지는 소재가 없으므로 공정의 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.

또한, 획기적으로 낮은 접합 공정 온도 및 짧은 접합 공정 시간의 공정적 장점을 보유하면서도 공정 후 접합부가 금속 중 전기전도도 및 열전도도가 가장 우수한 은 및 구리로만 치밀하게 형성되어 우수한 전기전도도 및 특히 최고 수준의 열전도도 특성을 나타내어 고발열 소자에의 적용시 열의 방출이 효율적으로 일어날 수 있도록 한 것으로, 이를 통해 고발열 소자 및 이와 연관된 접합부의 신뢰성 및 안정성을 보장하고자 한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 은코팅 구리 호일을 이용한 접합소재의 일실시예로 그 구조를 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재의 일실시예의 접합 공정 시 소재의 표면 형상 변화를 나타낸 모식도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 호일의 상부 표면 상태(a), 단면 상태(b) 및 하부 표면 상태(c)를 나타낸 도이고, 도 4 는 도 3의 구리 호일의 확대 단면(a) 및 본 발명의 실시예에 따라 상기 구리 호일을 이용한 피접합체와의 접합 후 접합부 단면(b)과 접합부의 상,하부 확대 이미지(c)를 나타낸 도.며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 접합부의 접합 강도를 나타낸 도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 접합 소재에 관한 것으로서, 구리 호일(100)과 상기 구리 호일(100)의 상하측면에 형성된 은코팅층(200)을 포함하여 이루어지되, 상기 은코팅층(200)은 상기 구리 호일(100)의 표면에서 미세 은 구조물 형태로 구현되어, 피접합체 간을 접합, 연결시켜 전기적, 열적 통전이 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 은코팅층(200)에 의한 미세 은 구조물은 특정 온도로 가열하는 과정에서 미세 은 노듈(nodule)로 전이되어 인시츄(in situ)로 형성되도록 구현되거나, 상기 구리 호일(100)의 표면에 미리 노듈형(도 1(b) 및 도 1(c))으로 구현하여 피접합체 간을 접합시키는 것을 특징으로 한다.

상기 인시츄 미세 은 노듈은 구리 호일(100)의 표면에 소정 두께로 형성된 은코팅층(200)이 일정 온도 이상에서 디웨팅(dwetting)되는 현상을 이용한 것이고, 상기 노듈형 은코팅층(200)은 구리 호일(100)의 표면에 미리 노듈 형태의 미세 은을 형성한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 미세 은 노듈은 피접합체 간의 접합 공정 중에 인시츄(in situ) 디웨팅(dwetting)에 의해 구현되거나, 피접합체 간의 접합 공정 전에 미리 형성되어, 접합 공정에 의해 피접합체 간의 접합 및 물리적 연결을 유도하는 것이다.

기본적으로 본 발명에 따른 접합 소재는 구리 호일(100)로 이루어진 코어와 이를 둘러싸는 은코팅층(200)으로 형성되어, 구리의 산화는 방지하면서, 가열에 의해 일정 온도 이상에서 은코팅층(200)이 인시츄 디웨팅되는 현상을 이용하거나 구리 호일(100) 표면에 미리 노듈형으로 형성시켜, 피접합체 간의 접합 및 물리적 연결을 유도하는 한편, 저가의 구리 호일(100)을 주 재료로 사용함으로써 가격 경쟁력이 충분히 확보되도록 하는 것이다.

상기 구리 호일(100)은 수십~수백 마이크론 두께로, 본 발명에 따른 접합 소재는 구리 호일(100) 기반 필름의 형태로 제공되게 되며, 상기 구리 호일(100)의 상하측면에 은코팅층(200)을 형성하게 된다. 상기 은코팅층(200)은 상술한 바와 같이, 인시츄 디웨팅에 의한 미세 은 노듈 또는 기 형성된 미세 은 노듈로 구현되게 된다.

상기 구리 호일(100)은 상기 은코팅층(200)에 의해 구현되는 초기 미세 은 구조물의 형태에 따라, 즉 은 노듈을 언제 형성시키느냐에 따라 그 표면 상태가 평판형 또는 요철형으로 형성될 수 있다.

상기 평판형 구리 호일(100)은 구리 호일 그 자체를 의미하며, 이 경우엔 상기 은코팅층(200)은 기 형성된 미세 은 노듈 형태, 즉 노듈형으로 구현되는 것이 바람직하고, 상기 요철형 구리 호일(100)은 구리 호일 표면에 연속적이고 주기적인 요철을 형성한 것으로서, 이 경우엔 상기 은코팅층(200)은 특정 온도 이상 가열 과정에서 인시츄 디웨팅에 의해 상기 요철형 구리 호일(100)의 표면을 따라 미세 은 노듈이 구현되도록 한다.

이러한 구리 호일(100)의 표면 상태와 은코팅층(200)의 미세 은 구조물의 형태를 적절히 선택하여 적용함으로써, 빠른 디웨팅(낮은 공정 온도) 또는 빠른 소결속도(낮은 공정 온도 및 빠른 공정 시간)로, 안정적인 접합부(높은 접합 강도와 우수한 접합부 품질)가 형성되도록 한다.

이를 위해 본 발명에서는 상기 은코팅층(200)의 두께를 제어하거나, 상기 구리 호일(100) 요철의 곡률 반경을 제어하여 은코팅층(200)의 디웨팅 속도를 상승시킬 수 있는데, 상기 구리 호일(100) 요철의 곡률 반경 제어는 상술한 바와 같이 구리 호일(100)의 표면 상태를 특정 크기의 요철이 연속적이고 주기적으로 형성된 요철형으로 제조하여 구현할 수 있다.

도 1(a) 및 도 2(a)는 상기 구리 호일(100)이 요철형으로 구현된 경우, 상기 은코팅층(200)은 상기 구리 호일(100) 표면 상에 소정 두께로 전체를 덮도록 형성되어, 상기 은코팅층(200)이 일정 온도 이상에서 인시츄 디웨팅되어 미세 은 노듈로 전이되도록 한 것이다(도 2).

상기 요철형 구리 호일(100)은 구리 호일을 표면 요철을 가진 롤 사이에서 압연하는 공정이나, 건식 또는 습식 식각에 의해 호일의 양면 표면에 균일하게 구현할 수 있는데, 전자의 경우 크기가 큰 요철을 형성하는데 유리한 반면, 후자는 극미세 요철을 형성하는데 유리한 공정이다. 또한 필요에 의해 마스킹 공정에 의해 특정 패턴에 따르는 건식 또는 습식 식각 공정에 의해 상기 구리 호일(100) 양면 표면에 특정 패턴에 따른 요철을 형성할 수도 있다.

도 1(b) 및 도 1(c)는 평판형 구리 호일(100) 양면 표면에 접합 공정 전에 미리 미세 은 노듈을 형성하여, 상기 은코팅층(200)이 노듈형으로 형성된 것이다.

기 형성된 노듈형의 은코팅층(200)은 무전해도금과 같은 화학적 증착 공정에 의해 형성될 수 있는데, 동 표면 전처리 후 특수 활성화 처리와 연속적인 은 전구체 투입을 통하여 불규칙한 미세 은 노듈의 형성을 유도하는 방법으로 제조될 수 있다.

한편 이러한 노듈형 은코팅층의 경우 구리 호일(100)의 표면이 불규칙적으로 대기에 노출되는 영역이 발생할 수 있기 때문에 가열과정에서 대기 중에 노출된 구리 호일(100)의 표면이 산화되어 접합부의 전기전도도 및 열전도도 저하가 일어날 수 있으므로, 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 상기 구리 호일(100) 상하측면에 추가로 평판형 은코팅층(210)을 먼저 형성한 후 상기 노듈형 은코팅층(200)을 형성할 수 있다.

또한, 상기 평판형 은코팅층(210)은 스파터링(sputtering)과 같은 물리적 박막 증착 공정 또는 도금과 같은 화학적 박막 증착 공정에 의해 구현된다.

한편, 상기 은코팅층(200)이 상기 구리 호일(100) 표면 상에 전체를 덮도록 형성된 경우 또는 상기 은코팅층(200)이 노듈형으로 형성된 경우, 그 두께 또는 지름은 100nm 이하, 더욱 바람직하게는 2~50nm로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 상기 은코팅층(200)의 두께 또는 지름의 제한은 인시츄 디웨팅 현상이 더욱 활발히 이루어지도록 하거나, 은 노듈의 미세화에 의해 소결속도를 획기적으로 단축시킴으로써 고속 접합을 가능하게 한다.

즉, 본 발명은 구리 호일(100) 표면에 형성된 은코팅층(200)에 의한 미세 은 구조물을 통해, 저온 및 고속 접합이 가능한 필름형 접합 소재를 제안한 것으로서, 구리 호일(100)의 양면에 수십 nm 두께의 수준의 은코팅층(200)을 형성하고, 150℃ 이상의 가열 온도에서 은코팅층(200)의 인시츄 디웨팅을 야기시키고, 이러한 디웨팅에 의해 형성된 미세 은 노듈을 이용하여 피접합체 간의 접합을 유도하거나, 기 형성시킨 노듈형 은코팅층(200)을 통해 피접합체 간의 접합을 유도하는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 접합 소재는 피접합체의 종류 및 표면 상태, 적용 환경에 따라 상기 구리 호일(100)의 상부 및 하부 표면에 형성된 요철의 크기 즉, 표면 조직 상태를 다르게 형성하여 적용할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 빠른 디웨팅과 저온 및 고속 소결속도의 구현에 관심이 많으며, 이를 위해서 (1)은코팅층의 두께를 제어하는 방법, (2)보다 안정적인 접합을 위해 상기 구리 호일의 요철을 제어하여 은코팅층의 디웨팅 속도를 상승시키는 방법, (3)은코팅층의 두께의 제어와 동시에 구리 호일의 요철을 제어하여 은코팅층의 디웨팅 속도, 공정 온도, 공정 속도, 접합부의 품질 등의 특성을 더욱 개선시키는 방법을 제시하는데 있다.

본 발명의 일실시예로 상기 (3)의 방법에 대해 서술하고자 한다.

도 1(a)에 도시된 바와 같이, 상기 구리 호일(100)의 표면 요철을 제어하기 위하여 표면 상태를 요철형, 바람직하게는 수십 나노~수십 마이크론급의 요철, 더욱 바람직하게는 요철의 크기(지름)가 50nm~9㎛로 형성되도록 하고, 상기 은코팅층(200)의 두께의 제어를 위해 상기 요철형 구리 호일(100)의 표면에 수십 nm의 은코팅층(200)을 요철 외곽을 따라 형성한다.

상기 구리 호일(100)의 요철의 크기가 상기의 범위보다 작을 경우 은코팅층(200)의 형성 시 상기 은코팅층(200)이 결국엔 평평하게 되면서 은코팅층(200)은 요철을 잃게 되고, 이에 의해 디웨팅이 잘 안일어나거나 일어나더라도 불균일하여, 접합이 제대로 되지 않게 된다.

그리고 상기 구리 호일(100)의 요철의 크기가 상기의 범위보다 클 경우 접합 후 접합부 계면에서의 주기적인 보이드(void)의 생성이 이루어져 이 부분의 접합부 강도가 떨어지게 되며, 아울러 열전도도가 떨어지게 된다.

따라서, 상기 구리 호일(100)의 표면 요철의 크기는 50nm~9㎛가 바람직하며, 상기 구리 호일(100)의 표면 요철이 미세할수록, 은코팅층(200)의 두께가 얇을수록 구리와 은코팅층(200) 계면의 불안정성이 크게 되어 은의 인시츄 디웨팅이 빨리 발생하면서 이에 근거한 접합이 더욱 원활하게 되고, 결국 공정 온도의 저하 및 공정 시간의 단축과 접합부의 품질을 향상시키게 된다.

아울러 상기 요철이 미세할수록 접합 후 접합소재와 피접합체 계면에서의 큰 보이드(void) 형성이 억제되고, 보이드의 크기를 작게하거나 제거할 수 있어 접합부의 품질을 더욱 개선시키게 된다.

상기 요철형 구리 호일(100)은 호일을 요철 표면을 가진 롤 사이에서 압연하는 공정이나, 건식 또는 습식 식각에 의해 양쪽 표면부 전면에 균일하게 구현할 수 있는데, 전자의 경우 크기가 큰 요철을 형성하는데 유리한 반면, 후자는 극미세 요철을 형성하는데 유리한 공정이다. 또한 필요에 의해 마스킹 공정에 의해 특정 패턴에 따르는 건식 또는 습식 식각 공정에 의해 상기 구리 호일(100) 표면에 특정 패턴에 따른 요철을 형성할 수도 있다.

또한, 상기 은코팅층(200)은 스파터링(sputtering)과 같은 물리적 박막 증착 공정 또는 도금과 같은 화학적 박막 증착 공정에 의해 구현된다.

이와 같이 상대적으로 큰 은 입자가 가지는 긴 소결 시간을 수십 나노급의 미세 은 노듈이 가지는 빠른 소결 특성에 의해 획기적으로 단축할 수 있으며, 본 발명에 따른 미세 은 노듈의 크기가 작아질수록 공정시간은 보다 단축될 수 있다.

그러나, 미세 은 노듈의 크기가 너무 작을 경우에는 접합부 형성을 위한 은의 체적이 너무 작아 접합 계면에서 충분한 접합 강도가 얻어지지 않을 수 있으므로, 은코팅층(200)의 두께 또는 미세 은 노듈의 크기는 2~50nm 정도가 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도 1(a),(b),(c)에 도시한 바와 같은, 3가지 실시예에 의해 구현될 수 있으며, 이에 따라 수십~수백 마이크론 두께의 구리 호일(100) 기반 접합 소재를 제공하게 되며, 이하에서는 이러한 접합소재를 이용한 피접합체 간의 접합 방법에 대해 설명하고자 한다.

상기 접합 소재를 이용하여 금속층 표면의 제1피접합체와 금속층 표면의 제2피접합체를 서로 접합시키는 방법에 있어서, 상기 접합 소재는 표면 상태가 평판형 또는 요철형으로 구현된 구리 호일(100)의 상하측면에 은코팅층(200)이 형성된 것으로서, 상기 은코팅층(200)은 특정 온도 이상에서 미세 은 노듈이 인시츄 형성되도록 구현되거나, 상기 구리 호일(100)의 표면에 기 형성된 미세 은 노듈 형태의 노듈형으로 구현되어, 상기 제1피접합체 표면 금속층과 제2피접합체 표면 금속층 사이에 상기 접합 소재를 정렬 적층시킨다.

그리고 상기 제1피접합체 및 제2피접합체 중 어느 하나 또는 양쪽을 가압하면서, 150~250℃의 온도에서의 가열에 의해 상기 접합 소재의 은코팅층(200)이 상기 구리 호일(100)의 표면에서의 인시츄 디웨팅(dewetting)에 의해 미세 은 노듈 형성과 동시에 닿은 피접합체 표면 금속층과 소결되거나 또는 기 형성된 미세 은 노듈을 이용하여 상기 제1피접합체 표면 금속층 및 제2피접합체 표면 금속층 간을 접합시켜, 피접합체 간의 접합, 연결을 통한 전기적, 열적 통전이 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 은코팅층(200)의 두께 또는 기 형성된 미세 은 노듈의 지름은 2~50nm로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 구리 호일(100)의 요철의 크기(지름)는 수십 나노~수십 마이크론급의 요철, 더욱 바람직하게는 요철의 크기가 50nm~9㎛로 형성되도록 제조한다.

구리 호일(100)의 표면 요철이 미세할수록, 은코팅층(200)의 두께가 얇을수록 구리와 은코팅층(200)의 계면 불안정성이 크게 되어 은의 인시츄 디웨팅이 빨리 발생하면서 이에 근거한 접합이 더욱 원활하게 되고, 결국 공정 온도의 저하 및 공정 시간의 단축과 접합부의 품질을 향상시키게 된다.

아울러 상기 요철이 미세할수록 접합소재와 피접합체 계면에서의 큰 보이드 형성을 억제하거나 보이드의 크기를 작게하거나 제거할 수 있어 접합부의 품질을 더욱 개선시키게 된다.

본 발명에서의 상기 제2피접합체는 IGBT와 같은 고발열 소자에 해당할 수 있으며, 상기 제1피접합체는 direct bonded copper(DBC) 기판이나 실리콘(silicon)과 같은 기타 소재의 기판 또는 인터포저(interposer) 등이 될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하자면, 먼저 은, 금, 구리, 니켈 또는 주석 등의 금속층 finish가 형성된 상기 제1피접합체의 일측면(상부면)에 본 발명에 따른 접합 소재를 정렬시키고, 은, 금, 구리, 니켈 또는 주석 등의 금속층 finish가 형성된 IGBT와 같은 고발열 소자의 면을 상기 접합 소재와 닿게끔 정렬 적층시켜, 일정 온도 및 압력에서 본 발명에 따른 접합 공정을 수행하게 된다.

본 발명에 따른 상기 접합 소재를 이용하면, 가열 도중 구리 호일과 은코팅층(200) 계면의 불안정성이 더 커지게 되고, 상기 불안전성에 기인한 은코팅층(200)의 인시츄 디웨팅 현상이 발생되므로, 이를 활용한 저온 및 고속 접합 및 성공적인 접합부의 형성이 가능하게 되는 것이다.

그리고, 본 발명에 따른 디웨팅에 의한 미세 은 노듈의 형성 및 기 형성된 미세 은 노듈의 접합을 위한 최적 온도는 150∼250℃로 솔더링(soldering) 및 은코팅 구리 입자 함유 페이스트의 사용과 같은 기존의 공정 온도에 비해 저온 공정의 구현이 가능하다. 즉, 150℃ 미만의 경우에는 미세 은 노듈의 형성이 원활하지 않게 되고 소결 특성이 잘 발현되지 않아 접합이 잘 이루어지지 않으며, 250℃ 이상의 경우에는 접합을 위한 에너지의 낭비가 심할 뿐만 아니라 은의 디웨팅 후 구리 표면부가 크게 산화되면서 접합부의 전기전도도 및 열전도도가 감소하거나 주변 부품들의 열화 유발 정도가 증가하게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 상기 제1피접합체 및 제2피접합체 중 어느 하나 또는 양쪽의 가압을 위한 가압력은 0.5MPa~30MPa가 바람직하며, 이보다 낮은 압력일 경우 접합부 공극이 매꾸어지지 않아 접합 강도가 낮아지게 되며, 이보다 높은 경우 에너지 낭비 및 부품의 파단 발생 가능성이 크게 증가하게 된다.

그리고, 상기의 온도 및 압력 하에서 3min~30min 정도의 시간동안 접합이 이루어지는 것이 바람직하며, 이보다 짧은 접합 시간은 접합 강도가 낮게 되며, 이보다 높은 접합 시간은 불필요한 에너지 낭비가 발생하게 된다.

접합 공정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 요철형 구리 호일(100) 전체 표면을 따라 소정 두께의 은코팅층(200)을 형성하거나, 상기 평판형 구리 호일(100) 표면에 미세 은 노듈을 미리 형성하여, 이를 칩(chip)(제2피접합체) 면적 크기로 절단하여 접합하고자 하는 기판(제1피접합체) 상 금속 패드(pad) 위에 정렬해서 놓는다.

그리고 놓여진 상기 접합 소재 위로 칩(제2피접합체) 뒷면(금속층이 형성된 면)이 상기 접합 소재에 닿도록 정렬해서 놓아, 피접합체 금속층 사이에 본 발명에 따른 접합 소재가 위치되도록 한다.

상기 제1피접합체 또는 제2피접합체 중 어느 하나 또는 양쪽을 0.5~30Mpa의 압력으로 누르면서 상, 하부 가열 장치로 150~250℃의 온도까지 고속 승온시킨 다음 3~30분간 유지한다.

여기에서, 구리 호일 표면 요철의 높이나 형태에 따라 접합부 계면에 보이드들이 존재할 수 있는데, 이들의 크기가 클수록, 그리고 이들의 분율이 클수록 접합부의 기계적, 전기적, 열적 특성을 저하시킬 수 있다.

따라서 접합 공정 시 150~250℃의 온도에서 0.5∼30MPa 압력으로 3∼30분 동안 프레스 가압을 지속시킴으로써 내부 기공도를 감소시키면서 접합이 보다 용이하게 일어나게 하여, 접합 후 접합부 계면에서 보이드(void) 형성이 감소되도록 하여 접합부의 전기적, 열적, 특성의 개선뿐만 아니라 접합부의 기계적 특성도 향상되도록 한다.

이와 같이 본 발명은, 상기 접합 소재의 은코팅층(200)이 가열 중 상기 구리 호일(100) 표면에서의 인시츄 디웨팅에 의해 미세 은 노듈을 형성하면서 또는 기 형성된 미세 은 노듈에 의해 소결공정이 진행되면서 피접합체 간을 접합시키게 되며, 예컨대 DBC 기판과 IGBT 소자가 접합되게 된다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예로 요철형 구리 호일(100) 표면을 따라 은코팅층(200)을 형성하여, 인시츄 디웨팅에 의한 미세 은 노듈의 형성에 의해 피접합체 간의 접합 양상에 대한 결과를 정리한 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 요철형 구리 호일의 상부 표면 상태(a), 단면 상태(b) 및 하부 표면 상태(c)를 나타낸 것으로서, 도 3(a)는 구리 호일의 상부 요철 크기가 대략 200nm인 구리 호일의 상부 표면 조직을 나타낸 것이고, 도 3(c)는 구리 호일의 하부 요철 크기가 대략 3㎛인 구리 호일의 하부 표면 조직을 나타낸 것이고, 도 3(b)는 이러한 상기 구리 호일의 단면 형상을 나타낸 것이다.

도 4는 도 3의 구리 호일(100)의 확대 단면 이미지(도 4(a))와, 상기 구리 호일(100) 상에 대략 30nm 두께의 은코팅층(200)을 형성하여 인시츄 디웨팅에 의한 미세 은 노듈의 형성과 동시에 진행되는 소결 공정에 의한 피접합체와의 접합 후 접합부의 단면 이미지(도 4(b)) 및 접합부 상부와 하부 계면의 확대 이미지(도 4(c))이다. 접합부 기준으로 상부에 위치한 칩의 바닥면 금속 finish와 하부에 위치한 기판 윗면의 금속 finish는 모두 은(Ag)이었다. 칩의 크기는 3mm×3mm였으며, 접합을 위한 공정 온도는 225℃, 압력은 0.5MPa, 가열 및 가압 소결 시간(접합 시간)은 5min이었다.

도 4(c)로부터 상부 접합 계면은 보이드(void)와 같은 결함부의 생성없이 접합이 이루어짐을 관찰할 수 있었으나, 하부 접합 계면은 구리 호일(100)의 조대한 초기 요철로 인해 큰 보이드부들이 다수 형성되었음을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 구리 호일(100)의 표면 상태, 즉 요철의 크기에 따라 접합부 계면에서의 보이드 발생에 의한 접합부의 품질이 좌우되는 것을 확인할 수 있었다.

도 4(c)는 도 4(b)의 상부 접합부 단면 및 하부 접합부 단면의 확대 이미지로서, 접합이 잘 이루어진 부분의 확대 이미지로는 상부 및 하부 접합 계면이 잘 메꾸어지며 보이드와 같은 결함부의 생성 없이 접합이 이루어짐을 관찰할 수 있었다. 그러나 앞서 언급했듯이 하부 접합 계면은 저배율로 관찰할 때(도 4(b)) 다수의 큰 보이드부들이 형성된 상황이라 결론적으로 실제 접합이 일어나지 않은 부분(영역)이 다수 존재하였다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 접합부의 접합 강도를 나타낸 것으로서, 225℃에서 가압력(0.5, 5, 10MPa)에 따른 5min 및 10min 접합시 접합부의 접합 강도(전단 강도)를 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 접합부에 가압력이 높을수록, 접합 시간이 길수록 접합 강도는 향상됨을 확인할 수 있었으며, 전체적으로 본 발명에 따른 실시예는 우수한 접합 강도를 나타냄을 확인할 수 있었다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 호일의 상부 및 하부 표면 상태를 도 3에서와 같이 달리하여 테스트한 것으로서, 파면부가 하부 접합 계면임을 고려하면 구리 호일의 상하부 요철의 크기를 상기 상부 접합부와 같이 상대적으로 미세하게 형성하여 사용할 경우 하부 접합부도 상부 접합부와 같이 기공이 없이 접합될 수 있으므로 도 5의 실험 데이타 상 최고 접합 강도값인 21.2MPa를 훨씬 상회할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 비교예로 평판형 구리 호일의 표면에 평평한 은코팅층을 형성한 경우 접합 강도는 1MPa 미만으로 측정되어 접합이 거의 이루어지지 않았음을 알 수 있었는데, 이는 인시츄 디웨팅에 의한 접합을 위해서는 구리 호일의 표면 요철 형성이 필수적임을 의미한다.

아울러 상기 요철이 미세할수록 접합소재와 피접합체 계면에서의 보이드(void) 형성을 억제하거나 기공의 크기를 작게 할 수 있어 접합부의 품질을 더욱 개선시키게 된다.

이상과 같은 공정을 통해 제1피접합체의 표면부와 상기 접합 소재, 그리고 상기 접합 소재와 제2피접합체의 바닥부가 접합되면서 연속적으로 연결되어 샌드위치 구조의 접합부가 형성되며, 형성된 접합부는 구리와 은만으로 이루어진 구리 호일 기반 은코팅층으로 형성되므로, 소자 또는 칩의 고발열 시에도 용융되지 않고, 우수한 전기적, 열적 전도성을 나타내는 접합부가 제조된다.

특히, 종래의 용제 함유 페이스트 접합 소재에서 탈피하여, 구리 호일에 은코팅층을 형성하여 구리 호일 기반 접합 필름을 제공함으로써, 인쇄 또는 디스펜싱(dispensing) 공정이 추가되는 기존의 페이스트 공정법에 비해 접합공정이 단순하며, 접합 소재로 페이스트 사용시에 발생되는 보이드(void)와 같은 결함, 불순물, 지저분함 등의 문제점을 최소화할 수 있어 공정의 재현성이 크게 증가하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 접합 소재는 구리 호일 기반의 접합 필름의 형태로 제공되게 되므로, 기존의 페이스트 타입에서의 용제 또는 용매를 선 제거하기 위한 예열단계가 필요하지 않아, 공정이 보다 단순화, 고속화되고, 대면적 소자의 접합시에도 보이드 형성 문제가 없으며, 공정 과정에서 재료의 낭비 및 폐기가 없는 친환경 및 저가격 공정의 구현이 가능하다.

또한, 소재 측면에서도 페이스트 소재가 가지는 포트 라이프 등의 문제가 근복적으로 해결되므로 공정의 양산화가 크게 유리해진다.

100 : 구리 호일
200 : 은코팅층
210 : 평판형 은코팅층

Claims (5)

1. 구리 호일;
   상기 구리 호일의 상부 및 하부에 형성된 은코팅층;을 포함하여 이루어지며,
   상기 은코팅층은 특정 온도 이상으로 가열하는 과정에서 미세 은 노듈(nodule)로 인시츄(in situ) 전이되도록 구현되어 피접합체 간을 접합시키되,
   상기 구리 호일은 표면 상태가 요철형으로 형성되고, 상기 은코팅층은 상기 구리 호일의 표면 요철을 따라 형성되며,
   상기 구리 호일의 요철의 크기(지름)는 50nm~9㎛로 형성되고, 은코팅층의 두께는 2nm~50nm로 형성되고,
   상기 은코팅층의 두께를 제어하거나, 상기 구리 호일 표면의 요철의 곡률 반경을 제어하여 상기 은코팅층의 디웨팅 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 소재.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 접합 소재를 이용하여 제1피접합체와 제2피접합체를 서로 접합시키는 방법에 있어서,
   상기 접합 소재는 표면 상태가 요철형으로 구현된 구리 호일의 상하측면에 은코팅층이 형성된 것으로서,
   상기 은코팅층은 특정 온도 이상에서 미세 은 노듈(nodule)로 인시츄(in situ) 전이되도록 구현되어,
   상기 제1피접합체와 제2피접합체 표면 금속층 사이에 상기 접합 소재를 정렬 적층시키고,
   상기 제1피접합체 및 제2피접합체 중 어느 하나 또는 양쪽을 가압하면서, 150~250℃의 온도에서 가열함으로써, 상기 미세 은 노듈에 의해 상기 제1피접합체 및 제2피접합체 간을 접합시키되,
   상기 구리 호일의 요철의 크기(지름)는 50nm~9㎛로 형성되고, 은코팅층의 두께는 2nm~50nm로 형성되고,
   상기 은코팅층의 두께를 제어하거나, 상기 구리 호일 표면의 요철의 곡률 반경을 제어하여 상기 은코팅층의 디웨팅 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 은코팅 구리 호일을 이용한 접합 방법.
   

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