KR101972576B1 - 접합전도층과 접합표면층을 포함하는 소자 접합용 접합소재 및 이것의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소자 접합용 접합소재 및 이것의 제조방법에 대한 것으로, 도전성 소재 내부에 비정질 합금이 함침 된(impregnated) 것을 특징으로 하여, 열/전기 전도도가 우수하면서도, 높은 열적 안정성을 가지고, 기계적 신뢰성도 우수한 효과가 있으며, 본 발명에 따른 후막형(thick film type) 접합소재를 이용하면 기존에 페이스트형 접합소재를 이용하는 것보다, 현저히 간단하고 용이하게 반도체 소자를 고정시킬 수 있다.

Description

접합전도층과 접합표면층을 포함하는 소자 접합용 접합소재 및 이것의 제조방법{Bonding Material for device bonding having bonding-conductive layer and bonding-surface layer, and Preparing method thereof}
본 발명은 소자를 접합하는데 사용되는 접합소재에 대한 것으로, 구체적으로는 열/전기 전도도가 우수하면서도, 높은 열적 안정성을 가지는 소자 접합용 접합소재 및 이것의 제조방법에 대한 것이다.
전기자동차(Electric Vehicle: EV)는 고전압 배터리 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 영구자석형 동기전동기나 유도 전동기 등의 3상 교류전동기를 구동시키고, 전동기 축과 감속기 등을 통해 연결된 바퀴를 구동시켜 차량을 움직인다. 또한 전기자동차는 주행 중 감속모드에서 교류전동기를 통해 발전모드인 회생발전(re-generation)을 통해 차량의 관성에너지를 전기에너지로 변환하여 고전압배터리로 재충전하여 에너지 재활용률을 높인다.
인버터에는 주 전력부 구성요소로 전력용 반도체와 직류링크 커패시터(DC Link Capacitor)가 구비되며, 또한 스위칭 소자 등에서 발생하는 열을 방열하기 위한 냉각부, 고전압 배터리나 모터, 혹은 전력분배기(Power Distribute Unit) 등과 연결하기 위한 부스바와 커넥터, 스위칭 소자를 제어하기 위한 제어보드, 게이트보드 등이 구비된다.
도 1은 종래의 전기자동차에 사용되는 전력변환 파워 모듈의 일례를 나타내는 단면이다. 일반적인 전기자동차용 전력변환 장치는 전력용 반도체 모듈(200) 및 전력용 반도체 모듈이 장착되는 하우징(210)을 포함하여 구성된다.
전력용 반도체 모듈(200)은 세라믹 기판을 기본 베이스로 하여, 복수의 전력용 반도체(201)와, 복수의 전력용 반도체(201)가 설치되는 공간을 제공하되 전력용 반도체(201)에서 발생되는 열을 흡수하여 방출하기 위한 전력용 반도체 플레이트(202)가 포함되어 구성된다. 또한, 전력용 반도체 모듈(200)은 방열 성능을 증대시키기 위하여 전력용 반도체 플레이트(202)의 일면에 배열되는 방열핀(203)을 더 포함하여 구성된다.
상기 전력용 반도체(201)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide [0023] Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 전력 스위치용 반도체 소자를 포함하며, 이러한 전력용 반도체(201)들은 본 발명의 전력 변환 장치의 인버터 회로부, 컨버터 회로부 등을 구성한다.
상기 전력용 반도체 플레이트(202)는 복수의 전력용 반도체(201)가 일측면에 실장되는 금속판 또는 금속성 부재를 지칭한다. 또한, 전력용 반도체 플레이트(202)는 장치 작동시에 많은 열이 발생되므로, 이러한 열을 외부로 신속히 방출하기 위하여 플레이트의 적어도 일부에 열전도성이 우수한 금속판이나 금속성 부재가 구비된다.
상기 방열핀(203)은 전력용 반도체 플레이트(202)의 일면, 바람직하게는 전력용 반도체(201)에서 발생된 열을 최단거리로 방출하기 위하여, 전력용 반도체 플레이트(202)의 전력용 반도체(201)가 실장된 반대측 면에 가공 또는 부착 형성된다.
여기서, 상기 전력용 반도체(201)는 별도의 접합소재(도시하지 않음)를 통하여 반도체 플레이트(202)나 또는 세라믹 기판으로 이루어진 전력용 반도체 모듈(200) 상부 표면에 실장된다. 그리고, 상기 접합소재는 전력변환시 많은 열이 발생되는 전력용 반도체(201)와 접촉하며 세라믹 기판과 연결되어서 열과 전기를 아래로 전달하는 역할을 한다. 또한, 상기 접합소재는 전력용 반도체(201)의 구동 과정에서 초당 수십 회의 on/off에 의한 반복적인 열적 피로환경에 노출된다. 그래서, 상기 접합소재는 높은 열전도도와 전기전도도를 가지면서도 우수한 신뢰성을 갖는 것이 요구되고 있다.
종래에는 이러한 접합소재로서 페이스트 형태의 접합소재가 사용되었다. 즉, 솔벤트 안에 열전도성재료로서 은(Ag)을 포함하고 여기에 바인더로서 유리 프릿(glass frit)을 포함하는 페이스트를 전력용 반도체 모듈(200)의 세라믹 기판에 도포하고, 그 위에 목적하는 전력용 반도체(201)를 위치시킨 다음, 상기 페이스트를 소결시켜서 전력용 반도체(201)를 고정시키는 것이다.
그러나, 이러한 페이스트형 접합소재는 소결시에 유기 첨가제 또는 비히클(바인더, 솔벤트 등)이 휘발되어서 없어져 버리고, 소결시에 가스가 발생하며, 접합부 주변이 오염되는 등의 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 소결시에 접합소재 내부에 기공(void)이 형성되어서, 열 및/또는 전기 전도성이 급격히 떨어지는 심각한 문제점이 있었다.
이에 따라, 전력변환 소자용 접합소재로서 열/전기 전도도가 우수하면서도, 높은 열적 안정성을 가지고, 기계적 신뢰성도 우수한 새로운 형태의 접합소재가 절실히 필요한 실정이었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1541181호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열/전기 전도도가 우수하면서도, 높은 열적 안정성을 가지고, 기계적 신뢰성도 우수한 새로운 형태의 접합소재를 제공하는 것이 목적이다. 본 발명은 기존에 페이스트형 접합소재를 전이 액체상 소결(transient liquid phase sintering, TLPS) 공정으로 부착하는 것보다, 현저히 간단하고 용이하게 전력용 반도체를 고정시킬 수 있는 후막형(thick film type) 접합소재를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 접합 공정 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 접합력을 증가시킬 수 있고, 동시에 전도성도 높일 수 있는 소자 접합용 접합소재를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따른 소자 접합용 접합소재는, 도전성 소재를 주요성분으로 하는 접합전도층; 및 상기 접합전도층의 양측에 형성되고, 비정질 합금(amorphous alloy)을 주요성분으로 하는 접합표면층;을 포함한다.
여기서, 상기 접합전도층은 비정질 합금을 더 포함하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 접합전도층은 상기 도전성 소재 내부에 비정질 합금 입자들이 혼재된 것일 수 있다.
또한, 상기 접합표면층은 도전성 소재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합전도층은 비정질 합금을 더 포함하고, 상기 접합표면층은 도전성 소재를 더 포함하며, 상기 접합표면층에 포함된 비정질 합금의 밀도는 상기 접합전도층에 포함된 비정질 합금의 밀도보다 높은 것이 가능하다.
또한, 상기 접합표면층에 포함된 비정질 합금의 밀도는 상기 접합전도층 방향으로 점차 작아지는 것일 수 있다.
또한, 상기 접합전도층과 접합표면층은 경계(boundary)가 없이 연속되어 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합전도층의 두께는 상기 접합전도층의 일측에 형성된 접합표면층의 두께보다 두꺼운 것이 가능하다.
또한, 상기 소자는 반도체 소자 또는 발광 소자인 것일 수 있다.
또한, 상기 소자는 전력변환용 반도체인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소자 접합용은, 상기 소자를 피접합물에 접합시키기 위한 용도이며, 상기 소자와 피접합물은 동일하거나 90% 이상 유사한 열팽창계수를 갖는 것이 가능하다.
또한, 상기 접합소재는 후막형(thick film type)인 것이 바람직하고, 상기 후막형은 테이프(tape), 호일(foil), 시트(sheet), 리본(ribbon) 또는 필름(film) 형상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 접합표면층의 일면에 구비된 이형층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 접합표면층은, 상기 이형층에 비정질 합금을 열 플라즈마로 분사(spraying)해서 형성된 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시형태는, 비정질 합금(amorphous alloy)을 열 플라즈마로 분사(spraying)해서 제1접합표면층을 형성하는 단계; 상기 제1접합표면층에 도전성 소재를 열 플라즈마로 분사해서 접합전도층을 형성하는 단계; 및 상기 접합전도층에 비정질 합금을 열 플라즈마로 분사해서 제2접합표면층을 형성하는 단계;를 포함하는, 소자 접합용 접합소재의 제조방법이다.
여기서, 상기 제1접합표면층을 형성하는 단계는, 서브스트레이트에 이형층을 구비하는 단계; 및 상기 구비한 이형층에 도전성 소재와 비정질 합금을 열 플라즈마로 분사하되, 상기 도전성 소재보다 비정질 합금을 더 많이 분사해서 제1접합표면층을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 접합전도층을 형성하는 것은, 상기 제1접합표면층에 도전성 소재와 비정질 합금을 열 플라즈마로 분사하되, 상기 도전성 소재를 비정질 합금보다 더 많이 분사해서 접합전도층을 형성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제2접합표면층이 형성된 이형층을 서브스트레이트로부터 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이러한 본 발명은 도전성 소재와 비정질 합금이 포함된 접합층을 갖는 것을 특징으로 하여, 열/전기 전도도가 우수하면서도, 높은 열적 안정성을 가지고, 기계적 신뢰성도 우수한 전력변환 소자 접합용 접합소재이다. 본 발명은 기존에 페이스트형 접합소재를 이용하는 것보다, 현저히 간단하고 용이하게 전력용 반도체를 고정시킬 수 있는 후막형 접합소재를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 접합전도층의 양측에 비정질 합금을 주요성분으로 하는 접합표면층을 가지는 것을 특징으로 하여, 접합층의 양쪽 표면 융점을 낮게 함으로서 접합 공정 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 상기 접합표면층에 의해 접합력을 증가시킬 수 있고, 동시에 상기 접합전도층에 의해 전도성도 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 열 플라즈마 분사(spraying) 방법에 의해 상기한 바와 같은 접합소재를 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 전기자동차에 사용되는 전력변환 파워 모듈의 일례를 나타내는 단면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 구성 및 사용상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 내부 구성 상태를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재에 이형층이 포함된 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재를 제조하기 위한 열 플라즈마 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 제조방법 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 소자 접합용 접합소재를 제조하기 위한 열 플라즈마 장치의 토치에서 시간에 따라 원료물질인 도전성 소재와 비정질 합금의 공급 비율을 다르게 하는 것의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 사용상태를 설명하기 위한 전력변환 장치의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 전자/전기 부품 소자를 접합하는데 사용되는 소자 접합용 접합소재에 대한 것이다. 상기 소자는 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들면 반도체 소자 또는 발광 소자(LED)인 것이 가능하고, 그 중에서도 전력변환시에 사용되는 전력변환용 반도체일 수 있다. 전력변환용 반도체의 경우, 전력변환시 많은 열이 발생되는데, 이렇게 발생된 열은 접합소재를 통하여 상기 전력변환용 반도체와 접촉하는 세라믹 기판이나 반도체 플레이트를 거쳐서 방열판으로 배출된다. 그래서, 상기 접합소재는 접합소재는 높은 열전도도와 전기전도도를 가지면서도 우수한 신뢰성을 갖는 것이 요구되고 있다.
그러나, 종래에 사용되는 페이스트 형태의 접합소재의 경우, 소결시에 접합소재 내부에 기공(void)이 형성되어서, 열 및/또는 전기 전도성이 급격히 떨어지는 심각한 문제점이 있었고, 나아가 유기 첨가제 또는 비히클(바인더, 솔벤트 등)이 휘발되어서 없어져 버릴 뿐만 아니라, 소결시에 가스가 발생하며, 접합부 주변이 오염되는 등의 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 새로운 형태의 접합소재에 대하여 끊임없는 연구와 노력을 지속한 결과, 도전성 소재 내부에 비정질 합금이 내재되거나 함침된 접합소재(바람직하게는, 후막형 접합소재)를 이용하면, 열/전기 전도도가 우수하면서도, 높은 열적 안정성을 가지고, 기계적 신뢰성도 우수한 새로운 형태의 접합소재를 제공할 수 있다는 것을 확인한 후, 본 발명을 완성하였다.
아래에서는, 피접합물(11)에 접합시키는 접합소자(12)로서 전력변환용 소자, 바람직하게는 전기자동차용 전력변환 반도체 소자를 예로 들어서 설명하지만 본 발명은 특별히 여기에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 구성 및 사용상태를 설명하기 위한 단면도이다.
여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소자 접합용 접합소재는, 접합전도층(4); 및 접합표면층(5, 6)이 포함된 것이다. 상기 접합전도층(4)과 접합표면층(5, 6)은 하나의 접합층(1)을 구성한다.
상기 접합전도층(4)은 도전성 소재(2)를 주요성분으로 한다. 상기 도전성 소재(2)는 본 발명에 따른 접합소재에서 충진재(filler)로서의 기능을 가진다.
상기 도전성 소재(2)는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 열/전기 전도성이 우수한 은(silver, Ag), 금(gold, Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 코발트(Co), 아연(Zn), 니켈(Ni), 구리(copper, Cu) 및 이것들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다. 그 중에서도, 제조 원가 절감을 위해서는 구리를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 접합전도층(4)은 도전성 소재(2)를 주요성분으로 포함하고, 그 함량은 상기 접합전도층(4) 전체에 대하여 10~100wt% 만큼 포함될 수 있고, 50~99.9wt% 만큼 포함되는 것이 바람직하다.
상기 접합표면층(5, 6)은 상기 접합전도층(4)의 양측에 형성되고, 비정질 합금(amorphous alloy)을 주요성분으로 한다. 즉, 상기 접합전도층(4)의 일측면에는 제1접합표면층(6)이 형성되고, 타측면에는 제2접합표면층(5)이 형성될 수 있다.
상기 비정질 합금(3)은 본 발명에 따른 접합소재에서 바인더(binder)로서의 기능을 가진다. 비정질 합금(3)은 단일 금속 또는 결정질 합금에 비하여 비교적 융점이 낮기 때문에, 접합 소자를 피접합물에 부착시키기 위한 접합소재로 사용 가능하다. 종래에 전력변환용 소자의 페이스트형 접합소재에서는 바인더로서 대부분 유리 프릿을 사용하였는데, 이는 유리 프릿의 단가가 싸기도 하지만, 유리 프릿만큼 융점이 낮은 비정질 합금을 찾기가 어려웠기 때문이다. 그래서, 기존에는 일반적인 접합소재에서 유리프릿을 대체하는 바인더로서 비정질 합금을 사용한다는 것은 생각해 내기가 어려웠다.
그러나, 본 발명자들은 작동 온도 300℃ 내외의 고온에서 사용되는 전력변환 반도체용 접합소재의 경우, 바인더로서 비정질 합금(3)을 사용하더라도 상기 비정질 합금(3)의 비교적 낮은 융점 때문에 접합소재로서의 기능을 다할 수 있으며(즉, 피접합물에 소자의 접합이 가능하며), 접합된 후에는 열적 안정성이 우수하다는 것을 알게 되었다. 즉, 상기 비정질 합금(3)을 주요성분으로 하는 접합표면층(5, 6)이 접합층(1)의 외부 표면에 형성되어 있고, 상기 접합표면층(5, 6)은 접합전도층(4)에 비교하여 상대적으로 비교적 낮은 융점을 갖기 때문에 접합층(1)의 외부 표면에 보다 더 높은 접착성을 부여할 수 있으며, 접합소재의 젖음성을 향상시킬 수 있다.
상기 비정질 합금(3)은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 2 또는 3 성분계 비정질 합금일 수 있고, 4 또는 5 이상의 성분계 조성을 가지는 것도 가능하다. 그 중에서도, 접합소재의 소결조제 및/또는 바인더로 사용하기 위해서는, 낮은 융점 및 전이온도를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, Sn계 합금(Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Au, Sn-Al, Sn-Ca, Sn-Mg, Sn-Ni, Sn-Zn 등), Zn계 합금(Zn-Cu, Zn-Ag, Zn-Au, Zn-Al, Zn-Ca, Zn-Mg, Zn-Ni, Zn-Sn 등), Al계 합금(Al-Cu, Al-Ag, Al-Au, Al-Ca, Al-Mg, Al-Ni, Al-Sn, Al-Zn 등), 및/또는 Cu계 합금(Cu-Ag, Cu-Au, Cu-Al, Cu-Ca, Cu-Mg, Cu-Ni, Cu-Sn, Cu-Zn 등) 등과 같은 2성분계 조성을 사용할 수 있다. 또한, 상기 2성분계 조성에 C, P, Si, S, Na, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Y 등의 금속 또는 비금속 원자들이 첨가된 3~5 성분계 조성의 비정질 합금을 이용하는 것도 가능하다. 상기 비정질 합금(3)의 함량은 특별히 제한되지는 않지만, 본 발명에 따른 접합표면층(5, 6) 각각에서 10~100wt% 만큼 포함될 수 있고, 50~99.9wt% 만큼 포함되는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명은 도전성 소재(2)와 비정질 합금(3)이 포함된 접합층(1)을 갖는 것을 특징으로 하여, 열/전기 전도도가 우수하면서도, 높은 열적 안정성을 가지고, 기계적 신뢰성도 우수한 전력변환 소자 접합용 접합소재이다.
또한, 본 발명은 접합전도층(4)의 양측에 비정질 합금(3)을 주요성분으로 하는 접합표면층(5, 6)을 가지는 것을 특징으로 하여, 접합층(1)의 양쪽 표면 융점을 낮게 함으로서 접합 공정 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 상기 접합표면층(5, 6)에 의해 접합력을 증가시킬 수 있고, 동시에 상기 접합전도층(4)에 의해 전도성도 높일 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 내부 구성 상태를 설명하기 위한 모식도이다.
여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소자 접합용 접합소재는, 접합전도층(4)을 가운데에 두고 그 양측 면으로 제1접합표면층(6)과 제2접합표면층(5)이 형성되어서 하나의 접합층(1)을 구성한다.
그리고, 상기 접합전도층(4)은 도전성 소재(2)를 주요성분으로 하고, 상기 접합표면층(5, 6)은 비정질 합금(3)을 주요성분으로 한다. 상기 접합전도층(4)이 도전성 소재(2)를 주요성분으로 한다는 것은, 상기 접합전도층(4)이 접합표면층(5, 6)보다 도전성 소재(2)를 더 많이 포함한다는 것이다. 또한, 접합표면층(5, 6)이 비정질 합금(3)을 주요성분으로 한다는 것은, 상기 접합표면층(5, 6) 각각이 접합전도층(4) 보다 비정질 합금(3)을 더 많이 포함한다는 것이다.
그래서, 본 발명에 따른 접합전도층(4)은 도전성 소재(2)만으로 이루어질 수도 있고, 도전성 소재(2) 이외에 비정질 합금(3)을 더 포함할 수 있다. 접합전도층(4)에서 비정질 합금(3)은 1.0~49.9wt% 만큼 포함될 수 있다. 그리고, 접합전도층(4)에서 상기 도전성 소재(2) 내부에 비정질 합금(3) 입자들이 혼재된 것일 수 있다. 즉, 비정질 합금(3) 입자들이 도전성 소재(2) 내부 및/또는 외부에 혼재되어 있는 것일 수 있다. 또한, 접합전도층(4)은 도전성 소재(2)의 층간 사이에 비정질 합금(3) 입자들이 혼재된 라멜라 구조(lamella structure)를 갖는 것이 가능하다. 또한, 상기 접합전도층(4) 내부에는 융해되지 않은(unmolten) 도전성 입자(2b)가 더 혼재된 것이 가능하다. 즉, 상기 접합전도층(4)의 도전성 소재(2)는 융해된(molten) 도전성 입자(2a)와 융해되지 않은(unmolten) 도전성 입자(2b)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 비정질 합금(3)이 도전성 소재(2)의 내부 및/또는 외부에 함침되어 있으면, 보다 더 치밀한 구조를 형성하기 때문에 기계적인 접착 강도를 증가시킬 수 있고, 도전성 소재(2)로 사용되는 구리 충진재의 내산화성을 향상시키는 것도 가능한 효과를 가진다.
이와 함께, 본 발명에 따른 접합표면층(5, 6)은 비정질 합금(3)만으로 이루어질 수도 있고, 비정질 합금(3) 이외에 도전성 소재(2)를 더 포함할 수 있다. 접합표면층(5, 6)에서 도전성 소재(2)는 1.0~49.9wt% 만큼 포함될 수 있다. 그리고, 접합표면층(5, 6)에서 상기 도전성 소재(2)는 그 내부에 비정질 합금(3) 입자들이 혼재된 것일 수 있고, 라멜라 구조(lamella structure)를 가질 수도 있으며, 융해된(molten) 도전성 입자(2a)와 융해되지 않은(unmolten) 도전성 입자(2b)를 포함할 수 있다는 것은 상기한 바와 같다.
이러한 본 발명은 가운데 접합전도층(4)보다 그 양측의 접합표면층(5, 6)이 비정질 합금(3)을 상대적으로 더 많은 비율로 포함하는 것이 특징이고, 이에 따르면, 상기 접합표면층(5, 6)에 포함된 비정질 합금(3)의 밀도는 상기 접합전도층(4)에 포함된 비정질 합금(3)의 밀도보다 높은 것이 바람직하다. 즉, 상기 접합표면층(5, 6)은 접합전도층(4)보다 절대적으로 많은 양의 비정질 합금(3)을 포함할 수 있고, 상대적으로 도전성 소재와 같은 다른 것보다 비정질 합금(3)을 더 많이 포함하는 것이 가능하며, 비정질 합금(3)의 밀도가 접합전도층(4)에서보다 접합표면층(5, 6)에서 더 높을 수도 있다.
또한, 상기 접합표면층(5, 6)에 포함된 비정질 합금(3)의 밀도는 상기 접합전도층(4) 방향으로 점차 작아지는 것이 바람직하다. 즉, 접합표면층(5, 6) 각각의 최외각에서 비정질 합금(3)의 밀도가 가장 높고, 상기 접합표면층(5, 6) 각각의 내부 방향(접합전도층(4) 방향)으로 갈수록 비정질 합금(3)의 밀도가 점진적으로 작아지는 것이다. 이와 같이, 비정질 합금(3)의 밀도가 점진적인 경사구조를 갖도록 하면, 접합표면층(5, 6)의 최외각에서 융점을 최대한 낮출 수 있고, 동시에 내부 접합전도층(4)에서는 전도성을 최대한 높일 수 있으며, 이와 함께 기계적으로도 더욱 안정적인 구조를 가진 접합소재를 제조할 수 있다.
또한, 상기 접합전도층(4)의 두께는 상기 접합전도층(4)의 일측에 형성된 접합표면층(5, 6)의 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 접합소재에서 상기 접합표면층(5, 6)은 소자를 피접착물에 부착시키는 것이 주요한 기능인데, 이것의 두께를 최소화하더라도 충분히 접합가능하다. 이와 함께, 접합전도층(4)의 두께를 더 두껍게 함으로서 열/전기 전도도를 높여서 접합소재의 본연의 기능인 소자의 열을 더욱 효과적으로 방출시킬 수 있다.
또한, 상기 접합전도층(4)과 접합표면층(5, 6)은 경계(boundary)가 없이 연속되어 형성된 것이 바람직하다. 즉, 상기 접합전도층(4)과 접합표면층(5, 6)이 각각 따로 형성되어서 그것의 경계가 명확하게 구분되는 것이 아니라, 하나의 연속된 공정에 의해 접합전도층(4)과 접합표면층(5, 6)이 연속적으로 형성되어서 하나의 층을 가지는 것이다. 이와 같이, 접합전도층(4)과 접합표면층(5, 6)이 연속되어 형성되면, 기계적으로 더욱 안정적인 구조를 가질 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 특징은 상기 접합소재가 후막형(thick membrane type)인 것이다. 상기 후막형은 테이프(tape), 호일(foil), 시트(sheet), 리본(ribbon) 또는 필름(film) 형상인 것이 가능하다. 후막형 접합소재의 폭과 길이는 생산 조건 및 장비에 따라 다양하게 변형할 수 있으며, 두께는 1~200㎛ 범위 내인 것이 접착력과 열/전기 전도도를 위해 바람직하다.
종래에 페이스트형 접합소재의 경우, 넓은 온도범위에서 상대적으로 천천히 용융되고, 접합을 위해서는 상대적으로 더 많은 양이 필요했다. 또한, 접합소재 내부에는 큰 결정립이 형성되고, 다수의 기공이 형성되어서 다공성 접합이 이루어지는 단점이 있었다. 또한, 조립 공정이 복잡하고 어려우며, 솔벤트를 사용하기 때문에 환경을 오염시키고 브레이징(brazing)로를 열화시키는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 후막형 접합소재로 제조함으로서 종래에 페이스트형 접합소재가 가지는 문제점을 해결하였다. 즉, 본 발명에 따른 후막형 접합소재는 100% 금속성 박판 또는 박막일 수 있고, 좁은 온도 범위에서 빠른 용융이 가능하며, 기공이 없이 치밀하기 때문에 높은 강도로 접합시킬 수 있다. 또한, 부품 사이의 정확한 위치에 배치 가능하기 때문에, 높은 경제적 효율성을 가지고, set-up 및 조립 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 나아가, 환경 유해물질도 배출하지 않으면, 진공로에 손상도 없다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재에 이형층이 포함된 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
여기에 도시된 본 발명은 상기 접합층(1) 또는 접합표면층(5, 6)의 일면에 구비된 이형층(40, 50)을 더 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 접합표면층(6)의 일측면에는 제1 이형층(40)이 구비될 수 있고, 제2 접합표면층(5) 타측면에는 제2 이형층(50)이 구비될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 접합소재가 후막형(thick film type)인 경우, 상기 접합층(1)의 일면 및/또는 양면에 이형층을 갖는 것이다.
상기 이형층(40, 50)은 특별히 제한되지 않고, 이 기술분야에 알려진 다양한 형태를 모두 포함하는 것이 가능하다. 상기 이형층(40, 50)을 접합층(1)에 부착하는 방법 역시 특별히 제한되지 않으며, 제1 이형층(40)에 접합층(1)을 형성한 뒤 그 위에 제2 이형층(50)을 구비시킬 수 있다. 사용시에는 이형층(40, 50)을 제거한 뒤 접합층(1)만을 이용해서 피접합물(11)에 접합소자(12)를 접합시키는 것이 가능하다(도 2 참조).
또한, 상기 접합층(1)은, 상기 이형층(40, 50)에 도전성 소재 및/또는 비정질 합금을 함께 또는 선택적으로 열 플라즈마로 분사(spraying)해서 형성된 것이 바람직하다. 즉, 제1 이형층(40)에 열 플라즈마 방법으로 원료물질인 비정질 합금을 분사해서 제1 접합표면층(6)을 제조하고, 그 위에 도전성 소재를 분사해서 접합전도층(4)을 제조하며, 다시 그 위에 비정질 합금을 분사해서 제2 접합표면층(5)을 제조할 수 있다. 어떠한 솔벤트를 사용하지 않고 도전성 소재와 비정질 합금을 이용해서 후막형 또는 박막형 접합소재를 제조하는 것은 쉽지 않다. 본 발명자들은 금속성 재료만을 이용해서 테이프 형상의 접합소재를 제조하기 위하여 오랜 연구와 노력을 거듭한 끝에, 열 플라즈마 방법을 이용한다면 도전성 소재 및/또는 비정질 합금이 조합된 박막을 형성할 수 있다는 것을 확인한 후, 본 발명을 완성하였다. 이에 대해서는 아래에서 더욱 자세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재를 제조하기 위한 열 플라즈마 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 제조방법 일례를 설명하기 위한 모식도이며, 도 7은 본 발명에 따른 소자 접합용 접합소재를 제조하기 위한 열 플라즈마 장치의 토치에서 시간에 따라 원료물질인 도전성 소재와 비정질 합금의 공급 비율을 다르게 하는 것의 일례를 나타내는 그래프이다.
여기에 도시된, 본 발명의 다른 실시형태는, 제1접합표면층을 형성하는 단계(S10); 접합전도층을 형성하는 단계(S20); 및 제2접합표면층을 형성하는 단계(30);를 포함하는, 소자 접합용 접합소재의 제조방법이다.
상기 제1접합표면층을 형성하는 단계(S10)는 비정질 합금(3)을 열 플라즈마로 분사(spraying)해서 제1접합표면층(6)을 형성하는 것이다. 그리고, 상기 접합전도층을 형성하는 단계(S20)는 상기 제1접합표면층(6)에 도전성 소재(2)를 열 플라즈마로 분사해서 접합전도층(4)을 형성하는 것이다. 또한, 상기 제2접합표면층을 형성하는 단계(30)는 상기 접합전도층(4)에 비정질 합금(3)을 열 플라즈마로 분사해서 제2접합표면층(5)을 형성하는 것이다. 상기 도전성 소재(2)와 비정질 합금(3)은 상기한 바와 같다.
기존에 열 플라즈마 방법을 이용해서 분말을 합성하는 기술과 용사 증착하는 기술은 이미 공지되어 있다. 이 중에서, DC 이송식 열 플라즈마와 RF 열 플라즈마의 경우, 분말 형성은 가능하지만 어떤 코팅층을 형성하기에는 부적합하다. 이에 따라, 본 발명자들은 DC 비이송식 열플라즈마 방법 및/또는 장치를 이용해서, 원료물질인 도전성 소재(2) 및/또는 비정질 합금(3)을 함께 또는 선택적으로 또는 비율을 다르게 하여 분사함으로서, 도전성 소재(2) 또는 비정질 합금(3)을 주요성분으로 포함하거나, 도전성 소재(2) 내부 또는/및 외부에 비정질 합금(3)이 내재된 코팅층 또는 박막층을 연속적으로 형성할 수 있었다.
상기 열 플라즈마로 분사하는 방법과 장치는 이 기술분야에 알려진 다양한 모든 것을 이용할 수 있다. 다만, 본 발명은 원료물질로서 도전성 소재(2)와 비정질 합금(3)을 이용하는 것이고, 특별히 열 플라즈마 토치(20) 하단의 서로 다른 원료주입구로 도전성 소재(2)와 비정질 합금(3) 각각을 구분해서 공급하는 것이 특징이다. 예를 들어, 제1 원료주입구(22)로는 도전성 소재(2)를 공급하고, 제2 원료주입구(23)로는 비정질 합금(3)을 공급하는 것이 가능하다.
이와 함께, 열 플라즈마 토치(20) 아래에는 본 발명에 따른 접합층(1)을 형성하기 위한 서브스트레이트(substrate, 10)가 롤투롤 장비(30)에 의해 한쪽으로 이동가능하다. 그러면, 열 플라즈마에 의해 증발(evaporation) 및 냉각(cooling)된 원료물질이 상기 서브스트레이트(10) 표면에 증착되면서 박막층을 형성하게 된다. 상기 서브스트레이트(10)는 이형층을 포함할 수도 있다.
이에 따라, 상기 제1접합표면층을 형성하는 단계(S10)는, 서브스트레이트(10)에 제1 이형층(40)을 구비하는 단계; 및 상기 구비한 제1 이형층(40)에 도전성 소재(2)와 비정질 합금(3)을 열 플라즈마로 분사하되, 상기 도전성 소재(2)보다 비정질 합금(3)을 더 많이 분사해서 제1접합표면층(6)을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 가능하다. 상기 도전성 소재(2) 없이 비정질 합금(3)만을 분사해서 제1접합표면층(6)을 형성할 수도 있다.
그리고, 상기 접합전도층(4)을 형성하는 것은, 상기 제1접합표면층(4)에 도전성 소재(2)와 비정질 합금(3)을 열 플라즈마로 분사하되, 상기 도전성 소재(2)를 비정질 합금(3)보다 더 많이 분사해서 접합전도층(4)을 형성하는 것이 가능하다. 상기 비정질 합금(3) 없이 도전성 소재(2)만을 분사해서 접합전도층(4)을 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명은 상기 제2접합표면층(5)이 형성된 제1 이형층(40)을 서브스트레이트(10)로부터 분리하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 서브스트레이트(10)에 이형층을 구비시키는 방법과 이형층을 서브스트레이트(10)로부터 분리하는 방법은 특별히 제한되지 않는다.
나아가, 본 발명은 상기 제2접합표면층(5)을 형성한 다음에, 그 위에 제2 이형층(50)을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명자들은 종래에 열 플라즈마 방법으로 나노 분말을 제조하는 것 이외에, 열 플라즈마 분사 방법으로 코팅막을 형성하는 것이 가능하다는 것에 기반해서, 도전성 소재 및/또는 비정질 합금을 포함하는 용융 금속 합금을 플라즈마 이후에 급속 냉각시키면 비정질 합금 박막의 형성이 가능할 수 있다는 것에 착안하여, 본 발명을 하게 되었다. 즉, 박막 전체가 비정질화 되지 않더라도 도전성 소재(Cu-rich계) 박막 내에 국부적으로 비정질 합금(Sn계)이 포함되어 있는 박막층을 만들어 낸다면, 300℃ 내외에서 사용 가능한 접합소재용 테이프(tape)를 제조할 수 있음을 알게된 후, 본 발명을 완성하였다.
이러한 본 발명은 열 플라즈마 분사(spraying) 방법에 의해, 접합전도층(4)의 양측에 비정질 합금(3)을 주요성분으로 하는 접합표면층(5, 6)을 가지는 소자 접합용 접합소재를 제조하는 방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 접합용 접합소재의 사용상태를 설명하기 위한 전력변환 장치의 단면도이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 접합소재는 전자부품 소자를 접합시키는데 사용되는 것이고, 특별히 제한되지는 않지만, 반도체 소자 또는 발광 소자(LED)인 것이 가능하다. 그 중에서도 고온의 환경조건에서 높은 열전도도와 전기전도도가 요구되는 전력변환 소자(전력변환용 반도체)를 접합시키는 용도로 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서 상기 소자는 전력변환 소자인 것이 바람직하고, 상기 전력변환 소자는 전력변환용 반도체인 것이 더욱 바람직하다. 그리고, 상기 소자 접합용은, 상기 소자를 피접합물에 접합하기 위한 용도인 것일 수 있다. 또한, 상기 소자와 피접합물은 동일하거나 90% 이상 유사한 열팽창계수를 갖는 것이 가능하다.
도 8에는 전력변환 소자의 일 예로서 전기자동차에 사용되는 전력변환 반도체와 이를 포함하는 전력변환 모듈이 도시되어 있다.
즉, 전기자동차용 전력변환 모듈(100)은 기본적으로 전력변환 반도체 모듈(101)과 이것을 둘러싸는 하우징(102)을 포함한다. 도 8에서는 전력변환 반도체 모듈(101)의 상단을 감싸는 플라스틱 패키징 케이스로 이루어진 상부 하우징(102) 만이 도시되어 있으나, 방열판(106)을 둘러싸는 하부 하우징을 더 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 전력변환 반도체 모듈(101)은 전력 스위치용 반도체 소자로 이루어진 하나 이상의 전력변환칩(107)과, 그 아래에 순차적으로 위치하는 세라믹기판(103)과, 베이스플레이트(105) 및 방열판(106)을 포함할 수 있다. 상기 베이스플레이트(105)는 전력변환칩(107)에서 발생하는 열을 방열판(106)으로 전달하는 기능을 가진다. 여기서, 상기 세라믹기판(103)은 전력변환칩(107)을 지지하는 것으로, 그것의 양측 표면에는 구리와 같은 금속으로 본딩된 접합금속재(104)가 위치할 수 있다. 또한, 복수의 전력변환칩(107)을 연결하는 본딩와이어(108) 및 외부와의 연결을 위한 외부연결단자(109)를 더 포함하는 것도 가능하다.
이와 함께, 상기 전력변환 반도체 모듈(101)에서, 상기 전력변환칩(107)은 다이접합재(111)에 의해 세라믹기판(103)의 상부 접합금속재(104)에 접합될 수 있고, 상기 외부연결단자(109)는 다이접합재(111)와 동일하거나 유사한 솔더조인트(112)에 의해 접합금속재(104)에 접합될 수 있으며, 세라믹기판(103)의 하부 접합금속재(104)는 기판접합재(113)를 사이에 두고 베이스플레이트(105)와 접합가능하다. 또한, 베이스플레이트(105)와 방열판(106)은 방열판접합재(114)를 통하여 접합될 수 있다.
이러한 전력변환 반도체 모듈(101)에서 본 발명에 따른 접합소재는 다양한 층에서, 서로 같거나 다른 소자를 접합시키기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 접합소재는 상기한 다이접합재(111), 솔더조인트(112), 기판접합재(113) 및/또는 방열판접합재(114)를 대체해서 사용가능하다. 그 중에서도, 본 발명에 따른 접합소재는 가장 많은 열이 발생하는 전력변환칩(107)을 세라믹기판(103) 또는 그것의 상부 접합금속재(104)에 접합시키기 위한 용도로 사용되는 것이 바람직하다.
이에 따르면, 본 발명의 또 다른 실시형태는 상기한 접합소재가 전력변환칩(107) 등의 접합소재로 사용된 것을 특징으로 하는 전력변환 모듈인 것도 가능하다.
상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
1 : 접합층
2 : 도전성 소재
3 : 비정질 합금
4 : 접합전도층
5 : 제2 접합표면층
6 : 제1 접합표면층
10 : 서브스트레이트(substrate)
11 : 피접합물
12 : 접합 소자
20 : 플라즈마 토치
22 : 제1 원료주입구
23 : 제2 원료주입구
30 : 롤투롤 장비
40 : 제1 이형층
50 : 제2 이형층
100 : 전력변환 모듈
101 : 반도체 모듈
102 : 하우징
103 : 세라믹기판
104 : 접합금속재
105 : 베이스플레이트
106 : 방열판
107 : 전력변환칩
108 : 본딩와이어
109 : 외부연결단자
111 : 다이접합재
112 : 솔더조인트
113 : 기판접합재
114 : 방열판접합재

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  16. 비정질 합금(amorphous alloy)을 열 플라즈마로 분사(spraying)해서 제1접합표면층을 형성하는 단계;
    상기 제1접합표면층에 도전성 소재를 열 플라즈마로 분사해서 접합전도층을 형성하는 단계; 및
    상기 접합전도층에 비정질 합금을 열 플라즈마로 분사해서 제2접합표면층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1접합표면층을 형성하는 단계는,
    서브스트레이트에 이형층을 구비하는 단계; 및
    상기 구비한 이형층에 도전성 소재와 비정질 합금을 열 플라즈마로 분사하되, 상기 도전성 소재보다 비정질 합금을 더 많이 분사해서 제1접합표면층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 소자 접합용 접합소재의 제조방법.
  17. 삭제
  18. 제16항에 있어서,
    상기 접합전도층을 형성하는 것은,
    상기 제1접합표면층에 도전성 소재와 비정질 합금을 열 플라즈마로 분사하되, 상기 도전성 소재를 비정질 합금보다 더 많이 분사해서 접합전도층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 소자 접합용 접합소재의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2접합표면층이 형성된 이형층을 서브스트레이트로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자 접합용 접합소재의 제조방법.
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