KR102040780B1 - 저온 접합용 박막체 접합 방법 - Google Patents

저온 접합용 박막체 접합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 금속과 제2 금속을 포함하는 적어도 2종 이상의 금속이 전해도금된 박막체를 이용한 부품의 접합방법으로서, 상기 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계; 상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계; 상기 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계; 및 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계;를 포함하는 저온 접합방법에 관한 것으로, 저온 접합이 가능하고, 우수한 접합력을 제공하며, 접합 이후에 높은 온도로 재가열되더라도 박리되지 않는 저온 접합방법을 제공할 수 있다.

Description

저온 접합용 박막체 접합 방법{Thin layer bonding method for low temperature bonding}
본 발명은 접합 대상 부품을 저온에서 접합하는데 우수하게 이용될 수 있는 박막체의 접합방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
일반적으로 열경화성 접착제 또는 접착필름은 접착 대상물 사이에 접착제 또는 접착필름을 위치시킨 후, 경화 온도(Curing temperature)로 가열을 하여 접착제를 경화시키고, 접착제의 경화에 따라 접착 대상물이 결합된다.
열경화성 접착제는 접착대상물 사이에 배치가 되고, 외부에서 열경화성 접착제의 경화를 위한 경화온도(Curing Temperature:T)가 접착대상물에 인가된다. 이 경우 가열온도(T)에 따른 열량이 접착대상물 사이의 접착제에 전달이 되고, 이에 따라 접착제는 경화되면서 접착대상물이 접착되게 된다.
공급되는 열의 일부는 접합대상물을 통과하여 접착제에 공급이 될 수밖에 없고, 이에 따라 접합대상물 내부에 위치하는 접착제에 충분한 경화열량을 제공하기 위해서는 접합대상물에서 소진되는 열량을 고려하여 접착제 자체의 경화온도보다 높은 온도로 경화를 시켜야 한다는 문제점이 있다.
나아가, 열경화성 접착제의 경화온도로 인하여 접합대상물이 상기 경화온도에서 버틸 수 있는 재질로 한정이 된다는 문제점도 있다.
또한, 열경화성 접착제로 전자부품 또는 회로가 구비된 기판을 접착하는 경우 접착제의 경화를 위하여 제공되어야 하는 열에 의하여 전자부품 또는 회로의 손상이 발생할 수 있다는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 저온 접합이 가능하며, 접합력 또한 우수한 박막체의 접합방법을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 제1 금속과 제2 금속을 포함하는 적어도 2종 이상의 금속이 전해도금된 박막체를 이용한 부품의 접합방법으로서, 상기 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계; 상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계; 상기 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계; 및 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계;를 포함하는 저온 접합방법을 제공한다.
또한 상기 저온 가열단계는 상기 제1 압력이 가해진 상태에서 가열되는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 저온 가열단계 이후, 상기 제2 가압단계 이전에 하기 화학식 1에 의해 계산되는 제1 유지시간(S1) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제1 유지단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Figure 112019048856544-pat00001
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]이고, Q는 총가열량[J]으로서 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합재 합금의 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
또한 상기 제2 가압단계 이후에 하기 화학식 3에 의해 계산되는 제2 유지시간(S2) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제2 유지단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 3]
Figure 112019048856544-pat00002
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]이고, Q는 총가열량[J]으로서 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합재 합금의 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
또한 상기 제2 유지단계 이후에 압력을 유지하면서 냉각시키는 냉각단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 가압단계 이전에 접합면을 내산화 처리하는 전처리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 박막체는, 제1회 가열 시에는 상기 금속 중 녹는점이 낮은 금속의 녹는점(Tms)에서 용융이 일어나고, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 상기 금속들의 합금의 용융점(Tma)에서 용융이 일어나는 박막체인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 박막체는 상기 제1 금속의 함량이 높은 제1층과, 상기 제1층보다 상기 제1 금속의 함량이 낮은 제2층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 금속은 Sn 및 Sn 합금을 포함하고, 상기 제2 금속은 Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종의 금속 또는 금속들의 합금을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제1회 가열 시에는 낮은 온도에서 용융이 일어나고, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 높은 온도에서 용융이 일어나는 특이한 용융 특성을 갖는 박막체를 이용한 저온 접합방법을 제공한다.
본 발명에 따른 박막체는 상기와 같은 특이한 용융 특성을 갖기 때문에 전력전환모듈, 반도체 부품 등의 접합에 우수하게 이용될 수 있다.
더욱 구체적으로 낮은 온도에서 제1회 가열하는 경우에도 용융이 일어나기 때문에 저온 접합이 가능하고, 접합 대상 부품과 박막체가 접촉하는 면에서 금속간 화합물(Intermetallic compound)를 형성하도록 하여 우수한 접합력을 제공할 수 있으며, 접합 대상 부품을 접합시킨 이후에 높은 온도에서 제2회, 제3회 가열되더라도 용융이 일어나지 않기 때문에 접합 이후의 공정 등에서 박리되는 현상을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온 접합방법에 따라 접합된 접합체의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 저온 접합방법에 따라 접합된 접합체의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법에 이용되는 박막체는 적어도 2종 이상의 금속이 전해도금된 박막체로서, 제1회 가열 시에는 상기 금속 중 녹는점이 낮은 금속의 녹는점(Tms)에서 용융이 일어나고, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 상기 금속들의 합금의 용융점(Tma)에서 용융이 일어나는 박막체이다.
더욱 구체적으로 상기 박막체는 제1 금속으로서 주석(Sn)을 기반으로 하고, 제2 금속의 입자가 소량 분포되도록 전해도금된 박막체로서, 소량 분포되는 입자는 기반 금속인 주석(Sn)의 녹는점(Tms)보다 높은 녹는점(Tmp)을 갖는 제2 금속의 입자이다.
제1 금속은 주석 및 주석 합금을 포함하고, 제2 금속은 Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl 로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종의 금속 또는 금속들의 합금을 포함한다. 바람직하게는 제1 금속 및 제2 금속은 피접합 대상인 부품의 소재인 금속을 포함하는 것이 좋다.
제1 금속의 입자와 제2 금속의 입자는 깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 방정식에 의한 융점강하 효과를 나타내기 위해 1μm 내지 1nm 크기의 매우 작은 직경(d)을 갖는 입자로서, 10% 내지 50% 함량 비율로 박막체에 분산되어 주석(Sn)과 함께 전해도금된 것으로서, 특이한 용융 특성을 갖는다.
본 발명의 일실시예에 따른 박막체는 제1 금속과 제2 금속이 전해도금된 것으로서, 제1회 가열시 제1 금속의 녹는점(Tms)인 200 내지 250℃에서 용융이 일어난다. 이는 제1 금속과 제2 금속의 합금의 일반적인 용융온도가 600℃ 이상의 고온인 것과 다른 용융 특성을 가짐을 알 수 있다.
또한 상기 제1회 가열하여 박막체를 용융시킨 후 냉각시키고, 다시 제2회 가열한 경우, 박막체는 제1회 가열시 용융된 온도인 200 내지 250℃에서 용융되지 않고, 제1 금속과 제2 금속의 합금의 용융 온도(Tma)인 400 내지 700℃에서 용융이 일어난다. 이는 박막체를 제1회 가열하였을 때와는 다른 용융 특성을 가짐을 알 수 있다.
추측컨대, 제1 금속 기반에 제2 금속 입자가 소량 분산되도록 전해도금된 박막체를 제1회 가열하는 경우, 제1 금속의 녹는점(Tms)에서 제1 금속과 제2 금속의 합금화가 이루어지는 것으로 예상되며, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 합금화된 이후로서 제1 금속 및 제2 금속의 합금의 녹는점(Tma) 이상의 온도로 가열하여야 용융되는 것으로 예상된다.
더욱 구체적으로 상기 박막체는 용융된 금속염에 각기 다른 전압을 인가하여 형성된 박막체이다. 전해도금의 결과물인 박막체는 구체적인 내부의 층상구조를 명확히 규명하기는 어려우나, 조성이 다른 층들이 적층된 다층박막 형태로 추측된다. 즉, 박막체는 제1 도금층, 예를 들면, 주석(Sn)을 기반으로 하는 제1 도금층과, 제1 도금층의 녹는점보다 높은 온도에서 녹는점을 가지는 제2 도금층이 교대로 2층이상 적층된 것으로 추정될 수 있다.
상기 박막체는 상기 제1 금속의 함량이 높은 제1층과, 상기 제1층보다 상기 제1 금속의 함량이 낮은 제2층을 포함한다. 제1층은 제1 금속인 Sn 및 Sn합금이고, 이 때 Sn의 함량은 50% 이상, 바람직하게는 59% 이상이다. 상기 제1층 및 제2층은 각각 0.1nm 내지 1 ㎛ 두께로 구성되며, 전체 박막체의 두께는 피접합소재의 종류 및 물성에 따라서 다르나 10㎛ 내지 100㎛가 바람직하다.
또한, 상기 박막체를 이용한 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법은 압력, 온도, 시간, 분위기 등 접합 조건 및 단계에 의해 우수한 접합특성을 나타낸다.
본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법은 접합하고자 하는 부품의 접합면에 상기 박막체를 위치시키는 준비단계, 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계, 상기 박막체에 포함되는 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계 및 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계를 포함한다.
더욱 구체적으로 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법은 접합하고자 하는 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계(S1), 접합면을 내산화 처리하는 전처리단계(S2), 상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계(S3), 상기 박막체에 포함되는 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계(S4), 온도 및 압력을 유지하는 제1 유지단계(S5), 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계(S6), 온도 및 압력을 유지하는 제2 유지단계(S7), 압력을 유지하면서 냉각시키는 냉각단계(S8) 및 압력을 제거하여 접합된 부품을 얻는 완료단계(S9)를 포함한다.
도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법의 순서도를 나타내었다. 이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 준비단계(S1)는 접합하고자 하는 부품의 접합면에 박막체를 형성하거나 형성된 박막체를 위치시키는 단계이다. 부품과 다른 부품 사이에 상기 박막체를 위치시켜 준비할 수 있고, 부품 상에 상기 박막체를 형성한 후 다른 부품을 적층하여 준비할 수 있다. 상기 부품의 접합면 면적 대비 100% 이상의 면적을 갖는 박막체를 형성하거나 위치하여 준비할 수 있다. 본 발명의 박막체를 이용하기 가장 적합한 부품은 표면 굴곡이 1μm 이하로 관리된 평평한(flat) 부품이 좋다.
상기 전처리단계(S2)는 접합면 또는 접합하려는 박막체를 내산화 처리하는 단계로서, 예를 들어 플럭스(flux) 처리하여 접합시 접합면에서 산화물이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제1 가압단계(S3)는 상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 단계로서, 저온 가열단계에서 가열 시 부품의 움직임을 배제하고, 가열 시 액상 형성으로 발생하는 내부 보이드를 제거하기 위하여 수행된다. 상기 부품의 중량 즉, 자중에 의한 압력으로 1배의 압력이 가해지게 되며, 1배 내지 3배의 압력을 인가하게 될 경우 용융 금속의 표면 장력에 의해 내부 보이드가 제거되는 효과가 있다. 3배를 초과하는 압력을 가하는 경우 접합부 내부 용융된 금속이 모두 빠져나와 존재하지 않으며, 보이드가 제거되지 않아 접합이 안되는 문제점이 있다.
상기 저온 가열단계(S4)는 상기 제1 압력이 가해진 상태에서 가열되는 단계로서, 상기 박막체에 포함되는 제1 금속 및 제2 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 단계이다. 즉 주석 또는 주석 합금을 포함하는 제1 금속의 용융온도까지 가열하는 단계이며, 200 내지 250℃로 가열하는 단계이다.
상기 저온 가열단계(S4)에서는 상기 제1 금속의 용융으로 제1 금속과 제2 금속의 합금화가 이루어지는 것으로 추정된다.
상기 제1 유지단계(S5)는 상기 제1 가압단계(S2) 및 저온 가열단계(S4)에서 가한 온도 및 압력을 유지하는 단계로서 용융된 박막체의 금속과 부품을 이루는 금속간에 금속간화합물(intermetallic compound)을 형성하고, 용융 금속의 표면 장력에 의해 내부 보이드가 제거되도록 유지하는 단계이다.
상기 제1 유지단계(S5)의 유지시간인 제1 유지시간(S1)은 접합부 면적 및 온도 등에 의해 결정이 되며, 뒬롱-프티의 법칙(Law of Dulong and Petit)에 따라, 하기 화학식 1에 의해 계산될 수 있다. 제1 유지단계(S5)의 유지시간은 상기 계산된 제1 유지시간(S1)±5 초 범위로 유지될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112019048856544-pat00003
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합부 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
상기 박막체의 열용량(A), 열효율(G) 및 밀도(D) 등의 물성은 본 발명에 따른 저온 접합용 박막체를 구성하는 성분들(제1 금속 및 제2 금속)로 이루어진 금속간화합물(Intermetalic compound, IMC)의 물성으로 정의된다.
본 발명의 일실시예에 따른 박막체가 제1 금속으로 Sn을 포함하고 제2 금속으로 Cu를 포함할 때, Sn/Cu IMC 열용량(A) 1.51 J/gram-atom/degree C (6.3 calories/gram-atom/degree C), 열효율(G) 0.137, 밀도(D) 8.26g/cm3 을 상수로 하여 계산하며, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 정리될 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112019048856544-pat00004
양호한 접합부의 두께(T)인 10 내지 100μm 와 접합부 면적(L), IMC의 밀도(D)인 8.26g/cm3로 계산되는 합금의 중량(W), 합금 형성 시 발생하는 발열량(E) 1.5J/g, 총가열량(Q)으로 양호한 접합부를 형성하는 접합시간(S)을 제시할 수 있다.
즉 접합시간(s)은 60.694*온도(℃)*두께(cm)*면적(cm2)으로 결정된다. 예를 들어 온도 250℃, 두께 20μm, 면적 1cm2 접합시 25 내지 35sec의 접합유지시간이 필요하며, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 3cm2 접합시 86 내지 96sec의 접합유지시간이 필요하고, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 5cm2 접합시 147 내지 157sec의 접합유지시간이 필요하다.
상기 제2 가압단계(S6)는 금속간화합물 외 잔여 주석을 제거하기 위해 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 단계이다. 0.1Mpa 미만의 압력을 가하거나 제2 가압단계를 생략하는 경우 접합 종료 후 내부 용융금속으로 존재하는 Sn Rich부가 존재하고 재가열시 용융되므로 내열성을 가지지 못하는 문제점이 있고, 10Mpa 초과하는 압력을 가하는 경우 brittle한 IMC의 종방향 파괴가 발생하여 접합부 및 접합모재의 손상이 발생하는 문제점이 있다. 바람직하게는 0.5MPa 내지 3MPa 압력을 가하는 것이 좋다.
상기 제2 유지단계(S7)는 상기 저온 가열단계(S4) 및 제2 가압단계(S6)에서 가한 온도 및 압력을 유지하는 단계로서 상기 제2 가압단계(S6)의 제2 압력에 의해서도 제거되지 않는 잔여 주석을 합금화하기 위해 온도 및 압력을 유지하는 단계이다. 상기 제2 유지단계(S7)의 유지시간인 제2 유지시간(S2)은 접합부 면적 및 온도에 의해 결정이 된다. 압력에 의해 상하 IMC간 접촉이 일어나며, 접촉부 간 열 및 압력에 의해 접합이 일어난다. 상기 제1 유지단계(S5)와 마찬가지로 뒬롱-프티의 법칙(Law of Dulong and Petit)에 따라, Sn의 IMC 열용량인 (A) 1.51 J/gram-atom/degree C (6.3 calories/gram-atom/degree C), 중량에 따른 열효율 (G) 0.137을 상수로 하고, 양호한 접합부의 두께(T)인 10 내지 100μm와 접합부 면적(L), IMC의 밀도(D)인 8.26g/cm3로 계산되는 합금의 중량(W), 합금을 형성하는 발열량인(E) 1.5J/g, 총가열량(Q)로 양호한 접합부를 형성하는 접합시간(S)을 제시할 수 있다. 제2 유지단계(S7)의 유지시간은 상기 계산된 제2 유지시간(S2)±5 초 범위로 유지될 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112019048856544-pat00005
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합부 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
[화학식 4]
Figure 112019048856544-pat00006
즉 접합시간(s)은 60.694*온도(℃)*두께(cm)*면적(cm2)으로 결정된다. 예를 들어 온도 250℃, 두께 20μm, 면적 1cm2 접합시 25 내지 35sec의 접합유지시간이 필요하며, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 3cm2 접합시 86 내지 96sec의 접합유지시간이 필요하고, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 5cm2 접합시 147 내지 157sec의 접합유지시간이 필요하다.
상기 냉각단계(S8)는 제2 압력을 유지하면서 냉각시키는 단계로서 상기 박막체가 용융 및 합금화되어 형성된 접합부를 냉각시키는 단계이다. 냉각하는 방식은 실온방치하여 100℃ 이하로 냉각시켜 부품 배출을 시행한다. 냉각 시 수냉, air 등 냉각효율이 높은 방식을 적용하는 경우 공정시간을 단축하여 생산성을 향상하는 효과가 있다.
상기 완료단계(S9)는 상기 냉각이 완료된 후 제2 압력을 제거하여 접합된 부품을 배출하는 단계이다.
본 발명에 따른 박막체를 제1회 가열(저온 가열단계)하는 경우, 일반적인 주석과 제2 금속의 합금과 달리 주석(Sn)의 녹는점(Tms)인 낮은 온도에서 용융이 일어나는 이유는 나노 크기의 제2 금속의 입자로부터 기인하는 것으로 예상되며, 이는 깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 효과에 의해 설명되어질 수 있다.
깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 효과로부터 결정입자의 크기가 작아질수록 표면 원자의 불완전성이 커지면서 원소의 융점보다도 낮은 온도에서도 원자 결합을 끊고 자유로워질 수 있기 때문에 금속의 녹는점이 낮아지며, 입자 크기에 따른 용융 온도의 감소는 아래의 깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 식으로부터 계산될 수 있다.
Figure 112019048856544-pat00007
Figure 112019048856544-pat00008
은 입자의 융점,
Figure 112019048856544-pat00009
는 벌크 금속의 융점,
Figure 112019048856544-pat00010
는 입자의 직경,
Figure 112019048856544-pat00011
는 벌크 금속의 고상의 밀도,
Figure 112019048856544-pat00012
은 고상-액상의 계면에너지,
Figure 112019048856544-pat00013
벌크 금속 용융 엔탈피를 의미한다.
본 발명에 따른 박막체는 주석 베이스에 나노 크기의 제2 금속의 입자가 특정 비율로 포함되도록 전해도금된 박막체로서, 비교적 낮은 온도(200~250℃)에서의 제1회 가열을 통해 용융이 일어나고, 냉각(접합)된 이후 제2회, 제3회 등 이후의 가열에서는 높은 온도에서만 용융이 일어나는 특성을 갖기 때문에 전력전환모듈 등 반도체 부품의 접합에 우수하게 이용될 수 있다.
더욱 구체적으로 본 발명에 따른 박막체를 접합 대상 부품 사이에 위치시킨 후 낮은 온도에서 제1회 가열하여 접합시키는 경우에도 용융이 일어나기 때문에 저온 접합이 가능하고, 접합 대상 부품과 박막체가 접촉하는 면에서 금속간 화합물(Intermetallic compound)를 형성하여 우수한 접합력을 제공할 수 있다.
접합 대상 부품을 접합시킨 이후에 높은 온도에서 제2회, 제3회 가열되더라도 용융이 일어나지 않기 때문에 박리되는 현상을 줄일 수 있다.
실시예 및 비교예
저온 가열 (℃) 제 1가압 (중량배수) 제1 유지 (Sec) 제2 가압 (MPa) 제2 유지 (Sec)
실시예 1 250 1배 31 5 31
실시예 2 200 2배 31 5 31
실시예 3 250 3배 31 5 31
실시예 4 250 2배 91 0.1 91
실시예 5 200 2배 91 5 91
실시예 6 250 2배 91 10 91
실시예 7 200 2배 91 0.1 91
비교예 1 250 3.5배 31 0.1 31
비교예 2 250 - - 5 31
비교예 3 250 1배 45 10 31
비교예 4 200 2배 100 0.1 91
비교예 5 250 3배 31 - 31
비교예 6 200 1배 31 12 31
비교예 7 250 2배 31 10 -
비교예 8 250 3배 31 8 50
(1) 실시예 1 내지 7
구리(Cu) 기판 위에 Sn의 함량이 높은 제1 금속층과 제1 금속층의 Sn 함량보다는 Sn 함량이 낮고 제2 금속으로 선정한 Cu를 포함하는 제2 금속층이 반복적층된 50μm 두께 및 1.7cm2 내지 5.1cm2 면적의 박막체를 형성시킨 후, 상기 박막체 위 면적 1cm2, 하중 0.9g 실리콘 칩(실시예 1 내지 3) 또는 면적 3cm2, 하중 2.7g 의 실리콘 칩(실시예 4 내지 7)을 위치시켰다. 상기 실리콘 칩의 자중 1배 내지 3배의 압력을 가한 후 250℃로 가열하고 피크온도에서 31 내지 91초간 유지하였다. 이 후 0.1MPa 내지 10MPa로 가압하고 31초간 유지한 후 냉각시키고 하중을 제거하여 접합된 구리 기판을 얻었다.
상기 실시예에 따라 접합된 단면의 SEM 이미지를 도 2에 나타내었다. 제1 가압단계 및 제2 가압단계를 모두 적용한 경우 도 2에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간 화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었다. 또한 이후 단계에서, 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 융점이 높은 금속간화합물로만 존재하게 되므로 내열성을 확보할 수 있게 된다. 즉, 재가열 시 저온으로 가열한 경우 접합부가 용융되지 않기 때문에 접합력을 유지하게 된다.
(2) 비교예 1 내지 8
구리(Cu) 기판 위에 Sn의 함량이 높은 제1 금속층과 제1 금속층의 Sn 함량보다는 Sn 함량이 낮고 제2 금속으로 선정한 Cu를 포함하는 제2 금속층이 반복적층된 50μm 두께 및 1.7cm2 내지 5.1cm2 면적의 박막체를 형성시킨 후, 상기 박막체 위 면적 1cm2, 하중 0.9g 의 실리콘 칩(비교예 1 내지 4, 7 내지 9) 또는 면적 3cm2, 하중 2.7g 의 실리콘 칩(비교예 5)을 위치시켰다. 상기 실리콘 칩의 자중 1배 내지 3배의 압력을 가한 후, 250℃로 가열하고 피크온도에서 유지시간이 없거나, 31 내지 100초간 유지하였다. 이 후 2차 가압이 없거나 0.1MPa 내지 12MPa로 가압하고 31초 내지 100초 간 유지한 후 냉각시키고 하중을 제거하여 접합된 구리 기판을 얻었다.
접합된 단면의 SEM 이미지를 도 3에 나타내었다.
제1 가압단계에서 본 발명에서 제시한 압력을 초과하는 경우(비교예 1), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 용융금속의 부족으로 플럭스 기화 및 표면 불균일로 인해 접합부 내부에 기공이 발생하여 갇히게 된 것을 확인할 수 있다.
제1 가압단계를 적용하지 않고 제2 가압단계만 적용한 경우(비교예 2), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 용융금속의 부족으로 플럭스 기화 및 표면 불균일로 인해 접합부 내부에 기공이 발생하여 갇히게 된 것을 확인할 수 있다.
제1 가압단계에서 본 발명에서 제시한 유지시간을 초과하는 경우(비교예 3), 도 3에 나타난 것과 같이 접합부의 내부 합금화가 균일하게 일어나지 않고 굴곡이 발생하게 되며, 이로인해 접합 후 접합부 내부에 작은 기공이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
비교예3 과 마찬가지로 제1 가압단계에서 본 발명에서 제시한 유지시간을 초과하는 경우(비교예 4), 도 3에 나타난 것과 같이 접합부의 내부 합금화가 균일하게 일어나지 않고 굴곡이 발생하게 되며, 이로인해 접합 후 접합부 내부에 작은 기공이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
제2 가압단계를 적용하지 않고 제1 가압단계만 적용한 경우(비교예 5), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었지만 접합 종료 후 내부 용융금속으로 존재하는 Sn Rich부는 재가열시 용융되므로 내열성을 가지지 못하는 문제점이 있다. 즉, 재가열 시 저온으로 가열하더라도 접합부가 용융되어 접합력을 잃게 된다.
제2 가압단계에서 본 발명에서 제시한 압력을 초과하는 경우(비교예 6), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간 화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었다. 또한, 이후 단계에서, 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 융점이 높은 금속간화합물로만 존재하지만 과도한 압력에 의해 기판이 변형되고 파괴되었음을 알 수 있다.
비교예 5와 마찬가지로, 제2 가압단계를 적용하지 않고 제1 가압단계만 적용한 경우(비교예 7), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었지만 접합 종료 후 내부 용융금속으로 존재하는 Sn Rich부는 재가열시 용융되므로 내열성을 가지지 못하는 문제점이 있다. 즉, 재가열 시 저온으로 가열하더라도 접합부가 용융되어 접합력을 잃게 된다.
제2 가압단계에서 본 발명에서 제시한 유지시간을 초과하는 경우(비교예 8), 도 3에 나타난 것과 같이 접합부의 내부 합금화가 과도하게 진행되게 되고, 안정하며 부피가 작은 Cu3Sn상이 형성되게 된다. 이로인해 접합 후 접합부 내부에 작은 기공이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예 및 비교예에 의해 본 발명의 저온 접합방법은 내부 용융된 금속이 금속간 화합물로 반응하는 자중 내지 자중 세배의 제1 가압단계; 및 잔여 용융금속을 제거하는 0.1 내지 10MPa 제2 가압단계;를 통해 양호한 접합면을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 금속과 제2 금속을 포함하는 적어도 2종 이상의 금속이 전해도금된 박막체를 이용한 부품의 접합방법으로서,
    상기 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계;
    상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계;
    상기 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계;
    하기 화학식 1에 의해 계산되는 제1 유지시간(S1) ± 5 초 동안 상기 온도 및 상기 압력을 유지하는 제1 유지단계; 및
    0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계;를 포함하는 저온 접합방법.
    [화학식 1]
    Figure 112019048856544-pat00019

    (이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합부의 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]이고, Q는 총가열량[J]으로서 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 접합부 박막체의 중량(W)은 접합재 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저온 가열단계는 상기 제1 압력이 가해진 상태에서 가열되는 단계인 저온 접합방법.
  3. 삭제
  4. 제1 금속과 제2 금속을 포함하는 적어도 2종 이상의 금속이 전해도금된 박막체를 이용한 부품의 접합방법으로서,
    상기 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계;
    상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계;
    상기 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계;
    0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계;및
    상기 제2 가압단계 이후에 하기 화학식 3에 의해 계산되는 제2 유지시간(S2) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제2 유지단계;를 포함하는 저온 접합방법.
    [화학식 3]
    Figure 112019048856544-pat00020

    (이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합부 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저온 가열단계 이후, 상기 제2 가압단계 이전에 하기 화학식 1에 의해 계산되는 제1 유지시간(S1) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제1 유지단계를 더 포함하는 저온 접합방법.
    [화학식 1]
    Figure 112019061185207-pat00021

    (이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합부의 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]이고, Q는 총가열량[J]으로서 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 접합부 박막체의 중량(W)은 접합재 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 유지단계 이후에 압력을 유지하면서 냉각시키는 냉각단계를 더 포함하는 저온 접합방법.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 가압단계 이전에 접합면을 내산화 처리하는 전처리단계를 더 포함하는 저온 접합방법.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 박막체는 상기 제1 금속의 함량이 높은 제1층과, 상기 제1층보다 상기 제1 금속의 함량이 낮은 제2층을 포함하는 박막체인 저온 접합방법.
  9. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 박막체는,
    제1회 가열 시에는 상기 금속 중 녹는점이 낮은 금속의 녹는점(Tms)에서 용융이 일어나고,
    냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 상기 금속들의 합금의 용융점(Tma)에서 용융이 일어나는 박막체인 저온 접합방법.
  10. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 금속은 Sn 및 Sn 합금을 포함하고,
    상기 제2 금속은 Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종의 금속 또는 금속들의 합금을 포함하는 저온 접합방법.

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