KR102148297B1 - Method for hybrid transient liquid phase sintering bonding for dissimilar material bonding - Google Patents

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정승부
민경득
정광호
이충재
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박범근
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a transition liquid phase sintering-bonding method for bonding between dissimilar metal materials. An object of the present invention is to suppress formation of a layered structure of an intermetallic compound in a joint unit, which is a problem mentioned in the prior art, and to increase joint strength by forming an intermetallic compound composition having a uniform composition. Another object of the present invention is to increase bonding reliability by suppressing changes in the intermetallic compound due to substitution of metal atoms during a long-term reliability test. According to the present invention, powder of a dissimilar metal base material or powder of alloy is used by using a transition liquid phase sintering-bonding method in bonding between dissimilar materials other than the same material. Therefore, bonding strength of the bonding between the dissimilar metal materials can be improved and long-term reliability can be ensured. The transition liquid phase sintering-bonding method for bonding between the dissimilar metal materials includes the following steps of: preparing two different base metals; manufacturing a paste; and performing a bonding process.

Description

이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법 {Method for hybrid transient liquid phase sintering bonding for dissimilar material bonding}{Method for hybrid transient liquid phase sintering bonding for dissimilar material bonding}

본 발명은 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a transition liquid phase sintering method for bonding between dissimilar metal materials.

이러한 방법에 의해 제작된 이종 재료 간의 접합부의 전단 강도는 기존 기술대비 매우 높음을 확인하였다.It was confirmed that the shear strength of the joint between dissimilar materials produced by this method was very high compared to the existing technology.

최근 전기자동차의 높은 항복전압, 전류 특성, 그리고 고온동작에서도 동작이 가능한 반도체 소자의 필요성이 대두됨에 따라 기존 Si 칩 대비 넓은 밴드갭을 가지는 SiC 나 GaN 소자가 각광받고 있다. 하지만 전기자동차 구동 시 SiC 칩의 온도가 300도 가까이 높아지기 때문에 SiC 칩을 기판에 접합할 수 있는 고 내열 접합기술이 필요하다. 따라서 고온에서 접합신뢰성을 얻기 위해서는 높은 재용융점을 갖는 접합기술을 필요로 하고, 또한 산업에서 공정간소화와 비용절감을 위해서는 저온, 짧은 시간, 그리고 낮은 가압공정의 접합이 유리하다. 접합소재로 가장 널리 쓰이는 SAC305 솔더의 경우 융점이 217℃이므로 높은 사용온도 환경에는 활용되기 어렵다. 또한 고온솔더 Au80Sn20(융점 278℃) 경우 특성이 우수하지만, 가격이 매우 높아 실제 산업에 적용하기 어려운 실정이다. 따라서 높은 재용융 온도를 얻기 위해 소결접합, 천이액상접합 등이 연구되고 있다. Recently, as the need for semiconductor devices capable of operating at high breakdown voltage, current characteristics, and high-temperature operation of electric vehicles has emerged, SiC or GaN devices having a wider band gap compared to conventional Si chips are in the spotlight. However, when driving an electric vehicle, the temperature of the SiC chip rises close to 300 degrees, so a high heat-resistant bonding technology that can bond the SiC chip to the substrate is required. Therefore, in order to obtain bonding reliability at high temperature, a bonding technology having a high remelting point is required, and in order to simplify the process and reduce cost in the industry, bonding at a low temperature, a short time, and a low pressure process is advantageous. SAC305 solder, which is most widely used as a bonding material, has a melting point of 217°C, so it is difficult to be used in a high operating temperature environment. In addition, the high-temperature solder Au80Sn20 (melting point 278℃) has excellent characteristics, but the price is very high, so it is difficult to apply it to the actual industry. Therefore, in order to obtain a high remelting temperature, sintering bonding and transition liquid phase bonding are being studied.

하지만 소결접합에 주로 사용되는 Ag 경우 가격경쟁력이 떨어지고, 천이액상접합(TLP 접합)은 도 1과 같이 확산소스가 모재에만 존재하기 때문에 공정시간이 길고 접합 시 압력이 필요한 점이 단점이다. However, Ag, which is mainly used for sinter bonding, has a low price competitiveness, and transition liquid phase bonding (TLP bonding) has a disadvantage in that the process time is long and pressure is required during bonding because the diffusion source exists only in the base material as shown in FIG.

최근 연구되고 있는 천이액상소결접합 방법은 동종재료 접합을 위한 방법으로써, 고융점 금속(ex. Cu, Ag, Ni)과 저융점 금속(ex. Sn, In)을 첨가하여 접합한다. 실제 산업에서는 동종재료의 접합은 물론 이종재료의 접합 기술이 절실한 상황이다. 하지만 이종재료접합을 위한 천이액상소결 방법의 연구 및 기술이 전무한 상황이고, A-B bonding (이종재료접합) 시, 기존의 천이액상소결 방법으로 A 또는 B와 저융점 금속을 첨가하면 접합부 내에 금속간 화합물의 층상구조가 형성되어 접합강도에 좋지 않은 영향을 미치고 장기신뢰성 시험 시 금속간화합물의 A와 B가 치환되면서 Kirkendall void가 생성되어 접합신뢰성이 낮아진다.The transitional liquid phase sintering bonding method, which has been recently studied, is a method for bonding of the same material, and is joined by adding a high melting point metal (ex. Cu, Ag, Ni) and a low melting point metal (ex. Sn, In). In the actual industry, there is an urgent need for bonding technology of different materials as well as bonding of the same material. However, there is no research and technology on the transition liquid phase sintering method for dissimilar material bonding, and in AB bonding (different material bonding), if A or B and a low melting point metal are added by the conventional transition liquid phase sintering method, intermetallic compounds in the joint The layered structure of is formed, which adversely affects the bonding strength, and during a long-term reliability test, A and B of intermetallic compounds are replaced, creating Kirkendall voids, resulting in lower bonding reliability.

기존의 천이액상소결방법은 도 2과 같이 Cu to Ni 접합에 고융점 물질인 Cu 또는 Ni과 저융점 물질인 Sn을 혼합하여 접합하면 금속간화합물에서 층상구조가 형성된다. 이러한 층상구조는 Crack initiation 및 propagation의 근원이 되기 때문에 접합부로서 적합하지 않다. 또한 고온방치, 열충격 같은 실제 구동상황에서의 경우 금속간화합물간의 Ni과 Cu의 상호치환으로 인해 1) Kirkendall void 형성과 2) 층상구조의 금속간화합물층의 열팽창계수 차이에 의해 신뢰성이 낮아진다. In the conventional transition liquid phase sintering method, as shown in FIG. 2, a layered structure is formed in an intermetallic compound when Cu or Ni, which is a high melting point material, and Sn, which is a low melting point material, are mixed together to form a Cu to Ni junction. This layered structure is not suitable as a junction because it becomes the source of crack initiation and propagation. In addition, in the case of actual driving conditions such as high temperature storage and thermal shock, reliability is lowered by 1) Kirkendall void formation and 2) the difference in thermal expansion coefficient of the layered intermetallic compound layer due to the mutual substitution of Ni and Cu between intermetallic compounds.

본 발명은 종래 기술에서 언급한 문제점인 접합부내 금속간 화합물의 층상구조 형성을 억제하고 균일한 조성의 금속간화합물 조성을 형성시켜 접합강도를 높이고, 장기신뢰성 시험 시 금속원자가 치환되어 금속간화합물이 변하는 것을 억제하여 접합신뢰성을 높이고자 함이다. The present invention suppresses the formation of a layered structure of intermetallic compounds in the joint, which is a problem mentioned in the prior art, and increases the bonding strength by forming an intermetallic compound composition of a uniform composition, and the intermetallic compound changes due to substitution of metal atoms during a long-term reliability test. It is intended to increase the reliability of the junction by suppressing it.

특히, 본 발명은 동종 재료가 아닌 이종 재료 간의 접합에서 천이액상소결접합 방법을 이용함으로써, 이종재료 접합의 접합력을 향상시키고, 장기 신뢰성을 확보함을 목적으로 한다.In particular, an object of the present invention is to improve the bonding strength of the bonding of dissimilar materials and to secure long-term reliability by using the transition liquid phase sintering bonding method in bonding between dissimilar materials other than the same material.

본 발명의 일 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법은, 서로 상이한 2가지의 모재 금속을 준비하는 단계; 상기 2가지 모재 금속의 각각의 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; 및 상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행하는 단계를 포함한다.Transient liquid phase sintering bonding method for bonding between dissimilar metal materials according to an embodiment of the present invention includes: preparing two different base metals; Preparing a paste by mixing each powder of the two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent; And performing a bonding process at a temperature between the melting point of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder.

상기 모재 금속은, Cu, Ni, Cu 합금, Ni 합금, Cu-Ni 합금, Ni이 도금된 Cu 중 어느 하나 이상이 이용된다.The base metal is any one or more of Cu, Ni, Cu alloy, Ni alloy, Cu-Ni alloy, and Ni plated Cu.

상기 모재 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다.It is preferable that the size of the base metal powder is 1 to 10 μm.

상기 저융점 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다.It is preferable that the size of the low melting point metal powder is 1 to 10 μm.

상기 유기 용매는 플럭스(flux) 또는 분산제와 용매가 이용된다.The organic solvent is a flux or dispersant and a solvent.

상기 저융점 금속 분말은 Sn, In 중 어느 하나 이상이 이용된다.Any one or more of Sn and In is used as the low melting point metal powder.

본 발명의 추가적인 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법은, 서로 상이한 2가지의 모재 금속을 준비하는 단계; 상기 2가지 모재 금속의 합금 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; 상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행하는 단계를 포함한다.Transition liquid phase sintering bonding method for bonding between dissimilar metal materials according to a further embodiment of the present invention comprises the steps of preparing two different base metals; Preparing a paste by mixing an alloy powder of the two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent; And performing a bonding process at a temperature between the melting point of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder.

상기 모재 금속은, Cu, Ni, Cu 합금, Ni 합금, Cu-Ni 합금, Ni이 도금된 Cu 중 어느 하나 이상이 이용된다.The base metal is any one or more of Cu, Ni, Cu alloy, Ni alloy, Cu-Ni alloy, and Ni plated Cu.

상기 모재 금속의 합금 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다.It is preferable that the size of the alloy powder of the base metal is 1 to 10 μm.

상기 저융점 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다.It is preferable that the size of the low melting point metal powder is 1 to 10 μm.

상기 유기 용매는 플럭스(flux) 또는 분산제와 용매가 이용된다.The organic solvent is a flux or dispersant and a solvent.

상기 저융점 금속 분말은 Sn, In 중 어느 하나 이상이 이용된다.Any one or more of Sn and In is used as the low melting point metal powder.

본 발명에 따르면, 접합부의 접합강도는 기존의 기술에 비해 3배 가량 높아지고 고온방치나 열충격과 같은 신뢰성 시험에서도 전체적으로 균일한 금속간화합물을 형성하고 있기 때문에 치환을 통한 1) Kirkendall void의 형성이 비교적 적게 형성되고 2) 층상구조의 금속간화합물층이 접합부 내부에 없기 때문에 접합부의 신뢰성이 우수하다.According to the present invention, since the joint strength of the joint is three times higher than that of the existing technology, and the uniform intermetallic compound is formed as a whole even in reliability tests such as high temperature storage or thermal shock, 1) Kirkendall void formation through substitution is relatively It is formed less and 2) the reliability of the junction is excellent because there is no intermetallic compound layer of the layered structure inside the junction.

도 1은 종래 기술에 따른 천이액상접합 방법의 모식도를 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른 천이액상소결접합 방법의 모식도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법의 순서도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 추가적인 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법의 모식도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예의 Case 1에 따른 접합부 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예의 Case 2에 따른 접합부 SEM 사진이다.
도 8은 Case 1 및 Case 2의 각각의 접합 방법별 접합 강도의 결과를 나타낸다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
1 shows a schematic diagram of a transition liquid phase bonding method according to the prior art.
Figure 2 shows a schematic diagram of a transition liquid phase sintering bonding method according to the prior art.
3 is a flow chart of a transition liquid phase sintering method for bonding between dissimilar metal materials according to an embodiment of the present invention.
4 shows a flow chart of a transition liquid phase sintering method for bonding between dissimilar metal materials according to a further embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram of a transition liquid phase sintering bonding method for bonding between dissimilar metal materials according to an embodiment and an additional embodiment of the present invention.
6 is an SEM photograph of a junction part according to Case 1 of an embodiment of the present invention.
7 is a SEM photograph of the junction according to Case 2 of the embodiment of the present invention.
8 shows the results of the bonding strength for each bonding method in Case 1 and Case 2.
Various embodiments are now described with reference to the drawings, in which like reference numbers are used to indicate like elements throughout the drawings. In this specification for purposes of explanation, various descriptions are presented to provide an understanding of the invention. However, it is clear that these embodiments may be implemented without this specific description. In other instances, well-known structures and devices are presented in block diagram form to facilitate description of the embodiments.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present invention, various modifications may be made and various forms may be applied, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form of disclosure, it is to be understood as including all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features or steps. It is to be understood that it does not preclude the possibility of addition or presence of, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명에서 천이액상소결 접합은 소결접합과 천이액상접합을 융합한 접합 방법이며, 고융점 물질과 저융점 물질이 혼합된 소재를 사용한다. 접합공정은 고융점 물질과 저융점 물질의 융점 사이의 온도에서 실시하여, 저융점 물질의 용융 이후 고융점 물질로의 젖음, 고융점 물질과 저융점 물질과의 금속간화합물 형성이 진행될 수 있게 한다. 동시에, 고융점 물질 간에도 소결반응이 일어남으로써, 상대적으로 낮은 온도 및 짧은 시간에서도 높은 접합력 및 고온신뢰성을 지닌 접합물을 얻을 수 있다. In the present invention, the transition liquid phase sintering bonding is a bonding method in which sintered bonding and transition liquid phase bonding are fused, and a material in which a high melting point material and a low melting point material are mixed is used. The bonding process is carried out at a temperature between the melting point of the high-melting-point material and the low-melting-point material, so that after melting of the low-melting-point material, wetting into the high-melting-point material and formation of intermetallic compounds between the high-melting-point material and the low-melting-point material can proceed. . At the same time, since the sintering reaction occurs between the high melting point materials, a bonded product having high bonding strength and high temperature reliability can be obtained even at a relatively low temperature and a short time.

본 발명은 접합소재를 1) 이종재료 접합의 그 이종재료 모재의 금속 성분들(Case 1: 모재의 금속분말들 또는 Case 2: 모재 금속의 합금)로 한정하여 이 금속들과 2) 저융점 금속과 3) 유기용매를 혼합하여 접합하는 것을 기초로 한다. 예를 들어 Cu와 Ni을 접합시키는 경우에는 1) 고융점 물질인 Cu, Ni 이종재료분말이나 Cu-Ni 합금과 2) 저융점 물질인 Sn과 3) 유기용매를 혼합해 접합을 실시할 수 있다. 이하에서는 먼저 Case 1로서 모재 금속의 각각의 분말을 이용하는 경우를 설명하고, 이후 Case 2로서 모재 금속의 합금을 이용하는 경우를 설명하도록 하겠다.In the present invention, the bonding material is limited to 1) the metal components of the base material of the dissimilar material (Case 1: metal powders of the base material or Case 2: alloy of the base metal) for bonding of dissimilar materials, and 2) low melting point metals And 3) It is based on mixing and bonding an organic solvent. For example, in the case of bonding Cu and Ni, 1) a high melting point material such as Cu and Ni dissimilar material powder or a Cu-Ni alloy and 2) a low melting point material such as Sn and 3) an organic solvent may be mixed to perform bonding. . Hereinafter, a case where each powder of the base metal is used as Case 1 will be described, and then, a case where an alloy of the base metal is used as Case 2 will be described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법의 순서도를 도시한다.3 is a flow chart of a transition liquid phase sintering method for bonding between dissimilar metal materials according to an embodiment of the present invention.

도 3에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법은, 서로 상이한 2가지의 모재 금속을 준비하는 단계(S 310); 상기 2가지 모재 금속의 각각의 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계(S 320); 및 상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행하는 단계(S 330)를 포함한다.The transition liquid phase sintering bonding method for bonding between dissimilar metal materials according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 3 includes the steps of preparing two different base metals (S 310); Preparing a paste by mixing each powder of the two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent (S320); And performing a bonding process at a temperature between the melting point of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder (S330).

S 310 단계에서는 이종 접합을 하고자 하는 서로 상이한 2가지 모재 금속을 준비한다. 모재 금속은 일반적으로 Cu, Ni, Cu 합금, Ni 합금, Cu-Ni 합금 중 어느 하나 또는 그 이상이 이용된다. 즉, 이러한 금속 및 합금들 간의 이종 접합을 본 발명에서 이루게 된다.In step S310, two base metals that are different from each other to be bonded are prepared. The base metal is generally any one or more of Cu, Ni, Cu alloy, Ni alloy, and Cu-Ni alloy. That is, heterojunction between these metals and alloys is achieved in the present invention.

S 320 단계에서는 2가지 모재 금속의 각각의 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조한다.In step S320, each powder of two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent are mixed to prepare a paste.

이용되는 모재 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다. 1μm이하에서는 분말금속의 표면적 증가에 따라 점도조절을 위해서는 유기용매의 과도한 첨가가 요구되어, 접합부의 보이드(Void)가 많이 형성되는 문제점이 있으며, 10μm이상에서는 금속 분말 크기가 크기 때문에 고융점 금속분말이 저융점 금속분말과 반응을 해서 전체적으로 금속간화합물이 되는데 접합시간이 긴 문제점이 있다. It is preferable that the size of the base metal powder used is 1 to 10 μm. Below 1μm, excessive addition of an organic solvent is required to adjust the viscosity according to the increase in the surface area of the powdered metal, and there is a problem that a lot of voids are formed at the junction.At 10μm or more, the metal powder size is large. It reacts with this low melting point metal powder to become an intermetallic compound as a whole, but there is a problem with a long bonding time.

저융점 금속 분말은 모재 금속보다 융점이 낮은 금속 분말을 의미하며, Sn, In 중 어느 하나 이상이 이용되는 것이 바람직하다. 이용되는 저융점 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다. 이는 모재 금속 분말의 크기와 비슷한 크기의 금속 분말이 섞여야 혼합시 분산성이 좋기 때문이다.The low melting point metal powder refers to a metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and it is preferable that at least one of Sn and In is used. It is preferable that the size of the low melting point metal powder used is 1 to 10 μm. This is because metal powders of a size similar to the size of the base metal powder must be mixed for good dispersibility when mixing.

유기 용매로는 플럭스가 이용될 수 있다. 또한, 유기 용매로는 분산제와 용매가 이용될 수도 있다. 이러한 플럭스 또는 분산제와 용매는 금속 분말의 산화 방지 및 프린팅을 위해 페이스트를 제조할 때 혼합된다. Flux may be used as the organic solvent. In addition, a dispersant and a solvent may be used as the organic solvent. These fluxes or dispersants and solvents are mixed when preparing a paste for printing and preventing oxidation of the metal powder.

분산제로는 PVP 등의 분산제가 이용될 수 있고, 용매로는 물, 알콜계, 에틸렌글리콜계 등이 이용될 수 있다.As the dispersant, a dispersant such as PVP may be used, and as a solvent, water, alcohol, ethylene glycol, or the like may be used.

유기 용매로 플럭스를 사용하는 경우에는 접합 공정을 수행한 이후 잔존 플럭스를 제거하기 위해 디플럭스(de-flux) 공정을 실시할 수 있다.When a flux is used as an organic solvent, a de-flux process may be performed to remove residual flux after performing the bonding process.

S 330 단계에서는 상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행한다. 접합조건의 범위는 저융점 분말이 녹아야하기에 Sn의 녹는점 232℃ 이상, 300℃ 이상에서는 실제 산업에서 적용 시 전자제품에 큰 무리를 주므로 저융점 분말로서 Sn을 이용하는 경우에는 232℃ ~ 300℃ 가 바람직하다. 접합 공정의 시간은 1~60분 정도 이루어지며, 압력은 무가압 (0 MPa) 내지 1 MPa정도를 유지한다.In step S330, a bonding process is performed at a temperature between the melting point of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder. The range of bonding conditions is that the melting point of Sn is above 232℃ and above 300℃ because the low melting point powder must be melted, so when it is applied in the actual industry, it is 232℃ ~ 300 when using Sn as a low melting point powder. °C is preferred. The bonding process takes about 1 to 60 minutes, and the pressure is maintained at about 1 MPa to 0 MPa.

지금까지 모재 금속의 각각의 분말을 이용하여 이종 재료 간의 접합을 하는 경우(Case 1)에 대해 설명하였으며, 이하에서는 Case 2로서 모재 금속의 합금 분말을 이용하여 이종 재료 간의 접합을 하는 경우에 대해 설명하도록 하겠다. 위에서 설명한 부분과 반복되는 부분에 대해서는 중복 설명을 생략하도록 하겠다.So far, the case of bonding between dissimilar materials using each powder of the base metal (Case 1) has been described, and the following describes the case of bonding between dissimilar materials using the alloy powder of the base metal as Case 2 below. I will do it. Redundant descriptions of the parts described above and those that are repeated will be omitted.

도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법의 순서도를 도시한다.4 shows a flow chart of a transition liquid phase sintering method for bonding between dissimilar metal materials according to a further embodiment of the present invention.

도 4에 따른 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법은, 서로 상이한 2가지의 모재 금속을 준비하는 단계(S 410); 상기 2가지 모재 금속의 합금 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계(S 420); 및 상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행하는 단계(S 430)를 포함한다.The transition liquid phase sintering bonding method for bonding between dissimilar metal materials according to an additional embodiment of the present invention according to FIG. 4 includes the steps of preparing two different base metals (S410); Preparing a paste by mixing an alloy powder of the two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent (S420); And performing a bonding process at a temperature between the melting point of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder (S430).

S 410 단계에서는 서로 상이한 2가지 모재 금속을 준비한다. 모재 금속은, Cu, Ni, Cu 합금, Ni 합금, Cu-Ni 합금 중 어느 하나 이상이 이용될 수 있다. 또한, Ni이 도금된 Cu가 이용될 수도 있다.In step S410, two different base metals are prepared. As the base metal, any one or more of Cu, Ni, Cu alloy, Ni alloy, and Cu-Ni alloy may be used. In addition, Cu plated with Ni may be used.

S 420 단계에서는 상기 2가지 모재 금속의 합금 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조한다. 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법에서는 도 3의 실시예와 달리 모재 금속의 합금 분말을 이용한다. In step S420, an alloy powder of the two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent are mixed to prepare a paste. In the transition liquid phase sintering bonding method for bonding between dissimilar metal materials according to an additional embodiment of the present invention, unlike the embodiment of FIG. 3, an alloy powder of the base metal is used.

모재 금속의 합금 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다. It is preferable that the size of the alloy powder of the base metal is 1 to 10 μm.

저융점 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm인 것이 바람직하다. 저융점 금속 분말은 Sn, In 중 어느 하나 이상이 이용된다.It is preferable that the size of the low melting point metal powder is 1 to 10 μm. Any one or more of Sn and In is used as the low melting point metal powder.

유기 용매는 플럭스(flux) 또는 분산제와 용매가 이용된다.As the organic solvent, a flux or a dispersant and a solvent are used.

S 430 단계에서는 상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행한다. In step S430, a bonding process is performed at a temperature between the melting point of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder.

도 3 및 도 4의 실시예에 따라 제작된 본 발명의 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법을 이용해 제작된, 이종 금속 재료 간의 접합부는, 기존 방법에 의해 제작된 접합부에 비해 전단 강도가 크게 증가한다.The junction between dissimilar metal materials, produced using the transition liquid phase sintering bonding method for bonding between dissimilar metal materials of the present invention produced according to the embodiment of FIGS. 3 and 4, has a shear strength compared to the joint produced by the conventional method. Increases significantly.

본 발명의 방법에 따를 경우, 접합부는 비교적 전체적으로 균일한 금속간화합물을 가지고 있기 때문에 접합부 내의 층상구조가 아닌 균일한 접합부를 이루게 된다. 따라서 접합부의 접합강도는 기존의 기술에 비해 3배 가량 높아지고 고온방치나 열충격과 같은 신뢰성 시험에서도 전체적으로 균일한 금속간화합물을 형성하고 있기 때문에 치환을 통한 1) Kirkendall void의 형성이 비교적 적게 형성되고 2) 층상구조의 금속간화합물층이 접합부 내부에 없기 때문에 접합부의 신뢰성이 우수하다. 이 부분에 대해서는 실시예에서 추가적으로 설명하도록 하겠다.According to the method of the present invention, since the joint has a relatively uniform intermetallic compound as a whole, a uniform joint is formed rather than a layered structure within the joint. Therefore, the bonding strength of the joint is increased by about 3 times compared to the existing technology, and since it forms a uniform intermetallic compound overall even in reliability tests such as high temperature storage or thermal shock, 1) Kirkendall void formation through substitution is relatively small and 2 ) Since the intermetallic compound layer of the layered structure is not inside the joint, the reliability of the joint is excellent. This part will be further described in the embodiment.

실시예에서도 Case 1(이종 금속의 각각의 분말을 이용하는 경우) 및 Case 2(이종 금속의 합금 분말을 이용하는 경우)로 나누어 설명한다.In the examples, description will be made by dividing into Case 1 (when each powder of different metals is used) and Case 2 (when using an alloy powder of different metals).

Case 1. Ni (9 wt%), Cu (9 wt%), Sn (72 wt%), Flux (10 wt%) 및 Case 2. Cu-Ni 합금분말 (18 wt%), Sn (72 wt%), Flux (10 wt%) 비율로 페이스트를 제조하였다. Case 1.Ni (9 wt%), Cu (9 wt%), Sn (72 wt%), Flux (10 wt%) and Case 2. Cu-Ni alloy powder (18 wt%), Sn (72 wt%) ), Flux (10 wt%) to prepare a paste.

이때, Flux를 대체하여 첨가제(PVP 등의 분산제)와 용매(물, 알콜계, 에틸렌글리콜계 등)를 사용할 수 있다. 접합공정의 온도는 Sn의 녹는점인 232℃ 이상, 접합공정 중 과도한 열손상을 방지하기 위해 300℃ 이하가 바람직하다. In this case, an additive (a dispersant such as PVP) and a solvent (water, alcohol, ethylene glycol, etc.) can be used in place of Flux. The temperature of the bonding process is preferably 232°C or more, which is the melting point of Sn, and 300°C or less to prevent excessive thermal damage during the bonding process.

본 실험에서는 250℃ 온도에서 60분 동안 매우 낮은 가압조건인 0.016 MPa 가압조건으로 접합하였다. 접합공정 중, Ni과 Cu는 Sn과 반응하여 (Cu,Ni)-Sn 금속간화합물을 형성한다. 따라서 Sn(녹는점: 232도)이 전부 (Cu,Ni)-Sn 금속간화합물로 변하여 접합공정 후 접합부의 최소 재용융온도는 415℃가 된다. 접합소재에 Ni과 Cu 그리고 Sn이 함께 섞여 있어서 접합 후 접합부의 전체적인 금속간화합물의 성분은 (Cu,Ni)-Sn이 되기 때문에 접합부 내부의 층상구조는 비교적 형성되지 않고 전체적으로 균일한 금속간화합물의 접합부를 형성한다. 따라서 Crack 전파에 취약한 부분이 없어졌기 때문에 결론적으로 높은 접합력을 얻을 수 있다. 또한, 접합부 내부의 금속간화합물에 Cu, Ni, Sn이 모두 포함이 되어 있기 때문에, 도 1 또는 도 2의 기존의 방법과는 달리 접합강도가 높고 대표적인 신뢰성 시험인 고온방치 시에도, 확산에 의한 kirkendall void가 형성되지 않고 안정한 접합부를 유지한다. 따라서 본 발명을 이용하면, 이종소재의 물질의 접합에 높은 접합강도 및 신뢰성을 얻을 수 있다. 이는, 전기 자동차의 파워모듈의 SiC나 GaN 소자 접합이나 고온에서 신뢰성을 요하는 MLCC 이종금속접합 등 고온에서 구동하는 모든 제품내의 이종재료접합에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.In this experiment, bonding was performed at a temperature of 250° C. for 60 minutes under a very low pressure condition of 0.016 MPa. During the bonding process, Ni and Cu react with Sn to form (Cu,Ni)-Sn intermetallic compounds. Therefore, all of Sn (melting point: 232 degrees) turns into (Cu,Ni)-Sn intermetallic compounds, and the minimum remelting temperature of the joint after the joining process becomes 415℃. Since Ni, Cu, and Sn are mixed in the bonding material, the entire intermetallic compound after bonding is (Cu,Ni)-Sn, so the layered structure inside the bonding is not relatively formed, and the overall intermetallic compound is uniform. Form the junction. Therefore, since the vulnerable part to crack propagation has disappeared, in conclusion, high bonding strength can be obtained. In addition, since the intermetallic compound inside the junction contains all of Cu, Ni, and Sn, unlike the conventional method of Fig. 1 or 2, the bonding strength is high, and even when left at high temperature, which is a typical reliability test, No kirkendall voids are formed and a stable joint is maintained. Therefore, using the present invention, it is possible to obtain high bonding strength and reliability for bonding materials of different materials. This is expected to be used for bonding of different materials in all products driven at high temperatures, such as SiC or GaN device bonding of electric vehicle power modules or MLCC dissimilar metal bonding requiring reliability at high temperatures.

도 6은 Case 1의 접합부 SEM 사진이다. 전체적으로 균일한 접합부를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 대한 원소의 분포는 EDS를 활용한 원소분석 결과, Ni, Cu, Sn이 접합부에 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다. 접합부의 원소분석 결과 조성은 (Cu,Ni)-Sn 금속간화합물로 구성되어 있다. 위의 Cu to Ni 접합부는 Ni, Cu, Sn 모두를 첨가한 페이스트를 통해 접합하였으므로 전체적으로 균일한 접합부의 조성을 얻을 수 있었다. 6 is a SEM photograph of the junction of Case 1. It can be seen that a uniform joint is formed as a whole. As for the distribution of the elements, as a result of elemental analysis using EDS, it can be confirmed that Ni, Cu, and Sn are uniformly distributed in the junction. As a result of elemental analysis of the junction, the composition is composed of (Cu,Ni)-Sn intermetallic compounds. Since the above Cu to Ni junction was bonded through a paste in which all of Ni, Cu, and Sn were added, a uniform composition of the junction could be obtained.

도 7은 Case 2의 접합부 SEM 사진이다. 전체적으로 균일한 접합부를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 대한 원소의 분포는 EDS를 활용한 원소분석 결과, Ni, Cu, Sn이 접합부에 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다. 접합부의 원소분석 결과 조성은 (Cu,Ni)-Sn 금속간화합물로 구성되어 있다. 위의 Cu to Ni 접합부는 Cu-Ni 합금분말, Sn 모두를 첨가한 페이스트를 통해 접합하였으므로 전체적으로 균일한 접합부의 조성을 얻을 수 있었다. 7 is a SEM photograph of the junction of Case 2. It can be seen that a uniform joint is formed as a whole. As for the distribution of the elements, as a result of elemental analysis using EDS, it can be confirmed that Ni, Cu, and Sn are uniformly distributed in the junction. As a result of elemental analysis of the junction, the composition is composed of (Cu,Ni)-Sn intermetallic compounds. Since the above Cu to Ni junction was bonded through a paste in which both Cu-Ni alloy powder and Sn were added, a uniform composition of the junction could be obtained.

도 8은 Case 1 및 Case 2의 각각의 접합 방법별 접합 강도의 결과를 나타낸다. 도 8에서 4가지 실험은 모두 Sn의 녹는점 (232℃) 이상인 250℃에서 60분 동안 0.016 MPa 가압조건으로 접합을 진행하였다. 기존의 천이액상(TLP) 접합방법으로 접합공정을 진행하였을 때, 2.8 MPa 정도의 전단강도가 나왔다. 기존의 천이액상(TLP) 접합방법은 보통 5 MPa이상의 가압과 함께 접합이 가능하고 아주 낮은 가압 (본 실험 경우: 0.016 MPa)에서는 본 실험에서와 같이 매우 낮은 접합강도(2.8 MPa)를 갖는다. 또한 최근 연구되고 있는 천이액상소결 (TLPS) 접합방법으로 접합하였을 때 전단강도는 5.4 MPa 이었다. 이와 달리 본 발명에서는 이종재료에 적합한 접합소재를 이용해 접합부의 균일한 조성 ((Cu,Ni)-Sn)을 얻을 수 있었고 따라서 전단강도는 15.6, 16.3 MPa 값으로 기존기술 대비 약 3배 높은 전단강도를 얻을 수 있었다.8 shows the results of the bonding strength for each bonding method in Case 1 and Case 2. In FIG. 8, all four experiments were performed under pressure conditions of 0.016 MPa for 60 minutes at 250° C., which is above the melting point of Sn (232° C.). When the bonding process was carried out with the conventional transition liquid phase (TLP) bonding method, a shear strength of about 2.8 MPa was obtained. Conventional transition liquid phase (TLP) bonding method can be bonded with a pressure of more than 5 MPa, and at very low pressure (in this case: 0.016 MPa), it has a very low bonding strength (2.8 MPa) as in this experiment. In addition, the shear strength was 5.4 MPa when it was joined using the transition liquid phase sintering (TLPS) joining method, which has been studied recently. In contrast, in the present invention, a uniform composition ((Cu,Ni)-Sn) of the joint was obtained by using a joint material suitable for dissimilar materials. Therefore, the shear strength is 15.6 and 16.3 MPa, which is about 3 times higher than the existing technology. Could get

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다. The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to use or implement the present invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those of ordinary skill in the art, and the general principles defined herein can be applied to other embodiments without departing from the scope of the present invention. Thus, the present invention is not to be limited to the embodiments presented herein, but is to be construed in the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

Claims (14)

서로 상이한 2가지의 모재 금속을 준비하는 단계;
상기 2가지 모재 금속의 각각의 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; 및
상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법을 이용해 제작된 이종 금속 재료 간의 접합부로서,
상기 모재 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm이고, 상기 저융점 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm이고,
상기 모재 금속은, Cu, Ni, Cu 합금, Ni 합금, Cu-Ni 합금 중 어느 하나 이상이며,
상기 저융점 금속 분말은 In이 이용되고,
상기 접합부는 균일한 (Cu, Ni)-In 금속간 화합물을 포함하며,
전단 강도가 15 MPa 이상인,
이종 금속 재료 간의 접합부.
Preparing two different base metals;
Preparing a paste by mixing each powder of the two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent; And
A junction between dissimilar metal materials manufactured using a transition liquid phase sintering method for bonding dissimilar metal materials, including performing a bonding process at a temperature between the melting points of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder as,
The size of the base metal powder is 1 to 10 μm, the size of the low melting point metal powder is 1 to 10 μm,
The base metal is any one or more of Cu, Ni, Cu alloy, Ni alloy, and Cu-Ni alloy,
In the low melting point metal powder is used,
The junction includes a uniform (Cu, Ni)-In intermetallic compound,
Shear strength of 15 MPa or more,
Joints between dissimilar metallic materials.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 유기 용매는 플럭스(flux) 또는 분산제와 용매가 이용되는,
이종 금속 재료 간의 접합부.
The method of claim 1,
The organic solvent is a flux (flux) or a dispersant and a solvent are used,
Joints between dissimilar metallic materials.
삭제delete 삭제delete 서로 상이한 2가지의 모재 금속을 준비하는 단계;
상기 2가지 모재 금속의 합금 분말, 상기 모재 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속 분말 및 유기 용매를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계;
상기 2가지 모재 금속의 융점과 상기 저융점 금속 분말의 융점 사이의 온도에서 접합 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 이종 금속 재료 간의 접합을 위한 천이액상소결접합 방법을 이용해 제작된 이종 금속 재료 간의 접합부로서,
상기 모재 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm이고, 상기 저융점 금속 분말의 크기는 1 내지 10μm이고,
상기 모재 금속은, Cu, Ni, Cu 합금, Ni 합금, Cu-Ni 합금 중 어느 하나 이상이며,
상기 저융점 금속 분말은 In이 이용되고,
상기 접합부는 균일한 (Cu, Ni)-In 금속간 화합물을 포함하며,
전단 강도가 15 MPa 이상인,
이종 금속 재료 간의 접합부.
Preparing two different base metals;
Preparing a paste by mixing an alloy powder of the two base metals, a low melting point metal powder having a lower melting point than that of the base metal, and an organic solvent;
A junction between dissimilar metal materials manufactured using a transition liquid phase sintering method for bonding dissimilar metal materials, including performing a bonding process at a temperature between the melting points of the two base metals and the melting point of the low melting point metal powder as,
The size of the base metal powder is 1 to 10 μm, the size of the low melting point metal powder is 1 to 10 μm,
The base metal is any one or more of Cu, Ni, Cu alloy, Ni alloy, and Cu-Ni alloy,
In the low melting point metal powder is used,
The junction includes a uniform (Cu, Ni)-In intermetallic compound,
Shear strength of 15 MPa or more,
Joints between dissimilar metallic materials.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 8 항에 있어서,
상기 유기 용매는 플럭스(flux) 또는 분산제와 용매가 이용되는,
이종 금속 재료 간의 접합부.
The method of claim 8,
The organic solvent is a flux (flux) or a dispersant and a solvent are used,
Joints between dissimilar metallic materials.
삭제delete 삭제delete
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