KR102151690B1 - 접합소재용 조성물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

접합소재용 조성물 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저융점 금속이 코팅된 입자를 포함하는 접합소재용 조성물, 이의 제조방법 및 상기 접합소재용 조성물을 이용한 소재의 접합방법에 관한 것이다.

Description

접합소재용 조성물 및 이의 제조 방법{COMPOSITION FOR BONDING MATERIAL AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은, 저융점 금속이 코팅된 입자를 포함하는 접합소재용 조성물, 이의 제조방법 및 상기 접합소재용 조성물을 이용한 소재의 접합방법에 관한 것이다.
최근 전자 산업이 고도로 발전함에 따라 전자제품 및 소자의 소형화 및 고신뢰성이 요구되고 있으며, 높은 집적도가 요구되는 전자제품의 회로 패턴이나 전극 형성을 위한 다양한 소자들의 접합 방법이 시도되고 있다.
접합(Bonding)은 모재를 용융시키지 않고 두 물체를 연결하는 의미로써 전자부품과 같은 소형 제품에 널리 사용되고 있으며, 기판, 패드, 칩 등과 같은 반도체 소자를 접합 하기 위한 방법으로서, 솔더링 (Soldering), 브레이징 (Brazing), 신터링 (Sintering), 접착제 등을 사용한 접착 본딩 (Adhesive bonding), 천이액상접합 (Transient Liquid Phase(TLP) Bonding) 등이 이용되고 있다.
솔더링 및 신터링은 신뢰성이 우수하나 금(Au)과 은(Ag)을 비롯한 귀금속을 사용하여야 하는 점에서 재료가 고가인 문제점이 있다.
TLP 본딩은 삽입금속의 용융에 의하여 접합계면에 일시적인 액상이 형성된 후 접합온도에서 유지됨으로써 용융액상의 등온응고(Isothermal Solidification) 및 계면 화합물의 생성에 의하여 접합이 이루어지는 방법으로서, 반드시 귀금속을 사용할 필요는 없으므로 재료가 고가는 아닐 수 있으나, 접합부 전체를 금속간화합물로 변환시켜야 접합소재로서 기능을 할 수 있으므로 공정 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.
본 발명에서는, 저융점 금속이 코팅된 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제 1 측면은, 입자 형태의 제 1 금속; 및 상기 제 1 금속보다 융점이 낮은 입자 형태의 제 2 금속을 포함하는, 접합소재용 조성물을 제공한다.
본 발명의 제 2 측면은, 제 1 금속; 및 상기 제 1 금속에 코팅되고, 상기 제 1 금속보다 융점이 낮은 제 2 금속을 함유하는 복합 입자를 포함하는, 접합소재용 조성물을 제공한다.
본 발명의 제 3 측면은, 제 2 금속을 포함하는 용액에 제 1 금속을 침지시켜 상기 제 1 금속에 상기 제 2 금속이 코팅된 복합 입자를 수득하는 것을 포함하는, 접합소재용 조성물의 제조방법으로서, 상기 제 2 금속은 상기 제 1 금속에 비해 융점이 낮은 것인, 접합소재용 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제 4 측면은, 제 1 측면 또는 제 2 측면에 따른 접합소재용 조성물을 소자에 적용하고 열처리를 수행하는 것을 포함하는, 소자의 접합방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 접합소재용 조성물을 열처리하여 높은 융점을 가지는 금속간화합물을 포함하는 접합소재를 제조할 수 있고, 상기 금속간화합물은 300 ℃ 이상의 온도에서도 장기간 안정하여 상기 접합소재는 고온 장기 신뢰성이 높으므로, 고온 환경을 필요로 하는 고전력 LED 패키지, 자동차 전장부품, 전력반도체 모듈 등의 제조에 사용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 접합소재용 조성물은 재료의 가격이 저렴하고, 열처리만으로 빠르게 금속간화합물을 제조하므로, 공정 시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 접합소재용 조성물은, 접합소재에 있어서 최적의 기공(void) 및 최적의 접합강도를 구현하는, 상대적으로 융점이 높은 제 1 금속 및 상대적으로 융점이 낮은 제 2 금속의 최적의 함량비를 제공한다.
도 1은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 주석이 코팅된 구리 입자를 함유하는 복합 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도 및 형성된 접합소재의 사진이다.
도 2는, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 주석이 코팅된 구리 입자를 함유하는 복합 입자 및 주석 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 주석이 코팅된 구리 입자를 함유하는 복합 입자 및 구리 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 구리 입자 및 주석 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도 및 형성된 접합소재의 사진이다.
도 5는, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 주석이 코팅된 니켈 입자를 함유하는 복합 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도이다.
도 6은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 주석이 코팅된 니켈 입자를 함유하는 복합 입자 및 주석 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도이다.
도 7은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 주석이 코팅된 니켈 입자를 함유하는 복합 입자 및 니켈 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도이다.
도 8은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 니켈 입자 및 주석 입자를 포함하는 접합소재용 조성물을 이용하여 접합소재를 형성하는 공정을 나타내는 모식도 및 형성된 접합소재의 사진이다.
도 9는, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 주석이 코팅된 구리 입자를 함유하는 복합 입자를 나타내는 모식도 및 형성된 접합소재의 사진이다.
도 10은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 제 1 금속을 주석을 포함하는 용액에 침지시키는 시간에 따라 형성되는 복합 입자를 나타내는 사진이다.
도 11은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 제 1 금속과 제 2 금속의 중량비의 변화에 따른 용매와 플럭스의 첨가 및 혼합 후에 형성되는 접합소재의 외관을 나타내는 사진이다.
도 12는, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 제 1 금속의 함량 증가에 따른 칩과 기판의 접합 공정 후에 형성되는 접합부의 구조를 나타내는 사진이다.
도 13은, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 제 1 금속의 함량 변화에 따른 접합 공정 수행 후, 칩/기판 접합부의 기공(void) 함량 및 접합 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “하는) 단계” 또는 “의 단계”는 “를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명 명세서 전체에서, “및/또는 B”의 기재는 “또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본 발명 명세서 전체에서, "금속간화합물(intermetallic compound)"은 두 가지 이상의 금속 원소가 간단한 정수비로 결합된 화합물을 의미하며, 금속간화합물은 일반적으로　MaNb로 표시되며, 보통의 합금인 고용체와는 달리, 결정구조나 물리화학적 성질이 그 성분원소와 명확히 다르고, 일정한 녹는점을 가진 것이 많다.
본 발명 명세서 전체에서, "플럭스(flux)"는 용제(溶劑) 또는 용가재(溶加材)로서 접합부를 깨끗이 하고, 접합시에 산화물이 생기는 것을 방지하며, 접합이 확실하게 이루어지게 하는 조성제(助成劑)를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본 발명의 제 1 측면은, 입자 형태의 제 1 금속; 및 상기 제 1 금속보다 융점이 낮은 입자 형태의 제 2 금속을 포함하는, 접합소재용 조성물을 제공한다.
본 발명의 제 2 측면은, 제 1 금속; 및 상기 제 1 금속에 코팅되고, 상기 제 1 금속보다 융점이 낮은 제 2 금속을 함유하는 복합 입자를 포함하는, 접합소재용 조성물을 제공한다.
본 발명의 제 2 측면의 접합소재용 조성물에 있어서, 상기 복합 입자는 상기 제 2 금속이 상기 제 1 금속에 코팅된 형상으로서, 코어쉘 형태일 수 있다. 코어쉘 형태의 경우, 제 2 금속으로써 제 1 금속의 표면의 산화 방지를 통한 접합 공정 후 건전한 접합부 형성에 도움을 줄 수 있으며, 또한 코어쉘 형태를 포함하는 접합부 형성 과정에 있어서, 제 1 금속과의 계면에 얇은 금속간화합물 층을 용이하게 형성할 수 있으므로, 제조된 접합부의 우수한 접합 특성 및 빠르고 용이한 접합부 형성을 유도할 수 있는 이점을 가질 수 있다. 도 9를 참조하면, 상기 제 2 금속이 코팅된 모양은 원형 또는 톱니형일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 금속은 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 철(Fe)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 제 1 금속은 접합소재에서 충진재(filler)로서의 기능을 한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 금속은 주석(Sn) 또는 인듐(In)의 단일금속, 또는 주석(Sn)-은(Ag), 주석(Sn)-비스무트(Bi) 또는 주석(Sn)-은(Ag)-구리(Cu)의 다성분 금속을 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 제 2 금속이 상기 제 1 금속의 내부 및/또는 외부에 함침되어 있으면, 보다 더 치밀한 구조를 형성하기 때문에 기계적인 접착 강도를 증가시킬 수 있고, 상기 제 1 금속 충진재의 내산화성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따른 접합소재용 조성물은, 입자 형태의 제 1 금속; 또는 입자 형태의 제 2 금속을 추가 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 접합소재용 조성물은 상기 제 2 금속이 상기 제 1 금속에 코팅된 복합 입자 및 입자 형태의 제 1 금속을 포함하거나, 상기 제 2 금속이 상기 제 1 금속에 코팅된 복합 입자 및 입자 형태의 제 2 금속을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 접합소재용 조성물은 용매, 플럭스(flux) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 추가 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 용매 및 플럭스는 에틸 알코올(ethyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 이소아밀 알코올(isoamyl alcohol), 메틸 알코올(methyl alcohol), α-테르피네올(α-terpineol), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 프로필렌글리콜모노메틸에터아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate; PGMEA), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 디에틸렌글리콜모노부틸에터(diethylene glycol monobutyl ether), 에틸렌글리콜모노에틸에터(ethylene glycol monoethyl ether), 에틸렌글리콜모노부틸에터(ethylene glycol monobutyl ether), 에틸렌글리콜모노메틸에터(ethylene glycol monomethyl ether), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 폴리에틸렌글리콜(poly ethylene glycol) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 1 종 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
또한, 플럭스는 금속 표면에 존재하는 다양한 오염물질들을 제거하는 기능을 가지며, 산화를 방지하여 양호한 접합부를 형성할 수 있도록 돕는 기능을 하는 것으로, 주로 솔더 합금의 페이스트에 사용되는 일반적인 플럭스 조성을 포함할 수 있으며, 제한을 두지는 않는다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 중량의 합 : 상기 용매의 중량비는 1 : 0.2 내지 1 : 0.8인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 금속 : 상기 제 2 금속의 중량비는 20 wt% : 80 wt% 내지 50 wt% : 50 wt%인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 제 1 금속 : 상기 제 2 금속의 중량비는 20 wt% : 80 wt% 내지 50 wt% : 50 wt% 또는 25 wt% : 75 wt% 내지 45 wt% : 55 wt%일 수 있다. 상기 제 1 금속의 함량이 20 wt% 미만인 경우, 접합강도가 매우 떨어지고 기공의 함량이 지나치게 높아져서 접합소재로서의 기능이 매우 약해지는 문제점이 있으며, 상기 제 1 금속의 함량이 50 wt%를 초과하는 경우, 접합강도가 매우 떨어지고 기공의 함량이 지나치게 높아져서 접합소재로서의 기능이 매우 약해지는 문제점 및 생성되는 금속간화합물의 양이 적어지므로 고온 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 금속 : 상기 제 2 금속의 부피비는 20 부피% : 80 부피% 내지 50 부피% : 50 부피%인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 제 1 금속 : 상기 제 2 금속의 부피비는 20 부피% : 80 부피% 내지 50 부피% : 50 부피%, 25 부피% : 75 부피% 내지 45 부피% : 55 부피% 또는 30 부피% : 70 부피% 내지 40 부피% : 60 부피%일 수 있다. 상기 제 1 금속의 함량이 20 부피% 미만인 경우, 접합강도가 매우 떨어지고 기공의 함량이 지나치게 높아져서 접합소재로서의 기능이 매우 약해지는 문제점이 있으며, 상기 제 1 금속의 함량이 50 부피%를 초과하는 경우, 접합강도가 매우 떨어지고 기공의 함량이 지나치게 높아져서 접합소재로서의 기능이 매우 약해지는 문제점 및 생성되는 금속간화합물의 양이 적어지므로 고온 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 입자 형태의 제 1 금속, 상기 입자 형태의 제 2 금속 또는 상기 복합 입자의 직경은 0.01 μm 내지 10 μm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 입자 사이즈 조절을 통해 접합소재에 금속 충진율을 극대화할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 제 1 측면에 따른 접합소재용 조성물에 있어서, 상기 입자 형태의 제 1 금속 및 상기 입자 형태의 제 2 금속의 직경은 0.01 μm 내지 10 μm, 1 μm 내지 8 μm 또는 3 μm 내지 6 μm일 수 있다. 또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 접합소재용 조성물에 있어서, 상기 제 2 금속이 제 1 금속에 코팅된 복합 입자의 직경은 0.01 μm 내지 10 μm, 1 μm 내지 8 μm 또는 3 μm 내지 6 μm일 수 있으며, 추가 포함될 수 있는 상기 입자 형태의 제 1 금속 또는 상기 입자 형태의 제 2 금속의 직경은 0.01 μm 내지 6 μm, 0.5 μm 내지 5 μm, 1 μm 내지 4 μm 또는 1 μm 내지 3 μm일 수 있다. 이와 반대로, 상기 제 2 금속이 제 1 금속에 코팅된 복합 입자의 직경은 0.01 μm 내지 6 μm, 0.5 μm 내지 5 μm, 1 μm 내지 4 μm 또는 1 μm 내지 3 μm일 수 있으며, 추가 포함될 수 있는 상기 입자 형태의 제 1 금속 또는 상기 입자 형태의 제 2 금속의 직경은 0.01 μm 내지 10 μm, 1 μm 내지 8 μm 또는 3 μm 내지 6 μm일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 제 2 측면에 따른 접합소재용 조성물에 있어서, 상기 제 2 금속이 상기 제 1 금속에 코팅된 복합 입자의 반경은 0.005 μm 내지 5 μm, 0.5 μm 내지 4 μm 또는 1.5 μm 내지 3 μm일 수 있으며, 상기 복합 입자에 포함된 제 1 금속 부분의 반경은 0.005 μm 내지 4 μm, 0.5 μm 내지 3.5 μm 또는 1 μm 내지 3 μm일 수 있다. 상기 범위 미만의 복합 입자, 입자 형태의 제 1 금속 및 입자 형태의 제 2 금속을 사용하면 나노미터 입자는 가격이 고가이며, 대기 중 산화 문제 및 핸들링이 어려운 문제점이 있으며, 상기 범위 초과의 복합 입자, 입자 형태의 제 1 금속 및 입자 형태의 제 2 금속을 사용하면 최적의 조성비를 조절하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 제 3 측면은, 제 2 금속을 포함하는 용액에 제 1 금속을 침지시켜 상기 제 1 금속에 상기 제 2 금속이 코팅된 복합 입자를 수득하는 것을 포함하는, 접합소재용 조성물의 제조방법으로서, 상기 제 2 금속은 상기 제 1 금속에 비해 융점이 낮은 것인, 접합소재용 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제 3 측면에 따른 접합소재용 조성물의 제조방법에 대하여, 본 발명의 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본 발명의 제 2 측면에 기재된 내용은 본 발명의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 금속을 포함하는 용액 중 상기 제 2 금속의 함량은 12 g/L 내지 20 g/L인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 금속의 침지 시간은 5 분 내지 60 분인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 제 1 금속의 침지 시간은 5 분 내지 60 분, 7 분 내지 50 분, 9 분 내지 40 분, 11 분 내지 30분 또는 13 분 내지 20 분일 수 있다. 상기 제 1 금속의 침지 시간이 상기 범위 미만인 경우 상기 제 2 금속의 코팅이 원하는 함량만큼 되지 않지 않으므로, 제조된 접합소재의 접합강도가 매우 떨어지고 기공의 함량이 지나치게 높아져서 접합소재로서의 기능이 매우 약해지는 문제점이 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우, 접합강도가 매우 떨어지고 기공의 함량이 지나치게 높아져서 접합소재로서의 기능이 매우 약해지는 문제점 및 생성되는 금속간화합물의 양이 적어지므로 고온 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다. 도 10을 참조하면, 제 2 금속을 포함하는 용액에 제 1 금속을 침지시켜 상기 제 1 금속에 상기 제 2 금속이 코팅된 복합 입자를 수득하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 상기 침지 시간이 15 분 내지 20 분인 경우, 주석 입자의 코팅이 포화되어 추가로 코팅이 진행되더라도 코팅 층의 두께 변화가 없다는 것을 확인할 수 있으므로, 최적의 침지 시간임을 알 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 접합소재용 조성물의 제조방법을 하기 표 1을 참조하여 설명하면, 상기 제 2 금속이 주석인 경우, 온도 65℃인 주석 도금액에 제 1 금속을 침지시키는 단계를 거치며, 이 때 침지 시간을 5분 내지 60분으로 조절할 수 있다. 침지 단계 이후에는 수세 단계를 거치며, 수세는 상온에서 D.I water를 사용하여 1 분간 수행한다. 수세 단계 이후에는 알코올 세척 단계를 거치며, 상기 알코올은 에틸 알코올을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 에틸 알코올을 이용하여 상온에서 1 분간 세척을 수행한다. 이후에는 건조 단계를 거치며, 상기 건조는 70 ℃에서 수행된다.
단계 용액 온도 시간(min)
침지 Sn 도금액 65℃ 5~60
수세 D.I water 상온 1
알코올 세척 Ethyl Alcohol 상온 1
건조 - 70℃ -
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 금속은 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 철(Fe)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 금속은 주석(Sn) 또는 인듐(In)의 단일금속, 또는 주석(Sn)-은(Ag), 주석(Sn)-비스무트(Bi) 또는 주석(Sn)-은(Ag)-구리(Cu)의 다성분 금속을 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 제 4 측면은, 제 1 측면 또는 제 2 측면에 따른 접합소재용 조성물을 소자에 적용하고 열처리를 수행하는 것을 포함하는, 소자의 접합방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 열처리를 수행하면 상기 접합소재용 조성물이 용융 제 2 금속 상에 상기 제 1 금속이 분산되어 있는 중간 단계를 거쳐 최종 목적하는 접합소재가 형성되어 소자가 접합된다.
본 발명의 제 4 측면에 따른 접합소재용 조성물의 제조방법에 대하여, 본 발명의 제 1 측면 내지 제 3 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본 발명의 제 1 측면 내지 제 3 측면에 기재된 내용은 본 발명의 제 4 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 열처리는 230 ℃ 내지 350 ℃의 온도 범위로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 열처리는 230 ℃ 내지 350 ℃, 250 ℃ 내지 330 ℃, 또는 270 ℃ 내지 310 ℃의 온도 범위로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 소자는 전기적으로 접합되는 반도체 소자, PCB 기판 및 세라믹 기판일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 구현예에 따른 소자의 접합방법은, 본 발명에 따른 접합소재용 조성물의 재료의 가격이 저렴하고, 열처리만으로 빠르게 금속간화합물을 제조하므로, 공정 시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 열처리를 수행하여 금속간화합물, 또는 상기 제 1 금속 및 상기 금속간화합물을 포함하는 혼합물이 생성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 금속이 구리이고, 상기 제 2 금속이 주석인 경우, 상기 금속간화합물은 Cu6Sn5 및/또는 Cu3Sn일 수 있고, 상기 제 1 금속이 니켈이고, 상기 제 2 금속이 주석인 경우, 상기 금속간화합물은 Ni3Sn4, Ni3Sn2 및/또는 Ni3Sn일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
하기 표 2를 참조하면, 상기 금속간화합물은 상기 제 2 금속에 비해 높은 융점을 가지므로, 300 ℃ 이상의 온도에서도 장기간 안정하여 접합소재의 고온 장기 신뢰성이 향상되며, 상기 제 2 금속에 비해 우수한 영률(Young's modulus), 우수한 열전도를 가지며, 기판(비제한적인 예: 구리)과 유사한 범위의 열팽창 계수를 가지므로 접합소재의 장기 신뢰성이 우수하다. 또한, 상기 접합소재의 우수한 고온 장기 신뢰성을 바탕으로 고온 접합 특성이 요구되는 친환경 자동차 전력모듈 접합, 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지 전력변환 모듈 및 열전소자 접합, 고출력 LED 접합 등의 다양한 분야에 활용이 가능한 이점이 있다.
물성 Cu Sn Cu6Sn5 Cu3Sn
Melting Temperature [℃] 1083 232 415 676
Density [g/cm3] 8.9 7.3 8.28 8.65
Young's Modulus [GPa] 117 41 85.56 108.3
Electrical Resistivity [μΩcm] 1.7 11.5 17.5 8.93
Thermal Conductivity [W/mK] 398 0.67 34.1 70.4
Thermal Expansion [10-6/K] 17.1 23 16.3 19
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 제 1 금속이 구리이고, 상기 제 2 금속이 주석인 경우, 상기 열처리를 수행하여 형성된 접합소재는 Cu6Sn5 금속간화합물 층에 Cu3Sn 금속간화합물로 둘러싸인 구리 입자가 산재된 형태, Cu3Sn 금속간화합물 층에 구리 입자가 산재된 형태, 또는 Cu3Sn 금속간화합물 층 또는 Cu3Sn 금속간화합물 층만으로 구성된 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 금속이 구리이고, 상기 제 2 금속이 주석인 경우에 있어서, 상기 구리 : 상기 주석의 원자 중량비가 3:1 내지 5:1이면 형성된 접합소재는 Cu6Sn5 금속간화합물 층에 Cu3Sn 금속간화합물로 둘러싸인 구리 입자가 산재된 형태이고, 반응 시간이 증가하면 형성된 접합소재는 Cu3Sn 금속간화합물 층에 구리 입자가 산재된 형태가 될 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 구리 : 상기 주석의 원자 중량비 3:1 내지 5:1에서, 250 ℃에서 5분 내지 40분, 270 ℃에서 3분 내지 20분 또는 300 ℃에서 1분 내지 10분 열처리를 수행하면, 형성된 접합소재는 Cu6Sn5 금속간화합물 층에 Cu3Sn 금속간화합물로 둘러싸인 구리 입자가 산재된 형태이고, 250 ℃에서 5분 내지 60분, 270 ℃에서 3분 내지 30분 또는 300 ℃에서 1분 내지 20분 열처리를 수행하면, 형성된 접합소재는 Cu3Sn 금속간화합물 층에 구리 입자가 산재된 형태일 수 있다. 또한, 상기 구리 : 상기 주석의 원자 중량비가 6:5 내지 3:1이면 형성된 접합소재는 Cu3Sn 금속간화합물 층 또는 Cu3Sn 금속간화합물 층만으로 구성된 것일 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 제 1 금속이 니켈이고, 상기 제 2 금속이 주석인 경우, 상기 열처리를 수행하여 형성된 접합소재는 Ni3Sn4 금속간화합물 층에 니켈 입자가 산재된 형태, 또는 Ni3Sn4 금속간화합물 층, Ni3Sn2 금속간화합물 층 또는 Ni3Sn 금속간화합물 층만으로 구성된 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 금속이 니켈이고, 상기 제 2 금속이 주석인 경우에 있어서, 상기 니켈 : 상기 주석의 원자 중량비가 3:4 내지 5:4이면 형성된 접합소재는 Ni3Sn4 금속간화합물 층에 니켈 입자가 산재된 형태이고, 상기 니켈 : 상기 주석의 원자 중량비가 3:4 내지 3:1이면 형성된 접합소재는 Ni3Sn4 금속간화합물 층, Ni3Sn2 금속간화합물 층 또는 Ni3Sn 금속간화합물 층만으로 구성된 것일 수 있다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 상기 제 1 금속이 구리 또는 니켈이고, 상기 제 2 금속이 주석인 경우, 중량비에 따라 형성되는 접합소재의 이미지 및 효과를 나타내는 그래프를 확인할 수 있다. 제 1 금속의 함량을 증가시키고, 제 2 금속의 함량을 감소시켜 갈 때, 기공(void)의 함량이 매우 많은 상태에서 점점 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러나, 제 1 금속의 함량을 지나치게 증가시키고, 제 2 금속의 함량을 지나치게 감소시키면 오히려 기공의 함량이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이와 반대로, 제 1 금속의 함량을 증가시키고, 제 2 금속의 함량을 감소시켜 갈 때, 접합 강도가 매우 약한 상태에서 점점 증가되는 것을 볼 수 있다. 그러나, 제 1 금속의 함량을 지나치게 증가시키고, 제 2 금속의 함량을 지나치게 감소시키면 오히려 접합 강도가 다시 감소하는 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 제 1 금속 : 상기 제 2 금속의 중량비는 20 wt% : 80 wt% 내지 50 wt% : 50 wt%인 경우, 구체적으로는 25 wt% : 75 wt% 내지 45 wt% : 55 wt%가 접합소재로서 가장 우수한 효과를 나타내는 중량비임을 확인할 수 있다. 즉, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2금속의 상기 최적의 중량비를 통해 기공 3 부피% 내지 6 부피% 및 접착 강도 40 MPa 내지 55 MPa을 갖는, 우수한 성능을 발휘하는 접합소재를 구현할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

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  11. 제 2 금속을 포함하는 용액에 제 1 금속을 침지시켜 상기 제 1 금속에 상기 제 2 금속이 코팅된 복합 입자를 수득하는 것을 포함하는, 접합소재용 조성물의 제조방법으로서,
    상기 제 2 금속은 상기 제 1 금속에 비해 융점이 낮고,
    상기 제2 금속을 포함하는 용액 내 제 2 금속의 함량은 12 g/L 내지 20 g/L 인 것인,
    접합소재용 조성물의 제조방법.
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  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 금속의 침지 시간은 5 분 내지 60 분인 것인, 접합소재용 조성물의 제조방법.
  14. 제 11항의 제조방법에 의하여 제조된 접합소재용 조성물을 소자에 적용하고 열처리를 수행하는 것을 포함하는, 소자의 접합방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열처리는 230 ℃ 내지 350 ℃의 온도 범위로 수행되는 것인, 소자의 접합방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 열처리를 수행하여 금속간화합물, 또는 상기 제 1 금속 및 상기 금속간화합물을 포함하는 혼합물이 생성되는 것인, 소자의 접합방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11186712A (ja) * 1997-12-24 1999-07-09 Nissan Motor Co Ltd はんだペーストおよび接続方法
KR20150084329A (ko) * 2014-01-13 2015-07-22 엘지전자 주식회사 솔더 페이스트 및 이를 사용한 접합 구조

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