KR102368533B1 - Method For Bonding Semiconductor Chip by LAYSER Sintering - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 금속 페이스트를 기판상의 소정의 영역에 도포하는 단계; (b) 상기 기판상의 상기 금속 페이스트와 접촉되도록 반도체 칩을 배치하는 단계; 및 (c) 레이저(LAYSER) 조사에 의해 상기 금속 페이스트를 소결시킴으로써 상기 기판상에 상기 반도체 칩을 접합하는 단계;를 포함하는 반도체 칩의 접합방법에 관한 것이다. 이에 의하여, 반도체 접합 안정성을 향상시켜 반도체 제품의 내구성을 향상시키고, 접합부에 선택적으로 레이저 소결을 수행함으로써 공정의 정확도를 높이며, 열 노출에 의해 반도체 칩 손상을 최소화할 뿐 아니라, 공정 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한 종래 사용되는 차세대 전력반도체의 발열온도에 의해 솔더링이 재용융되어 신뢰성이 저하될 수 있는 문제점을 해결할 수 있다.The present invention comprises the steps of (a) applying a metal paste to a predetermined area on a substrate; (b) placing a semiconductor chip in contact with the metal paste on the substrate; and (c) bonding the semiconductor chip on the substrate by sintering the metal paste by laser (LAYSER) irradiation. Thereby, the stability of the semiconductor junction is improved, the durability of the semiconductor product is improved, the accuracy of the process is increased by selectively performing laser sintering on the junction, and the damage to the semiconductor chip due to heat exposure is minimized, and the process cost is dramatically reduced. There is a saving effect. In addition, it is possible to solve the problem that the reliability may be lowered due to the re-melting of the soldering due to the heat generation temperature of the conventionally used next-generation power semiconductor.
Description
본 발명은 반도체 칩의 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 패키징 공정에서 기판상에 반도체 칩을 실장시키는 공정에 적용되는 반도체 칩의 접합방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for bonding a semiconductor chip, and more particularly, to a method for bonding a semiconductor chip applied to a process of mounting a semiconductor chip on a substrate in a semiconductor packaging process.
반도체 집적회로 소자의 고밀도화, 초집적화 추세에 따라 반도체 칩의 크기는 갈수록 축소되고 있으며, 칩 기판 또한 더욱 미세해 지고 있다. 반도체 칩은 칩 기판을 통하여 외부의 다른 요소와 전기적으로 접속되는데, 이 접속 경로를 제공하기 위하여 일반적으로 와이어 본딩 기술이 사용되었다. 그러나 미세기판 피치에서는 기존의 와이어 본딩 기술을 적용하기가 곤란하고, 반도체 기판피치로 인하여 와이어 늘어짐이나 와이어 단락 등의 문제가 발생할 수 있다. According to the trend toward high density and super-integration of semiconductor integrated circuit devices, the size of semiconductor chips is gradually decreasing, and the chip substrates are also becoming finer. A semiconductor chip is electrically connected to other external elements through a chip substrate, and a wire bonding technique is generally used to provide this connection path. However, it is difficult to apply the conventional wire bonding technology to the fine substrate pitch, and problems such as wire sagging or wire short circuit may occur due to the semiconductor substrate pitch.
또한, 최근에는 초고속 및 고성능 반도체 제품의 필요성이 증가함에 따라 기존의 와이어 접착 기술은 한계에 이르렀으며, 이에 대한 대안으로서 새로운 접합 기술인 플립칩 또는 칩 직접 실장기술 등이 대두되고 있다.In addition, in recent years, as the need for ultra-high-speed and high-performance semiconductor products increases, the existing wire bonding technology has reached its limit, and as an alternative to this, a new bonding technology such as flip chip or chip direct mounting technology is emerging.
알려진 바와 같이, 반도체 칩 실장 및 접합 방법은 솔더 페이스트를 이용해 솔더링하는 방법, 솔더 프리폼을 이용해 솔더링하는 방법, 은 페이스트를 주로 이용하여 접합하는 소결(sintering) 방법 등이 사용되고 있다. 여기서 반도체 칩과 기판을 접합할 때 솔더 페이스트를 이용해 접합하는 솔더링 방법은 솔더를 용융하여 접합하는 방법에 따라 공정이 용이한 이점이 있으나, 고온에 노출되었을 때 반도체 신뢰성이 저하될 수 있으며, 공정 후 접합부가 분리될 수 있는 문제점이 있다.As is known, semiconductor chip mounting and bonding methods include a method of soldering using a solder paste, a method of soldering using a solder preform, a sintering method of bonding mainly using a silver paste, and the like. Here, the soldering method of bonding using a solder paste when bonding the semiconductor chip and the substrate has an advantage in that the process is easy depending on the method of melting and bonding the solder, but the semiconductor reliability may decrease when exposed to high temperature, and after the process There is a problem that the joint may be separated.
또한, 반도체 칩과 기판을 접합할 때 사용하는 은(Ag) 페이스트를 이용한 열소결 방법은, 은 페이스트를 0.1MPa 이상으로 가압하여 반도체 칩과 기판을 고정하고, 녹는점 이하의 어느 일정 온도로 가열했을 때 서로 접한 면에서 접합이 이루어지는 방식이다. 이와 같은 소결 방법은 고온에 노출되거나, 사용에 의한 발열시 솔더링 방법에 비해 접합부가 안정적인 장점이 있으나, 200℃ 이상의 고온과 30분이상의 가열시간에 의해 공정이 복잡하고 공정 비용이 높은 단점이 있다. 소결(Sintering)형태가 아닌 경화(Curing)형태의 제품은 좀더 낮은 온도와 짧은 시간에 가능하나, 이러한 제품은 유기바인더에 의한 경화로 금속입자 사이에서 저항을 나쁘게 만들어서 사용의 한계가 있다.In addition, in the thermal sintering method using silver (Ag) paste used for bonding the semiconductor chip and the substrate, the semiconductor chip and the substrate are fixed by pressing the silver paste at 0.1 MPa or more, and heated to a certain temperature below the melting point. It is a method in which bonding is made on the surfaces that are in contact with each other. This sintering method has an advantage in that the joint is stable compared to the soldering method when exposed to high temperatures or when heat is generated due to use. A curing type product, not a sintering type product, is possible at a lower temperature and a shorter time, but these products have a limitation in their use by making the resistance between the metal particles worse by curing with an organic binder.
한편, 레이저는 에너지를 미세하게 조절하여 재료를 가공할 수 있는 장점을 가지고 있으므로, 레이저가 발명된 이래 관련 응용기술이 연구 발전되어 왔다. 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering)은 레이저를 이용한 재료가공의 한 가지 방법으로 레이저의 선택적 에너지 전달 기능을 이용해 분말 등의 재료를 선택적으로 고형화시키는 기술을 말한다. 이는 재료의 표면처리를 목적으로 하는 레이저 클래딩(Laser cladding)과 유사한 기술이지만 단순히 표면 처리만을 주 목적으로 하는 레이저 클래딩에서 발전하여 특수한 목적의 형상을 소결 접착의 형식으로 만드는 것을 말한다. 이러한 선택적 레이저 소결은 부품 및 시작품 제작이 복잡하거나 비싼 장비를 사용하지 않고도 신속하고 경제적인 방법으로 해결하려는 경향이 증가함에 따라, 쾌속조형기술(Rapid-prototyping)로 연구 발전되어 왔고 이는 3D CAD 도면으로부터 직접 고형의 물리적 모델을 만드는 공정 등에 적용되고 있다.On the other hand, since lasers have the advantage of being able to process materials by finely controlling energy, related application technologies have been researched and developed since the invention of the laser. Selective laser sintering is a method of material processing using a laser and refers to a technology that selectively solidifies materials such as powders using the selective energy transfer function of lasers. This is a technology similar to laser cladding for the purpose of surface treatment of materials, but it is developed from laser cladding whose main purpose is simply surface treatment, and it refers to making a special purpose shape in the form of sintering bonding. This selective laser sintering has been researched and developed as a rapid-prototyping technology as there is an increasing tendency to solve parts and prototypes in a quick and economical way without using complex or expensive equipment, and this has been developed from 3D CAD drawings. It is directly applied to the process of making a solid physical model.
본 발명의 목적은 반도체 패키징 공정에서 기판상에 반도체 칩을 실장시키는데 레이저 소결에 의한 반도체 접합기술을 도입하여 접합부에 선택적으로 레이저 소결을 수행함으로써 공정의 정확도를 높이며, 장시간 열 노출에 의해 반도체 칩이 손상되는 위험이 최소화할 뿐 아니라, 단시간에 접합함으로써 공정 비용을 획기적으로 절감하고, 전력반도체 접합소재 역할을 하는 금속 페이스트에 포함되는 성분을 조절함으로써 반도체 접합 안정성을 향상시켜 150℃ 이상의 반도체 작동온도(Junction Temperature)에서 고 신뢰성을 유지 할 수 있는 접합방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to increase the accuracy of the process by selectively performing laser sintering on the junction by introducing a semiconductor bonding technology by laser sintering to mount a semiconductor chip on a substrate in a semiconductor packaging process, Not only does it minimize the risk of damage, but it also dramatically reduces process costs by bonding in a short time, and improves semiconductor junction stability by controlling the components included in the metal paste serving as a power semiconductor bonding material, resulting in a semiconductor operating temperature of 150°C or higher ( It is to provide a bonding method that can maintain high reliability at junction temperature).
본 발명의 일 측면에 따르면,According to one aspect of the present invention,
(a) 금속 페이스트를 기판상의 소정의 영역에 도포하는 단계;(a) applying a metal paste to a predetermined area on the substrate;
(b) 상기 기판상에 상기 금속 페이스트와 접촉되도록 반도체 칩을 배치하는 단계; 및(b) disposing a semiconductor chip on the substrate to be in contact with the metal paste; and
(c) 레이저(LAYSER) 조사에 의해 상기 금속 페이스트를 소결시킴으로써 상기 기판상에 상기 반도체 칩을 접합하는 단계;를 포함하는 반도체 칩의 접합방법이 제공된다.(c) the metal paste by laser (LAYSER) irradiation There is provided a bonding method of a semiconductor chip comprising; bonding the semiconductor chip to the substrate by sintering.
상기 금속 페이스트는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 철(Fe), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 텅스텐(W), 및 몰리브덴(Mo) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 분말 또는 합금 분말을 포함할 수 있다.The metal paste is copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), bismuth (Bi), indium (In), iron (Fe), titanium (Ti), cobalt (Co), tungsten (W), and may include a metal powder or alloy powder containing at least one selected from molybdenum (Mo).
상기 금속 페이스트는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 인(P) 및 실리콘(Si) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 또는 합금에 의해 코팅된 구리(Cu) 분말을 추가로 포함할 수 있다.The metal paste is silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), bismuth (Bi), indium (In), phosphorus A copper (Cu) powder coated with a metal or an alloy including at least one selected from (P) and silicon (Si) may be further included.
상기 금속 페이스트는 세라믹 분말을 추가로 포함할 수 있다.The metal paste may further include ceramic powder.
상기 세라믹 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)원소가 산화물 또는 질화물 또는 탄화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The ceramic powder is B (boron), Ti (titanium), Al (aluminum), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Y (yttrium), La (lanthanum), Sn (tin), Si (silicon), Ag (silver), Bi (bismuth), Cu (copper), Au (gold), Mg (magnesium), Pd (palladium), Pt (platinum), Zn (zinc) elements may include at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, or carbides.
상기 세라믹 분말은 상기 금속 페이스트 총중량을 기준으로 0.005 내지 10wt% 포함될 수 있다.The ceramic powder may be included in an amount of 0.005 to 10 wt% based on the total weight of the metal paste.
상기 세라믹 분말은 평균입경이 10 내지 300nm 일 수 있다.The ceramic powder may have an average particle diameter of 10 to 300 nm.
상기 금속 페이스트는 평균입경 10 내지 500nm의 금속 나노입자, 및 평균입경 1 내지 50㎛의 금속 마이크로입자를 포함하는 금속분말을 포함할 수 있다.The metal paste may include a metal powder including metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 500 nm, and metal microparticles having an average particle diameter of 1 to 50 μm.
상기 금속분말은 상기 금속 나노입자 및 금속 마이크로입자를 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 포함할 수 있다.The metal powder comprises the metal nanoparticles and metal microparticles. It may be included in a weight ratio of 1:0.1 to 1:10.
상기 소결은 반도체 칩을 압착하거나 고정할 경우, 반도체 칩 주변을 잡아서, 광원이 바로 조사 가능하게 하거나, 레이저가 투과 가능한 쿼츠, 사파이어 및 아크릴판 중에서 선택된 어느 하나의 레이저 빔 출력 유닛으로 압착하고, 상기 유닛을 투과한 레이저 빔에 의한 레이저 조사에 의해 수행될 수 있다.In the sintering, when the semiconductor chip is pressed or fixed, the semiconductor chip is held around the semiconductor chip so that the light source can be directly irradiated, or the laser beam is pressed with any one laser beam output unit selected from among quartz, sapphire, and an acrylic plate through which a laser can transmit, It may be carried out by laser irradiation with a laser beam that has passed through the unit.
상기 레이저 조사시 레이저 투과가 가능한 재질을 이용하여 상기 반도체 칩을 기판 방향으로 0.01MPa 내지 300MPa의 압력으로 압착하며 소결시킬 수 있다.When the laser is irradiated, the semiconductor chip may be compressed and sintered at a pressure of 0.01 MPa to 300 MPa in the direction of the substrate using a material capable of laser transmission.
상기 소결은 500 내지 1500nm 파장의 레이저 빔으로 100 내지 3000W/cm2의 강도로 레이저 조사하여 수행될 수 있다.The sintering may be performed by irradiating a laser beam with an intensity of 100 to 3000 W/cm 2 with a laser beam having a wavelength of 500 to 1500 nm.
본 발명의 반도체 칩의 접합방법은 반도체 패키징 공정에서 기판상에 반도체 칩을 실장시키는데 레이저 소결에 의한 반도체 접합기술을 도입하고, 접합소재 역할을 하는 금속페이스트에 포함되는 성분을 조절함으로써 반도체 접합 안정성을 향상시켜 반도체 제품의 내구성을 향상시키고, 접합부에 선택적으로 레이저 소결을 수행함으로써 공정의 정확도를 높일 수 있다. 또한, 종래 신터링에 의한 공정에서 소요되는 고온이 요구되지 않고, 공정 시간을 줄임으로써 열 노출에 의해 반도체 칩이 손상되는 위험이 최소화할 뿐 아니라, 공정 비용을 획기적으로 절감할 수 있고, 150℃ 이상의 작동온도(Junction Temperature)에서 고 신뢰성을 유지 하는데 효과가 있다.In the semiconductor chip bonding method of the present invention, semiconductor bonding technology by laser sintering is introduced to mount the semiconductor chip on a substrate in the semiconductor packaging process, and semiconductor bonding stability is improved by controlling the components contained in the metal paste serving as the bonding material. By improving the durability of the semiconductor product, it is possible to increase the accuracy of the process by selectively performing laser sintering on the junction. In addition, the high temperature required in the conventional sintering process is not required, and by reducing the process time, the risk of damage to the semiconductor chip due to heat exposure is minimized, and the process cost can be dramatically reduced, and the It is effective in maintaining high reliability at higher operating temperatures (Junction Temperature).
도 1은 접합강도 시험 시편의 개략도이다.
도 2는 IGBT Chip Bonding TO-247-3L 시편 개략도이다.
도 3은 TO-247-2L SiC Diode 시편 개략도이다.
도 4는 실시예 3에 따른 나노와 마이크로 금속분말 함량비별 접합부의 SEM 이미지이다.
도 5는 열충격 싸이클 평가 결과이다.1 is a schematic view of a joint strength test specimen.
2 is a schematic diagram of the IGBT Chip Bonding TO-247-3L specimen.
3 is a schematic diagram of a TO-247-2L SiC Diode specimen.
4 is an SEM image of a junction according to a nano-to-micro metal powder content ratio according to Example 3. FIG.
5 is a thermal shock cycle evaluation result.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the present invention in describing the present invention, the detailed description thereof will be omitted. .
본원에서 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, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, element, or combination thereof described in the specification exists, and includes one or more other features or It should be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, acts, elements, or combinations thereof is not precluded in advance.
이하, 본 발명의 반도체 칩의 접합방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for bonding a semiconductor chip of the present invention will be described.
먼저, 금속 페이스트를 기판상의 소정의 영역에 도포한다(단계 a).First, a metal paste is applied to a predetermined area on a substrate (step a).
상기 금속 페이스트는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 철(Fe), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 텅스텐(W), 및 몰리브덴(Mo) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 분말 또는 합금 분말을 포함할 수 있다.The metal paste is copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), bismuth (Bi), indium (In), iron (Fe), titanium (Ti), cobalt (Co), tungsten (W), and may include a metal powder or alloy powder containing at least one selected from molybdenum (Mo).
또한, 상기 금속 페이스트는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 인(P) 및 실리콘(Si) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 또는 합금에 의해 코팅된 구리(Cu) 분말을 단독으로 포함할 수 있고, 또는 상술한 금속 분말 또는 합금 분말과 함께 포함할 수 있다.In addition, the metal paste is silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), bismuth (Bi), indium (In) The copper (Cu) powder coated with a metal or alloy containing at least one selected from , phosphorus (P) and silicon (Si) may be included alone, or may be included together with the above-described metal powder or alloy powder. can
상기 금속 페이스트는 상기 금속 분말 또는 합금 분말, 및 유기 용제를 포함할 수 있고, 바람직하게는 유기 바인더를 더 포함할 수 있다.The metal paste may include the metal powder or alloy powder, and an organic solvent, and preferably further include an organic binder.
상기 유기 용제는 테르피네올, 부틸카르비톨 아세테이트, 카르비톨, 부틸 카르비톨, 카르비톨 아세테이트, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부틸레이트, 셀로졸브, 메틸셀로졸브, 부틸 셀로졸브, 셀로졸브 아세테이트 등일 수 있으나 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.The organic solvent is terpineol, butyl carbitol acetate, carbitol, butyl carbitol, carbitol acetate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutylate, cellosolve, methyl cellosolve , butyl cellosolve, cellosolve acetate, and the like, but the scope of the present invention is not limited thereto.
상기 유기 바인더는 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 우레탄계 수지, 비닐아세테이트계 수지 에틸셀룰로오즈, 셀룰로오즈 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오즈. 아세테이트 프로피오네이트, 니트로셀룰로오즈 등일 수 있으나 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.The organic binder is an acrylic resin, an epoxy resin, a phenol resin, a urethane resin, a vinyl acetate resin ethyl cellulose, cellulose acetate butyrate, cellulose. Acetate propionate, nitrocellulose, etc. may be used, but the scope of the present invention is not limited thereto.
바람직하게는, 상기 금속 페이스트는 세라믹 분말을 추가로 포함할 수 있다.Preferably, the metal paste may further include ceramic powder.
상기 세라믹 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)원소가 산화물 또는 질화물 또는 탄화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The ceramic powder is B (boron), Ti (titanium), Al (aluminum), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Y (yttrium), La (lanthanum), Sn (tin), Si (silicon), Ag (silver), Bi (bismuth), Cu (copper), Au (gold), Mg (magnesium), Pd (palladium), Pt (platinum), Zn (zinc) elements may include at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, or carbides.
상기 세라믹 분말은 상기 금속 페이스트 총중량을 기준으로 0.005 내지 10wt% 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 5wt%, 더욱 더 바람직하게는 0.1 내지 3wt% 포함될 수 있다.The ceramic powder may be included in an amount of 0.005 to 10 wt%, more preferably 0.01 to 5 wt%, even more preferably 0.1 to 3 wt%, based on the total weight of the metal paste.
상기 세라믹 분말은 평균입경이 300nm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 300nm 일 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 10 내지 100nm 일 수 있다.The ceramic powder preferably has an average particle diameter of 300 nm or less, more preferably 10 to 300 nm, and even more preferably 10 to 100 nm.
상기 세라믹 분말은 소결 후 입자 사이의 공간을 감소시킬 수 있고, 입자 표면에 형성된 IMC(Inter Metallic Compounds)층을 미세화하는 동시에 성장을 억제하며, 저융점 금속의 조직(grain)이 조대화하는 것을 방지 즉, 분산강화하여 고온에서 장시간 사용하더라도 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 역할을 한다.The ceramic powder can reduce the space between particles after sintering, refine the IMC (Inter Metallic Compounds) layer formed on the surface of the particles, and at the same time suppress growth, and prevent the grains of low-melting-point metals from coarsening That is, it serves to maintain high reliability even when used for a long time at high temperature by strengthening dispersion.
상기 금속 페이스트는 평균입경 10 내지 500nm의 금속 나노입자, 및 평균입경 1 내지 50㎛의 금속 마이크로입자를 포함하는 금속분말을 포함하는 것이 바람직하다. The metal paste preferably includes a metal powder including metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 500 nm, and metal microparticles having an average particle diameter of 1 to 50 μm.
상기 금속분말에 포함되는 상기 금속 나노입자는 평균입경이 10 내지 300nm 인 것이 더욱 바람직하고, 10 내지 100nm 인 것이 더욱 더 바람직하다.The metal nanoparticles included in the metal powder more preferably have an average particle diameter of 10 to 300 nm, and even more preferably 10 to 100 nm.
상기 금속분말에 포함되는 상기 금속 마이크로입자는 평균입경이 1 내지 30㎛ 인 것이 더욱 바람직하고, 1 내지 10㎛ 인 것이 더욱 더 바람직하다.The metal microparticles included in the metal powder more preferably have an average particle diameter of 1 to 30 μm, and even more preferably 1 to 10 μm.
상기 금속분말은 상기 금속 나노입자 및 금속 마이크로입자를 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1:0.2 내지 1:7의 중량비로 포함될 수 있다. The metal powder preferably includes the metal nanoparticles and the metal microparticles in a weight ratio of 1:0.1 to 1:10, and more preferably 1:0.2 to 1:7 by weight .
금속 페이스트의 도포는 닥터 블레이드, 평판 스크린법, 스핀 코팅법, 롤 코팅, 플로우 코팅, 그라비아 프린팅, 플렉소 프린팅 등의 방법이 필요에 따라 수행될 수 있으며, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.The application of the metal paste may be performed by a doctor blade, flat screen method, spin coating method, roll coating, flow coating, gravure printing, flexographic printing, etc. methods as needed, but the scope of the present invention is not limited thereto. .
금속 페이스트의 도포층의 두께는 10 내지 500㎛로 형성하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 300㎛, 더욱 더 바람직하게는 30 내지 100㎛로 형성할 수 있다.The thickness of the coating layer of the metal paste is preferably 10 to 500 μm, more preferably 20 to 300 μm, even more preferably 30 to 100 μm.
다음으로, 상기 기판상에 상기 금속 페이스트와 접촉되도록 반도체 칩을 배치한다(단계 b).Next, a semiconductor chip is placed on the substrate so as to be in contact with the metal paste (step b).
반도체 칩은 기판상에 실장되는 위치에 맞도록 배치하여 배치 범위가 반도체 칩의 수는 필요에 따라 정할 수 있다.The semiconductor chips are arranged so as to match the positions to be mounted on the substrate, so that the number of semiconductor chips in the arrangement range can be determined as needed.
이후, 레이저(LAYSER) 조사에 의해 상기 금속 페이스트를 소결시킴으로써 상기 기판상에 상기 반도체 칩을 접합한다(단계 c).Thereafter, the semiconductor chip is bonded to the substrate by sintering the metal paste by laser irradiation (step c).
상기 레이저 조사는 반도체 칩에 직접 레이저를 조사하는 것이 바람직하지만, 소결온도 및 시간을 짧게 조절하여 반도체 칩 자체가 훼손되지 않도록 하고 금속 페이스트의 소결에 따라 기판과 접합되도록 한다.The laser irradiation is preferably performed by irradiating the laser directly to the semiconductor chip, but by adjusting the sintering temperature and time to be short, the semiconductor chip itself is not damaged and the metal paste is bonded to the substrate according to the sintering of the metal paste.
상기 소결은 반도체 칩을 압착하거나 고정할 경우, 반도체 칩 주변을 잡아서, 광원이 바로 반도체 칩에 조사 가능하게 하거나, 레이저가 투과 가능한 쿼츠, 사파이어 및 아크릴판 중에서 선택된 어느 하나의 레이저 빔 출력 유닛으로 압착하고, 상기 유닛을 투과한 레이저 빔에 의한 레이저 조사에 의해 수행되는 것이 바람직하나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않으며 상기 예시된 재질 외에도 레이저 투과가 가능한 재질이면 모두 적용될 수 있다.In the sintering, when pressing or fixing the semiconductor chip, the semiconductor chip is held around the semiconductor chip so that the light source can directly irradiate the semiconductor chip, or the laser beam output unit selected from among quartz, sapphire, and acrylic plate through which a laser is transmitted. And, it is preferably performed by laser irradiation by a laser beam that has passed through the unit, but the scope of the present invention is not limited thereto, and any material capable of laser transmission in addition to the above-exemplified material may be applied.
상기 레이저 조사시 상기 반도체 칩을 기판 방향으로 0.1MPa 내지 300MPa으로 압착하며 소결시키는 것이 바람직하고, 상기 압착은 상술한 레이저 투과가 가능한 재질로서 가능하다.When irradiating the laser, it is preferable to press and sinter the semiconductor chip at 0.1 MPa to 300 MPa in the direction of the substrate.
상기 소결은 500 내지 1500nm 파장의 레이저 빔으로 100 내지 3000W/cm2의 강도로 레이저 조사하여 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 700 내지 1300nm 파장의 레이저 빔으로 1000 내지 2500W/cm2 강도로 레이저 조사할 수 있다.The sintering is preferably performed by irradiating a laser with an intensity of 100 to 3000 W/cm 2 with a laser beam having a wavelength of 500 to 1500 nm, and more preferably 1000 to 2500 W/cm 2 with a laser beam having a wavelength of 700 to 1300 nm. can be investigated
이와 같은 레이저 조사 조건으로 소결을 수행하는 경우 레이저 조사시간은 60초 이내로 하며, 1회 내지 복수 회 수행하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 15초 이내로 3회 수행할 수 있다.When sintering is performed under such laser irradiation conditions, the laser irradiation time is within 60 seconds, and it is preferably performed once to a plurality of times, and more preferably, it may be performed three times within 15 seconds.
또한, 레이저 빔의 면적은 반도체 칩에 따라 다양하게 사용할 수 있으며, 특히 빔을 고정하여 조사하거나, 조사 시 원형으로 회전시키거나, 지그재그 등 다양한 모양으로 움직이면서 조사할 수 있다.In addition, the area of the laser beam can be used in various ways depending on the semiconductor chip, and in particular, the beam can be fixed and irradiated, rotated in a circle during irradiation, or irradiated while moving in various shapes such as zigzag.
최종 접합된 반도체 칩은 전단강도가 5MPa 이상일 수 있다.The final bonded semiconductor chip may have a shear strength of 5 MPa or more.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, etc., but the scope and content of the present invention cannot be construed as reduced or limited by the examples below. In addition, based on the disclosure of the present invention including the following examples, it is apparent that a person skilled in the art can easily practice the present invention for which experimental results are not specifically presented.
[실시예][Example]
아래의 실시예들에서 사용된 시편은 아래와 같다.Specimens used in the examples below are as follows.
접합강도 시험 시편은 도 1에 나타낸 바와 같다.The bonding strength test specimen is as shown in FIG. 1 .
IGBT Chip Bonding TO-247-3L 시편은 도 2에 나타낸 바와 같다.The IGBT Chip Bonding TO-247-3L specimen is shown in FIG. 2 .
TO-247-2L SiC Diode 시편은 도 3에 나타낸 바와 같다.The TO-247-2L SiC Diode specimen is shown in FIG. 3 .
실시예 1Example 1
세라믹 분말의 함량비에 대한 접합 신뢰성 평가를 위해 은(Ag)이 코팅된 구리(Cu)분말과 구리(Cu)분말을 1:1로 혼합된 금속분말, 및 질화알루미늄(AlN) 또는 탄화규소(SiC) 세라믹 분말이 각각 0.1wt, 1wt%, 3wt% ?t량으로 포함하는 금속 페이스트를 아래의 표 1과 같은 조건으로 제조하였다. For the evaluation of bonding reliability for the content ratio of ceramic powder, a metal powder mixed with silver (Ag)-coated copper (Cu) powder and copper (Cu) powder in a 1:1 ratio, and aluminum nitride (AlN) or silicon carbide ( SiC) A metal paste containing ceramic powder in an amount of 0.1wt, 1wt%, and 3wt% ?t, respectively, was prepared under the conditions shown in Table 1 below.
이와 같이 제조된 각각의 금속페이스트를 이용해 DBC(Gold Finish)기판에 30㎛ 두께로 도포하여 SiC 칩을 마운트 한 뒤 쿼츠를 이용해 2MPa의 압력으로 가압하며, 1000nm의 레이저 파장을 이용해 1500W/cm2의 강도로 3회 조사해 시편을 제조하였다.Each of the metal pastes prepared in this way is applied to a DBC (Gold Finish) substrate with a thickness of 30 μm, mounted on a SiC chip, and pressurized at a pressure of 2 MPa using quartz, and 1500 W/cm 2 using a laser wavelength of 1000 nm. Specimens were prepared by irradiating three times with intensity.
세라믹 종류와 금속과의 함량비별 평가를 진행한 결과, 세라믹 분말의 함량이 증가할수록 접합강도가 높아지는 경향을 나타내었다. 세라믹 분말을 0.1wt% 소량 첨가하는 것 보다 1wt% 이상 첨가하는 것이 초기 전단강도 값에 영향을 크게 미치는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 함량이 증가할수록 접합강도가 증가하지만, 일정함량 이후에는 접합강도가 감소하는 것으로 나타났다.As a result of evaluating the content ratio of ceramic types and metals, the bonding strength tends to increase as the content of ceramic powder increases. It was confirmed that adding 1wt% or more of ceramic powder had a greater effect on the initial shear strength value than adding a small amount of 0.1wt% of ceramic powder. In addition, it was found that the bonding strength increased as the content increased, but the bonding strength decreased after a certain amount.
+
Cu
(1:1 비율)Ag coated Cu
+
Cu
(1:1 ratio)
알루미늄
(AlN)nitrification
aluminum
(AlN)
(SiC)silicon carbide
(SiC)
실시예 2Example 2
금속 페이스트에 포함되는 금속 분말의 종류와 함량비에 따른 접합성 평가를 위해 아래의 표 2에 기재된 바와 같이 금속 분말의 함량비 별로 접합성 평가를 진행하였다. 각각의 금속페이스트를 이용해 DBC(Gold Finish)기판에 30㎛ 두께로 도포하여 SiC Chip을 마운트 한 뒤 쿼츠를 이용해 2MPa의 압력으로 가압하며, 1000nm의 레이저 파장을 이용해 1500W/cm2의 강도로 3회 조사해 시편을 제조하였다.In order to evaluate the bondability according to the type and content ratio of the metal powder included in the metal paste, as shown in Table 2 below, the bondability evaluation was performed for each content ratio of the metal powder. Each metal paste is applied to a DBC (Gold Finish) substrate with a thickness of 30㎛, mounted on a SiC chip, and pressurized at a pressure of 2MPa using quartz. Specimens were prepared by irradiation.
금속종류에 따른 혼합과 함량비에 대한 실험 결과, 구리(Cu) 단독일 경우에 레이저 소결 시 접합강도가 가장 높으며, 은(Ag)을 단독 사용했을 경우 접합강도가 가장 낮은 것은 확인할 수 있었다. 또한, 은(Ag) 또는 주석(Sn)으로 코팅된 코팅분말은 함량이 증가 할수록 접합강도가 증가하는 경향을 보이며, 레이저를 이용한 단시간 소결에 효과적인 것을 확인할 수 있었다.As a result of the experiment on mixing and content ratio according to the type of metal, it was confirmed that the bonding strength during laser sintering was the highest when copper (Cu) was used alone, and the bonding strength was the lowest when silver (Ag) was used alone. In addition, the coating powder coated with silver (Ag) or tin (Sn) showed a tendency to increase the bonding strength as the content increased, and it was confirmed that it was effective for short-time sintering using a laser.
실시예 3Example 3
나노와 마이크로 금속분말 함량비별 접합 안정성 평가를 위해 하기 표 3에 기재된 바와 같이 함량 비율로 금속 페이스트를 제조하였다. 상기에서 제조된 금속 페이스트를 이용해 DBC(Gold Finish)기판에 30㎛ 두께로 도포하여 SiC Chip을 마운트 한 뒤 쿼츠를 이용해 2MPa의 압력으로 가압하며, 1000nm의 레이저 파장을 이용해 1500W/cm2의 강도로 3회 조사해 시편을 제조하였다.For the evaluation of bonding stability according to the nano and micro metal powder content ratios, metal pastes were prepared at the content ratios as shown in Table 3 below. Using the metal paste prepared above, it is applied to a DBC (Gold Finish) substrate with a thickness of 30 μm, mounted on a SiC chip, and pressurized at a pressure of 2 MPa using quartz, and 1500 W/cm 2 using a laser wavelength of 1000 nm. Specimens were prepared by irradiation three times.
나노 분말과 마이크로 분말의 함량비에 따른 접합강도 측정결과, 나노 분말과 마이크로 분말의 중량비가 1:10 인 경우와 같이 나노 분말의 함량이 낮을수록 접합강도가 매우 낮으며, 이는 도 4에서 확인할 수 있듯이 마이크로 분말의 함량이 높을수록 레이저를 이용하여 단시간에 충분한 네킹(necking)이 진행되지 않은 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 마이크로 분말 함량에 비해 나노 분말 함량이 높을수록 레이저를 이용한 단시간 소결시 접합강도가 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 나노 분말 함량이 높을수록 분말 표면에 존재하는 산화피막 제거가 단시간에 어렵기 때문에 도 4의 (b)에 나타난 조직 사진과 같이 네킹(necking)이 원활하게 진행되지 않기 때문인 것을 확인 할 수 있었다.As a result of measuring the bonding strength according to the content ratio of nanopowder and micropowder, as in the case where the weight ratio of nanopowder and micropowder is 1:10, the lower the content of nanopowder, the lower the bonding strength, which can be seen in FIG. As can be seen, it was confirmed that as the content of micropowder was higher, sufficient necking was not performed in a short time using the laser. In addition, it was confirmed that the higher the nanopowder content compared to the micropowder content, the lower the bonding strength during short-time sintering using a laser. It could be confirmed that this is because the higher the content of the nanopowder, the more difficult it is to remove the oxide film on the surface of the powder in a short time.
+
구리Ag coated copper
+
Copper
실시예 4Example 4
레이저빔의 파장과 강도, 및 조사시간에 의한 Gate 손상여부 및 전력구동 평가를 위해 은(Ag)이 코팅된 구리(Cu)분말과 구리(Cu)분말이 1:1로 혼합된 금속분말, 및 탄화규소(SiC) 세라믹 분말 1wt%가 포함된 금속 페이스트를 Ag가 도금된 TO-247-3L Frame에 도포 한 뒤 Si IGBT Chip을 마운트 하고, 쿼츠를 이용해 2MPa의 압력을 가하며 200nm, 1000nmm, 2000nm의 레이저 파장을 이용해 1500W/cm2의 강도로 10초, 시간으로 각각 3회씩 조사해 시편을 제조하였다. 레이저 강도에 따른 안정성 평가를 위해 레이저 파장은 1000nm로 고정 한 뒤, 1500 W/cm2, 3000 W/cm2, 4500 W/cm2의 레이저 강도로 10초, 시간으로 각각 3회씩 조사해 시편을 제조하였다. 또한, 레이저 조사시간에 의한 신뢰성 평가를 위해 1500W/cm2의 강도를 10초, 20초, 30초의 시간으로 각각 3회씩 조사해 시편을 제조하였다.Metal powder in which silver (Ag)-coated copper (Cu) powder and copper (Cu) powder are mixed in a 1:1 ratio for gate damage and power operation evaluation by the wavelength and intensity of the laser beam and irradiation time, and After applying the metal paste containing 1wt% of silicon carbide (SiC) ceramic powder to the Ag-plated TO-247-3L Frame, mount the Si IGBT chip, apply a pressure of 2MPa using quartz, and Specimens were prepared by irradiating them three times each for 10 seconds and time at an intensity of 1500 W/cm 2 using a laser wavelength. To evaluate the stability according to the laser intensity, the laser wavelength was fixed at 1000 nm, and then the specimen was prepared by irradiating it 3 times for 10 seconds and 3 times each at the laser intensity of 1500 W/cm 2 , 3000 W/cm 2 , and 4500 W/cm 2 . did In addition, for reliability evaluation by laser irradiation time, a specimen was prepared by irradiating an intensity of 1500 W/cm 2 three times for 10 seconds, 20 seconds, and 30 seconds, respectively.
고출력 레이저빔 조사에 의해 IGBT Chip의 Gate 손상여부와 전력동작여부 평가를 위해 레이저 파장별, 강도별, 조사시간별로 TO-247-3L시편을 제작해 측정을 진행하였다. 평가 결과, 레이저 파장이 200nm일 경우 Chip 손상에 의해 전력구동이 되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는 파장이 짧을 경우 에너지 밀도가 높기 때문에 동일한 강도와 시간이라도 Chip이 손상된 것으로 보인다. 또한, 2000nm로 클 경우 충분한 에너지 밀도로 레이저를 이용해 소결을 못하기 때문에 접합 신뢰성이 떨어지는 것으로 확인되었다. 3000W/cm2 이상의 레이저 강도에서는 Gate 손상에 의해 Chip의 전력구동이 되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동일한 레이저빔 강도에서 도 조사 시간이 60초 이상일 경우 Gate 손상에 의한 Chip 전력구동이 되지 않는 것을 확인할 수 있었다.To evaluate whether the gate of the IGBT chip is damaged by high-power laser beam irradiation and whether the power is operating, TO-247-3L specimens were manufactured and measured by laser wavelength, intensity, and irradiation time. As a result of the evaluation, it was confirmed that when the laser wavelength was 200 nm, the power was not driven due to chip damage. Since the energy density is high when the wavelength is short, it seems that the chip is damaged even with the same strength and time. In addition, it was confirmed that the bonding reliability was lowered because sintering could not be performed using a laser with sufficient energy density when it was larger than 2000 nm. At laser intensity of 3000W/cm 2 or higher, it was confirmed that the power of the chip was not driven due to damage to the gate. In addition, it was confirmed that even at the same laser beam intensity, when the irradiation time was more than 60 seconds, the chip power was not driven due to gate damage.
(nm)laser wavelength
(nm)
(W/cm2)laser intensity
(W/cm 2 )
(초)investigation time
(candle)
실시예 5Example 5
레이저 소결시 가압력에 따른 접합 신뢰성 평가를 위해 은(Ag)이 코팅된 구리(Cu)분말과 구리(Cu)분말이 1:1로 혼합된 금속분말 및 탄화규소(SiC) 세라믹 분말 1wt%가 포함된 금속 페이스트 와 은(Ag) 페이스트를 이용해 DBC(Gold Finish)기판에 30㎛ 두께로 도포하여 SiC Chip을 마운트 한 뒤 쿼츠를 이용해 각 각 0MPa, 2MPa, 10MPa, 20MPa의 압력을 가하며 1000nm의 레이저 파장을 이용해 1500W/cm2의 강도로 3회 조사해 시편을 제조하였다. 또한, 가압력에 따른 Chip 손상여부 평가를 위해 Ag가 도금된 TO-247-2L Frame에 30㎛ 두께로 도포하여 SiC Chip을 마운트 한 뒤 동일한 레이저 조건으로 시편을 제조하였다.1 wt% of silver (Ag)-coated copper (Cu) powder and copper (Cu) powder mixed in 1:1 ratio and silicon carbide (SiC) ceramic powder is included for evaluation of bonding reliability according to the pressing force during laser sintering Apply the applied metal paste and silver (Ag) paste to a DBC (Gold Finish) substrate with a thickness of 30㎛, mount the SiC chip, and apply a pressure of 0MPa, 2MPa, 10MPa, and 20MPa using quartz, respectively, with a laser wavelength of 1000nm A specimen was prepared by irradiating three times with an intensity of 1500 W/cm 2 . In addition, in order to evaluate whether the chip is damaged according to the pressing force, a SiC chip was mounted by coating the Ag-plated TO-247-2L frame with a thickness of 30 μm, and then a specimen was manufactured under the same laser conditions.
레이저 소결시 가압력에 따른 접합 신뢰성 평가를 위해 금속 페이스트와 은(Ag) 페이스트를 이용해 각 각 0MPa, 2MPa, 10MPa, 20MPa의 압력을 가하며 시편을 제조하였다. 무가압 레이저 소결시에도 금속 페이스트와 은 페이스트 모두 5MPa 이상의 접합강도를 확인 할 수 있었다. 또한 가압력이 증가 할수록 소결에 의한 접합이기 때문에 접합강도가 모두 증가했으며, 높은 가압력에도 SiC Chip 손상없이 모두 전력구동이 가능한 것을 확인 할 수 있었다.For evaluation of bonding reliability according to the pressing force during laser sintering, specimens were prepared by applying pressures of 0 MPa, 2 MPa, 10 MPa, and 20 MPa, respectively, using a metal paste and silver (Ag) paste. Bonding strength of 5 MPa or more was confirmed for both the metal paste and the silver paste even during non-pressurized laser sintering. In addition, as the pressing force increased, all of the bonding strengths increased because it was bonding by sintering, and it was confirmed that power operation was possible without damaging the SiC chip even with high pressing force.
실시예 6Example 6
150℃ 이상의 고온환경에서 신뢰성 평가를 위해 은(Ag)이 도금된 TO-247-2L Frame에 은(Ag)이 코팅된 구리(Cu)분말과 구리(Cu)분말이 1:1로 혼합된 금속분말 및 탄화규소(SiC) 세라믹 분말 1wt%가 포함된 금속 페이스트를 30㎛ 두께로 도포하여 SiC Chip을 마운트 한 뒤 쿼츠를 이용해 2MPa의 압력으로 가압하며, 1000nm의 레이저 파장을 이용해 1500 W/cm2의 강도로 3회 조사해 시편을 제조하였다.Metal in which silver (Ag)-coated copper (Cu) powder and copper (Cu) powder are mixed 1:1 in TO-247-2L frame plated with silver (Ag) for reliability evaluation in a high temperature environment of 150℃ or higher After mounting the SiC chip by applying a metal paste containing powder and 1wt% of silicon carbide (SiC) ceramic powder to a thickness of 30㎛, pressurize it at a pressure of 2MPa using a quartz, and 1500 W/cm 2 using a laser wavelength of 1000nm Specimens were prepared by irradiating three times with an intensity of
비교예 1Comparative Example 1
150℃ 이상의 고온환경에서 실시예 4의 레이저 소결과의 신뢰성 비교를 위해 솔더페이스트(SAC 305)를 Ag가 도금된 TO-247-2L Frame에 30㎛ 두께로 도포하여 SiC Chip을 마운트 한 뒤 Reflow로를 이용하여 250℃에서 약 5분간 접합하여 시편을 제조하였다. 접합은 250℃까지 80℃/min의 조건으로 불활성 분위기에서 진행하였다.In order to compare the reliability of the laser sintering result of Example 4 in a high temperature environment of 150℃ or higher, solder paste (SAC 305) was applied to the Ag-plated TO-247-2L Frame to a thickness of 30㎛, the SiC chip was mounted, and then reflowed. Specimens were prepared by bonding at 250° C. for about 5 minutes using The bonding was carried out in an inert atmosphere under the condition of 80°C/min up to 250°C.
비교예 2Comparative Example 2
150℃ 이상의 고온환경에서 실시예 4와 신뢰성 비교를 위해 은소결형 페이스트를 Ag가 도금된 TO-247-2L Frame에 30um 두께로 도포하여 SiC Chip을 마운트 한 뒤 지그를 2MPa의 압력으로 가압하며, 220℃의 온도에서 약 2시간 동안 유지시킨 후 공랭하여 시편을 제조하였다. 소결은 220℃까지 10℃/min의 조건으로 불활성 분위기에서 진행하였고, 150℃ 이하의 온도에서 공랭하였다.For reliability comparison with Example 4 in a high temperature environment of 150℃ or higher, a silver sintered paste was applied to a Ag-plated TO-247-2L frame with a thickness of 30um, the SiC chip was mounted, and the jig was pressed at a pressure of 2MPa, After maintaining at a temperature of 220 °C for about 2 hours, the specimen was prepared by air cooling. Sintering was carried out in an inert atmosphere at a condition of 10 °C/min up to 220 °C, and air-cooled at a temperature of 150 °C or less.
비교예 3Comparative Example 3
150℃ 이상의 고온환경에서 실시예 4와 소결 방법에 따른 신뢰성 비교를 위해 Ag가 도금된 TO-247-2L Frame에 은(Ag)이 코팅된 구리(Cu)분말과 구리(Cu)분말이 1:1로 혼합된 금속분말 및 탄화규소(SiC) 세라믹 분말 1wt%가 포함된 금속페이스트를 30㎛ 두께로 도포하고, 지그를 2MPa의 압력으로 가압하며, 350℃의 온도에서 약 1시간 동안 유지시킨 후 공랭하여 접합강도 시편을 제조하였다. 소결은 350℃까지 10℃/min의 조건으로 불활성 분위기에서 진행하였고, 150℃ 이하의 온도에서 공랭하였다.For reliability comparison according to Example 4 and the sintering method in a high temperature environment of 150°C or higher, silver (Ag)-coated copper (Cu) powder and copper (Cu) powder were 1: A metal paste containing 1 wt% of mixed metal powder and silicon carbide (SiC) ceramic powder was applied to a thickness of 30 μm, the jig was pressed at a pressure of 2 MPa, and the temperature was maintained at 350° C. for about 1 hour. A joint strength specimen was prepared by air cooling. The sintering was carried out in an inert atmosphere at a condition of 10 °C/min up to 350 °C, and air-cooled at a temperature of 150 °C or less.
고온 장기 신뢰성 평가High-temperature long-term reliability evaluation
고온 장기신뢰성 평가는 실시예 6, 및 비교예 1 내지 3에 따라 각각 제조된 TO-247-2L 다이오드를 대상으로 진행하였다. 열충격 Cycle 평가는 -40℃에서 150℃의 온도에서 10분간 유지해 진행하였으며 그 결과를 아래의 표 6 및 도 5에 나타내었다. 열충격 Cycle 평가 결과 실시예 6의 금속페이스트를 도포해 레이저 소결로 진행한 시편이 열 소결에 의한 아래의 비교예 3 시편 보다 초기 접합강도가 우수하였다. 비교예 1의 경우 초기 강도 값이 매우 우수하나, 고온에서 장시간 사용시 IMC 성장 및 그레인(grain) 조대에 의해 접합강도가 낮아지고 전력구동이 불가한 것으로 확인되었다. 또한, 열소결에 의해 접합을 진행한 비교예 2와 비교예 3의 경우 접합강도가 유사한 수준을 보였다. 소결형 접합소재인 실시예 6, 비교예 2, 비교예 3의 경우 고온에서 장시간 사용할 경우 접합강도가 증가하는 경향을 보였다. 장시간 사용시 접합강도가 증가하는 이유는 네킹(necking)이 진행됨에 따라 공간(void)가 감소해 접합강도에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다.High-temperature long-term reliability evaluation was conducted for TO-247-2L diodes manufactured according to Example 6 and Comparative Examples 1 to 3, respectively. Thermal shock cycle evaluation was carried out by maintaining at a temperature of -40°C to 150°C for 10 minutes, and the results are shown in Table 6 and FIG. 5 below. As a result of the thermal shock cycle evaluation, the specimens subjected to laser sintering by applying the metal paste of Example 6 had superior initial bonding strength than the specimens in Comparative Example 3 below by thermal sintering. In the case of Comparative Example 1, the initial strength value was very good, but when used for a long time at high temperature, the bonding strength was lowered due to IMC growth and grain coarsening, and it was confirmed that electric power operation was impossible. In addition, in the case of Comparative Example 2 and Comparative Example 3, in which bonding was performed by thermal sintering, the bonding strength was similar. In the case of Example 6, Comparative Example 2, and Comparative Example 3, which are sintered bonding materials, the bonding strength showed a tendency to increase when used for a long time at high temperature. It was confirmed that the reason for the increase in bonding strength during long-term use is that the void decreases as necking progresses, which affects the bonding strength.
전력구동1500 Cycles
power drive
001: 구리(Cu)
002: 알루미나(Al2O3)
003: 접합소재
004: 실리콘카바이드 반도체 칩(SiC Chip)
005: TO-247-3L Frame
006: Si IGBT Chip
007: 알루미늄 와이어 (Al Wire)
008: 에폭시 몰딩
009: TO-247-2L Frame 001: copper (Cu)
002: alumina (Al 2 O 3 )
003: bonding material
004: Silicon carbide semiconductor chip (SiC Chip)
005: TO-247-3L Frame
006: Si IGBT Chip
007: Aluminum Wire (Al Wire)
008: epoxy molding
009: TO-247-2L Frame
Claims (15)
(b) 상기 기판상에 상기 금속 페이스트와 접촉되도록 반도체 칩을 배치하는 단계; 및
(c) 레이저(LAYSER) 조사에 의해 상기 금속 페이스트를 소결시킴으로써 상기 기판상에 상기 반도체 칩을 접합하는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (c)에서, 소결은 500 내지 1,500 nm 파장의 레이저 빔으로 100 내지 3,000 W/cm2의 강도로 레이저 조사하여 수행되고,
상기 레이저 소결시 쿼츠, 사파이어 및 아크릴판 중에서 선택된 어느 하나에 의해 0.01MPa 내지 300MPa의 압력을 가하여 반도체 칩과 기판을 접착하고,
상기 레이저 조사 시간은 60초 이내인 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.(a) applying a metal paste to a predetermined area on the substrate;
(b) disposing a semiconductor chip on the substrate to be in contact with the metal paste; and
(c) the metal paste by laser (LAYSER) irradiation bonding the semiconductor chip on the substrate by sintering;
In the step (c), sintering is performed by laser irradiation with an intensity of 100 to 3,000 W/cm 2 with a laser beam having a wavelength of 500 to 1,500 nm,
During the laser sintering, a pressure of 0.01 MPa to 300 MPa is applied by any one selected from quartz, sapphire, and an acrylic plate to adhere the semiconductor chip and the substrate,
The laser irradiation time is a bonding method of a semiconductor chip, characterized in that within 60 seconds.
상기 금속 페이스트는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 철(Fe), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 텅스텐(W), 및 몰리브덴(Mo) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 분말 또는 합금 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.The method of claim 1,
The metal paste is copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), bismuth (Bi), indium (In), iron (Fe), titanium (Ti), cobalt (Co), tungsten (W), and a semiconductor comprising a metal powder or alloy powder comprising at least one selected from molybdenum (Mo) Chip bonding method.
상기 금속 페이스트는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 인(P) 및 실리콘(Si) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 또는 합금에 의해 코팅된 구리(Cu) 분말을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.According to claim 1,
The metal paste is silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tin (Sn), aluminum (Al), zinc (Zn), bismuth (Bi), indium (In), phosphorus (P) and silicon (Si) bonding method of a semiconductor chip, characterized in that it further comprises a copper (Cu) powder coated with a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of.
상기 금속 페이스트는 세라믹 분말을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.According to claim 1,
The metal paste is a bonding method of a semiconductor chip, characterized in that it further comprises a ceramic powder.
상기 세라믹 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)원소가 산화물 또는 질화물 또는 탄화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.5. The method of claim 4,
The ceramic powder is B (boron), Ti (titanium), Al (aluminum), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Y (yttrium), La (lanthanum), Sn (tin), Si (silicon), Ag (silver), Bi (bismuth), Cu (copper), Bonding of a semiconductor chip, characterized in that Au (gold), Mg (magnesium), Pd (palladium), Pt (platinum), and Zn (zinc) elements include at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, or carbides method.
상기 세라믹 분말은 상기 금속 페이스트 총중량을 기준으로 0.005 내지 10wt% 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.5. The method of claim 4,
The bonding method of the semiconductor chip, characterized in that the ceramic powder is contained in an amount of 0.005 to 10 wt% based on the total weight of the metal paste.
상기 세라믹 분말은 평균입경이 10 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.5. The method of claim 4,
The ceramic powder bonding method of a semiconductor chip, characterized in that the average particle diameter of 10 to 300nm.
상기 금속 페이스트는 평균입경 10 내지 500nm의 금속 나노입자, 및 평균입경 1 내지 50㎛의 금속 마이크로입자를 포함하는 금속분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.The method of claim 1,
The metal paste is a bonding method of a semiconductor chip, characterized in that it comprises a metal powder comprising metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 500 nm, and metal microparticles having an average particle diameter of 1 to 50 μm.
상기 금속 나노입자 및 금속 마이크로입자를 1:0.1 내지 1:10의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.9. The method of claim 8,
The bonding method of a semiconductor chip, characterized in that it contains the metal nanoparticles and the metal microparticles in a weight ratio of 1:0.1 to 1:10.
상기 레이저 조사는 15초 이내의 레이저 조사를 3회 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.According to claim 1,
The laser irradiation is a bonding method of a semiconductor chip, characterized in that the laser irradiation is performed three times within 15 seconds.
상기 금속 페이스트는 테르피네올, 부틸카르비톨 아세테이트, 카르비톨, 부틸 카르비톨, 카르비톨 아세테이트, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부틸레이트, 셀로졸브, 메틸셀로졸브, 부틸 셀로졸브 및 셀로졸브 아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기 용제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.According to claim 1,
The metal paste is terpineol, butyl carbitol acetate, carbitol, butyl carbitol, carbitol acetate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutylate, cellosolve, methyl cellosolve and an organic solvent comprising at least one selected from the group consisting of butyl cellosolve and cellosolve acetate.
상기 금속 페이스트는 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 우레탄계 수지, 비닐아세테이트계 수지, 에틸셀룰로오즈, 셀룰로오즈 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오즈 아세테이트 프로피오네이트 및 니트로셀룰로오즈로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기 바인더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.The method of claim 1,
The metal paste includes at least one selected from the group consisting of acrylic resins, epoxy resins, phenolic resins, urethane resins, vinyl acetate resins, ethyl cellulose, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, and nitrocellulose. The bonding method of semiconductor chips, characterized in that it further comprises an organic binder.
상기 금속 페이스트가 도포된 층의 두께는 10 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 접합방법.According to claim 1,
The bonding method of the semiconductor chip, characterized in that the thickness of the layer coated with the metal paste is 10 to 500 ㎛.
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