KR102516519B1 - Low temperature sinterable bonding material using exothermic by nano grain size and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속원소를 포함하는 접합소재의 제조방법으로서, 적어도 1종 이상의 금속염이 포함된 수계 합금 도금액을 준비하는 단계; 전극을 상기 수계 합금 도금액에 침지시켜 전해 도금 회로를 구성하는 단계; 상기 전해 도금 회로를 제어하는 제어부에 도금하고자 하는 상기 금속염의 환원전위 값에 따라, 제1 전압(V1) 및 상기 제1 전압(V1)보다 낮은 제2 전압(V2)을 가지는 스퀘어 펄스전압을 인가하여 상기 전극에 환원 전위를 인가하는 단계; 및 상기 금속염을 환원하여 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈(grain size)를 갖도록 금속 도금막을 형성하는 단계; 를 포함하는 저온 소결 접합소재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 두 개 이상의 금속염이 포함된 도금욕 내에 모재를 침지시킨 상태에서 전위를 줄 수 있는 전원을 통해 전위(전압)를 교대로 가하여 저가 장비를 통해 단시간 내에 용이하게 복합 다층을 형성할 수 있고, 각 전위 사이클의 시간 및 전류 밀도를 조절하여 각 층의 도금 두께를 조절할 수 있으며, 전위 사이클의 수로 쉽게 복합 층의 수를 조절할 수 있는 효과가 있다.
The present invention is a method for manufacturing a bonding material containing a metal element, comprising the steps of preparing an aqueous alloy plating solution containing at least one metal salt; Forming an electrolytic plating circuit by immersing an electrode in the water-based alloy plating solution; A square pulse having a first voltage (V 1 ) and a second voltage (V 2 ) lower than the first voltage (V 1 ) according to the reduction potential value of the metal salt to be plated in the controller for controlling the electroplating circuit. applying a reduction potential to the electrode by applying a voltage; and reducing the metal salt to form a metal plating film having a grain size of 10 nm to 150 nm. It relates to a method for manufacturing a low-temperature sintered joint material comprising a.
According to the present invention, in a state in which a base material is immersed in a plating bath containing two or more metal salts, a potential (voltage) is alternately applied through a power source capable of giving a potential to easily form a composite multi-layer in a short time through low-cost equipment. In addition, the plating thickness of each layer can be controlled by controlling the time and current density of each potential cycle, and the number of composite layers can be easily controlled by the number of potential cycles.

Description

나노 그레인 사이즈에 의한 발열 반응을 이용한 저온 소결 접합소재 및 이의 제조방법{LOW TEMPERATURE SINTERABLE BONDING MATERIAL USING EXOTHERMIC BY NANO GRAIN SIZE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Low TEMPERATURE SINTERABLE BONDING MATERIAL USING EXOTHERMIC BY NANO GRAIN SIZE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 나노 그레인 사이즈에 의한 발열 반응을 이용한 저온 소결 접합소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 단위의 그레인 사이즈를 갖는 도금층의 가열 시 나타나는 발열 반응을 이용하여 저온에서 소결되는 특성을 갖도록 한 금속 접합 매개물인 저온 소결 접합소재의 제조방법 및 이러한 저온 소결 접합소재를 이용하여 피접합재를 기존의 브레이징 및 솔더링 온도에 비해 낮은 온도에서 접합하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a low-temperature sintering bonding material using an exothermic reaction by nano grain size and a method for manufacturing the same, and more particularly, to characteristics of sintering at a low temperature by using an exothermic reaction that appears when heating a plating layer having a nano-grain size. It relates to a method of manufacturing a low-temperature sintered joint material, which is a metal bonding medium having a low-temperature sintered joint material, and a method of joining materials to be joined at a lower temperature than conventional brazing and soldering temperatures using the low-temperature sintered joint material.

다층 박막 층 형성 방법과 관련된 기술이 특허등록 제0560296호 및 특허등록 제0932694호에 제안된 바 있다.A technique related to a method of forming a multilayer thin film layer has been proposed in Patent Registration No. 0560296 and Patent Registration No. 0932694.

이하에서 종래기술로서 특허등록 제0560296호 및 특허등록 제0932694호에 개시된 다층 금속 박막의 제조 방법 및 다층박막 코팅 장치 및 방법을 간략히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a multilayer metal thin film and an apparatus and method for coating a multilayer thin film disclosed in Patent Registration No. 0560296 and Patent Registration No. 0932694 as prior art will be briefly described.

도 1은 특허등록 제0560296호(이하 '종래기술 1'이라 함)에서 다층 금속 박막의 제조 방법을 도시한 도면이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술 1의 다층 금속 박막의 제조 방법은 금속 박막의 제조 방법에 있어서, 이오나이즈드 물리적기상증착법을 이용하여 <002>방향으로 배향하는 티타늄막(22, 25)을 50Å~149Å의 두께로 증착하는 단계; 상기 티타늄막(22, 25) 상에 <111>방향으로 배향하는 티타늄나이트라이드막(23, 26)을 증착하는 단계; 및 상기 티타늄/티타늄나이트라이드막(22, 23, 25, 26)의 적층막 상에 <111>방향으로 배향하는 알루미늄막(24)을 증착하는 단계를 포함한다.1 is a view showing a manufacturing method of a multi-layer metal thin film in Patent Registration No. 0560296 (hereinafter referred to as 'Prior Art 1'). As shown in FIG. 1, in the manufacturing method of the multilayer metal thin film of the prior art 1, in the manufacturing method of the metal thin film, titanium films 22 and 25 oriented in the <002> direction are formed using ionized physical vapor deposition to form 50 Å. depositing to a thickness of ˜149 Å; depositing titanium nitride films 23 and 26 oriented in a <111> direction on the titanium films 22 and 25; and depositing an aluminum film 24 oriented in a <111> direction on the stack of the titanium/titanium nitride films 22, 23, 25, and 26.

그러나 종래기술 1에 의한 다층 금속 박막 제조 방법은 물리적기상증착법(PVD), 유기금속화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 또는 IPVD 중 어느 하나를 이용하여 증착하므로 비용 상승과 고가 장비인 증착 기계를 통해 구현해야 한다는 단점이 있었다.However, the multilayer metal thin film manufacturing method according to Prior Art 1 is deposited using any one of Physical Vapor Deposition (PVD), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), or IPVD, which increases cost and deposits expensive equipment. The downside was that it had to be implemented through a machine.

특허등록 제0932694호(이하 '종래기술 2'라 함)의 기판에 금속층을 증착하는 방법은, 제품의 표면에 플라즈마 클리닝 또는 이온빔 클리닝을 실시하는 전처리단계와; 전처리된 제품의 표면에 증발 증착, 스퍼터링, 반응성 스퍼터링 중의 하나를 실시하여 제1박막층을 형성하는 제1박막층 형성단계와; 상기 제1박막층의 표면에 스퍼터링, 반응성 스퍼터링, 플라즈마 침투, 이온빔 침투 중의 하나를 실시하여 제2박막층을 형성하는 제2박막층 형성단계 및; 상기 제1박막층 형성단계와 제2박막층 형성단계를 반복 수행하는 반복단계;를 포함한다.The method of depositing a metal layer on a substrate of Patent Registration No. 0932694 (hereinafter referred to as 'Prior Art 2') includes a pretreatment step of performing plasma cleaning or ion beam cleaning on the surface of a product; a first thin film layer forming step of forming a first thin film layer by performing one of evaporation, sputtering, and reactive sputtering on the surface of the pretreated product; forming a second thin film layer by performing one of sputtering, reactive sputtering, plasma penetration, and ion beam penetration on the surface of the first thin film layer; and a repetition step of repeatedly performing the first thin film layer forming step and the second thin film layer forming step.

그러나 종래기술 2에 의한 기판에 금속층을 증착하는 방법 역시 증착을 통해 다층 박막을 구성하므로 비용 상승과 고가 장비인 증착 기계를 통해 구현해야 한다는 단점이 있었다.However, since the method of depositing a metal layer on a substrate according to the prior art 2 also constitutes a multi-layer thin film through deposition, there is a disadvantage in that it must be implemented using a deposition machine, which is expensive equipment and cost increases.

또한, 스퍼터링(sputtering)을 포함하는 PVD공정의 경우 진공에서 공정이 진행되므로 진공 장비가 필수적이며, CVD를 포함하는 화학적 박막 형성법 또한 진공에서 공정이 진행되어야 하고, 공정온도가 고온이므로 기판에 손상을 줄 수 있다. ALD법의 경우 원소재가 제한적이며, 층의 성장속도가 느리다. 롤 프린팅 방법을 포함하는 프린팅 법은 층의 두께를 조절하기가 어려우며 다층을 형성하는 시간이 오래 걸린다.In addition, in the case of the PVD process including sputtering, since the process is performed in vacuum, vacuum equipment is essential, and the chemical thin film formation method including CVD also requires the process to be performed in vacuum, and the process temperature is high, so it is not possible to damage the substrate. can give In the case of the ALD method, raw materials are limited and the layer growth rate is slow. In the printing method including the roll printing method, it is difficult to control the thickness of the layer and it takes a long time to form the multi-layer.

한국등록특허 제10-0560296호(2006.03.06)Korean Patent Registration No. 10-0560296 (2006.03.06) 한국등록특허 제10-0932694호(2009.12.10)Korean Patent Registration No. 10-0932694 (2009.12.10)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 적어도 1개 이상의 금속을 전해도금을 통해 금속 도금층으로 적층하여 제조한 금속 도금막으로서, 접합 시 금속 도금막의 나노 그레인 사이즈에 의한 발열 반응을 이용하여 저온 소결 접합이 가능한 접합부재를 제공한다. The present invention is to solve the above problems, and is a metal plating film manufactured by laminating at least one metal into a metal plating layer through electroplating. A joining member capable of being sintered is provided.

또한 본 발명은 상기 다층 금속 도금막의 제조방법으로서, 적어도 1종 이상의 금속염이 포함된 도금욕 내에 모재를 침지시킨 상태에서 전원을 통해 전위(전압)를 가하여 저가 장비를 통해 분말에 비해 안전하고 단시간에 제조 가능한 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention is a method for producing the multi-layer metal plating film, in which a base material is immersed in a plating bath containing at least one metal salt, and a potential (voltage) is applied through a power source to obtain a method that is safer and shorter than powder through low-cost equipment. Provided is a method for manufacturing a low-temperature sintering joint material that can be manufactured.

또한 본 발명은 상기 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용한 전기, 전자 부품 등의 피접합재의 저온 소결 접합 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a low-temperature sintering joining method of materials to be joined such as electrical and electronic parts using the low-temperature sintering joining material as a joining medium.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명은 적어도 1종 이상의 금속염이 포함된 수계 합금 도금액을 준비하는 단계; 전극을 상기 수계 합금 도금액에 침지시켜 전해 도금 회로를 구성하는 단계; 상기 전해 도금 회로를 제어하는 제어부에 도금하고자 하는 상기 금속염의 환원전위 값에 따라, 제1 전압(V1) 및 상기 제1 전압(V1)보다 낮은 제2 전압(V2)을 가지는 스퀘어 펄스전압을 인가하여 상기 전극에 환원 전위를 인가하는 단계; 및 상기 금속염을 환원하여 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈(grain size)를 갖도록 금속 도금막을 형성하는 단계; 를 포함하는 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing an aqueous alloy plating solution containing at least one metal salt; Forming an electrolytic plating circuit by immersing an electrode in the water-based alloy plating solution; A square pulse having a first voltage (V 1 ) and a second voltage (V 2 ) lower than the first voltage (V 1 ) according to the reduction potential value of the metal salt to be plated in the controller for controlling the electroplating circuit. applying a reduction potential to the electrode by applying a voltage; and reducing the metal salt to form a metal plating film having a grain size of 10 nm to 150 nm. It provides a method for producing a low-temperature sintered joint material comprising a.

또한 상기 수계 합금 도금액을 준비하는 단계는 제1 금속염 및 제2 금속염을 포함하는 두 가지 이상의 금속염이 포함된 수계 합금 도금액을 준비하는 단계이고, 상기 금속 도금막을 형성하는 단계는 상기 제1 금속, 상기 제2 금속, 및 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 합금을 포함하는 금속 도금막을 형성하는 단계이며, 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)은 0V에서 -4.5V 사이의 전압인 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the preparing of the aqueous alloy plating solution is a step of preparing an aqueous alloy plating solution containing two or more metal salts including a first metal salt and a second metal salt, and the forming of the metal plating film includes the first metal, the Forming a metal plating film including a second metal and an alloy of the first metal and the second metal, wherein the first voltage (V 1 ) and the second voltage (V 2 ) range from 0V to -4.5V It provides a method for manufacturing a low-temperature sintering joint material that is a voltage between.

또한 상기 금속염의 환원전위 값의 범위는 +1.83V 내지 -1.67V 인 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the range of the reduction potential value of the metal salt is +1.83V to -1.67V, and a method for manufacturing a low-temperature sintered joint material is provided.

또한 상기 수계 합금 도금액은 물을 베이스로 한 도금액에 상기 금속염과, 산 및 첨가제를 더 포함하는 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the water-based alloy plating solution provides a method for producing a low-temperature sintering joint material further comprising the metal salt, an acid, and an additive in a water-based plating solution.

또한 상기 도금액 중의 상기 제1 금속염과 상기 제2 금속염의 농도비는 2:1에서 100:1의 범위인 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the concentration ratio of the first metal salt and the second metal salt in the plating solution is in the range of 2:1 to 100:1.

또한 상기 금속염은 Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb 및 Bi의 금속염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속염인 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the metal salts are Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Provided is a method for producing a low-temperature sintering joint material comprising one or more metal salts selected from the group consisting of metal salts of Sb, Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb, and Bi.

또한 상기 제1, 2 금속염은 표준 환원 전위의 차이가 0.029V 이상, 1.0496V 이하인 금속의 금속염을 2 이상 선택하여 사용하는 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the first and second metal salts provide a method for manufacturing a low-temperature sintering joint material in which two or more metal salts of metals having a standard reduction potential difference of 0.029V or more and 1.0496V or less are selected and used.

또한 상기 산은 황산, 염산, 메탄술포나이트산(MSA), 질산, 붕산, 아세트산, 유기 황산, 구연산, 포름산, 아스코로브산, 불산, 인산, 젖산, 아미노산, 하이포아염소산 중에 선택하여 사용하는 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the acid is selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, methanesulfonitic acid (MSA), nitric acid, boric acid, acetic acid, organic sulfuric acid, citric acid, formic acid, ascorbic acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, lactic acid, amino acid, hypochlorous acid A manufacturing method of the bonding material is provided.

또한 상기 첨가제는 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르(POELE), 도금 평탄제(평활제), 가속제, 억제제, 거품제거제, 광택제, 산화억제제 중에 선택하여 사용하는 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the additive is selected from among polyoxyethylene lauryl ether (POELE), a plating leveling agent (leveling agent), an accelerator, an inhibitor, a defoaming agent, a brightening agent, and an oxidation inhibitor.

또한 상기 금속 도금막을 형성하는 단계는 적어도 2개 이상의 층을 형성하는 단계이고, 상기 제1 전압(V1)이 제1 시간(t1) 동안 인가되어 제1 도금층을 형성하고, 상기 제2 전압(V2)이 제2 시간(t2) 동안 인가되어 제2 도금층을 형성하며, 상기 제1 시간은 0 < t1 ≤ 10 (min)이고, 상기 제2 시간은 0 < t2 ≤ 200 (min) 인 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the forming of the metal plating layer is a step of forming at least two or more layers, and the first voltage V 1 is applied for a first time t 1 to form the first plating layer, and the second voltage (V 2 ) is applied for a second time (t 2 ) to form a second plating layer, the first time is 0 < t 1 ≤ 10 (min), and the second time is 0 < t 2 ≤ 200 ( min) provides a method for manufacturing a low-temperature sintered joint material.

또한 상기 수계 합금 도금액을 준비하는 단계는 제1 금속염을 포함하는 수계 합금 도금액을 준비하는 단계이고, 상기 금속 도금막을 형성하는 단계는 상기 제1 금속을 포함하는 도금막을 형성하는 단계이며, 상기 제1 전압(V1)은 0V 내지 -4.5V 사이의 전압이고, 상기 제2 전압(V2)은 0인 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the preparing of the aqueous alloy plating solution is a step of preparing an aqueous alloy plating solution containing a first metal salt, and the forming of the metal plating film is a step of forming a plating film containing the first metal. The voltage (V 1 ) is a voltage between 0V and -4.5V, and the second voltage (V 2 ) provides a method for manufacturing a low-temperature sintering joint material having zero temperature.

또한 상기 금속 도금막을 형성하는 단계는 상기 제1 전압(V1)을 제1 시간(t1) 동안 인가하여 도금층을 형성하고, 상기 제2 전압(V2)을 제2 시간(t2) 동안 인가하여 도금층을 형성하지 않으며, 상기 제1 시간은 0 < t1 ≤ 10 (min)이고, 상기 제2 시간은 0 < t2 ≤ 200 (min) 인 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the forming of the metal plating layer may include forming a plating layer by applying the first voltage V 1 for a first time period t 1 , and applying the second voltage V 2 for a second time period t 2 . It provides a method for manufacturing a low-temperature sintering joint material in which a plating layer is not formed by applying the coating layer, the first time is 0 < t 1 ≤ 10 (min), and the second time is 0 < t 2 ≤ 200 (min).

또한 상기 금속 도금막은 전체 두께가 0.6nm 내지 300㎛ 범위로 형성되는 저온 소결 접합소재의 제조방법을 제공한다. In addition, the metal plating film provides a method for manufacturing a low-temperature sintering bonding material in which the total thickness is formed in the range of 0.6 nm to 300 μm.

또한 본 발명은 적어도 1개 이상의 금속이 전해도금되어 적층되고, 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈를 갖는 금속 도금막을 포함하며, 가열 시 소결되어 피접합재들을 접합하는 접합소재로서, 상기 금속 도금막은 소결 시 발열반응이 일어나며, 상기 소결 이후 재가열 시 용융되는 온도(Tm2)는 상기 소결되는 온도(Tm1)보다 높은 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, the present invention is a bonding material in which at least one or more metals are electroplated and laminated, and includes a metal plating film having a grain size of 10 nm to 150 nm, and sintered when heated to join materials to be joined, wherein the metal plating film generates heat during sintering. The reaction occurs, and when reheating after the sintering, the melting temperature (T m2 ) is higher than the sintering temperature (T m1 ).

또한 상기 금속 도금막은 적어도 2개 이상의 금속이 전해도금되어 적층되고, 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈를 갖는 제1 도금층 및 제2 도금층을 포함하는 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, the metal plating film provides a low-temperature sintering bonding material including a first plating layer and a second plating layer in which at least two or more metals are electroplated and laminated and have a grain size of 10 nm to 150 nm.

또한 상기 금속은 Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속인 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, the metal is Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Provided is a low-temperature sintering joint material comprising at least one metal selected from the group consisting of Sb, Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb, and Bi.

또한 상기 금속은 금속염 상태일 때, 표준 환원 전위의 차이가 0.029V 이상, 1.0496V 이하인 금속을 2 이상 선택하여 사용하는 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, when the metal is in a metal salt state, a low-temperature sintering joint material is provided in which two or more metals having a standard reduction potential difference of 0.029V or more and 1.0496V or less are selected and used.

또한 상기 금속 도금막 전체의 두께는 0.6nm 내지 300㎛인 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, the thickness of the entire metal plating film is 0.6 nm to 300 μm to provide a low-temperature sintering bonding material.

또한 상기 금속 도금막은 상기 제1 도금층 및 제2 도금층이 6회 이상 반복 적층된 구조로 이루어진 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, the metal plating film provides a low-temperature sintering bonding material having a structure in which the first plating layer and the second plating layer are repeatedly laminated 6 times or more.

또한 상기 금속 도금막의 소결되는 온도(Tm1)는 상기 금속 도금막을 구성하는 전체 벌크 조성의 융점(Tma)보다 낮은 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, the sintering temperature (T m1 ) of the metal plating film is lower than the melting point (T ma ) of the entire bulk composition constituting the metal plating film.

또한 상기 저온 소결 접합소재는 상기 금속 도금막의 치밀화 및 결정립 성장에 의한 발열반응에 의해 피접합재들을 접합하는 저온 접합용 소재인 저온 소결 접합소재를 제공한다. In addition, the low-temperature sintering joining material provides a low-temperature sintering joining material, which is a low-temperature joining material for joining materials to be joined by an exothermic reaction caused by densification and crystal grain growth of the metal plating film.

본 발명에 의하면, 저온 소결 접합소재를 제조하는데 있어서, 적어도 1개 이상의 금속염이 포함된 도금욕 내에 모재를 침지시킨 상태에서 전원을 통해 전위(전압)를 교대로 가하여 저가 장비를 통해 단시간 내에 용이하게 다층을 형성할 수 있고, 각 전위 사이클의 전압, 전류 밀도 혹은 시간을 조절하여 나노 그레인 사이즈에 의한 발열반응이 일어날 수 있도록 도금층의 두께를 조절할 수 있으며, 2 이상의 도금층이 반복 적층되어 다층으로 형성되는 경우 전위 사이클의 수로 쉽게 다층의 수를 조절할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, in manufacturing a low-temperature sintered joint material, in a state in which a base material is immersed in a plating bath containing at least one or more metal salts, potential (voltage) is alternately applied through a power source to easily and within a short time through low-cost equipment It is possible to form multiple layers, and the thickness of the plating layer can be adjusted so that an exothermic reaction by the nano grain size can occur by adjusting the voltage, current density or time of each potential cycle, and two or more plating layers are repeatedly laminated to form a multilayer In this case, there is an effect that the number of multi-layers can be easily adjusted by the number of dislocation cycles.

또한, 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용한 피접합재의 저온 소결 접합 시, 피접합재의 표면이 산화되지 않는 진공 상태, 불활성 가스, 환원성가스 분위기 및 대기 중에서도 용제(flux)를 이용하여 접합 가능하며, 도금막 재질로 귀금속은 물론 일반 금속(예; 구리, 주석, 아연, 니켈 등 다양한 금속)도 모두 도금하여 접합매개물로 사용할 수 있다. 이종 금속으로 이루어진 적층된 개별 도금층의 그레인 사이즈가 나노미터급 수준으로 제조된 접합매개물은 가열에 따른 소결로 그레인 사이즈가 변하면서 발생하는 발열 반응에 의해 기존의 벌크 소재의 융점보다 낮은 온도에서 소결 접합이 가능하다. 또한 적층된 도금층의 두께가 나노미터급 수준으로 형성된 경우 도금층 간 표면적이 넓어져서 더욱 불안정하게 되고 기존의 벌크소재의 용융점보다 낮은 온도에서 소결된다.In addition, at the time of low-temperature sintering of the materials to be joined using the low-temperature sintered bonding material according to the present invention as a bonding medium, the surface of the materials to be joined is not oxidized in a vacuum state, in an inert gas, reducing gas atmosphere, and by using a flux in the air. Bonding is possible, and noble metals as well as common metals (eg, various metals such as copper, tin, zinc, and nickel) can be plated and used as a bonding medium. The bonding medium, in which the grain size of the laminated individual plating layers made of different metals is manufactured at the level of nanometers, is sintered and bonded at a temperature lower than the melting point of the existing bulk material by an exothermic reaction generated as the grain size changes due to sintering according to heating. this is possible In addition, when the thickness of the laminated plating layer is formed at the level of nanometers, the surface area between the plating layers is widened, making it more unstable and sintering at a temperature lower than the melting point of the existing bulk material.

나노 금속 분말도 용융 온도가 저하되는 현상이 나타나는데, 나노 금속 분말을 제조하기 위해서는 대기 중 산소와의 접촉 면적이 넓어 산화되기 쉬워 주로 산화가 잘 일어나지 않는 금, 은 등의 고가의 귀금속 분말을 사용하고 있다. 반면 본 발명으로 제조한 저온 소결 접합소재인 접합매개물의 가격은 나노 분말에 비해 매우 저렴하다.The melting temperature of nano-metal powder also decreases. In order to manufacture nano-metal powder, expensive precious metal powders such as gold and silver, which do not oxidize easily, are used because they have a large contact area with oxygen in the air and are easily oxidized. there is. On the other hand, the price of the bonding medium, which is a low-temperature sintering bonding material produced by the present invention, is very cheap compared to nanopowder.

또한, 제조 중 산화의 염려가 있는 나노 분말과 달리, 본 발명으로 제조한 저온 소결 접합소재 접합매개물은 귀금속이 아닌 금속도 대기 분위기의 상온 도금조 속에서 층층이 도금되기 때문에 산화의 염려(최외층은 대기 중 자연 산화막만 형성)가 없는 효과가 있다.In addition, unlike nanopowders, which are subject to oxidation during manufacture, the low-temperature sintered bonding material bonding medium manufactured by the present invention is plated layer by layer in a plating bath at room temperature in an air atmosphere, so that metals other than noble metals are not susceptible to oxidation (the outermost layer is There is an effect of not forming only a natural oxide film in the air.

또한, 본 발명은, 나노 분말이 급격한 산화 및 발열로 폭발이나 화재의 위험이 있는 기존과 달리 다층 도금막은 취급이 용이하고, 안전한 효과가 있다.In addition, in the present invention, the multi-layered plating film is easy to handle and has a safe effect, unlike conventional methods in which there is a risk of explosion or fire due to rapid oxidation and heat generation of nanopowder.

또한, 본 발명은, 진공 중 증착(sputtering) 등 물리적 증착법(PVD, physical vapor deposition) 또는 화학적 증착법(CVD, chemical vapor deposition)으로 다층 적층되는 방법과 달리 도금법을 이용하여 간편하게 대량 생산이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect that can be easily mass-produced by using a plating method, unlike a method in which multiple layers are laminated by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD), such as sputtering in vacuum. there is.

또한, 본 발명은, 롤 형태의 도금 전극을 사용하면 저온 소결 접합소재를 박리하여 독립적인 별개의 박판(foil) 형태의 접합재료로 제조할 수 있으며, 박판제조 생산성이 높아지는 효과가 있다.In addition, in the present invention, when a roll-shaped plating electrode is used, the low-temperature sintered bonding material can be peeled off to be manufactured as a bonding material in the form of an independent and separate foil, and there is an effect of increasing the productivity of thin plate manufacturing.

또한, 본 발명은, 도금액 조성과 펄스 및 도금시간을 조절하여 도금층의 그레인 사이즈 및 두께 조절이 가능하여 나노 그레인 사이즈에 의한 발열반응이 일어날 수 있는 저온 소결 접합소재를 제조 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of manufacturing a low-temperature sintering bonding material capable of generating an exothermic reaction due to the nano-grain size by controlling the composition of the plating solution, the pulse, and the plating time to control the grain size and thickness of the plating layer.

또한, 본 발명에서 나노 그레인 사이즈에 의한 발열 특성을 갖도록 제조된 저온 소결 접합소재는 기존의 벌크(bulk)형 접합매개물에 비해 접합 온도를 크게 낮출 수 있어서 에너지 가격을 크게 절약할 수 있는 효과가 있다. 예를 들어, 전자산업에서 구리를 접합하는 용도로 많이 사용하는 Sn-Ag계 납땜재의 벌크소재는 최저융점(eutectic 온도)이 약 221℃로서, 이때의 조성인 Sn-3.5wt%Ag 납땜재는 통상 250℃에서 피접합재인 구리를 접합한다. 반면 본 발명으로 제조된 Sn과 Ag를 교대로 쌓은 Sn-Ag계 다층 도금막을 접합매개물로 이용하면 벌크소재보다 낮은 약 160℃ 혹은 저온 소결 접합소재 적층 조건에 따라 그 이하의 온도에서도 피접합재인 구리를 접합할 수 있다. In addition, in the present invention, the low-temperature sintered bonding material manufactured to have exothermic characteristics due to the nano grain size can significantly lower the bonding temperature compared to the conventional bulk type bonding medium, thereby significantly saving energy prices. . For example, the bulk material of Sn-Ag brazing material, which is widely used for bonding copper in the electronics industry, has a minimum melting point (eutectic temperature) of about 221 ° C. Copper, which is a material to be joined, is joined at 250°C. On the other hand, if the Sn-Ag-based multilayer plating film manufactured by the present invention is alternately stacked with Sn and Ag as a bonding medium, copper, which is the material to be joined, can be bonded even at a temperature of about 160 ° C, which is lower than that of the bulk material, or lower than that depending on the low-temperature sintering bonding material lamination conditions. can be joined.

또한, 기존의 방법에서는 통상 한 종류의 나노 미터급 크기의 귀금속 분말로 융점이 저하되어 저온 접합을 행하는데, 본 발명에서는 단일의 금속이 도금된 금속 도금막 또는 2 이상의 다른 종류의 금속이 교대로 도금된 금속 도금막을 이루는 그레인 사이즈를 나노 미터급 크기로 조절하여 저온 소결 접합할 수 있는 효과가 있다. In addition, in the conventional method, low-temperature bonding is performed by lowering the melting point of a nanometer-sized precious metal powder, but in the present invention, a metal plating film on which a single metal is plated or two or more different types of metal are alternately There is an effect of low-temperature sintering bonding by adjusting the grain size of the plated metal plating film to a nanometer size.

또한, 본 발명을 통해 제조한 저온 소결 접합소재는 벌크형태의 기존 접합 매개물 합금 융점의 52.3%(Ni-Cu계 다층박막) 이상 87.1%(Cu-Ag계 다층박막) 이하의 온도 범위에서 피크가 나타났으며, 기존의 벌크형태의 접합매개물이 용융되지 않는 이 온도 범위에서도 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재를 이용하면 접합(브레이징, 솔더링)이 가능하다. 또한 이때의 접합온도는 도금층을 이루는 금속의 융점 이하에서도 접합이 가능하며, 하나의 접합 온도의 실시예로서(실시예 4) Ni-Cu계 저온 소결 접합소재의 제1 도금층 및 제2 도금층의 최저융점인 1083℃ 이하인 600℃ - 1000℃에서 접합하였다.In addition, the low-temperature sintering bonding material manufactured through the present invention has a peak in the temperature range of 52.3% (Ni-Cu multilayer thin film) or more and 87.1% (Cu-Ag multilayer thin film) or less of the melting point of the existing bonding medium alloy in bulk form. Even in this temperature range where the conventional bulk bonding medium does not melt, bonding (brazing, soldering) is possible by using the low-temperature sintered bonding material according to the present invention. In addition, the bonding temperature at this time enables bonding even below the melting point of the metal constituting the plating layer. Bonding was performed at 600 ° C - 1000 ° C, which is below the melting point of 1083 ° C.

물론, 본 발명법의 매개물을 사용하면 접합 상한 온도는 87.1% 보다 더 높은 온도인 기존 접합 매개물의 융점 혹은 피접합재의 융점 이하 범위까지 가능해지는 효과가 있다. Of course, if the medium of the present invention is used, the upper limit temperature of the bonding is possible up to the melting point of the existing bonding medium or the melting point of the material to be joined, which is higher than 87.1%.

또한, 다른 종류의 금속층을 교번되게 층상으로 적층시켜 전해도금 혹은 무 전해도금으로 제조된 저온 소결 접합소재는 적층된 개별 금속층이 얇아질수록 각 도금층 간 표면적의 증가로 인하여 불안정해지며, 저온 소결 접합소재를 이루는 각각의 도금층은 저온에서 승온 시 쉽게 발열 반응이 나타난다. 이 경우 기존의 벌크소재의 용융 온도보다 낮은 온도에서 소결되며, 이러한 저온 소결 현상은 저온 소결 접합소재를 이루는 각각의 도금층들의 적층 순서와는 상관이 없다.In addition, the low-temperature sintering joint material manufactured by electrolytic plating or non-electrolytic plating by alternately stacking different types of metal layers in layers becomes unstable due to an increase in the surface area between each plating layer as the individual metal layers laminated become thinner, and the low-temperature sintering joint Each plating layer constituting the material easily exhibits an exothermic reaction when the temperature is raised from a low temperature. In this case, it is sintered at a temperature lower than the melting temperature of the existing bulk material, and this low-temperature sintering phenomenon has nothing to do with the stacking order of each plating layer constituting the low-temperature sintered bonding material.

이를 사용하여 피접합재를 저온에서 접합할 수 있다. 따라서, 저온 솔더링이나 저온 브레이징이 가능해지는 효과가 있다. By using this, the materials to be joined can be joined at a low temperature. Therefore, there is an effect of enabling low-temperature soldering or low-temperature brazing.

도 1은 종래기술 1에 의한 다층 금속 박막의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법을 구현하기 위한 저온 소결 접합소재 제조 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 제조된 저온 소결 접합소재를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법을 구현하기 위한 환원 전위 측정법을 도시한 블럭도이다.
도 6은 제1 인가구간의 금속이 도금되는 전류, 전위 및 도금전원 장치의 기록 사진이다.
도 7은 제2 인가구간의 금속이 도금되는 전류, 전위, 반복 수 설정 및 도금전원 장치의 기록 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 도금액에서 금속염의 함량비 및 환원전위 차이에 따른 저온 소결 접합소재의 형성 여부를 나타낸 그래프이다.
도 9a 내지 도 9h는 본 발명에 따른 도금액에 제1 금속염과 제2 금속염의 종류 및 환원전위 값 조건을 각각 다르게 하였을 경우의 저온 소결 접합소재의 단면 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 도금액에서 금속염의 함량비 및 환원전위 차이에 따른 저온 소결 접합소재의 형성 여부를 나타낸 범위 그래프이다.
도 11은 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 형성된 Sn-Cu 다층 도금막의 단면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 12는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 적층된 개별 도금층이 두껍게 제조된 Sn-Cu 다층 도금막의 단면을 나타낸 주사전자현미경 (SEM)사진이다.
도 13은 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 형성된 Zn-Ni 다층 도금막의 단면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 14는 본 발명에 따른 금속염에 제3 금속염을 추가하는 경우, 제1 도금층, 제2 도금층, 제3 도금층이 교대로 적층되는 저온 소결 접합소재의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 저온 소결 접합소재를 이용하여 저온에서 접합하는 방법을 설명하기 위해 금속의 산화 환원이 이루어지는 조건을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 시 열 특성을 DTA(Differential Thermal Analysis)로 측정한 그래프이다.
도 17은 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 접합 매개물로 이용하여 600℃, 700℃, 800℃, 1000℃에서 10분간 304스테인레스강을 저온 소결 접합한 사진이다.
도 18은 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 접합 매개물로 이용하여 900℃에서 10분간 304스테인레스강을 저온 소결 접합한 후 인장 시험한 파면 사진이다.
도 19는 본 발명에서 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 시 열 특성을 DSC(Differential scanning calorimetry)로 측정한 그래프이다.
도 20은 본 발명에서 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 구리기판 위에 형성한 사진이다.
도 21은 본 발명에서 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용하여 10-3 torr의 진공로에서 160℃, 170℃, 210℃의 각각의 온도로 10분간 구리판을 저온 접합한 사진이다.
도 22는 본 발명에서 제조된 Cu-Ag 저온 소결 접합소재의 가열 시 열 특성을 DTA로 측정한 그래프이다.
도 23은 본 발명에서 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 전 도금된 상태 그대로의 제1 및 제2 도금층(좌)과 가열 후 확산으로 제1 및 제2 도금층이 소멸된(우) 모습의 사진이다.
도 24는 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 전 도금된 상태 그대로의 제1 및 제2 도금층(좌)과 가열 후 확산으로 제1 및 제2 도금층이 소멸된(우) 모습의 사진이다.
도 25는 본 발명에서 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재 및 Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 전/후 XRD 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 26은 다층막 금속 소재를 각 두 개의 도금층 두께의 합이 5㎛로 두껍게 제조하여 단면부를 나타낸 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 27은 다층막 금속 소재를 각 두 개의 도금층 두께의 합이 5㎛로 두껍게 제조하여 시차 주사 열량계(DSC)를 이용한 열특성을 측정한 가열 그래프이다.
도 28은 다층막 금속 소재를 각 두 개의 도금층 두께의 합이 5㎛로 두껍게 제조하여 접합한 접합부의 접합 후 실제 단면을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 29는 다층막 금속 소재의 층수를 6층으로 적층하는 것으로 제조하여 저온접합 한 구리전극 단면부를 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 30은 다층막 금속 소재의 도금 시간을 길게 하여 전체 도금 두께가 300㎛인 것으로 제조한 Sn-Cu계 금속 도금 박막의 단면부를 나타낸 광학현미경 사진이다.
1 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a multi-layer metal thin film according to Prior Art 1;
Figure 2 is a block diagram showing a low-temperature sintering bonding material manufacturing method of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram of a low-temperature sintering joining material manufacturing apparatus for implementing the low-temperature sintering joining material manufacturing method of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing a low-temperature sintered joint material manufactured by the low-temperature sintered joint material manufacturing method of the present invention.
5 is a block diagram showing a reduction potential measurement method for implementing the low-temperature sintering bonding material manufacturing method of the present invention.
FIG. 6 is a photograph of the current, potential, and recording of the plating power supply device in which the metal is plated in the first application period.
FIG. 7 is a photograph of the current, potential, repetition number settings and recording of the plating power supply for metal plating in the second application period.
8 is a graph showing whether a low-temperature sintered joint material is formed according to the content ratio of metal salts and the difference in reduction potential in the plating solution according to the present invention.
9A to 9H are cross-sectional photographs of a low-temperature sintered joint material in the case where conditions for the type and reduction potential value of the first metal salt and the second metal salt are set differently in the plating solution according to the present invention.
10 is a range graph showing whether a low-temperature sintered joint material is formed according to a content ratio of a metal salt and a difference in reduction potential in a plating solution according to the present invention.
11 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross-section of a Sn-Cu multilayer plating film formed by the low-temperature sintering bonding material manufacturing method of the present invention.
12 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross-section of a Sn-Cu multilayer plating film in which individual plating layers are thickly laminated by the low temperature sintering bonding material manufacturing method of the present invention.
13 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of a Zn-Ni multi-layer plating film formed by the low-temperature sintering bonding material manufacturing method of the present invention.
14 is a cross-sectional view of a low-temperature sintering bonding material in which a first plating layer, a second plating layer, and a third plating layer are alternately laminated when a third metal salt is added to a metal salt according to the present invention.
15 is a graph showing conditions under which oxidation and reduction of metals are performed to explain a method of bonding at a low temperature using the low-temperature sintering bonding material of the present invention.
16 is a graph obtained by measuring the thermal characteristics of the Ni-Cu low-temperature sintered joint material prepared in the present invention by differential thermal analysis (DTA) during heating.
17 is a photograph of low-temperature sintering and bonding of 304 stainless steel at 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C, and 1000 ° C for 10 minutes using the Ni-Cu low-temperature sintering joint material prepared in the present invention as a bonding medium.
18 is a photograph of a fracture surface obtained by performing a tensile test after low-temperature sintering and bonding of 304 stainless steel at 900 ° C. for 10 minutes using the Ni-Cu low-temperature sintering bonding material prepared in the present invention as a bonding medium.
19 is a graph measuring the thermal characteristics of the Sn-Cu low-temperature sintered joint material prepared in the present invention by differential scanning calorimetry (DSC) during heating.
20 is a photograph of the Sn-Cu low-temperature sintering bonding material manufactured in the present invention formed on a copper substrate.
21 is a photograph of low-temperature bonding of copper plates for 10 minutes at temperatures of 160 ° C, 170 ° C, and 210 ° C in a vacuum furnace of 10 -3 torr using the Sn-Cu low-temperature sintering bonding material prepared in the present invention as a bonding medium. am.
22 is a graph of the thermal characteristics measured by DTA during heating of the Cu-Ag low-temperature sintered bonding material prepared in the present invention.
23 shows the first and second plating layers (left) in a plated state before heating of the Sn-Cu low-temperature sintering bonding material manufactured in the present invention and the first and second plating layers disappearing due to diffusion after heating (right) is a picture of
24 shows the first and second plating layers (left) in a plated state before heating of the Ni-Cu low-temperature sintering joint material manufactured in the present invention, and the first and second plating layers disappearing due to diffusion after heating (right). is a picture of
25 is a graph showing the results of XRD analysis before and after heating of the Sn-Cu low-temperature sintered joint material and the Ni-Cu low-temperature sintered joint material prepared in the present invention.
26 is an electron microscope (SEM) photograph showing a cross-section of a multi-layered metal material having a thickness of 5 μm in the sum of the thicknesses of each of the two plating layers.
27 is a heating graph obtained by measuring thermal characteristics using a differential scanning calorimeter (DSC) after manufacturing a multi-layered metal material so that the sum of the thicknesses of each two plating layers is 5 μm.
28 is an optical microscope photograph showing an actual cross-section after bonding of a junction obtained by manufacturing a multi-layered metal material so that the sum of the thicknesses of each of the two plating layers is 5 μm.
29 is an optical micrograph showing a cross-section of a copper electrode manufactured by laminating the number of layers of a multi-layered metal material to 6 and cold-bonded.
30 is an optical microscope photograph showing a cross-section of a Sn-Cu-based metal plating thin film prepared by increasing the plating time of the multi-layer metal material and having a total plating thickness of 300 μm.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Prior to describing the present invention in detail below, it is understood that the terms used herein are intended to describe specific embodiments and are not intended to limit the scope of the present invention, which is limited only by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art unless otherwise specified.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.Throughout this specification and claims, the terms "comprise", "comprise" and "comprising", unless stated otherwise, are meant to include a stated object, step or group of objects, and steps, and any other object However, it is not used in the sense of excluding a step or a group of objects or a group of steps.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.On the other hand, various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments unless clearly indicated to the contrary. Any feature indicated as being particularly desirable or advantageous may be combined with any other features and characteristics indicated as being particularly desirable or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2에는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법을 도시한 블록도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법을 구현하기 위한 저온 소결 접합소재 제조 장치의 개략도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 제조된 저온 소결 접합소재를 도시한 단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법을 구현하기 위한 환원 전위 측정법을 도시한 블록도가 도시되어 있다.2 is a block diagram showing a method for manufacturing a low-temperature sintered joint material of the present invention, and FIG. 3 is a schematic diagram of a low-temperature sintered joint material manufacturing method for implementing the low-temperature sintered joint material manufacturing method of the present invention. 4 is a cross-sectional view showing a low-temperature sintered joint material manufactured by the low-temperature sintered joint material manufacturing method of the present invention, and FIG. 5 shows a reduction potential measurement method for implementing the low-temperature sintered joint material manufacturing method of the present invention. A block diagram is shown.

이들 도면을 참조하면, 본 발명의 도금법을 이용한 저온 소결 접합소재 제조방법은 적어도 1종 이상의 금속염이 포함된 수계 합금 도금액(15)에 전극(12, 13, 14)을 침지시킨 후 상기 전극(12, 13, 14)에 전압을 인가하여 모재상에 나노 그레인 사이즈를 갖는 금속 도금막을 형성하여 저온 소결 접합소재를 제조할 수 있다. 또한 제1 금속염 및 제2 금속염을 포함하는 두 가지 이상의 금속염이 포함된 수계 합금 도금액(15)에 전극(12, 13, 14)을 침지시킨 후 상기 전극(12, 13, 14)에 전압을 인가하여 나노 그레인 사이즈를 갖는 제1 도금층(33)과 제2 도금층(34)이 교대로 도금된 금속 도금막을 형성하여 저온 소결 접합소재를 제조할할 수 있다. Referring to these drawings, in the low-temperature sintering bonding material manufacturing method using the plating method of the present invention, after immersing the electrodes 12, 13, and 14 in an aqueous alloy plating solution 15 containing at least one metal salt, the electrode 12 , 13, 14) to form a metal plating film having a nano grain size on the base material by applying a voltage to manufacture a low-temperature sintered joint material. In addition, after immersing the electrodes 12, 13, and 14 in an aqueous alloy plating solution 15 containing two or more metal salts including a first metal salt and a second metal salt, voltage is applied to the electrodes 12, 13, and 14. Thus, a metal plating film in which the first plating layer 33 and the second plating layer 34 having a nano grain size are alternately plated is formed to manufacture a low-temperature sintering bonding material.

본 명세서에서 제1 도금층은 이론적으로 제1 금속 및 제2 금속이 모두 환원되어 도금되는 층이지만 제2 도금층에는 제1 금속이 미량으로 도금되므로 상대적으로 제1 금속이 주로 도금된 층이며, 실제 제1 금속 및 제2 금속의 합금과 제2 금속도 함유된 제1 금속 리치층을 의미한다. In this specification, the first plating layer is theoretically a layer on which both the first metal and the second metal are reduced and plated, but since the second plating layer is plated with a small amount of the first metal, it is a layer in which the first metal is relatively mainly plated. The first metal-rich layer including an alloy of the first metal and the second metal and the second metal is also included.

또한 제2 도금층은 제2 금속이 주로 도금된 층으로서 이론적으로는 순수 제2금속층을 의미하지만, 실제로는 제1 금속과 제2 금속의 합금, 및 제1 금속도 미량 함유되므로 이를 포함한 개념의 제2 금속 리치층을 의미한다. In addition, the second plating layer is a layer on which the second metal is mainly plated, and theoretically means a pure second metal layer, but in practice, since an alloy of the first metal and the second metal and a small amount of the first metal are also included, the second plating layer is a layer of the concept including this. 2 means a metal-rich layer.

각 도금층에 제1 금속, 제2 금속, 및 그 합금이 모두 포함되는 것은 하나의 전해조를 이용하는 경우 가해지는 전위가 이론상 특정 금속만을 환원시키는 전위이더라도 실제적인 전해도금의 특성상 어느 한 금속만으로 도금되지 않고, 나머지 금속도 같이 도금되는 경향이 있기 때문으로 보인다. The fact that the first metal, the second metal, and their alloys are all included in each plating layer means that even if an applied potential theoretically reduces only a specific metal when using one electrolytic bath, due to the characteristics of actual electroplating, only one metal is not plated. , it seems to be because the rest of the metal tends to be plated as well.

이를 구현하기 위한 방법으로 전극 및 수계 합금 도금액 준비 단계(S100), 전해 도금 회로 구성 단계(S110), 환원 전위 혹은 전류 인가 단계(S120), 전압 혹은 상응 전류, 시간 값 입력 단계(S130) 및 다층 도금 단계(S140)를 포함한다.As a method for implementing this, electrode and aqueous alloy plating solution preparation step (S100), electrolytic plating circuit construction step (S110), reduction potential or current application step (S120), voltage or corresponding current, time value input step (S130), and multi-layer A plating step (S140) is included.

본 발명에서 도금액 속의 금속염은 이온화가 되어 있는 형태로서, 전류를 이용하여 음극에 석출시키기 위해서는 각 금속 원소의 환원 전위 보다 높은 전압을 걸어 주어야 한다. 두 가지 이상의 금속염이 존재하는 도금액의 경우 두 원소의 표준 환원 전위 차이가 존재하며, 이에 따라 우세하게 도금되는 금속의 종류가 달라지는 전압 구간이 나타난다. 이러한 전압 구간을 교대로 인가하면 다량으로 도금되는 금속의 종류가 다른 도금층이 교대로 석출되게 된다. 이때의 전압 구간은 제1 금속이 우세하게 도금되는 제1 인가구간과, 제2 금속이 우세하게 도금되는 제2 인가구간으로 나타낼 수 있다.In the present invention, the metal salt in the plating solution is in an ionized form, and a voltage higher than the reduction potential of each metal element must be applied to deposit it on the cathode using an electric current. In the case of a plating solution containing two or more metal salts, there is a standard reduction potential difference between the two elements, and accordingly, a voltage range in which the type of metal to be predominantly plated varies. When these voltage sections are alternately applied, plating layers of different types of metals to be plated in large amounts are alternately deposited. The voltage interval at this time may be represented by a first application period in which the first metal is predominantly plated and a second application period in which the second metal is predominantly plated.

이와 같이, 본 발명에서 교대로 석출되는 도금층은 넓은 면의 형태로 이루어진 박막이 규칙적인 순서로 쌓여 층상 구조를 이루게 된다. 이때, 금속 도금막 내의 개별 금속층의 그레인 사이즈가 나노미터 급으로 작아지게 되면 그 특성이 벌크(Bulk) 금속의 특성과는 현저하게 달라진다. 구체적으로 나노 그레인 사이즈를 갖는 도금층은 도금층을 이루는 입자 표면의 비표면적이 매우 크기 때문에 엔탈피 감소를 위해 비표면적이 낮은 큰 입자로 성장하려는 경향을 가지며, 이러한 경향에 의해 가열 시 일어나는 소결 반응의 구동력이 증가, 즉 엔탈피 감소에 의한 발열 반응에 의해 소결 반응의 구동력이 증가하게 되어 일반적인 벌크 금속의 소결온도보다 낮은 온도에서 소결이 일어난다. 또한 나노 그레인 사이즈에 의하여 도금층 두께가 나노미터급으로 형성되는 경우 각 도금층 간 표면적의 증가로 인하여 불안정해지기 때문에 적층된 각각의 도금층들은 저온에서 승온 시 쉽게 발열 반응이 나타난다. 이로 인해 벌크 소재 상태에서의 소결 온도보다 낮은 온도에서도 쉽게 소결되어 접합할 수 있다. 따라서, 일반적으로 고온에서 수행되는 접합 공정을 저온에서도 수행할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.As such, in the present invention, plating layers alternately deposited form a layered structure in which thin films formed in the form of wide surfaces are stacked in regular order. At this time, when the grain size of the individual metal layer in the metal plating film is reduced to the nanometer level, its characteristics are significantly different from those of the bulk metal. Specifically, since the plating layer having a nano grain size has a very large specific surface area of the surface of the particles constituting the plating layer, it tends to grow into large particles with a low specific surface area in order to reduce enthalpy. The driving force of the sintering reaction is increased by an exothermic reaction caused by an increase in enthalpy, that is, a decrease in enthalpy, so that sintering occurs at a temperature lower than the sintering temperature of a general bulk metal. In addition, when the thickness of the plating layer is formed on the order of nanometers due to the nano grain size, the surface area between each plating layer becomes unstable due to an increase in the surface area between each plating layer, so that each of the laminated plating layers easily exhibits an exothermic reaction when the temperature is raised from a low temperature. Due to this, it can be easily sintered and joined even at a temperature lower than the sintering temperature in the bulk material state. Therefore, it can play a role in enabling a bonding process, which is generally performed at a high temperature, to be performed at a low temperature.

여기서, 본 발명의 도금법을 이용한 저온 소결 접합소재 제조방법을 구현하기 위한 저온 소결 접합소재 제조 장치(10)는 용기(11), 기준 전극(12), 양극(13), 음극(14), 교반용 마그네틱(16) 및 제어부로서 PC(20)를 포함한다.Here, the low-temperature sintering joining material manufacturing apparatus 10 for implementing the low-temperature sintering joining material manufacturing method using the plating method of the present invention includes a container 11, a reference electrode 12, an anode 13, a cathode 14, a stirring It includes a magnetic 16 and a PC 20 as a control unit.

용기(11)는 개구된 상단을 마개(11a)로 마감하며, 내부 바닥에 교반용 마그네틱(16)이 설치되는 도금욕이다.The container 11 is a plating bath in which the open top is closed with a stopper 11a and a magnetic stirrer 16 is installed on the inner bottom.

기준 전극(12)으로는 포화 칼로멜 전극을 사용하였다. 양극(13) 전극으로는 10mm X 0mm의 백금(Pt) 전극을 사용하였으며, 음극(14) 전극으로는 10mm X 0mm의 구리(Cu) 전극을 사용하였다. 양극과 음극은 도금 조건에 따라 다른 종류의 전도성 금속을 사용할 수 있으며 크기 조정도 가능하다. 전원은 일정전류와 일정전압을 줄 수 있는 것을 모두 사용할 수 있다.As the reference electrode 12, a saturated calomel electrode was used. A 10 mm X 0 mm platinum (Pt) electrode was used as the anode 13 electrode, and a 10 mm X 0 mm copper (Cu) electrode was used as the cathode 14 electrode. The anode and cathode can use different types of conductive metals depending on the plating conditions, and the size can be adjusted. As a power source, both a constant current and a constant voltage can be used.

교반용 마그네틱(16)은 상기 용기(11)의 바닥면에 배치되어 상기 용기(11) 내에 저장된 도금액을 교반시키며, 상기 용기(11)의 하단에서 구동축에 구동 마그네틱(도면에 미도시)이 구비된 구동모터(도면에 미도시)를 구동시키면 자력에 의해 상기 구동 마그네틱이 상기 용기(11)의 바닥면에 배치된 교반용 마그네틱(16)이 연동시키는 원리를 이용하여 작동된다.The stirring magnet 16 is disposed on the bottom surface of the container 11 to stir the plating solution stored in the container 11, and a driving magnet (not shown in the drawing) is provided on the drive shaft at the bottom of the container 11. When the driving motor (not shown in the drawing) is driven, the driving magnet is operated by using the principle of interlocking the magnetic stirring magnet 16 disposed on the bottom surface of the container 11 by the magnetic force.

제어부로서 PC(20)는 전압 및 전류 파형이 조절 가능한 전원, 파형 조절 프로그램 등의 소프트웨어가 설치되어 있고, 입력 및 조작을 통해 전압 및 전류 파형 제어가 가능하다. 한편, 상기 PC(20)에는 양극(13)과 전선을 통해 전기적으로 연결되도록 전원의 양극(17)이 설치되고, 기준 전극(12)과 전선을 통해 전기적으로 연결되도록 전원의 기준전극(18)이 설치되며, 음극(14)과 전선을 통해 전기적으로 연결되도록 전원의 음극(19)이 설치된다.As a controller, the PC 20 is installed with software such as a power source capable of controlling voltage and current waveforms and a waveform control program, and can control voltage and current waveforms through input and manipulation. On the other hand, in the PC 20, the anode 17 of the power source is installed to be electrically connected to the anode 13 through a wire, and the reference electrode 18 of the power source is electrically connected to the reference electrode 12 through a wire. is installed, and the negative electrode 19 of the power source is installed so that it is electrically connected to the negative electrode 14 through a wire.

전극 및 수계 합금 도금액 준비 단계(S100)는 전극과 수계 합금 도금액(15)을 각각 준비, 제조하는 단계이다. 이때, 상기 전극은 기준 전극(12)과, 양극(13) 및 음극(14)을 포함한다. 그리고 도금액(15)에는 금속염이 포함되며, 산 및 첨가제가 더 포함될 수 있다. 적어도 1종 이상의 금속으로 금속 도금막을 형성하는 경우 금속염으로는 제1 금속염이 포함되고, 2 이상의 다른 종류의 금속이 교대로 적층되어 금속 도금막을 형성하는 경우 금속염으로는 제1 금속염과 제2 금속염이 포함된다.The electrode and aqueous alloy plating solution preparation step (S100) is a step of preparing and manufacturing the electrode and the aqueous alloy plating solution 15, respectively. At this time, the electrode includes a reference electrode 12, an anode 13 and a cathode 14. The plating solution 15 includes a metal salt, and may further include an acid and an additive. When a metal plating film is formed with at least one metal, the metal salt includes a first metal salt, and when two or more different types of metals are alternately stacked to form a metal plating film, the metal salt includes a first metal salt and a second metal salt. included

여기서, 제1, 2 금속염은 주석(Sn), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 비소(As), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 안티몬(Sb), 텔루륨(Te), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi) 등의 금속을 포함하며, 2 이상의 다른 종류의 금속이 교대로 적층된 다층 금속 도금막의 경우 바람직하게는 표준 환원 전위가 0.029V 이상, 1.0496V 이하 범위에서 차이가 나는 원소의 금속염을 둘 이상 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 도금액 중의 상기 제1, 2 금속염의 농도비는 바람직하게는 2:1에서 100:1의 범위에서 선택하여 사용한다. 이때, 본 실시 예에서는 가장 활용도가 높은 Cu, Sn, Pb, Bi, Ag, Ni, Zn을 선택하여 다층 도금을 실시하는 것으로 예시한다. Here, the first and second metal salts are tin (Sn), copper (Cu), zinc (Zn), nickel (Ni), aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese ( Mn), Iron (Fe), Cobalt (Co), Gallium (Ga), Germanium (Ge), Arsenic (As), Zirconium (Zr), Niobium (Nb), Molybdenum (Mo), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd), indium (In), antimony (Sb), tellurium (Te), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), Includes metals such as rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), thallium (Tl), lead (Pb), and bismuth (Bi), and includes two or more different types In the case of a multi-layered metal plating film in which metals are alternately stacked, two or more metal salts of elements having standard reduction potentials differing in the range of 0.029V or more and 1.0496V or less may be selected and used. In addition, the concentration ratio of the first and second metal salts in the plating solution is preferably selected from the range of 2:1 to 100:1. At this time, in this embodiment, it is exemplified that multi-layer plating is performed by selecting Cu, Sn, Pb, Bi, Ag, Ni, and Zn, which have the highest utilization.

또한 제1 금속염 및 제2 금속염으로 사용되는 2 이상의 금속염 중 상대적으로 표준 환원 전위가 높은 금속을 제1 금속염으로, 상대적으로 표준 환원 전위가 낮은 금속을 제2 금속염으로 칭한다. 본 명세서에서 표준수소전극의 표준환원전위( 0.000V)를 기준으로 해당 금속염의 금속이온이 수소이온보다 환원되기 어려운 정도를 비교하여 수소이온보다 더 환원되기 어려울수록 '표준 환원 전위가 높다'고 기재하였으며, 표준 환원 전위의 부호가 (-)이고 절대값이 클수록 '표준 환원 전위가 높다'는 것을 의미한다. Among two or more metal salts used as the first metal salt and the second metal salt, a metal having a relatively high standard reduction potential is referred to as a first metal salt, and a metal having a relatively low standard reduction potential is referred to as a second metal salt. In this specification, based on the standard reduction potential (0.000V) of the standard hydrogen electrode, the degree to which the metal ion of the corresponding metal salt is more difficult to reduce than the hydrogen ion is compared, and the more difficult it is to reduce than the hydrogen ion, the higher the standard reduction potential. The sign of the standard reduction potential is (-), and the larger the absolute value, the higher the standard reduction potential.

그리고 산의 경우 염산, 황산, 메탄술포나이트산(MSA), 질산, 붕산, 아세트산, 유기 황산, 구연산, 포름산, 아스코로브산, 불산, 인산, 젖산, 아미노산, 하이포아염소산 등 이온화되어 전기를 통하기 쉬운 산을 사용할 수 있으며, 실시 예에서는 저가로 구하기가 용이한 황산을 사용하였다.And in the case of acids, hydrochloric acid, sulfuric acid, methanesulfonitic acid (MSA), nitric acid, boric acid, acetic acid, organic sulfuric acid, citric acid, formic acid, ascorbic acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, lactic acid, amino acid, hypochlorous acid, etc. are ionized to conduct electricity. An easy acid can be used, and in the embodiment, sulfuric acid, which is easy to obtain at low cost, was used.

그리고 첨가제의 경우 도금막 표면을 균일하게 하기 위함이며, 평탄제(평활제), 가속제, 억제제를 첨가할 수 있다. 또한, 경우에 따라 거품제거제, 광택제, 입자미세화제 등 여러 가지 다양한 첨가제를 사용할 수 있다. 실시 예에서는 첨가제로 평탄제 중 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르(Polyoxiethylene Lauryl Ether, POELE)를 사용하였으나, 이를 사용하지 않아도 다층막 형성은 가능하다.In addition, additives are used to make the surface of the plating film uniform, and a leveling agent (smoothing agent), an accelerator, and an inhibitor may be added. In addition, various additives such as a defoaming agent, a polishing agent, and a particle refiner may be used depending on the case. In the embodiment, polyoxyethylene lauryl ether (POELE) among the leveling agents was used as an additive, but it is possible to form a multilayer film without using it.

전해 도금 회로 구성 단계(S110)는 수계 합금 도금액(15)에 기준 전극(12)과, 양극(13) 및 음극(14)을 침지시킨 후 전원을 연결하여 전해 도금 회로를 구성하는 단계이다. 즉, 상기 전해 도금 회로 구성 단계(S110)에서 회로의 전자 이동은 양극(13), 전원, 음극(14) 순서로 이동한다.The electrolytic plating circuit configuration step (S110) is a step of immersing the reference electrode 12, the anode 13, and the cathode 14 in the aqueous alloy plating solution 15 and then connecting power to configure the electrolytic plating circuit. That is, in the electrolytic plating circuit configuration step (S110), the electrons of the circuit move in the order of the anode 13, the power supply, and the cathode 14.

환원 전위 혹은 전류 인가 단계(S120)는 제어부인 PC(20)의 소프트웨어를 통해 환원 전위(전압) 혹은 전류를 입력하여 인가하는 단계이다. 이때, 상기 환원 전위 혹은 전류 인가 단계(S120) 수행 시 스퀘어 펄스 형태로 전압 또는 전류를 입력한다. 적어도 1종 이상의 금속으로 금속 도금막을 형성하는 경우 펄스 전압 및 전류는 금속이 도금되는 제1 인가구간과 금속이 도금되지 않는 제2 인가구간이 반복되도록 인가되고, 2 이상의 다른 종류의 금속이 교대로 적층되어 금속 도금막을 형성하는 경우 펄스 전압 및 전류는 제1 금속이 우세하게 도금되는 제1 인가구간과 제2 금속이 우세하게 도금되는 제2 인가구간이 반복되도록 인가된다. The reduction potential or current application step (S120) is a step of inputting and applying a reduction potential (voltage) or current through the software of the PC 20 as a control unit. At this time, when the reduction potential or current applying step (S120) is performed, voltage or current is input in the form of a square pulse. In the case of forming a metal plating film with at least one type of metal, the pulse voltage and current are applied so that the first application period in which metal is plated and the second application period in which metal is not plated are repeated, and two or more different types of metal are alternately applied. When the metal plating film is formed by stacking, the pulse voltage and current are applied so that the first application period in which the first metal is predominantly plated and the second application period in which the second metal is predominantly plated are repeated.

각 구간은 시간에 따른 입력 전압 또는 전류의 변화, 즉 도금 전압(또는 전류) 및 지속시간으로 나타낼 수 있으며, 제1 인가구간은 제1 전압(또는 이에 상응하는 전류)이 제1 시간 동안 인가되고, 제2 인가구간은 제2 전압(또는 이에 상응하는 전류)이 제2 시간 동안 인가되는 펄스 형태를 나타낸다. Each section may be represented by a change in input voltage or current over time, that is, plating voltage (or current) and duration, and in the first applying section, a first voltage (or current corresponding thereto) is applied for a first time and , The second applying period represents a pulse shape in which a second voltage (or current corresponding thereto) is applied for a second time.

도금 박막의 두께 조건 입력 단계(S130)는 제1 도금층(33)과 제2 도금층(34)에 대해 원하는 발열 특성을 갖는 도금 두께에 맞는 전압 혹은 상응하는 전류, 시간 및 사이클 수를 PC(20)의 소프트웨어를 통해 입력하는 단계이다.In the step of inputting the thickness condition of the plated thin film (S130), the voltage corresponding to the plating thickness having the desired heat generation characteristic for the first plated layer 33 and the second plated layer 34 or the corresponding current, time, and number of cycles is input to the PC 20. This step is entered through the software of

적어도 1종 이상의 금속으로 금속 도금막을 형성하는 경우 도금층이 형성되는 제1 인가구간은 제1 전압(V1)이 제1 시간(t1) 동안 인가되는 구간으로서, 제1 전압(V1)은 0V에서 -4.5V 사이의 전압, 더욱 바람직하게는 0V에서 -1.67V 사이의 전압으로 인가된다.When a metal plating film is formed with at least one metal, the first applying period in which the plating layer is formed is a period in which the first voltage V 1 is applied for the first time t 1 , and the first voltage V 1 is A voltage between 0V and -4.5V, more preferably between 0V and -1.67V is applied.

제1 시간(t1)의 조절을 통해 도금층의 두께를 조절하며, 제1 시간(t1)은 0 < t1 ≤ 10 (min) 범위 내에서 하나의 제1 인가구간에서 형성되는 도금층의 그레인 사이즈가 10nm 내지 150nm가 되도록 제1 시간(t1)을 결정한다. The thickness of the plating layer is controlled by controlling the first time (t 1 ), and the first time (t 1 ) is the grain of the plating layer formed in one first application period within the range of 0 < t 1 ≤ 10 (min) The first time (t 1 ) is determined so that the size is 10 nm to 150 nm.

적어도 1종 이상의 금속으로 금속 도금막을 형성하는 경우 도금층이 형성되지 않는 제2 인가구간은 0V 전압이 제2 시간(t2) 동안 인가되는 구간으로서, 제2 시간(t2)은 0 < t2 ≤ 200 (min) 범위 내이며, 제2 시간(t2)은 제1 시간(t1)의 0.5 내지 20배인 것이 바람직하다. When a metal plating film is formed with at least one metal, the second applying period in which no plating layer is formed is a period in which the 0V voltage is applied for a second time period (t 2 ), and the second time period (t 2 ) is 0 < t 2 ≤ 200 (min), and the second time period (t 2 ) is preferably 0.5 to 20 times the first time period (t 1 ).

2 이상의 다른 종류의 금속이 교대로 적층되어 금속 도금막을 형성하는 경우 제1 도금층(33)이 형성되는 제1 인가구간은 제1 전압(V1)을 제1 시간(t1) 동안 인가하는 구간으로서, 제1 전압(V1)은 0V에서 -4.5V 사이의 전압, 더욱 바람직하게는 0V에서 -1.67V 사이의 전압으로 인가된다. 제1 전압(V1)은 제1 금속이 우세하게 도금되는 전압으로 인가된다. When two or more different types of metals are alternately stacked to form a metal plating film, the first application period in which the first plating layer 33 is formed is a period in which a first voltage V 1 is applied for a first time period t 1 . As, the first voltage (V 1 ) is applied as a voltage between 0V and -4.5V, more preferably between 0V and -1.67V. The first voltage V 1 is applied as a voltage at which the first metal is predominantly plated.

제1 시간(t1)의 조절을 통해 제1 도금층의 두께를 조절하며, 제1 시간(t1)은 0 < t1 ≤ 10 (min) 범위 내에서 하나의 제1 인가구간에서 형성되는 제1 도금층의 단일 두께가 10nm 내지 150nm가 되도록 제1 시간(t1)을 결정한다. The thickness of the first plating layer is controlled by adjusting the first time (t 1 ), and the first time (t 1 ) is a first application period formed in one first application period within the range of 0 < t 1 ≤ 10 (min). The first time (t 1 ) is determined so that the single thickness of one plating layer is 10 nm to 150 nm.

또한 제2 도금층(34)이 형성되는 제2 인가구간은 제2 전압(V2)을 제2 시간(t2) 동안 인가하는 구간으로서, 제2 전압(V2)은 0V에서 -4.5V 사이의 전압, 더욱 바람직하게는 0V에서 -1.67V 사이의 전압으로 인가된다. In addition, the second application period in which the second plating layer 34 is formed is a period in which the second voltage V 2 is applied for a second time period t 2 , and the second voltage V 2 is between 0V and -4.5V. A voltage of, more preferably, a voltage between 0V and -1.67V is applied.

제2 시간(t2)의 조절을 통해 제2 도금층의 두께를 조절하며, 제2 시간(t2)은 0 < t2 ≤ 200 (min) 범위 내에서 하나의 제2 인가구간에서 형성되는 제2 도금층의 단일 두께가 10nm 내지 150nm가 되도록 제2 시간을 결정한다. 또한 제2 시간(t2)은 제1 시간(t1)의 0.5 내지 20배인 것이 바람직하다.The thickness of the second plating layer is controlled by adjusting the second time period (t 2 ), and the second time period (t 2 ) is formed in one second application period within the range of 0 < t 2 ≤ 200 (min). The second time is determined so that the single thickness of the two plating layers is 10 nm to 150 nm. Also, the second time period t 2 is preferably 0.5 to 20 times the first time period t 1 .

제1 인가구간 및 제2 인가구간이 각 1회씩 도금되는 경우를 1 사이클이라고 할 때, 본 발명에 따른 접합소재는 적어도 1 사이클 이상으로 하여 적어도 1층 이상의 제1 도금층 및 적어도 1층 이상의 제2 도금층이 포함되도록 한다. 바람직하게는 6 사이클 이상으로 하여 적어도 6층 이상의 제1 도금층 및 적어도 6층 이상의 제2 도금층이 반복하여 형성되도록 한다. When the case where the first application period and the second application period are plated once each is referred to as one cycle, the bonding material according to the present invention is at least one cycle, and at least one first plating layer and at least one second plating layer are applied. A plating layer is included. Preferably, the first plating layer of at least 6 layers or more and the second plating layer of at least 6 layers are repeatedly formed in 6 cycles or more.

적어도 1층 이상의 제1 도금층 및 적어도 1층 이상의 제2 도금층을 반복하여 포함하는 금속 도금막의 전체 두께가 0.6nm 내지 300μm로 형성되도록 제1 시간(t1) 및 제2 시간(t2)을 1 사이클 이상 반복한 총 시간을 조절한다. The first time (t 1 ) and the second time (t 2 ) are set to 1 so that the total thickness of the metal plating film including at least one first plating layer and at least one or more second plating layer is repeatedly formed to be 0.6 nm to 300 μm. Adjusts the total time repeated over the cycle.

즉, 상기 도금 박막의 두께 조건 입력 단계(S130)는 두께 조건에 따라 0V에서 -4.5V사이의 전압 혹은 상응하는 전류, 시간 값을 조절함으로써 1, 2 구간 도금층의 두께를 조절할 수 있다. 바람직하게는 본 발명에서 0V에서 -1.67V 사이의 전압 혹은 상응하는 전류, 시간 값을 조절함으로써 1, 2 구간 도금층의 두께를 조절할 수 있다. That is, in the step of inputting the thickness condition of the plated thin film (S130), the thickness of the plating layer in the first and second sections can be adjusted by adjusting the voltage between 0V and -4.5V or the corresponding current and time values according to the thickness condition. Preferably, in the present invention, the thickness of the plating layer of the first and second sections can be adjusted by adjusting the voltage between 0V and -1.67V or the corresponding current and time values.

환원 전위가 -1.67V보다 높은 경우의 원소들은 (예를 들어 Li, Na, Ca등) 본 발명의 도금법으로 환원이 어려워서 제조가 어렵고, 0V 이하인 경우 귀금속 재료로서 이온화되기 어려워 도금이 곤란하다. 또한 0V 이하인 경우 금속 에칭이 일어나 도금층이 잘 형성되지 않는 문제점이 있다.Elements with a reduction potential higher than -1.67V (for example, Li, Na, Ca, etc.) are difficult to manufacture due to reduction by the plating method of the present invention. In addition, when the voltage is less than 0V, there is a problem in that the plating layer is not well formed due to metal etching.

다층 도금 단계(S140)는 단일 도금층 또는 제1 도금층(33)과 제2 도금층(34)의 순차적인 도금을 통해 저온 소결 접합소재를 획득하는 단계이다. 도금액 속의 금속염은 이온화가 되어있는 형태로서 환원하여 음극에 석출시키기 위해서는 각 원소의 환원 전위보다 높은 전압을 걸어 주어야 하는데, 전술한 것과 같이 제1 전압(또는 이에 상응하는 전류) 및 제2 전압(또는 이에 상응하는 전류)을 반복하여 인가하여 금속이 석출되는 층이 반복하여 나타나거나 제1 금속이 우세하게 석출되는 도금층층과 제2 금속이 우세하게 석출되는 도금층이 교대로 반복하여 나타나게 된다. 도금층은 적층된 수가 많을수록 도금층간 표면적이 넓어져 불안정하다. 단, 도금시의 전류밀도는 한계 전류밀도를 넘지 않도록 하여야 한다.The multi-layer plating step ( S140 ) is a step of obtaining a low-temperature sintered joint material through sequential plating of a single plating layer or the first plating layer 33 and the second plating layer 34 . The metal salt in the plating solution is reduced in an ionized form and deposited on the cathode, so that a voltage higher than the reduction potential of each element must be applied. As described above, the first voltage (or current corresponding thereto) and the second voltage (or Corresponding current) is repeatedly applied so that the layer in which the metal is precipitated appears repeatedly, or the plating layer in which the first metal is predominately precipitated and the plating layer in which the second metal is predominately precipitated alternately and repeatedly appears. As the number of plated layers increases, the surface area between the plated layers increases and becomes unstable. However, the current density during plating should not exceed the limit current density.

한편, 저온 소결 접합소재는 단일 금속의 도금층이나 제1 도금층(33)과 제2 도금층(34)이 발열특성을 나타낼 수 있도록, 제1 인가구간 및 제2 인가구간을 1회 반복한 1 사이클 후 형성된 단일 금속의 도금층의 두께 또는 제1 도금층(33) 및 제2 도금층(34)의 두께의 합이 0.1nm 에서 5㎛ 범위로 형성되도록 한다. On the other hand, the low-temperature sintered bonding material is obtained after one cycle of repeating the first application period and the second application period once so that the plating layer of a single metal or the first plating layer 33 and the second plating layer 34 can exhibit exothermic characteristics. The thickness of the formed single metal plating layer or the sum of the thicknesses of the first plating layer 33 and the second plating layer 34 is formed in a range of 0.1 nm to 5 μm.

또한, 상기 저온 소결 접합소재에서 단일 금속의 도금층 또는 상기 제1 도금층(33) 및 제2 도금층(34)을 포함하는 금속 도금막은 적어도 6층 이상의 적층된 구조로 이루어진 다층 금속 도금막인 것이 바람직하다. 이러한 금속 도금막들이 6층 미만일 경우에는 접합 시 소결 거동 중 도금층 사이에서 주로 일어나는 치밀화(densification)가 잘 이루어지지 않아 접합부의 접합력이 떨어지고 접합신뢰도가 저하될 수 있으므로, 바람직하지 않다.In addition, in the low-temperature sintering bonding material, it is preferable that the plating layer of a single metal or the metal plating film including the first plating layer 33 and the second plating layer 34 be a multi-layer metal plating film having a laminated structure of at least six layers. . If these metal plating layers are less than 6 layers, densification, which mainly occurs between plating layers during sintering during bonding, may not be achieved, resulting in poor bonding strength and reduced bonding reliability, which is not preferable.

더욱이, 상기 다층 도금 단계(S140) 수행 시 전위 사이클의 수로 쉽게 다층의 수를 조절할 수 있다.Moreover, the number of multilayers can be easily adjusted by the number of potential cycles when the multilayer plating step (S140) is performed.

또한, 제1 금속염과 제2 금속염의 환원 전위 차이를 측정하여, 본 발명의 제1 도금층(33)과 제2 도금층(34)이 교대로 도금된 저온 소결 접합소재 제조를 위한 환원 전위 혹은 전류 인가 단계(S120)를 수행할 수 있다.In addition, by measuring the difference in reduction potential between the first metal salt and the second metal salt, applying a reduction potential or current for manufacturing a low-temperature sintered joint material in which the first plating layer 33 and the second plating layer 34 are alternately plated according to the present invention Step S120 may be performed.

이때, 상기 금속염의 환원 전위 차이를 측정하는 단계는 합금 도금액 제조 단계(S200), 전극 준비 단계(S210), 전해 도금 회로 구성 단계(S220), 전원 인가 단계(S230), 분극 곡선 측정 단계(S240) 및 도금될 금속의 환원 전위 및 전류 측정 단계(S250)를 포함하며, 금속염의 환원 전위를 측정하는 이유는 제1 도금층과 제2 도금층을 형성하기 위해 이들 금속이 환원되는 전위 이상의 전압을 주기 위함이다.At this time, the step of measuring the difference in reduction potential of the metal salt is alloy plating solution preparation step (S200), electrode preparation step (S210), electroplating circuit construction step (S220), power application step (S230), polarization curve measurement step (S240). ) and measuring the reduction potential and current of the metal to be plated (S250), the reason for measuring the reduction potential of the metal salt is to give a voltage higher than the potential at which these metals are reduced to form the first plating layer and the second plating layer. am.

여기서, 상기 합금 도금액 제조 단계(S200), 전극 준비 단계(S210), 전해 도금 회로 구성 단계(S220) 및 전원 인가 단계(S230)는 상기 저온 소결 접합소재 제조방법의 구성 단계인 상기 전극 및 수계 합금 도금액 준비 단계(S100), 전해 도금 회로 구성 단계(S110) 및 환원 전위 혹은 전류 인가 단계(S120)와 대응되므로 상세한 설명은 생략한다.Here, the alloy plating solution manufacturing step (S200), electrode preparation step (S210), electrolytic plating circuit configuration step (S220), and power application step (S230) are the configuration steps of the low-temperature sintering bonding material manufacturing method, and the electrode and water-based alloy Since it corresponds to the plating solution preparation step (S100), the electrolytic plating circuit construction step (S110), and the reduction potential or current application step (S120), detailed descriptions are omitted.

그리고 환원 전위를 알고 있다고 하면 저온 소결 접합소재 제조방법을 바로 실행할 수 있다. 한편, 상기 분극 곡선 측정 단계(S240) 및 도금될 금속의 환원 전위 및 전류 측정 단계(S250)는 최초 1회만 실시한 후 다시 실행하지 않아도 된다. 더욱이, 환원 전위 차이를 측정하기 위한 방법은 타펠(Tafel) 곡선(단위시간당 일정 전압을 변화시켜 그때의 전류밀도를 히스테리시스 곡선으로 나타내면 기울기의 변화가 나타나는 구간이 환원전위로 나타남)을 측정하는 것이다.In addition, if the reduction potential is known, the low-temperature sintering joint material manufacturing method can be executed immediately. Meanwhile, the polarization curve measurement step (S240) and the reduction potential and current measurement step (S250) of the metal to be plated do not need to be performed again after being performed only once. Furthermore, a method for measuring the difference in reduction potential is to measure a Tafel curve (when a constant voltage per unit time is changed and the current density at that time is represented as a hysteresis curve, a section in which a change in slope appears as a reduction potential) is measured.

결국, 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 제조된 저온 소결 접합소재는 발열 특성을 갖도록 하기 위해 쉽게 나노미터 두께까지의 적층을 형성할 수 있으며, 적층의 수를 수만 층 이상 늘릴 수도 있다.As a result, the low-temperature sintered joint material manufactured by the low-temperature sintered joint material manufacturing method of the present invention can easily form laminates up to nanometer thickness in order to have exothermic properties, and the number of laminates can be increased to tens of thousands of layers or more.

한편, 본 발명에 의한 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 제조된 저온 소결 접합소재(30)는 단일 금속으로 다층 금속 도금막을 형성하는 경우(미도시)에 도시된 바와 같이 가장자리에 절연테이프(32)가 마감된 전도성 기판(31) 상에 단일 도금층이 반복되어 적층되는 것이고, 2 이상의 다른 종류의 금속이 교대로 적층되어 다층 금속 도금막을 형성하는 경우 도 4에 도시된 바와 같이 제1 도금층(33)과 제2 도금층(34)이 순차적으로 적층되는 것이다. On the other hand, the low-temperature sintering joint material 30 manufactured by the low-temperature sintering joint material manufacturing method according to the present invention has an insulating tape 32 at the edge as shown in the case of forming a multi-layer metal plating film with a single metal (not shown) When a single plating layer is repeatedly laminated on the conductive substrate 31 finished with, and two or more different types of metals are alternately laminated to form a multi-layer metal plating film, as shown in FIG. 4, the first plating layer 33 and the second plating layer 34 are sequentially laminated.

상기 저온 소결 접합소재는 종류가 다른 낱개의 도금층이 수 층에서 수 만 층 이상까지 교번된 형태로 구현하여 접합성을 더욱 향상시킬 수 있다.The low-temperature sintering bonding material is implemented in the form of alternating individual plating layers of different types from several to tens of thousands of layers, so that bonding properties can be further improved.

한편, 상기 저온 소결 접합소재를 형성한 모재의 저온 소결 접합은 접합면의 산화를 일으키지 않는 분위기인 진공, 불활성 기체, 환원성기체 분위기에서 실시되며, 대기 중에서도 용제(flux)를 사용하여 실시될 수 있다.On the other hand, the low-temperature sintering bonding of the base material forming the low-temperature sintering bonding material is carried out in a vacuum, inert gas, or reducing gas atmosphere that does not cause oxidation of the bonding surface, and can be carried out using a flux even in the atmosphere. .

상기 저온 소결 접합소재는 모재의 표면에 도금된 다층 도금막 형태, 이외에 다층 박막 포일 시트(foil sheet) 형태, 다층 박막 포일 시트의 분쇄입자 형태, 입자 표면에 저온 소결 접합소재를 형성한 분말 혹은 볼, 다층 박막 포일 시트의 분쇄입자 혹은 저온 소결 접합소재를 형성한 분말을 액체와 혼합하여 제조한 페이스트 형태로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 형태로 모재의 접합부에 배치되어 접합매개물로서 사용될 수 있다. The low-temperature sintering bonding material is in the form of a multi-layered plating film plated on the surface of the base material, in addition to the form of a multi-layered thin film foil sheet, in the form of pulverized particles of the multi-layered thin film foil sheet, powder or balls formed with the low-temperature sintered bonding material on the particle surface , In the form of one or more types selected from the group consisting of pulverized particles of a multilayer thin film foil sheet or powder formed by mixing a low-temperature sintered bonding material with a liquid, it may be disposed at the junction of the base material and used as a bonding medium.

상기 제조한 페이스트 형태에서 액체는 용제로서 예를 들어, 알콜류, 페놀류, 에테르류, 아세톤류, 탄소수 5∼18의 지방족 탄화수소, 등유, 경유, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소, 실리콘 오일 등을 사용할 수 있으며, 이중에서도 바람직하게는 물에 대한 용해도를 어느 정도 가진 알콜류, 에테르류, 또는 아세톤류가 사용될 수 있다.As the liquid in the paste form prepared above, for example, alcohols, phenols, ethers, acetones, aliphatic hydrocarbons having 5 to 18 carbon atoms, kerosene, light oil, toluene, aromatic hydrocarbons such as xylene, silicone oil, etc. can be used as solvents. Among them, preferably, alcohols, ethers, or acetones having some degree of solubility in water may be used.

또한, 상기 모재(피접합재)는 금속, 세라믹 및 고분자재료로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있다.In addition, the base material (material to be joined) may be selected and used from the group consisting of metal, ceramic, and polymer material.

본 발명에 따른 상기 저온 소결 접합소재를 형성한 모재(피접합재)는 발열 특성을 가지며, 벌크 형태의 기존 접합매개물에 비해 저온에서 접합할 수 있다.The base material (material to be joined) forming the low-temperature sintering bonding material according to the present invention has an exothermic characteristic, and can be bonded at a lower temperature than conventional bonding media in bulk form.

또한, 상기 저온 소결 접합소재는 나노 그레인 사이즈에 의한 발열반응에 의해 모재와 피접합재를 접합하는 저온 소결 접합용 접합소재인 것이 바람직하다. 즉 소결에 의해 그레인 사이즈가 변화되는 상기 저온 소결 접합소재는 모재와 피접합재의 접합시, 저온에서 용이하고 안정적으로 접합을 수행할 수 있고, 모재와 피접합재를 더욱 견고하고 안정적으로 접합하여 우수한 접합력을 나타낸다.In addition, the low-temperature sintering bonding material is preferably a low-temperature sintering bonding material for bonding the base material and the material to be joined by an exothermic reaction due to the nano grain size. That is, the low-temperature sintered bonding material whose grain size is changed by sintering can easily and stably perform bonding at low temperature when bonding the base material and the material to be joined, and has excellent bonding strength by bonding the base material and the material to be joined more firmly and stably. indicates

본 발명은 또한, 적어도 1개 이상의 금속이 전해도금되어 적층되고, 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈를 갖는 금속 도금막을 포함하며, 가열 시 소결되어 피접합재들을 접합하는 접합소재를 제공한다. The present invention also provides a bonding material comprising a metal plating film having a grain size of 10 nm to 150 nm, in which at least one or more metals are electroplated and laminated, and sintered during heating to join materials to be joined.

또한 적어도 2개 이상의 금속이 전해도금되어 적층되고, 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈를 갖는 제1 도금층 및 제2 도금층을 포함하는 금속 도금막을 포함하는 접합소재를 제공한다. 또한 상기 적어도 2개 이상의 금속을 포함하는 접합소재는 적어도 2개 층 이상의 비정질 금속 도금막을 포함한다.In addition, at least two or more metals are electroplated and laminated, and a bonding material including a metal plating film including a first plating layer and a second plating layer having a grain size of 10 nm to 150 nm is provided. In addition, the bonding material including at least two or more metals includes at least two or more layers of amorphous metal plating.

상기 금속 도금막은 소결 시 발열반응이 일어나며, 상기 소결 이후 재가열 시 용융되는 온도(Tm2)는 상기 소결되는 온도(Ts1)보다 높다. When the metal plated film is sintered, an exothermic reaction occurs, and when reheating after the sintering, the melting temperature (T m2 ) is higher than the sintering temperature (T s1 ).

여기서, 상기 저온 소결 접합소재는 상기 금속 도금막이 6층 이상의 적층된 구조로 이루어지고, 상기 금속 도금막의 도금층을 구성하는 전체 벌크 조성의 용융 온도보다 낮은 온도에서 접합재로 사용될 수 있으며, 상기 접합소재는 나노 그레인 사이즈를 갖는 도금층의 발열 반응에 의해 모재와 피접합재를 접합하는 저온 소결 접합용 소재로 사용될 수 있다.Here, the low-temperature sintering bonding material has a structure in which the metal plating film is stacked in six or more layers, and can be used as a bonding material at a temperature lower than the melting temperature of the entire bulk composition constituting the plating layer of the metal plating film, and the bonding material It can be used as a low-temperature sintering bonding material for bonding a base material and a material to be joined by an exothermic reaction of a plating layer having a nano grain size.

또한, 상기 금속은 Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 금속염 상태일 때, 표준 환원 전위의 차이가 나타나는 금속을 2 이상 선택하여 사용할 수 있다.In addition, the metal is Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In , Sb, Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, one or more metals selected from the group consisting of Pb and Bi may be used, preferably in a metal salt state, standard reduction Two or more metals with potential differences can be selected and used.

한편, 상기 금속 도금막은 전체의 두께가 0.6nm 내지 300㎛까지 범위의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 단일 금속으로 금속 도금막을 형성하는 경우 10nm 내지 150nm 그레인 사이즈를 갖는 단일 도금층들이 적층된 것이 바람직하며, 2 이상의 다른 종류의 금속이 교대로 적층되어 다층 금속 도금막을 형성하는 경우 2개의 도금층 두께의 합이 0.1nm 내지 5㎛까지 범위의 두께로 구현되는 것이 바람직하다.On the other hand, the metal plating film is preferably formed to a thickness ranging from 0.6 nm to 300 μm in total thickness, and in the case of forming a metal plating film with a single metal, it is preferable that single plating layers having a grain size of 10 nm to 150 nm are stacked, , When two or more different types of metals are alternately laminated to form a multilayer metal plating film, the sum of the thicknesses of the two plating layers is preferably implemented with a thickness ranging from 0.1 nm to 5 μm.

본 발명에 따른 접합소재는 나노 그레인 사이즈를 갖는 도금층의 발열 반응에 의해 모재와 피접합재를 저온에서 소결 접합할 수 있으며, 접합 후에는 우수한 내열 특성을 갖는다. The bonding material according to the present invention can sinter and bond a base material and a material to be joined at a low temperature by an exothermic reaction of a plating layer having a nano grain size, and has excellent heat resistance characteristics after bonding.

더욱 구체적으로 본 발명에 따른 접합소재는 접합을 위한 가열 시 금속 도금막을 구성하는 전체 벌크 조성의 융점(Tma)보다도 낮은 온도에서 소결이 일어난다. 즉, 본 발명에 따른 접합소재를 최초로 가열할 경우 소결이 일어나는 온도를 소결 온도(Ts1)라고 할 때, Ts1 < Tma 이다. More specifically, the bonding material according to the present invention is sintered at a temperature lower than the melting point (T ma ) of the entire bulk composition constituting the metal plating film during heating for bonding. That is, when the temperature at which sintering occurs when the bonding material according to the present invention is first heated is referred to as the sintering temperature (T s1 ), T s1 < T ma .

상기 접합소재의 금속 도금막은 소결 시 발열반응이 일어나며 상기 소결 이후 재가열 시 용융되는 온도(Tm2)는 상기 소결되는 온도(Ts1)보다 높다. An exothermic reaction occurs during sintering of the metal plating film of the joining material, and when reheating after the sintering, the melting temperature (T m2 ) is higher than the sintering temperature (T s1 ).

이는 나노 그레인 사이즈를 갖는 도금층을 포함하는 금속 도금막이 가열에 의해 도금층 간의 치밀화(densification) 및 도금층 내의 결정립 성장(grain growth)이 이루어지고, 이 과정에서 나타나는 발열반응에 기인한다. 단일 또는 이종 금속으로 이루어진 적층된 개별 도금 금속층의 그레인 사이즈가 나노미터급 수준으로까지 제조된 접합소재는 비표면적이 매우 큰 작은 입자가 서로 붙어 성장하여 비표면적이 낮은 큰 입자로 성장하려는 특성(소결 반응의 구동력)이 나타나게 되는데, 이러한 특성에 의해 발열반응(엔탈피 감소)이 일어나고, 이는 소결 반응의 구동력을 더욱 증가시켜 금속 도금막을 구성하는 전체 벌크 조성의 융점(Tma)보다 낮은 온도에서 소결이 일어나게 된다. 또한 단일 또는 이종 금속으로 이루어진 적층된 개별 도금 금속층 간 표면적이 넓어져서 더욱 불안정하게 되고 금속 도금막을 구성하는 전체 벌크 조성의 융점(Tma)보다 낮은 온도에서 소결이 일어나게 된다.This is because a metal plating film including a plating layer having a nano grain size undergoes densification between the plating layers and grain growth in the plating layer by heating, and an exothermic reaction occurs during this process. The bonding material, in which the grain size of the laminated individual plated metal layers made of single or dissimilar metals reaches the nanometer level, has the characteristic of growing into large particles with a low specific surface area by attaching small particles with a very large specific surface area to each other (sintering The driving force of the reaction) appears, and due to this characteristic, an exothermic reaction (enthalpy decrease) occurs, which further increases the driving force of the sintering reaction, so that sintering occurs at a temperature lower than the melting point (T ma ) of the entire bulk composition constituting the metal plating film. It happens. In addition, the surface area between stacked individual plated metal layers made of single or different metals is widened, making it more unstable, and sintering occurs at a temperature lower than the melting point (T ma ) of the entire bulk composition constituting the metal plated film.

또한 본 발명에 따른 접합소재는 최초 소결로 모재와 피접합재를 접합한 이후 이를 냉각한 후 다시 가열하는 경우, 소결 온도(Ts1)에서 용융이 일어나지 않고 소결 온도(Ts1) 이상의 온도에서 용융이 일어난다. 즉, 본 발명에 따른 접합소재를 최초로 가열한 이후 냉각 후 다시 가열할 경우 용융이 일어나는 온도(Ts2)는 Ts2 > Ts1이다. In addition, when the bonding material according to the present invention is heated again after cooling it after bonding the base material and the material to be joined in the first sintering furnace, melting does not occur at the sintering temperature (T s1 ) and melting occurs at a temperature higher than the sintering temperature (T s1 ) It happens. That is, when the bonding material according to the present invention is heated again after being cooled for the first time, the melting temperature (T s2 ) is T s2 > T s1 .

이는 접합소재가 접합 시 가열에 의하여 도금층 간의 치밀화(densification) 및 도금층 내의 결정립 성장(grain growth)에 의해 다층 박막이 소멸되고, 이 과정에서 나타나는 단일 금속의 벌크화 또는 상호 확산에 의한 제1 금속 및 제2 금속의 합금화에 기인한다. 접합소재는 최초 가열 시 구성 금속의 벌크화 또는 합금화로 인하여 냉각 후 재 가열 시 소결 온도보다 높은 온도에서 용융이 일어난다. 모재와 피접합재를 접합하기 위하여 본 발명에 따른 접합소재를 가열하면 불안정한 상태에서 안정한 상태로 변화하여 소결 온도보다 높은 온도에서 용융이 일어나기 때문에 우수한 내열 특성을 갖는다. This is because when bonding materials are bonded, multilayer thin films disappear due to densification between plating layers and grain growth in the plating layers by heating, and in this process, the first metal and the first metal and It is due to alloying of the second metal. The bonding material melts at a temperature higher than the sintering temperature when reheated after cooling due to bulking or alloying of constituent metals during initial heating. When the bonding material according to the present invention is heated to bond the base material and the material to be joined, it changes from an unstable state to a stable state and has excellent heat resistance because melting occurs at a temperature higher than the sintering temperature.

이하 도면과 실시예를 통해 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재에 대해 구체적으로 설명한다.The low-temperature sintering bonding material according to the present invention will be described in detail through the following drawings and examples.

도 6에는 제 1구간의 제1 도금층이 도금되는 전류, 전위 및 도금전원 장치의 기록 사진이 개시되어 있고, 도 7에는 제 2구간의 제2 도금층이 도금되는 전류, 전위, 반복 수 설정 및 도금전원 장치의 기록 사진이 개시되어 있다.FIG. 6 shows the current and potential of plating the first plating layer in the first section and a recorded photograph of the plating power supply device, and FIG. 7 shows the plating current, potential, number of repetitions and plating in the second section. A recorded photograph of the power supply unit is disclosed.

도 8에는 본 발명에 따른 도금액에서 금속염의 함량비 및 환원전위 차이에 따른 저온 소결 접합소재의 형성 여부를 나타낸 표가 도시되어 있고, 도 9a 내지 도 9h에는 본 발명에 따른 도금액에 제1 금속염과 제2 금속염의 종류 및 환원전위 값 조건을 각각 다르게 하였을 경우의 저온 소결 접합소재의 단면 사진이 개시되어 있으며, 도 10에는 본 발명에 따른 도금액에서 금속염의 함량비 및 환원전위 차이에 따른 저온 소결 접합소재의 형성 여부를 나타낸 범위 그래프가 도시되어 있다.8 shows a table showing whether a low-temperature sintered joint material is formed according to the content ratio of the metal salt and the difference in reduction potential in the plating solution according to the present invention, and FIGS. 9a to 9h show a first metal salt and A cross-sectional photograph of a low-temperature sintering joint material in the case where the type of second metal salt and the reduction potential value conditions are set differently, and FIG. A range graph showing whether a material is formed is shown.

도 11에는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 형성된 Sn-Cu 다층 도금막의 단면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이 개시되어 있고, 도 12에는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 적층된 개별 도금층이 두껍게 제조 Sn-Cu 다층 도금막의 단면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이 개시되어 있으며, 도 13에는 본 발명의 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 형성된 Zn-Ni 다층 도금막의 단면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이 개시되어 있고, 도 14는 본 발명에 따른 금속염에 제3 금속염을 추가하는 경우, 제1 도금층, 제2 도금층, 제3 도금층이 교대로 적층되는 저온 소결 접합소재의 단면도가 도시되어 있다.11 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross-section of a Sn-Cu multi-layer plating film formed by the low-temperature sintering joint material manufacturing method of the present invention, and FIG. A scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of a Sn-Cu multilayer plating film in which individual plating layers are stacked thickly is disclosed, and FIG. 13 shows a Zn-Ni multilayer plating film formed by the low temperature sintering bonding material manufacturing method of the present invention A scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section is disclosed, and FIG. 14 is low temperature sintering in which a first plating layer, a second plating layer, and a third plating layer are alternately laminated when a third metal salt is added to the metal salt according to the present invention. A cross-sectional view of the bonding material is shown.

도 15에는 본 발명의 저온 소결 접합소재를 이용하여 저온에서 접합하는 방법을 설명하기 위해 금속의 산화 환원이 이루어지는 조건을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.15 is a graph showing the conditions under which oxidation-reduction of metal is performed in order to explain a method of bonding at a low temperature using the low-temperature sintering bonding material of the present invention.

도 16에는 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 시 열 특성을 DTA(Differential Thermal Analysis)로 측정한 그래프가 도시되어 있고, 도 17에는 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 접합 매개물로 이용하여 600℃, 700℃, 800℃, 1000℃에서 10분간 304스테인레스강을 저온 접합한 사진이 개시되어 있으며, 도 18에는 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 접합 매개물로 이용하여 900℃에서 10분간 304스테인레스강을 저온 접합한 후 인장 시험한 파면 사진이 개시되어 있다.16 shows a graph obtained by measuring the thermal characteristics of the Ni-Cu low-temperature sintered joint material prepared in the present invention by DTA (Differential Thermal Analysis) during heating, and FIG. A photograph of low-temperature bonding of 304 stainless steel at 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C, 1000 ° C for 10 minutes using the material as a bonding medium is disclosed, and FIG. A photograph of a fracture surface obtained by performing a tensile test after low-temperature bonding of 304 stainless steel at 900° C. for 10 minutes using a bonding medium is disclosed.

도 19에는 본 발명에서 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 시 열 특성을 DSC(Differential scanning calorimetry)로 측정한 그래프가 도시되어 있고, 도 20에는 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재 제조방법으로 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 구리기판 위에 형성한 사진이 개시되어 있으며, 도 21에는 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재 제조방법으로 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용하여 대기 중 혹은 10-3 torr의 진공로에서 160℃, 170℃, 210℃의 각각의 온도로 10분간 구리판을 저온 접합한 사진이 개시되어 있다.19 shows a graph measuring the thermal characteristics of the Sn-Cu low-temperature sintered joint material prepared in the present invention by DSC (Differential scanning calorimetry) during heating, and FIG. 20 shows a low-temperature sintered joint material manufacturing method according to the present invention. A photograph in which the Sn-Cu low-temperature sintered joint material is formed on a copper substrate is disclosed, and FIG. Alternatively, there is disclosed a photograph in which a copper plate is bonded at a low temperature for 10 minutes at each temperature of 160°C, 170°C, and 210°C in a vacuum furnace of 10 -3 torr.

도 22에는 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재 제조방법으로 제조된 Cu-Ag 저온 소결 접합소재의 가열 시 열 특성을 DTA로 측정한 그래프가 도시되어 있고, 도 23에는 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재 제조방법으로 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 도금된 상태 그대로의 제1 및 제2 도금층 모습의 사진(좌)과 가열 후 제1 및 제2 도금층이 소멸된 모습의 사진(우)이 개시되어 있다. 도 24에는 본 발명에서 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 전 도금된 상태 그대로의 제1 및 제2 도금층 모습의 사진(좌)과 가열 후 제1 및 제 2 도금층이 소멸된 모습의 사진(우)이 개시되어 있다. 22 shows a graph obtained by measuring the thermal characteristics of the Cu-Ag low-temperature sintered joint material manufactured by the low-temperature sintered joint material manufacturing method according to the present invention by DTA during heating, and FIG. 23 shows a low-temperature sintered joint material according to the present invention. Pictures (left) of the first and second plating layers in the plated state of the Sn-Cu low-temperature sintering joint material manufactured by the manufacturing method (left) and pictures (right) of the disappearance of the first and second plating layers after heating are disclosed. has been 24 is a photograph (left) of the first and second plating layers of the Ni-Cu low-temperature sintering bonding material manufactured in the present invention in a plated state before heating (left) and a photograph of the first and second plating layers disappearing after heating (right) is disclosed.

도 25에는 본 발명에서 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 전/후 XRD 분석한 결과 가열 후 입자 크기 증가에 의한 결정성이 증가한 특성이 나타나는 그래프(a) 및 Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 전/후 XRD 분석한 결과 가열 후 입자 크기 증가에 의한 결정성이 증가한 특성이 나타나는 그래프(b)가 개시되어 있다.25 is a graph (a) and a Ni-Cu low-temperature sintered joint material showing characteristics of increased crystallinity due to an increase in particle size after heating as a result of XRD analysis before and after heating of the Sn-Cu low-temperature sintered joint material prepared in the present invention. As a result of XRD analysis before/after heating of , a graph (b) showing the characteristics of increased crystallinity due to an increase in particle size after heating is disclosed.

도 26에는 다층막 금속 소재를 각 두 개의 도금층 두께의 합이 5㎛로 두껍게 제조하여 단면부를 나타낸 전자현미경(SEM) 사진이 개시되어 있고, 도 27에는 다층막 금속 소재를 각 두 개의 도금층 두께의 합이 5㎛로 두껍게 제조하여 시차 주사 열량계(DSC)를 이용한 열특성을 측정한 가열 그래프가 개시되어 있으며, 도 28에는 다층막 금속 소재를 각 두 개의 도금층 두께의 합이 5㎛로 두껍게 제조하여 접합한 접합부의 접합 후 실제 단면을 나타낸 광학현미경 사진이 개시되어 있고, 도 29에는 다층막 금속 소재의 층수를 6층으로 적층하는 것으로 제조하여 저온접합 한 구리전극 단면부를 나타낸 광학현미경 사진이 개시되어 있다.26 shows an electron microscope (SEM) photograph showing a cross-section of a multilayer metal material having a thickness of the sum of two plating layers of 5 μm, and FIG. A heating graph in which the thickness of each of the two plating layers is 5 μm is disclosed. An optical micrograph showing an actual cross section after bonding is disclosed, and FIG. 29 shows an optical micrograph showing a cross section of a copper electrode prepared by laminating six layers of a multilayer metal material and low-temperature bonding.

도 30에는 다층막 금속 소재의 도금 시간을 길게 하여 전체 도금 두께가 300㎛인 것으로 제조한 Sn-Cu계 금속 도금 박막의 단면부를 나타낸 광학현미경 사진이 개시되어 있다.30 discloses an optical micrograph showing a cross-section of a Sn-Cu-based metal plating thin film prepared by increasing the plating time of the multilayer metal material to have a total plating thickness of 300 μm.

이하, 이들 도면을 참조하여 본 발명의 저온 소결 접합소재의 제조방법의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the manufacturing method of the low-temperature sintering joining material of the present invention will be described with reference to these drawings.

일 예로, 본 발명의 도금법을 이용한 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 다층 금속 도금막을 형성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.As an example, the process of forming a multi-layer metal plating film by the low-temperature sintering bonding material manufacturing method using the plating method of the present invention will be described.

[실시예1][Example 1]

본 실시 예에서는 합금 도금액 내 제1 금속염과 제2 금속염의 비율을 1:1~200:1의 몰 비율로 용해시켜 도금을 실시하였다. 도 8과 도 9a 내지 도 9h를 참조하면, 제1 금속염과 제2 금속염의 비율이 2:1 미만인 경우, 예를 들어 6:4, 5:5의 비율로 되면 제1 도금층 및 제2 도금층의 제2 금속의 농도 차이가 적어져서 저온 소결 접합소재가 형성되지 않는다. 제1 금속염과 제2 금속염의 비율이 100:1을 초과하면, 예를 들어 200:1의 비율로 되면 도금 시 제2 금속염이 쉽게 소모되어, 제2 금속염의 농도가 희박해지고 제2 금속염의 환원 대신 도금액내의 수소이온이 환원되어 수소 기포가 발생된다. 따라서 저온 소결 접합소재의 형성이 어려워진다. In this embodiment, plating was performed by dissolving the first metal salt and the second metal salt in an alloy plating solution at a molar ratio of 1:1 to 200:1. 8 and 9a to 9h, when the ratio of the first metal salt to the second metal salt is less than 2:1, for example, 6:4 or 5:5, the first and second plating layers The difference in concentration of the second metal is reduced so that a low-temperature sintered joint material is not formed. When the ratio of the first metal salt to the second metal salt exceeds 100:1, for example, when the ratio is 200:1, the second metal salt is easily consumed during plating, so that the concentration of the second metal salt is diluted and the second metal salt is reduced. Instead, hydrogen ions in the plating solution are reduced to generate hydrogen bubbles. Therefore, it becomes difficult to form a low-temperature sintered joint material.

또한, 저온 소결 접합소재를 형성하는 제1, 2 금속염을 결정하기 위해 표준 환원 전위가 0.004V 이상, 1.5614V 이하의 차이가 나는 원소의 금속염을 선택하여 다층 도금을 실시하였다 (도 8과 도 9a 내지 도 9h 참조). 제1, 2 금속염의 환원전위 차이가 0.029V 미만으로 작아지게 되면 제1 도금층 및 제2 도금층을 형성할 때 제1, 2 금속염이 모두 환원되어 도금층 간 경계가 사라져 다층도금 박막이 형성되지 않았다. 또한, 제1, 2 금속염의 환원전위 차이가 1.0496V를 초과하여 커지는 경우 제2 금속이 제1 금속의 도금을 방해하여 역시 도금층 간 경계가 사라져 다층도금 박막이 형성되지 않았다.In addition, in order to determine the first and second metal salts forming the low-temperature sintered joint material, multi-layer plating was performed by selecting metal salts of elements having a standard reduction potential difference of 0.004 V or more and 1.5614 V or less (FIGS. 8 and 9a). to Figure 9h). When the difference in reduction potential between the first and second metal salts becomes less than 0.029 V, when the first and second plating layers are formed, both the first and second metal salts are reduced and the boundary between the plating layers disappears, so that a multi-layered thin film is not formed. In addition, when the difference in reduction potential between the first and second metal salts exceeds 1.0496 V, the second metal interferes with the plating of the first metal, so that the boundary between the plating layers also disappears, preventing the formation of a multi-layered thin film.

또한 도 8의 각 조건에 해당하는 저온 소결 접합소재 단면을 도 9a 내지 도 9h에 나타내었으며, 도금 조건에 따른 저온 소결 접합소재 형성 여부를 사진으로 확인할 수 있다. 도 9a 내지 도 9h의 숫자는 도 8의 숫자에 대응된다. 예를 들어, 도 8의 2-3’조건의 사진은 도 9a 내지 도 9h에서 ‘2-3’사진을 나타낸다.In addition, cross-sections of the low-temperature sintering joining material corresponding to each condition of FIG. 8 are shown in FIGS. 9A to 9H, and whether or not the low-temperature sintering joining material is formed according to the plating conditions can be confirmed with pictures. The numbers in FIGS. 9A to 9H correspond to the numbers in FIG. 8 . For example, the picture of the 2-3' condition in FIG. 8 represents the '2-3' picture in FIGS. 9A to 9H.

도 10에는 도 8의 결과인 다층 도금이 형성되는 조건의 범위를 설정하여 그래프로 나타내었다. In FIG. 10, a range of conditions for forming multi-layer plating, which is the result of FIG. 8, is set and shown as a graph.

결과적으로, 본 발명에 따른 제조방법에서 저온 소결 접합소재를 제조하기 위해서는 도금액 중 제1 금속염과 제2 금속염의 환원 전위 차이가 0.029V 이상, 1.0496V 이하의 범위인 금속염을 사용하고, 제1 금속염과 제2 금속염의 농도비는 2:1에서 100:1의 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다.As a result, in order to manufacture a low-temperature sintering joint material in the manufacturing method according to the present invention, a metal salt having a difference in reduction potential between the first metal salt and the second metal salt in the plating solution in the range of 0.029V or more and 1.0496V or less is used, and the first metal salt and the second metal salt in a concentration ratio of 2:1 to 100:1.

[실시예2][Example 2]

Sn과 Cu 다층 도금막을 형성하기 위하여 황산 계열 Sn-Cu 합금 도금액을 200ml 제조하였으며, 그 조성은 다음과 같다.In order to form a Sn and Cu multilayer plating film, 200 ml of a sulfuric acid-based Sn-Cu alloy plating solution was prepared, and the composition is as follows.

SnSO4: 17.175g SnSO4 : 17.175g

CuSO4·6H2O: 1.998gCuSO 4 6H 2 O: 1.998 g

H2SO4: 10.72mlH 2 SO 4 : 10.72ml

HCl: 0.03mlHCl: 0.03ml

POELE: 0.8g POELE: 0.8g

이때의 도금조건은 제1 인가구간에서 도금전압이 -0.6V, 전류밀도를 -30mA/cm2, 도금시간을 30초로 하였으며, 제2 인가구간에서 도금전압이 -0.45V, 전류밀도를 -2mA/cm2, 도금시간을 2분으로 하였다. 제1, 제 2구간을 각각 400회씩 반복(400 사이클)하여 실험하였다.The plating conditions at this time were plating voltage of -0.6V, current density of -30mA/cm 2 , and plating time of 30 seconds in the first application period, and plating voltage of -0.45V and current density of -2mA in the second application period. /cm 2 , and the plating time was 2 minutes. The first and second sections were repeated 400 times (400 cycles) and tested.

도금 결과로 도 11에서와 같이 두께 600nm인 Sn 리치층과 100nm인 Cu 리치층이 교대로 각각 400개층씩 도금되었음을 확인할 수 있다. As a result of the plating, as shown in FIG. 11 , it can be confirmed that 400 layers of each of the Sn-rich layer having a thickness of 600 nm and the Cu-rich layer having a thickness of 100 nm are alternately plated.

동일한 도금액을 사용하여, 도금전류 혹은 도금시간을 증가시키면 Sn, Cu 층이 더 두껍게 교대로 도금되었다. 이때의 도금조건은 제1 인가구간에서 도금전압이 -0.6V, 전류밀도를 -30mA/cm2, 도금시간을 10분으로 하였으며, 제2 인가구간에서 도금전압이 -0.45V, 전류밀도를 -2mA/cm2, 도금시간을 10분으로 하였다. 제1, 제 2구간을 각각 5회씩 반복(5 사이클)하여 실험하였다.When the plating current or plating time was increased using the same plating solution, the Sn and Cu layers were alternately plated thicker. The plating conditions at this time were -0.6V plating voltage, -30mA/cm 2 current density, and 10 minutes plating time in the first application period, and -0.45V plating voltage and -0.45V current density in the second application period. 2 mA/cm 2 , and the plating time was 10 minutes. The first and second sections were repeated 5 times (5 cycles) and tested.

도금결과로서, 도 12에서 두께 7㎛인 Sn 리치층과 10㎛인 Cu 리치층이 각각 5개 층씩 좀 더 두껍게 교대로 도금되었음을 확인할 수 있다.As a result of plating, it can be seen in FIG. 12 that the Sn-rich layer having a thickness of 7 μm and the Cu-rich layer having a thickness of 10 μm were alternately plated in a slightly thicker layer by 5 layers each.

[실시예3][Example 3]

본 발명의 도금법을 이용한 저온 소결 접합소재 제조방법에 의해 Zn-Ni 다층 도금막을 형성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the process of forming a Zn-Ni multi-layer plating film by the low-temperature sintering bonding material manufacturing method using the plating method of the present invention as follows.

우선, Zn과 Ni 다층 도금막을 형성하기 위하여 황산 계열 Zn-Ni 합금 도금액을 200ml 제조한 후 도금을 진행하였다.First, in order to form a Zn and Ni multilayer plating film, 200 ml of a sulfuric acid-based Zn-Ni alloy plating solution was prepared and then plating was performed.

ZnSO4-7H2O: 46.0gZnSO 4 -7H 2 O: 46.0 g

NiSO4-6H2O: 4.20gNiSO 4 -6H 2 O: 4.20 g

H2SO4: 4mlH 2 SO 4 : 4 ml

HCl: 0.03mlHCl: 0.03ml

POELE: 0.8g POELE: 0.8g

도 13에서와 같이 두께 6㎛인 Zn 리치층과 3㎛인 Ni 리치층이 교대로 각각 20개 층씩 도금되었다. 이때의 도금조건은 제1 인가구간에서 도금전압이 -1.8V, 전류밀도를 -250mA/cm2, 도금시간을 10분으로 하였으며, 제2 인가구간에서 도금전압이 -1.2V, 전류밀도를 -100mA/cm2, 도금시간을 10분으로 하였다. 제1, 제2 인가구간을 각각 20회씩 반복(20 사이클)하여 실험하였다.As shown in FIG. 13, a Zn-rich layer having a thickness of 6 μm and a Ni-rich layer having a thickness of 3 μm were alternately plated with 20 layers each. The plating conditions at this time were -1.8V plating voltage, -250mA/cm 2 current density, and 10 minutes plating time in the first application period, and -1.2V plating voltage and -1.2V current density in the second application period. 100 mA/cm 2 , and the plating time was 10 minutes. The first and second application periods were repeated 20 times each (20 cycles) and tested.

더욱이, 도면에는 도시하지 않았지만 동일한 도금액을 사용하여, 도금전류 혹은 도금시간을 증가시키면 Zn 리치층, Ni 리치층이 더 두껍게 교대로 도금되는 것이다.Moreover, although not shown in the drawing, when the plating current or plating time is increased using the same plating solution, the Zn-rich layer and the Ni-rich layer are alternately plated thicker.

또한, 위 [실시예 1,2,3]의 도금액에 제3 금속염을 추가로 첨가하여 이 금속염의 환원 전위를 가하면, 제3 금속이 석출하여 제1 도금층, 제2 도금층, 제3 도금층이 교대로 적층되는 다층 도금막을 형성할 수 있다. 이때 형성된 도금층의 단면도를 도 14에 나타내었으며 모재(41)상에 제1 도금층(42), 제2 도금층(43), 제3 도금층(44)들로 이루어진 다층 박막층이 교대로 적층된 구조를 확인할 수 있다.In addition, when a third metal salt is further added to the plating solution of [Examples 1, 2, and 3] and the reduction potential of the metal salt is applied, the third metal is precipitated and the first plating layer, the second plating layer, and the third plating layer are alternately formed. It is possible to form a multi-layer plating film laminated with. A cross-sectional view of the plating layer formed at this time is shown in FIG. 14, and a structure in which multi-layer thin film layers composed of a first plating layer 42, a second plating layer 43, and a third plating layer 44 are alternately stacked on a base material 41 can be confirmed. can

도 15는 본 발명의 도금법을 이용한 저온 소결 접합소재를 이용하여 저온에서 접합하는 방법을 설명하기 위해, 피 접합재의 산화피막이 제거되는 즉, 환원이 이루어지는 조건을 나타낸 그래프이다. 금속의 솔더링 및 브레이징 접합에서 피접합재 표면의 산화층은 접합성을 크게 저하시킨다. 금과 같은 귀금속을 제외한 일반적인 금속은 대기 중 상온의 분위기에서 표면 산화층을 형성하기 때문에, 양호한 접합을 하기 위해서는 온도 및 접합 분위기를 조정하여 표면의 산화층을 제거하여야 한다. 본 발명에서 제조한 저온 소결 접합소재 접합 매개물은 적층된 도금층의 그레인 사이즈가 작아 입자의 표면 에너지가 크고 나노미터급 두께의 도금층 간 표면적이 증가해서 불안정하며, 저온에서 쉽게 소결이 일어나고 이를 통해 저온에서의 접합을 가능하게 한다. 이때의 접합은 도 15의 피접합재 표면의 산화막이 제거되는 온도 이상에서 양호한 접합이 이루어진다.15 is a graph showing conditions in which an oxide film of a material to be joined is removed, that is, reduced, in order to explain a method of bonding at a low temperature using a low-temperature sintered bonding material using a plating method according to the present invention. In metal soldering and brazing bonding, an oxide layer on the surface of a material to be joined greatly deteriorates bonding. Since general metals other than noble metals such as gold form a surface oxide layer in an atmosphere of room temperature in the air, in order to achieve good bonding, the surface oxide layer must be removed by adjusting the temperature and bonding atmosphere. The low-temperature sintering bonding material bonding medium prepared in the present invention is unstable because the grain size of the laminated plating layer is small, the surface energy of the particles is large, and the surface area between nanometer-thick plating layers is increased, and sintering easily occurs at low temperature through this. allows the bonding of At this time, good bonding is achieved at a temperature equal to or higher than the temperature at which the oxide film on the surface of the material to be joined in FIG. 15 is removed.

도 15의 그래프에서 X축은 온도를 나타내고 좌측 Y축은 접합 시 수소를 포함한 분위기에서의 이슬점(dew point) 온도를 나타내며, 우측 Y축은 접합 시 진공분위기에서의 진공도 혹은 수증기의 분압을 나타낸다. 그림 중 각 곡선의 위쪽은 금속이 산화된 산화물상태에서 안정하고, 곡선의 아래쪽은 금속이 환원된 상태에서 안정하다. 피접합재가 브레이징 혹은 솔더링 되기 위해서는 반드시 도 15의 산화물 곡선 아래쪽에 속하는 환원영역의 온도 및 분위기가 필요하다. 분위기는 대기 중일 경우 산화물을 제거하는 화학물질(브레이징, 솔더링 플럭스)을 사용하여 만들 수도 있다. In the graph of FIG. 15, the X-axis represents the temperature, the left Y-axis represents the dew point temperature in an atmosphere containing hydrogen during bonding, and the right Y-axis represents the degree of vacuum or partial pressure of water vapor in a vacuum atmosphere during bonding. In the figure, the upper part of each curve is stable in the oxidized state of the metal, and the lower part of the curve is stable in the reduced state of the metal. In order for the material to be joined to be brazed or soldered, the temperature and atmosphere of the reduction region falling below the oxide curve of FIG. 15 are necessarily required. Atmospheres can also be created using chemicals that remove oxides (brazing, soldering fluxes) if present.

일례로 모든 스테인레스 강은 크롬을 함유하고 있는데, 스테인레스강 성분 중 크롬 산화막이 강하기 때문에 스테인레스 강을 접합하기 위해서는 반드시 크롬 산화막을 크롬으로 환원하여야 한다. 즉, 도 15에서 1번으로 표시된 크롬산화물(Cr2O3) 곡선의 아래쪽으로 온도 및 분위기를 유지하는 것이 스테인레스 강의 브레이징 및 솔더링을 위해 반드시 필요하다. 예를 들어, 접합 분위기를 10-2 torr로 유지시킬 경우에는 800 ℃ 이상의 온도에서, 10-3torr로 유지시킬 경우에는 600℃ 이상의 온도에서 표면의 크롬산화물(Cr2O3)이 크롬으로 환원되어 스테인레스 강의 접합이 가능하게 된다. 또한 10-5torr를 유지시킬 경우에는 500℃ 이상의 온도에서 표면의 크롬산화물(Cr2O3)이 존재하지 않게 되어 역시 스테인레스 강의 접합이 가능하다. 수소를 포함한 환원성 가스 분위기에서 접합할 경우에는, 진공도 대신 좌측 Y축의 이슬점을 기준으로 삼으면 된다. For example, all stainless steels contain chromium, and since the chromium oxide film among stainless steel components is strong, the chromium oxide film must be reduced to chromium in order to join stainless steel. That is, maintaining the temperature and atmosphere below the chromium oxide (Cr 2 O 3 ) curve indicated by number 1 in FIG. 15 is absolutely necessary for brazing and soldering of stainless steel. For example, chromium oxide (Cr 2 O 3 ) on the surface is reduced to chromium at a temperature of 800 ° C or higher when the bonding atmosphere is maintained at 10 -2 torr, and at a temperature of 600 ° C or higher when maintained at 10 -3 torr. This makes it possible to join stainless steel. In addition, when maintaining 10 -5 torr, chromium oxide (Cr 2 O 3 ) on the surface does not exist at a temperature of 500 ° C or higher, so that stainless steel bonding is also possible. In the case of bonding in a reducing gas atmosphere including hydrogen, the dew point of the left Y-axis may be used as a standard instead of the degree of vacuum.

그러나, 일반적으로 스테인레스 강을 접합하기 위해 Ni-Cu계 합금(벌크 소재)을 접합 매개물로 사용할 경우 Ni이 증가함에 따라 융점이 증가하므로, 가장 낮은 용융온도는 100%Cu-0%Ni 일 때 (실질적으로 Cu)의 융점인 1083℃이다. 따라서, Ni-Cu 계 벌크 합금을 접합매개물로 사용한 통상의 접합온도 (예; Ni-Cu 계 벌크 합금, 혹은 Cu, Ni을 접합매개물로 사용한 스테인레스강의 브레이징 온도)는 대략 1200℃ 혹은 그 이상이다.However, in general, when Ni-Cu-based alloy (bulk material) is used as a bonding medium to join stainless steel, the melting point increases as Ni increases, so the lowest melting temperature is when 100%Cu-0%Ni ( 1083 ° C, which is practically the melting point of Cu). Therefore, a typical bonding temperature using a Ni-Cu-based bulk alloy as a bonding medium (eg, a brazing temperature of a Ni-Cu-based bulk alloy or stainless steel using Cu or Ni as a bonding medium) is about 1200° C. or higher.

반면, 본 발명의 제조방법으로 제조한 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용한 경우에는 비표면적이 큰 작은 입자에 의해 계면 에너지가 높고 도금층 간 표면적이 넓어 불안정하며, 가열 중 발열반응이 일어나게 된다. 이때 Ni-Cu 저온 소결 접합소재는 상기 발열반응을 이용하여 저온에서 소결되며, 실시예 4 에서 보듯이 900℃ 이하의 온도에서 스테인레스강을 저온 소결 접합 할 수 있다. 또한, 저온 소결 접합소재의 도금조건에 따라 800℃, 700℃ 혹은 그 이하에서도 접합이 가능하다. 따라서, 피접합재의 표면 산화물이 제거되는 환원영역에서 접합이 가능하다는 도 15의 그래프의 내용에 부합된다는 것을 알 수 있다. On the other hand, when the Ni-Cu low-temperature sintering joint material prepared by the manufacturing method of the present invention is used as a bonding medium, the interfacial energy is high and the surface area between the plating layers is large due to the small particles with a large specific surface area, so it is unstable, and an exothermic reaction occurs during heating. do. At this time, the Ni-Cu low-temperature sintering joint material is sintered at a low temperature using the exothermic reaction, and as shown in Example 4, stainless steel can be sintered and joined at a temperature of 900 ° C or lower. In addition, bonding is possible at 800 ° C, 700 ° C or lower depending on the plating conditions of the low-temperature sintered joining material. Therefore, it can be seen that the content of the graph of FIG. 15 that bonding is possible in the reduction region where the surface oxide of the material to be joined is removed is consistent.

기존의 일반적 벌크 소재의 Ni-Cu 계 접합매개물 합금의 스테인레스강의 접합온도(1200℃)에 비해 본 발명의 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용하는 경우 접합 온도가 200~600℃ 낮고, 퍼센트로는 기존 접합온도 대비 50~83% 에 불과하다. 따라서, Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 사용한 접합법의 에너지 절감율이 17~50% 가 된다. 물론 크롬이 함유되지 않은 일반 탄소강(도 14에서 FeO는 Cr2O3보다 좌측 상단에 위치)에서도 유사한 효과를 얻을 수 있다.When using the Ni-Cu low-temperature sintered joint material of the present invention as a bonding medium, the bonding temperature is 200 ~ 600 ℃ lower than the bonding temperature (1200 ℃) of stainless steel of the existing general bulk material Ni-Cu-based bonding medium alloy In terms of percentage, it is only 50 to 83% of the existing junction temperature. Therefore, the energy saving rate of the bonding method using the Ni-Cu low-temperature sintering bonding material is 17 to 50%. Of course, a similar effect can be obtained in general carbon steel that does not contain chromium (in FIG. 14, FeO is located in the upper left corner than Cr 2 O 3 ).

[실시예4][Example 4]

본 발명에서 개발한 Ni-Cu 접합소재는 적층된 도금층 간에 저온에서 확산이 일어나며 열이 발생하여 DTA로 측정하면 도금층을 이루는 원소인 Cu(융점 1083℃), Ni(융점 1445℃)보다 융점이 낮은 567℃에서 피크(peak)가 나타나고, Ni-Cu 접합소재는 용융된다. 이때의 Ni-Cu 접합소재의 열 특성을 DTA로 측정하여 도 16에 나타내었다. 도 16의 피크는 Ni-Cu계 합금의 최저융점인 1083℃의 약 52.3%에 해당한다. 이 결과를 통해 Ni-Cu 접합소재를 접합 매개물로 하여 도금층을 이루는 원소인 Cu(융점 1083℃), Ni(융점 1445℃)보다 융점이 낮고, Ni-Cu계 벌크 합금의 최저융점인 1083℃보다 낮은 온도인 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, 1000℃에서 304 스테인레스강을 저온 접합하였다. 다층 금속 도금 박막의 발열반응의 효과로 Cu(융점 1083℃), Ni(융점 1445℃)의 융점 및 이들 벌크 합금의 최저융점 보다 낮은 온도에서 다층 금속 도금 박막이 소결되어 저온 접합이 일어나게 된다.The Ni-Cu bonding material developed in the present invention diffuses between the laminated plating layers at a low temperature, generates heat, and when measured by DTA, has a lower melting point than Cu (melting point 1083°C) and Ni (melting point 1445°C), which are elements constituting the plating layer. A peak appears at 567 ° C, and the Ni-Cu bonding material melts. At this time, the thermal characteristics of the Ni-Cu bonding material were measured by DTA and shown in FIG. The peak in FIG. 16 corresponds to about 52.3% of 1083 ° C, which is the lowest melting point of the Ni-Cu-based alloy. Through this result, the melting point is lower than that of Cu (melting point 1083℃) and Ni (melting point 1445℃), which are elements constituting the plating layer using the Ni-Cu bonding material as a bonding medium, and lower than the lowest melting point of 1083℃ of Ni-Cu-based bulk alloy. 304 stainless steel was cold-joined at low temperatures of 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, and 1000°C. Due to the effect of the exothermic reaction of the multi-layer metal plating thin film, the multi-layer metal plating thin film is sintered at a temperature lower than the melting point of Cu (melting point 1083 ° C) and Ni (melting point 1445 ° C) and the lowest melting point of these bulk alloys, resulting in low-temperature bonding.

상세하게는 30 X 10 X 0.3 (mm) 크기의 304스테인레스강 판재에 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 형성하였다. 저온 소결 접합소재가 형성된 스테인레스강 시편을 도금되지 않은 스테인레스강 시편과 마주보게 겹쳐서 10-4 torr의 진공로를 이용하여 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, 1000℃에서 10분간 저온접합 하였으며, 그 결과를 도 17에 나타내었다. 900℃에서 접합한 스테인레스강 시편에 대해 인장시험하였으며 그 결과 인장강도는 117kgf에 도달하였다.In detail, a Ni-Cu low-temperature sintered joint material was formed on a 304 stainless steel plate having a size of 30 X 10 X 0.3 (mm). The stainless steel specimen with the low-temperature sintered joint material was overlapped facing the unplated stainless steel specimen and bonded at 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C, 900 ° C, 1000 ° C for 10 minutes using a vacuum furnace of 10 -4 torr. , and the results are shown in FIG. 17 . A tensile test was performed on the stainless steel specimens bonded at 900 ° C. As a result, the tensile strength reached 117 kgf.

이때의 접합부 파면을 도 18에 나타내었으며, 다층 도금박막이 양호하게 접합되었음을 확인할 수 있다.The fracture surface of the junction at this time is shown in FIG. 18, and it can be confirmed that the multilayer plated thin film was well joined.

한편, 도 15에서 2번으로 표시된 철산화물(FeO)의 경우 그림의 좌상쪽에 존재하게 되어 크롬산화물에 비해 환원이 훨씬 용이하다. 즉, 그래프에서 보듯이 약 50torr 진공도이면 100℃ 이상의 온도에서는 FeO가 Fe금속으로 환원되어 양호한 저온 접합을 이룰 수 있다. 또, 10-3torr 이하의 고 진공도에서는 100℃ 이하의 온도에서도 Fe로 존재하게 되어 양호한 저온 접합을 이룰 수 있다.On the other hand, in the case of iron oxide (FeO) indicated by number 2 in FIG. 15, it is present in the upper left of the figure and is much easier to reduce than chromium oxide. That is, as shown in the graph, at a vacuum degree of about 50 torr, FeO is reduced to Fe metal at a temperature of 100 ° C or higher, and good low-temperature bonding can be achieved. In addition, at a high vacuum degree of 10 −3 torr or less, Fe exists even at a temperature of 100° C. or less, so that good low-temperature bonding can be achieved.

그리고 도 15에서 3번에 나타난 금속 군 Au, Pt, Ag, Pd, Ir, Cu, Pb, Co, Ni, Sn, Os, Bi는 그래프에 나타난 FeO보다 더 좌상부에 존재하며, FeO보다 산화막을 제거하기가 더 쉬워서, FeO가 환원되는 조건보다 더 낮은 온도(예를 들어 100℃ 이하) 혹은, 진공 및 환원성 분위기가 더 나빠져도 접합이 가능함을 알 수 있다.In addition, the metal group Au, Pt, Ag, Pd, Ir, Cu, Pb, Co, Ni, Sn, Os, and Bi shown in No. 3 in FIG. 15 are present in the upper left than FeO shown in the graph, and have an oxide film than FeO. Since it is easier to remove, it can be seen that bonding is possible even at a temperature lower than the condition in which FeO is reduced (eg, 100 ° C. or less) or in a worse vacuum and reducing atmosphere.

한편, Sn-Cu계 합금(벌크 소재)의 가장 낮은 융점은 99.3%Sn-0.7%Cu 조성일 때 227℃ (공정(eutectic) 온도라 함)로서, 위 금속 군 중 구리를 접합하기 위해서 벌크 소재의 Sn-Cu계 합금을 접합 매개물로 사용하는 경우의 접합(솔더링)온도는 융점보다 약 40℃ 높은 약 260~270℃이다. 예를 들어 전자부품을 99.3%Sn-0.7%Cu 조성의 땜납재로 솔더링할 경우, 솔더링(납땜) 온도는 약 260~270℃이다.On the other hand, the lowest melting point of Sn-Cu-based alloy (bulk material) is 227 ℃ (called eutectic temperature) when the composition is 99.3%Sn-0.7%Cu, When using Sn-Cu-based alloy as a bonding medium, the bonding (soldering) temperature is about 260 to 270 ℃, which is about 40 ℃ higher than the melting point. For example, when electronic components are soldered with a 99.3%Sn-0.7%Cu solder material, the soldering (soldering) temperature is about 260 to 270°C.

반면, 본 발명에서 개발한 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용한 경우 저온 소결 접합소재는 입자 크기가 작아 계면 에너지가 높고, 도금층의 표면적이 넓어 불안정하며, 가열 중 적층된 도금층간 치밀화 및 도금층 내부의 결정립 성장에 따른 발열반응이 나타난다(실시예 5 참조). 이때 Sn-Cu 저온 소결 접합소재는상기 발열반응을 이용하여 저온에서 소결되며, 실시예 5 에서 보듯이 도금층을 이루는 원소인 Sn(융점 232℃), Cu(융점 1083℃)보다 융점이 낮고, Sn-Cu계 벌크 합금의 최저융점인 227℃보다 낮은 온도인 160, 170, 210℃ 의 온도에서 구리를 저온 접합할 수 있다. 따라서, 기존의 일반적인 벌크 소재의 Sn-Cu계 합금을 접합매개물(땜납)로 사용하는 접합온도(260~270℃)에 비해 본 발명법으로 제조한 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 접합매개물로 사용하는 경우 접합온도가 50~110℃ 더 낮고, 퍼센트로는 기존 접합온도 대비 59~81% 에 불과하다. 이로 인해, Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 사용한 접합법의 에너지 절감율이 기존 Sn-Cu계 땜납 대비 19~41% 가 된다.On the other hand, when the Sn-Cu low-temperature sintering bonding material developed in the present invention is used as a bonding medium, the low-temperature sintering bonding material has a high interfacial energy due to its small particle size, is unstable due to the large surface area of the plating layer, and densification and An exothermic reaction occurs due to the growth of crystal grains inside the plating layer (see Example 5). At this time, the Sn-Cu low-temperature sintered joint material is sintered at a low temperature using the exothermic reaction, and as shown in Example 5, the melting point is lower than Sn (melting point 232 ℃) and Cu (melting point 1083 ℃), which are elements constituting the plating layer, and Sn -Copper can be bonded at a low temperature of 160, 170, 210℃, which is lower than the lowest melting point of Cu-based bulk alloy, 227℃. Therefore, compared to the bonding temperature (260 ~ 270 ℃) using Sn-Cu-based alloy of conventional bulk materials as a bonding medium (solder), the Sn-Cu low-temperature sintered bonding material produced by the present invention is used as a bonding medium. In this case, the junction temperature is 50~110℃ lower, and the percentage is only 59~81% compared to the existing junction temperature. As a result, the energy saving rate of the bonding method using the Sn-Cu low-temperature sintering bonding material is 19 to 41% compared to the existing Sn-Cu solder.

[실시예 5][Example 5]

본 발명에서 개발한 Sn-Cu 저온 소결 접합소재는 저온에서 확산하며 열이 발생하여 DSC로 측정하면 144℃에서 피크(peak)가 나타나고, Sn-Cu 저온 소결 접합소재는 용융된다. 이때의 열 특성을 DSC로 측정하여 도 19에 나타내었다. 도 19의 피크는 Sn-Cu계 합금의 최저융점 (공정(eutectic) 온도)인 227℃의 약 63.4%에 해당한다. 도 19의 결과를 통해 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 접합 매개물로 하여 구리판을 160℃, 170℃, 210℃에서 저온 접합하였다. 상세하게는 30 X 10 X 0.3 (mm) 크기의 Cu 판재에 Sn-Cu 저온 소결 접합소재를 형성하였다. 이때의 Sn-Cu 저온 소결 접합소재가 형성된 사진을 도 20에 나타내었다. Sn-Cu 저온 소결 접합소재가 형성된 Cu 시편을 도금층이 마주보게 겹쳐서 대기 중 혹은 10-3 torr의 진공로에서 160℃, 170℃, 210℃의 온도로 10분간 저온접합하였다. 이때의 접합사진을 도 21에 나타내었다. 170℃에서 접합한 시편을 인장 시험한 결과 인장강도는 38kgf에 도달하였다. The Sn-Cu low-temperature sintered joint material developed in the present invention diffuses at a low temperature and generates heat, and when measured by DSC, a peak appears at 144 ° C., and the Sn-Cu low-temperature sintered joint material melts. Thermal characteristics at this time were measured by DSC and are shown in FIG. 19 . The peak in FIG. 19 corresponds to about 63.4% of 227° C., which is the lowest melting point (eutectic temperature) of the Sn-Cu-based alloy. Through the results of FIG. 19, the copper plates were low-temperature joined at 160 ° C, 170 ° C, and 210 ° C using the Sn-Cu low-temperature sintered bonding material as a bonding medium. In detail, a Sn-Cu low-temperature sintered joint material was formed on a Cu plate having a size of 30 X 10 X 0.3 (mm). At this time, a photograph of the Sn-Cu low-temperature sintering bonding material is shown in FIG. 20. Cu specimens having Sn-Cu low-temperature sintered bonding materials were overlapped with the plating layers facing each other and bonded at a temperature of 160 ℃, 170 ℃, 210 ℃ in the air or in a vacuum furnace of 10 -3 torr for 10 minutes. A photograph of the bonding at this time is shown in FIG. 21 . As a result of the tensile test of the bonded specimen at 170 ℃, the tensile strength reached 38kgf.

본 발명의 실시예 5에서는 구리를 대기 중 혹은 10-3 torr의 진공로에서 160℃ 이상의 온도로 접합하였고, 실시예 4에서는 스테인레스 강을 10-4 torr의 진공로에서 600℃이상의 온도로 접합하였다. 이들 접합 실시예를 도 15에 표시하였다. 결국 본 발명법으로 제조한 저온 소결 접합소재를 접합 매개물로 사용하면, 피접합재가 환원되는 영역의 해당온도 이상의 조건에서 저온접합이 가능함을 알 수 있다. 물론 최고 접합 온도는 피접합재의 융점 이하까지이다.In Example 5 of the present invention, copper was bonded at a temperature of 160° C. or higher in the air or in a vacuum furnace of 10 -3 torr, and in Example 4, stainless steel was bonded at a temperature of 600° C. or higher in a vacuum furnace of 10 -4 torr. . These bonding examples are shown in FIG. 15 . As a result, it can be seen that if the low-temperature sintering bonding material manufactured by the present invention is used as a bonding medium, low-temperature bonding is possible under the condition of a temperature equal to or higher than the corresponding temperature in the region where the material to be joined is reduced. Of course, the highest bonding temperature is below the melting point of the material to be joined.

또 다른 실시예로, 본 발명법으로 Cu-Ag 발열 및 비정질 특성을 나타내는 다층 나노 박막을 제조 하였으며, 이때의 열 특성을 DTA로 측정하여 도 22에 나타내었다. 이때 발열 특성으로 인해 도금층을 이루는 원소인 Ag(융점 961℃), Cu(융점 1083℃)보다 융점이 낮은 678.54℃에서 피크(peak)가 나타나고, 이는 Cu-Ag계 벌크합금의 최저융점 (공정(eutectic) 온도, Cu-40%Ag)인 779℃의 약 87.1%에 해당한다.As another embodiment, a multilayer nano-thin film exhibiting Cu-Ag exothermic and amorphous characteristics was prepared by the method of the present invention, and the thermal characteristics at this time were measured by DTA and are shown in FIG. 22 . At this time, due to the exothermic characteristics, a peak appears at 678.54 ° C, which is lower in melting point than Ag (melting point 961 ° C) and Cu (melting point 1083 ° C), which are elements constituting the plating layer, which is the lowest melting point of Cu-Ag-based bulk alloy (process ( It corresponds to about 87.1% of 779℃, which is the eutectic temperature, Cu-40%Ag).

상기의 열 특성 실험 실시예로부터, 본 발명을 통해 제조한 저온 소결 접합소재는 벌크형태의 기존 접합 매개물 합금 융점의 52.3%(Ni-Cu계 다층박막)이상 87.1%(Cu-Ag계 다층박막)이하의 온도 범위에서 피크가 나타났으며, 기존의 접합매개물로는 용융되지 않아 접합(브레이징, 솔더링)이 불가능한 이 온도 범위에서도 본 발명법을 이용하면 발열반응에 의해 접합매개물이 용융되어 접합(브레이징, 솔더링)이 가능하다. 또한, 당연히 상기 87.1% 이상의 온도에서도 본 발명법의 매개물을 사용하면 접합이 가능하며, 접합 상한 온도는 기존 접합 매개물의 융점 혹은 피접합재의 융점 이하 범위이다.From the above thermal characteristics test examples, the low-temperature sintering joint material prepared through the present invention has a melting point of the existing joint medium alloy in bulk form of 52.3% (Ni-Cu multilayer thin film) or more 87.1% (Cu-Ag multilayer thin film) A peak appeared in the temperature range below, and even in this temperature range, where bonding (brazing, soldering) is impossible because the existing bonding medium does not melt, the bonding medium is melted by an exothermic reaction and bonding (brazing) , soldering) is possible. In addition, naturally, bonding is possible even at a temperature of 87.1% or higher if the medium of the present invention is used, and the upper limit temperature for bonding is a range below the melting point of the existing bonding medium or the melting point of the material to be joined.

본 발명의 저온 소결 접합소재는 도금된 상태에서는 층상의 구조로 존재하지만, 저온 접합을 위해 접합매개물로 사용하는 경우, 가열하면 저온 소결 접합소재 중 제1 및 제2 도금층은 소결에 의해 소멸되어 접합부를 이루어 접합력이 증가된다. 실제로 발열특성을 갖는 Sn-Cu 계열 다층 나노 박막층을 형성하고, 이를 160℃에서 가열하여 다층 나노 박막층이 소멸됨을 확인하였다. 이때의 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 가열 전 제1 및 제2 도금층과, 가열 후 제1 및 제2 도금층이 소멸된 모습은 도 23에 나타내었다.The low-temperature sintered joint material of the present invention exists in a layered structure in a plated state, but when used as a bonding medium for low-temperature bonding, when heated, the first and second plating layers of the low-temperature sintered joint material disappear by sintering to form a joint to increase bonding strength. In fact, it was confirmed that the Sn-Cu-based multi-layer nano-thin film layer having exothermic properties was formed and heated at 160° C. to disappear the multi-layer nano-thin film layer. At this time, the disappearance of the first and second plating layers of the Sn-Cu low-temperature sintered bonding material before heating and the disappearance of the first and second plating layers after heating is shown in FIG. 23 .

또한 Ni-Cu 저온 소결 접합소재를 형성하고, 이를 650℃에서 가열하여 다층 나노 박막층이 소멸됨을 확인하였다. 이때의 Ni-Cu 계열 다층 나노 박막층의 가열 전 제1 및 제2 도금층과, 가열 후 확산으로 제1 및 제2 도금층이 소멸된 모습은 도 24에 나타내었다.In addition, it was confirmed that a Ni-Cu low-temperature sintered bonding material was formed and heated at 650 ° C. to disappear the multi-layered nano-thin film layer. 24 shows the first and second plating layers of the Ni-Cu-based multilayer nano-thin film layer before heating, and the disappearance of the first and second plating layers due to diffusion after heating.

또한, 저온 소결 접합소재의 결정성 특성을 확인하기 위해 XRD를 이용하여 상을 분석하였다. 도 25에 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재의 제조방법으로 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 열처리 전 및 250℃에서 30분 동안 열처리한 후 XRD 분석한 결과 가열 후 입자 크기 증가에 의한 결정성이 증가한 특성이 나타나는 그래프(a)와, Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 열처리 전 및 800℃에서 30분 동안 열처리한 후 XRD 분석한 결과 가열 후 입자 크기 증가에 의한 결정성이 증가한 특성이 나타나는 그래프(a)를 나타내었다. In addition, the phase was analyzed using XRD to confirm the crystalline characteristics of the low-temperature sintered joint material. 25 shows XRD analysis of the Sn-Cu low-temperature sintered joint material prepared by the manufacturing method of the low-temperature sintered joint material according to the present invention before heat treatment and after heat treatment at 250 ° C for 30 minutes, crystallinity due to increase in particle size after heating Graph (a) showing this increased characteristic, and XRD analysis of the Ni-Cu low-temperature sintered joint material before heat treatment and after heat treatment at 800 ° C for 30 minutes, a graph showing the increased crystallinity due to the increase in particle size after heating (a) is shown.

표 1 및 표 2에 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재의 제조방법으로 제조된 Sn-Cu 저온 소결 접합소재의 열처리 전 및 250℃에서 30분 동안 열처리한 후 XRD 분석을 통해 입자 사이즈를 계산한 결과를 나타내었으며, 표 3 및 표 4에 본 발명에 따른 저온 소결 접합소재의 제조방법으로 제조된 Ni-Cu 저온 소결 접합소재의 열처리 전 및 800℃에서 30분 동안 열처리한 후 XRD 분석을 통해 입자 사이즈를 계산한 결과를 나타내었다.In Tables 1 and 2, the results of calculating the particle size through XRD analysis before heat treatment of the Sn-Cu low temperature sintered joint material prepared by the manufacturing method of the low temperature sintered joint material according to the present invention and after heat treatment at 250 ° C for 30 minutes Table 3 and Table 4 show the particle size of the Ni-Cu low-temperature sintered joint material prepared by the manufacturing method of the low-temperature sintered joint material according to the present invention before heat treatment and after heat treatment at 800 ° C. for 30 minutes through XRD analysis The result of calculating is shown.

Cu/Sn 열처리 전Before Cu/Sn heat treatment Peakpeak 2-theta
(deg)
2-theta
(deg)
격자상수
(A)
lattice constant
(A)
Height
(CPS)
Height
(CPS)
FWHM
(deg)
FWHM
(deg)
Size계산
(A)
Size calculation
(A)
Cu/Sn(112)Cu/Sn(112) 30.06830.068 2.96962.9696 56475647 0.220.22 689689 Sn(200)Sn(200) 30.56630.566 2.92232.9223 829829 0.1950.195 737737 Sn(101)Sn(101) 31.95531.955 2.79842.7984 1066910669 0.1460.146 987987 Cu/Sn(202)Cu/Sn(202) 35.14635.146 2.55132.5513 269269 0.2110.211 689689 Cu/Sn(410)Cu/Sn(410) 42.92342.923 2.10542.1054 57135713 0.3070.307 485485 Cu(111)Cu(111) 43.23943.239 2.09072.0907 33123312 0.2030.203 734734 Sn(220)Sn(220) 43.82843.828 2.0642.064 16701670 0.1630.163 917917 Sn(211)Sn(211) 44.83544.835 2.01992.0199 1730817308 0.1580.158 949949 Cu(200)Cu(200) 50.38850.388 1.80961.8096 1598115981 0.1880.188 815815 Cu/Sn(325)Cu/Sn(325) 53.33553.335 1.71631.7163 11261126 0.3180.318 488488 Sn(304)Sn(304) 55.26255.262 1.66091.6609 599599 0.1780.178 879879 Cu/Sn(034)Cu/Sn(034) 56.66656.666 1.62311.6231 232232 0.2030.203 776776 Cu/Sn(511)Cu/Sn(511) 59.97359.973 1.54121.5412 234234 0.2520.252 635635 Sn(112)Sn(112) 62.4662.46 1.48571.4857 20772077 0.2280.228 711711 Sn(321)Sn(321) 64.52564.525 1.4431.443 46074607 0.1580.158 10371037 Cu/Sn(351)Cu/Sn(351) 70.74370.743 1.33071.3307 448448 0.2080.208 817817 Sn(420)Sn(420) 72.38272.382 1.30451.3045 338338 0.160.16 10731073 Cu(220)Cu(220) 74.07274.072 1.27891.2789 56905690 0.160.16 10851085 Sn(312)Sn(312) 79.43679.436 1.20551.2055 15041504 0.1720.172 10481048

Cu/Sn 열처리 후After Cu/Sn heat treatment Peakpeak 2-theta
(deg)
2-theta
(deg)
격자상수
(A)
lattice constant
(A)
Height
(CPS)
Height
(CPS)
FWHM
(deg)
FWHM
(deg)
Size계산
(A)
Size calculation
(A)
Cu/Sn(112)Cu/Sn(112) 29.99529.995 2.97672.9767 3124431244 0.1520.152 944944 Cu/Sn(202)Cu/Sn(202) 35.03635.036 2.55912.5591 45274527 0.1220.122 11911191 Cu/Sn(104)Cu/Sn(104) 37.36437.364 2.40482.4048 22012201 0.2210.221 662662 Cu/Sn(023)Cu/Sn(023) 39.51339.513 2.27882.2788 912912 0.1180.118 12481248 Cu/Sn(002)Cu/Sn(002) 41.59441.594 2.16952.1695 13091309 0.1240.124 11961196 Cu/Sn(2,10,1)Cu/Sn(2,10,1) 43.14243.142 2.09522.0952 3429934299 0.1690.169 882882 Cu(200)Cu(200) 50.34950.349 1.81091.8109 23712371 0.1180.118 12981298 Cu/Sn(325)Cu/Sn(325) 53.21353.213 1.71991.7199 791791 0.1450.145 10691069 Cu/Sn(202)Cu/Sn(202) 54.06254.062 1.69491.6949 478478 0.120.12 12971297 Cu/Sn(034)Cu/Sn(034) 56.56456.564 1.62571.6257 13841384 0.2010.201 783783 Cu/Sn(511)Cu/Sn(511) 59.86659.866 1.54371.5437 46414641 0.1780.178 899899 Cu/Sn(622)Cu/Sn(622) 62.47862.478 1.48531.4853 40394039 0.2190.219 740740 Cu/Sn(0,10,3)Cu/Sn(0,10,3) 67.73267.732 1.38231.3823 69416941 0.1380.138 12101210 Cu(220)Cu(220) 74.1874.18 1.27731.2773 16901690 0.2080.208 835835

Cu/Ni 열처리 전Before Cu/Ni heat treatment Peakpeak 2-theta
(deg)
2-theta
(deg)
격자상수
(A)
lattice constant
(A)
Height
(CPS)
Height
(CPS)
FWHM
(deg)
FWHM
(deg)
Size계산
(A)
Size calculation
(A)
Cu(111)Cu(111) 43.24743.247 2.09032.0903 48684868 0.1930.193 815815 Ni/Cu(111)Ni/Cu(111) 44.23144.231 2.04612.0461 41054105 0.8410.841 188188 Cu(200)Cu(200) 50.35850.358 1.81061.8106 3990639906 0.2010.201 804804 Cu(220)Cu(220) 74.02274.022 1.27961.2796 94499449 0.3050.305 601601 Ni/Cu(220)Ni/Cu(220) 76.48376.483 1.24451.2445 1542815428 1.0051.005 185185

Cu/Ni 열처리 후After Cu/Ni heat treatment Peakpeak 2-theta
(deg)
2-theta
(deg)
격자상수
(A)
lattice constant
(A)
Height
(CPS)
Height
(CPS)
FWHM
(deg)
FWHM
(deg)
Size계산
(A)
Size calculation
(A)
Ni/Cu(111)Ni/Cu(111) 44.11144.111 2.05142.0514 119434119434 0.3660.366 431431 Ni/Cu(200)Ni/Cu(200) 50.41550.415 1.80861.8086 33713371 0.510.51 317317 Cu(220)Cu(220) 74.1174.11 1.27831.2783 22102210 0.5060.506 362362 Ni/Cu(220)Ni/Cu(220) 75.26875.268 1.26151.2615 18201820 0.4870.487 379379

[비교예 1] 발열 반응이 없는 다층 금속 소재[Comparative Example 1] Multilayer metal material without exothermic reaction

다층 금속 도금층의 각 층의 두께가 두꺼워지거나, 도금층의 수가 줄어들면 다층 금속 도금층 내 계면의 면적이 작아진다. 본 실시예에서는 발열 반응을 갖지 않도록 두 층의 두께의 합이 5㎛로 두껍게 제조된 Sn-Cu계 접합소재를 제조 하였다. 이때의 두 층의 두께의 합이 5㎛로 제조된 Sn-Cu 다층 소재의 단면을 전자현미경으로 확인하여 도 26에 나타내었다. 또한, 이 다층 소재의 열 특성을 DTA로 측정하여 도 27에 나타내었다. 그 결과 DSC측정에서 저온발열피크가 나타나지 않고, 고온에서 도금을 구성하는 원소인 주석이 용융되는 온도인 228℃에서 흡열 피크가 나타났다. 즉, 두 층의 두께의 합이 40nm로 얇게 제조된 Sn-Cu계 접합소재에서 나타났던 144℃의 발열 피크가 5㎛로 두껍게 제조된 소재에서는 나타나지 않았다.When the thickness of each layer of the multi-layer metal plating layer increases or the number of plating layers decreases, the area of the interface in the multi-layer metal plating layer decreases. In this embodiment, a Sn-Cu-based bonding material made thick so that the sum of the thicknesses of the two layers is 5 μm was manufactured so as not to have an exothermic reaction. At this time, the cross-section of the Sn-Cu multilayer material manufactured with the sum of the thicknesses of the two layers being 5 μm was confirmed with an electron microscope and shown in FIG. 26. In addition, the thermal characteristics of this multilayer material were measured by DTA and shown in FIG. 27 . As a result, a low-temperature exothermic peak did not appear in the DSC measurement, and an endothermic peak appeared at 228° C., which is the temperature at which tin, an element constituting the plating, melts at high temperatures. That is, the exothermic peak at 144 ° C, which appeared in the Sn-Cu-based bonding material manufactured as thin as the sum of the two layers of 40 nm, did not appear in the material manufactured as thick as 5 μm.

이때의 발열 반응을 갖지 않도록 각 도금층이 두껍게 제조된 소재를 이용하여 반도체를 구리전극에 170℃ 온도에서 가열하였다. 이때의 반도체와 전극의 접합부를 광학현미경으로 관찰한 결과 접합되지 않았으며, 그 결과를 도 28에 나타내었다. 각 도금층이 두껍게 제조된 접합소재는 열분석결과 흡열피크만을 나타냈고 흡열량이 발열량보다 크기 때문에 접합되지 않은 것으로 판단할 수 있다.In order not to have an exothermic reaction at this time, the semiconductor was heated to a copper electrode at a temperature of 170° C. using a material in which each plating layer was thick. As a result of observing the junction between the semiconductor and the electrode at this time with an optical microscope, it was not joined, and the results are shown in FIG. 28 . As a result of thermal analysis, the bonding material in which each plating layer was manufactured to be thick showed only an endothermic peak, and since the endothermic value is greater than the calorific value, it can be judged that it is not bonded.

또한 도금층 수를 6층으로 제조된 Sn-Cu계 다층 금속 도금 박막을 제조하여 구리전극을 160℃ 온도에서 저온 접합하였으며, 이때의 단면을 도 29에 나타내었다. 이때의 접합부는 부분적으로 접합되었다. 이는 도금층 수가 적어 발열량이 충분하지 않았으며, 용융금속도 충분하지 않았기 때문이다. In addition, a Sn-Cu-based multi-layer metal plating thin film made of six plating layers was manufactured and the copper electrode was low-temperature bonded at 160 ° C., and a cross section at this time is shown in FIG. 29. The joints at this time were partially joined. This is because the calorific value was not sufficient due to the small number of plating layers and the amount of molten metal was not sufficient.

또한 도금 시간을 길게 하여 전체의 도금 두께가 300㎛인 Sn-Cu계 다층 금속 도금 박막을 제조하였으며, 이때의 단면을 도 30에 나타내었다. 본 발명을 통해 제조하는 다층 금속 박막은 도금이 진행이 되면서 도금층 표면에 결함이 생길 수 있으며, 결함은 수직면으로 계속하여 성장하고 300㎛ 이상의 두께로 도금층이 형성되면 다층 도금층 내의 결함의 비율이 높아져 다층 도금층이 잘 형성되지 않고 비정질 및 발열특성이 나타나지 않으며, 저온 접합이 되지 않는다.In addition, by lengthening the plating time, a Sn-Cu-based multilayer metal plating thin film having a total plating thickness of 300 μm was prepared, and a cross section at this time is shown in FIG. 30. In the multi-layer metal thin film manufactured through the present invention, defects may occur on the surface of the plating layer as plating progresses, and the defect continues to grow in a vertical plane. The plating layer is not well formed, amorphous and heat-generating characteristics are not shown, and low-temperature bonding is not performed.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, although the present invention has been described by the limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art in the field to which the present invention belongs can make various modifications and variations from these descriptions. this is possible

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

10: 저온 소결 접합소재 제조 장치
11: 용기
12: 기준 전극
13: 양극
14: 음극
16: 교반용 마그네틱
20: PC
30: 저온 소결 접합소재
31: 전도성 기판
32: 절연테이프
33: 제1 도금층
34: 제2 도금층
41: 도금 기판
42: 제1 도금층
43: 제2 도금층
44: 제3 도금층
10: Low-temperature sintering joint material manufacturing device
11: Courage
12: reference electrode
13: anode
14: cathode
16: magnetic for stirring
20: PC
30: low temperature sintering joint material
31: conductive substrate
32: insulating tape
33: first plating layer
34: second plating layer
41: plated substrate
42: first plating layer
43: second plating layer
44: third plating layer

Claims (21)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 적어도 1개 이상의 금속이 전해도금되어 적층되고, 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈를 갖는 금속 도금막을 포함하며, 가열 시 소결되어 피접합재들을 접합하는 접합소재로서,
상기 금속 도금막은 소결 시 발열반응이 일어나며, 상기 소결 이후 재가열 시 용융되는 온도(Ts2)는 상기 소결되는 온도(Ts1)보다 높은 저온 소결 접합소재.
A bonding material in which at least one or more metals are electroplated and laminated, includes a metal plating film having a grain size of 10 nm to 150 nm, and is sintered when heated to join materials to be joined,
The metal plating film generates an exothermic reaction during sintering, and a melting temperature (T s2 ) when reheating after the sintering is higher than the sintering temperature (T s1 ).
제14항에 있어서,
상기 금속 도금막은 적어도 2개 이상의 금속이 전해도금되어 적층되고, 10nm 내지 150nm의 그레인 사이즈를 갖는 제1 도금층 및 제2 도금층을 포함하는 저온 소결 접합소재.
According to claim 14,
The metal plating film is a low-temperature sintering bonding material comprising a first plating layer and a second plating layer in which at least two or more metals are electroplated and laminated and have a grain size of 10 nm to 150 nm.
제14항에 있어서,
상기 금속은 Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속인 저온 소결 접합소재.
According to claim 14,
The metal is Sn, Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sb , Te, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb, and at least one metal selected from the group consisting of Bi, a low-temperature sintered joint material.
제15항에 있어서,
상기 금속은 금속염 상태일 때, 표준 환원 전위의 차이가 0.029V 이상, 1.0496V 이하인 금속을 2 이상 선택하여 사용하는 저온 소결 접합소재.
According to claim 15,
When the metal is in a metal salt state, a low-temperature sintering joint material using two or more selected metals having a standard reduction potential difference of 0.029V or more and 1.0496V or less.
제14항에 있어서,
상기 금속 도금막 전체의 두께는 0.6nm 내지 300㎛인 저온 소결 접합소재.
According to claim 14,
The thickness of the entire metal plating film is 0.6nm to 300㎛ low-temperature sintering bonding material.
제15항에 있어서,
상기 금속 도금막은 상기 제1 도금층 및 제2 도금층이 6회 이상 반복 적층된 구조로 이루어진 저온 소결 접합소재.
According to claim 15,
The metal plating film is a low-temperature sintering bonding material made of a structure in which the first plating layer and the second plating layer are repeatedly laminated 6 times or more.
제14항에 있어서,
상기 금속 도금막의 소결되는 온도(Ts1)는 상기 금속 도금막을 구성하는 전체 벌크 조성의 융점(Tma)보다 낮은 저온 소결 접합소재.
According to claim 14,
The temperature at which the metal plating film is sintered (T s1 ) is lower than the melting point (T ma ) of the entire bulk composition constituting the metal plating film.
제14항에 있어서,
상기 저온 소결 접합소재는 상기 금속 도금막의 치밀화 및 결정립 성장에 의한 발열반응에 의해 피접합재들을 접합하는 저온 접합용 소재인 저온 소결 접합소재.
According to claim 14,
The low-temperature sintering joining material is a low-temperature sintering joining material for joining materials to be joined by an exothermic reaction caused by densification and crystal grain growth of the metal plating film.
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