KR20160024827A - Low temperature bonding method to be joined using multi coating layer - Google Patents

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이준형
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덕산하이메탈(주)
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Abstract

The present invention relates to a low-temperature bonding method to bond members to be bonded using a multi-plated layer. The low-temperature bonding method using a multi-plated layer according to the present invention bonds members to be bonded using metal consisting of multi-plated layer which is formed by alternatingly plating at least two elements or alloy thereof as a bonding agent. According to the present invention, when performing low-temperature bonding using a multi-plated layer as a bonding agent, the bonding can be possible not only in vacuum status, inert gas, and reducing gas but also in the air using flux. Moreover, the costs of nano-bonding materials can be remarkably reduced since noble metals and base metals (for example, various metal elements such as copper, tin, zinc, nickel, etc.) can be used as a bonding agent by plating the base metals.

Description

다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법 {LOW TEMPERATURE BONDING METHOD TO BE JOINED USING MULTI COATING LAYER}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a low-temperature bonding method for a bonding material using a multi-

본 발명은 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도금액에 포함된 두 종류 이상의 금속염을 펄스전류를 통해 환원하는 과정에서 두 종류 이상의 나노 미터급 두께의 금속 박막을 교대로 쌓은 후 접합용 매개물(접합재료)로 사용하여 저온에서 접합하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of bonding a material to be bonded using a multilayer plating film, and more particularly, to a method of bonding a metal thin film of two or more kinds of nanometers in thickness in a process of reducing two or more kinds of metal salts contained in a plating solution through a pulse current And a method of joining at a low temperature by using it as a bonding medium (bonding material) after stacking.

기존의 접합 기술은 브레이징(경납땜)이나 솔더링(연납땜)처럼 접합하고자 하는 피접합물 사이에 납재(브레이징은 융점 450℃ 이상, 솔더링은 융점 450℃ 이하)를 삽입하고 납재의 용융점 이상으로 피접합재를 가열하여 접합한다. 이때 납재는 한 덩어리(bulk) 형태로 납재 전체에 걸쳐 조성이 대체로 동일하며, 조성에 따른 융점을 갖는다. 또, 확산접합에서는 접합매개물인 납재를 사용하지 않고, 피접합재끼리 접촉시킨 후 가열하거나 초음파, 마찰 등 기계적 마찰 열을 이용하여, 접합될 표면의 원자를 상호 확산시켜 접합한다.Conventional bonding technology is to insert a brazing material (melting point of 450 ° C or higher for soldering, melting point of 450 ° C or lower for soldering) between the materials to be bonded such as brazing (brazing) or soldering (softening soldering) The bonding material is heated and bonded. At this time, the brazing material is in a bulk form and the composition is substantially the same throughout the brazing material and has a melting point according to the composition. In the diffusion bonding, the bonding material is brought into contact with each other without using a brazing filler metal, and the atoms of the surface to be bonded are mutually diffused and bonded by heating after heating or by using mechanical friction heat such as ultrasonic waves or friction.

한편, 나노 페이스트(paste)를 저온접합에 사용하는 경우도 있다. 이것은 나노 분말의 융점이 낮아지는 현상을 이용한 것이다. 나노 미터급 크기의 분말은 불안정하여, 이웃의 분말과 쉽게 합쳐지면서 크기가 커지는데, 분말이 서로 합쳐지는 과정에서 원래 덩어리 (bulk) 소재의 융점보다 나노 분말의 융점이 낮아지는 것으로 알려져 있다. 금속의 분말은 입자 직경(d)에 따라 그 융점(TM(d))이 아래의 식(Gibbs Thomson식)과 같이 덩어리 금속의 융점(TMB)에 비해 저하된다. 따라서, 입자의 직경 d가 작아질수록 그 융점은 저하된다.On the other hand, a nano paste may be used for low-temperature bonding. This is due to the phenomenon that the melting point of the nano powder is lowered. Nanometer sized powders are unstable and easily aggregated with neighboring powders. It is known that the melting point of the nano powder is lower than the melting point of the original bulk material in the course of the addition of the powders. The melting point (T M (d)) of the metal powder is lowered according to the particle diameter (d) as compared with the melting point (T MB ) of the lump metal as in the following equation (Gibbs Thomson formula). Therefore, the lower the diameter d of the particles, the lower the melting point thereof.

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이러한 나노 다층 제조기술과 관련된 기술이 특허등록 제0560296호 및 공개특허 제2013-0060544호에 제안된 바 있다.A technology related to such nano multilayer manufacturing technology has been proposed in Patent Registration No. 0560296 and Published Patent Application No. 2013-0060544.

이하에서 종래기술로서 특허등록 제0560296호 및 공개특허 제2013-0060544호에 개시된 다층 금속박막의 제조 방법 그리고 나노멀티레이어 코팅층 형성방법 및 형성장치를 간략히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a multilayered metal thin film disclosed in Patent Registration No. 0560296 and Laid-open Patent Application No. 2013-0060544 and a method and apparatus for forming a nano multi-layer coating layer will be briefly described.

도 1은 특허등록 제1085100호(이하 '종래기술 1'이라 함)에서 다층 금속박막의 제조 방법을 도시한 도면이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술 1의 다층 금속박막의 제조 방법은 먼저 반도체기판(21)상에 이오나이즈드 물리적기상증착법(Ionized Physical Vapor Deposition; 이하 IPVD라 약칭함)을 이용하여 제 1 티타늄막(22)을 50Å∼500Å두께로 증착한다. 이때, 상기 IPVD법을 이용하는 경우, 타겟(Target)으로부터 스퍼터링(Sputtering)에 의해 떨어져 나온 금속원자들을 이온화시켜 접지시키거나 교류바이어스(AC Bias)가 인가된 웨이퍼쪽으로 가속되도록 하여 금속이온들의 직진성을 이용하여 확산방지금속막이 우수한 단차피복성 (Step coverage)을 가지면서 증착되도록 한다.1 is a view showing a method of manufacturing a multilayered metal thin film in Patent Registration No. 1085100 (hereinafter referred to as "Prior Art 1"). As shown in FIG. 1, a method for manufacturing a multilayered metal thin film according to the prior art 1 includes first forming a first titanium film on a semiconductor substrate 21 using an ionized physical vapor deposition (IPVD) (22) is deposited to a thickness of 50 Å to 500 Å. In this case, when the IPVD method is used, metal atoms separated by sputtering from a target are ionized to be grounded or accelerated toward a wafer to which an AC bias is applied, so that the linearity of the metal ions is utilized So that the diffusion preventing metal film is deposited with excellent step coverage.

이어, 상기 제 1 티타늄막(22)의 <002>방향으로 하여 제 1 티타늄막(22)상에 제 1 티타늄나이트라이드막(23)을 50Å∼500Å두께로 증착한다. 이때, 상기 제 1 티타늄나이트라이드막(23)은 물리적기상증착법(PVD), 유기금속화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 또는 IPVD 중 어느 하나를 이용하여 증착하며, 상기 제 1 티타늄막(22)의 배향성과 평탄도가 우수하기 때문에 그 상부에 증착되는 제 1 티타늄나이트라이드막(23)의 <111>배향성이 우수하다. 이어 상기 제 1 티타늄나이트라이드막(23)상에 알루미늄막(24)을 증착한 다음, 상기 알루미늄막(24)상에 제 2 티타늄(25)과 제 2 티타늄나이트라이드(26)를 증착한다. 이 때, 상기 알루미늄막(24)은 물리적기상증착법(PVD) 또는 화학적기상증착법(CVD)을 이용하여 증착한다.A first titanium nitride layer 23 is deposited on the first titanium layer 22 to a thickness of 50 Å to 500 Å in the <002> direction of the first titanium layer 22. The first titanium nitride layer 23 is deposited using any one of physical vapor deposition (PVD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and IPVD. The first titanium nitride film 23 deposited thereon is excellent in the <111> orientation because of its excellent orientation and flatness. An aluminum film 24 is deposited on the first titanium nitride film 23 and then a second titanium film 25 and a second titanium nitride film 26 are deposited on the aluminum film 24. At this time, the aluminum film 24 is deposited using physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD).

도 2는 공개특허 제2013-0060544호(이하 '종래기술 2'라 함)에서 나노멀티레이어 코팅층 형성방법의 순서도이다. 도 2에서 보는 바와 같이 종래기술 2의 나노멀티레이어 코팅층 형성방법은, 스퍼터링기구와 아크이온플레이팅기구를 이용한 코팅층 형성방법으로서, 모재에 스퍼터링기구의 Mo 타겟과 Ar 가스를 이용하여 Mo코팅층을 형성하는 제1코팅단계(S100); 아크이온플레이팅기구의 Ar 가스 및 N2 가스를 이용하여 질화물 박막 형성 분위기를 형성하는 질화단계(S200); 모재에 스퍼터링기구의 Mo 타겟과 Ar 가스 및 아크이온플레이팅기구의 Ar 가스, N2 가스 및 Cr 소스를 동시에 이용하여 Cr-Mo-N의 나노복합코팅층을 형성하는 제2코팅단계(S300); 및 모재를 회전축을 중심으로 공전시킴으로써 Cr-Mo-N의 나노복합코팅층과 Mo코팅층이 반복되는 멀티레이어로 코팅하는 멀티코팅단계(S400);를 포함한다.FIG. 2 is a flowchart of a method of forming a nano multi-layer coating layer in Laid-Open Patent Application No. 2013-0060544 (hereinafter referred to as "Prior Art 2"). As shown in FIG. 2, the method for forming a nano multi-layer coating layer according to Prior Art 2 is a method for forming a coating layer using a sputtering mechanism and an arc ion plating mechanism, and a Mo coating layer is formed on a base material by using a Mo target of a sputtering mechanism and Ar gas (S100); A nitriding step (S200) of forming an atmosphere for forming a nitride thin film by using an Ar gas and an N2 gas of an arc ion plating mechanism; A second coating step (S300) of forming a Cr-Mo-N nanocomposite coating layer by simultaneously using an Mo target of a sputtering mechanism, an Ar gas, an Ar gas of an arc ion plating mechanism, an N 2 gas, and a Cr source; And a multi-coating step (S400) in which the nanocomposite coating layer of Cr-Mo-N and the Mo coating layer are repeatedly coated with a multilayer by revolving the base material about the rotation axis (S400).

그러나 종래기술 1에 의한 나노멀티레이어 코팅층 형성방법과 종래기술 2에 의한 나노멀티레이어 코팅층 형성방법에 의한 나노 다층 제조기술은 Evaporation, CVD, Sputtering, Ion plating ALD 등 비교적 공정비가 고가인 기술을 사용하거나, 두께의 조절이 힘든 졸-겔 방법 등 화학적 습식 방법을 사용하는 문제점이 있었다.However, the nano multilayer manufacturing technique using the nano multilayer coating layer forming method according to the prior art 1 and the nano multilayer coating layer forming method according to the prior art 2 can be performed by using a technique with a relatively high process cost such as evaporation, CVD, sputtering and ion plating ALD And a chemical wet method such as a sol-gel method in which the thickness is difficult to control.

KR 0560296 B1KR 0560296 B1 KR 2013-0060544 AKR 2013-0060544 A

본 발명의 목적은 다른 종류의 금속층을 나노 미터급 크기로 교번되게 층상으로 적층시켜 전기도금 혹은 무전해도금으로 도금층을 제조 가능하므로 저비용의 간단한 공정을 통해 구현 가능하면서 분말이 아니어서 폭발의 위험이 없고, 도금액 내에서 도금되기 때문에 대기와 직접 접촉하지 않으므로 나노 분말에 비해 산화율이 낮은 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a metal layer by electroplating or electroless plating in which metal layers of different kinds are alternately layered in a layer of a nanometer scale, Temperature bonding method using a multi-layered plated film having a lower oxidation rate than that of a nano powder because it is not directly in contact with the atmosphere because it is plated in a plating solution.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 피접합재 저온 접합시 진공 상태 이외에 대기중에서도 용제(flux)를 이용하여 접합 가능한 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for bonding a material to be bonded using a multilayer plated film which can be bonded by using a flux in the air in addition to a vacuum state at the time of low temperature bonding of the material to be bonded.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 금속염의 환원 전위 차이를 이용하고 펄스를 사용하여 도금법에 의해 제조된 다층 나노 도금층을 접합 매개체로 사용 가능하며, 피접합재에 따라 다층 도금막의 성분, 두께, 층수를 조절하여 저온에서 접합이 가능하도록 한 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is still another object of the present invention to provide a multilayered nano-plated layer produced by a plating method using a difference in reduction potential of a metal salt and using pulses as a bonding agent, and the composition, thickness, And a low temperature bonding method using a multilayered plating film capable of bonding at a low temperature by controlling the temperature of the bonding material.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 피접합재의 곡면이나 수직면에 도포하여 사용하기 어려운 솔더 페이스트의 단점을 보완하기 위해 나노 미터급 다층 도금막을 사용하면 곡면이나 수직면 등에 구애되지 않고 적용 가능하고, 도금된 다층 도금막을 떼어내서 포일(foil)형으로 사용하면 피접합재와 독립적으로 따로 취급 가능하며 저온 접합재료로 사용할 수 있는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a solder paste which is difficult to be applied by applying to curved or vertical surfaces of the material to be bonded, and can be applied without being restricted to a curved surface or a vertical surface by using a nanometer-scale multilayer plating film, Temperature bonding method using a multi-layered plating film which can be handled independently of the material to be bonded and used as a low-temperature bonding material when the multi-layered plating film is peeled off and used as a foil type.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법은, 두 종류 이상의 원소 혹은 그 합금이 교대로 도금하여 적층된 다층 도금막으로 이루어진 금속을 접합 매개물로 하여 대향된 피접합재를 저온 접합하는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법을 통해 달성된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for bonding a material to be bonded using a multi-layered plated film, comprising the steps of: A low temperature bonding method using a multi-layered plating film for low temperature bonding.

또한, 본 발명에서의 상기 피접합재 저온 접합 방법은, 제 1 피접합재의 접합면 또는 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 다층 도금막을 형성하는 단계; 상기 다층 도금막의 도금면에 상기 제 2 피접합재의 접합면 또는 상기 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 형성된 다층 도금막을 접촉시키는 단계; 상기 제 1 및 제 2 피접합재를 저온에서 가열하는 단계; 및 상기 다층 도금막들의 상호 반응에 의해 발열 반응이 발생하여 저온에서 접합되는 단계를 포함할 수 있다.The method for bonding a material to be bonded according to the present invention comprises the steps of: forming a multilayer plating film on a bonding surface of a first bonding material or a bonding surface of a first and second bonding materials; Contacting a plated surface of the multilayered plated film with a multilayered plated film formed on a bonding surface of the second bonding material or a bonding surface of the first and second bonding materials; Heating the first and second materials to be bonded at a low temperature; And an exothermic reaction occurs by mutual reaction of the multi-layered plating films and bonding at a low temperature.

또한, 본 발명에서 상기 피접합재의 저온 접합은 접합면의 산화를 일으키지 않는 분위기인 진공, 불활성 기체, 환원성 기체 분위기에서 실시되며, 대기 중에서도 용제(flux)를 사용하여 실시될 수 있다.In addition, in the present invention, the bonding at a low temperature is performed in a vacuum, an inert gas, or a reducing gas atmosphere, which is an atmosphere that does not cause oxidation of the bonding surface, and may be performed using a flux in the air.

또한, 본 발명에서의 상기 다층 도금막은 Sn(주석), Cu(구리), Zn(아연), Ni(니켈), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ga(갈륨), Ge(저마늄), As(비소), Al(알루미늄), Se(셀레늄), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Tc(테크네튬), Ru(루테늄), Rh(로듐), Pd(팔라듐), Ag(은), Cd(카드뮴), In(인듐), Sb(안티몬), Te(텔루륨), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Re(레늄), Os(오스뮴), Ir(이리듐), Pt(백금), Au(금), Tl(탈륨), Pb(납), Bi(비스무트), Po(폴로늄) 원소로 이루어진 군에서 어느 하나 이상을 포함하는 금속층인 것을 특징으로 할 수 있다.The multi-layered plating film of the present invention may be formed of any one of Sn (tin), Cu (copper), Zn (zinc), Ni (nickel), Ti (titanium), V (vanadium) (Fe), Co (cobalt), Ga (gallium), Ge (germanium), As (arsenic), Al ), Te (tellurium), Hf (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium), Ag (silver), Cd Hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Au (gold), Tl (thallium) Bismuth), and a Po (polonium) element.

또한, 본 발명에서의 상기 다층 도금막은 각각 다른 금속층이 2층 이상 적층될 수 있다.In addition, the multi-layered plating film of the present invention may have two or more different metal layers stacked thereon.

또한, 본 발명에서의 상기 접합 매개물의 형태는 피접합물에 도금된 형태, 박판(sheet, foil)형태, 다층 도금막을 분쇄한 형태, 페이스트(paste) 형태, 덩어리(bulk) 표면 혹은 금속판의 양면에 도금층을 형성하여 전체를 접합매개물로 사용한 형태, 금속 볼 또는 금속이 코팅된 비금속 볼에 도금한 형태 중에 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the form of the bonding medium in the present invention may be in the form of a plate, a sheet, a foil, a multi-layered plated film, a paste, a bulk or a double- A plating layer is formed on the entire surface of the base material, and the plating material is used as a bonding medium, or a metal ball or a metal-coated non-metallic ball.

또한, 본 발명에서의 상기 피접합재는 금속, 세라믹 및 고분자재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Further, the material to be bonded in the present invention may include at least one of metal, ceramics and a polymer material.

또한, 본 발명에서의 상기 저온 접합은 상기 피접합재 또는 상기 접합 매개물을 이루는 합금의 평균조성의 액상선 온도 이하의 온도에서 접합할 수 있다.The low-temperature bonding in the present invention may be conducted at a temperature not higher than the liquidus temperature of the average composition of the bonding material or the alloy constituting the bonding medium.

또한, 본 발명에서의 상기 다층 도금막은 다층 내 교대로 도금되는 한 층 각각이 1㎚에서 1㎜ 이하 범위의 두께로 형성될 수 있다.In addition, the multilayer plating film in the present invention may be formed in a thickness ranging from 1 nm to 1 mm or less for each layer alternately plated in a multilayer.

본 발명에 의하면 다층 도금막을 접합 매개물로 사용한 피접합재 저온 접합시 진공 상태, 불활성 가스, 환원성 가스 분위기 이외에 대기중에서도 용제(flux)를 이용하여 접합 가능하며, 도금막 재질로 귀금속은 물론 일반 금속(예; 구리, 주석, 아연, 니켈 등 다양한 금속)도 모두 도금하여 접합재로 사용할 수 있으므로 나노 접합재의 가격이 나노 분말에 비해 매우 저렴해지는 효과가 있다. 기존 나노 분말은 대기 중 산소와의 접촉 면적이 넓어 산화되기 쉬워 주로 산화가 잘 일어나지 않는 금, 은 등의 귀금속 분말이 사용되고 있다. According to the present invention, a bonding material using a multilayered plating film as a bonding medium can be bonded in a vacuum in a vacuum state, an inert gas, a reducing gas atmosphere, or in the atmosphere using a flux. And various metals such as copper, tin, zinc, and nickel) can be plated and used as a bonding material, so that the cost of the nanocomposite material is much lower than that of the nano powder. Conventional nano powders are noble metal powders such as gold and silver which are easily oxidized because they are easy to oxidize because of their large contact area with oxygen in the atmosphere.

반면, 본 발명은, 나노 분말과 달리, 귀금속이 아닌 금속도 도금조 속에서 층층히 도금되기 때문에 산화의 염려(최외층은 대기중 자연 산화막만 형성)가 없는 효과가 있다.On the other hand, unlike the nano powder, the present invention has the effect of not oxidizing the noble metal because it is layered in the plating bath in the plating bath (the outermost layer does not form only a natural oxide film in the atmosphere).

또한, 본 발명은, 나노 분말이 급격한 산화 및 발열로 폭발이나 화재의 위험이 있는 기존과 달리 다층 도금막은 취급이 용이하고, 안전한 효과가 있다.In addition, unlike the conventional nano powder having a risk of explosion or fire due to rapid oxidation and heat generation of the nano powder, the multilayered plating film is easy to handle and has a safe effect.

또한, 본 발명은, 진공 중 증착(sputtering) 등 물리적 증착법(PVD, physical vapor deposition) 또는 화학적 증착법(CVD, chemical vapor deposition)으로 다층 적층이 수행되는 기존과 달리 도금법을 이용하여 간편하게 대량 생산이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention can be easily mass produced by a plating method, unlike the conventional method in which multilayer lamination is performed by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) such as sputtering in vacuum It is effective.

또한, 본 발명은, 롤 형태의 도금 전극을 사용하면 다층 도금막을 박리하여 독립적인 별개의 박판(foil) 형태의 접합재료로 제조할 수 있으며, 박판제조 생산성이 높아지는 효과가 있다.Further, in the present invention, if a roll-shaped plating electrode is used, the multi-layered plated film can be peeled off and can be manufactured as independent independent foil-type bonding material, and the productivity of thin plate production is increased.

또한, 본 발명은, 펄스와 도금시간을 조절하여 임의로 다층 도금막의 두께 조절이 가능한 효과가 있다.Further, the present invention has an effect that the thickness of the multilayered plating film can be arbitrarily adjusted by controlling the pulse and the plating time.

*또한, 본 발명은, 기존의 접합법에 비해 접합 온도를 크게 낮출 수 있어서 에너지 가격을 크게 절약(예를 들어, 전자산업에서 많이 사용하는 Sn-3.5wt%Ag는 융점이 약 221℃로서, 통상 250℃에서 피접합재를 접합한다. 반면 Sn과 Ag를 교대로 쌓은 다층 도금막을 이용하면, 이를 도금한 피접합재는 약 160℃ 혹은 그 이하의 온도에서 접합할 수 있음)할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can significantly reduce the junction temperature compared to the conventional bonding method, thereby greatly reducing the energy price (for example, the Sn-3.5 wt% Ag used in the electronics industry has a melting point of about 221 캜, The bonding material is bonded at 250 DEG C. On the other hand, when a multilayer plating film in which Sn and Ag are alternately stacked is used, the bonded material to be bonded can be bonded at a temperature of about 160 DEG C or less).

또한, 본 발명에서, 나노 미터급 크기의 분말은 한 종류의 금속으로도 융점이 저하되어 저온 접합이 가능한 기존과 달리 서로 다른 종류의 금속층을 나노 미터급 크기로 교대로 층을 만들 수 있는 효과가 있다.In addition, in the present invention, the nanometer-scale powder has a melting point lower than that of one kind of metal, so that it is possible to alternately form layers of different kinds of metal layers at a nanometer scale level have.

도 1은 종래기술 1에 따른 이중 유기 실록산 전구체 화합물을 이용하여 절연막을 제조하는 장치의 개략도이다.
도 2는 종래기술 2에 따른 이중 유기 실록산 전구체 화합물을 이용하여 절연막을 제조하는 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 제 1 및 제 2 피접합재의 다층 나노 도금면을 다른 피접합재의 표면에 저온에서 접합하는 방법을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 제 1 및 제 2 피접합재(구리) 표면에 Sn과 Cu를 교대로 다층 도금막을 각각 형성한 경우의 저온 접합 시편 예를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 접합전 제 1 및 제 2 피접합재 표면에 Sn-Cu 가 교대로 나노 다층 도금된 예를 보인 사진이다.
도 7은 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 Sn-Cu 나노 다층 도금막을 DSC(시차 주사 열량계)로 시험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 한쪽 시편에만 Sn 및 Ag 다층 도금막을 형성시킨 후 다른 시편과 저온 접합(일부 접합)한 모습을 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 한쪽 시편에만 Sn 및 Ag 다층 도금막을 형성시킨 후 다른 시편과 160℃에서 접합이 완료된 모습을 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 제 1 및 제 2 피접합재의 양쪽 시편 표면에 모두 다층 도금막을 형성시켜 접합한 모습(완전 접합)을 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 구리를 160℃에서 접합을 완료한 후의 모습을 나타낸 사진이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 구리 돌기 전극을 160℃에서 접합을 완료한 후의 모습을 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 Sn-3%Ag-0.5%Cu 솔더 볼과 나노 다층 도금한 구리 기판 간 160℃에서 저온 접합한 상태를 나타낸 사진이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 Sn과 Cu의 나노 다층 도금막을 형성한 구리 기판을 나타낸 사진이다.
도 15는 도 13을 확대한 사진이다.
도 16은 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 다층 도금막(Sn 및 Cu 각각의 두께 20nm) 가열처리 전 도금한 그대로의 XRD 측정 결과를 타나낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 다층 도금막(Sn 및 Cu 각각의 두께 20㎚)의 300℃ 가열처리 후 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 피접합재인 구리 한 쪽 면에만 나노 다층면을 도금(Sn 및 Cu 각각의 두께 20㎚, 다층막 총 두께: 3μm)하여, 대기 중에서 솔더링용 용재(flux)를 사용하여 가열판(hot plate) 상에서 160℃로 가열하여 접합한 사진이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for producing an insulating film using a dual organosiloxane precursor compound according to Prior Art 1. FIG.
FIG. 2 is a schematic view of an apparatus for producing an insulating film using the double organosiloxane precursor compound according to the prior art 2. FIG.
3 is a block diagram showing a method of bonding a material to be bonded using a multilayer plating film according to the present invention.
4 is a schematic view showing a method of bonding a multilayer nano-plated surface of first and second materials to be bonded to a surface of another material to be bonded at a low temperature in a method of bonding a material to be bonded using a multilayer plating film according to the present invention.
5 is a schematic view showing an example of a low-temperature bonded specimen in the case where a multilayer plating film is alternately formed of Sn and Cu on the surfaces of the first and second materials to be bonded (copper) in the method of bonding the materials to be bonded using the multilayer plating film of the present invention to be.
6 is a photograph showing an example in which Sn-Cu is alternately nano-multilayered on the surface of the first and second bonding materials before bonding in the method of bonding a bonding material using a multilayer plating film of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the results of a DSC (differential scanning calorimetry) test of a Sn-Cu nano-multilayer plated film in the method of bonding a material to be bonded using a multilayered plating film of the present invention.
FIG. 8 is a photograph showing a state in which Sn and Ag multi-layered plated films are formed only on one test piece and then the test pieces are joined to each other at a low temperature (partially bonded) in the low temperature bonding method using a multilayer plating film according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a photograph showing a state in which Sn and Ag multi-layered plating films are formed only on one test piece and then bonded to another test piece at 160.degree. C. in the low-temperature bonding method using the multilayer plating film according to the first embodiment of the present invention.
10 is a photograph showing a state in which a multilayered plated film is formed on the surfaces of both specimens of the first and second materials to be bonded in the method of bonding the material to be bonded using the multilayered plated film according to the second embodiment of the present invention to be.
11 is a photograph showing a state in which copper is bonded at 160 ° C in a method of bonding a material to be bonded using a multilayer plating film according to a second embodiment of the present invention.
12 is a photograph showing a state after the copper projection electrode is bonded at 160 ° C in a method of bonding a material to be bonded using a multilayer plating film according to a third embodiment of the present invention.
13 is a low temperature bonding state at 160 ° C between a Sn-3% Ag-0.5% Cu solder ball and a nano-multilayered copper substrate in a bonding method using a multilayer plating film according to a fourth embodiment of the present invention It is a photograph.
14 is a photograph showing a copper substrate on which a nano multilayered plated film of Sn and Cu is formed in the method of bonding a material to be bonded using a multilayered plating film according to a fourth embodiment of the present invention.
Fig. 15 is an enlarged photograph of Fig.
FIG. 16 is a graph showing the results of XRD measurement as it is plated before heat treatment of a multilayer plating film (thickness of each of Sn and Cu is 20 nm) in the method of bonding a material to be bonded using the multilayer plating film of the present invention.
17 is a graph showing XRD measurement results of a multilayer plated film (thicknesses of Sn and Cu each having a thickness of 20 nm) after heat treatment at 300 캜 in the method of bonding a material to be bonded using the multilayered plating film of the present invention.
FIG. 18 is a graph showing the results obtained by plating a nano multilayered surface (the thicknesses of Sn and Cu each having a thickness of 20 nm and the total thickness of a multilayer film: 3 .mu.m) only on one side of copper as a bonding material in the bonding method using the multilayered plating film of the present invention, And heated at 160 ° C on a hot plate using a flux.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims are intended to mean that the inventive concept of the present invention is in accordance with the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain its invention in the best way Should be interpreted as a concept.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 일실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 일실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it is to be understood that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to fully inform the category.

도 3에는 본 발명에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법이 블록도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 제 1 및 제 2 피접합재의 다층 나노 도금면을 다른 피접합재의 표면에 저온에서 접합하는 방법이 개략도로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 제 1 및 제 2 피접합재(구리) 표면에 Sn과 Cu를 교대로 다층 도금막을 각각 형성한 경우의 저온 접합 시편 예가 개략도로 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 접합전 제 1 및 제 2 피접합재 표면에 Sn-Cu 가 교대로 나노 다층 도금된 예가 사진으로 나타나 있으며, 도 7에는 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 Sn-Cu 나노 다층 도금막을 DSC(시차 주사 열량계)로 시험한 결과가 그래프로 나타나 있다.FIG. 3 is a block diagram showing a method of bonding a material to be bonded using a multilayered plating film according to the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method of bonding a material to be bonded using a multilayered plating film according to the present invention. 5 is a schematic view showing a method of joining the plated surface to the surface of another bonding material at a low temperature. Fig. 5 shows a method of bonding the surface of the first and second bonding materials (copper) using a multi- And Cu are alternately formed on the surface of the first bonding material and the second bonding material before the bonding in the method for bonding a bonding material using the multilayered plating film of the present invention. Sn-Cu are alternately nano-multilayer plated, and FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method of bonding a thin film of S The n-Cu nano-multilayer plated films were tested by DSC (Differential Scanning Calorimetry) as a graph.

이들 도면에 의하면, 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법은 두 종류 이상의 원소 혹은 그 합금이 교대로 도금하여 적층된 나노(Nano) 형태의 다층 도금막(220)으로 이루어진 금속을 접합 매개물로 하여 대향된 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)를 저온 접합한다.According to these drawings, the bonding material low-temperature bonding method using the multilayered plating film of the present invention is a method of bonding a metal composed of a nano-type multilayer plating film 220, which is formed by alternately plating two or more kinds of elements or alloys thereof, The first and second bonded materials 200 and 210 opposed to each other are bonded together at a low temperature.

즉, 본 발명의 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법은 제 1 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100a) 또는 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100b), 전처리 단계(S110a, S110b), 다층 도금막의 도금면에 제 2 피접합재의 접합면 접촉 단계(S120a) 또는 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 형성된 다층 도금막 접촉단계(S120b), 제 1 및 제 2 피접합재 저온 가열 단계(S130) 및 저온 접합 단계(S140)를 포함한다.That is, in the method of bonding a material to be bonded using the multilayered plating film of the present invention, a multilayered plated film forming step (S100a) or a multilayered plated film forming step (S100b) is performed on the bonding surface of the first to- A pre-treatment step (S110a, S110b), a multi-layered plating film contacting step (S120b) formed on the bonding face of the second bonding material to the plating face of the multilayered plating film or a bonding face of the first and second bonding materials, (S130), and a low-temperature bonding step (S140).

제 1 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100a) 또는 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100b)는 접합할 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210) 중 제 1 피접합재(200)의 접합면 또는 상기 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)의 접합면에 다층 도금막을 형성하는 단계이다.The multi-layered plating film forming step (S100a) or the multi-layered plating film forming step (S100b) on the bonding surfaces of the first and second bonded materials on the bonding surfaces of the first materials to be bonded may include first and second bonding materials A multilayer plating film is formed on the bonding surface of the first bonding material 200 or the bonding surfaces of the first and second bonding materials 200 and 210. [

여기서, 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)는 금속, 세라믹 및 고분자재료 등에서 선택되는 고체형태의 피접합체이다.Here, the first and second materials 200 and 210 are solid bodies in the form of a metal, a ceramic, a polymer material, or the like.

특히, 상기 제 1 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100a) 또는 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100b)를 수행하는 과정에서 접합매개물(일예로 납재)인 나노 미터급 다층 도금막을 형성할 때 접합 매개물로는 전자부품의 접합에 주로 이용이 되는 납땜재로 사용되는 주석합금 중 Sn-Cu 다층 도금막과, Sn-Ag 다층 도금막을 사용하였다. 본 발명에서 실시 예로 사용한 Sn-Cu를 교대로 형성한 다층 도금막의 Sn 및 Cu의 두께는 각각 20㎚이고, Sn 및 Ag 나노 도금층의 두께는 각각 150㎚이다. 실시 예에 사용된 Cu 기판 및 Sn-Cu 나노 도금막은 예시적인 것에 불과하며 철계, 알루미늄계 등의 다양한 금속 및 합금을 접합하기 위하여 여러가지 다양한 원소들을 사용하여 다층 도금막으로 모두 이용이 가능하다. Particularly, in the process of forming the multi-layered plating film (S100a) on the bonding surface of the first material to be bonded or the multi-layered plating film formation step (S100b) on the bonding surfaces of the first and second materials to be bonded, ) Sn-Cu multi-layered plated film and Sn-Ag plated multi-layered plated film were used as the bonding medium. The thicknesses of Sn and Cu of the multi-layered plated film formed by alternately forming the Sn-Cu used in the embodiment of the present invention are 20 nm, and the thicknesses of the Sn and Ag nano-plated layers are respectively 150 nm. The Cu substrate and the Sn-Cu nano-plated film used in the examples are merely illustrative and can be used as multi-layered plated films by using various various elements for bonding various metals and alloys such as iron-based and aluminum-based ones.

*나노 미터급 다층 도금막을 제조하기 위한 구성에는 도금액, 금속염, 첨가제, 전극, 전도성기판, 전압 및 전류 파형이 조절 가능한 전원, 파형 조절 프로그램 등이 필요하다.* Configurations for manufacturing nanometer-scale multi-layered plated films require plating solutions, metal salts, additives, electrodes, conductive substrates, power supplies with adjustable voltage and current waveforms, and waveform control programs.

또한, 다층 도금막을 접합 매개물로 하여 접합을 실시하기 위한 구성에는 피 접합재, 나노 미터급 도금막이 교대로 도금된 피접합재 또는 나노 미터급 금속층이 교대로 쌓인 박판(foil), 접합을 위한 가열장치, 경우에 따라 진공 가열 장치, 나노 도금층 표면의 세척을 위한 세척액, 경우에 따라 접합시 산화물을 제거하는 용제(flux) 등이 필요하다. In addition, the constitution for bonding using a multilayered plated film as a bonding medium includes a bonding material, a bonding material alternately plated with a nanometer-scale plated film, a foil with alternately stacked nanometer-level metal layers, a heating device for bonding, In some cases, it is necessary to use a vacuum heating device, a cleaning solution for cleaning the surface of the nano-plated layer, and a flux for removing oxides at the time of bonding.

전처리 단계(S110a, S110b)는 상기 제 1 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100a) 또는 상기 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 다층 도금막 형성 단계(S100b) 수행 후에 접합을 위한 전처리 과정 단계이다.The preprocessing steps S110a and S110b may be performed after the multi-layered plating film forming step S100a is performed on the bonding surface of the first material to be bonded or the multi-layered plating film forming step S100b is performed on the bonding surfaces of the first and second materials to be bonded It is a preprocessing process step.

이때, 상기 전처리 단계(S110a, S110b)는 다층 도금막(220)의 표면 오염물이나 산화물 제거를 위해 다층 도금막(220)의 표면을 5 vol% 염산 수용액 등 산 희석액으로 약 1분간 세척한 후 증류수를 이용하여 재차 세척(rinse) 한다. 여기서 산 수용액이 금속산화물을 제거하게 되어 접합을 더욱 용이하게 한다. 만일 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)를 대기 중에서 접합하고자 한다면, 다층 도금막(220)의 표면의 산화층을 제거하기 위해 저온에서 작용하는 용제(flux)를 이용할 수 있다.In this case, the surface of the multilayered plating film 220 is washed with a diluted acid solution such as 5 vol% aqueous hydrochloric acid solution for about 1 minute in order to remove surface contaminants or oxides of the multilayered plating film 220, And rinses again. Where the aqueous acid solution removes the metal oxide, which further facilitates bonding. If the first and second bonded materials 200 and 210 are to be bonded together in the atmosphere, a flux acting at a low temperature may be used to remove the oxide layer on the surface of the multilayered plating film 220.

다층 도금막의 도금면에 제 2 피접합재의 접합면 접촉 단계(S120a) 또는 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 형성된 다층 도금막 접촉단계(S120b)는 다층 도금막(220)의 도금면에 제 2 피접합재(210)의 접합면 또는 제 2 피접합재(210)의 접합면에 형성된 다층 도금막(220)과 접촉시키는 단계이다.The step of contacting the bonding surface of the second bonding material to the plated surface of the multilayered plated film (S120a) or the step of contacting the multilayered plated film formed on the bonding surfaces of the first and second bonded materials may be performed on the plated surface of the multilayered plated film 220 Layered plating film 220 formed on the bonding surface of the second bonding material 210 or on the bonding surface of the second bonding material 210. [

이때, 상기 단계에서의 다층 도금막(220)은 다층 내 교대로 도금되는 한 층 각각이 1㎚ 내지 1㎜ 두께로 형성되며, Sn(주석), Cu(구리), Zn(아연), Ni(니켈), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ga(갈륨), Ge(저마늄), As(비소), Al(알루미늄), Se(셀레늄), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Tc(테크네튬), Ru(루테늄), Rh(로듐), Pd(팔라듐), Ag(은), Cd(카드뮴), In(인듐), Sb(안티몬), Te(텔루륨), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Re(레늄), Os(오스뮴), Ir(이리듐), Pt(백금), Au(금), Tl(탈륨), Pb(납), Bi(비스무트), Po(폴로늄) 등의 원소를 포함하는 금속층이다. 더욱이, 상기 다층 도금막(220)은 위에서 설명한 각각 다른 금속층이 2층 이상 적층될 수도 있다.At this time, the multilayer plating film 220 in the above step is formed by alternately plating each of the multilayered plating layers 220 to a thickness of 1 nm to 1 mm, and is formed of Sn (tin), Cu (copper), Zn (zinc) (Iron), Co (cobalt), Ga (gallium), Ge (germanium), As (arsenic), Al (Aluminum), Se (selenium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Tc (technetium), ruthenium, rhodium, palladium, (Tin), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Ta (tantalum) , Pt (platinum), Au (gold), Tl (thallium), Pb (lead), Bi (bismuth), and Po (polonium). Furthermore, the multi-layered plating film 220 may be formed by stacking two or more different metal layers as described above.

한편, 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210) 표면에 반드시 도금하여 사용할 필요는 없고, 나노미터 두께의 다층 도금막(220)으로 구성된 접합용 매개물을 분리하여 박판(foil) 형태로서 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210) 사이에 삽입하여 저온 접합할 수도 있다.On the other hand, it is not necessary to necessarily use the plating on the surfaces of the first and second materials 200 and 210 for bonding, and a bonding medium composed of the multilayer plating film 220 having a thickness of nanometers is separated to form a first foil And the second material to be bonded (200, 210).

여기서, 다층 도금막(220)은 두 종류 이상의 나노 미터급 두께의 금속층이 넓은 면의 형태로 이루어진 판상의 형태로 규칙적인 순서로 쌓여 층상을 이루는 구조를 말한다. 이종 재료 간 층을 형성하게 되면 그 특성이 합금의 특성과는 다른 특성이 나타난다. 이러한 도금층은 이종 재료 간 접촉하는 표면적이 넓고 표면 에너지가 높아 불안정한 상태이다. 그 때문에 조금만 가열하여도 확산이 쉽게 일어나며 이 과정에서 열이 발생된다. 또한, 금속은 나노 미터급 도금층에서 비결정질(비정질, amorphous)이 되기 쉬운데, 비정질은 불안정하므로 외부에서 조금만 가열하여도 결정화되면서 발열하기도 한다. 다층 도금막(220)은 가열시 상호 확산 과정에서 합금을 형성할 수 있다. 상기의 특징을 이용하여, 다층 도금막(220)은 기존의 고온에서 행하던 접합공정을 외부의 가열장치로 저온으로 가열하여도 접합이 가능하게 되며, 이런 특성으로 인하여 다층 도금막(220)은 솔더링 및 브레이징과 같은 금속 접합 분야의 납재로 대체가 가능하다. Here, the multi-layered plated film 220 refers to a structure in which two or more types of metal layers having a nanometer-scale thickness are stacked in a regular order in the form of a plate having a wide surface shape. When the interlayer material layer is formed, the characteristics are different from those of the alloy. Such a plating layer is in a state of unstable due to a large surface area in contact with dissimilar materials and a high surface energy. Because of this, diffusion can easily occur even with a little heating, and heat is generated in this process. In addition, metals tend to become amorphous (amorphous) in the nanometer-scale plating layer. Since the amorphous is unstable, the metal crystallizes and exothermates even if heated slightly from the outside. The multi-layered plated film 220 can form an alloy in the process of interdiffusion upon heating. The multilayered plating film 220 can be bonded even if the bonding process performed at a conventional high temperature is heated to a low temperature by an external heating apparatus. Due to such characteristics, the multilayered plating film 220 is soldered And brazing can be substituted by a brazing filler metal.

더욱이, 접합 매개물의 형태는 피접합물에 도금된 형태, 박판(sheet, foil)형태, 다층 도금막을 분쇄한 형태, 페이스트(paste) 형태, 덩어리(bulk) 표면 혹은 금속판의 양면에 도금층을 형성하여 전체를 접합매개물로 사용한 형태, 금속 볼 또는 금속이 코팅된 비금속 볼에 도금한 형태 중에 선택된다.Further, the form of the bonding medium may be formed by forming a plating layer on both surfaces of the member to be bonded, a sheet, a foil, a multi-layer plated film, a paste, a bulk or a metal plate Metal ball or a metal-coated non-metallic ball, all of which are used as a bonding medium.

제 1 및 제 2 피접합재 저온 가열 단계(S130)는 제 1 및 제 2 피접합재(200 ,210)를 저온에서 가열하는 단계로, 다층 도금막(220)을 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210) 사이에 오도록 위치시킨 후 접촉시킨다. 도 13의 경우, 고정장치 없이 자중만으로 나노 다층막이 도금된 판재와 솔더 볼을 저온 접합한 예를 보인 것이다. 접합위치의 정밀도가 크게 요구되는 경우 등 필요에 따라 간단한 고정장치(도면에 미도시)를 이용하여 고정시킬 수 있다. 이는 접합 시 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)가 이동하는 것을 억제하며 다층 도금막(220)과 상기 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)가 접촉이 잘 일어나도록 한다.The first and second bonding material low temperature heating step S130 is a step of heating the first and second bonding materials 200 and 210 at a low temperature and heating the multilayer plating film 220 to the first and second bonding materials 200 , 210, and then brought into contact with each other. 13 shows an example of low-temperature bonding of a solder ball and a plate material on which a nano multilayer film is plated only by its own weight without a fixing device. It can be fixed using a simple fixing device (not shown in the figure) as needed, for example, when the accuracy of the bonding position is greatly required. This prevents the first and second bonding materials 200 and 210 from moving while bonding and allows the multilayer plating film 220 and the first and second bonding materials 200 and 210 to contact each other well.

더욱이, 상기 제 1 및 제 2 피접합재 저온 가열 단계(S130)는 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210) 접합시 표면의 산화막 생성을 억제하기 위해 진공 분위기에서 가열한다. 가열하는 온도는 DSC(시차 주사 열량계)를 이용하여 발열반응이 끝나는 부분의 온도로 하였다. 진공로를 사용하지 않더라도 표면 산화층이 발생하지 않는 재료이거나 접합온도에서 사용 가능한 용제(flux)를 사용할 경우 대기 중에서의 접합이 가능하다. 이때, 상기 피접합재의 저온 접합은 접합면의 산화를 일으키지 않는 분위기인 진공, 불활성 기체 환원성 기체 분위기 등에서 실시 가능하며, 대기 중에서도 용제(flux)를 사용하여 실시된다.Further, the first and second bonding materials are subjected to the low-temperature heating step (S130) in a vacuum atmosphere in order to suppress oxide film formation on the surface of the first and second bonding materials 200 and 210. The heating temperature was set to the temperature at which the exothermic reaction was terminated using DSC (differential scanning calorimetry). In the case of a material which does not generate a surface oxidation layer without using a vacuum furnace, or when a flux usable at a bonding temperature is used, bonding in the atmosphere is possible. At this time, the low temperature bonding of the material to be bonded can be carried out in a vacuum, an inert gas reducing gas atmosphere, or the like atmosphere which does not cause oxidation of the bonding surface, and is performed using a flux in the air.

이때, 다층 도금막(220)을 접합 매개물로 사용할 때 온도가 증가함에 따라 나노 미터급 도금층이 활성화가 되어 접합이 일어나게 되는데 저온에서 다층 도금막이 활성화가 되는 원리 즉, 접합 중 다층 도금막의 활성화 과정 이론은 하기와 같다.At this time, when the multi-layered plated film 220 is used as a bonding medium, the nanometer-level plated layer is activated as the temperature increases, and the bonding occurs. The principle of activating the multi-layered plated film at low temperature, Is as follows.

첫째로 다층 도금막은 두께의 감소에 의한 표면적의 증가로 표면 에너지가 감소되기 쉬우며 매우 불안정하다. 또, 다층 도금막의 층간 계면이 존재하며 계면 에너지가 감소되는 방향으로 반응이 진행되고자 한다.First, the multi-layered plated film is liable to decrease the surface energy due to the increase of the surface area due to the decrease of the thickness, and is very unstable. Further, it is intended that the reaction proceeds in a direction in which the interlayer interface of the multilayered plated film exists and the interface energy decreases.

두 번째로 확산에 의한 것으로 이종재료 간 층간 간격이 짧아짐에 따라 확산 거리가 짧아지게 되고 그로 인한 농도 구배가 심해져 확산이 활발히 일어나서 제 1 및 제 2 피접합재와 매개물의 접합이 활성화된다. 하기식 픽스(Fick's)의 확산 1법칙을 통하여 확산 플럭스(Flux)가 거리에 반비례함을 알 수 있다.Secondly, as the interlayer spacing between the different materials becomes shorter due to the diffusion, the diffusion distance becomes shorter and the concentration gradient due to the diffusion becomes shorter, so that the diffusion is actively activated and the bonding of the first and second materials to be bonded is activated. It can be seen that the diffusion flux (Flux) is inversely proportional to the distance through the diffusion 1 rule of the following equation (Fick's).

Figure pat00002
Figure pat00002

J: 단위시간당 단위 면적을 지나는 원자의 수를 나타내는 FluxJ: Flux representing the number of atoms passing through the unit area per unit time

DB: B 원자의 확산계수DB: diffusion coefficient of B atom

C: 농도C: Concentration

x: 확산거리x: spreading distance

dC/dx: x방향으로의 농도 변화율dC / dx: concentration change rate in the x direction

여기서, 확산이란 원자가 화학포텐셜(chemical potential)차이에 의해 화학포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 구성입자가 이동하는 현상을 말하는데 대부분의 경우, 화학포텐셜은 농도에 비례한다. 즉, 대부분의 경우 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산을 하게 된다. 나노미터 두께의 서로 다른 도금층을 교대로 적층하면, 서로 다른 금속은 서로간 농도차가 매우 크기 때문에 (순 금속간에는 거의 100:0), 농도차에 의한 확산이 용이하고, 거리도 나노 미터급으로 짧아서 확산이 활발하다.Here diffusion refers to the phenomenon that a constituent particle moves from a high chemical potential to a low chemical potential due to a chemical potential difference. In most cases, the chemical potential is proportional to the concentration. That is, in most cases, diffusion occurs from a high concentration to a low concentration. When alternating layers of nanometer-thick plated layers are alternately laminated, the difference in concentration between the different metals is very large (almost 100: 0 between the pure metals), so diffusion by the difference in concentration is easy, Diffusion is active.

세 번째로 다층 도금막은 불안정하여 가열 중 발열반응이 일어나게 된다. 이때 발생되는 열량으로 인해 도금층의 부분적인 용융이 발생하여 접합이 일어나는 것으로 사료된다. Third, the multi-layered plated film is unstable and an exothermic reaction occurs during heating. It is considered that the partial melting of the plating layer occurs due to the heat generated at this time and the bonding occurs.

실시 예에서 두께가 각각 20nm인 Sn과 Cu의 나노 미터급 다층 도금막을 DSC를 이용하여 분석을 하였다. 도 7에서 137℃에서 183℃범위 내에 발열반응이 나타남을 확인할 수 있으며 곡선 피크 면적만큼의 열량이 발생한다.In the examples, a nanometer-scale multilayer plating film of Sn and Cu each having a thickness of 20 nm was analyzed using DSC. 7, an exothermic reaction occurs within a range of 137 ° C to 183 ° C, and a calorie corresponding to a curve peak area is generated.

다층 도금막의 경우 각 층의 두께가 수십 나노미터로서, 원자의 장거리 질서(규칙적인 배열)가 존재하기에는 원자의 배열 거리가 짧아 비정질특성이 나타난다 (도 16 참조). 도 16에서 각 층의 두께가 20nm인 Sn-Cu 나노 다층 도금막의 열처리 전의 XRD 피크(peak)에서 강도(intensity)가 낮게 측정되었으며 back ground가 나타났다. 이로부터 각각의 두께 20nm인 Sn 및 Cu인 열저리 전 다층 나노 도금층 내에 비정질상이 포함이 되었음을 알 수 있다. 반면, 도 17에서 300℃에서 열저리 한 후 XRD를 분석한 결과, Cu, Cu6Sn5, Cu3Sn 피크(peak)가 뚜렷하게 나타났다. 이것을 바탕으로 결정질의 도금막이 생성되었음을 알 수 있다. 따라서 다층 도금막은 가열에 의해 비정질 특성에서 결정질 특성으로 변화하는 것을 알 수 있다. In the case of a multi-layered plated film, the thickness of each layer is several tens of nanometers, and the long distance (regular arrangement) of the atoms is present, and the arrangement distance of the atoms is short, resulting in an amorphous characteristic (see FIG. In FIG. 16, the intensity of the Sn-Cu nano-multilayer plated film having a thickness of 20 nm in each layer was measured at a low XRD peak before heat treatment and a back ground was observed. From this, it can be seen that the amorphous phase was contained in the multi-layered nano-plated layer before annealing, that is, Sn and Cu each having a thickness of 20 nm. On the other hand, FIG. 17 shows that Cu, Cu 6 Sn 5 , and Cu 3 Sn peaks were clearly observed after XRD analysis after thermal dehydration at 300 ° C. Based on this, it can be seen that a crystalline plated film is formed. Therefore, it can be seen that the multilayered plated film changes from amorphous to crystalline by heating.

*저온 접합 단계(S140)는 다층 도금막(220)들의 상호 반응에 의해 발열 반응이 발생하여 저온에서 접합되는 단계로, 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)와 다층 도금막(220)과의 접촉 부위에 확산 접합층(230)이 형성된다. 즉, 상기 저온 접합 단계(S140) 수행시 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210) 표면으로 다층 도금막이 확산되면서 상호 접합하게 되는 것이다. 이때, 상기 저온 접합 단계(S140)는 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210) 또는 접합 매개물을 이루는 합금의 평균조성의 액상선 온도의 0.5%이상에서 80%이하의 온도에서 접합하는 것이 바람직하다.In the low-temperature bonding step S140, an exothermic reaction occurs due to the mutual reaction of the multilayered plating films 220 and is bonded at a low temperature. The first and second bonded materials 200 and 210 and the multi- A diffusion bonding layer 230 is formed on the contact region. That is, in the low-temperature bonding step (S140), the multi-layered plating films are diffused to the surfaces of the first and second bonding materials (200, 210) and bonded to each other. At this time, it is preferable that the low-temperature bonding step (S140) is performed at a temperature of 0.5% to 80% of the liquidus temperature of the average composition of the alloy constituting the first and second materials 200 and 210 or the bonding medium Do.

즉, 상기 저온 접합 단계(S140) 수행시 전자 패키징 산업에 많이 이용되는 구리를 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)로 하였으며, 상기 제 1 및 제 2 피접합재(200, 210)의 형상은 판재(plate)형태 및 돌기(bump 혹은 pillar) 형태 등으로 구현하였다. That is, copper, which is widely used in the electronic packaging industry, is used as the first and second bonding materials 200 and 210 during the low-temperature bonding step S140, and the shape of the first and second bonding materials 200 and 210 Are implemented in the form of a plate or a bump or pillar.

제 1 및 제 2 피접합재(구리) 표면에 Sn과 Cu를 교대로 다층 도금막(220)을 형성한 경우의 저온 접합성을 확인하기 위하여, 피접합재인 각각의 구리 표면에 다층 도금막인 Sn 및 Cu 각각의 두께는 20㎚이고, 다층 도금막의 총 두께는 각각 150μm로 나노 다층 도금막을 형성하였다. In order to confirm the low-temperature bonding property in the case where the multilayer plating film 220 is alternately formed of Sn and Cu on the surfaces of the first and second materials to be bonded (copper), a multilayer plating film of Sn and / Cu each had a thickness of 20 nm, and the total thickness of the multilayered plated films was 150 m, respectively, to form a nano-multilayered plated film.

다음으로, 다층 도금막(220)을 제 1 피접합재(200)의 표면에만 형성시키고, 나머지 한쪽 제 2 피접합재(210)에는 다층 도금막을 형성시키지 않고 저온 접합이 일어나는지 확인하는 실험을 하였다(도 4 참조). 다층 도금막(220)은 Sn-Cu 도금층 외에 다른 금속을 접합재로 사용 가능한 것을 확인하기 위하여, Sn과 Ag을 제 1 피접합재인 구리 한쪽 판재에 총 4μm 두께로 도금하였다. 이때, 교대로 도금된 Sn 및 Ag 도금층의 각각의 두께는 150㎚이었다. Sn-Ag층이 나노 도금된 피접합재 구리와 도금이 되지 않은 구리 판재를 접촉시키고 진공에서 가열하여 접합하였다.Next, an experiment was conducted in which the multilayered plated film 220 was formed only on the surface of the first material to be bonded 200 and the low temperature bonding was observed without forming a multilayered plating film on the other second material to be bonded 210 4). In order to confirm that a metal other than the Sn-Cu plating layer can be used as the bonding material, the multilayer plating film 220 was plated with Sn and Ag to a total thickness of 4 μm on one copper plate as the first bonding material. At this time, the thickness of each of the alternately plated Sn and Ag plated layers was 150 nm. The Sn-Ag layer was contacted with the nano-plated copper material to be bonded and the unplated copper plate, and then heated and bonded in vacuum.

본 발명에서 피접합재가 평탄한 경우에는 피접합재의 자중을 이용하여 접합할 수 있으나, 때로는 피접합재 간의 접촉을 위해 지그로 고정할 수도 있다. 본 발명에서는 볼 접합의 경우 자중을 이용하기도 하고, 판재 접합의 경우 고정용 지그로 클립(clip)을 이용하기도 하였다. In the present invention, when the material to be bonded is flat, it can be bonded using the own weight of the material to be bonded, but sometimes it can be fixed with a jig for contact between the materials to be bonded. In the present invention, self-weight is used in the case of the ball joint, and a clip is used in the fixing jig in the case of joining the plate material.

실시 예에서 접합을 위해 나노층을 활성화시키는 가열장치로는 진공로를 이용하였다, 나노층이 활성화 되는 온도를 확인하기 위해 Sn-Cu 다층 도금막을 DSC (시차 주사 열량계)를 이용하여 가열하였을 때 144℃에서 발열 반응 피크가 측정되었으며 구간이 종료되는 온도 약 160℃를 접합 온도로 결정하였다. (도 7 참조)In the embodiment, a vacuum furnace was used as a heating device for activating the nano layer for bonding. When the Sn-Cu multilayered film was heated using DSC (Differential Scanning Calorimetry) to confirm the temperature at which the nano layer was activated, The exothermic peak of the exothermic reaction was measured, and the temperature at which the section was terminated was determined to be about 160 ° C as the junction temperature. (See Fig. 7)

<실시 예 1> &Lt; Example 1 >

▷ 피접합재의 한쪽 시편에만 Sn 및 Ag 나노 다층 도금막을 형성시킨 후 접합▷ After Sn and Ag nano-multilayer plating films are formed on only one specimen of the bonding material,

도 8에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 한쪽 시편에만 Sn 및 Ag 다층 도금막을 형성시킨 후 다른 시편과 저온 접합(일부 접합)한 모습(Ag 및 Sn의 나노 다층 도금막으로 160℃에서 진공로로 접합)이 사진으로 나타나 있으며, 도 9에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 한쪽 시편에만 Sn 및 Ag 다층 도금막을 형성시킨 후 다른 시편과 160℃에서 접합이 완료된 모습(완전 접합)이 사진으로 나타나 있다.FIG. 8 is a graph showing the results of a low-temperature bonding method using a multilayer plating film according to the first embodiment of the present invention, in which Sn and Ag multi-layered plating films are formed only on one test piece, 9 shows a method of bonding a material to be bonded using a multilayered plating film according to the first embodiment of the present invention in which a Sn and Ag multi-layered plating film is formed only on one of the specimens, After forming, the other specimens are shown at 160 ° C (complete joint).

본 실시예는 제 1 피접합재의 한쪽 시편에 다층 도금막이 형성된 후 제 2 피접합재를 접촉시키는 싱글 셀(Single Cell) 타입으로, 제 1 피접합재의 한쪽 시편에만 Sn 및 Ag 다층 도금막을 각각 150nm로 형성시킨 후, 160℃에서 진공로를 이용하여 접합하였다. 접합된 제 1 피접합재의 단면을 연마하여 접합부를 광학현미경으로 관찰하였다.(도 8 참조). 접합 유무는 도 8의 접합부 주위의 확산층의 유무로 판단할 수 있다. 도 8에서 제 1 피접합재 구리의 도금되지 않은 부분을 보이기 위해 일부 미접합된 부분을 제시하였다.The present embodiment is a single cell type in which a multilayer plating film is formed on one specimen of the first member to be bonded and then the second member to be bonded is brought into contact with the first and second members to be bonded. And then bonded at 160 ° C using a vacuum furnace. The cross section of the bonded first bonded member was polished and the bonded portion was observed with an optical microscope (see FIG. 8). The presence or absence of bonding can be determined by the presence or absence of a diffusion layer around the bonding portion in Fig. In Figure 8, some unbonded portions are presented to show the unplated portion of the first bond material copper.

접합될 제 1 피접합재의 한쪽 시편에만 Sn 및 Ag 다층 도금막을 형성시키고, 다른 제 2 피접합재의 시편은 다층 도금막을 형성시키지 않더라도 도 8과 같이 저온 접합이 가능하다. 즉, 제 1 및 제 2 피접합재 양측 모두에 도금할 필요가 없이 한쪽 시편에만 도금하여도 접합이 가능하다. The Sn and Ag multi-layered plating films are formed only on one specimen of the first bonding target to be bonded and the specimen of the other second bonding target material can be bonded at a low temperature as shown in Fig. 8 without forming a multilayer plating film. That is, it is not necessary to perform plating on both sides of the first and second materials to be bonded, and it is possible to join even if only one specimen is plated.

<실시 예 2> &Lt; Example 2 >

▷ 피접합재의 양 쪽 시편 표면에 모두 나노 다층 도금막을 형성시킨 후 접합▷ After forming a nano multilayered plating film on the surface of both specimens of the bonding material,

도 10에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 제 1 및 제 2 피접합재의 양쪽 시편 표면에 모두 다층 도금막을 형성시켜 접합한 모습(Sn-Cu 나노 다층 도금막 사용)이 사진으로 나타나 있고, 도 11에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 구리를 160℃에서 접합을 완료한 후의 모습(Sn과 Cu 나노 다층 도금막 사용)이 사진으로 나타나 있다.10 is a view showing a state in which a multilayered plated film is formed on the surfaces of both specimens of the first and second materials to be bonded in the method of bonding a material to be bonded using a multilayered plated film according to the second embodiment of the present invention (a Sn-Cu nano- 11 shows the state after the completion of the bonding at 160 ° C in the method of bonding the material to be bonded using the multilayered plating film according to the second embodiment of the present invention (the case where Sn and the Cu nano-multilayer plating film Used) is shown in the photograph.

도 10은 제 1 및 제 2 피접합재의 양쪽 시편 표면에 모두 다층 도금막을 형성시켜 접합한 듀얼 셀(Duel Cell) 타입의 실시예로, Cu와 Sn의 두께를 각각 20㎚로 다층 도금하였다. 이것을 200℃에서 진공로를 이용하여 접합하였으며, 접합부의 단면을 도 10에서 볼 수 있다.10 is a dual-cell type embodiment in which a multilayered plated film is formed on both surfaces of both the first and second bonded materials, and the thicknesses of Cu and Sn are multilayer plated to 20 nm, respectively. This was bonded at 200 ° C using a vacuum furnace, and the cross-section of the joint can be seen in FIG.

도 11은 도 10과 동일한 조건으로 준비된 시편이지만 접합온도는 160℃이다. Sn과 Cu의 합금 중에서는 공정조성인 Sn-0.7wt%Cu에서 융점이 가장 낮으며, 융점은 약 227℃ (이를 공정온도 eutectic temperature라 함) 이다. 따라서, 본 실시 예의 Sn과 Cu 도금 다층막을 사용한 접합 온도 160℃는 Sn과 Cu 공정온도 (eutectic 온도) 보다도 크게 낮다는 것을 알 수 있다.11 is a specimen prepared under the same conditions as in Fig. 10, but the junction temperature is 160 캜. Among the alloys of Sn and Cu, the melting point is the lowest in Sn-0.7 wt% Cu, which is the process composition, and the melting point is about 227 ° C (this is called the process temperature eutectic temperature). Therefore, it can be seen that the junction temperature of 160 占 폚 using Sn and the Cu-plated multilayered film of this embodiment is significantly lower than the Sn and Cu process temperatures (eutectic temperature).

<실시 예 3> &Lt; Example 3 >

▷ Cu 돌기 (bump 혹은 pillar) 전극에 Cu 및 Sn 다층 도금막을 형성시킨 후 저온 접합▷ Cu and Sn multilayer plating films were formed on Cu bump or pillar electrodes, and low temperature bonding

도 12에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 구리 돌기 전극을 160℃에서 접합을 완료한 후의 모습(Sn과 Cu 나노 다층 도금막을 아래쪽 구리에만 도금해서 사용)이 사진으로 나타나 있다.12 is a view showing a state after the completion of the bonding of the copper projection electrode at 160 DEG C in the method of bonding the bonding material using the multilayer plating film according to the third embodiment of the present invention (the Sn and Cu nano-multilayer plating films are plated only on the lower copper) This picture is shown.

Cu 돌기 전극-Cu 돌기 전극 간 접합을 위해, 아래쪽 Cu 돌기 위에 Cu와 Sn을 각각 약 20nm 씩 교대로 다층 도금막을 형성하여, 총 두께 약 1μm의 Cu-Sn 나노 다층 도금막을 형성하였다. 그 다음, 두 Cu 돌기 전극을 접촉시킨 후 160℃에서 진공로를 이용하여 접합하였다. 접합 후 단면 관찰을 통하여 접합이 양호하게 완료되었음을 확인하였다 (도 12 참조). 기존의 접합법은 초음파 병용 열압착법을 사용하거나 (Thermosonic bonding), 열과 압축력을 병용한 열압착법(Thermocompression bonding), 솔더를 돌기전극 위에 코팅(solder capped pillar 혹은 bump)한 후 솔더를 용융시켜 접합(reflow soldering)하는 방법을 사용하였다. 한편, Cu 돌기전극 외에도 Ni, Au 등 다양한 금속 전극이 사용되고 있기 때문에 본 실시예는 이들의 접합에도 유용하다.Cu protruding electrode-Cu In order to join the protruding electrodes, a Cu-Sn nano-multilayer plating film having a total thickness of about 1 袖 m was formed by alternately forming Cu and Sn on the lower Cu projections by about 20 nm alternately. Then, the two Cu projection electrodes were brought into contact with each other, followed by bonding at 160 ° C using a vacuum furnace. After the bonding, it was confirmed through the cross-section observation that the bonding was completed well (see FIG. 12). Conventional bonding methods include thermosonic bonding using ultrasonic bonding, thermocompression bonding using heat and compressive force, coating of solder on a protruding electrode (solder capped pillar or bump), melting the solder to bond (reflow soldering) method was used. On the other hand, since various metal electrodes such as Ni and Au are used in addition to the Cu projecting electrodes, this embodiment is also useful for these joining.

본 실시예는 돌기 전극(bump 혹은 pillar) 간의 접합 외에도, 돌기가 없는 (bumpless) 전극 간의 접합에도 적용될 수 있음은 물론이다. It goes without saying that the present embodiment can be applied to bonding between bump electrodes in addition to bump or pillar bonding.

<실시 예 4> <Example 4>

▷ 솔더 볼과 나노 다층 도금한 구리 기판 간의 접합▷ Bonding between solder balls and nano multilayered copper substrate

도 13에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 Sn-3%Ag-0.5%Cu 솔더 볼과 나노 다층 도금한 구리 기판 간 160℃에서 저온 접합한 상태(Sn과 Cu 나노 다층 도금막 사용)가 사진으로 나타나 있고, 도 14에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법에서 Sn과 Cu의 나노 다층 도금막을 형성한 구리 기판이 사진으로 나타나 있으며, 도 15에는 도 13을 확대한 사진이 나타나 있다.FIG. 13 shows a state (Sn (3)) in which the Sn-3% Ag-0.5% Cu solder balls and the nano-multi-layered copper substrate are bonded at 160 ° C. in a low temperature bonding method using a multilayer plating film according to a fourth embodiment of the present invention And a Cu nano-multilayer plating film) are shown in Fig. 14. In Fig. 14, a copper substrate having a nano-multilayered plating film of Sn and Cu in a bonding method using a multilayer plating film according to the fourth embodiment of the present invention, And FIG. 15 shows an enlarged photograph of FIG.

Sn-3%Ag-0.5%Cu 솔더 볼과 나노 미터급으로 다층 도금한 구리 기판 간 접합을 위해, Cu와 Sn을 각각 20㎚ 씩 교대로 구리 기판에 다층 도금하였다 (다층막 총 두께 약 2μm). 상기 솔더 볼을 도금된 구리 기판에 올려 두고, 160℃에서 진공로를 이용하여 접합하였다. 그 결과 도 13과 같이, 접합부의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 조사한 결과 양호하게 접합되었음을 확인하였다. 일반적으로 Sn-3%Ag-0.5%Cu 솔더의 용융범위는 217~219℃이고, 이 솔더 볼은 약 240~260℃ 범위에서 대부분 접합하고 있는데, 본 실시예를 통해 160℃에서 저온 접합이 가능함을 확인하였다. In order to bond between Sn-3% Ag-0.5% Cu solder balls and multi-layered copper substrates with nanometer scale, Cu and Sn were alternately multilayer plated on a copper substrate by 20 nm each (total thickness of multilayer film about 2 μm). The solder balls were placed on a plated copper substrate and bonded at 160 캜 using a vacuum furnace. As a result, as shown in FIG. 13, the cross section of the joint was examined by a scanning electron microscope (SEM), and it was confirmed that the joint was satisfactorily bonded. In general, the melting range of Sn-3% Ag-0.5% Cu solder is 217 to 219 ° C, and this solder ball is mostly bonded at about 240 to 260 ° C. Respectively.

도 14는 동 기판에 Cu와 Sn의 나노 도금막을 교대로 형성한 것으로, 총 두께 약2μm로 나노 다층 도금된 예를 보인 것이다. FIG. 14 shows an example in which nano-plated films of Cu and Sn are alternately formed on the substrate, and the nano-multilayer plating is performed with a total thickness of about 2 μm.

또한 도 15는 도 13의 확대부를 나타낸 것이다. 구리 기판과 솔더 볼 사이에 반응층이 관찰되고 있어서 160℃의 저온 접합임에도 불구하고 완전한 금속간 결합이 일어났음을 확인할 수 있다. Fig. 15 shows an enlarged portion of Fig. The reaction layer was observed between the copper substrate and the solder balls, indicating that complete intermetallic bonding occurred despite the low temperature bonding at 160 ° C.

<실시 예 5> &Lt; Example 5 >

▷ 대기 중에서 한쪽 구리 면에만 나노 다층 도금한 후 구리 기판과의 접합▷ Nano multilayer plating only on one side of copper in air and bonding with copper substrate

도 18은 피접합재인 구리 한 쪽 면에만 나노 다층면을 도금(Sn 및 Cu 각각의 두께 20㎚, 다층막 총 두께: 3μm)한 후, 대기 중에서 솔더링용 용재 (flux)를 사용하고 가열판 (hot plate) 상에서 160℃로 가열하여 구리기판과 접합한 사진이다. 접합면은 결함 없이 양호하게 접합된 것을 확인할 수 있다. Fig. 18 is a graph showing the results obtained by plating a nano multi-layered surface on one side of a copper material to be bonded (each of Sn and Cu having a thickness of 20 nm and a total thickness of a multilayer film: 3 m), using a soldering flux in a hot plate ) At 160 DEG C and bonded to the copper substrate. It can be confirmed that the bonding surfaces are well bonded without defects.

그러므로 본 발명에 따른 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법은 하기와 같은 유용성이 존재한다.Therefore, the bonding method of the bonding material using the multilayer plating film according to the present invention has the following usefulness.

기존 브레이징 및 솔더링 기술에서는 접합을 위해 납재(접합매개물)의 융점 이상으로 가열하여 접합해 왔다. 예로서, 구리를 솔더링으로 접합할 때, Sn-Ag 납재를 사용하면 Sn-Ag계 합금 중 융점이 가장 낮은 것은 공정조성인 Sn-3.5%Ag로 융점인 221℃ 이며, 통상의 솔더링 접합온도는 융점보다 30℃ 이상인 약 250℃ 이상이다. 또 다른 예로서, 스테인리스강을 구리 납재로 브레이징 접합할 때는 접합 온도는 구리의 융점인 1083℃ 이상이며, 통상의 브레이징 접합온도는 약 1115℃ 이상이다. Conventional brazing and soldering techniques have been used for joining by heating above the melting point of the brazing material (bonding medium). For example, when a Sn-Ag based alloy is used for bonding copper by soldering, the Sn-Ag based alloy having the lowest melting point is Sn-3.5% Ag, which is a process composition, and has a melting point of 221 ° C. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 30 C &lt; / RTI &gt; As another example, when stainless steel is brazed to copper brazing material, the bonding temperature is 1083 ° C or higher, which is the melting point of copper, and the normal brazing bonding temperature is about 1115 ° C or higher.

반면, 본 발명은 Sn과 Ag 나노 미터급 금속 박막을 교대로 적층 도금한 것을 접합매개물로 사용하며, 실시 예에서와 같이 160℃ 혹은 그 이하 온도(다층 도금막이 얇아지면 더 낮은 온도에서 접합 가능)에서 접합 가능하다. 이러한 장점은 Sn, Ag 외에 다른 금속들을 교대로 나노 형태의 도금층으로 도금해도 유사한 결과를 얻는다. 그 이유는 전술한 바와 같이 나노 형태의 도금층들이 가열되면 상호 농도차에 의한 확산 과정에서 발열반응이 일어나 접합되기 때문이다.On the other hand, the present invention uses alternating lamination of Sn and Ag nanometer-scale metal thin films as a bonding medium, and at 160 ° C or less (as the multilayer plating film is thinner, it can be bonded at a lower temperature) It is possible to join. These advantages are similar to those obtained by plating the metals other than Sn and Ag with a nano-type plating layer alternately. The reason for this is that when the nano-shaped plating layers are heated as described above, an exothermic reaction occurs in the diffusion process due to mutual concentration differences and is bonded.

따라서, 본 발명의 다층 도금막을 이용하면 Sn-Ag계가 접합 매개물인 경우, 기존 솔더링법은 접합온도 250℃, 본 발명은 160℃로서 약 90℃ 낮은 온도에서 접합 가능하다. Sn-Ag 합금계가 용융되기 시작하는 온도 중 가장 낮은 온도가 공정온도(eutectic temperature, Sn-3.5%Ag) 221℃인데, 다층 도금막을 사용한 경우의 접합온도 160℃는 Sn-Ag 공정 융점의 약 72%이다. 또한, 기존의 Sn-Ag합금계의 솔더링 접합온도 250℃의 약 64%이다. 또, Sn-Cu합금계의 경우 가장 낮은 용융온도가 공정온도(eutectic temperature, Sn-0.7%Cu) 227℃인데, Sn-Cu 다층 도금막을 사용한 경우의 접합온도 160℃는 융점의 약 70%이다. Therefore, when the Sn-Ag system is used as the bonding medium, the conventional soldering method can bond at a bonding temperature of 250 ° C, and 160 ° C of the present invention at a low temperature of about 90 ° C by using the multilayer plating film of the present invention. The lowest temperature among the temperatures at which the Sn-Ag alloy system starts melting is the eutectic temperature (Sn-3.5% Ag) 221 ° C. When the multi-layered plating film is used, the bonding temperature 160 ° C is about 72 %to be. In addition, it is about 64% of the soldering joint temperature of 250 캜 of the conventional Sn-Ag alloy system. In the case of the Sn-Cu alloy system, the lowest melting temperature is 227 ° C. at the eutectic temperature (Sn-0.7% Cu). When the Sn-Cu multi-layered plating film is used, the bonding temperature 160 ° C. is about 70% of the melting point .

따라서, 기존의 접합 온도 대비, 본 발명의 접합온도로 인한 소모 에너지는 약 64%에 불과하므로 매우 경제적이다. 본 발명에서 사용한 다층 도금막이 더욱 얇아지면 더 낮은 온도에서도 접합이 가능하다.Therefore, the consumed energy due to the junction temperature of the present invention is only about 64% of the conventional junction temperature, which is very economical. When the multilayered plating film used in the present invention is thinner, bonding can be performed even at a lower temperature.

이를 통해 소모 에너지 비용 절감, 전자부품의 열적 손상 방지, 고온 가열에 의한 솔더링부의 강도 저하[입자(grain) 성장으로 인한 강도저하] 및 열화 억제와 고온 가열에 따른 금속간 화합물의 성장 등도 억제할 수 있다. This can reduce the cost of consumed energy, prevent thermal damage to electronic components, reduce the strength of the soldered parts due to high temperature heating [strength degradation due to grain growth], inhibit deterioration and grow intermetallic compounds due to high temperature heating have.

이러한 저온 접합 현상은 Sn-Ag계뿐만 아니라, Sn-Cu, Cu-Zn, Al-Ni 등 대부분의 이종 금속 나노 다층 도금막에서 유사한 결과를 얻을 수 있다. This low-temperature bonding phenomenon can be obtained not only in the Sn-Ag system but also in most noble metal multi-layered plating films such as Sn-Cu, Cu-Zn, and Al-Ni.

나아가서 본 발명은 기존의 브레이징(brazing, 경납땜), 솔더링(soldering, 연납땜), 확산접합 등 각종 접합이 적용되는 분야에서 적용 가능하며, 기존의 온도보다 저온으로 가열하여 접합할 수 있다. 구체적 일례로 응용이 가능한 분야는 솔더링(납땜)이 사용되는 각종 전기·전자부품의 접합, 실리콘 칩의 솔더 범프와 Cu 범프 및 범프리스(bumpless) 접합, 각종 솔더(땜납) 볼, 솔더(땜납) 박판(foil), 솔더 와이어, 도금 납재와 이와 관련된 접합용 소재, MEMS (Microelectromechanical Systems) 등 각종 마이크로기기의 접합이 있다. 또한, 브레이징용 경납땜 소재(박판, 와이어, 볼, 도금 등)에 적용 가능하고, 자동차 에어컨 등에 사용되는 각종 열교환기, 예를 들어 라디에이터, 응축기, 오일 냉각기, 순간온수기 등에 적용 가능하며, 그 외에도 자동차, 항공, 기계 분야 부품 등과 기타 산업분야 부품, 기기의 브레이징 및 솔더링, 접합 분야에 적용할 수 있다. Further, the present invention can be applied to a field where various joining such as conventional brazing, soldering, soft soldering, diffusion bonding, etc. is applied, and can be bonded by heating at a temperature lower than the conventional temperature. Specific examples of the application of the solder bumps include solder bumps, bump and bumpless solder balls, solder balls, solder bumps, solder bumps, Foil, solder wire, plated brazing material and related bonding materials, and microelectromechanical systems (MEMS). It can be applied to various kinds of heat exchangers such as radiators, condensers, oil coolers, and instantaneous water heaters which are applicable to brazing materials (thin plate, wire, ball, plating, etc.) for brazing, It can be applied to automotive, aerospace, machinery parts and other industrial parts, brazing, soldering and bonding of equipment.

그리고 본 발명은 Sn-Ag 외에도, Sn-Cu를 교대로 나노 미터급으로 도금하여도 유사하게 160℃ 혹은 그 이하의 온도에서 접합된 바 있다. 전자산업에서 흔히 사용되는 실리콘 웨이퍼 중의 구리 전극 돌기(Cu pillar)의 접합은 기존 기술은 구리끼리 열압착하여 접합하거나 솔더를 구리 돌기에 코팅하여 240~250℃의 온도에서 접합한다. 그러나, 본 발명을 사용하여 접합하면 Sn와 Ag를 교대로 쌓은 나노도금층 혹은 Sn과 Cu를 교대로 쌓은 나노 도금층을 사용하면 160℃ 혹은 그 이하의 온도에서 접합된다. 물론, Sn와 Ag, Sn과 Cu 층 외에 다른 금속의 나노 다층 도금막을 사용하여도 유사한 결과를 얻을 수 있다. In addition to Sn-Ag, Sn-Cu is alternately plated with a nanometer scale, and the present invention is similarly bonded at a temperature of 160 ° C or lower. Conventional techniques for bonding copper electrode pores in silicon wafers commonly used in the electronics industry are to bond the copper wires together by thermocompression bonding or to bond the solder to the copper protrusions at a temperature of 240 to 250 ° C. However, when using the present invention, a nano-plated layer alternately stacking Sn and Ag or a nano-plated layer alternately stacking Sn and Cu is bonded at a temperature of 160 ° C or lower. Of course, similar results can be obtained by using a nano multilayer plating film of a metal other than Sn and Ag, Sn and Cu layers.

범프리스(bumpless) 접합시 돌기 전극이 없는 경우에도 전극 표면에 본 발명의 다층 도금막을 얇게 나노 미터급으로 도금하면 저온에서 접합이 가능하다. 현재 반도체 실리콘 칩의 접합에 사용되는 범프의 크기는 수십 마이크로미터~수백 마이크로미터 크기인데, 본 발명을 적용하여 범프 리스로 접합하면 다층 도금막의 두께만큼의 크기(수 마이크로미터도 가능)로 저온에서 접합할 수 있어서 실리콘 칩을 삼차원으로 적층하거나 플립 칩(flip chip)등의 접합에서도 그 두께를 크게 줄일 수 있다.Even when there is no projection electrode in the bumpless bonding, bonding can be performed at a low temperature if the multilayered plating film of the present invention is plated on the surface of the electrode to a thickness of nanometer. Currently, the size of the bumps used in the bonding of the semiconductor silicon chips is several tens of micrometers to several hundreds of micrometers. When the present invention is applied and bonded by bumpless bonding, the thickness of the multilayered plated film can be reduced So that the silicon chip can be stacked three-dimensionally or the thickness of the flip chip can be greatly reduced.

열압착 접합법에 적용시 전자산업에서 기존에는 기판 상의 구리-구리, 니켈-니켈, 금-금 등 다양한 금속 돌기(전극)를 열압착법으로 180℃ 내외에서 접합하고 있다. 본 발명을 사용하면 160℃ 혹은 그 이하에서 접합이 가능하다.When applied to the thermocompression bonding method, in the electronic industry, various metal projections (electrodes) such as copper-copper, nickel-nickel, and gold-gold on the substrate are bonded at about 180 ° C. by thermocompression bonding. Using the present invention, bonding is possible at 160 ° C or less.

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.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. 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, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

200, 210: 제 1 및 제 2 피접합재
220: 다층 도금막
200, 210: first and second bonded materials
220: multilayer plating film

Claims (9)

두 종류 이상의 원소 또는 그 합금이 교대로 도금하여 적층된 다층 도금막으로 이루어진 금속을 접합 매개물로 하여 대향된 피접합재를 저온 접합하는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
A method for bonding a material to be bonded using a multi-layered plating film for bonding a material to be bonded opposite to each other with a metal made of a multilayered plated film alternately plated and stacked with two or more kinds of elements or alloys thereof as a bonding medium.
제1항에 있어서, 상기 피접합재 저온 접합 방법은,
제1 피접합재의 접합면 또는 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 다층 도금막을 형성하는 단계;
상기 다층 도금막의 도금면에 상기 제 2 피접합재의 접합면 또는 상기 제 1 및 제 2 피접합재의 접합면에 형성된 다층 도금막을 접촉시키는 단계;
상기 제 1 및 제 2 피접합재를 저온에서 가열하는 단계; 및
상기 다층 도금막들의 상호 반응에 의해 발열 반응이 발생하여 저온에서 접합되는 단계를 포함하는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
The bonding method according to claim 1,
Forming a multilayer plating film on the bonding surface of the first bonding material or the bonding surfaces of the first and second bonding materials;
Contacting a plated surface of the multilayered plated film with a multilayered plated film formed on a bonding surface of the second bonding material or a bonding surface of the first and second bonding materials;
Heating the first and second materials to be bonded at a low temperature; And
Wherein the exothermic reaction occurs due to the mutual reaction of the multilayered plating films and is bonded at a low temperature.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 피접합재의 저온 접합은 접합면의 산화를 일으키지 않는 분위기인 진공, 불활성 기체, 환원성 기체 분위기에서 실시되며, 대기 중에서도 용제(flux)를 사용하여 실시되는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the low temperature bonding of the material to be bonded is performed in a vacuum, an inert gas, or a reducing gas atmosphere which is an atmosphere that does not cause oxidation of the bonding surface, and is carried out using a flux in the air.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다층 도금막은 Sn(주석), Cu(구리), Zn(아연), Ni(니켈), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ga(갈륨), Ge(저마늄), As(비소), Al(알루미늄), Se(셀레늄), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Tc(테크네튬), Ru(루테늄), Rh(로듐), Pd(팔라듐), Ag(은), Cd(카드뮴), In(인듐), Sb(안티몬), Te(텔루륨), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Re(레늄), Os(오스뮴), Ir(이리듐), Pt(백금), Au(금), Tl(탈륨), Pb(납), Bi(비스무트), Po(폴로늄) 원소로 이루어진 군에서 어느 하나 이상을 포함하는 금속층인 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The multilayered plating film may be formed of at least one of Sn (tin), Cu (copper), Zn (zinc), Ni (nickel), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (Cobalt), Ga (gallium), Ge (germanium), As (arsenic), Al (aluminum), Se (selenium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum) , Tantalum), Hf (hafnium), Ta (tantalum), tantalum (tantalum), tantalum (Ta) ), W (tungsten), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Au (gold), Tl (thallium), Pb (lead), Bi (bismuth) ) &Lt; / RTI &gt; element, which is a metal layer containing at least one of the elements.
제4항에 있어서,
상기 다층 도금막은 각각 다른 금속층이 2층 이상 적층되는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the multilayer plating film is a multilayer plating film in which two or more different metal layers are stacked.
제1항에 있어서,
상기 접합 매개물의 형태는 피접합물에 도금된 형태, 박판(sheet, foil)형태, 다층 도금막을 분쇄한 형태, 페이스트(paste) 형태, 덩어리(bulk) 표면 혹은 금속판의 양면에 도금층을 형성하여 전체를 접합매개물로 사용한 형태, 금속 볼 또는 금속이 코팅된 비금속 볼에 도금한 형태 중에 선택되는 어느 하나인 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
The method according to claim 1,
The form of the bonding medium may be a form of plating on a member to be bonded, a sheet, a foil, a multi-layered plated film, a paste, a bulk or a metal plate, A metal ball or a metal-coated non-metallic ball; and a low-temperature bonding method using the multilayered plating film.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 피접합재는 금속, 세라믹 및 고분자재료 중 적어도 하나를 포함하는 고체형태의 피접합체인 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the material to be bonded is a solid body to be bonded including at least one of a metal, a ceramic and a polymer material.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 저온 접합은 상기 피접합재 또는 상기 접합 매개물을 이루는 합금의 평균조성의 액상선 온도 이하의 온도에서 접합하는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the low temperature bonding is performed at a temperature not higher than a liquidus temperature of an average composition of the bonding material or an alloy of the bonding medium.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다층 도금막은 다층 내 교대로 도금되는 한 층 각각이 1㎚에서 1㎜ 이하 범위의 두께로 형성되는 다층 도금막을 이용한 피접합재 저온 접합 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the multilayered plated film is formed by alternately plating one multilayered film in a thickness ranging from 1 nm to 1 mm or less.
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