KR20160061182A

KR20160061182A - 은 페이스트의 접합 방법

Info

Publication number: KR20160061182A
Application number: KR1020140163762A
Authority: KR
Inventors: 홍경국; 노현우; 정영균; 천대환; 이종석; 강수빈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-31
Also published as: US9589925B2; US20160148900A1; DE102015212281A1; CN105632950A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 은 페이스트의 접합 방법은 은 및 인듐을 포함하는 은 페이스트를 반도체 소자 또는 기판에 도포하는 단계, 상기 반도체 소자를 상기 기판 위에 배치하는 단계, 그리고 상기 은 페이스트를 가열하여 접합층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 반도체 소자 및 상기 기판은 상기 접합층을 통하여 접합되고, 상기 인듐은 상기 은 페이스트에 40 몰% 이하로 포함한다.

Description

은 페이스트의 접합 방법{METHOD FOR JUNCTION OF SILVER PASTE}

본 발명은 은 페이스트의 접합 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 반도체 소자를 접합하기 위한 은 페이스트의 접합 방법에 관한 것이다.

최근 응용 기기의 대형화 대용량화 추세에 따라 높은 항복전압과 높은 전류 및 고속 스위칭 특성을 갖는 전력용 반도체 소자의 필요성이 대두되고 있다. 이 중, 탄화 규소(SiC, 실리콘카바이드) 반도체 소자의 경우, 기존 실리콘(Si) 반도체 소자에 비해 넓은 밴드갭을 가짐으로 인해, 고온에서도 안정적으로 반도체 특성이 구현되는 장점을 가지고 있다.

하지만, 이러한 고온 동작의 효과를 얻기 위해서는 고온에서도 안정적인 패키징 소재의 적용이 필요하다. 특히, 반도체 소자를 접합하기 위해 사용되는 현재의 솔더(solder)는 녹는점이 230℃ 미만이므로, 궁극적으로 탄화 규소 반도체 소자를 적용하여 동작시키고자 하는 250℃ 이상의 접합 온도(junction temperate)에서는 활용할 수 없다는 문제점이 존재하게 된다.

이러한 현재의 솔더를 대체하고자 최근 금(Au)이 포함된 고온 솔더 등이 대안으로 나오고 있지만, 가격이 너무 비싸고, 접합 강도와 같은 특성이 좋지 않은 것으로 보고되고 있다.

또한, 은(Ag) 나노 분말(nano powder)을 소결하여 접합시키는 방법이 고온용 접합 방법으로 제시되고 있으나, 소결을 위해서는 고온에서의 오랜 공정이 필요하여, 이로 인한 소자의 특성 저하가 우려될 수 있다. 일반적으로 입자 크기가 큰 은 분말 간의 소결을 활성화 시키기 위하여 글래스 프릿(glass frit)이라는 매개 물질이 포함되어 페이스트를 형성하지만, 잔존하는 글래스로 인하여 저항이 상승할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 글래스 프릿을 사용하지 않고, 반도체 소자를 접합하기 위한 은 페이스트의 접합 방법을 제공하는 것이다.

상기 인듐은 상기 은 페이스트에 20 몰% 이하로 포함되어 있을 수 있다.

상기 은 페이스트를 가열하는 단계는 160도 이상으로 가열할 수 있다.

상기 은 페이스트를 가열하는 단계는 300도 이상으로 가열할 수 있다.

상기 은 및 상기 인듐은 각각 독립된 구형 분말 형상이고, 상기 은 페이스트는 복수의 상기 은 구형 분말 및 복수의 상기 인듐 구형 분말을 포함할 수 있다.

상기 접합층을 형성하는 단계는 상기 은 페이스트를 가열하여 상기 인듐 구형 분말이 액상 인듐으로 변화하는 단계, 상기 액상 인듐이 상기 각 은 구형 분말의 표면을 둘러싸는 단계, 상기 각 은 구형 분말의 표면을 둘러싸고 있는 상기 액상 인듐이 인접한 상기 액상 인듐과 접촉하는 단계, 상기 액상 인듐이 상기 은 구형 분말의 내부로 확산하는 단계, 그리고 상기 은 구형 분말이 상기 액상 인듐으로 확산하여 상기 각 은 구형 분말을 서로 접합하는 접합부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 액상 인듐이 상기 은 구형 분말의 내부로 확산하는 단계에서 상기 액상 인듐은 상기 은 구형 분말의 내부로 확산되어 사라질 수 있다.

상기 은은 판재 형상의 코어부를 형성하고, 상기 인듐은 상기 코어부의 표면에 코팅된 코팅부를 형성하고, 상기 은 페이스트는 상기 코팅부가 코팅된 상기 코어부를 복수 개 포함할 수 있다.

상기 접합층을 형성하는 단계는 상기 은 페이스트를 가열하여 상기 코팅부가 액상 코팅부로 변화하는 단계, 상기 액상 코팅부가 인접한 상기 액상 코팅부와 접촉하는 단계, 상기 액상 코팅부의 상기 인듐이 상기 코어부 내부로 확산하는 단계, 그리고 상기 코어부의 상기 은이 상기 액상 코팅부로 확산하여 상기 각 코어부를 서로 접합하는 접합부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 인듐이 상기 코어부 내부로 확산하는 단계에서 상기 인듐은 상기 코어부 내부로 확산되어 사라질 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 은 분말 및 인듐 분말을 포함하는 은 페이스트를 인듐의 녹는점 이상으로만 가열하여 접합할 수 있으므로, 소결 시간이 단축되고, 상대적으로 큰 입자의 은 분말을 사용할 수 있다. 이에 따라, 반도체 소자가 고온에 노출되는 시간이 축소되어 접합 시, 반도체 소자의 손상이 최소화될 수 있다.

또한, 글래스 프릿과 같은 비금속의 소결 매개 물질을 사용하지 않으므로, 전기적 저항이 감소할 수 있다.

또한, 판재 형상의 은으로 이루어진 코어부와 코어부의 표면에 인듐으로 코팅된 코팅부를 포함하는 은 분말을 포함하는 은 페이스트를 사용하여 접합함에 따라, 접합층 내에 보이드 분포를 최소화 할 수 있다.

도 1 및 도 2는 은 페이스트를 사용하여 반도체 소자를 기판에 접합하는 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 페이스트를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 8을 본 발명의 일 실시예에 따른 은 페이스트의 접합 방법을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 은 페이스트를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12를 본 발명의 다른 실시예에 따른 은 페이스트의 접합 방법을 순서대로 나타낸 도면이다.

첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.

그러면, 도 1 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 은 페이스트의 접합 방법에 대해 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 페이스트를 사용하여 반도체 소자를 기판에 접합하는 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 기판(10)에 은 페이스트(30)를 도포한 후, 탄화 규소(SiC, 실리콘카바이드) 반도체 소자(20)를 은 페이스트(30)가 도포된 기판(10) 위에 배치한 다음, 은 페이스트(30)를 가열하여 소결함에 따라 접합층(35)을 형성한다. 이에, 반도체 소자(20)와 기판(10)은 접합층(35)을 통하여 서로 접합된다. 본 실시예에서는 기판(10)에 은 페이스트(30)을 도포하였지만, 이에 한정하지 않고, 반도체 소자(20)에 은 페이스트(30)을 도포한 후, 은 페이스트(30)를 가열하여 소결할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 은 페이스트 및 은 페이스트의 접합 방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 페이스트를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 은 페이스트(30)는 복수 개의 은 분말(100) 및 복수 개의 인듐(Induim, In) 분말(200)을 포함한다. 은 분말(100) 및 인듐 분말(200)의 구형 형상이며, 직경은 1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다.

인듐 분말(200)은 은 페이스트(30)에 40 몰(mole)% 이하로 포함되어 있다. 바람직하게는 인듐 분말(200)은 은 페이스트(30)에 20 몰% 이하로 포함되어 있다. 여기서, 인듐 분말(200)이 은 페이스트(30)에 40 몰% 초과로 포함되어 있을 경우에는 은 페이스트(30)의 소결 시, 가열 온도가 상승하거나, 인듐 성분이 접합층(35)에 남아 접합이 어려워질 수 있다.

도 4 내지 도 8을 본 발명의 일 실시예에 따른 은 페이스트의 접합 방법을 순서대로 나타낸 도면이다.

도 4를 참고하면, 복수 개의 은 분말(100) 및 복수 개의 인듐 분말(200)을 포함하는 은 페이스트(30)를 가열한다. 여기서, 가열은 160도 이상으로 실시한다. 바람직하게는 300도로 가열한다. 이 때, 가열 온도가 인듐의 녹는점인 약 157도가 넘으면, 인듐 분말(200)이 녹아 액상 인듐(210)가 된다. 은의 녹는점은 약 962도 이기 때문에 은 분말(100)은 300도까지 가열하여도 분말 상태를 유지한다. 또한, 액상 인듐(210)와 분말 상태의 은 분말(100) 사이에서는 화학 반응이 일어나지 않는다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 액상 인듐(210)는 각각의 은 분말(100)의 표면에 젖음(Wetting) 상태가 되어, 액상 인듐(210)는 각각의 은 분말(100)의 표면을 둘러싸게 된다. 젖음 상태란 고체 표면에 닿아 있던 기체가 액체에 의해 밀려나 고체-기체의 계면이 고체-액체의 계면으로 변하는 것을 의미한다.

이어서, 은 분말(100)의 표면을 둘러싼 액상 인듐(210)가 인접한 액상 인듐(210)와 접하면서 각 은 분말(100)을 둘러싸는 액상 인듐(210)는 서로 접촉한다.

도 7을 참고하면, 이러한 액상 인듐(210)와 액상 인듐(210)의 접촉을 통하여 은 분말(100)을 둘러싸는 액상 인듐(210)는 은 분말(100)의 내부로 점차적으로 확산된다. 이에 따라, 은 분말(100)을 둘러싸는 액상 인듐(210)의 양이 줄어든다. 또한, 은 분말(100)은 서로 접촉하고 있는 액상 인듐(210)로 확산되어 각각의 은 분말(100)을 서로 접합하는 접합부(130)가 형성된다.

도 8을 참고하면, 은 분말(100)을 둘러싸는 액상 인듐(210)는 모두 은 분말(100)의 내부로 확산되어 사라지게 된다. 이에, 각각의 은 분말(100)은 접합부(130)에 의해 모두 접합되어 접합층(35)을 형성한다. 따라서, 도 1에 따른 은 페이스트(30)는 접합층(35)을 하게 되고, 이러한 접합층(35)을 통하여 반도체 소자(20)가 기판(10)에 접합하게 된다.

이러한 접합 방법을 천이 액상 확산 접합 방법(transient liquid phase diffusion bonding) 이라고 한다.

일반적으로 천이 액상 확산 접합 방법은 동일 금속 A를 접합하기 위하여 금속 A보다 낮은 녹는점을 가지는 금속 B를 금속 A 사이에 위치시키고, 금속 B의 녹는점 이상으로 가열하면, 금속 B는 액상이 되고, 고체상의 금속 A에 확산된다. 이 후, 금속 B는 사라지고, 고체상의 금속 A는 서로 접합하게 된다.

본 실시예에서는 은과 은을 접합하기 위하여 은 보다 낮은 녹는점을 가지는 금속인 인듐을 사용하여 은과 은을 접합시키는 것이다. 즉, 은의 녹는점이 인듐은 녹는점보다 충분히 높기 때문에, 은 분말(100)은 접합을 위한 것이고, 인듐 분말(200)은 은 분말(100)의 접합을 위한 활성화 물질이 된다.

이와 같이, 은 페이스트(30)의 접합 시, 액상 인듐(210)가 은 분말(100)로 확산되는 것과 동시에, 은 분말(100)이 액상 인듐(210)로 확산되므로, 접합 시간이 단축된다.

또한, 기존의 은 페이스트의 접합은 소결으로 이루어지는데, 소결은 온도와 소결 시간은 은 분말의 크기에 의존한다. 하지만, 본 실시예에서는 은 분말을 녹이지 않고, 인듐의 녹는점 이상으로만 가열하여도 은 분말을 접합할 수 있으므로, 상대적으로 큰 입자의 은 분말을 사용할 수 있다. 그리고, 소결을 위한 가열 시, 인듐의 녹는점 이상으로만 가열하므로, 소결 시간이 단축될 수 있으므로, 반도체 소자가 고온에 노출되는 시간이 축소되어 접합 시, 반도체 소자의 손상이 최소화될 수 있다.

또한, 기존의 은 페이스트는 글래스 프릿(glass frit)과 같은 소결 매개 물질을 포함하는데, 이러한 소결 매개 물질은 금속이 아니므로, 전기적 저항이 증가할 수 있다. 하지만, 본 실시예에서는 소결 매개 물질을 사용하지 않고, 인듐 분말을 은 분말의 접합을 위한 활성화 물질로 사용하기 때문에 전기적 저항이 감소할 수 있다.

이하에서는, 도 9 내지 도 12를 참고하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 은 페이스트 및 은 페이스트의 접합 방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 은 페이스트를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 은 페이스트(30)는 복수의 은 분말(100)을 포함한다. 각 은 분말(100)은 판재 형상의 은으로 이루어진 코어부(110)와 코어부(110)의 표면에 인듐으로 코팅된 코팅부(120)을 포함한다. 코어부(110)의 크기는 1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다.

코팅부(120)를 이루는 인듐은 각 은 분말(100)에 40 몰% 이하로 포함되어 있다. 바람직하게는 인듐은 각 은 분말(100)에 20 몰% 이하로 포함되어 있다. 여기서, 인듐이 각 은 분말(100)에 40 몰% 초과로 포함되어 있을 경우에는 은 페이스트(30)의 소결 시, 가열 온도가 상승하거나, 인듐 성분이 접합층(35)에 남아 접합이 어려워질 수 있다.

도 10 내지 도 12를 본 발명의 다른 실시예에 따른 은 페이스트의 접합 방법을 순서대로 나타낸 도면이다.

도 10을 참고하면, 복수 개의 은 분말(100)을 포함하는 은 페이스트(30)를 가열한다. 여기서, 가열은 160도 이상으로 실시한다. 바람직하게는 300도로 가열한다. 이 때, 가열 온도가 인듐의 녹는점인 약 157도가 넘으면, 코팅부(120)을 이루는 인듐이 녹아 액상 코팅부(121)가 된다. 여기서, 액상 코팅부(121)는 액상의 인듐을 포함한다. 은의 녹는점은 약 962도 이기 때문에 은 분말(100)을 300도까지 가열하여도 코어부(110)를 이루는 은은 분말 상태를 유지한다. 또한, 액상 인듐과 분말 상태의 은 사이에서는 화학 반응이 일어나지 않는다.

이 때, 액상 코팅부(121)는 각 코어부(110)의 표면에 젖음 상태가 되어, 액상 코팅부(121)는 각 코어부(110)의 표면을 둘러싸게 된다.

이어, 각 코어부(110)의 표면을 둘러싼 액상 코팅부(121)가 인접한 액상 코팅부(121)와 접하면서 각 코어부(110)를 둘러싸는 액상 코팅부(121)는 서로 접촉한다.

도 11을 참고하면, 이러한 인접한 액상 코팅부(121)들의 접촉을 통하여 코어부(110)를 둘러싸는 액상 코팅부(121)을 이루는 액상의 인듐은 코어부(110) 내부로 점차적으로 확산된다. 이에 따라, 액상 코팅부(121)의 양이 줄어든다. 또한, 코어부(110)를 이루는 은 은 서로 접촉하고 있는 액상 코팅부(121)로 확산되어 각의 코어부(110)을 서로 접합하는 접합부(130)가 형성된다.

도 12을 참고하면, 액상 코팅부(121)를 이루는 액상의 인듐은 모두 코어부(110)의 내부로 확산되어 사라지게 된다. 이에, 각의 코어부(110)는 접합부(130)에 의해 모두 접합되어 접합층(35)을 형성한다. 따라서, 도 1에 따른 은 페이스트(30)는 접합층(35)을 하게 되고, 이러한 접합층(35)을 통하여 반도체 소자(20)가 기판(10)에 접합하게 된다.

이와 같이, 은 분말(100)은 모두 녹이지 않고, 인듐의 녹는점 이상으로만 가열하여도 은 분말(100)을 접합할 수 있으므로, 소결 시간이 단축될 수 있으므로, 반도체 소자가 고온에 노출되는 시간이 축소되어 접합 시, 반도체 소자의 손상이 최소화될 수 있다.

또한, 소결 매개 물질을 사용하지 않고, 인듐을 은 분말의 접합을 위한 활성화 물질로 사용하기 때문에 전기적 저항이 감소할 수 있다.

또한, 코어부(110)의 형상이 판재형이므로, 접합층(35)을 형성 시, 접합층(35) 내에 보이드(void) 분포를 최소화 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

30: 은 페이스트 35: 접합층
100: 은 분말 110: 코어부
120: 코팅부 121: 액상 코팅부
130: 접합부 200: 인듐 분말
210: 액상 인듐

Claims

은 및 인듐을 포함하는 은 페이스트를 반도체 소자 또는 기판에 도포하는 단계,
상기 반도체 소자를 상기 기판 위에 배치하는 단계, 그리고
상기 은 페이스트를 가열하여 접합층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 반도체 소자 및 상기 기판은 상기 접합층을 통하여 접합되고,
상기 인듐은 상기 은 페이스트에 40 몰% 이하로 포함되는 은 페이스트의 접합 방법.
제1항에서,
상기 인듐은 상기 은 페이스트에 20 몰% 이하로 포함되어 있는 은 페이스트의 접합 방법.
제2항에서,
상기 은 페이스트를 가열하는 단계는 160도 이상으로 가열하는 은 페이스트의 접합 방법.
제3항에서,
상기 은 페이스트를 가열하는 단계는 300도 이상으로 가열하는 은 페이스트의 접합 방법.
제4항에서,
상기 은 및 상기 인듐은 각각 독립된 구형 분말 형상이고, 상기 은 페이스트는 복수의 상기 은 구형 분말 및 복수의 상기 인듐 구형 분말을 포함하는 은 페이스트의 접합 방법.
제5항에서,
상기 접합층을 형성하는 단계는
상기 은 페이스트를 가열하여 상기 인듐 구형 분말이 액상 인듐으로 변화하는 단계,
상기 액상 인듐이 상기 각 은 구형 분말의 표면을 둘러싸는 단계,
상기 각 은 구형 분말의 표면을 둘러싸고 있는 상기 액상 인듐이 인접한 상기 액상 인듐과 접촉하는 단계,
상기 액상 인듐이 상기 은 구형 분말의 내부로 확산하는 단계, 그리고
상기 은 구형 분말이 상기 액상 인듐으로 확산하여 상기 각 은 구형 분말을 서로 접합하는 접합부를 형성하는 단계를 포함하는 은 페이스트의 접합 방법.
제6항에서,
상기 액상 인듐이 상기 은 구형 분말의 내부로 확산하는 단계에서
상기 액상 인듐은 상기 은 구형 분말의 내부로 확산되어 사라지는 은 페이스트의 접합 방법.
제4항에서,
상기 은은 판재 형상의 코어부를 형성하고, 상기 인듐은 상기 코어부의 표면에 코팅된 코팅부를 형성하고,
상기 은 페이스트는 상기 코팅부가 코팅된 상기 코어부를 복수 개 포함하는 은 페이스트의 접합 방법.
제8항에서,
상기 접합층을 형성하는 단계는
상기 은 페이스트를 가열하여 상기 코팅부가 액상 코팅부로 변화하는 단계,
상기 액상 코팅부가 인접한 상기 액상 코팅부와 접촉하는 단계,
상기 액상 코팅부의 상기 인듐이 상기 코어부 내부로 확산하는 단계, 그리고
상기 코어부의 상기 은이 상기 액상 코팅부로 확산하여 상기 각 코어부를 서로 접합하는 접합부를 형성하는 단계를 포함하는 은 페이스트의 접합 방법.
제9항에서,
상기 인듐이 상기 코어부 내부로 확산하는 단계에서
상기 인듐은 상기 코어부 내부로 확산되어 사라지는 은 페이스트의 접합 방법.