KR20190062193A - Thin layer bonding method for low temperature bonding - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 접합 대상 부품을 저온에서 접합하는데 우수하게 이용될 수 있는 박막체의 접합방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of joining a thin film body which can be excellently used for bonding parts to be joined at a low temperature.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.Here, background art relating to the present disclosure is provided, and they are not necessarily meant to be known arts.
일반적으로 열경화성 접착제 또는 접착필름은 접착 대상물 사이에 접착제 또는 접착필름을 위치시킨 후, 경화 온도(Curing temperature)로 가열을 하여 접착제를 경화시키고, 접착제의 경화에 따라 접착 대상물이 결합된다.Generally, a thermosetting adhesive or an adhesive film is formed by placing an adhesive or an adhesive film between objects to be bonded, then heating the material at a curing temperature to cure the adhesive, and the object to be bonded is bonded according to the curing of the adhesive.
열경화성 접착제는 접착대상물 사이에 배치가 되고, 외부에서 열경화성 접착제의 경화를 위한 경화온도(Curing Temperature:T)가 접착대상물에 인가된다. 이 경우 가열온도(T)에 따른 열량이 접착대상물 사이의 접착제에 전달이 되고, 이에 따라 접착제는 경화되면서 접착대상물이 접착되게 된다.The thermosetting adhesive is disposed between the objects to be bonded, and a curing temperature (T) for curing the thermosetting adhesive is externally applied to the object to be bonded. In this case, the amount of heat according to the heating temperature T is transferred to the adhesive between the objects to be bonded, and thus the object to be bonded is adhered while the adhesive is cured.
공급되는 열의 일부는 접합대상물을 통과하여 접착제에 공급이 될 수밖에 없고, 이에 따라 접합대상물 내부에 위치하는 접착제에 충분한 경화열량을 제공하기 위해서는 접합대상물에서 소진되는 열량을 고려하여 접착제 자체의 경화온도보다 높은 온도로 경화를 시켜야 한다는 문제점이 있다.A part of the supplied heat is forced to be supplied to the adhesive through the object to be bonded. Accordingly, in order to provide a sufficient amount of cured heat for the adhesive located inside the object to be bonded, the amount of heat to be consumed by the object to be bonded is considered, There is a problem that curing is carried out at a high temperature.
나아가, 열경화성 접착제의 경화온도로 인하여 접합대상물이 상기 경화온도에서 버틸 수 있는 재질로 한정이 된다는 문제점도 있다.Further, there is a problem that the object to be bonded is limited to a material which can be held at the above-mentioned curing temperature due to the curing temperature of the thermosetting adhesive.
또한, 열경화성 접착제로 전자부품 또는 회로가 구비된 기판을 접착하는 경우 접착제의 경화를 위하여 제공되어야 하는 열에 의하여 전자부품 또는 회로의 손상이 발생할 수 있다는 문제점도 있었다.In addition, when a substrate having an electronic component or a circuit is adhered with a thermosetting adhesive, there is a problem that damage to the electronic component or circuit may occur due to heat to be provided for curing the adhesive.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 저온 접합이 가능하며, 접합력 또한 우수한 박막체의 접합방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method of joining a thin film body which is capable of low temperature bonding and which is also excellent in bonding strength.
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 can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명은 제1 금속과 제2 금속을 포함하는 적어도 2종 이상의 금속이 전해도금된 박막체를 이용한 부품의 접합방법으로서, 상기 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계; 상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계; 상기 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계; 및 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계;를 포함하는 저온 접합방법을 제공한다.The present invention provides a method of joining components using a thin film body in which at least two or more metals including a first metal and a second metal are electroplated, comprising the steps of: preparing or positioning the thin film body on a bonding surface of the components; A first pressing step of applying a first pressure having a pressure of 1 to 3 times the weight of the part; A low-temperature heating step of heating the metal to a temperature at which the metal having a low melting temperature is melted; And a second pressurizing step of applying a second pressure of 0.1 MPa to 10 MPa.
또한 상기 저온 가열단계는 상기 제1 압력이 가해진 상태에서 가열되는 단계인 것을 특징으로 한다. And the low temperature heating step is a step of heating the first pressure applied state.
또한 상기 저온 가열단계 이후, 상기 제2 가압단계 이전에 하기 화학식 1에 의해 계산되는 제1 유지시간(S1) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제1 유지단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. And a first holding step of maintaining the temperature and pressure for a first holding time (S 1 ) ± 5 seconds calculated by the following formula ( 1 ) before the second pressing step after the low temperature heating step do.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합재 합금의 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)(Where E is the value of heat generation [J / s] that occurs when all of the bonding materials measured by DSC are alloyed and Q is the total calorific value [J] Is calculated by using the thermal efficiency G of the actual heating amount with respect to the heating amount (J / g / 캜), the heating temperature (bonding temperature) C [占 폚], the weight W The weight (W) of the sieve is calculated using the density (D), thickness (T) and area (L) of the bonding material alloy.
또한 상기 제2 가압단계 이후에 하기 화학식 3에 의해 계산되는 제2 유지시간(S2) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제2 유지단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. And a second holding step of maintaining a temperature and a pressure for a second holding time (S 2 ) ± 5 seconds calculated by the following formula (3) after the second pressing step.
[화학식 3](3)
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합재 합금의 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)(Where E is the value of heat generation [J / s] that occurs when all of the bonding materials measured by DSC are alloyed and Q is the total calorific value [J] Is calculated by using the thermal efficiency G of the actual heating amount with respect to the heating amount (J / g / 캜), the heating temperature (bonding temperature) C [占 폚], the weight W The weight (W) of the sieve is calculated using the density (D), thickness (T) and area (L) of the bonding material alloy.
또한 상기 제2 유지단계 이후에 압력을 유지하면서 냉각시키는 냉각단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Further comprising a cooling step for cooling while maintaining the pressure after the second holding step.
또한 상기 제1 가압단계 이전에 접합면을 내산화 처리하는 전처리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. And a pre-treatment step of oxidizing the bonding surface before the first pressing step.
또한 상기 박막체는, 제1회 가열 시에는 상기 금속 중 녹는점이 낮은 금속의 녹는점(Tms)에서 용융이 일어나고, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 상기 금속들의 합금의 용융점(Tma)에서 용융이 일어나는 박막체인 것을 특징으로 한다. Further, the thin film body melts at a melting point (Tms) of a metal having a low melting point during the first heating, and at the melting point (Tma) of the alloy of the metals during the second heating after cooling, And is a thin film in which melting occurs.
또한 상기 박막체는 상기 제1 금속의 함량이 높은 제1층과, 상기 제1층보다 상기 제1 금속의 함량이 낮은 제2층을 포함하는 것을 특징으로 한다. The thin film body may further include a first layer having a high content of the first metal and a second layer having a lower content of the first metal than the first layer.
또한 상기 제1 금속은 Sn 및 Sn 합금을 포함하고, 상기 제2 금속은 Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종의 금속 또는 금속들의 합금을 포함하는 것을 특징으로 한다. The first metal includes Sn and Sn alloy and the second metal is at least one of Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, And at least one kind of metal selected from the group consisting of Rh, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au and Tl.
본 발명은 제1회 가열 시에는 낮은 온도에서 용융이 일어나고, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 높은 온도에서 용융이 일어나는 특이한 용융 특성을 갖는 박막체를 이용한 저온 접합방법을 제공한다.The present invention provides a low temperature bonding method using a thin film body having a specific melting characteristic in which melting occurs at a low temperature in the first heating and melting occurs at a high temperature in the second and subsequent heating.
본 발명에 따른 박막체는 상기와 같은 특이한 용융 특성을 갖기 때문에 전력전환모듈, 반도체 부품 등의 접합에 우수하게 이용될 수 있다. Since the thin film body according to the present invention has the above-described unusual melting characteristics, it can be advantageously used for joining a power conversion module, a semiconductor component, and the like.
더욱 구체적으로 낮은 온도에서 제1회 가열하는 경우에도 용융이 일어나기 때문에 저온 접합이 가능하고, 접합 대상 부품과 박막체가 접촉하는 면에서 금속간 화합물(Intermetallic compound)를 형성하도록 하여 우수한 접합력을 제공할 수 있으며, 접합 대상 부품을 접합시킨 이후에 높은 온도에서 제2회, 제3회 가열되더라도 용융이 일어나지 않기 때문에 접합 이후의 공정 등에서 박리되는 현상을 줄일 수 있다. More specifically, even when the first heating is performed at a low temperature, melting occurs, so that low-temperature bonding is possible, and an intermetallic compound is formed on the surface where the part to be bonded and the thin film come in contact with each other, Since the melting does not occur even if the second and third heating are performed at a high temperature after bonding the parts to be joined, it is possible to reduce the phenomenon of peeling in the process after the bonding and the like.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온 접합방법에 따라 접합된 접합체의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 저온 접합방법에 따라 접합된 접합체의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 1 is a flowchart of a low temperature bonding method according to an embodiment of the present invention.
2 is an SEM image of a bonded body according to the low temperature bonding method according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM image of the bonded body according to the low temperature bonding method according to the comparative example of the present invention.
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.Before describing the present invention in detail, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the invention, which is defined solely by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise stated.
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 word "comprise", "comprises", "comprising" means including a stated article, step or group of articles, and steps, , Step, or 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 contrary, the various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments as long as there is no clear counterpoint. Any feature that is specifically or advantageously indicated as being advantageous may be combined with any other feature or feature that is indicated as being preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법에 이용되는 박막체는 적어도 2종 이상의 금속이 전해도금된 박막체로서, 제1회 가열 시에는 상기 금속 중 녹는점이 낮은 금속의 녹는점(Tms)에서 용융이 일어나고, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 상기 금속들의 합금의 용융점(Tma)에서 용융이 일어나는 박막체이다. The thin film body used in the low-temperature bonding method according to an embodiment of the present invention is a thin film body in which at least two kinds of metals are electroplated. In the first heating, the melting point (Tms) And melting occurs at the melting point (Tma) of the alloy of the metals during the second and subsequent heating after cooling.
더욱 구체적으로 상기 박막체는 제1 금속으로서 주석(Sn)을 기반으로 하고, 제2 금속의 입자가 소량 분포되도록 전해도금된 박막체로서, 소량 분포되는 입자는 기반 금속인 주석(Sn)의 녹는점(Tms)보다 높은 녹는점(Tmp)을 갖는 제2 금속의 입자이다. More specifically, the thin film body is a thin film body based on tin (Sn) as a first metal and electrolytically plated so that a small amount of particles of the second metal are distributed, and a small amount of particles are dissolved in the base metal Sn Is a particle of a second metal having a melting point (Tmp) higher than the point (Tms).
제1 금속은 주석 및 주석 합금을 포함하고, 제2 금속은 Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl 로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종의 금속 또는 금속들의 합금을 포함한다. 바람직하게는 제1 금속 및 제2 금속은 피접합 대상인 부품의 소재인 금속을 포함하는 것이 좋다.Wherein the first metal comprises tin and a tin alloy and the second metal comprises at least one of Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, and Tl. Preferably, the first metal and the second metal include a metal as a material of a part to be bonded.
제1 금속의 입자와 제2 금속의 입자는 깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 방정식에 의한 융점강하 효과를 나타내기 위해 1μm 내지 1nm 크기의 매우 작은 직경(d)을 갖는 입자로서, 10% 내지 50% 함량 비율로 박막체에 분산되어 주석(Sn)과 함께 전해도금된 것으로서, 특이한 용융 특성을 갖는다. Particles of the first metal and particles of the second metal are particles having a very small diameter (d) of 1 to 1 nm in order to exhibit a melting point lowering effect by the Gibbs-Thomson equation, %, And is electrolytically plated together with tin (Sn), and has a specific melting characteristic.
본 발명의 일실시예에 따른 박막체는 제1 금속과 제2 금속이 전해도금된 것으로서, 제1회 가열시 제1 금속의 녹는점(Tms)인 200 내지 250℃에서 용융이 일어난다. 이는 제1 금속과 제2 금속의 합금의 일반적인 용융온도가 600℃ 이상의 고온인 것과 다른 용융 특성을 가짐을 알 수 있다.The thin film according to an embodiment of the present invention is formed by electroplating a first metal and a second metal, and melts at a temperature of 200-250 deg. C, which is the melting point (Tms) of the first metal during the first heating. It can be seen that the general melting temperature of the alloy of the first metal and the second metal has a melting characteristic different from that of a high temperature of 600 ° C or higher.
또한 상기 제1회 가열하여 박막체를 용융시킨 후 냉각시키고, 다시 제2회 가열한 경우, 박막체는 제1회 가열시 용융된 온도인 200 내지 250℃에서 용융되지 않고, 제1 금속과 제2 금속의 합금의 용융 온도(Tma)인 400 내지 700℃에서 용융이 일어난다. 이는 박막체를 제1회 가열하였을 때와는 다른 용융 특성을 가짐을 알 수 있다. When the thin film is heated again for the second time, the thin film is not melted at a temperature of 200 to 250 DEG C which is the melting temperature in the first heating, The melting takes place at a melting temperature (Tma) of 400 to 700 占 폚, which is the melting point of the alloy of the two metals. This shows that the thin film body has a melting characteristic different from that when the first heating is performed.
추측컨대, 제1 금속 기반에 제2 금속 입자가 소량 분산되도록 전해도금된 박막체를 제1회 가열하는 경우, 제1 금속의 녹는점(Tms)에서 제1 금속과 제2 금속의 합금화가 이루어지는 것으로 예상되며, 냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 합금화된 이후로서 제1 금속 및 제2 금속의 합금의 녹는점(Tma) 이상의 온도로 가열하여야 용융되는 것으로 예상된다. When the thin film body electrolytically plated to disperse a small amount of the second metal particles on the first metal base is heated for the first time, the first metal and the second metal are alloyed at the melting point (Tms) of the first metal And is expected to be melted when heated to a temperature not lower than the melting point (Tma) of the alloy of the first metal and the second metal after alloying, at the second and subsequent heating after cooling.
더욱 구체적으로 상기 박막체는 용융된 금속염에 각기 다른 전압을 인가하여 형성된 박막체이다. 전해도금의 결과물인 박막체는 구체적인 내부의 층상구조를 명확히 규명하기는 어려우나, 조성이 다른 층들이 적층된 다층박막 형태로 추측된다. 즉, 박막체는 제1 도금층, 예를 들면, 주석(Sn)을 기반으로 하는 제1 도금층과, 제1 도금층의 녹는점보다 높은 온도에서 녹는점을 가지는 제2 도금층이 교대로 2층이상 적층된 것으로 추정될 수 있다.More specifically, the thin film body is a thin film body formed by applying different voltages to the molten metal salt. Thin film body, which is the result of electrolytic plating, is difficult to clarify the specific internal layer structure, but it is assumed to be a multilayer thin film layer in which layers having different compositions are stacked. That is, the thin film body has a first plating layer, for example, a first plating layer based on tin (Sn), and a second plating layer having a melting point higher than the melting point of the first plating layer, .
상기 박막체는 상기 제1 금속의 함량이 높은 제1층과, 상기 제1층보다 상기 제1 금속의 함량이 낮은 제2층을 포함한다. 제1층은 제1 금속인 Sn 및 Sn합금이고, 이 때 Sn의 함량은 50% 이상, 바람직하게는 59% 이상이다. 상기 제1층 및 제2층은 각각 0.1nm 내지 1 ㎛ 두께로 구성되며, 전체 박막체의 두께는 피접합소재의 종류 및 물성에 따라서 다르나 10㎛ 내지 100㎛가 바람직하다.The thin film body includes a first layer having a high content of the first metal and a second layer having a lower content of the first metal than the first layer. The first layer is a Sn and a Sn alloy which are the first metals, and the content of Sn is 50% or more, preferably 59% or more. The first layer and the second layer each have a thickness of 0.1 nm to 1 탆, and the thickness of the entire thin film body is preferably 10 탆 to 100 탆 though it depends on the type and physical properties of the material to be bonded.
또한, 상기 박막체를 이용한 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법은 압력, 온도, 시간, 분위기 등 접합 조건 및 단계에 의해 우수한 접합특성을 나타낸다.In addition, the low-temperature bonding method according to one embodiment of the present invention using the thin film body exhibits excellent bonding characteristics by the bonding conditions and steps such as pressure, temperature, time, atmosphere, and the like.
본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법은 접합하고자 하는 부품의 접합면에 상기 박막체를 위치시키는 준비단계, 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계, 상기 박막체에 포함되는 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계 및 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계를 포함한다.The low temperature bonding method according to an embodiment of the present invention includes a step of positioning the thin film body on a bonding surface of a part to be bonded, a first pressing step of applying a first pressure of 1 to 3 times the weight of the parts, A low temperature heating step of heating the metal contained in the thin film body to a temperature at which the metal having a low melting temperature is melted, and a second pressing step of applying a second pressure of 0.1 Mpa to 10 Mpa.
더욱 구체적으로 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법은 접합하고자 하는 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계(S1), 접합면을 내산화 처리하는 전처리단계(S2), 상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계(S3), 상기 박막체에 포함되는 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계(S4), 온도 및 압력을 유지하는 제1 유지단계(S5), 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계(S6), 온도 및 압력을 유지하는 제2 유지단계(S7), 압력을 유지하면서 냉각시키는 냉각단계(S8) 및 압력을 제거하여 접합된 부품을 얻는 완료단계(S9)를 포함한다. More specifically, the low-temperature bonding method according to an embodiment of the present invention includes a preparation step S1 for forming or positioning the thin film body on a bonding surface of a part to be bonded, a pre-processing step S2 for oxidizing the bonding surface, A first pressing step (S3) of applying a first pressure at a pressure of 1 to 3 times the weight of the part, a low temperature heating step of heating the metal contained in the thin film to a temperature at which a metal having a low melting temperature is melted A first holding step S5 for holding temperature and pressure, a second pressing step S6 for applying a second pressure of 0.1 Mpa to 10 Mpa, a second holding step S7 for maintaining temperature and pressure, A cooling step S8 for cooling while maintaining the pressure, and a completion step S9 for removing the pressure to obtain the bonded part.
도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 저온 접합방법의 순서도를 나타내었다. 이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다. FIG. 1 shows a flowchart of a low-temperature bonding method according to an embodiment of the present invention. Each step will be described in detail below.
상기 준비단계(S1)는 접합하고자 하는 부품의 접합면에 박막체를 형성하거나 형성된 박막체를 위치시키는 단계이다. 부품과 다른 부품 사이에 상기 박막체를 위치시켜 준비할 수 있고, 부품 상에 상기 박막체를 형성한 후 다른 부품을 적층하여 준비할 수 있다. 상기 부품의 접합면 면적 대비 100% 이상의 면적을 갖는 박막체를 형성하거나 위치하여 준비할 수 있다. 본 발명의 박막체를 이용하기 가장 적합한 부품은 표면 굴곡이 1μm 이하로 관리된 평평한(flat) 부품이 좋다. The preparation step (S1) is a step of forming a thin film on a bonding surface of a part to be bonded or placing a formed thin film. It is possible to arrange the thin film body between the parts and the other parts, and to prepare the thin film body on the part and then stack other parts. A thin film body having an area of 100% or more of the area of the bonding surface of the parts can be formed or positioned. The most suitable part to use the thin film body of the present invention is a flat part whose surface curvature is controlled to be 1 占 퐉 or less.
상기 전처리단계(S2)는 접합면 또는 접합하려는 박막체를 내산화 처리하는 단계로서, 예를 들어 플럭스(flux) 처리하여 접합시 접합면에서 산화물이 생성되는 것을 방지할 수 있다. The pretreatment step S2 is a step of oxidation-treating the bonding surface or the thin film to be bonded, and it is possible to prevent oxide from being formed on the bonding surface during the bonding by, for example, flux treatment.
상기 제1 가압단계(S3)는 상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 단계로서, 저온 가열단계에서 가열 시 부품의 움직임을 배제하고, 가열 시 액상 형성으로 발생하는 내부 보이드를 제거하기 위하여 수행된다. 상기 부품의 중량 즉, 자중에 의한 압력으로 1배의 압력이 가해지게 되며, 1배 내지 3배의 압력을 인가하게 될 경우 용융 금속의 표면 장력에 의해 내부 보이드가 제거되는 효과가 있다. 3배를 초과하는 압력을 가하는 경우 접합부 내부 용융된 금속이 모두 빠져나와 존재하지 않으며, 보이드가 제거되지 않아 접합이 안되는 문제점이 있다. The first pressing step (S3) is a step of applying a first pressure of 1 to 3 times the weight of the part, excluding the movement of parts during heating in the low temperature heating step, Lt; RTI ID = 0.0 > voids. ≪ / RTI > The weight of the component, that is, the pressure due to the weight of the component, is applied by one-fold pressure, and when the pressure is applied from 1 to 3 times, the inner void is removed by the surface tension of the molten metal. When a pressure exceeding 3 times is applied, the molten metal in the joint is not completely removed, and voids are not removed, resulting in a problem of failure in joining.
상기 저온 가열단계(S4)는 상기 제1 압력이 가해진 상태에서 가열되는 단계로서, 상기 박막체에 포함되는 제1 금속 및 제2 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 단계이다. 즉 주석 또는 주석 합금을 포함하는 제1 금속의 용융온도까지 가열하는 단계이며, 200 내지 250℃로 가열하는 단계이다.The low-temperature heating step (S4) is a step of heating the first metal and the second metal included in the thin film body to a temperature at which the metal having a low melting temperature is melted . I.e. to the melting temperature of the first metal comprising tin or tin alloy, and heating to 200 to 250 占 폚.
상기 저온 가열단계(S4)에서는 상기 제1 금속의 용융으로 제1 금속과 제2 금속의 합금화가 이루어지는 것으로 추정된다. In the low temperature heating step (S4), it is assumed that the first metal and the second metal are alloyed by melting the first metal.
상기 제1 유지단계(S5)는 상기 제1 가압단계(S2) 및 저온 가열단계(S4)에서 가한 온도 및 압력을 유지하는 단계로서 용융된 박막체의 금속과 부품을 이루는 금속간에 금속간화합물(intermetallic compound)을 형성하고, 용융 금속의 표면 장력에 의해 내부 보이드가 제거되도록 유지하는 단계이다. The first holding step S5 is a step of maintaining the temperature and pressure applied in the first pressurizing step S2 and the low temperature heating step S4 so that the intermetallic compound between the metal of the melted thin film body and the metal intermetallic compound, and keeping the inner voids removed by the surface tension of the molten metal.
상기 제1 유지단계(S5)의 유지시간인 제1 유지시간(S1)은 접합부 면적 및 온도 등에 의해 결정이 되며, 뒬롱-프티의 법칙(Law of Dulong and Petit)에 따라, 하기 화학식 1에 의해 계산될 수 있다. 제1 유지단계(S5)의 유지시간은 상기 계산된 제1 유지시간(S1)±5 초 범위로 유지될 수 있다. The first holding time (S 1 ), which is the holding time of the first holding step (S5), is determined by the area and temperature of the bonding area. According to Law of Dulong and Petit, Lt; / RTI > The holding time of the first holding step S5 may be maintained in the range of the calculated first holding time S 1 ± 5 seconds.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합부 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)(Where E is the value of heat generation [J / s] that occurs when all of the bonding materials measured by DSC are alloyed and Q is the total calorific value [J] Is calculated by using the thermal efficiency G of the actual heating amount with respect to the heating amount (J / g / 캜), the heating temperature (bonding temperature) C [占 폚], the weight W The weight (W) of the sieve is calculated using the alloy density (D), thickness (T) and area (L) of the joint area.
상기 박막체의 열용량(A), 열효율(G) 및 밀도(D) 등의 물성은 본 발명에 따른 저온 접합용 박막체를 구성하는 성분들(제1 금속 및 제2 금속)로 이루어진 금속간화합물(Intermetalic compound, IMC)의 물성으로 정의된다. The physical properties such as heat capacity (A), thermal efficiency (G) and density (D) of the thin film body are determined by the intermetallic compound (first metal and second metal) constituting the thin film body for low temperature bonding according to the present invention Is defined as the physical properties of an intermetallic compound (IMC).
본 발명의 일실시예에 따른 박막체가 제1 금속으로 Sn을 포함하고 제2 금속으로 Cu를 포함할 때, Sn/Cu IMC 열용량(A) 1.51 J/gram-atom/degree C (6.3 calories/gram-atom/degree C), 열효율(G) 0.137, 밀도(D) 8.26g/cm3 을 상수로 하여 계산하며, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 정리될 수 있다.When the thin film according to an embodiment of the present invention contains Sn as the first metal and Cu as the second metal, the Sn / Cu IMC heat capacity (A) is 1.51 J / gram-atom / degree C (6.3 calories / gram -atom / degree C, a thermal efficiency (G) of 0.137, and a density (D) of 8.26 g / cm 3 as constants.
[화학식 2](2)
양호한 접합부의 두께(T)인 10 내지 100μm 와 접합부 면적(L), IMC의 밀도(D)인 8.26g/cm3로 계산되는 합금의 중량(W), 합금 형성 시 발생하는 발열량(E) 1.5J/g, 총가열량(Q)으로 양호한 접합부를 형성하는 접합시간(S)을 제시할 수 있다.The thickness of the good connections (T) is 10 to 100μm and a junction area (L), the weight of the alloy, which is calculated in the 8.26g / cm 3 density of IMC (D) (W), heat generation occurring in alloy form (E) 1.5 J / g, and the total calorific value (Q), it is possible to suggest a bonding time S which forms a good bonding portion.
즉 접합시간(s)은 60.694*온도(℃)*두께(cm)*면적(cm2)으로 결정된다. 예를 들어 온도 250℃, 두께 20μm, 면적 1cm2 접합시 25 내지 35sec의 접합유지시간이 필요하며, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 3cm2 접합시 86 내지 96sec의 접합유지시간이 필요하고, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 5cm2 접합시 147 내지 157sec의 접합유지시간이 필요하다.That is, the bonding time (s) is determined by 60.694 * temperature (占 폚) * thickness (cm) * area (cm 2 ). For example, temperature 250 ℃, and requires a thickness of 20μm, surface area 1cm 2 bond during bonding retention of 25 to 35sec time, required temperature 250 ℃, the bonding thickness of 20μm, the area 3cm 2 bond during bonding a holding time of 86 to 96sec, and A bonding holding time of 147 to 157 sec at a temperature of 250 DEG C, a bonding thickness of 20 mu m, and an area of 5 cm < 2 >
상기 제2 가압단계(S6)는 금속간화합물 외 잔여 주석을 제거하기 위해 0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 단계이다. 0.1Mpa 미만의 압력을 가하거나 제2 가압단계를 생략하는 경우 접합 종료 후 내부 용융금속으로 존재하는 Sn Rich부가 존재하고 재가열시 용융되므로 내열성을 가지지 못하는 문제점이 있고, 10Mpa 초과하는 압력을 가하는 경우 brittle한 IMC의 종방향 파괴가 발생하여 접합부 및 접합모재의 손상이 발생하는 문제점이 있다. 바람직하게는 0.5MPa 내지 3MPa 압력을 가하는 것이 좋다. The second pressurizing step (S6) is a step of applying a second pressure of 0.1 Mpa to 10 Mpa to remove remaining tin, besides the intermetallic compound. In the case of applying a pressure of less than 0.1 MPa or omitting the second pressurization step, there is a problem that Sn rich exists as an internal molten metal after the end of the bonding and melts when reheating, so that it does not have heat resistance. There is a problem in that longitudinal fracture of an IMC occurs and damage of the joint and the joint base material occurs. It is preferable to apply a pressure of 0.5 MPa to 3 MPa.
상기 제2 유지단계(S7)는 상기 저온 가열단계(S4) 및 제2 가압단계(S6)에서 가한 온도 및 압력을 유지하는 단계로서 상기 제2 가압단계(S6)의 제2 압력에 의해서도 제거되지 않는 잔여 주석을 합금화하기 위해 온도 및 압력을 유지하는 단계이다. 상기 제2 유지단계(S7)의 유지시간인 제2 유지시간(S2)은 접합부 면적 및 온도에 의해 결정이 된다. 압력에 의해 상하 IMC간 접촉이 일어나며, 접촉부 간 열 및 압력에 의해 접합이 일어난다. 상기 제1 유지단계(S5)와 마찬가지로 뒬롱-프티의 법칙(Law of Dulong and Petit)에 따라, Sn의 IMC 열용량인 (A) 1.51 J/gram-atom/degree C (6.3 calories/gram-atom/degree C), 중량에 따른 열효율 (G) 0.137을 상수로 하고, 양호한 접합부의 두께(T)인 10 내지 100μm와 접합부 면적(L), IMC의 밀도(D)인 8.26g/cm3로 계산되는 합금의 중량(W), 합금을 형성하는 발열량인(E) 1.5J/g, 총가열량(Q)로 양호한 접합부를 형성하는 접합시간(S)을 제시할 수 있다. 제2 유지단계(S7)의 유지시간은 상기 계산된 제2 유지시간(S2)±5 초 범위로 유지될 수 있다. The second holding step S7 is a step of maintaining the temperature and pressure applied in the low temperature heating step S4 and the second pressing step S6 and is also removed by the second pressure of the second pressing step S6 And maintaining the temperature and pressure to alloy the remaining tin. The second holding time (S 2 ), which is the holding time of the second holding step (S7), is determined by the junction area and the temperature. Contact between upper and lower IMC occurs by pressure, and junction is caused by heat and pressure between contacts. The IMC heat capacity of Sn is 1.51 J / gram-atom / degree C (6.3 calories / gram-atom / degree C) in accordance with the Law of Dulong and Petit as in the first holding step (S5) degree C), which is in constant thermal efficiency (G) 0.137 in accordance with the weight, and calculating a range of 10 to 100μm and the joint area (which is 8.26g / cm 3 L), the density of IMC (D) the thickness (T) of good connections It is possible to suggest a bonding time (S) for forming a good bonding portion by the weight (W) of the alloy, the heating value (E) of 1.5 J / g and the total calorific value (Q) The holding time of the second holding step S7 may be maintained within the range of the second holding time S 2 ± 5 seconds.
[화학식 3](3)
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합부 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)(Where E is the value of heat generation [J / s] that occurs when all of the bonding materials measured by DSC are alloyed and Q is the total calorific value [J] Is calculated by using the thermal efficiency G of the actual heating amount with respect to the heating amount (J / g / 캜), the heating temperature (bonding temperature) C [占 폚], the weight W The weight (W) of the sieve is calculated using the alloy density (D), thickness (T) and area (L) of the joint area.
[화학식 4][Chemical Formula 4]
즉 접합시간(s)은 60.694*온도(℃)*두께(cm)*면적(cm2)으로 결정된다. 예를 들어 온도 250℃, 두께 20μm, 면적 1cm2 접합시 25 내지 35sec의 접합유지시간이 필요하며, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 3cm2 접합시 86 내지 96sec의 접합유지시간이 필요하고, 온도 250℃, 접합두께 20μm, 면적 5cm2 접합시 147 내지 157sec의 접합유지시간이 필요하다.That is, the bonding time (s) is determined by 60.694 * temperature (占 폚) * thickness (cm) * area (cm 2 ). For example, temperature 250 ℃, and requires a thickness of 20μm, surface area 1cm 2 bond during bonding retention of 25 to 35sec time, required temperature 250 ℃, the bonding thickness of 20μm, the area 3cm 2 bond during bonding a holding time of 86 to 96sec, and A bonding holding time of 147 to 157 sec at a temperature of 250 DEG C, a bonding thickness of 20 mu m, and an area of 5 cm < 2 >
상기 냉각단계(S8)는 제2 압력을 유지하면서 냉각시키는 단계로서 상기 박막체가 용융 및 합금화되어 형성된 접합부를 냉각시키는 단계이다. 냉각하는 방식은 실온방치하여 100℃ 이하로 냉각시켜 부품 배출을 시행한다. 냉각 시 수냉, air 등 냉각효율이 높은 방식을 적용하는 경우 공정시간을 단축하여 생산성을 향상하는 효과가 있다.The cooling step (S8) is a step of cooling while maintaining the second pressure, and cooling the joint formed by melting and alloying the thin film body. The cooling method is to leave the room temperature and cool down to 100 ℃ or less to discharge the parts. When the cooling method such as water cooling or air is applied during cooling, the productivity is improved by shortening the processing time.
상기 완료단계(S9)는 상기 냉각이 완료된 후 제2 압력을 제거하여 접합된 부품을 배출하는 단계이다. The finishing step S9 is a step of removing the second pressure and discharging the bonded part after the cooling is completed.
본 발명에 따른 박막체를 제1회 가열(저온 가열단계)하는 경우, 일반적인 주석과 제2 금속의 합금과 달리 주석(Sn)의 녹는점(Tms)인 낮은 온도에서 용융이 일어나는 이유는 나노 크기의 제2 금속의 입자로부터 기인하는 것으로 예상되며, 이는 깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 효과에 의해 설명되어질 수 있다. When the thin film body according to the present invention is heated for the first time (low-temperature heating step), unlike ordinary alloys of tin and the second metal, melting occurs at a low temperature which is the melting point (Tms) of tin (Sn) Of particles of the second metal, which can be accounted for by the Gibbs-Thomson effect.
깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 효과로부터 결정입자의 크기가 작아질수록 표면 원자의 불완전성이 커지면서 원소의 융점보다도 낮은 온도에서도 원자 결합을 끊고 자유로워질 수 있기 때문에 금속의 녹는점이 낮아지며, 입자 크기에 따른 용융 온도의 감소는 아래의 깁스-톰슨(Gibbs-Thomson) 식으로부터 계산될 수 있다. As the size of crystal grains decreases from the Gibbs-Thomson effect, the incompleteness of the surface atoms increases and the melting point of the metal becomes lower because the atomic bond can be released even at a temperature lower than the melting point of the element, Can be calculated from the following Gibbs-Thomson equation.
본 발명에 따른 박막체는 주석 베이스에 나노 크기의 제2 금속의 입자가 특정 비율로 포함되도록 전해도금된 박막체로서, 비교적 낮은 온도(200~250℃)에서의 제1회 가열을 통해 용융이 일어나고, 냉각(접합)된 이후 제2회, 제3회 등 이후의 가열에서는 높은 온도에서만 용융이 일어나는 특성을 갖기 때문에 전력전환모듈 등 반도체 부품의 접합에 우수하게 이용될 수 있다.The thin film body according to the present invention is a thin film body which is electrolytically plated so that a nano-sized particles of a second metal are contained in a tin base at a specific ratio. The thin film body is melted through a first heating at a relatively low temperature (200 to 250 ° C) And after cooling (joining), it is melted only at a high temperature in the second, third and so on heating, and can be used for joining semiconductor parts such as power conversion module.
더욱 구체적으로 본 발명에 따른 박막체를 접합 대상 부품 사이에 위치시킨 후 낮은 온도에서 제1회 가열하여 접합시키는 경우에도 용융이 일어나기 때문에 저온 접합이 가능하고, 접합 대상 부품과 박막체가 접촉하는 면에서 금속간 화합물(Intermetallic compound)를 형성하여 우수한 접합력을 제공할 수 있다. More specifically, even when the thin film body according to the present invention is placed between the components to be bonded and then joined by heating for a first time at a low temperature, melting can occur, so that low-temperature bonding can be performed. On the surface where the part to be bonded and the thin- An intermetallic compound may be formed to provide an excellent bonding force.
접합 대상 부품을 접합시킨 이후에 높은 온도에서 제2회, 제3회 가열되더라도 용융이 일어나지 않기 때문에 박리되는 현상을 줄일 수 있다. It is possible to reduce the phenomenon of peeling due to no melting occurring even after the second and third heating at a high temperature after bonding the parts to be joined.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
(℃)Low temperature heating
(° C)
(중량배수)The first pressurization
(Weight multiple)
(Sec)First maintenance
(Sec)
(MPa)Second pressurization
(MPa)
(Sec)Second maintenance
(Sec)
(1) 실시예 1 내지 7(1) Examples 1 to 7
구리(Cu) 기판 위에 Sn의 함량이 높은 제1 금속층과 제1 금속층의 Sn 함량보다는 Sn 함량이 낮고 제2 금속으로 선정한 Cu를 포함하는 제2 금속층이 반복적층된 50μm 두께 및 1.7cm2 내지 5.1cm2 면적의 박막체를 형성시킨 후, 상기 박막체 위 면적 1cm2, 하중 0.9g 실리콘 칩(실시예 1 내지 3) 또는 면적 3cm2, 하중 2.7g 의 실리콘 칩(실시예 4 내지 7)을 위치시켰다. 상기 실리콘 칩의 자중 1배 내지 3배의 압력을 가한 후 250℃로 가열하고 피크온도에서 31 내지 91초간 유지하였다. 이 후 0.1MPa 내지 10MPa로 가압하고 31초간 유지한 후 냉각시키고 하중을 제거하여 접합된 구리 기판을 얻었다. Copper (Cu) substrate on the second metal layer is a 50μm thick layer repeatedly 1.7cm and 2 to 5.1 for a low Sn content including the selection of Cu as the second metal rather than the Sn content of the first metal layer and the first metal layer with high content of Sn after forming the thin film material of the cm 2 surface area, the area of the sheet above 1cm 2, 0.9g load the silicon die (examples 1 to 3) or area of 3cm 2, 2.7g load in the silicon die (example 4-7) Respectively. A pressure of 1 to 3 times the weight of the silicon chip was applied, then heated to 250 캜 and maintained at a peak temperature for 31 to 91 seconds. Thereafter, the temperature was raised from 0.1 MPa to 10 MPa, and the temperature was maintained for 31 seconds, followed by cooling and removing the load to obtain a bonded copper substrate.
상기 실시예에 따라 접합된 단면의 SEM 이미지를 도 2에 나타내었다. 제1 가압단계 및 제2 가압단계를 모두 적용한 경우 도 2에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간 화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었다. 또한 이후 단계에서, 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 융점이 높은 금속간화합물로만 존재하게 되므로 내열성을 확보할 수 있게 된다. 즉, 재가열 시 저온으로 가열한 경우 접합부가 용융되지 않기 때문에 접합력을 유지하게 된다. An SEM image of the bonded section according to the above embodiment is shown in FIG. When both the first pressing step and the second pressing step were applied, the inner molten metal reacted with the intermetallic compound as shown in FIG. 2, and the inner voids were melted and removed by the molten metal. Further, in the subsequent step, the internal molten metal is entirely escaped by the pressurization, and only the intermetallic compound having a high melting point is present, so that the heat resistance can be ensured. That is, when the reheating is performed at a low temperature, the joining portion is not melted and the joining force is maintained.
(2) 비교예 1 내지 8(2) Comparative Examples 1 to 8
구리(Cu) 기판 위에 Sn의 함량이 높은 제1 금속층과 제1 금속층의 Sn 함량보다는 Sn 함량이 낮고 제2 금속으로 선정한 Cu를 포함하는 제2 금속층이 반복적층된 50μm 두께 및 1.7cm2 내지 5.1cm2 면적의 박막체를 형성시킨 후, 상기 박막체 위 면적 1cm2, 하중 0.9g 의 실리콘 칩(비교예 1 내지 4, 7 내지 9) 또는 면적 3cm2, 하중 2.7g 의 실리콘 칩(비교예 5)을 위치시켰다. 상기 실리콘 칩의 자중 1배 내지 3배의 압력을 가한 후, 250℃로 가열하고 피크온도에서 유지시간이 없거나, 31 내지 100초간 유지하였다. 이 후 2차 가압이 없거나 0.1MPa 내지 12MPa로 가압하고 31초 내지 100초 간 유지한 후 냉각시키고 하중을 제거하여 접합된 구리 기판을 얻었다. Copper (Cu) substrate on the second metal layer is a 50μm thick layer repeatedly 1.7cm and 2 to 5.1 for a low Sn content including the selection of Cu as the second metal rather than the Sn content of the first metal layer and the first metal layer with high content of Sn after forming the thin film material of the cm 2 surface area, the area of the sheet above 1cm 2, the load of the silicon chip 0.9g (Comparative examples 1 to 4 and 7 to 9), or the area 3cm 2, 2.7g load in the silicon chip (Comparative example 5). After applying a pressure of 1 to 3 times its own weight to the silicon chip, it was heated to 250 占 폚 and maintained at a peak temperature for no holding time or for 31 to 100 seconds. Thereafter, no secondary pressure was applied or a pressure of 0.1 MPa to 12 MPa was maintained, and the substrate was held for 31 to 100 seconds, cooled and removed to obtain a bonded copper substrate.
접합된 단면의 SEM 이미지를 도 3에 나타내었다.An SEM image of the bonded section is shown in Fig.
제1 가압단계에서 본 발명에서 제시한 압력을 초과하는 경우(비교예 1), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 용융금속의 부족으로 플럭스 기화 및 표면 불균일로 인해 접합부 내부에 기공이 발생하여 갇히게 된 것을 확인할 수 있다.In the case of exceeding the pressure proposed in the present invention in the first pressurizing step (Comparative Example 1), as shown in Fig. 3, the internal molten metal is entirely escaped by the pressurization, and the lack of molten metal causes flux vaporization and surface unevenness It can be confirmed that pores are generated in the inside of the joint and are trapped.
제1 가압단계를 적용하지 않고 제2 가압단계만 적용한 경우(비교예 2), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 용융금속의 부족으로 플럭스 기화 및 표면 불균일로 인해 접합부 내부에 기공이 발생하여 갇히게 된 것을 확인할 수 있다. In the case of applying only the second pressurization step without applying the first pressurization step (Comparative Example 2), the internal molten metal is entirely escaped by the pressurization as shown in FIG. 3, and the lack of molten metal causes flux vaporization and surface unevenness It can be confirmed that pores are generated in the inside of the joint and are trapped.
제1 가압단계에서 본 발명에서 제시한 유지시간을 초과하는 경우(비교예 3), 도 3에 나타난 것과 같이 접합부의 내부 합금화가 균일하게 일어나지 않고 굴곡이 발생하게 되며, 이로인해 접합 후 접합부 내부에 작은 기공이 발생하는 것을 확인할 수 있다.In the case of exceeding the holding time as shown in the present invention in the first pressing step (Comparative Example 3), the internal alloying of the joint does not occur uniformly and bending occurs as shown in FIG. 3, It can be confirmed that small pores are generated.
비교예3 과 마찬가지로 제1 가압단계에서 본 발명에서 제시한 유지시간을 초과하는 경우(비교예 4), 도 3에 나타난 것과 같이 접합부의 내부 합금화가 균일하게 일어나지 않고 굴곡이 발생하게 되며, 이로인해 접합 후 접합부 내부에 작은 기공이 발생하는 것을 확인할 수 있다.As in Comparative Example 3, in the case where the holding time exceeded the holding time shown in the present invention in the first pressing step (Comparative Example 4), the internal alloying of the joint portion was not uniformly occurred as shown in Fig. 3, It can be confirmed that small pores are generated in the joint portion after the bonding.
제2 가압단계를 적용하지 않고 제1 가압단계만 적용한 경우(비교예 5), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었지만 접합 종료 후 내부 용융금속으로 존재하는 Sn Rich부는 재가열시 용융되므로 내열성을 가지지 못하는 문제점이 있다. 즉, 재가열 시 저온으로 가열하더라도 접합부가 용융되어 접합력을 잃게 된다. In the case of applying only the first pressing step without applying the second pressing step (Comparative Example 5), as shown in Fig. 3, the inner molten metal is generated by the reaction with the intermetallic compound, and the inner void is stuck But the Sn rich portion present as an internal molten metal after the bonding is melted at the time of reheating, so that it has a problem that it can not have heat resistance. That is, even when heated to a low temperature at the time of reheating, the joint is melted and the bonding force is lost.
제2 가압단계에서 본 발명에서 제시한 압력을 초과하는 경우(비교예 6), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간 화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었다. 또한, 이후 단계에서, 내부 용융된 금속이 가압에 의해 모두 빠져나가고, 융점이 높은 금속간화합물로만 존재하지만 과도한 압력에 의해 기판이 변형되고 파괴되었음을 알 수 있다.In the case of exceeding the pressure proposed in the present invention in the second pressurizing step (Comparative Example 6), as shown in Fig. 3, the inner molten metal is generated by the reaction with the intermetallic compound, and the inner void is hardened by the molten metal Removed. Further, in the subsequent step, it can be seen that the internal molten metal is entirely escaped by the pressurization, and the substrate is deformed and destroyed by excessive pressure even though it exists only as an intermetallic compound having a high melting point.
비교예 5와 마찬가지로, 제2 가압단계를 적용하지 않고 제1 가압단계만 적용한 경우(비교예 7), 도 3에 나타난 것과 같이 내부 용융된 금속이 금속간화합물로 반응하여 생성되고, 내부 보이드가 용융금속에 의해 매워져 제거되었지만 접합 종료 후 내부 용융금속으로 존재하는 Sn Rich부는 재가열시 용융되므로 내열성을 가지지 못하는 문제점이 있다. 즉, 재가열 시 저온으로 가열하더라도 접합부가 용융되어 접합력을 잃게 된다. As in Comparative Example 5, in the case where only the first pressing step was applied without applying the second pressing step (Comparative Example 7), the internal molten metal was generated by the reaction with the intermetallic compound as shown in Fig. 3, The Sn rich portion existing as an internal molten metal after melting by the molten metal is melted at the time of reheating, so that there is a problem that it is not heat resistant. That is, even when heated to a low temperature at the time of reheating, the joint is melted and the bonding force is lost.
제2 가압단계에서 본 발명에서 제시한 유지시간을 초과하는 경우(비교예 8), 도 3에 나타난 것과 같이 접합부의 내부 합금화가 과도하게 진행되게 되고, 안정하며 부피가 작은 Cu3Sn상이 형성되게 된다. 이로인해 접합 후 접합부 내부에 작은 기공이 발생하는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3, in the case where the holding time exceeded the present invention in the second pressing step (Comparative Example 8), the internal alloying of the joint was excessively advanced, and a stable and voluminous Cu 3 Sn phase was formed do. As a result, it can be seen that small pores are generated in the joint portion after the bonding.
본 실시예 및 비교예에 의해 본 발명의 저온 접합방법은 내부 용융된 금속이 금속간 화합물로 반응하는 자중 내지 자중 세배의 제1 가압단계; 및 잔여 용융금속을 제거하는 0.1 내지 10MPa 제2 가압단계;를 통해 양호한 접합면을 확보할 수 있음을 알 수 있다.According to the present embodiment and the comparative example, the low-temperature bonding method of the present invention comprises: a first pressing step of self-weight to three-point self-weight in which an internally melted metal reacts with an intermetallic compound; And a second pressurizing step of 0.1 to 10 MPa for removing the residual molten metal.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects, and the like illustrated in the above-described embodiments can be combined and modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
Claims (9)
상기 부품의 접합면에 상기 박막체를 형성하거나 위치시키는 준비단계;
상기 부품의 중량에 대하여 1배 내지 3배의 압력인 제1 압력을 가하는 제1 가압단계;
상기 금속 중 낮은 용융온도를 갖는 금속이 용융되는 온도까지 가열하는 저온 가열단계; 및
0.1Mpa 내지 10Mpa 의 제2 압력을 가하는 제2 가압단계;를 포함하는 저온 접합방법.
A method of joining components using a thin film body in which at least two or more metals including a first metal and a second metal are electroplated,
A preparation step of forming or positioning the thin film body on a bonding surface of the component;
A first pressing step of applying a first pressure having a pressure of 1 to 3 times the weight of the part;
A low-temperature heating step of heating the metal to a temperature at which the metal having a low melting temperature is melted; And
And a second pressing step of applying a second pressure of 0.1 Mpa to 10 Mpa.
상기 저온 가열단계는 상기 제1 압력이 가해진 상태에서 가열되는 단계인 저온 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the low-temperature heating step is performed while the first pressure is applied.
상기 저온 가열단계 이후, 상기 제2 가압단계 이전에 하기 화학식 1에 의해 계산되는 제1 유지시간(S1) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제1 유지단계를 더 포함하는 저온 접합방법.
[화학식 1]
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합부의 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 접합부 박막체의 중량(W)은 접합재 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
The method according to claim 1,
Further comprising a first holding step of maintaining a temperature and a pressure for a first holding time (S 1 ) ± 5 seconds calculated by the following formula ( 1 ) before the second pressing step after the low temperature heating step.
[Chemical Formula 1]
(In this case, E is the value of heat generation [J / s] that occurs when all joint materials measured by DSC are alloyed, and Q is the total calorie [J] The heat capacity A [J / g / 占 폚], the heating temperature (bonding temperature) C [占 폚], the weight W [g] of the thin film body and the thermal efficiency G of the actual heating amount relative to the heating amount theoretically forming the alloy , The weight (W) of the bonded thin film body is calculated using the alloy density (D), the thickness (T) and the area (L) of the bonding material area.
상기 제2 가압단계 이후에 하기 화학식 3에 의해 계산되는 제2 유지시간(S2) ± 5 초 동안 온도 및 압력을 유지하는 제2 유지단계를 더 포함하는 저온 접합방법.
[화학식 3]
(이 때, E는 DSC를 통해 측정된 접합재 모두가 합금화할 시 발생하는 발열량[J/s]으로써 값이고, Q는 총가열량[J]으로써 각 소재 혼합 후 DSC를 통해 측정된 박막체의 열용량 A[J/g/℃], 가열 온도(접합하는 온도) C[℃], 박막체의 중량 W[g] 및 이론상 합금을 형성하는 발열량 대비 실제 가열량의 열효율 G을 이용하여 계산되며, 박막체의 중량(W)은 접합부 면적의 합금 밀도(D), 두께(T) 및 면적(L)을 이용하여 계산된다.)
The method according to claim 1,
And a second holding step of maintaining a temperature and a pressure for a second holding time (S 2 ) ± 5 seconds calculated by the following formula (3) after the second pressing step.
(3)
(Where E is the value of heat generation [J / s] that occurs when all of the bonding materials measured by DSC are alloyed and Q is the total calorific value [J] Is calculated by using the thermal efficiency G of the actual heating amount with respect to the heating amount (J / g / 캜), the heating temperature (bonding temperature) C [占 폚], the weight W The weight (W) of the sieve is calculated using the alloy density (D), thickness (T) and area (L) of the joint area.
상기 제2 유지단계 이후에 압력을 유지하면서 냉각시키는 냉각단계를 더 포함하는 저온 접합방법.
5. The method of claim 4,
And a cooling step of cooling the substrate while maintaining the pressure after the second holding step.
상기 제1 가압단계 이전에 접합면을 내산화 처리하는 전처리단계를 더 포함하는 저온 접합방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a pre-treatment step of oxidizing the bonding surface before the first pressing step.
상기 박막체는,
제1회 가열 시에는 상기 금속 중 녹는점이 낮은 금속의 녹는점(Tms)에서 용융이 일어나고,
냉각 후 제2회 이후의 가열 시에는 상기 금속들의 합금의 용융점(Tma)에서 용융이 일어나는 박막체인 저온 접합방법.
The method according to claim 1,
The thin-
During the first heating, melting occurs at the melting point (Tms) of the metal having a low melting point among the metals,
And melting occurs at a melting point (Tma) of the alloy of the metals during the second or subsequent heating after cooling.
상기 박막체는 상기 제1 금속의 함량이 높은 제1층과, 상기 제1층보다 상기 제1 금속의 함량이 낮은 제2층을 포함하는 박막체인 저온 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thin film body comprises a first layer having a high content of the first metal and a second layer having a lower content of the first metal than the first layer.
상기 제1 금속은 Sn 및 Sn 합금을 포함하고,
상기 제2 금속은 Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종의 금속 또는 금속들의 합금을 포함하는 저온 접합방법.The method according to claim 1,
Wherein the first metal comprises Sn and a Sn alloy,
The second metal may be selected from the group consisting of Cu, Zn, Ni, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ge, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, , Os, Ir, Pt, Au, and Tl, or an alloy of metals.
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