KR20220078888A - 프리폼솔더 제조방법 및 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법 - Google Patents

프리폼솔더 제조방법 및 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법 Download PDF

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Abstract

접합시간을 단축시키면서도 접합부의 품질을 균일하게 유지시켜 화합물반도체를 이용한 전력반도체나 소자 패키지에서 동작시나 고온 사용환경에서도 접합부의 고내열 특성을 유지할 수 있는 프리폼솔더 제조방법 및 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법이 제안된다. 본 발명에 따른 프리폼솔더 제조방법은 구리박막층 상에 솔더층을 형성하는 솔더층형성단계; 및 구리박막층 및 솔더층 사이에 금속간화합물이 형성되도록 솔더층을 금속간화합물층 및 잔여솔더층으로 변환시키는 변환단계;를 포함한다.

Description

프리폼솔더 제조방법 및 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법{Manufacturing method of preform solder and device mounting method using preform solder}
본 발명은 프리폼솔더 제조방법 및 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접합시간을 단축시키면서도 접합부의 품질을 균일하게 유지시켜 화합물반도체를 이용한 전력반도체나 소자 패키지에서 동작시나 고온 사용환경에서도 접합부의 고내열 특성을 유지할 수 있는 프리폼솔더 제조방법 및 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법에 관한 것이다.
전력 모듈은 전기 자동차 등 차세대 자동차의 핵심 전력시스템 및 태양전지 스마트 전력시스템에 들어가는 핵심 부품이다. 전력변환을 위한 전력반도체(Power semi-conductor) 또는 파워 디바이스(Power Device)모듈에는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IPM(intelligent power module) 등이 있다.
전자제품이나 전기자동차 또는 태양전지 전력시스템 등에 구비되는 전력모듈의 경우, 최근의 전자기기의 소형화 및 고밀도화 경향에 따라 대전력모듈의 경우에도 가능한한 소형화 및 박형화를 이루어 연비 향상 및 스마트화가 중요해지고 있다. 또한 전력변환효율을 극대화시키기 위해 최근에는 Si소자 뿐 아니라 GaN 및 SiC 소자가 사용되고 있는데, 이러한 전력변환소자를 이용하여 전력을 변환시에는 고전압 및 고전류가 장시간 흐르게 되어 많은 양의 열이 발생하게 된다. 따라서, 이러한 전력변환모듈의 제작에 있어서 가장 중요시되는 접합기술은 고온에서 장시간 사용해도 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 기술이다.
일반적으로 전력반도체 칩은 솔더를 이용한 상변화(Transient Liquid Phase, TLP) 접합기술을 사용하는데, TLP접합은 저융점 무연솔더와 같은 소재를 이용하여 솔더링(Soldering)한 후, 기판과 소자의 접합부 원소가 상호 확산되어 금속간화합물(Intermetallic Compound, IMC)을 형성함으로써, 저온소재를 고온의 동작환경에서 사용할 수 있는 접합공법이다. 그러나 접합부가 모두 금속간화합물로 변화되기 위해서는 고온에서 장시간 유지하는 것이 필요하며, 이에 따른 접합부의 불균일한 IMC가 형성되고, 제조공정 시간도 많이 소요되어 대량생산공정에 적용하기 어려운 단점이 지적되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 접합시간을 단축시키면서도 접합부의 품질을 균일하게 유지시켜 화합물반도체를 이용한 전력반도체나 소자 패키지에서 동작시나 고온 사용환경에서도 접합부의 고내열 특성을 유지할 수 있는 프리폼솔더 제조방법 및 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 프리폼솔더 제조방법은 구리박막층 상에 솔더층을 형성하는 솔더층형성단계; 및 구리박막층 및 솔더층 사이에 금속간화합물이 형성되도록 솔더층을 금속간화합물층 및 잔여솔더층으로 변환시키는 변환단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 프리폼솔더 제조방법은 구리박막층을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
금속간화합물은 Cu, Sn, Ni, Ag, Au 및 Pd 중 2이상을 포함하는 금속간화합물일 수 있다.
변환단계는 리플로우공정, 진공오븐공정 및 고온가압공정 중 적어도 하나의 공정에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 소자실장기판 상에, 구리박막층 상에 솔더층을 형성하는 솔더층형성단계; 및 구리박막층 및 솔더층 사이에 금속간화합물이 형성되도록 솔더층을 금속간화합물층 및 잔여솔더층으로 변환시키는 변환단계;를 포함하는 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층을 형성하는 단계; 프리폼솔더층 상에 소자를 위치시키는 단계; 및 프리폼솔더층의 잔여솔더층을 금속간화합물로 변환시켜 소자를 소자실장기판상에 실장하는 단계;를 포함하는 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법이 제공된다.
소자는 표면에 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층이 형성된 것일 수 있다.
소자는 화합물 반도체를 이용한 전력반도체일 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 소자 일표면 상에 구리박막층 상에 솔더층을 형성하는 솔더층형성단계; 및 구리박막층 및 솔더층 사이에 금속간화합물이 형성되도록 솔더층을 금속간화합물층 및 잔여솔더층으로 변환시키는 변환단계;를 포함하는 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층을 형성하는 단계; 소자를 프리폼솔더층이 소자실장기판 상에 접촉되도록 위치시키는 단계; 및 프리폼솔더층의 잔여솔더층을 금속간화합물로 변환시켜 소자를 소자실장기판상에 실장하는 단계;를 포함하는 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법이 제공된다.
본 발명에 따른 프리폼솔더를 이용하면, 프리폼솔더에 금속간화합물이 일부 형성되어 있어, 종래의 상변화 접합공정에서의 금속간화합물층 형성을 위한 모듈화 제조공정 시간을 단축함으로써 제품생산속도를 증가시킬 수 있다.
또한, 소자 실장 시, 기판이나 반도체 소자, 스페이스 등의 솔더 접합부에 미리 솔더를 도포하고 금속간화합물을 형성시킴으로써, 실제 소자실장공정에서는 솔더가 금속간화합물로 완전히 변화될 수 있어 접합부의 품질을 향상시킬 수 있다.
아울러, 금속간화합물층에 발생되는 보이드(Void)나 공극(Vacancy) 등과 같은 상변태 과정에서 발생되는 결함과 솔더링 중 발생되는 결함을 모듈 접합 이전에 검사하여 검출이 가능하므로, 제품 불량률을 낮춰 고가의 부품비용을 절감할 수 있어 전체 제조공정의 비용절감이 가능한 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 프리폼솔더 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 프리폼솔더의 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 소자실장방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 소자실장방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 프리폼솔더 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 프리폼솔더의 단면도들이다. 본 실시예에 따른 프리폼솔더 제조방법은 구리박막층(110) 상에 솔더층(120)을 형성하는 솔더층(120)형성단계; 및 구리박막층(110) 및 솔더층(120) 사이에 금속간화합물이 형성되도록 솔더층(120)을 금속간화합물층(121) 및 잔여솔더층(122)으로 변환시키는 변환단계;를 포함한다.
솔더를 이용한 상변화 접합(Transient Liquid Phase, TLP)공정은 반도체 패키징용 접합기술로써, 중저온의 융점을 갖는 주석계 합금(Sn-Ag-Cu, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Bi)인 무연솔더를 이용하여 솔더링한 후, 접합부의 금속을 모두 금속간화합물(Intermetallic Compound, IMC)로 변화시키는 접합기술이다. 솔더가 금속간화합물로 변화되어, 접합부는 고온내열성을 갖는다. 상변화 접합 공정은 기판 위에 솔더 페이스트를 도포하고, 소자를 마운팅하고, 본딩(Soldering, 플립칩 본딩 등)한 후, 금속간화합물 상변화 유도(일정온도에서 유지)하여 냉각시키는 공정에 따른다.
본 발명에서는 솔더층(120)을 프리폼형태인 프리폼솔더로 변환시켜 사용한다. 도 1과 같이 구리박막층(110) 상에, 솔더층(120)을 형성하고, 솔더층(120)을 일정시간동안 일정온도에서 유지하여 솔더층(120)이 구리박막층(110)과 접촉하는 계면부분에서부터 금속간화합물이 형성되도록 한다. 그러나, 솔더층(120)이 모두 금속간화합물층(121)으로 변화되기 전에, 솔더층(120)의 일부가 남도로 잔여솔더층(122)을 잔존시켜 프리폼솔더(100)를 형성한다(도 2). 구리박막층(110)이 존재하는 상태로 프리폼솔더(100)로 사용되거나, 또는 구리박막층(110)은 필요에 따라 제거한 후 사용할 수 있다(도 3).
공정시간이 긴 경우에는 도 4와 같이 솔더층(120)내에서 금속간화합물층(121)이 높게 형성되고, 공정시간이 짧은 경우에는 솔더층(120)내에서 금속간화합물층(121)이 낮게 형성된다. 도 4의 프리폼솔더(100)는 기판에 실장될 소자가 고온노출시 불리한 영향을 받는 경우, 프리폼솔더(100) 내의 금속간화합물 비율을 높이고 잔여솔더층(122)의 비율을 최소화하여, 소자실장시 최소한의 시간동안 금속간화합물이 형성되도록 하기 위한 것이다. 이와 달리 도 5의 프리폼솔더(100)는 금속간화합물층(121)의 비율이 낮은데, 소자 실장시 소자와 실장할 기판에 대하여 직접 금속간화합물 형성을 통해 접합부의 접합성능을 향상시키기 위한 것이다.
이러한 선 금속간화합물(Intermetallic Compound, IMC) 형성기술(Pre-IMC Formation Technology)은 접합하고자 하는 기판, 반도체 소자, 양면냉각 파워모듈용 스페이서 등 다양한 접합부에 전처리 방식으로 제조공정에 적용할 수 있다. 또한 솔더 자체를 프리폼(Preform) 형태로 제조할 경우에도, 프리폼의 일부를 IMC로 상변화하여 사용할 수 있다.
금속간화합물층(121)은 Cu, Sn, Ni, Ag, Au 및 Pd 중 2이상을 포함하는 금속간화합물일 수 있다. 변환단계는 리플로우공정, 진공오븐공정 및 고온가압공정 중 적어도 하나의 공정에 의해 수행될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 소자실장방법을 설명하기 위한 도면들이다. 본 실시예의 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법은 소자실장기판(130) 상에, 프리폼 솔더 제조방법에 따른 프리폼솔더층(121, 122)을 형성하는 단계; 프리폼솔더층(121, 122) 상에 소자(140)를 위치시키는 단계; 및 프리폼솔더층(121, 122)의 잔여솔더층(122)을 금속간화합물로 변환시켜 소자(140)를 소자실장기판(130) 상에 실장하는 단계;를 포함한다. 본 실시예에서 프리폼솔더층(121, 122)은 금속간화합물층(121) 및 잔여솔더층(122)을 포함하는 것으로 도시되었으나, 구리박막층을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법에서는 소자실장기판(130) 상에, 프리폼 솔더 제조방법에 따른 프리폼솔더층(121, 122)을 형성한다. 프리폼솔더층(121, 122)은 금속간화합물이 형성된 금속간화합물층(121) 및 금속간화합물이 형성되지 않은 잔여솔더층(122)을 포함한다(도 6).
소자(140)를 프리폼솔더층(121, 122) 중 잔여솔더층(122) 상에 위치시키고(도 7), 잔여솔더층(122)을 금속간화합물로 변환시켜 제2금속간화합물층(123)으로 변환시킴으로써, 소자(140)를 소자실장기판(130) 상에 실장시켜 소자 패키지(200)를 제조한다(도 8).
프리폼솔더층(121, 122)은 이미 금속간화합물층(121)이 형성되어 있어서 프리폼솔더층(121, 122) 전체를 금속간화합물로 변환시킬 고온장시간 공정이 생략가능하다. 아울러, 가압조건도 생략될 수 있어, 소자 실장을 위한 리플로우 공정의 시간을 단축하고, 공정을 단순화하며 공정에 따른 소자와 기판의 손상을 최소화할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 소자실장기판(130) 상에 프리폼솔더층(121, 122)이 형성되어 있고, 소자(140)는 형성되어 있지 않은 상태로 도시되었으나, 소자도 표면에 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층이 형성된 것일 수 있다. 이 경우, 소자실장기판 상의 프리폼솔더층의 잔여솔더층과 소자의 프리폼솔더층의 잔여솔더층을 접합하도록 하여 금속간화합물로 변환시키는 공정이 수행될 수 있다.
본 실시예에서 사용될 수 있는 소자실장기판(130)으로는 폴리이미드, 폴리우레탄, PMMA 및 PET 중에서 선택되는 합성수지 기판, 스테인레스, 알루미늄, 금 및 은 중에서 선택되는 금속 기판 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 및 Al2O3, AlN, 또는 Si3N4와 같은 세라믹, 유리 및 실리콘 중에서 선택되는 비금속 기판 등이 있다.
소자(140)는 화합물 반도체를 이용한 전력반도체일 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 소자실장방법을 설명하기 위한 도면들이다. 본 실시예에서는 소자(140) 일표면 상에 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층(121, 122)을 형성하는 단계; 소자(140)를 프리폼솔더층(121, 122)이 소자실장기판(130) 상에 접촉되도록 위치시키는 단계; 및 프리폼솔더층(121, 122)의 잔여솔더층(122)을 금속간화합물로 변환시켜 제2금속간화합물층(123)으로 변환시킴으로써, 소자(140)를 소자실장기판(130) 상에 실장하는 단계;를 포함하는 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법이 제공된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 프리폼솔더
110: 구리박막층
120: 솔더층
121: 금속간화합물층
122: 잔여솔더층
130: 소자실장기판
140: 소자
200: 소자 패키지

Claims (8)

  1. 구리박막층 상에 솔더층을 형성하는 솔더층형성단계; 및
    구리박막층 및 솔더층 사이에 금속간화합물이 형성되도록 솔더층을 금속간화합물층 및 잔여솔더층으로 변환시키는 변환단계;를 포함하는 프리폼솔더 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    구리박막층을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리폼솔더 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    금속간화합물은 Cu, Sn, Ni, Ag, Au 및 Pd 중 2이상을 포함하는 금속간화합물인 것을 특징으로 하는 프리폼솔더 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    변환단계는 리플로우공정, 진공오븐공정 및 고온가압공정 중 적어도 하나의 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 프리폼솔더 제조방법.
  5. 소자실장기판 상에, 청구항 1에 따른 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층을 형성하는 단계;
    프리폼솔더층 상에 소자를 위치시키는 단계; 및
    프리폼솔더층의 잔여솔더층을 금속간화합물로 변환시켜 소자를 소자실장기판상에 실장하는 단계;를 포함하는 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    소자는 표면에 청구항 1에 따른 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층이 형성된 것을 특징으로 하는 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    소자는 화합물 반도체를 이용한 전력반도체인 것을 특징으로 하는 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법.
  8. 소자 일표면 상에 청구항 1에 따른 프리폼솔더 제조방법에 따라 프리폼솔더층을 형성하는 단계;
    소자를 프리폼솔더층이 소자실장기판 상에 접촉되도록 위치시키는 단계; 및
    프리폼솔더층의 잔여솔더층을 금속간화합물로 변환시켜 소자를 소자실장기판상에 실장하는 단계;를 포함하는 프리폼솔더를 이용한 소자실장방법.
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