KR20240045834A - SiC 기반 모듈용 접합소재 및 그 접합 방법 - Google Patents

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김병우
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 300℃ 이상 고온 구동 시 고온/대전류 조건에서 용해 및 파괴되지 않는 고 내열성 및 고 내구성을 가지며, 가격을 낮추기 위해 Ag 소결 본딩을 대체하는 SiC 기반 모듈용 접합소재 및 그 접합 방법을 제공한다.

Description

SiC 기반 모듈용 접합소재 및 그 접합 방법{Soldering materials for SiC based module and the soldering method thereof}
본 발명은 SiC 모듈용 접합소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 300℃ 이상 고온 구동 시 고온/대전류 조건에서 용해 및 파괴되지 않는 고 내열성 및 고 내구성을 가지며, 가격을 낮추기 위해 Ag 소결 본딩을 대체하는 SiC 기반 모듈용 접합소재 및 그 접합 방법에 관한 것이다.
배출 가스 및 연비 규제 강화로 인해 전기차와 하이브리드 자동차의 생산이 늘어나면서 모터의 구동을 위한 SiC 기반 모듈을 포함하는 파워모듈의 수요가 급증하고 있다.
친환경 자동차의 출력 성능 향상 및 자율주행자동차에 적용되는 소자의 동작 온도는 평균 200℃ 이상이 예상되며, 최대 순간 동작 온도는 300℃ 이상에 도달할 것으로 예상된다.
이에 따라, 하이브리드 및 전기 자동차 등의 친환경 자동차의 성능 향상을 위해 기존의 Si 소자가 구동 평균 작동 온도가 250℃ 이상으로 예상되는 SiC 또는 GaN 기반의 전력반도체 소자로 전환되고 있다.
SiC 전력반도체 소자가 적용된 SiC 기반 전력변환모듈 등의 SiC 기반 모듈은 전력 손실을 30% 이상 감소시켜 전력 변환효율을 향상시킨다. 또한, 고온 내구성을 가지며, 대전력/고주파 적용 가능하고, 열전도도를 향상시키는 등의 장점을 갖고 있다.
그러나 SiC 파워모듈의 최대 순간 동작 온도가 300℃ 이상의 고온에서 구동될 수 있다. 300℃ 이상 고온 구동 시 친환경 자동차의 파워모듈 등의 SiC 기반 모듈의 전력소자(Power chip), DBC(Direct Bond Copper), Aluminum Wire, Base Plate, Molding Silicone, Case & Cover, Terminal 등 구성 요소의 방열을 고려한 고온/대전류 조건에서 용해되거나 파괴되지 않는 고내열성 및 고 내구성을 가지는 SiC 기반 모듈용 접합소재가 요구된다.
또한, 친환경 자동차 등을 위한 SiC 시스템이 양산 적용되기 위해서는 전체 비용의 대부분인 SiC 파워모듈 가격이 절반 이하로 낮아져야 하며 이에 따라서 기존 사용되었던 실버 소결 본딩도 다른 소재로 대체되어야 할 필요성도 있다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0082061호(2007. 08. 20. 공개)
상술한 종래기술의 필요를 충족하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 300℃ 이상 고온 구동 시 고온/대전류 조건에서 용해 및 파괴되지 않는 고 내열성 및 고 내구성을 가지며, 가격을 낮추기 위해 Ag 소결 본딩을 대체하는 SiC 기반 모듈용 접합소재 및 그 접합 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, Sn과 상기 Sn 대비 2 내지 4 중량%의 Ag의 조성을 가지는 SnAg 합금 입자를 포함하는 SnAg 페이스트 및 상기 Sn 보다 높은 용융점을 가지는 금속 입자를 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 30 중량%를 포함하는 SiC 기반 모듈용 접합소재를 제공한다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재는, SiC 모듈용 기판과 SiC 기반 소자의 사이를 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물을 이루며 접합시키는 것일 수 있다.
상기 SiC 모듈용 기판은 Al2O3 또는 AlN 세라믹 코어의 상하부에 Cu 또는 Al 금속층이 코팅된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 20 중량%의 Co 입자일 수 있다.
상기 Co 입자는 13 내지 17 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 금속 입자가 Co인 경우 상기 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물은 CoSn2일 수 있다.
상기 금속 입자는 상기 SnAg 페이스트 대비 10 내지 30 중량%의 Fe 입자일 수 있다.
상기 Fe 입자는 2 내지 5 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 금속 입자가 Fe인 경우 상기 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물은 FeSn2일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계; 상기 SiC 모듈용 기판에 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 도포하는 단계; 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재가 도포된 상기 SiC 모듈용 기판 면에 SiC 기반 소자를 적층하는 단계; 및 상기 금속 입자들별로 기 설정된 분위기 조건, 온도 및 압력으로 가열 및 가압하여 상기 SiC 모듈용 기판에 상기 SiC 기반 소자를 접합하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법을 제공한다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계에서 준비되는 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재는, Sn과 상기 Sn 대비 2 내지 4 중량%의 Ag의 조성을 가지는 SnAg 합금 입자를 포함하는 SnAg 페이스트 및 상기 Sn보다 높은 용융점을 가지는 금속 입자를 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 30 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계에서 준비되는 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재는 페이스트 상 접합소재일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 20 중량%의 Co 입자일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 Co 입자는 13 내지 17 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 10 내지 30 중량%의 Fe 입자일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 Fe 입자는 2 내지 5 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 SiC 모듈용 기판에 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 도포하는 단계에서 도포되는 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재의 두께는 20 내지 40 ㎛일 수 있다.
상기 SiC 기반 소자를 접합하는 단계는, 상기 금속 입자가 Co 입자이고, SiC 기반 소자가 적층된 상기 SiC 모듈용 기판을, 250 내지 350℃ 범위 온도에서, 9 내지 11 Mpa의 압력으로, 1 내지 3 시간 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 CoSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 것일 수 있다.
상기 SiC 기반 소자를 접합하는 단계는, 상기 금속 입자가 Fe 입자이고, 상기 SiC 기반 소자가 적층된 상기 SiC 모듈용 기판을, 진공 분위기에서 230 내지 270℃ 범위 온도에서 1 내지 3분 동안 1차 열처리를 수행한 후, 250 내지 350℃ 범위 온도에서, 2 내지 4 Mpa의 압력으로, 1 내지 3 시간 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 FeSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 300℃ 이상 고온 구동 시 고온/대전류 조건에서 용해 및 파괴되지 않는 고 내열성 및 고 내구성을 가지는 SiC 기반 모듈용 접합을 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 Ag 소결 본딩을 대체할 수 있도록 하여 SiC 기반 모듈의 가격을 낮추어 SiC 기반 모듈을 포함하는 SiC 시스템의 양산을 가능하게 하는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 (a) SnAg 페이스트, (b) SnAg 페이스트와 Co 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재 및 (c) SnAg 페이스트와 Fe 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 SiC 기반 모듈용 접합소재 접합 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 (a) SnAg 페이스트와 Co 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재를 이용하여 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 과정을 나타내는 도면 및 (b) SnAg 페이스트와 Fe 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재를 이용하여 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실험예의 시편을 제작하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 접합된 실험예 1 내지 3의 접합부 미세조직 분석 결과를 나타내는 SEM 사진이다.
도 6은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2의 EDX 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 Sn-Co의 함량별 상 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 1시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 1의 라인 스캔(Line scan), 매핑(mapping) 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2의 전단 강도(Shear Stress) 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2의 균열 진행 라인 스캔(Line Scan) 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2의 포인트 EDX(point EDX) 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 접합부 전단 파괴 단면의 XRD 분석 그래프이다.
도 13은 실험예 1 내지 3의 접합 강도 및 조성 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 접합된 실험예 4 내지 실험예 6의 접합부 미세조직 분석 결과를 나타내는 SEM 사진이다.
도 15는 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 1시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 4의 EDX 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 Sn-Fe의 함량별 상변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 5의 라인 스캔(Line scan), 매핑(mapping) 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 1시간, 2시간 및 3시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 4 내지 6의 전단 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 19는 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 5의 균열 진행 라인 스캔(Line Scan) 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 5의 포인트 EDX(point EDX) 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 21는 실험에 4 내지 6의 접합부 전단 파괴 단면의 XRD 분석 그래프이다.
도 22는 실험예 4 내지 6의 접합 강도 및 조성 변화를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예의 SiC 기반 모듈용 접합소재는 Sn과 상기 Sn 대비 2 내지 4 중량%의 Ag의 조성을 가지는 SnAg 합금 입자를 포함하는 SnAg 페이스트 및 상기 Sn 보다 높은 용융점을 가지는 금속 입자를 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 30 중량%를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재는, SiC 모듈용 기판과 SiC 기반 소자의 사이를 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물(IMC, Intermetallic compound)을 이루며 접합시키는 것일 수 있다.
상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 20 중량%의 Co 입자일 수 있다.
상기 Co 입자는 13 내지 17 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 금속 입자가 Co인 경우 상기 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물은 CoSn2일 수 있다.
상기 금속 입자는 상기 SnAg 페이스트 대비 10 내지 30 중량%의 Fe 입자일 수 있다.
상기 Fe 입자는 2 내지 5 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 금속 입자가 Fe인 경우 상기 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물은 FeSn2일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 (a) SnAg 페이스트, (b) SnAg 페이스트와 Co 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재 및 (c) SnAg 페이스트와 Fe 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예의 SiC 기반 모듈용 접합소재는 도 1의 (a)의 SnAg 합금 페이스트에 13 내지 17 ㎛ 크기의 Co 입자를 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 20 중량%를 혼합한 후 믹싱(Mixing)하는 것에 의해 도 1의 (b)의 SnAg 페이스트와 Co 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재로 제조될 수 있다.
또한, 도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예의 SiC 기반 모듈용 접합소재는 도 1의 (a)의 SnAg 합금 페이스트에 2 내지 5 ㎛ 크기의 Fe 입자를 상기 SnAg 페이스트 대비 10 내지 30 중량%를 혼합한 후 믹싱하는 것에 의해 도 1의 (c)의 SnAg 페이스트와 Fe 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재로 제조될 수 있다.
상기 SnAg 페이스트와 Co 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재 및 상기 SnAg 페이스트와 Fe 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재는 페이스트로 제조될 수 있다.
상기 SnAg 페이스트와 Co 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재는 기 설정된 분위기, 온도, 압력 및 처리 시간을 가지는 접합 공정에 의해 CoSn2 금속간 화합물로 변화되어 SiC 모듈용 기판에 SiC 기반 소자를 접합시킨다.
상기 SnAg 페이스트와 Fe 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재는 기 설정된 분위기, 온도, 압력 및 처리 시간을 가지는 접합 공정에 의해 FeSn2 금속간 화합물로 변화되어 SiC 모듈용 기판에 SiC 기반 소자를 접합시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 SiC 기반 모듈용 접합소재 접합 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 2와 같이, 본 발명의 일 실시예의 SiC 기반 모듈용 접합소재 접합 방법은, SiC 기반 모듈용 접합소재 준비 단계(S10), 접합소재 도포 단계(S20), SiC 기반 소자 적층 단계(S30) 및 SiC 기반 소자 접합 단계(S40)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재 준비 단계(S10)는 Sn과 상기 Sn 대비 2 내지 4 중량%의 Ag의 조성을 가지는 SnAg 합금 입자를 포함하는 SnAg 페이스트 및 상기 Sn보다 높은 용융점을 가지는 금속 입자를 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 30 중량%를 혼합한 후 믹싱하여 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재 준비 단계(S10)에서 준비되는 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재는 페이스트 상으로 준비될 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재 준비 단계(S10)의 상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 20 중량%의 Co 입자일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계(S10)의 상기 Co 입자는 13 내지 17 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계(S10)의 상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 10 내지 30 중량%의 Fe 입자일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계(S10)의 상기 Fe 입자는 2 내지 5 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 접합소재 도포 단계(S20)는 상기 SiC 모듈용 기판에 페이스트 상의 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 도포하는 단계일 수 있다. 이때, 도포되는 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재의 두께는 20 내지 40 ㎛일 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재가 20 ㎛ 미만으로 도포되는 경우, 원하는 접합력을 유지하지 못할 수 있다.
상기 SiC 기반 모듈용 접합소재가 40 ㎛ 이상으로 도포되는 경우, Sn과 금속 입자의 금속간 화합물의 형성에 많은 시간이 소요되거나, 완전하게 상변화가 일어나지 않을 수 있어 이 또한 접합력을 유지하지 못할 수 있다.
상기 SiC 기반 소자 적층 단계(S30)는 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재가 도포된 상기 SiC 모듈용 기판 면에 SiC 기반 소자를 적층하는 단계일 수 있다.
상기 SiC 기반 소자 접합 단계(S40)는 상기 금속 입자들별로 기 설정된 분위기 조건, 온도 및 압력으로 가열 및 가압하여 상기 SiC 모듈용 기판에 상기 SiC 기반 소자를 접합하는 단계일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 (a) SnAg 페이스트와 Co 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재를 이용하여 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 과정을 나타내는 도면 및 (b) SnAg 페이스트와 Fe 입자가 믹싱된 SiC 기반 모듈용 접합소재를 이용하여 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 과정을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 3의 (a)와 같이, 상기 금속 입자가 13 내지 17 ㎛ 크기를 가지는 상기 SnAg(Sn-3.5Ag) 페이스트 대비 5 내지 20 중량%의 Co 입자인 경우, 상기 SiC 기반 소자 접합 단계(S40)는, 다이접합장치를 이용하여 상기 SiC 기반 소자가 적층된 SiC 모듈용 기판을 250 내지 350℃ 범위 온도에서, 9 내지 11 Mpa의 압력으로, 1 내지 3 시간 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 CoSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 것일 수 있다.
도 3의 (b)와 같이, 상기 금속 입자가 2 내지 5 ㎛의 크기를 가지는 상기 SnAg(Sn-3.5Ag) 페이스트 대비 10 내지 30 중량%의 Fe 입자인 경우, 상기 SiC 기반 소자 접합 단계(S40)는, 상기 SiC 기반 소자가 적층된 SiC 모듈용 기판을 진공 분위기에서 230 내지 270℃ 범위 온도에서 1 내지 3분 동안 1차 열처리를 수행한 후, 다이접합장치를 이용하여 상기 SiC 기반 소자가 적층된 SiC 모듈용 기판을 250 내지 350℃ 범위 온도에서, 2 내지 4 Mpa의 압력으로, 1 내지 3 시간 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 FeSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 것일 수 있다.
상술한 상기 SiC 기반 소자 접합 단계(S40)의 입자별 분위기, 온도, 시간 및 압력 접합 공정 조건을 벗어나는 경우, CoSn2 또는 FeSn2 금속간 화합물 이외의 다른 상으로 금속간 화합물의 상 변화가 일어나거나, Sn이 완전히 고용되지 않고 잔류되어 접합 부위의 결함으로 작용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실험예를 설명한다.
본 발명의 실험예들에서는 실험의 편의상 실제의 SiC 칩을 대체하여 Cu 칩(30)을 적용하여 실험을 수행하였다.
- 이하 -
<실험예>
도 4는 본 발명의 실험예의 시편을 제작하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4와 같이, 두께 10 X 10 X 1.1(mm) 크기의 ENIG(Electroless Nikel immersion Gold, 무전해 니켈 금 도금) 표면처리에 의해 표면에 ENIG 표면처리 금속(11)이 형성된 6 개의 DBC(Direct Bonding Copper) 기판(10) 중 3개의 DBC 기판(10) 위에 스크린 프린팅을 통해 30㎛ 두께로 Sn-3.5Ag 페이스트와 10중량%의 Co 입자가 믹싱된 페이스트 상의 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합소재를 도포하고, 3개의 DBC 기판(10) 위에 Sn-3.5Ag 페이스트와 15 중량%의 Fe 입자가 믹싱된 페이스트 상의 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합소재를 각각 도포하여 접합소재 층(20)을 형성하였다. 상기 DBC(Direct Bonding Copper) 기판(10)은 SiC 모듈용 기판 중 하나이며 이러한 기판은 Al2O3 또는 AlN 세라믹 코어의 상하부에 Cu 또는 Al 금속층이 코팅된 구조로 이루어져 있다.
다음으로, 각각의 접합소재 층(20)이 형성된 6개의 DBC 기판(10) 상에 Au/Ni(P) 표면처리된 3 X 3 X 1(mm) 크기의 Cu 칩(30)을 적층하였다.
이 후, SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합소재가 도포되어 Cu 칩(30)이 적층된 3개의 DBC 기판(10) 각각을, 도 3의 (a)와 같이, 다이접합장치를 이용하여 300℃에서, 10 Mpa의 압력으로, 1 시간(실험예 1), 2시간(실험예 2), 3시간(실험예 3) 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 CoSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 Cu 칩(30)을 상기 DBC 기판(10)에 접합시켜 Co 함유 SiC 기반 모듈용 접합소재에 의해 접합이 수행된 3개의 시편(실험예 1 내지 3)을 제작하였다.
그리고 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합소재가 도포되어 Cu 칩(30)이 적층된 3개의 DBC 기판(10) 각각을, 도 3의 (b)와 같이, 진공 분위기에서 250℃에서 1분 동안 1차 열처리를 수행한 후, 다이접합장치를 이용하여 상기 Cu 칩(30)이 적층된 DBC 기판(10)을 300℃ 온도에서, 3 Mpa의 압력으로, 1 시간(실험예 4), 2 시간(실험예 5) 및 3 시간(실험예 6) 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 FeSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시켜 Fe 함유 SiC 기반 모듈용 접합소재에 의해 접합이 수행된 3개의 시편(실험예 4 내지 6)을 제작하였다.
이후, 제작된 6개의 시편에 대하여 주사전자현미경(SEM), EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy, 에너지 분산 x선 분광), EPMA(Electron Probe Micro Analysis, 전자 탐침 미세분석) 등의 분석을 수행하였다.
도 5는 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 접합된 실험예 1 내지 3의 접합부 미세조직 분석 결과를 나타내는 SEM 사진이다.
도 5와 같이, 실험예 1 내지 3의 접합부 미세조직 관찰 결과, 형성되는 금속간 화합물은 (Co, Ni)Sn2, Ni3Sn4, Ag3Sn으로 확인되었다.
1시간 가압 및 가열 처리를 수행한 실험예 1의 시편의 경우 잔여 Sn이 금속간 화합물 사이에 존재하였고, 에칭 후 Sn이 존재하는 영역 사이 사이에 균열이 관찰되었다.
2시간 및 3시간 가열 및 가압을 수행한 실험예 2 및 실험예 3의 시편의 경우 Sn 영역은 관찰되지 않았다.
도 6은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2의 EDX 분석 결과를 나타내는 도면이다.
스펙트럼 13(a) 및 스펙트럼 14(b) 모두에서 Co(25.90 및 24.98 Atomic%), Ni및 Sn(68.75 및 69.30 Atomic%)을 포함하는 것을 확인하였다.
도 7은 Sn-Co의 함량별 상변화를 나타내는 그래프이다.
도 7의 그래프에 도 6의 분석 결과를 적용한 경우 원으로 표시된 영역과 같이 형성된 금속간 화합물은 CoSn2인 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 1시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 1의 라인 스캔(Line scan), 매핑(mapping) 결과를 나타내는 도면이다.
도 8과 같이, 표면처리 금속 Ni 층 계면에서 Ni-Sn이 반응하여 Ni3Sn4 금속간 화합물이 형성되었다.
Ni 계면을 제외하고 형성된 금속간 화합물은 (Co, Ni)Sn2로 형성되는 것을 확인하였다.
도 9는 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 1시간, 2시간 및 3시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 1 내지 3의 전단 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9의 (a)와 같이, 접합 공정 수행 시간별 실험예 1 내지 3 각각의 접합 강도는 33Mpa, 29Mpa, 25Mpa로 측정되었다. 약 4Mpa로 그 차이는 미미하였다.
도 9의 (b) 및 (c)는 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2에 전단력을 가한 후의 전단파괴 면의 SEM 사진이다.
도 9의 (b) 및 (c)와 같이, 파단면 관찰 결과 균열은 Ni3Sn4와 (Co, Ni)Sn2 금속간 화합물의 경계면에서 시작되어 사이 사이의 공극을 따라 진행되었다.
도 10은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2의 균열 진행 라인 스캔(Line Scan) 분석 결과를 나타내는 도면이다. 도 11은 10 중량%의 Co가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Co 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 2의 전단 파괴 면에서의 SEM 사진 및 포인트 EDX(point EDX) 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 10 및 11과 같이, 균열은 Ni3Sn4 금속간 화합물(spectrum 23)과 (Co, Ni)Sn2 금속간 화합물(spectrum 22) 경계면에서 진행되었음을 확인할 수 있었다.
도 12는 실험에 1 내지 3의 접합부 전단 파괴 단면의 XRD 분석 그래프이다.
도 12와 같이, EDX로 분석한 결과와 동일하게 (Co, Ni)Sn2, Ni3Sn4 금속간 화합물이 검출되었다. 접합 시간별 시편들의 다른 금속간 화합물 상은 검출되지 않았다. (Co, Ni)Sn2, Ni3Sn4 금속간 화합물의 피크가 접합 공정 시간에 따라 강한 강도를 나타내는 것을 확인하였다.
도 13은 실험예 1 내지 3의 접합 강도 및 조성 변화를 나타내는 도면이다.
도 13과 같이, 실험예 1의 시편에서는 미세 공극이 존재하나 잔여 Sn이 금속간 화합물 사이 사이에 존재하여 접합 강도가 높게 측정되었다. 시간이 지남에 따라 Ni3Sn4 금속간 산화물의 성장과 Sn의 소비에 따른 공극의 크기 증가에 따라 접합 강도가 감소하는 것을 확인하였다.
도 14는 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 접합된 실험예 4 내지 실험예 6의 접합부 미세조직 분석 결과를 나타내는 SEM 사진이다.
도 14와 같이, 실험예 4 내지 6의 경우 Co 입자 첨가와 비교하여 큰 공극이 관찰되었다. 형성된 접합부에도 작은 공극이 관찰되었다.
실험예 4 내지 6의 접합부 미세조직 관찰 결과, 형성되는 금속간 화합물은 FeSn2, Ni3Sn4, Ag3Sn으로 확인되었다.
1시간 가압 및 가열 처리를 수행한 실험예 4의 시편의 경우 잔여 Fe 입자가 FeSn2 금속간 화합물 사이에 존재하였다.
2시간 및 3시간 가열 및 가압을 수행한 실험예 5 및 실험예 6의 시편의 경우 Sn 영역은 관찰되지 않았다.
도 15는 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 1시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 4의 EDX 분석 결과를 나타내는 도면이다.
스펙트럼 2(a) 및 스펙트럼 3(b) 모두에서 Fe(30.96 및 31.06 Atomic%), Ni및 Sn(65.24 및 67.46 Atomic%)을 포함하는 것을 확인하였다.
도 16은 Sn-Fe의 함량별 상변화를 나타내는 그래프이다.
도 16의 그래프에 도 15의 분석 결과를 적용한 경우 원으로 표시된 영역과 같이 형성된 금속간 화합물은 FeSn2인 것을 확인할 수 있었다.
도 17은 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 5의 라인 스캔(Line scan), 매핑(mapping) 결과를 나타내는 도면이다.
도 17과 같이, 표면처리 금속 Ni 층 계면에서 Ni-Sn이 반응하여 Ni3Sn4 금속간 화합물이 형성되었다. Ni 계면을 제외하고 형성된 금속간 화합물은 FeSn2로 형성되는 것을 확인하였다. Fe-Sn 금속간 화합물 사사 사이에 Sn-Ag 반응 금속간 화합물인 Ag3Sn이 관찰되었다.
도 18은 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 1시간, 2시간 및 3시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 4 내지 6의 전단 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 18의 (a)와 같이, 접합 공정 수행 시간별 실험예 4 내지 6 각각의 접합 강도는 21Mpa, 25Mpa, 27Mpa로 측정되었다. 약 2Mpa로 그 차이는 미미하였다.
도 18의 (b) 및 (c)는 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 5에 전단력을 가한 후의 전단파괴 면의 SEM 사진이다.
도 18의 (b) 및 (c)와 같이, 파단면 관찰 결과 균열은 Ni3Sn4와 FeSn2 금속간 화합물의 경계면에서 시작되어 사이 사이의 공극을 따라 진행되었다.
도 19는 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 의해 2시간 가열 및 가압에 의해 접합된 실험예 5의 균열 진행 라인 스캔(Line Scan) 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 15 중량%의 Fe가 혼합된 SiC 기반 모듈용 Fe 함유 접합 소재에 5의 포인트 EDX(point EDX) 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 19 및 20과 같이, 균열은 Ni3Sn4 금속간 화합물(spectrum 7)과 FeSn2 금속간 화합물(spectrum 10) 경계면에서 진행되었음을 확인할 수 있었다.
도 21는 실험에 4 내지 6의 접합부 전단 파괴 단면의 XRD 분석 그래프이다.
도 21과 같이, EDX로 분석한 결과와 동일하게 FeSn2, Ni3Sn4 금속간 화합물이 검출되었다. 접합 시간별 시편들의 다른 금속간 화합물 상은 검출되지 않았다. FeSn2, Ni3Sn4 금속간 화합물의 피크가 접합 공정 시간에 따라 강한 강도를 나타내는 것을 확인하였다. Cu6Sn5 피크는 Cu 칩(30)의 접착면만 표면처리 되어 있어서, 옆면의 Cu 층과 Sn이 직접적으로 만나 형성되었다.
도 22는 실험예 4 내지 6의 접합 강도 및 조성 변화를 나타내는 도면이다.
도 22와 같이, 실험예 4의 시편에서는 시간이 지남에 따라 공극은 작아지는 경향을 보였으며, 이에 의해 접합 강도가 커지는 것을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: DBC(Direct Bonding Copper) 기판
11: ENIG 표면처리 금속
20: 접합소재 층
30: Cu 칩
31: Au/NI(P) 표면처리 금속

Claims (16)

  1. Sn과 상기 Sn 대비 2 내지 4 중량%의 Ag의 조성을 가지는 SnAg 합금 입자를 포함하는 SnAg 페이스트 및 상기 Sn 보다 높은 용융점을 가지는 금속 입자를 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 30 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  2. 제1항에 있어서,
    SiC 모듈용 기판과 SiC 기반 소자의 사이를 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물을 이루며 접합시키는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 입자는,
    상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 20 중량%의 Co 입자인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Co 입자는 13 내지 17 ㎛의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 금속 입자가 Co인 경우 상기 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물은 CoSn2인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 입자는 상기 SnAg 페이스트 대비 10 내지 30 중량%의 Fe 입자인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 Fe 입자는 2 내지 5 ㎛의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 금속 입자가 Fe인 경우 상기 Sn과 금속 입자의 금속간 화합물은 FeSn2인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재.
  9. 제1항의 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계;
    상기 SiC 모듈용 기판에 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 도포하는 단계;
    상기 SiC 기반 모듈용 접합소재가 도포된 상기 SiC 모듈용 기판 면에 SiC 기반 소자를 적층하는 단계; 및
    상기 금속 입자들별로 기 설정된 분위기 조건, 온도 및 압력으로 가열 및 가압하여 상기 SiC 모듈용 기판에 상기 SiC 기반 소자를 접합하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 5 내지 20 중량%의 Co 입자인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 Co 입자는 13 내지 17 ㎛의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 금속 입자는, 상기 SnAg 페이스트 대비 10 내지 30 중량%의 Fe 입자인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 준비하는 단계의 상기 Fe 입자는 2 내지 5 ㎛의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 SiC 모듈용 기판에 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 도포하는 단계에서 도포되는 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재의 두께는 20 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 SiC 기반 소자를 접합하는 단계는,
    상기 금속 입자가 Co 입자이고, 상기 SiC 기반 소자가 적층된 상기 SiC 모듈용 기판을 250 내지 350℃ 범위 온도에서, 9 내지 11 Mpa의 압력으로, 1 내지 3 시간 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 CoSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 것인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 SiC 기반 소자를 접합하는 단계는,
    상기 금속 입자가 Fe 입자이고, 상기 SiC 기반 소자가 적층된 상기 SiC 모듈용 기판을 진공 분위기에서 230 내지 270℃ 범위 온도에서 1 내지 3분 동안 1차 열처리를 수행한 후,
    250 내지 350℃ 범위 온도에서, 2 내지 4 Mpa의 압력으로, 1 내지 3 시간 가열 및 가압하여, 상기 SiC 기반 모듈용 접합소재를 FeSn2 금속간 화합물로 상 변화시켜 상기 SiC 기반 소자를 상기 SiC 모듈용 기판에 접합시키는 것인 것을 특징으로 하는 SiC 기반 모듈용 접합소재의 접합 방법.
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