WO2021251716A1 - Ａｇ 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름 - Google Patents

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WO2021251716A1
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sintering
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오상진
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Definitions

  • the present invention relates to an Ag paste composition and a bonding film prepared using the same, and to an Ag paste composition used for bonding a semiconductor chip and a substrate, and a bonding film prepared using the same.
  • the semiconductor chip is electrically connected to other external elements through the substrate, and wire bonding technology is used to provide this connection path.
  • wire bonding technology has reached its limit as the need for ultra-high-speed and high-performance semiconductor chips increases, and flip-chip or chip direct mounting technology is emerging as an alternative to this.
  • a well-known flip chip technology is a method of soldering a semiconductor chip to a substrate using a solder paste.
  • Soldering bonding has excellent processability as it uses solder paste when bonding a semiconductor chip to a substrate.
  • the soldering joint has a problem in that the reliability is lowered when exposed to high temperature and the joint is separated.
  • the reflow method when bonding a semiconductor chip to a substrate, there is a reflow method in which cream solder is printed on the substrate, parts are attached thereon, and then the solder is melted with a high-temperature heat source to bond the semiconductor chip to the substrate.
  • the reflow method has the advantage of excellent bonding reliability.
  • the reflow method has a problem in that a void is generated in the solder depending on conditions or the solder is lifted by bending of the substrate, resulting in poor bonding.
  • a sintering method in which a silver (Ag) sintering paste is used to bond a semiconductor chip to a substrate.
  • the sintering method has the advantage of stably bonding the semiconductor chip to the substrate over the soldering method when exposed to high temperatures.
  • the sintering method has problems in that it is difficult to uniformly apply the silver (Ag) sintering paste, the process is complicated, the process time is long, and expensive equipment is required.
  • an object of the present invention is to provide an Ag paste composition capable of stably bonding a semiconductor chip to a substrate instead of a reflow method and a soldering method, and a bonding film prepared using the same.
  • Another object of the present invention is to lower the bonding temperature and increase the bonding density to improve bonding rigidity and reliability, improve printability, prevent process defects due to shrinkage during bonding sintering, and improve workability, and It is to provide a bonding film manufactured using this.
  • the Ag paste composition of the present invention is coated on a first object, and the first object is pressed and sintered toward the second object to form the first object and the second object. It is an Ag paste composition that forms a sintered bonding layer therebetween, and contains 90 to 99% by weight of Ag powder and 1 to 10% by weight of an organic binder.
  • Ag powder has a granular shape between spherical nanoparticles and flakes.
  • Ag powder has a specific surface area (BET) in the range of 1.3 to 1.8 m 2 /g.
  • the granular form of Ag powder has a long axis of 0.80 ⁇ m to 1.3 ⁇ m and a thickness of 0.04 ⁇ m to 0.08 ⁇ m.
  • the Ag paste composition has a total organic content of 2 wt% or less, and a total organic content of 0.1 wt% or less after pressure sintering.
  • the Ag paste composition may have a sintering temperature in the range of 200°C to 300°C during pressure sintering.
  • the base film may be made of one of a PET film, a PI film, and a PU film.
  • the adhesive layer may be formed of OCA (Optically Clear Adhesive) or OCR (Optically Clear Resin).
  • the Ag paste composition forming the bonding layer includes 90 to 99 wt% of Ag powder and 1 to 10 wt% of an organic binder.
  • the bonding film transfers the bonding layer made of the Ag paste composition to the first object and pressurizes the first object toward the second object to form a sintered bonding layer between the first object and the second object, and when pressure sintering
  • the sintering temperature may be in the range of 200°C to 300°C.
  • the present invention prepares Ag bulk with Ag powder with a clean particle surface, controls the particle size of the Ag powder to lower the bonding temperature without significantly increasing the surface area, and controls the particle shape of Ag powder to increase bonding density to improve bonding stiffness and reliability. There is an effect that can provide an improved Ag paste composition.
  • the above Ag paste composition enables low-temperature sintering without applying nanoparticle spherical powder, can prevent excessive shrinkage of the bonding surface during the sintering process, and can prevent process defects, thereby minimizing defects and high bonding strength has the effect of securing
  • the Ag paste composition of the present invention and the bonding film prepared using the same can secure high thermal conductivity by minimizing pores when bonding components such as semiconductor chips and spacers to a substrate by applying a pressure sintering method, and sintering time can be shortened, which has the effect of increasing process efficiency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a state in which a bonding layer is formed between a semiconductor chip and a substrate in an Ag paste composition according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the Ag paste composition according to an embodiment of the present invention prepared as a bonding film.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a method of manufacturing an Ag paste composition according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram for explaining the step of synthesizing dry plasma powder according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a SEM photograph showing the particle size distribution of Ag powder after classification according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram for explaining a bead milling process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an SEM photograph showing the granular shape of Ag powder subjected to a bead milling process in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing a thermal analysis result of the Ag powder of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a SEM photograph showing an example of controlling the specific surface area, grain shape, and shrinkage of Ag powder through classification and bead milling processes.
  • FIG 10 is a graph comparing the bonding strength of the Ag paste composition according to an embodiment of the present invention with a product of another company (comparative example).
  • FIG. 11 is a photograph of the fracture surface of the Example and Comparative Example of FIG. 10 .
  • Example 13 is a photograph comparing the shrinkage ratio of the Example of the present invention and the Comparative Example.
  • FIG. 14 is a view for explaining the shrinkage after sintering of the bonding layer in which the object is bonded to the substrate according to the embodiment of the present invention.
  • 15 is a photograph of the structure of the bonding layer sintered after placing the Ag paste composition of the present invention between the SiC power semiconductor chip and the DBC substrate and sintering without pressure.
  • substrate 11 ceramic substrate
  • the Ag paste composition of the present invention is used for bonding a first object and a second object to form a bonding layer between the first object and the second object.
  • the Ag paste composition is coated on a first object, and the first object is press-sintered toward the second object to form a sintered bonding layer between the first object and the second object.
  • the first object is a semiconductor chip and the second object is a substrate as an example.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a state in which a bonding layer is formed between a semiconductor chip and a substrate in an Ag paste composition according to an embodiment of the present invention.
  • the Ag paste composition 30 of the present invention can be used for bonding the semiconductor chip 20 and the substrate 10 .
  • the semiconductor chip 20 is bonded to the substrate 10 with an Ag paste composition 30 , and Ag is used for the Ag paste composition 30 to improve heat dissipation characteristics of the semiconductor chip.
  • the Ag paste composition 30 forms a bonding layer 30 ′ between the semiconductor chip 20 and the substrate 10 .
  • the semiconductor chip 20 may be a high-speed and high-performance semiconductor chip.
  • the semiconductor chip 20 may be a power semiconductor chip, for example, a SiC or GaN semiconductor chip.
  • the substrate 10 may be a ceramic substrate including a ceramic substrate 11 and metal layers 12 and 13 brazed to at least one surface of the ceramic substrate 11 .
  • the substrate 10 may be one of an Active Metal Brazing (AMB) substrate, a Direct Bonded Copper (DBC) substrate, a Thick Printing Copper (TPC) substrate, and a DBA substrate.
  • AMB Active Metal Brazing
  • DBC Direct Bonded Copper
  • TPC Thick Printing Copper
  • the driving temperature of the semiconductor chip is increased to 300°C, so it is difficult to apply a soldering paste with a melting point of about 230°C to bonding the semiconductor chip and the substrate. Therefore, in order to stably drive the semiconductor chip 20 , the Ag paste composition 30 having a high melting point is used for bonding the semiconductor chip 20 and the substrate 10 .
  • the Ag paste composition 30 includes 90 to 99% by weight of Ag powder and 1 to 10% by weight of an organic binder.
  • the organic binder includes an organic material and a solvent.
  • Ag has good heat dissipation characteristics due to high thermal conductivity, and allows the bonding layer 30' to have conductivity.
  • the Ag paste composition 30 prepares Ag powder as Ag powder with a clean surface, and controls the particle size of the Ag powder to lower the bonding temperature without significantly increasing the surface area. In addition, the Ag paste composition 30 controls the grain shape of Ag powder to increase bonding density, thereby improving bonding rigidity and reliability.
  • the bonding process is mainly completed at 200° C. to 300° C. in a short time for stable bonding without destruction of the semiconductor chip 20 .
  • Ag requires a sintering temperature of about 800° C. in bulk form, low-temperature sintering bonding is difficult.
  • the content of Ag powder is maximized for sintering bonding at about 250° C. and Ag powder can be formed into nanoparticles.
  • the bonding temperature may be lowered by maximizing the content of Ag powder and minimizing the content of organic matter within a range that can be uniformly applied.
  • the Ag paste composition 30 may lower the bonding temperature by forming Ag powder into nanoparticles.
  • the Ag paste composition 30 of the present invention is not a method of lowering the bonding temperature by using the high surface area of the nanoparticles, but cleanly controls the surface of the Ag powder particles, and the particle size and granularity ( particle shape) to increase the junction density without significantly increasing the surface area of the Ag powder.
  • the Ag paste composition to which the nanoparticle Ag powder is applied has a high specific surface area, so that the content of the Ag powder can be increased to 98 to 99% by weight to increase the thermal conductivity.
  • the Ag paste composition of the present invention has a lower specific surface area than that to which nanoparticle Ag powder is applied, so that it is possible to produce a high-density Ag paste composition with a level of 90% by weight.
  • the Ag powder When the Ag powder is less than 90% by weight, the Ag content is low and thermal conductivity is lowered, and the organic material is increased due to an increase in the relative amount of the organic binder, and the sintering temperature is increased. If the Ag powder exceeds 99% by weight, continuous printing operation is difficult due to a relative decrease in the content of the organic binder.
  • Ag powder has a specific surface area of 1.3 to 1.8 m 2 /g (BET particle size of 320 ⁇ m to 420 ⁇ m). And, Ag powder has a particle shape intermediate between spherical nanoparticles and flakes. The spherical nanoparticles and the flake-like intermediate granularity improved the shrinkage rate problem of spherical nanoparticles, the difficulty of continuous printing, and the problem of insufficient compactness during sintering of the spherical nanoparticles.
  • Ag powder of spherical nanoparticles has the advantage of high thermal conductivity, but the high surface area of the nanoparticles volatilizes quickly during mass production, making continuous printing difficult and excessive shrinkage in the sintering process due to the high specific surface area.
  • flakes have the advantage of less shrinkage during sintering and good bonding strength, but have the disadvantage of lack of compactness during sintering compared to spherical nanoparticles. Therefore, the Ag paste composition 30 of the present invention uses spherical nanoparticles and flake-shaped Ag powder that compensate for the disadvantages of the spherical nanoparticles and flakes, respectively.
  • Organic matter allows Ag to have high adhesion and to be uniformly applied.
  • the organic binder contains 1 to 10% by weight. If the organic binder is less than 1% by weight, continuous printing operation is difficult, and if it exceeds 10% by weight, the content of the organic material increases and the sintering temperature (bonding temperature) increases. When the content of the organic material is lowered to 10 wt% or less, the thermal decomposition and bonding temperature of the Ag paste composition 30 may be lowered. The low bonding temperature enables fast sintering of the Ag paste composition 30 . The rapid sintering of the Ag paste composition 30 reduces the shrinkage during sintering and prevents cracking of the sintered bonding layer 30 ′′, thereby lowering the defect rate.
  • the granular shape of Ag powder has a long axis of 0.8 ⁇ m to 1.3 ⁇ m and a thickness of 40 nm to 80 nm.
  • the Ag paste composition 30 has a total organic content of 0.5 wt% or less, and a total organic content of less than 0.1 wt% after pressure sintering.
  • the total organic material content is 2 wt% or less, and the total organic material content after pressure sintering is 0.1 wt% or less. If the total organic content of the Ag paste composition 30 is 2 wt% or less, it is applicable to film bonding having a thickness of 200 ⁇ m or more.
  • the Ag paste composition 30 has a sintering temperature for bonding in the range of 200°C to 300°C.
  • the sintering temperature is a temperature at which stable bonding without destruction of the semiconductor chip 20 is possible when bonding the semiconductor chip 20 to the substrate 10 .
  • the Ag paste composition 30 described above may be applied or coated on the bottom surface of the semiconductor chip 20 by a continuous printing method, and the semiconductor chip 20 coated with the Ag paste composition 30 is heated and pressed toward the substrate 10 . Thus, it can be bonded to the substrate 10 .
  • the above-described Ag paste composition 30 may be applied to the substrate 10 or coated by a continuous printing method, and the semiconductor chip 20 is heated and pressed toward the substrate 10 coated with the Ag paste composition 30 . It can be bonded to the substrate 10 .
  • Heat pressurization may be performed at 200 to 300 °C, preferably at 250 °C for 2 minutes to 5 minutes. Pressurization may be performed in the range of 8 to 15 MPa. Pressurization is to prevent voids from occurring. When the pressure sintering is performed, the bonding layer 30' is dense without holes, so that the thermal conductivity is increased and the heat dissipation characteristics are excellent. Pressurization also enables fast sintering.
  • the sintering temperature and time are adjustable within the above-mentioned range to shorten the mass production time.
  • sintering is preferably performed at 250° C. for 5 minutes, but pressurization may be performed at 300° C. for 2 minutes to improve mass productivity.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the Ag paste composition according to an embodiment of the present invention prepared as a bonding film.
  • the above-described Ag paste composition 30 may be coated on an object to be bonded, but may be prepared as a bonding film 40 and then transferred and used on an object to be bonded.
  • the bonding film 40 includes a base film 41 , a sticky layer 42 formed on the base film 41 , and a bonding layer 30 ′′ formed on the adhesive layer 42 .
  • the bonding layer 30 ′′ may be formed by applying or printing the above-described Ag paste composition 30 on the adhesive layer 42 and drying it. Printing may be screen printing or stencil printing.
  • the adhesive layer 42 improves the releasability of the bonding layer 30 ′′ to the base film 41 .
  • the base film 41 uses one of a PET (Polyethylene) film, a PI (Polyimide) film, and a PU (Polyurethane) film, and the adhesive layer 42 uses OCA (Optically Clear Adhesive) or OCR (Optically Clear Resin).
  • the base film 41 uses a PET film
  • the adhesive layer 42 uses an OCA film.
  • the height of the bonding layer 30" can be made very uniform.
  • the height of the bonding layer 30" must be uniform between the two substrates. There are no tolerances between the two, and there are no problems with the final product.
  • the bonding film 40 when bonding an object between two substrates, defects such as voids and standoffs can be reduced compared to the method of applying the Ag paste composition 30 to the object and bonding to the substrate.
  • Voids are pores in the bonding layer after sintering, and stand-off defects mean that the object is inclined to one side rather than flatly bonded to the substrate.
  • the object may be a semiconductor chip or a spacer for maintaining a separation distance between two substrates.
  • the base film 41 may have a thickness of 75 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the bonding layer 30 ′′ may be 40 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m.
  • the bonding film 40 can control the thickness and voids of the bonding layer 30 ′′.
  • the above-described method for preparing the Ag paste composition includes preparing the Ag powder and mixing 90 to 99% by weight of the prepared Ag powder and 1 to 10% by weight of a binder to form a composition.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an Ag paste composition according to an embodiment of the present invention.
  • the manufacturing of Ag powder includes: manufacturing Ag powder by synthesizing Ag bulk with dry plasma (S10), and controlling the particle size of Ag powder through a wet classification process (S20) ) and performing a bead milling process to control the granular shape of Ag powder (S30).
  • the step (S10) of preparing Ag powder by synthesizing Ag bulk with dry plasma powder is a dry plasma powder synthesis (PVD) step, and preparing the Ag bulk into Ag powder with a clean particle surface.
  • PVD dry plasma powder synthesis
  • FIG. 4 is a configuration diagram for explaining the step of synthesizing dry plasma powder according to an embodiment of the present invention.
  • N2 gas is injected into the chamber while the Ag bulk is injected into the chamber, and then power is applied into the chamber to convert the gas into plasma. inflame In this process, Ag powder containing Ag gas is prepared, and when it is cooled, Ag powder with a clean surface from which Ag gas is removed is manufactured.
  • Ag powder with a clean surface controls the particle size of Ag powder through a wet classification process.
  • the step (S20) of controlling the particle size of the Ag powder through the wet classification process uses centrifugation (centrifugal classification). Centrifugal separation can control the particle size distribution.
  • 5 is a SEM photograph showing the particle size distribution of Ag powder after classification according to an embodiment of the present invention.
  • the particle size distribution of Ag powder after classification is uniformly controlled.
  • the Ag powder has a specific surface area of 1.3 to 1.8 m 2 /g (BET particle size of 320 ⁇ m to 420 ⁇ m).
  • Ag powder is a spherical particle.
  • a bead milling process is performed to control the particle size of the Ag powder.
  • FIG. 6 is a configuration diagram for explaining a bead milling process according to an embodiment of the present invention.
  • the step ( S30 ) of controlling the particle shape of the Ag powder by performing a bead milling process is to control the particle shape of the Ag powder.
  • the spherical Ag powder is injected into the bead milling device, the beads and the Ag powder are rotated together by the rotation of the rotating body, and the Ag powder is milled by the beads to become flat flake particles.
  • Ag powder is injected into the lower part of the bead milling device and milled by the beads in the process of moving to the upper part, and only Ag powder can be discharged by the separator when it exits through the upper outlet.
  • FIG. 7 is an SEM photograph showing the granular shape of Ag powder subjected to a bead milling process in an embodiment of the present invention.
  • the Ag powder subjected to the bead milling process was prepared in the form of spherical nanoparticles and flake-shaped intermediate particles.
  • the granular form of Ag powder has a long axis of 0.80 ⁇ m to 1.3 ⁇ m and a thickness of 40 nm to 80 nm.
  • FIG. 8 is a graph showing a thermal analysis result of the Ag powder of FIG. 7 .
  • the surface was implemented as clean particles, the total organic content was 0.5% or less, and the total organic content after pressure sintering was 0.1% level.
  • 9 is an SEM photograph showing an example of controlling the specific surface area, grain shape, and shrinkage rate of Ag powder through classification and bead milling processes and photos showing the shrinkage rate.
  • the Ag paste composition described above may be prepared as a bonding film.
  • the method for preparing the Ag paste composition as a bonding film includes the steps of preparing a base film, forming an adhesive layer on the base film, and coating the Ag paste composition on the adhesive layer by printing or coating to form a bonding layer. including the steps of
  • Table 1 below shows the physical properties of the Ag paste composition according to the embodiment of the present invention.
  • the Ag paste composition has a specific surface area (BET) of 1.3 to 1.8 m 2 /g of Ag powder, a length of a major axis of 0.80 ⁇ m to 1.3 ⁇ m, and a thickness of a minor axis of 0.04 ⁇ m to 0.08 ⁇ m.
  • the thickness of the minor axis of the Ag powder is 7-14 in terms of surface area.
  • the Ag paste composition has a C content (ppm) of 1500 to 2000 (organic 0.01 to 0.2%), an O content of 200 to 400, and a density (g/cc) of 10.2 or more.
  • the Ag paste composition described above has a low specific surface area, a high density and low organic matter content is realized.
  • the particle size and thickness of 0.04 ⁇ m ⁇ 0.08 ⁇ m (40nm ⁇ 80nm) level to realize the properties of nanoparticles.
  • the specific surface area of 100 nm grade of spherical nanoparticles is about 5.5 to 6.0 m 2 /g, and the difference in specific surface area of 1.3 to 1.8 m 2 /g of the Ag paste composition of the present invention is 3 to 4 times.
  • FIG 10 is a graph comparing the bonding strength of the Ag paste composition according to an embodiment of the present invention with a product of another company (comparative example).
  • FIG. 11 is a photograph of the fracture surface of the Example and Comparative Example of FIG. 10 .
  • the Ag bonding layer is a mesograin in the form of spherical nanoparticles and flakes.
  • the Ag bonding layer is composed of spherical nanoparticles.
  • the Ag bonding layer was ruptured in the middle, and in the comparative example (manufactured by another company), the bonding layer was separated from the substrate. This phenomenon is confirmed that the strength of the bonding layer is high because the Ag bonding layer is sintered relatively well in the case of the embodiment. This is confirmed because the Ag powder particles are intermediate particles in the form of spherical nanoparticles and flakes. In the comparative example, the Ag powder particles are close to spherical.
  • Example ruptures at about 65 MPa and the Comparative Example ruptures at about 23 MPa.
  • Table 2 below shows the shrinkage ratio of Examples and Comparative Examples after pressure sintering and no pressure sintering. 13 is a photograph comparing the shrinkage ratio of the example of the present invention and the comparative example is shown.
  • the Ag paste composition of the example of the present invention has about 20% less shrinkage than the comparative example, relatively few defects due to jig tolerance after sintering, and prevents cracking of the bonding layer during the sintering process, thereby contributing to reducing defects. It can be seen that
  • FIG. 14 is a view for explaining the shrinkage after sintering of the bonding layer in which the object is bonded to the substrate according to the embodiment of the present invention.
  • the sintered bonding layer 30 ′ exhibits shrinkage, but is as small as about 6%. Furthermore, the sintered bonding layer 30' does not shrink well up and down, and small shrinkage occurs on both sides, because the Ag powder constituting the bonding layer 30' is an intermediate grain between spherical nanoparticles and flakes. The spherical nanoparticles and the flake-like intermediate grains increase the bonding strength of the sintered bonding layer 30 ′ to improve fracture strength.
  • Table 3 below shows the bonding temperatures of Examples and Comparative Examples.
  • Examples and Comparative Examples can be sintered at about 250 °C.
  • the temperature is raised to 350 ⁇ 400°C due to the occurrence of overvoltage, cracking of the bonding layer can be prevented because there is no gas that is the starting point of cracking by minimizing organic matter.
  • the embodiment maintains 90 wt% or more of the Ag powder, it has high thermal conductivity to improve heat dissipation properties.
  • Table 4 is a measurement of the thermal conductivity (W / mk) of Examples and Comparative Examples.
  • the thermal conductivity of the example is relatively higher than that of the comparative example to which the spherical nanoparticles are applied.
  • the Example shows a thermal conductivity of about 150W/mk
  • the Comparative Example shows a thermal conductivity of 70-100W/mk.
  • the embodiment When sintering under pressure, the embodiment shows a thermal conductivity of 280W/mk or more and is equal to or more than that in which spherical nanoparticles are applied. From the above experimental results, it can be seen that the thermal conductivity can be increased by controlling the surface area and particle shape of the Ag particles. In addition, it can be seen that the pressurized sintering minimizes pores to increase the thermal conductivity.
  • 15 is a photograph of the structure of the bonding layer sintered after placing the Ag paste composition of the present invention between the SiC power semiconductor chip and the DBC substrate and sintering without pressure.
  • the present invention described above does not use a high specific surface area, so volatilization is small during mass production, and process defects due to shrinkage during bonding and sintering are prevented, so that workability is improved.
  • the present invention uses Ag powder with a clean surface, it is possible to sinter at about 250° C. without nanoparticles.
  • the present invention can ensure reliability by reducing defects that lower the bonding stiffness by pre-sintering the nanoparticles before the press pressure generated when using the nanoparticles.
  • the present invention can be produced as a product in the form of a film.
  • the present invention described above can stably bond the semiconductor chip to the substrate instead of the reflow method and the soldering method.

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Abstract

본 발명은 Ag 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름에 관한 것으로, 제1 대상물에 코팅하고, 상기 제1 대상물을 제2 대상물측으로 가압 소결하여 상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물의 사이에 소결 접합층을 형성하는 Ag 페이스트 조성물이며, Ag 분말 90~99 중량%와 유기물 바인더 1~10 중량%를 포함한다. 본 발명은 나노입자 구형 분말을 적용하지 않고도 Ag 분말의 비표면적과 입형을 제어하여 접합 온도를 낮추고 접합 밀도를 높여 접합 강성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

Ａｇ 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름
본 발명은 Ag 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름에 관한 것으로, 반도체 칩과 기판의 접합에 사용하는 Ag 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름에 관한 것이다.
반도체 칩은 기판을 통하여 외부의 다른 요소와 전기적으로 접속되며, 이 접속 경로를 제공하기 위해 와이어 본딩 기술이 사용된다. 그러나 와이어 본딩 기술은 초고속 및 고성능 반도체 칩의 필요성이 증가함에 따라 한계에 이르게 되었고, 이에 대한 대안으로 플립칩 또는 칩 직접 실장기술이 대두되고 있다.
잘 알려져 있는 플립칩 기술은 솔더 페이스트를 이용해 기판에 반도체 칩을 솔더링 접합하는 방법이 있다.
솔더링 접합은 반도체 칩을 기판에 접합할 때 솔더 페이스트를 이용해 접합함에 따라 공정성이 우수하다. 그러나 솔더링 접합은 고온에 노출되었을 때 신뢰성이 저하되어 접합이 분리되는 문제점이 있다.
또한, 반도체 칩을 기판에 접합할 때 기판에 크림상의 솔더를 인쇄하고 그 위에 부품을 붙인 다음 고온의 열원으로 솔더를 녹여 기판에 반도체 칩을 접합하는 리플로우(reflow) 방법이 있다. 리플로우 방법은 접합 신뢰성이 우수한 이점이 있다. 그러나 리플로우 방법은 조건에 따라 솔더 내에 보이드(void)가 발생하거나 기판의 휨에 의해 솔더가 들뜨게 되어 접합 불량이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 반도체 칩을 기판에 접합할 때 은(Ag) 소결 페이스트를 이용해 접합하는 신터링 방법이 있다. 신터링 방법은 고온에 노출되었을 때 솔더링 방법 보다 반도체 칩을 기판에 안정적으로 접합할 수 있는 이점이 있다. 그러나 신터링 방법은 은(Ag) 소결 페이스트를 균일하게 도포하기 어렵고, 공정이 복잡하고 공정 시간이 길며 고가의 장비가 필요한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 리플로우 방법 및 솔더링 방법을 대신하여 반도체 칩을 기판에 안정적으로 접합할 수 있는 Ag 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 접합 온도를 낮추고 접합 밀도를 높여 접합 강성과 신뢰성을 향상시키며, 인쇄성을 향상시키고 접합 소결시 수축으로 인한 공정 불량을 방지하고 작업성을 개선할 수 있도록 한 Ag 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 Ag 페이스트 조성물은 제1 대상물에 코팅하고, 제1 대상물을 제2 대상물측으로 가압 소결하여 제1 대상물과 상기 제2 대상물의 사이에 소결된 접합층을 형성하는 Ag 페이스트 조성물이며, Ag 분말 90~99 중량%과 유기물 바인더 1~10 중량%를 포함한다.
Ag 분말은 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형이다.
Ag 분말은 비표면적(BET)이 1.3~1.8㎡/g 범위이다.
Ag 분말의 입형은 장축의 길이가 0.80㎛~1.3㎛ 범위이고, 두께가 0.04㎛~0.08㎛ 범위이다.
Ag 페이스트 조성물은 전체 유기물 함량이 2 중량% 이하이고, 가압 소결 후 전체 유기물의 함량이 0.1 중량% 이하이다.
Ag 페이스트 조성물은 가압 소결시 소결 온도가 200℃~300℃ 범위일 수 있다.
Ag 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 접합 필름이며, 베이스 필름과 베이스 필름 상에 형성된 점착층과 점착층 상에 형성되고 Ag 페이스트 조성물로 이루어진 접합층을 포함한다.
베이스 필름은 PET 필름, PI 필름, PU 필름 중 하나로 이루어질 수 있다.
점착층은 OCA(Optically Clear Adhesive) 또는 OCR(Optically Clear Resin)로 이루어질 수 있다.
접합층을 형성하는 Ag 페이스트 조성물은 Ag 분말 90~99 중량%와 유기물 바인더 1~10 중량%를 포함한다.
접합 필름은 Ag 페이스트 조성물로 이루어지는 접합층을 제1 대상물에 전사하고, 제1 대상물을 제2 대상물측으로 가압 소결하여 제1 대상물과 제2 대상물의 사이에 소결된 접합층을 형성하며, 가압 소결시 소결 온도가 200℃~300℃ 범위일 수 있다.
본 발명은 Ag 벌크를 입자의 표면이 깨끗한 Ag 분말로 제조하고 Ag 분말의 입도를 제어하여 표면적을 크게 증가시키지 않고 접합 온도를 낮추며, Ag 분말의 입형을 제어하여 접합 밀도를 높여 접합 강성과 신뢰성이 향상된 Ag 페이스트 조성물을 제공할 수 있는 효과가 있다.
상기한 Ag 페이스트 조성물은 나노입자 구형 분말을 적용하지 않고도 저온 소결이 가능하고, 소결 공정 중 접합면에 과도한 수축이 발생하는 것을 방지할 수 있으며 공정 불량을 방지할 수 있어 불량이 최소화되며 높은 접합 강도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 Ag 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 접합 필름은 가압 소결 방식을 적용하여 반도체 칩 및 스페이서 등과 같은 부품을 기판에 접합하는 경우 기공을 최소화하여 높은 열전도율을 확보할 수 있고, 소결시간을 짧게 할 수 있어 공정 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물이 반도체 칩과 기판의 사이에 접합층을 형성한 상태를 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물을 접합 필름으로 제조한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예로 건식 플라즈마 분말 합성하는 단계를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예로 분급 후 Ag 분말의 입도분포를 보여주는 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예로 비드 밀링 공정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예로 비드 밀링 공정을 수행한 Ag 분말의 입형을 보여주는 SEM 사진이다.
도 8은 도 7의 Ag 분말의 열분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 분급과 비드 밀링 공정을 통하여 Ag 분말의 비표면적과 입형 및 수축율을 제어한 예를 보여주는 SEM 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물의 접합 강도를 타사 제품(비교예)과 비교한 그래프이다.
도 11은 도 10의 실시예와 비교예의 파단 표면을 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예의 접합층과 비교예(타사 제품)의 수축율, 휨 발생, 미세조직을 비교한 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시예와 비교예의 수축율을 비교한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시예로 대상물을 기판에 접합한 접합층의 소결 후 수축된 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 Ag 페이스트 조성물을 SiC 전력 반도체 칩과 DBC 기판의 사이에 배치하고 무가압 소결한 다음 소결된 접합층의 조직을 촬영한 사진이다.
* 부호의 설명 *
10: 기판 11: 세라믹 기재
12,13: 금속층 20: 반도체 칩
30: Ag 페이스트 조성물 30': (소결된) 접합층
30": (소결전) 접합층 40: 접합 필름
41: 베이스 필름 41: 점착층
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 Ag 페이스트 조성물은 제1 대상물과 제2 대상물의 접합에 사용되고 제1 대상물과 상기 제2 대상물의 사이에 접합층을 형성한다. 일 예로, Ag 페이스트 조성물은 제1 대상물에 코팅하고, 제1 대상물을 제2 대상물측으로 가압 소결하여 제1 대상물과 제2 대상물의 사이에 소결된 접합층을 형성한다. 제1 대상물은 반도체 칩이고 제2 대상물은 기판인 것을 예로 들어 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물이 반도체 칩과 기판의 사이에 접합층을 형성한 상태를 보인 단면도이다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 Ag 페이스트 조성물(30)은 반도체 칩(20)과 기판(10)의 접합에 사용할 수 있다. 기판(10)에 반도체 칩(20)을 Ag 페이스트 조성물(30)로 접합하며, Ag 페이스트 조성물(30)은 반도체 칩의 방열 특성을 양호하게 하기 위해 Ag를 사용한다.
Ag 페이스트 조성물(30)은 반도체 칩(20)과 기판(10)의 사이에 접합층(30')을 형성한다. 반도체 칩(20)은 초고속 및 고성능 반도체 칩일 수 있다. 또는 반도체 칩(20)은 전력 반도체 칩일 수 있으며, 일 예로 SiC, GaN 반도체 칩일 수 있다. 기판(10)은 세라믹 기재(11)와 세라믹 기재(11)의 적어도 일면에 브레이징 접합된 금속층(12,13)을 포함하는 세라믹 기판일 수 있다. 일 예로, 기판(10)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판, DBC(Direct Bonded Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판 및 DBA 기판 중 하나일 수 있다.
기존 Si 소재 기반에서 성능이 우수한 SiC, GaN으로 적용되면서 반도체 칩의 구동온도가 300℃로 높아지게 되어, 융점이 230℃ 정도인 솔더링 페이스트는 반도체 칩과 기판의 접합에 적용이 어렵다. 따라서 반도체 칩(20)의 안정적인 구동을 위해 반도체 칩(20)과 기판(10)의 접합에 융점이 높은 Ag 페이스트 조성물(30)을 사용한다.
Ag 페이스트 조성물(30)은 Ag 분말 90~99 중량%와 유기물 바인더 1~10 중량%를 포함한다. 유기물 바인더는 유기물과 용매를 포함한다.
Ag는 높은 열전도율로 방열 특성을 양호하게 하고, 접합층(30')이 전도성을 갖도록 한다.
Ag 페이스트 조성물(30)은 Ag 분말을 입자의 표면이 깨끗한 Ag 분말로 제조하고, Ag 분말의 입도를 제어하여 표면적을 크게 증가시키지 않고 접합 온도를 낮춘다. 또한, Ag 페이스트 조성물(30)은 Ag 분말의 입형을 제어하여 접합 밀도를 높여 접합 강성과 신뢰성을 향상시킨다.
기판(10)에 반도체 칩(20)을 접합시 반도체 칩(20)의 파괴없는 안정적인 접합을 위해 주로 200℃~300℃에서 짧은 시간에 접합 공정을 마치는 형태로 진행된다. 그런데 Ag는 벌크(bulk) 형태에서 약 800℃의 소결 온도가 필요하므로 저온 소결 접합이 어렵다. 따라서 Ag 페이스트 조성물(30)은 약 250℃에서 소결 접합하기 위하여 Ag 분말의 함량을 최대로 하고 Ag 분말을 나노입자로 형성할 수 있다. Ag 페이스트 조성물(30)은 균일 도포 가능한 범위에서 Ag 분말의 함량을 최대로 하고 유기물의 함량을 최소로 하여 접합 온도를 낮출 수 있다. 또한 Ag 페이스트 조성물(30)은 Ag 분말을 나노입자로 형성하면 접합 온도를 낮출 수 있다.
그러나, Ag 분말을 나노입자로 형성하면 실제 양산공정에서 나노입자의 높은 표면적으로 휘발이 빠르게 발생하여 점도가 상승하게 되므로 연속인쇄 작업성이 원활하지 못하다. 그리고 이를 해결하기 위해 Ag 페이스트 조성물에서 유기물 바인더의 함량을 증가시키면 유기물이 증가되어 소결성의 문제가 발생한다. 유기물이 증가되면 소결 온도가 높아진다.
또한, 나노입자로 이루어진 Ag 분말이 다량 사용되면 소결 공정 중 접합면에 과도한 수축이 발생할 수 있고, 반도체 칩(20)과 기판(10) 간의 접합면의 수축으로 인한 잔류응력이 발생되어 신뢰성에 영향을 줄 수 있다.
따라서, 본 발명의 Ag 페이스트 조성물(30)은 나노입자의 높은 표면적을 이용하여 접합 온도를 낮추는 방법이 아닌, Ag 분말 입자의 표면을 깨끗하게 제어하고 분급 및 밀링 공정을 통해 Ag 분말의 입도와 입형(입자 형상)을 제어하여 Ag 분말의 표면적을 크게 증가시키지 않고 접합 밀도를 높인다.
Ag 페이스트 조성물의 접합 온도를 낮추기 위해 나노입자의 표면적을 이용하지 않으므로 양산공정에서 휘발이 크게 발생하지 않아 연속인쇄 작업성을 향상시킬 수 있고, 소결 공정 중 접합면에 과도한 수축이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
나노입자 Ag 분말을 적용하는 Ag 페이스트 조성물은 비표면적이 높아 Ag 분말의 함량을 98~99 중량%로 높여 열전도성을 높일 수 있다.
그러나 본 발명의 Ag 페이스트 조성물은 나노입자 Ag 분말을 적용한 것에 비해 비표면적이 낮아서 90중량% 수준의 고밀도 Ag 페이스트 조성물로 제작이 가능하다.
Ag 분말은 90중량% 미만이면 Ag의 함량이 낮아 열전도율이 낮아지고, 상대적인 유기물 바인더의 함량 증가로 유기물이 증가되어 소결 온도가 높아진다. Ag 분말은 99중량%를 초과하면 상대적인 유기물 바인더의 함량 감소로 연속인쇄 작업이 어렵다.
Ag 분말은 비표면적이 1.3~1.8㎡/g(BET 입경 320㎛~420㎛)이다. 그리고, Ag 분말은 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형이다. 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형은 구형 나노입자의 수축율 문제와 연속인쇄 작업의 어려움을 개선하고 플레이크상의 소결시 치밀성이 부족한 문제를 개선한 것이다.
구형 나노입자의 Ag 분말은 열전도율이 높은 장점이 있는 반면 양산시 나노입자의 높은 표면적으로 휘발이 빠르게 발생하여 연속인쇄작업이 어려운 단점과 높은 비표면적으로 인해 소결 공정에서 과도한 수축이 발생하는 단점이 있다. 플레이크상은 구형 나노입자의 Ag 분말에 비해 소결시 수축율이 적고 접합력이 좋은 장점이 있는 반면 소결시 구형 나노입자에 비해 치밀성이 부족한 단점이 있다. 따라서 본 발명의 Ag 페이스트 조성물(30)은 구형 나노입자와 플레이크상 각각의 단점을 보완한 구형 나노입자와 플레이크상의 중감 입형의 Ag 분말을 사용한다.
유기물은 Ag가 높은 접착력을 갖고 균일 도포되도록 한다.
유기물 바인더는 1~10 중량%를 포함한다. 유기물 바인더는 1중량% 미만이면 연속인쇄 작업이 어렵고, 10중량%를 초과하면 유기물의 함량이 높아져 소결 온도(접합 온도)가 높아진다. 유기물의 함량이 10 중량% 이하로 낮아지면 Ag 페이스트 조성물(30)의 열분해 및 접합 온도를 낮출 수 있다. 낮은 접합 온도는 Ag 페이스트 조성물(30)의 빠른 소결을 가능하게 한다. Ag 페이스트 조성물(30)의 빠른 소결은 소결시 수축율을 줄이고 소결된 접합층(30")의 균열을 방지하여 불량률을 낮춘다.
Ag 페이스트 조성물(30)에서 Ag 분말의 입형은 장축의 길이가 0.8㎛~1.3㎛ 범위이고, 두께가 40nm~80nm 범위이다.
Ag 페이스트 조성물(30)은 전체 유기물 함량이 0.5 중량% 이하이고, 가압 소결 후 전체 유기물의 함량이 0.1 중량% 미만이다.
또는, Ag 페이스트 조성물(30)은 전체 유기물 함량이 2 중량% 이하이고, 가압 소결 후 전체 유기물의 함량이 0.1 중량% 이하이다. Ag 페이스트 조성물(30)의 전체 유기물 함량이 2 중량% 이하이면 200㎛ 이상의 두께가 두꺼운 필름 접합에도 적용 가능하다.
Ag 페이스트 조성물(30)은 접합을 위한 소결 온도가 200℃~300℃ 범위이다. 소결 온도는 기판(10)에 반도체 칩(20)을 접합시 반도체 칩(20)의 파괴없는 안정적인 접합이 가능한 온도이다.
상술한 Ag 페이스트 조성물(30)은 반도체 칩(20)의 저면에 도포 또는 연속인쇄 방법으로 코팅할 수 있으며, Ag 페이스트 조성물(30)이 코팅된 반도체 칩(20)은 기판(10)측으로 가열 가압하여 기판(10)에 접합할 수 있다.
또는, 상술한 Ag 페이스트 조성물(30)은 기판(10)에 도포 또는 연속인쇄 방법으로 코팅할 수 있으며, 반도체 칩(20)은 Ag 페이스트 조성물(30)이 코팅된 기판(10)측으로 가열 가압하여 기판(10)에 접합할 수 있다.
가열 가압은 200~300℃, 바람직하게는 250℃에서 2분~5분 동안 수행할 수 있다. 가압은 8~15MPa 범위로 수행할 수 있다. 가압은 보이드(Void) 발생을 방지하기 위한 것이다. 가압 소결하면 접합층(30')이 구멍이 없이 조밀하게 되어 열전도도가 높아지고 방열 특성이 우수해진다. 또한 가압은 빠른 소결을 가능하게 한다.
소결 온도 및 시간은 양산 시간을 단축하기 위해 전술한 범위 내에서 조정가능하다. 일 예로, 소결은 250℃에서 가압을 5분 수행하는 것이 바람직하나, 양산성 향상을 위해 300℃에서 가압을 2분 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물을 접합 필름으로 제조한 단면도이다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 상술한 Ag 페이스트 조성물(30)은 접합하고자 하는 대상에 코팅할 수도 있으나, 접합 필름(40)으로 제조한 다음 접합하고자 하는 대상에 전사하여 사용할 수도 있다.
접합 필름(40)은 베이스 필름(41)과 베이스 필름(41) 상에 형성된 점착층(sticky layer)(42)과 점착층(42) 상에 형성된 접합층(Bonding layer)(30")을 포함할 수 있다. 접합층(30")은 전술한 Ag 페이스트 조성물(30)을 점착층(42) 상에 도포 또는 인쇄하고 건조하여 형성할 수 있다. 인쇄는 스크린 인쇄 또는 스텐실 인쇄일 수 있다. 점착층(42)은 베이스 필름(41)에 대한 접합층(30")의 이형성을 좋게한다.
베이스 필름(41)은 PET(Polyethylene) 필름, PI(Polyimide) 필름, PU(Polyurethane) 필름 중 하나를 사용하고, 점착층(42)은 OCA(Optically Clear Adhesive) 또는 OCR(Optically Clear Resin)를 사용할 있다. 바람직하게는, 베이스 필름(41)은 PET 필름을 사용하고, 점착층(42)은 OCA 필름을 사용한다.
Ag 페이스트 조성물(30)을 필름 형태로 제조하면 접합층(30")의 높이를 굉장히 균일하게 할 수 있다. 두 기판 사이에 대상물을 접합하는 경우 접합층(30")의 높이가 균일해야 두 기판의 사이에 공차가 발생하지 않고 최종 제품에 문제가 발생하지 않는다.
더욱이, 두 기판의 사이에 대상물을 접합시 접합 필름(40)을 사용하면 대상물에 Ag 페이스트 조성물(30)을 도포하고 기판에 접합하는 방법 대비 보이드(Void) 및 스탠드 오프 등의 결함을 줄일 수 있다. 보이드는 소결 후 접합층에 기공이 발생하는 것이고 스탠드 오프 결함은 대상물이 기판에 평평하게 접합하지 않고 어느 일측으로 기울어진 것을 의미한다. 대상물은 반도체 칩 또는 두 기판 사이에 이격 거리를 유지하기 위한 스페이서일 수 있다.
베이스 필름(41)은 두께가 75㎛~100㎛일 수 있다. 접합층(30")의 두께는 40㎛~200㎛일 수 있으며, 바람직하게는 50㎛일 수 있다. 접합 필름(40)은 접합층(30")의 두께와 보이드의 조절이 가능하다.
한편, 상술한 Ag 페이스트 조성물의 제조방법은 Ag 분말을 제조하는 단계와 제조한 Ag 분말 90~99 중량%와 바인더 1~10 중량%을 혼합하여 조성물로 만드는 단계를 포함한다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물의 제조방법을 설명하기 위한 순서도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바에 의하면, Ag 분말을 제조하는 단계는 Ag 벌크를 건식 플라즈마로 분말 합성하여 Ag 분말로 제조하는 단계(S10)와, 습식 분급공정을 통해 Ag 분말의 입도를 제어하는 단계(S20)와 비드 밀링(bead milling) 공정을 수행하여 Ag 분말의 입형을 제어하는 단계(S30)를 포함한다.
Ag 벌크를 건식 플라즈마로 분말 합성하여 Ag 분말로 제조하는 단계(S10)는 건식 플라즈마 분말 합성(PVD)하는 단계이며, Ag 벌크를 입자의 표면이 깨끗한 Ag 분말로 제조한다.
도 4는 본 발명의 실시예로 건식 플라즈마 분말 합성하는 단계를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4에 도시된 바에 의하면, Ag 벌크를 건식 플라즈마 분말 합성하여 Ag 분말로 제조하는 단계(S10)는 챔버 내에 Ag 벌크를 주입하면서 챔버 내로 N2 기체를 분사한 후 챔버 내에 전원을 인가하여 기체를 플라즈마화시킨다. 이 과정에서 Ag 기체를 포함한 Ag 분말이 제조되고, 이를 냉각시키면 Ag 기체가 제거된 표면이 깨끗한 Ag 분말이 제조된다.
표면이 깨끗한 Ag 분말은 습식 분급공정을 통해 Ag 분말의 입도를 제어한다.
습식 분급공정을 통해 Ag 분말의 입도를 제어하는 단계(S20)는 원심분리(원심분급)를 이용한다. 원심분리는 입자의 입도분포제어가 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예로 분급 후 Ag 분말의 입도분포를 보여주는 SEM 사진이다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 분급 후 Ag 분말은 입도분포가 균일하게 제어된다. 분급 후 Ag 분말은 비표면적이 1.3~1.8㎡/g(BET 입경 320㎛~420㎛)이다. Ag 분말은 구형 입자이다.
습식 분급공정을 통해 Ag 분말의 입도를 제어하는 단계(S20) 후, 비드 밀링(bead milling) 공정을 수행하여 Ag 분말의 입형을 제어한다.
도 6은 본 발명의 실시예로 비드 밀링 공정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 6에 도시된 바에 의하면, 비드 밀링(bead milling) 공정을 수행하여 Ag 분말의 입형을 제어하는 단계(S30)는 Ag 분말의 입형을 제어하는 것이다. 구형 입자의 Ag 분말을 비드 밀링 장치에 주입하면, 회전체의 회전에 의해 비드와 Ag 분말이 함께 회전하면서 비드에 의해 Ag 분말이 밀링되어 납작한 플레이크 입자로 된다. Ag 분말은 비드 밀링 장치의 하부로 주입되고 상부로 이동하는 과정에서 비드에 의해 밀링되며 상부측 배출구로 빠져나갈때 분리기에 의해 Ag 분말만 배출될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예로 비드 밀링 공정을 수행한 Ag 분말의 입형을 보여주는 SEM 사진이다.
도 7에 도시된 바에 의하면, 비드 밀링 공정을 수행한 Ag 분말은 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형으로 제조된다. Ag 분말의 입형은 장축의 길이가 0.80㎛~1.3㎛ 범위이고, 두께가 40nm~80nm 범위이다.
도 8은 도 7의 Ag 분말의 열분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바에 의하면, 비드 밀링 공정을 수행한 Ag 분말의 열분석 결과 표면이 깨끗한 입자로 구현되며, 전체 유기물 함량이 0.5% 이하이고, 가압 소결 후 전체 유기물의 함량이 0.1% 수준이다.
도 9는 분급과 비드 밀링 공정을 통하여 Ag 분말의 비표면적과 입형 및 수축율을 제어한 예를 보여주는 SEM 사진 및 수축율을 보여주는 사진이다.
도 9에 도시된 바에 의하면, 분급과 비드 밀링 공정을 통하여 비표면적과 입형 및 수축율의 제어가 가능함을 확인할 수 있다. 비표면적(SSA)이 1.3~1.8㎡/g인 Ag 분말에서 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형이 확인되었으며, 비표면적이 작은 Ag 분말의 수축율이 비표면적이 상대적으로 큰 Ag 분말에 비해 수축율이 작았다.
상술한 Ag 페이스트 조성물은 접합 필름으로 제조할 수 있다.
Ag 페이스트 조성물을 접합 필름으로 제조하는 방법은 베이스 필름을 준비하는 단계와 베이스 필름의 상에 점착층을 형성하는 단계와 점착층 상에 Ag 페이스트 조성물을 인쇄 또는 도포의 방법으로 코팅하여 접합층을 형성하는 단계를 포함한다.
아래의 표 1은 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물의 물성치를 나타낸 것이다.
구분 Ag 페이스트 조성물의
Ag 분말 물성치		 비고
BET(㎡/g) 1.3~1.8 구형 입자로 환산시 325~420㎛ 수준
입경 D50(㎛) 장축-길이 0.80~1.30㎛
단축-두께 0.04~0.08㎛ 표면적 환산시 7~14
C 함량(ppm) 1500~2000 유기물 0.01~0.2%
O 함량 200~400
밀도(g/cc) 10.2 이상
표 1에 의하면, Ag 페이스트 조성물은 Ag 분말의 비표면적(BET)이 1.3~1.8㎡/g이고, 장축의 길이가 0.80㎛~1.3㎛이며, 단축의 두께가 0.04㎛~0.08㎛이다. Ag 분말의 단축의 두께는 표면적 환산시 7~14이다. Ag 페이스트 조성물은 C 함량(ppm)은 1500~2000이고(유기물 0.01~0.2%), O 함량은 200~400이며, 밀도(g/cc)는 10.2 이상이다.
상술한 Ag 페이스트 조성물은 비표면적이 낮음에도 불구하고 고밀도 저유기물 함량이 구현된다. 또한 입경 두께가 0.04㎛~0.08㎛(40nm~80nm) 수준으로 나노입자의 성질도 구현한다. 구형 나노입자 100nm급의 비표면적은 약 5.5~6.0㎡/g으로 본 발명의 Ag 페이스트 조성물의 비표면적 1.3~1.8㎡/g의 비표면적 차이가 3~4배 수준이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 Ag 페이스트 조성물의 접합 강도를 타사 제품(비교예)과 비교한 그래프이다.
도 10에 도시된 바에 의하면, 실시예는 290℃의 짧은 소결 조건에서도 충분한 접합 강도 확보가 가능하고, 접합 강도는 15MPa 가압조건에서 65MPa로 매우 높게 형성되었다.
도 11은 도 10의 실시예와 비교예의 파단 표면을 촬영한 사진이다.
도 11에 도시된 바에 의하면, 실시예는 Ag 접합층의 일부가 떨어져 분리된 반면, 비교예는 접합층과 기판의 접합면이 파단되었다. 실시예는 Ag 접합층이 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형이다. 비교예는 Ag 접합층이 구형 나노입자로 구성된 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예의 접합층과 비교예(타사 제품)의 수축율, 휨 발생, 미세조직을 비교한 사진이다.
도 12에 도시된 바에 의하면, 접합강도 측정 후 SEM 사진에서 파단면의 형상을 비교하면 Ag 접합층은 중간에 파열이 발생하고, 비교예(타사 제품)는 접합층 전체가 기판에서 분리되었다. 이러한 현상은, 실시예의 경우 Ag 접합층의 소결이 상대적으로 잘되어 접합층의 강도가 높은 것으로 확인된다. 이는 Ag 분말 입자가 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형이기 때문으로 확인된다. 비교예는 Ag 분말 입자가 구상에 가깝다.
더욱이 실시예는 약 65MPa에서 파열되고 비교예는 약 23MPa에서 파열되었다.
아래의 표 2는 실시예 및 비교예를 가압 소결 및 무가압 소결하고 수축율을 나타낸 것이다. 도 13에는 본 발명의 실시예와 비교예의 수축율을 비교한 사진이 도시되어 있다.
구분 실시예
Ag 페이스트 조성물		 비교예
구형 나노입자 100nm

소결조건		 압력(Mpa) 15 Pressure-less 15 Pressure-less
온도(℃),
시간(Time)		 250/5 270/60 250/5 270/60
소결 후
수축율(%)		 두께 43.8 11.48 62.5 20.54
폭 0.64 5.68 4.71 23.83
표 2 및 도 13에 도시된 바에 의하면, 가압 소결 및 무가압 소결에서도 큰 수축율 차이를 보이고 있으며, 무가압 소결시 약 20%의 수축율을 보이고 가압 소결시 약 5%의 수축율 차이를 보이고 있다. 이는 소결시 잔류응력 발생에 큰 이점이 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예의 Ag 페이스트 조성물이 비교예에 비해 수축율이 20% 정도 적고, 소결 후 지그 공차로 인한 결함이 상대적으로 적으며, 소결 공정 중 접합층의 균열이 방지되어 결함을 줄이는데 기여할 수 있음을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예로 대상물을 기판에 접합한 접합층의 소결 후 수축된 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 14에 도시된 바에 의하면, 소결된 접합층(30')은 수축율이 발생하나 약 6% 정도로 작다. 더욱이 소결된 접합층(30')은 상하로 잘 수축하지 않고 양측으로 작은 수축이 발생하는데, 이는 접합층(30')을 구성하는 Ag 분말이 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형이기 때문이다. 구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형은 소결된 접합층(30')의 결합력을 높여 파괴 강도를 향상시킨다.
아래의 표 3은 실시예와 비교예의 접합 온도를 나타낸 것이다.
구분 유기물 바인더 타는 개시온도(℃) 감량 종료(℃) Ag 반응온도(℃)
실시예 160 313 307
비교예 165 315 319
표 3에 의하면, 실시예와 비교예는 약 250℃에서 소결 접합이 가능하다. 또한 과전압 발생으로 인해 350~400℃의 온도로 상승시 유기물 최소화로 크랙의 시발점이 되는 기체가 없으므로 접합층의 크랙을 방지할 수 있다. 또한, 실시예는 Ag 분말이 90 중량% 이상을 유지하므로 높은 열전도율을 가져 방열 특성을 향상시킨다.
아래의 표 4는 실시예 및 비교예의 열전도율(W/mk)을 측정한 것이다.
소결 조건 무가압 소결
 가압 소결
270℃/30min 270℃/60min 240℃/5min/
15MPa		 250℃/5min/
10MPa		 250℃/5min/
15MPa
실시예
(Ag 페이스트 조성물)		 152.92 151.01 265.82 236.20 288.08
비교예
(구형 나노입자 100nm)		 76.80 109.19 - - 280.96
표 4에 의하면, 실시예의 열전도율이 구형 나노입자를 적용한 비교예 보다 상대적으로 높다. 무가압 소결시 실시예는 약 150W/mk의 열전도율을 보이고, 비교예는 70~100W/mk의 열전도율을 보인다.
가압 소결시 실시예는 280W/mk 이상의 열전도율을 보이고 구형 나노입자를 적용한 경우보다 동등 이상이다. 위 실험 결과로부터, Ag 입자의 표면적 및 입자 형상을 제어하여 열전도율을 높일 수 있음을 알 수 있다. 또한 가압 소결은 기공을 최소화시켜 열전도율을 높임을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 Ag 페이스트 조성물을 SiC 전력 반도체 칩과 DBC 기판의 사이에 배치하고 무가압 소결한 다음 소결된 접합층의 조직을 촬영한 사진이다.
도 15에 도시된 바에 의하면, 250℃에서 30min 무가압 소결하여 EDX 성분 분석한 결과, 반도체 칩의 Au와 소결된 접합층의 이온 교환이 잘되어 있고, DBC 기판의 Pd와 Ag 소결된 접합층의 이온교환 문제는 없음을 확인할 수 있다.
이를 통해, 나노입자로 이루어진 Ag 분말을 사용하지 않더라도 표면이 깨끗한 Ag 입자를 적용한 고밀도 Ag 페이스트 조성물을 사용하면 접합층의 충분한 이온 교환이 발생하여 접합 강도를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 본 발명은 높은 비표면적을 사용하지 않아 양산시 휘발이 적고, 접합 소결시 수축으로 인한 공정 불량이 방지되므로 작업성이 향상된다.
또한, 본 발명은 표면이 깨끗한 Ag 분말을 사용하므로 나노입자가 아니어도 약 250℃에서 소결이 가능하다.
또한, 본 발명은 나노입자 사용시 발생되는 프레스 가압 전 나노입자가 미리 소결되어 접합강성을 낮추는 불량을 줄여 신뢰성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은 필름 형태의 제품으로 제작 가능하다.
상술한 본 발명은 리플로우 방법 및 솔더링 방법을 대신하여 반도체 칩을 기판에 안정적으로 접합할 수 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 대상물에 코팅하고, 상기 제1 대상물을 제2 대상물측으로 가압 소결하여 상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물의 사이에 소결된 접합층을 형성하는 Ag 페이스트 조성물이며,
    Ag 분말 90~99 중량%; 및
    유기물 바인더 1~10 중량%;
    를 포함하는 Ag 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Ag 분말은
    구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형인 Ag 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Ag 분말은
    비표면적(BET)이 1.3~1.8㎡/g 범위인 Ag 페이스트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Ag 분말의 입형은
    장축의 길이가 0.80㎛~1.3㎛ 범위이고, 두께가 0.04㎛~0.08㎛ 범위인 Ag 페이스트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Ag 페이스트 조성물은
    전체 유기물 함량이 2 중량% 이하이고,
    가압 소결 후 전체 유기물의 함량이 0.1 중량% 이하인 Ag 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 Ag 페이스트 조성물은 가압 소결시 소결 온도가 200℃~300℃ 범위인 Ag 페이스트 조성물.
  7. 베이스 필름;
    상기 베이스 필름 상에 형성된 점착층; 및
    상기 점착층 상에 형성되고 Ag 페이스트 조성물로 이루어진 접합층;
    을 포함하는 접합 필름.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베이스 필름은 PET 필름, PI 필름, PU 필름 중 하나로 이루어지는 접합 필름.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 점착층은 OCA(Optically Clear Adhesive) 또는 OCR(Optically Clear Resin)로 이루어지는 접합 필름.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 Ag 페이스트 조성물은
    Ag 분말 90~99 중량%; 및
    유기물 바인더 1~10 중량%;
    를 포함하는 접합 필름.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 Ag 분말은
    구형 나노입자와 플레이크상의 중간 입형인 접합 필름.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 Ag 분말은
    비표면적(BET)이 1.3~1.8㎡/g인 접합 필름.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 Ag 분말의 입형은
    장축의 길이가 0.80㎛~1.3㎛ 범위이고, 두께가 40nm~80nm 범위인 접합 필름.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 Ag 페이스트 조성물은
    전체 유기물 함량이 2 중량% 이하이고,
    가압 소결 후 전체 유기물의 함량이 0.1 중량% 이하인 접합 필름.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 접합층을 제1 대상물에 전사하고, 상기 제1 대상물을 제2 대상물측으로 가압 소결하여 상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물의 사이에 소결된 접합층을 형성하며,
    가압 소결시 소결 온도가 200℃~300℃ 범위인 접합 필름.
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