WO2022114462A1 - 전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물 - Google Patents

전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물 Download PDF

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WO2022114462A1
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solder paste
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epoxy resin
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김현준
장상현
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Definitions

  • the present invention relates to a solder paste composition for a power semiconductor package that can maximize the physical properties of a SiC semiconductor chip, including a glycidyl amine-based epoxy resin and a metal complex.
  • a power semiconductor is a device that converts, transforms, stabilizes, distributes and controls power, and improves energy efficiency and stably controls voltage changes in the power delivery and control process. It provides stability and reliability.
  • Si-based semiconductor devices are mainly used.
  • WBG wide band gap compound semiconductors based on silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), etc. This is a strengthening trend.
  • SiC has a very excellent dielectric breakdown field strength of about 10 times that of Si and a band gap of about 3 times that of Si.
  • SiC can control the P-type and N-type required for device manufacturing in a wide range, and its thermal conductivity is 4.9 W/mK compared to 1.5 W/mK of Si, which is about three times better.
  • SiC has a melting point of 300°C or higher, it operates stably even at high operating temperatures.
  • the volume is reduced to about 50% or less and the energy efficiency is increased by about 85% or more.
  • SiC power semiconductors will be essentially used instead of conventional Si IGBT power semiconductors for high-voltage, high-current, high-power applications.
  • the power semiconductor may be used alone, but is usually applied to a product in the form of a module including the power semiconductor.
  • a power semiconductor chip bonded by solder is positioned on DBC (Direct Bonding Copper) in which copper is directly bonded to upper and lower portions of a ceramic substrate.
  • DBC Direct Bonding Copper
  • a metal base plate is bonded to the lower portion of the DBC through solder.
  • the power semiconductor package in which SiC is applied to the power semiconductor chip has a significantly higher operating temperature than the conventional power semiconductor package to which Si is applied, a technique for increasing thermal conductivity in the package and improving resistance to thermal stress is required.
  • the bonding material of the power semiconductor chip should basically satisfy the physical properties of high adhesion, high heat dissipation, durability against repeated thermal shock, and not re-melting even at high operating temperature, and commercially fairness and price competitiveness. should have
  • solder paste composition such as Ag-Pb or Sn-Ag-Cu (SAC) is mainly used, but it has several problems when applied to a power semiconductor package to which SiC is applied.
  • solder paste compositions such as Ag-Pb and Sn-Ag-Cu (SAC) are re-melted at about 180° C. and defects such as cracks occur, they are suitable for use in high-voltage, high-current, high-temperature power semiconductors. don't
  • lead lead solder materials or SAC materials cause interfacial delamination, stress concentration, and permanent creep deformation due to thermal fatigue in the thin film layer as the power on/off is repeated.
  • TLP transient liquid phase bonding
  • solder paste composition there are soldering, eutectic bonding, pressure sintering, pressureless sintering, and the like.
  • metal sintering provides a film in a solid state, exhibits high adhesive strength, high thermal conductivity of 150 ⁇ 300W/mK, and high melting point, and is known as the best alternative.
  • the pressure sintering method has the effect of reducing the time and process temperature required for bonding the power semiconductor chip by applying a pressure of about 30 MPa to the semiconductor chip and expanding the contact area of the metal powder.
  • the pressurized sintering method causes damage to the semiconductor chip due to pressurization, is difficult to see as a mass-produceable technology, and is limited to very expensive power modules.
  • Metal sintering using a pressure free sintering method is the most ideal method, but sintering takes about 200 minutes or more and has a limitation in that mass productivity is insufficient due to a high process temperature.
  • the method using copper has disadvantages in that an inert gas atmosphere must be applied to the bonding process and an alternative is difficult due to oxidation problems during use.
  • An object of the present invention is to provide a paste composition for soldering a power semiconductor package having excellent thermal conductivity, heat resistance, and heat dissipation characteristics.
  • the solder paste composition according to the present invention includes a metal powder; an epoxy resin containing a nitrogen atom and a lone pair of electrons; hardener; metal complexes; catalyst; and additives.
  • the solder paste composition according to the present invention has excellent thermal conductivity, heat resistance, and heat dissipation characteristics.
  • solder paste composition according to the present invention can significantly shorten the process time and process temperature, so it is suitable for the pressureless sintering type.
  • the paste composition for solder according to the present invention does not re-melt even at a high temperature of 300° C. or higher after completion of the reflow despite the low processing temperature, there is an advantage in that the operating temperature of the SiC or GaN semiconductor package can be increased.
  • solder paste composition according to the present invention has a specific resistance and thermal conductivity close to that of pure silver after heat treatment, and thus has the advantage of maintaining package performance with little change in package resistance even after a thermal cycle test.
  • 1 is an FT-IR spectrum of a silver complex according to the present invention.
  • 2 is an SEM image of the surface of the solder paste composition having different catalyst contents according to the present invention after curing at 165° C./10 min and 220° C./20 min.
  • an arbitrary component is disposed on the "upper (or lower)" of a component or “upper (or below)” of a component means that any component is disposed in contact with the upper surface (or lower surface) of the component. Furthermore, it may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
  • each component when it is described that a component is “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components are “interposed” between each component. It should be understood that “or, each component may be “connected,” “coupled,” or “connected,” through another component.
  • the solder paste composition of the power semiconductor package of the present invention can replace the conventional solder paste composition such as SAC, and improves the long process time and high process temperature, which are the disadvantages of the conventional pressureless sintering paste composition, and provides excellent Provides thermal conductivity and heat resistance.
  • the solder paste composition of the present invention includes a metal powder, an epoxy resin containing a nitrogen atom and a lone pair (lewis base), a curing agent, a metal complex, a catalyst, and an additive.
  • the metal powder constituting the solder paste composition provides high thermal conductivity, and preferably includes silver (Ag).
  • the metal powder is a base component of the solder paste composition, and accounts for 80 wt% or more.
  • solder paste composition of the present invention belongs, mainly epoxy-based resins have been used.
  • bisphenol A-based epoxy or a mixture of bisphenol A-based epoxy and bisphenol F-based epoxy was mainly used.
  • bisphenol A-based epoxy has a large free volume and has a high coefficient of thermal expansion of 55 to 75 ppm/°C, and there is a limit in lowering the thermal expansion coefficient of bisphenol A-based epoxy even when highly impregnated with thermally conductive powder.
  • bisphenol A-based epoxy has a higher viscosity than glycidyl amine-based epoxy, so there is a limitation in adding a large amount of thermally conductive powder.
  • the coefficient of thermal expansion is one of very important requirements for reliability.
  • the power semiconductor package is typically exposed to a thermal cycle of high temperature and low temperature for a period of time or recovery.
  • the thermal expansion coefficient of any component among the power semiconductor package components has a large difference from the thermal expansion coefficient of other components, or if the thermal expansion coefficient of any component is very large, the component having a large thermal expansion coefficient or a component having a large difference in the thermal expansion coefficient is It can cause catastrophic problems such as cracking by thermal cycling.
  • solder paste composition of the power semiconductor package it is preferable to include a glycidyl amine-based epoxy resin in the solder paste composition of the power semiconductor package according to an embodiment of the present invention.
  • a glycidyl amine-based epoxy resin is an epoxy resin that contains one or more nitrogen atoms and contains a lone pair of electrons.
  • the epoxy resin provides low modulus properties to relieve mechanical stress applied to the power semiconductor package by thermal shock. Accordingly, the epoxy resin ensures sufficient durability and reliability even at a high operating temperature of the power semiconductor chip.
  • Glycidyl amine epoxy resin contains at least one of Triglycidyl p-aminophenol (TGPAP), Tetraglycidyl diaminodiphenylmethane (TGDDM), Triglycidyl m-aminophenol (TGMAP), Tetraglycidyl diaminodiphenylsulfone (TGDDS), Diglycidyl Aniline and Diglycidyl-o-Toluidine can do.
  • TGPAP Triglycidyl p-aminophenol
  • TGDDM Tetraglycidyl diaminodiphenylmethane
  • TGMAP Triglycidyl m-aminophenol
  • TGDDS Tetraglycidyl diaminodiphenylsulfone
  • Diglycidyl Aniline Diglycidyl-o-Toluidine can do.
  • the epoxy resin constituting the solder paste composition may be included in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal powder.
  • the content of the epoxy resin is less than 1 part by weight, it may be insufficient to relieve the mechanical stress applied to the power semiconductor package, and it may be insufficient to ensure durability and reliability of the power semiconductor package.
  • the curing agent preferably includes an acid anhydride curing agent.
  • the acid anhydride-based curing agent for example, nadic maleic anhydride, dodecyl succinic anhydride, maleic anhydride, succinic anhydride, methyl tetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride ( HHPA), tetrahydrophthalic anhydride, pyromellitic dianhydride, cyclohexanedicarbonyl anhydride, methyl tetrahydrophthalic anhydride (MeTHPA), methyl hexahydrophthalic anhydride (MeHHPA), nadic methyl anhydride (NMA), hydrolyzed methyl nadic anhydride, phthalic anhydride, nadic anhydride, and the like.
  • HHPA hexahydrophthalic anhydride
  • NMA nadic methyl anhydride
  • the mixing ratio of the epoxy resin and the curing agent constituting the solder paste composition may be 1:1 to 1:2 by weight.
  • the solder paste composition developed in the present invention curing and welding between the silver powder and curing are performed harmoniously at a low temperature of 250 ° C. or less by the heat of the exothermic reaction caused by the curing reaction of the epoxy resin and the curing agent and the heat applied from the outside. Accordingly, it is possible to form a welding phase of high curing density and continuous silver powder.
  • the metalo-organic compound becomes binder burnout as the organic material is blown away, thereby forming a welding in the space between the metals and forming a network.
  • the metal complex induces low-temperature sintering and welding at the metal powder interface, and forms an intermetallic connection made of two or more kinds of metals, thereby providing a low heat resistance path for heat transfer.
  • the bond of the metal complex absorbs the energy when it receives infrared energy and vibrates. At this time, depending on the type of atom or the type of bond, a unique vibration is generated when it receives infrared rays, and through this, it is possible to analyze the atoms and bonds of a chemical substance.
  • the FT-IR spectrum shows two types of vibration, stretching vibration and bending vibration.
  • Stretching vibration is a method in which the bond length between atoms is lengthened and shortened
  • bending vibration is a method in which the position of atoms with respect to the original bond axis changes, that is, the bond angle between atoms is changed.
  • 1 is an FT-IR spectrum of a silver complex according to the present invention.
  • the metal complex compound constituting the solder paste composition may be included in an amount of 0.1 to 1.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the epoxy resin.
  • the necking refers to a phenomenon that expands to both sides when pulled at a softening temperature.
  • the catalyst functions to accelerate the curing reaction of the epoxy resin containing a nitrogen atom and a lone pair of electrons and an acid anhydride-based curing agent.
  • the catalyst preferably includes an imidazole-based catalyst.
  • the catalyst constituting the solder paste composition is preferably included in an amount of 0.01 to 2.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the epoxy resin.
  • the curing reaction time is not delayed and further activation of the curing agent can be induced.
  • Table 1 shows the results of differential scanning calorimetry (DSC) analysis of the solder paste composition for each catalyst content measured at a rate of 10° C./min.
  • the paste composition for solder in the present invention uses the heat of reaction and external heat of the epoxy resin and the curing agent, 2 parts by weight or less is preferable in view of the fact that the greater the heat of reaction is, the better. More preferably, 1.6 parts by weight or less is good.
  • a network of continuous silver particles was formed when the amount was 2 parts by weight or less. More preferably, it can be seen that the welding between the silver particles occurs best at 1.7 parts by weight.
  • 1.1 parts by weight have a specific resistance of 3.87 x 10 -6 ⁇ cm
  • thermal conductivity 272W/mK 1.7 parts by weight have a specific resistance of 4.21 x 10 -6 ⁇ cm
  • thermal conductivity 220W/mK and 2.2 parts by weight have a specific resistance of 4.8 x 10 -6 ⁇ cm
  • thermal conductivity 187W/mK 3.1 parts by weight shows a specific resistance of 7.5 x 10 -6 ⁇ cm and a thermal conductivity of 71W/mK, it can be seen that the content of the catalyst is an important factor.
  • the imidazole-based catalyst is, for example, 2-methylimidazole (2-methylimidazole, 2MZ), 2-undecylimidazole (2-undecylimidazole, C11-Z), 2-heptadecylimidazole (2 -heptadecylimidazole, C17Z), 1,2-dimethylimidazole (1,2-dimethylimidazole, 1.2DMZ), 2-ethyl-4-methylimidazole (2-ethyl-4-methylimidazole, 2E4MZ), 2- Phenylimidazole (2-phenylimidazole, 2PZ), 2-phenyl-4-methylimidazole (2-phenyl-4-methylimidazole, 2P4MZ), 1-benzyl-2-methylimidazole (1-benzyl-2 -methylimidazole, 1B2MZ), 1-benzyl-2-phenylimidazole (1-benzyl-2-phenylimi
  • the solder paste composition of the present invention preferably includes an additive in order to improve durability against thermal shock by reducing modulus.
  • the additive is an additive for reducing modulus, and provides an effect of alleviating thermal shock.
  • the modulus reducing additive may include at least one of ester, butadiene, acrylate, and glycol-based epoxy.
  • the modulus reducing additive may be added in the form of a core-shell powder by using at least one resin material among ester, butadiene, acrylate, and glycol-based epoxy.
  • the modulus reducing additive may be added in the form of a powder including a rubber butadiene core and an acrylate shell.
  • the additive constituting the solder paste composition is preferably included in an amount of 0.5 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal powder.
  • the content of the additive satisfies 0.5 to 5 parts by weight, it is possible to secure an appropriate modulus, thereby obtaining an effect of alleviating thermal and mechanical stress caused by a sudden temperature change.
  • solder paste composition of the power semiconductor package As described above, a detailed example of the solder paste composition of the power semiconductor package will be described as follows.
  • an epoxy resin, a curing agent, a dispersant, a core-shell powder (CSR), and other additives are weighed, and then a homogeneous mixture is prepared using a rotational mixer or a rotational mixer.
  • Thermal conductivity The prepared composition was prepared by casting to a diameter of 12.5 mm and a thickness of 2 mm, and coated with graphite to complete a sample for measuring thermal conductivity.
  • Chip adhesion strength A sample for measurement was prepared by dispensing the composition prepared on a copper substrate, placing a 1.4mm x 1.4mm SiC chip on it, and heat-treating it.
  • Shear strength was measured at room temperature using a die shear tester equipment.
  • a sample for DMA measurement was prepared by casting molding using the prepared composition.
  • the elastic modulus of the DAP bonding material was measured at room temperature and 200 °C using DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) equipment. At a temperature increase rate of 5 °C/min, a static force of 110 mN and a dynamic force of 100 mN were applied to the sample at a cycle of 1 Hz. was added and measured.
  • Comparative Example 1 without the silver complex exhibited low thermal conductivity of around 22 W/mK. This low level of thermal conductivity makes it unsuitable for dissipating the heat generated by the SiC chip.
  • Comparative Example 4 was judged to be a result of a decrease in dispersibility and an increase in viscosity due to an excess of the silver complex.
  • the mixing ratio of additives such as polyester dispersant and CSR affects the adhesive strength, thermal conductivity, and modulus of the solder paste composition, but regardless of the presence or absence of the dispersant, thermal conductivity of 100W/mK or more, 1kgf/mm 2 or more It was confirmed that the adhesive strength could be secured and that it was possible to pass the thermal cycle test.
  • Comparative Example 5 relates to a composition in which all additives are removed from the composition of Example 11.
  • Example 11 passed, while Comparative Example 5 failed in the thermal cycle test.
  • the technology of the present invention can complete the process for about 32 minutes at 250° C. or less, thereby remarkably solving the problems of the prior art and reducing the process time at the same time, thereby contributing to mass productivity.

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Abstract

본 발명은 우수한 열전도도와 내열성, 방열특성을 가지며, 공정 시간과 온도를 획기적으로 단축시킬 수 있어 무가압 소결형에 적합한 솔더용 페이스트 조성물에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 솔더용 페이스트 조성물은 금속 분말; 질소 원자와 비공유 전자쌍을 포함하는 에폭시 수지; 경화제; 금속 착화합물; 촉매; 및 첨가제;를 포함한다.

Description

전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물
본 발명은 글리시딜 아민계 에폭시 수지와 금속 착화합물을 포함하여, SiC 반도체 칩의 물성을 최대한 발휘할 수 있는 전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
전력 반도체(power semiconductor)는 전력의 변환, 변압, 안정화, 분배 및 제어 등을 수행하는 소자(device)이며, 전력의 전달 및 제어 과정에서 에너지 효율을 향상시키고 전압의 변화를 안정적으로 제어하여 시스템의 안정성과 신뢰성을 제공한다.
전력 반도체는 주로 Si 기반의 반도체 소자가 사용되고 있다.
최근에는 친환경 자동차 및 신재생 에너지 시장이 증대되면서 고출력 및 고효율 전력 반도체의 수요가 증가함에 따라, 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등을 기반으로 한 WBG(wide band gap) 화합물 반도체의 필요성이 강화되는 추세이다.
WBG(wide band gap) 화합물 중 SiC는 절연 파괴 전계 강도가 Si의 약 10배, 밴드갭이 Si의 약 3배로 매우 우수하다.
SiC는 디바이스 제작에 필요한 P형, N형의 제어가 넓은 범위에서 가능하며, 열전도도가 Si의 1.5 W/mK 대비, 4.9 W/mK로 약 3배 이상 우수한 장점을 지닌다.
또한, SiC는 300℃ 이상의 녹는점을 가지고 있기 때문에, 높은 작동 온도에서도 안정적으로 작동한다.
또한 연구결과에 따르면, 종래의 Si IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 전력 반도체를 SiC 전력 반도체로 변경했을 때, 부피는 약 50% 이하로 감소하면서 에너지 효율은 약 85% 이상 증가하는 효과가 있다.
이에 따라, 고전압, 고전류의 대전력 응용 분야에는 종래의 Si IGBT 전력 반도체 대신 SiC 전력 반도체가 필수적으로 사용될 전망이다.
전력 반도체는 단독으로 사용될 수 있으나, 통상적으로 전력 반도체를 포함한 모듈의 형태로 제품에 적용된다.
전력 반도체 패키지 또는 모듈은 세라믹 재질의 기판의 상부 및 하부에 구리가 직접 본딩된 DBC(Direct Bonding Copper) 상에 솔더(solder)에 의해 본딩된 전력 반도체 칩이 위치한다. 상기 DBC 하부에는 메탈 베이스 플레이트가 솔더를 통해 본딩된다.
상기 전력 반도체 칩에 SiC를 적용한 전력 반도체 패키지는 기존 Si 를 적용한 전력 반도체 패키지 보다 작동 온도가 현저히 높기 때문에, 패키지 내의 열전도율을 높이고, 열적 스트레스에 대한 저항성을 향상시키는 기술이 필요하다.
또한 전력 반도체 패키지에서 SiC의 우수한 물성을 최대한 발휘할 수 있는 기술이 필요하다.
이와 관련하여, 상기 전력 반도체 칩의 본딩 소재는 기본적으로 높은 접착력, 높은 방열성, 반복적인 열 충격에 대한 내구성, 높은 작동 온도에서도 재용융되지 않아야 하는 물성을 충족해야 하며, 상업적으로 공정성 및 가격 경쟁력을 가져야 한다.
상기 전력 반도체 칩의 본딩 소재로는 Ag-Pb, Sn-Ag-Cu (SAC) 등의 솔더용 페이스트 조성물이 주로 사용되고 있으나, 이는 SiC를 적용한 전력 반도체 패키지에 적용하기에는 여러 문제점을 지닌다.
왜냐하면, Ag-Pb, Sn-Ag-Cu (SAC) 등의 솔더용 페이스트 조성물은 약 180℃ 내외에서 재용융되어 크랙 등의 결함이 발생하기 때문에, 고압, 고전류, 고온 전력반도체에 사용하기에 적절하지 않다.
또한 납연 솔더 소재나 SAC 소재는 파워 on/off를 반복함에 따라 박막층에서 열-피로 현상으로 인한 계면 박리, 응력 집중, 영구 크리이프(creep) 변형이 발생한다.
또한 Cu/Sn/Cu 전이액상본딩(TLP, transient liquid phase bonding)은 다층 계면으로, 빈번하게 크랙이 발생하여 신뢰성 문제를 야기한다.
한편, 솔더용 페이스트 조성물의 공정 기술로는 솔더링, eutectic 본딩, 가압 소결, 무가압 소결 등이 있다.
이 중 금속 소결은 고체 상태의 필름을 제공하고, 높은 접착강도와 150 ~ 300W/mK 정도의 높은 열전도도, 높은 융점을 나타내며, 가장 좋은 대안으로 알려져 있다.
가압 소결 방식은 반도체 칩에 30MPa 내외의 압력을 가하고 금속 분말의 접촉 면적을 확대해, 전력 반도체 칩의 본딩에 필요한 시간과 공정온도를 저감하는 효과가 있다.
그러나 가압 소결 방식은 가압에 의한 반도체 칩 손상이 발생하며, 양산 가능한 기술로 보기 어려우며, 매우 고가의 파워 모듈에만 제한적으로 사용되고 있는 수준이다.
무가압(pressure free) 소결 방식의 금속 소결이 가장 이상적인 방식이나, 소결 시 약 200분 이상이 소요되고 높은 공정 온도로 인해 양산성이 부족하다는 한계가 있다.
무가압 소결 방식 중 구리를 이용하는 방식은 불활성 기체 분위기를 접합 공정에 적용해야 하는 어려움과 사용 중 산화 문제로 대안이 어려운 단점이 있다.
따라서, 종래 사용 중인 솔더 페이스트 조성물을 대체할 수 있으면서, 높은 열전도도와 내열성을 가지며, SiC 기반의 전력 반도체 패키지에 적용 가능한 무가압 소결형 솔더용 페이스트 조성물 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 우수한 열전도도와 내열성, 방열특성을 갖는 전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 공정 시간과 온도를 획기적으로 단축시킬 수 있는 무가압 소결형 솔더용 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 솔더용 페이스트 조성물은 금속 분말; 질소 원자와 비공유 전자쌍을 포함하는 에폭시 수지; 경화제; 금속 착화합물; 촉매; 및 첨가제;를 포함한다.
본 발명에 따른 솔더용 페이스트 조성물은 우수한 열전도도와 내열성, 방열특성을 갖는다.
또한 본 발명에 따른 솔더용 페이스트 조성물은 공정 시간과 공정 온도를 획기적으로 단축시킬 수 있어 무가압 소결형에 적합하다.
또한 본 발명에 따른 솔더용 페이스트 조성물은 낮은 가공 온도에도 불구하고 열처리(reflow) 완료 후에는 300℃ 이상의 고온에서도 재용융되지 않기 때문에, SiC, GaN 반도체 패키지의 작동 온도를 높일 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 솔더용 페이스트 조성물은 열처리 후에 순수 은에 근접한 비저항 및 열전도도를 가짐으로써, 열 사이클 테스트 이후에도 패키지 저항의 변화가 거의 없이 패키지 성능을 유지하는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 은 착화합물의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명에 따른 촉매 함량을 달리한 솔더용 페이스트 조성물을 165℃/10min, 220℃/20min 에서 경화한 후 표면의 SEM 이미지이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물을 설명하도록 한다.
본 발명의 전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물은 종래 사용 중인 SAC 등의 솔더용 페이스트 조성물을 대체할 수 있으며, 종래 무가압 소결형 페이스트 조성물의 단점인 긴 공정 시간과 높은 공정 온도를 개선하고, 우수한 열전도도와 내열성을 부여한다.
본 발명의 솔더용 페이스트 조성물은 금속 분말, 질소 원자와 비공유 전자쌍(lone pair, lewis base)을 포함하는 에폭시 수지, 경화제, 금속 착화합물, 촉매 및 첨가제를 포함한다.
상기 솔더용 페이스트 조성물을 구성하는 금속 분말은 높은 열전도도를 제공하는 것으로, 은(Ag)을 포함하는 것이 바람직하다.
금속 분말은 솔더용 페이스트 조성물의 베이스 성분으로, 80중량% 이상을 차지한다.
본 발명의 솔더용 페이스트 조성물이 속하는 종래의 반도체 패키지 분야에서는 주로 에폭시계 수지들이 이용되었다. 특히 비스페놀 A계 에폭시, 또는 비스페놀 A계 에폭시와 비스페놀 F계 에폭시의 혼합물이 주로 사용되었다.
그러나 비스페놀 A계 에폭시는 자유 체적(free volume)이 커서 55 내지 75 ppm/℃의 높은 열팽창계수를 가지며, 열전도성 분말을 고함침하더라도 비스페놀 A계 에폭시의 열팽창 계수를 낮추는 데는 한계가 있다.
또한, 비스페놀 A계 에폭시는 글리시딜 아민계 에폭시에 비해서 점도가 높아 많은 중량의 열전도성 분말을 첨가하는데 한계가 있다.
특히 본 발명에서의 전력 반도체 패키지에 있어서 열팽창 계수는 신뢰성에 있어 매우 중요한 요건들 중 하나이다.
수명 및 신뢰성 평가를 위해, 전력 반도체 패키지는 통상 고온과 저온의 열 사이클에 일정 기간 또는 회수 동안 노출된다.
상기 열 사이클 이후, 크랙(crack)이 전력 반도체 패키지 내에서 발생되지 않아야 하는 요구 조건이 충족되어야 한다.
만일 전력 반도체 패키지 부품들 가운데 어느 부품의 열팽창 계수가 다른 부품의 열팽창 계수와 차이가 크거나, 또는 어느 부품의 열팽창 계수가 매우 크게 되면, 열팽창 계수가 큰 부품 또는 열팽창 계수의 차이가 큰 부품은 상기 열 사이클에 의해 크랙을 발생시키게 되는 치명적인 문제를 일으킬 수 있다.
상기와 같은 이유들로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물에 글리시딜 아민계 에폭시 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
글리시딜 아민계 에폭시 수지는 하나 이상의 질소 원자를 포함하고, 비공유 전자쌍을 포함하는 에폭시 수지이다.
에폭시 수지에는 질소 이외에 산소 등에도 비공유 전자쌍을 가진다.
이러한 에폭시 수지는 저모듈러스 특성을 부여하여 열 충격에 의해 전력 반도체 패키지에 가해지는 기계적 응력을 완화시킨다. 이에 따라, 상기 에폭시 수지는 전력 반도체 칩의 높은 작동 온도에서도 충분한 내구성과 신뢰성을 확보하도록 한다.
글리시딜 아민계 에폭시 수지는 Triglycidyl p-aminophenol(TGPAP), Tetraglycidyl diaminodiphenylmethane (TGDDM), Triglycidyl m-aminophenol(TGMAP), Tetraglycidyl diaminodiphenylsulfone (TGDDS), Diglycidyl Aniline 및 Diglycidyl-o-Toluidine 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 솔더용 페이스트 조성물을 구성하는 에폭시 수지는 상기 금속 분말 100중량부에 대하여, 1 ~ 5 중량부로 포함될 수 있다.
상기 에폭시 수지의 함량이 1 중량부 미만이면, 전력 반도체 패키지에 가해지는 기계적 응력을 완화시키기에 불충분할 수 있으며, 전력 반도체 패키지의 내구성과 신뢰성을 확보하기에 불충분할 수 있다.
반면 에폭시 수지의 함량이 5중량부를 초과하면, 수지의 함량이 많아지면서 솔더층의 무게가 증가하고, 내구성과 신뢰성 향상 없이 제조비용만 증가하는 단점이 있다.
상기 경화제는 산무수물계 경화제를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 산무수물계 경화제는 예를 들어, 나딕말레익언하이드라이드, 도데실숙신언하이드라이드, 말레익언하이드라이드, 숙신언하이드라이드, 메틸테트라하이드로프탈릭언하이드라이드, 헥사하이드로프탈릭언하이드라이드(HHPA), 테트라하이드로프탈릭언하이드라이드, 피로멜리틱디언하이드라이드, 시클로헥산디카르보닐언하이드라이드, 메틸테트라하이드로프탈릭언하이드라이드(MeTHPA), 메틸헥사하이드리프탈릭언하이드라이드(MeHHPA), 나딕메틸언하이드라이드(NMA), 하이드롤리제드메틸나딕언하이드라이드, 프탈릭언하이드라이드, 나딕언하이드라이드 등을 포함할 수 있다.
상기 솔더용 페이스트 조성물을 구성하는 에폭시 수지 : 경화제의 혼합비는 1 : 1 ~ 1 : 2의 중량비일 수 있다.
에폭시 수지와 경화제의 혼합비가 1 : 1 ~ 1 : 2의 중량비의 범위를 벗어나는 경우, 경화 반응에 의한 발열 반응이 제대로 이루어지지 않아, 저온에서의 경화 및 금속 분말 간의 웰딩(welding)이 충분히 이루어지지 않을 수 있다.
한편, 본 발명에서 개발된 솔더용 페이스트 조성물은 에폭시 수지와 경화제의 경화반응에 의한 발열 반응열과 외부에서 가해지는 열에 의해서, 250℃ 이하의 낮은 온도에서 경화 및 은 분말 간의 웰딩이 조화롭게 진행된다. 이에 따라 높은 경화 밀도와 연속적인 은 분말의 웰딩 상(welding phase)을 형성할 수 있다.
또한 공정 시간과 온도를 획기적으로 단축시킬 수 있어 무가압 소결형에 적합한 이점이 있다.
상기 금속 착화합물(metalo-organic compound)은 소결되는 과정에서 유기물이 날라가면서 바인더 번 아웃이 되어, 금속 사이의 공간에 웰딩을 형성하고, 네트워크를 형성하게 된다.
즉, 금속 착화합물은 금속 분말 계면에서의 저온 소결과 웰딩을 유도하고, 2종 이상의 금속으로 이루어진 금속간 결합(intermetallic connection)을 형성함으로써, 열 전달을 위한 낮은 열 저항 통로를 제공한다.
상기 금속 착화합물은 FT-IR 스펙트럼에서 881 ~ 429cm-1 파장에서 금속-산소 그룹의 진동 피크가 존재하고, 1505 ~ 1510cm-1 파장에서 -C=O 비대칭 스트레칭 진동 피크가 존재한다.
상기 금속 착화합물의 결합은 적외선 에너지를 받았을 때 그 에너지를 흡수해서 진동하게 된다. 이때 원자의 종류 또는 결합의 종류에 따라 적외선을 받았을 때 독특한 진동을 일으키게 되며, 이를 통해 화학 물질이 어떤 원자와 결합들로 이루어져 있는지 분석할 수 있다.
결합이 진동할 때 쌍극자 모멘트 크기의 변화가 나타나며, 적외선을 흡수하는 효율성은 쌍극자 모멘트의 세기에 의존한다.
카보닐기(C=O)는 C=C 보다 전기음성도가 커서 큰 쌍극자 모멘트를 가지고 있다. 이에 따라 카보닐기가 적외선을 더 잘 흡수하여 강한 피크를 나타낸다.
FT-IR 스펙트럼에서는 2가지 유형의 진동을 나타내는데, 신축 진동(stretching vibration)과 굽힘 진동(bending vibration)이다.
신축 진동은 원자들 사이의 결합길이가 길어졌다 짧아졌다 하는 방식이고, 굽힘 진동은 원래의 결합 축에 대하여 원자들의 위치가 변하는, 즉 원자들 사이에 이루어지고 있는 결합각이 변하는 방식이다.
신축 진동에서도 원자가 서로 같은 위상으로 움직이면 대칭이고, 서로 다른 위상으로 움직이면 비대칭이다.
이러한 진동 피크는 스트레칭인 신축 진동일 때 가장 크게 나타난다.
또한 카보닐기(C=O)는 원자 사이의 결합각이 없어서 신축 진동만 일어난다.
도 1은 본 발명에 따른 은 착화합물의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 1에서와 같이, FT-IR 스펙트럼에서 약 1508㎝-1에서 -C=O 비대칭 스트레칭 진동 피크와, 약 881 ~ 429cm-1 사이의 파장에서 metal-O 그룹의 진동 피크가 있는 Ag 착화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 솔더용 페이스트 조성물을 구성하는 금속 착화합물은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여, 0.1 ~ 1.1 중량부로 포함될 수 있다.
상기 금속 착화합물이 0.1 ~ 1.1 중량부를 만족하면, 금속 입자 간의 계면에서 네킹(necking)과 웰딩(welding)이 낮은 온도에서도 일어날 수 있도록 한다. 여기서, 네킹은 연화온도에서 잡아당길 때 양측으로 넓어져 가는 현상을 말한다.
반면, 금속 착화합물이 1.1 중량부를 초과하는 경우, 과량의 금속 착화합물로 인해 분산성 저하와 점도 상승으로 인해, 열전도도와 접착강도가 현저하게 저하되는 문제점이 있다.
상기 촉매는 질소 원자와 비공유 전자쌍을 포함하는 에폭시 수지와 산무수물계 경화제의 경화 반응을 촉진하는 기능을 한다.
상기 촉매는 이미다졸계 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 솔더용 페이스트 조성물을 구성하는 촉매는 에폭시 수지 100 중량부에 대하여, 0.01 ~ 2.0중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 촉매가 0.01 ~ 2.0중량부를 만족하면, 경화 반응 시간이 지연되지 않고 나아가 경화제의 활성화를 유도할 수 있다.
이미다졸 촉매에 의한 산무수물 경화제의 활성화를 통해, 에폭시 수지와 경화제의 에스터화(esterification) 반응을 1차적으로 유도한다.
그리고 에폭시 수지의 하이드록시기 그룹에 의한 에스터화(esterification)와 에테르화(etherification, ROR') 반응과 잔여 에폭시의 단일중합(homopolymerization)에 의한 반응을 통해 경쟁적으로 경화가 일어난다.
하기 표 1은 촉매 함량별 솔더용 페이스트 조성물의 10℃/min 속도로 측정한 시차주사열량계(DSC) 분석 결과이다.
[표 1]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000001
표 1을 참조하면, 이미다졸 촉매의 함량이 증가함에 따라 에스터화 피크는 점진적으로 낮은 온도에서 발생하며, 에테르화 피크는 함량에 관계없이 거의 일정한 온도에서 발생함을 확인할 수 있다.
또한, 경화 반응 중에 발생하는 반응열(total heat)은 촉매의 함량이 증가함에 따라 낮아지는 경향이 있었다. 이것은 촉매 함량이 증가함에 따라 전환율이 낮아지는 것을 의미한다.
본 발명에서의 솔더용 페이스트 조성물은 에폭시 수지와 경화제의 반응열과 외부 열을 이용하기 때문에, 반응열이 클수록 좋은 점을 감안할 때, 2중량부 이하가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1.6중량부 이하가 좋다.
이러한 결과는 도 2의 촉매 함량을 달리한 솔더용 페이스트 조성물을 165℃/10min, 220℃/20min 에서 경화한 후 표면의 SEM 이미지를 통해 확인할 수 있다.
도 2를 참조하면, 2중량부 이하일 때 연속적인 은 입자의 네트워크가 형성되었다. 더욱 바람직하게는 1.7중량부에서 은 입자 간의 웰딩이 가장 잘 일어났음을 확인할 수 있다.
또한 도 2에서 1.1중량부는 비저항 3.87 x 10-6Ωcm, 열전도도 272W/mK, 1.7중량부는 비저항 4.21 x 10-6Ωcm, 열전도도 220W/mK, 2.2중량부는 비저항 4.8 x 10-6Ωcm, 열전도도 187W/mK, 3.1중량부는 비저항 7.5 x 10-6Ωcm, 열전도도 71W/mK 을 나타내는 점에서, 촉매의 함량은 중요한 요소임을 알 수 있다.
상기 이미다졸계 촉매는 예를 들어, 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole, 2MZ), 2-운데실이미다졸(2-undecylimidazole, C11-Z), 2-헵타데실이미다졸(2-heptadecylimidazole, C17Z), 1,2-다이메틸이미다졸(1,2-dimethylimidazole, 1.2DMZ), 2-에틸-4-메틸이미다졸(2-ethyl-4-methylimidazole, 2E4MZ), 2-페닐이미다졸(2-phenylimidazole, 2PZ), 2-페닐-4-메틸이미다졸(2-phenyl-4-methylimidazole, 2P4MZ), 1-벤질-2-메틸이미다졸(1-benzyl-2-methylimidazole, 1B2MZ), 1-벤질-2-페닐이미다졸(1-benzyl-2-phenylimidazole, 1B2PZ), 1-사이아노에틸-2-메틸이미다졸(1-cyanoethyl-2-methylimidazole, 2MZ-CN), 1-사이아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸(1-cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazole, 2E4MZ-CN), 1-사이아노에틸-2-운데실이미다졸(1-cyanoethyl-2-undecylimidazole, C11Z-CN), 1-사이아노에틸-2-페닐이미다졸륨 트라이멜리테이트(1-cyanoethyl-2-phenylimidazolium trimellitate, 2PZCNS-PW), 2,4-다이아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트라이아진(2,4-diamino-6-[2'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine, 2MZ-A), 2,4-다이아미노-6-[2'-운데실이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트라이아진(2,4-diamino-6-[2'-undecylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine, C11Z-A), 2,4-다이아미노-6-[2'-에틸-4'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트라이아진 (2,4-diamino-6-[2'-ethyl-4'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine, 2E4MZ-A), 2,4-다이아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s트라이아진 아이소사이아누르산 부가물(2,4-diamino-6-[2'-metthylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine isocyanuric acid adduct, 2MA-OK), 2-페닐-4,5-다이하이드록시메틸이미다졸(2-phenyl-4,5-dihydroxymethylimidazole, 2PHZ-PW), 2-페닐-4-메틸-5-하이드록시메틸이미다졸 (2-phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazole, 2P4MHZ-PW) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 솔더용 페이스트 조성물은 모듈러스를 저감하여 열 충격에 대한 내구성을 향상시키기 위해, 첨가제를 포함하는 것이 바람직하다.
첨가제는 모듈러스 저감용 첨가제로, 열 충격을 완화시키는 효과를 부여한다.
모듈러스 저감용 첨가제는 에스테르, 부타디엔, 아크릴레이트 및 글리콜계 에폭시 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 모듈러스 저감용 첨가제는 에스테르, 부타디엔, 아크릴레이트 및 글리콜계 에폭시 중 1종 이상의 수지 재질을 이용하여 코어-쉘 분말의 형태로 첨가될 수도 있다.
예를 들어, 모듈러스 저감용 첨가제는 고무재질인 부타디엔 코어와 아크릴레이트 쉘을 포함하는 분말 형태로 첨가될 수 있다.
상기 솔더용 페이스트 조성물을 구성하는 첨가제는 상기 금속 분말 100중량부에 대하여, 0.5 ~ 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 첨가제의 함량이 0.5 ~ 5 중량부를 만족하면, 적절한 모듈러스를 확보할 수 있어 급격한 온도 변화에 따른 열적, 기계적 스트레스를 완화시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 솔더용 페이스트 조성물을 이용하여, 경화 전 FT-IR 스펙트럼을 분석하면, 1856.34cm-1와 1777.82cm-1에서 -C=O 산무수물 경화제의 특성 피크가 관찰되었다.
983.74cm-1, 912.55cm-1, 897.87cm-1에서 -C-O oxirane 피크가, 808.07cm-1에서 -C-O-C oxirane 특성 피크가 관찰되었다.
1721.02cm-1에서는 분산제와 관련된 -C=O ester 피크가 관찰되었다.
1634.48cm-1에서는 촉매와 관련된 -C=NH 아민 피크가 관찰되었다.
그리고 1513,77cm-1, 1464.76cm-1, 1406cm-1에서 아로마틱 링이 관찰되었다.
이와 같이 전력 반도체 패키지의 솔더용 페이스트 조성물에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1.솔더용 페이스트 조성물의 제조
은 분말 100중량부에 대하여, 에폭시 수지와 경화제, 분산제, 코어-쉘 분말(CSR), 기타 첨가제(중량부)를 계량한 후 자전공전믹서 혹은 공자전 믹서를 이용하여 균질한 혼합물을 제조한다.
이후, 은 분말을 계량하여 첨가하고 플레네터리 믹서(Planetary mixer)를 이용하여, 약 1시간 동안 교반한다. 그리고 마지막으로 촉매를 첨가하고, 칠러(chiller)가 연결된 3본밀(3-roll mill)을 이용하여 완전히 분산될 때까지 교반함으로써 솔더용 페이스트 조성물을 제조한다. 실시예 및 비교예의 모든 조성물은 전술한 방법을 이용하여 제조되었다.
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
1) 비저항 : 상기 제조된 조성물을 도구로 코팅하고 165℃에서 10분, 220℃에서 20분 경화한 후, Loresta-GX를 이용하여 4단자 프로브로 면저항을 측정하고 시료의 두께를 측정하여 계산하였다.
2) 열전도도 : 제조된 조성물을 직경 12.5mm, 두께 2mm로 캐스팅 성형하여 제조하고, 그라파이트를 코팅하여 열전도도 측정용 시료를 완성하였다.
LFA(laser flash analysis) 장비를 이용하여 열확산율을 측정하고, λ(열전도도) = a (열확산율) × Cp (비열) × ρ (밀도)의 식에 의해서 계산하였다.
3) Chip 접착강도 : 구리 기판위에 제조된 조성물을 디스펜싱하고, 1.4mm x 1.4mm SiC 칩을 그 상부에 placing하고 열처리함으로써 측정용 시료를 준비하였다.
Die shear tester 장비를 사용하여 상온에서 shear strength을 측정하였다.
4) Storage modulus : 제조된 조성물을 이용하여 캐스팅 성형함으로써 DMA 측정용 시료를 준비하였다. DMA(Dynamic Mechanical Analyzer) 장비를 사용하여 상온 및 200 ℃에서 DAP 접합소재의 탄성계수 측정하였으며, 5 ℃/min의 승온속 도로 110 mN의 static force, 100 mN의 dynamic force을 1 Hz의 주기로 시료에 가하여 측정하였다.
5) Thermal cycle 시험 : 2mm x 2mm SiC 칩을 부착한 패키지 시료를 이용하여, JEDEC에 의거, Test condition G 조건으로 시료를 측정하였다.
1000cycle 이후의 시료를 수거하여 X-ray CT, 패키지 저항 변화율, 접착강도를 등을 평가하여 합격 여부를 평가하였다.
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000002
[표 2]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000003
[표 3]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000004
표 3에서 보는 바와 같이, 하나 이상의 질소 원자를 포함하고 비공유 전자쌍 (lone pair, lewis base)을 가지는 에폭시 수지와, metal-O 그룹의 진동 피크가 있는 착화합물 1.1 중량부 이하를 포함할 경우, 모두 170 W/mK 이상의 열전도도와 1.6kgf/mm2 이상의 접착강도를 보였다.
그리고 열 사이클(thermal cycle) 시험을 합격하였음을 알 수 있다.
[표 4]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000005
[표 5]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000006
표 5를 통해서, 은의 함량이 100중량부이고 은 착화합물이 1.1중량부 이하이면 모두 200W/mK 이상의 높은 열전도도, 높은 접착강도를 가지며, 열 사이클 시험에 합격하였음을 확인할 수 있었다.
반면에, 은 착화합물이 없는 비교예 1은 22W/mK 내외의 낮은 열전도도를 보임을 확인할 수 있었다. 이러한 낮은 수준의 열전도도로는 SiC 칩에서 발생하는 열을 방출하기에 부적합하다.
또한, 경화제 함량을 벗어난 비교예 2, 촉매가 2.2중량부를 초과하는 비교예 3 및 은 착화합물이 1.1중량부를 초과하는 비교예 4의 경우, 열전도도 및 접착강도가 현저하게 저하됨을 확인할 수 있었으며, 열 사이클 시험 또한 불합격하였다.
비교예 4는 과량의 은 착화합물로 인해서 분산성 저하와 점도의 상승에 의한 결과로 판단되었다.
[표 6]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000007
[표 7]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000008
표 7을 통해서 폴리에스테르 분산제, CSR 등의 첨가제의 배합비는 솔더용 페이스트 조성물의 접착강도, 열전도도, 모듈러스에 영향을 미치나, 분산제의 유무에 관계없이 100W/mK 이상의 열전도도, 1kgf/mm2 이상의 접착강도를 확보할 수 있고, 열 사이클 시험 합격이 가능함을 확인할 수 있었다.
비교예 5는 실시예 11의 조성물에서 첨가제를 모두 제거한 조성에 관한 것이다.
그 결과, 거의 유사한 조성임에도 불구하고, 열 사이클 시험에서 실시예 11은 합격한 반면, 비교예 5는 실패하였다.
이는 높은 모듈러스로 인한 급격한 온도에 의한 열적, 기계적 스트레스로 인한 크랙이 발생했기 때문으로 판단되었다.
따라서 적절한 모듈러스를 확보하기 위해서 부타디엔, 아크릴레이트, 폴리부타디엔, 글리콜계 에폭시 등의 모듈러스를 저감할 수 있는 첨가제가 필요함을 확인하였다.
[표 8]
Figure PCTKR2021011588-appb-img-000009
표 8을 참조하면, 본 발명의 기술은 250℃ 이하에서 약 32분 동안 공정을 완료할 수 있어, 종래 기술의 문제점을 획기적으로 해결함과 동시에 공정 시간을 단축시켜 양산성에 기여할 수 있다.
또한 열처리 후에도 은에 근접한 비저항 및 열전도도를 가짐으로써, 열 사이클 테스트 이후에도 패키지 저항의 변화가 거의 없이 패키지 성능을 유지하는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (9)

  1. 금속 분말;
    질소 원자와 비공유 전자쌍을 포함하는 에폭시 수지;
    경화제;
    금속 착화합물;
    촉매; 및
    첨가제;를 포함하는 솔더용 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지는 글리시딜 아민계 에폭시 수지를 포함하는 솔더용 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 착화합물은 FT-IR 스펙트럼에서 881 ~ 429cm-1 파장에서 금속-산소 그룹의 피크가 존재하는 솔더용 페이스트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 착화합물은 FT-IR 스펙트럼에서 1505 ~ 1510cm-1 파장에서 -C=O 비대칭 스트레칭 피크가 존재하는 솔더용 페이스트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 은(Ag)을 포함하는 솔더용 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말 100중량부에 대하여,
    질소 원자를 포함하고 비공유 전자쌍을 포함하는 에폭시 수지 1 ~ 5 중량부,
    금속 착화합물 0.1 ~ 1.1 중량부,
    촉매 0.01 ~ 2.0중량부, 및
    첨가제 0.5 ~ 5 중량부를 포함하고,
    상기 에폭시 수지 : 경화제의 혼합비는 1 : 1 ~ 1 : 2의 중량비인 솔더용 페이스트 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 산무수물계 경화제를 포함하는 솔더용 페이스트 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 이미다졸계 촉매를 포함하는 솔더용 페이스트 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 첨가제는 모듈러스 저감용 첨가제를 포함하는 솔더용 페이스트 조성물.
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