[논문]자동차용 파워 모듈 패키징의 은 소재를 이용한 접합 기술

노명훈; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2015.22.4.015

자동차용 파워 모듈 패키징의 은 소재를 이용한 접합 기술
A Review of Ag Paste Bonding for Automotive Power Device Packaging 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.22 no.4, 2015년, pp.15 - 23

노명훈 (오사카 대학교 접합과학연구소) , (오사카 대학교 접합과학연구소) , 정재필 (서울시립대학교 공과대학 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Lead-free bonding has attracted significant attention for automotive power device packaging due to the upcoming environmental regulations. Silver (Ag) is one of the prime candidates for alternative of high Pb soldering owing to its superior electrical and thermal conductivity, low temperature sinterability, and high melting temperature after bonding. In this paper, the bonding technology by Ag paste was introduced. We classified into two Ag paste bonding according to applied pressure, and each bonding described in detail including recent studies.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

금속 나노 분말로 제조한 페이스트를 이용할 경우 금속의 녹는점보다 낮은 200~300℃에서 소결이 가능하고, 접합 후의 녹는점은 벌크 금속과 동일하기 때문에 파워 모듈에 사용되는 칩의 작동 온도인 200~250℃ 보다 높다. 따라서 본고에서는 금속 페이스트를 이용한 소결 기술 중 현재 가장 활발히 연구가 진행되고 있는 은 페이스 트를 이용한 접합 기술에 대해 기술하고자 한다. 은 페이 스트를 이용한 소결 접합 기술은 공정 중 압력을 인가하는 가압 접합(Pressure bonding)과 대기압에서 진행하는 무가압 접합(Pressureless or pressure-free bonding)으로 분류 할 수 있다.
이는 유연 솔더를 대체할 수 있는 접합 소재가 아직 개발되지 않았기 때문이다. 본고에서는 유연 솔더의 대체 소재로서 현재 연구 개발 중인 은 페이스트를 이용한 접합 기술에 대해 소개하였다. 은 페이스트는 저온 소결 특성과 우수한 전기 및 열전도도 때문에 유연 솔더를 대체할 수 있는 가능성이 높은 소재 중 하나이다.

제안 방법

본고의 저자 역시 평균 3 μm 크기의 chestnutburr-like은 분말과 평균 1 μm 크기의 구형 은 분말을 혼합하여 무가압 접합에 대한 연구를 시도하였다.

성능/효과

또한, 비록 현재 유럽의 RoHS와 같은 국제기구의 제재는 없으나 은 나노분말 페이스트가 인체에 무해하다는 것도 아직 명확하게 증명되지 않았다.²³⁾ 반면에 은 마이크로 분말 페이스트는 가격이 나노분말 페이스트보다 저렴할뿐만 아니라 기존의 유연 솔더와 비슷하거나 저렴하고, 자발적인 소결의 문제가 없어 유기첨가제를 최소화 할 수 있다. 이러한 이유로 2000년대 후반부터 다시 은 마이크로 분말 페이스트에 대한 연구가 진행되기 시작하였다.
추가적으로 독자의 이해를 돕기 위해 현재 die attachment에서 사용하는 유연 솔더 중 한 조성인 Pb-5Sn의 전단 강도 범위도 표시하였다.³²⁾ Fig. 4에서처럼 접합 중 압력을 인가한 경우 은 분말의 크기에 상관없이 대부분 유연 솔더의 강도와 유사하거나 더 높은 경향을 보였다. 또한, 마이크로 크기의 flake 분말과 서브마이크론 분말을 사용한 경우 1 MPa 이하의 인가 압력에서도 약 35MPa의 고강도를 갖는 접합부를 형성 할 수 있었다.
3 μm 크기의 서브마이크론 은 분말을 혼합하여 LED (Light-emitting diode) 칩 접합에 성공하였다.⁴²⁾ 이러한 연구 결과를 바탕으로, 은 마이크로 분말 페이스트를 이용한 무가압 접합은 서로 다른 크기의 분말을 혼합하는 것이 효과적인 것으로 사료된다.
46) 그러나 제한된 소결의 경우 소결 시간 40분 후의 치밀화 정도는 550°C에서 75%, 600°C에서 80%, 650°C에서 87%, 750°C에서 93%로 소결 온도에 따라 차이가 발생한다.
1는 하이브리드차의 전기구동부품을 보인 것으로, 파워 모듈이 주로 장착되는 인버터/컨버터 역시 핵심 부품 중 하나이다.⁵⁾ 차량에 장착되는 파워 모듈은 안전과 매우 밀접한 관계가 있기 때문에 높은 수준의 내구성과 신뢰성이 요구된다.^6,7) Fig.
2는 일반적인 파워 모듈 패키징 디자인(power module packaging design)으로 칩과 DBC (Direct bonded copper), base plate, heatsink 등으로 구성되어 있다.⁸⁾ Fig. 2에 제시된 것처럼 파워 모듈의 주요 고장 위치는 die attach, substrate attach와 같이 칩과 기판, 기판과 기판의 접합 부분으로 접합 소재 기술이 파워 모듈의 내구성과 신뢰성에 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.
9(b)는 소결 시간과 전단 강도 관계를 나타낸 것이다. Wnag의 연구결과인 은 나노분말 페이스트를 이용한 결과 소결 시간이 120분까지 증가함에 따라 전단 강도는 점진적으로 증가한 것을 확인 할 수 있다.³⁸⁾ 그러나 은 마이크로분말 페이스트를 이용한 경우 60분까지는 전단 강도가 증가하였으나, 소결시간 60분과 120분의 강도는 동일하였다.
5에 보인 것과 같이 은마이크로 분말을 chestnut-burr-like 형태를 변형시켰을 때, 체적 대비 표면적이 구형의 분말보다 커지기 때문에 나노분말의 소결 구동력과 유사한 메커니즘으로 접합이 가능하다. 그 결과 순수한 마이크로 크기의 분말을 이용했음에도 불구하고 유연솔더에 상응하는 강도를 갖는 접합이 가능하였다. 또한, 인가압력이 증가함에 따라 전단강도가 약 18 MPa에서 약 40 MPa로 증가하는 현상이 관찰되어, 접합 중 인가 압력은 접합부의 강도와 밀접한 관계가 있음을 확인 할 수 있었다(Fig.
이는 마이크로 분말이 나노 분말과 비교했을때 소결이 더 빨리 완료되었음을 의미한다. 두 경우 모두 소결시간 10분에서의 전단강도는 MILSTD-883J보다 높게 측정되었으며, 소결시간 60분에서는 기존의 유연솔에 상응하는 강도를 보였다.
그 결과 순수한 마이크로 크기의 분말을 이용했음에도 불구하고 유연솔더에 상응하는 강도를 갖는 접합이 가능하였다. 또한, 인가압력이 증가함에 따라 전단강도가 약 18 MPa에서 약 40 MPa로 증가하는 현상이 관찰되어, 접합 중 인가 압력은 접합부의 강도와 밀접한 관계가 있음을 확인 할 수 있었다(Fig. 4 참조).
은 페이스트를 이용한 무가압 접합에 대한 연구가 계속 진행중이기 때문에 접합 면적과 전단강도에 대한 자료가 많이 부족한 실정이지만, 현재까지 보고된 자료를 바탕으로 전단 강도는 접합 면적이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 접합 면적이 10 mm² 이하인 경우에는 유연 솔더에 상응하는 강도를 보였으나, 접합 면적이 10 mm² 유연 솔더의 강도보다 낮아, 무가압 대면적 접합에서는 아직 유연 솔더를 대체하기엔 다소 무리가 있다고 판단된다. 따라서, 유연솔더를 대체하기 위해서는 무가압 대면적 접합에 적합한 은 페이스트 및 공정에 대한 지속적인 연구가 필요하다고 사료된다.
4에서 흰색 기호는 나노 분말(100 nm 이하), 검정색 기호는 마이크로 분말(1 μm 이상), 회색 기호는 서브마이크론 분말 또는 나노와 마이크로 분말이 혼합된 페이스트를 이용한 결과이다. 또한, 파워 모듈의 die attachment에서 강도를 측정하는 표준 중 하나인 MIL-STD-883J 방법에 의한 전단 강도 최소값을 보였다. MIL-STD-883J에서 최소 전단 강도는 접합면의 면적이 4.
이는 자유 소결의 활성화 에너지가 35~51 kJ/mol로 제한된 소결의 활성화 에너지(134~173 kJ/mol)보다 작기 때문이다. 활성화 에너지를 바탕으로 자유 소결은 결정립계 확산이 주요 소결 메커니즘인데 반해, 제한된 소결은 결정립계 확산(grain-boundary diffusion)보다 속도가 느린 체확산(lattice diffusion)이 주요 소결 메커니즘인 것을 알 수 있다.

후속연구

은 페이 스트를 이용한 소결 접합 기술은 공정 중 압력을 인가하는 가압 접합(Pressure bonding)과 대기압에서 진행하는 무가압 접합(Pressureless or pressure-free bonding)으로 분류 할 수 있다. 각각의 공정에서 마이크로사이즈 분말, 나노분말 및 두 분말을 혼합해서 제조한 은 페이스트를 이용한 접합 기술들이 소개될 것이다.
또한, 접합 면적이 10 mm² 이하인 경우에는 유연 솔더에 상응하는 강도를 보였으나, 접합 면적이 10 mm² 유연 솔더의 강도보다 낮아, 무가압 대면적 접합에서는 아직 유연 솔더를 대체하기엔 다소 무리가 있다고 판단된다. 따라서, 유연솔더를 대체하기 위해서는 무가압 대면적 접합에 적합한 은 페이스트 및 공정에 대한 지속적인 연구가 필요하다고 사료된다.
그러나 전체적으로 아직 신뢰성에 대한 연구가 매우 부족한 실정이며, 특히 은 마이크로 분말을 이용한 접합 기술에 대한 연구는 걸음마 수준이라고 할 수 있다. 또한, 자동차용 파워 모듈의 신뢰성은 안전과 직결되는 매우 중요한 부분이기 때문에 은 페이스트를 이용한 접합부의 신뢰성 평가에 대한 연구가 지속적으로 진행되어야 할 것이다.
그러나 아직 신뢰성에 대한 연구는 만족 할 만한 수준에 이르지 못하였으며, 지속적인 연구가 필요하다고 사료된다. 앞으로 자동차뿐만 아니라 다양한 전력 시스템에서 고효율 및 친환경 파워 모듈의 수요는 계속 증가할 것으로 기대되기 때문에, 은과 같은 친환경 소재를 이용한 접합 기술과 신뢰성에 대한 연구는 더욱 중요해 질 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파워 모듈에는 어떤 것들이 있는가?	1-3) 전력반도체는 시스템 반도체나 메모리 반도체와 비교해서 고내압, 고전류, 고주파수화 되어있다. 파워 모듈은 전력반도체의 한 유형으로 MOSFETs (Metal oxide semiconductor field effect transistor) 모듈, IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 모듈, Diode 모듈, Thyristors 모듈 등이 있다.4) Fig.
	차량에 장착되는 파워 모듈에게 요구되는 성능은 무엇인가?	1는 하이브리드차의 전기구동부품을 보인 것으로, 파워 모듈이 주로 장착되는 인버터/컨버터 역시 핵심 부품 중 하나이다.5) 차량에 장착되는 파워 모듈은 안전과 매우 밀접한 관계가 있기 때문에 높은 수준의 내구성과 신뢰성이 요구된다.6,7) Fig.
	은(Ag)과 구리(Cu) 나노 분말로 제조한 페이스트의 장점은?	10-18) 이 중 금속 페이스트를 이용한 소결 기술은 은(Ag)과 구리(Cu) 나노 분말로 제조한 페이스트를 이용하여 칩과 기판, 기판과 기판을 접합하는 것이 대표적이다. 금속 나노 분말로 제조한 페이스트를 이용할 경우 금속의 녹는점보다 낮은 200~300oC에서 소결이 가능하고, 접합 후의 녹는점은 벌크 금속과 동일하기 때문에 파워 모듈에 사용되는 칩의 작동 온도인 200~250oC 보다 높다. 따라서 본고에서는 금속 페이스트를 이용한 소결 기술 중 현재 가장 활발히 연구가 진행되고 있는 은 페이스 트를 이용한 접합 기술에 대해 기술하고자 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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