[논문]고온동작소자의 패키징을 위한 천이액상확산접합 기술

정도현; 노명환; 이준형; 김경흠; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2017.24.1.017

고온동작소자의 패키징을 위한 천이액상확산접합 기술
Transient Liquid Phase (TLP) Bonding of Device for High Temperature Operation 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.24 no.1, 2017년, pp.17 - 25

정도현 (서울시립대학교 신소재공학과) , 노명환 (서울시립대학교 신소재공학과) , 이준형 ((주)덕산하이메탈) , 김경흠 ((주)덕산하이메탈) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research and application for a power module have been actively studied according to the increasing demand for the production of vehicles, smartphones and semiconductor devices. The power modules based on the transient liquid phase (TLP) technology for bonding of power semiconductor devices have been introduced in this paper. The TLP bonding has been widely used in semiconductor packaging industry due to inhibiting conventional Pb-base solder by the regulation of end of life vehicle (ELV) and restriction of hazardous substances (RoHS). In TLP bonding, the melting temperature of a joint layer becomes higher than bonding temperature and it is cost-effective technology than conventional Ag sintering process. In this paper, a variety of TLP bonding technologies and their characteristics for bonding of power module have been described.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 고에서는 용융된 저융점 금속과 용융되지 않은 고융점 금속간의 상호확산을 통해서 고온 안정성이 높은 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)을 형성시키는 TLP 접합의 연구동향에 대해 알아보고자 한다.
본고에서는 전력반도체 등 고온 특성이 요구되는 디바이스의 접합에 사용되는 접합법과 관련하여, 액상확산접 합법(TLP)에 대하여 소개하였다. TLP 접합법은 1970년대 초 이후로 그간 많은 발전이 진행되어 왔으며, 최근에는 전자분야에서도 다양하게 적용되고 있다.

제안 방법

또한, Nobeen 등은 Sn-Ag를 이용하여 TLP 접합 후 접합 압력에 따른 전단강도를 평가하였다. 그 결과, 0.

성능/효과

파워 모듈은 전력 공급, 변환 및 분배 등의 다양한 역할을 하며, 파워 모듈을 구성하는 전력반도체(power semiconductor) 는 크게 전력을 변환하는 절연게이트형 양극성 트랜지스터(IGBT), 금속산화막실리콘 전계효과 트랜지스터 (MOSFET) 및 diode 등의 소자로 구성된다.¹⁾ 전력 반도체는 다른 반도체 소자와는 달리, 높은 구동 전압을 요구하여, 고전류 및 다량의 열이 발생하고, 그 경향은 점차 소형화, 고밀도화 되고 있다.²⁾ 이러한 전력 반도체들로 구성되는 파워 모듈은 전기자동차를 비롯한 친환경 자동차를 구동시키기 위한 핵심 부품이다.
또한 최근 파워모듈을 구성하는 전력 반도체 재료가 Si에서 SiC로 변화되는 경향에 따라 방열판이 축소 혹은 제거되어 접합부는 보다 고온에 노출될 수 있다.²⁾ SiC 반도체는 Si 반도체에 비해 에너지 밴드 갭이 크고, 절연파괴 강도가 우수하며, 전자포화속도가 높고, 열 전도성이 뛰어나다. 즉, SiC 전력반도체를 사용한 파워 모듈에서는 앞선 특징을 바탕으로 소자의 소형화, 주변부품의 소형화, 연비향상 및 고온작동이 가능하지만, 모듈 내부는 200°C 이상의 온도에 노출된다.
29) TLP 접합의 경우 소재에 따라 400~900°C, Ag 소결법의 경우 900°C이상의 Tre-melting 온도를 갖기 때문에 200°C에서 작동하는 환경을 고려할 경우 TH값이 0.7~0.37이다.
46) 그 결과, 그림 6과 같이, 150°C 이상 온도에서 활성화 에너지는 0.46 eV로 나타났고, 150°C 이하에서는 약 0.23 eV로 측정되었다.
Bajwa 등은 Sn-Ag 를 이용하여 SiC의 TLP 접합을 완료하여 TC 1000 사이클 후의 전단강도를 비교 측정하였다. 50) 그 결과, TLP 접합 후전단강도는 39.8MPa 나타내었으며, 1000 사이클 후의 전단 강도는 약 5.78% 감소된 37.5 MPa를 보였다. 이는 1000 사이클 후 TLP 접합부의 접합계면 분석 결과, 접합재의 열팽창계수 차이로 인해 접합계면의 가장자리 부근에서 그림 7과 같이 균열이 발생하고, 이러한 균열이 접합부중앙으로 전파되어 전단강도를 저하시키는 것으로 사료 된다.
또한, Nobeen 등은 Sn-Ag를 이용하여 TLP 접합 후 접합 압력에 따른 전단강도를 평가하였다. 그 결과, 0.2 MPa 접합 압력일 때 전단 강도 약 2.9 MPa, 접합 압력이 0.4 MPa일 때는 전단 강도 약 10.6 MPa로, 접합 압력이 클수록 접합부 전단 강도는 높아지는 경향을 보였다³⁸⁾ .

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TLP 접합의 장점과 특성은?	TLP 접합은 고온특성이 필요한 내열합금이나 스테인리스강 등 구조용 합금의 접합에 많이 적용되어 왔다. 16-20) 이 기술은 접합 후 형태 변화를 크게 감소시킬 수 있는 장점으로 인해 이종금속간 접합이 용이하고, 열영향부 (heat effect zone, HAZ) 가 작은 특성이 있다. 또한, 종래의 브레이징(brazing)이나 확산접합(diffusion bonding)의단점을 해결한 접합법으로, 고온에서 접합강도는 모재와 거의 동등한 수준을 나타낸다.
	TLP 접 합이란?	모재를 용융시키지 않고 2개의 물질을 접합하여 우수한 강도를 확보할 수 있는 기술에는 고상확산법(solid diffusion bonding), 마찰교반용접법(Friction Stir Welding) 및 천이액상확산접합기술(이후 TLP 접합) 등이 있다. 그중에서도 1950년대 Lynch 등에 의해 처음 소개된 TLP 접 합은 고상 확산법과 브레이징법의 장점만을 조합시킨 것으로써, 접합과정 중 접합계면에 일시적(transient)으로 액상을 형성시킨 후(브레이징), 접합 온도를 계속 유지하면 (확산접합) 삽입금속중의 융점저하원소가 액상에서 모재 쪽으로 확산함에 따라 삽입금속의 융점이 상승하여, 액상이 접합 온도에서 등온응고가 발생하면서 접합되는 기술이다. TLP 접합은 고온특성이 필요한 내열합금이나 스테인리스강 등 구조용 합금의 접합에 많이 적용되어 왔다.
	TLP 접합은 주로 어디에 적용되는가?	그중에서도 1950년대 Lynch 등에 의해 처음 소개된 TLP 접 합은 고상 확산법과 브레이징법의 장점만을 조합시킨 것으로써, 접합과정 중 접합계면에 일시적(transient)으로 액상을 형성시킨 후(브레이징), 접합 온도를 계속 유지하면 (확산접합) 삽입금속중의 융점저하원소가 액상에서 모재 쪽으로 확산함에 따라 삽입금속의 융점이 상승하여, 액상이 접합 온도에서 등온응고가 발생하면서 접합되는 기술이다. TLP 접합은 고온특성이 필요한 내열합금이나 스테인리스강 등 구조용 합금의 접합에 많이 적용되어 왔다. 16-20) 이 기술은 접합 후 형태 변화를 크게 감소시킬 수 있는 장점으로 인해 이종금속간 접합이 용이하고, 열영향부 (heat effect zone, HAZ) 가 작은 특성이 있다.

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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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