[논문]전력반도체 접합용 천이액상확산접합 기술

이정현; 정도현; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2018.25.4.009

전력반도체 접합용 천이액상확산접합 기술
Transient Liquid Phase Diffusion Bonding Technology for Power Semiconductor Packaging 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.4, 2018년, pp.9 - 15

이정현 (서울시립대학교 신소재공학과) , 정도현 (경북테크노파크 경량소재융복합기술센터) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper shows the principles and characteristics of the transient liquid phase (TLP) bonding technology for power modules packaging. The power module is semiconductor parts that change and manage power entering electronic devices, and demand is increasing due to the advent of the fourth industrial revolution. Higher operation temperatures and increasing current density are important for the performance of power modules. Conventional power modules using Si chip have reached the limit of theoretical performance development. In addition, their efficiency is reduced at high temperature because of the low properties of Si. Therefore, Si is changed to silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). Various methods of bonding have been studied, like Ag sintering and Sn-Au solder, to keep up with the development of chips, one of which is TLP bonding. TLP bonding has the advantages in price and junction temperature over other technologies. In this paper, TLP bonding using various materials and methods is introduced. In addition, new TLP technologies that are combined with other technologies such as metal powder mixing and ultrasonic technology are also reviewed.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of power semiconductor.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of warpage during heating and cooling.
표 Table 1. Calculated surface tension of solders.²⁴⁾
그림 Fig. 3. Schematic of transient liquid phase bonding process.³⁹⁾
그림 Fig. 4. Cross-sectional microstructure of the joint bonded with Sn-Cu.
그림 Fig. 5. Schematic drawing showing the mechanism for the TGB process.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

^17,18) TLP 접합은 마이크로 전자 패키징 산업뿐만 아니라 스테인리 스강과 같은 구조용 합금 접합, 고신뢰성 및 고온특성이 요구되는 내열합금 등의 접합에 이용되고 있다.^19,20) 본 논문에서는 파워모듈 접합을 위한 TLP 접합의 최신 기술 동향에 대해서 고찰하고자 한다.
본 논문에서는 전력반도체에 적용되는 다양한 패키지 기술 중 천이액상확산접합의 원리, 다양한 종류와 그 특성에 대하여 소개하였다. 또한, 전기자동차와 같이 고성능을 요구하는 전력반도체에 맞추기 위해 금속 분말, 초음파와 같이 다른 기술들과 접목시켜 최근 새로 개발된 천이액상확산 기술들을 소개하였다. 최근 고효율 고신뢰성의 전력반도체 접합을 이루기 위해 다양한 시도를 진행하고 있으나, 열팽창 계수, 열전도도 등 다양한 요소들로 인한 신뢰성 문제 등을 개선할 여지도 남아 있기 때문에 본 기술에 대한 추가적인 연구와 심도 있는 논의가 필요할 것으로 판단된다.
이 러한 문제를 해결하기 위해 다양한 접합 방법들이 연구 개발 중에 있다. 본 논문에서는 전력반도체에 적용되는 다양한 패키지 기술 중 천이액상확산접합의 원리, 다양한 종류와 그 특성에 대하여 소개하였다. 또한, 전기자동차와 같이 고성능을 요구하는 전력반도체에 맞추기 위해 금속 분말, 초음파와 같이 다른 기술들과 접목시켜 최근 새로 개발된 천이액상확산 기술들을 소개하였다.

가설 설정

이 과정에서 금속간화합물(Inter metallic compound; IMC)이 일부분 형성되기도 한다.¹³⁾ 액상 소멸 후에도 온도를 유지하면 원소들이 확산되면서 모재와 접합부의 농도가 균일하게 분포하게 된다. 일반적으로 액체에서의 확산이 고체 확산보다 약 3배정도 빠르기 때문에 균질화를 위한 확산은 비교적 오랜 시간이 소요될 수 있다.
열팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE) 차이로 인하여 온도 변화가 가해지면 소재들을 각자 다른 정도로 팽창과 수축을 하면서, 접합부분에 열 응력이 축적되게 된다.²¹⁾ Fig. 2에 나타난 바와 같이 이종재료 접합에서 CTE 차이에 의한 휨(warpage) 현상은 승온 시 열팽창계수가 큰 쪽으로, 냉각 시 열팽창계수가 작은 쪽으로 휘어지게 되며, 그 과정에서 접착력이 감소하거나 크랙(crack)이 형성되는 등 기계적 물성이 감소하기 때문에 CTE 차이로 인한 손상을 제어하는 것은 전력반도체 패키징 신뢰성에 중요한 부분을 차지한다.
27) 소결 후 Sn과 Cu 입자가 접합부에 남아있을 수 있고, 소결 시 가하는 압력이 다이에 손상을 줄 수 있다.
Au-Sn TLP로 SiC 다이를 접합할 경우 90MPa 이상의 강도가 확보되며, 400℃의 고온시효 결과 1000시 간 이후에도 강도가 유지되는 것이 확인되었다.³²⁾ Au-Sn 조성은 기계적 물성이 뛰어날 뿐만 아니라, 높은 고온 신뢰성을 지니는 장점이 있다. 뿐만 아니라, Au-Sn의 물성 은 다른 TLP 접합대비 매우 뛰어나지만, 귀금속인 Au의 가격문제로 상용화의 문제가 있다.

성능/효과

제작된 분말을 사용하여 TLP 접합을 진행할 경우 Sn과 반응하지 않은 Cu 상이 접합재 내에 남아있게 된다. 300^oC에서 200시간 동안 고온시효를 진행하여도 강도저하가 나타나지 않은 것을 확인할 수 있었다.³⁵⁾
2MPa (접합온도 300^oC, 접합시간 420분)까지 확인되었다.³³⁾ IMC의 형성 순서는 Cu 기판으로부터 Cu₃Sn, Cu₆Sn₅, Ag₃Sn으로, Cu₆Sn₅ 상이 남아있으면 Cu₆Sn₅와 Ag₃Sn 사이에서 균열이 일어난다.
일반적인 Au-Sn TLP 접합은 약 450℃에서 접합이 이루어진다. Au-Sn TLP로 SiC 다이를 접합할 경우 90MPa 이상의 강도가 확보되며, 400℃의 고온시효 결과 1000시 간 이후에도 강도가 유지되는 것이 확인되었다.³²⁾ Au-Sn 조성은 기계적 물성이 뛰어날 뿐만 아니라, 높은 고온 신뢰성을 지니는 장점이 있다.
Liu 등이 무전해도금을 이용하여 Cu 분말 위에 Sn을 코팅하여 TLP 접합을 하였다. 분말 표면에 Sn을 형성하는 중 Cu₆Sn₅ IMC가 형성되는 것이 확인되었다. 제작된 분말을 사용하여 TLP 접합을 진행할 경우 Sn과 반응하지 않은 Cu 상이 접합재 내에 남아있게 된다.
위 결과에 따르면 용가재 설계 시 적절한 Cu 함량은 약 39.13%가 되지만, 모재에 Cu가 포함되어 있을 때 외부 압력이 가해지면 39.13%보다 낮은 함량이 요구된다.²²⁾

후속연구

또한, 전기자동차와 같이 고성능을 요구하는 전력반도체에 맞추기 위해 금속 분말, 초음파와 같이 다른 기술들과 접목시켜 최근 새로 개발된 천이액상확산 기술들을 소개하였다. 최근 고효율 고신뢰성의 전력반도체 접합을 이루기 위해 다양한 시도를 진행하고 있으나, 열팽창 계수, 열전도도 등 다양한 요소들로 인한 신뢰성 문제 등을 개선할 여지도 남아 있기 때문에 본 기술에 대한 추가적인 연구와 심도 있는 논의가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력반도체란?	전력반도체(Power semiconductor)란 입력 전력을 각 전자기기에 맞게 변환 및 공급하는 역할을 하는 반도체로 파워모듈(Power module)이라고도 불리우며, IGBT (insulated gate bipolar mode transistor), MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor), GTO (gate turn-off thermistor), 다이오드 등으로 구성되어 있다. Fig.
	자동차 산업에 사용되는 전력반도체의 안정성 문제를 해결하기 위한 방법은?	2-4) 특히 전기자동차 개발로 인한 수요가 크게 증가하고 있는데, 자동차 산업에 사용되는 전력반도체는 고온과 물리적 충격에 지속적으로 노출되기 때문에 안전성의 문제로 모듈내의 접합부에서는 기계적, 전기적으로 높은 신뢰성이 요구된다. 이러한 접합부의 문제를 개선하기 위하여 Au 계 솔더, Zn 계 솔더, Ag 소결법, 천이액상확산 접합 등 다양한 접합재 및 접합방법에 대한 연구가 진행되고 있다.5-12) 이 중에서 Zn 기반 접합재는 낮은 열전도도로 인해 열 손상이 발생할 수 있고, 또한 높은 융점을 지니고 있어서 접합 시 다이와 기판을 손상시킬 위험이 있다.
	천이액상확산접합이란?	천이액상확산접합(transient liquid phase diffusion bonding; TLP)은 1950년대에 처음 도입된 것으로, 확산접합과 브레이징을 조합한 접합 방법이다. 브레이징처럼 접합 과 정중 접합의 인터페이스에서 일시적으로 액상이 형성되지만, 접합온도를 계속 유지하면 접합재 내의 융점저하 원소들이 모재(Base metal)로 확산되면서 액상이 등온응고되면서 접합이 이루어진다.

참고문헌 (39)

W. Suh, H. S. Jung, Y. H. Lee, and S. H. Choa, "Heat dissipation technology of IGBT module package", J. Microelectron. Packag. Soc., 21(1), 7 (2014).
A. HassanFathabadi, "Novel battery/photovoltaic hybrid power source for plug-in hybrid electric vehicles", Solar. Energy., 159, 243 (2018).

상세보기
Z. Liang, "Status and trend of automotive power packaging", Proc. 24th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Bruges, 325, IEEE Power Elec tronics Society (PELS) (2012).
R. John, O. Vermesan, and R. Bayerer, "High temperature power electronics IGBT modules for electrical and hybrid vehicles", Proc. International Conference on High Tempera ture Electronics (HiTEC), Oxford, 199, International Microelectronics Assembly and Packaging Society (iMAPS) (2009).
H. S. Chin, K. Y. Cheong and A. B. Ismail, "A review on die attach materials for SiC-based high-temperature power devices", Met. Mater. Trans. B, 41, 824 (2010).

상세보기
Y. Takaku, I. Ohnuma, Y. Yamada, Y. Yagi, Y. Nishibe, Y. Sutou, R. Kainuma, and K. Ishida, "Bi-base composite solders for mounting power semiconductor devices", J. Jap. Inst. Electron. Packga., 11, 141 (2008).

상세보기
J. W. Yoon, J. H. Back, and S. B. Jung, "Effect of surface finish metallization on mechanical strength of Ag sintered joint", Microelectron. Eng., 198, 15 (2018).

상세보기
B. S. Lee and J. W. Yoon, "Die-attach for power devices using the Ag sintering process: Interfacial microstructure and mechanical strength", Met. Mater. Int., 23, 958 (2017).

상세보기
S. C. Fu, M. Zhao, H. Shan, and W. Li, "Fabrication of largearea interconnects by sintering of micron Ag paste", Mater. Lett., 226, 26 (2018).

상세보기
T. Fan, H. Zhang, P. Shang, C. Li, C. Chen, J. Wang, Z. Liu, H. Zhang, and K. Suganuma, "Effect of electroplated Au layer on bonding performance of Ag pastes", J. Alloys. Compd., 731, 1280 (2018).

상세보기
H. Shao, A. Wu, Y. Bao, Y. Zhao, G. Zou, and L. Liu, "Microstructure evolution and mechanical properties of Cu/Sn/Ag TLP-bonded joint during thermal aging", Mater. Charact., 144, 469 (2018).

상세보기
J. W. Yoon and B. S. Lee, "Sequential interfacial reactions of Au/In/Au transient liquid phase-bonded joints for power electronics applications", Thin. Solid. Films., 660, 618 (2018).

상세보기
G. O. Cook III and C. D. Sorensen, "Overview of transient liquid phase and partial transient liquid phase bonding", J. Mater. Sci., 46, 5305 (2011).

상세보기
J. F. Lynch, L. Feinstein, and R. A. Huggins, "Brazing by the. Diffusion Controlled Formation of a Liquid Intermediate. Phase", Weld. J., 38, 85 (1959).
T. C. Illingworth, I. O. Golosnoy, V. Gergely, and T. W. Clyne, "Numerical modelling of transient liquid phase bonding and other diffusion controlled phase changes", J. Mat. Sci., 40, 2505 (2005).

상세보기
M. S. Park, S. L. Gibbons, and R. Arroyave, "Phase-field simulations of intermetallic compound growth in Cu/Sn/Cu sandwich structure under transient liquid phase bonding conditions", Acta Mater., 60, 6278, (2012).

상세보기
J. P. Jung and C. S. Kang, "Liquid metal formation on Ni/B/Ni diffusion bonded joint -Liquid phase diffusion bonding using B as an insert material-", J. Kor. Inst. Met. Mater., 33, 1302 (1995).
J. P. Jung, C. D. Lee, and C. S. Kang, "A study on the melting induced diffusion bonding of 304 stainless steel", J. Kor. Inst. Met. Mater., 31, 323 (1993).
A. S. Khaja, C. Kaestle, A. Reinhardt, and J. Franke, "Optimized thin-film diffusion soldering for power-electronics production", Proc. 36th International Spring Seminar on Electronics Technology, Alba Iulia, Romania, 11 (2013).
B. Gollas, J. H. Albering, K. Schmut, V. Pointner, R. Herber, and J. Etzkorn, "Thin layer in situ XRD of electrodeposited Ag/Sn and Ag/In for low-temperature isothermal diffusion soldering", Intermetallics, 16, 962 (2008).

상세보기
N. Y. A. Shammas, "Present problems of power module packaging technology", Microelectron. Reliab., 43, 519 (2003).

상세보기
C. Ehrhardt, M. Hutter, H. Oppermann, and K. D. Lang, "A lead free joining technology for high temperature interconnects using transient liquid phase soldering (TLPS)", Proc. 64th Electronic Components & Technology Conference (ECTC), Orlando, 1321, IEEE (2014).
C. Honrao, T. C. Huang, M. Kobayashi, N. Smet, P. M. Raj, and R. Tummala, "Accelerated SLID bonding using thin multi-layer copper-solder stack for fine-pitch interconnections", Proc. 64th Electronic Components & Technology Conference (ECTC), Orlando, 1160, IEEE (2014).
B. Liu, Y. Tian, J. Feng, and C. Wang, "Enhanced shear strength of Cu-Sn intermetallic interconnects with interlocking dendrites under fluxless electric current-assisted bonding process", J. Mater. Sci., 52, 1943 (2017).

상세보기
H. Y. Zhao, J. H. Liu, Z. L. Lim Y. X. Zhao, H. W. Niu, X. G. Song, and H. J. Dong, Non-interfacial growth of Cu3Sn in Cu/Sn/Cu joints during ultrasonic-assisted transient liquid phase soldering process", Mater. Lett., 186, 283 (2017).

상세보기
T. Hu, H. Chen, and M. Li, "Die attach materials with high remelting temperatures created by bonding Cu@Sn microparticles at lower temperatures", Mater. Des., 180, 383 (2016).
H. Greve, L.Y. Chen, I. Fox, and F.P. McCluskey, "Transient liquid phase sintered attach for power electronics", Proc. 63rd Electronic Components & Technology Conference, Las Vegas, 435, IEEE (2013).
S. W. Yoon, M. D. Glover, and K. Shiozaki, "Nickel-Tin transient liquid phase bonding toward high-temperature operational power electronics in electrified vehicles", IEEE. Trans. Power. Elcetron., 28, 2448 (2013).

상세보기
H. Ji, M. Li, S. Ma, and M. Li, "Ni3Sn4-composed die bonded interface rapidly formed by ultrasonic-assisted soldering of Sn/Ni solder paste for high-temperature power device packaging", Mater. Des., 108, 590 (2016).

상세보기
N. S. Nobeen, T. Imade, B. H. Lee, E. J. R. Phua, C. C. Wong, and C. L. Gan, "Transient liquid phase (TLP) bonding using Sn/Ag multilayers for high temperature applications", Proc. 15th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapore, 647, IEEE (2013).
A. A. Bajwa and J. Wilde, "Reliability modeling of Sn-Ag transient liquid phase die-bonds for high-power SiC devices", Microelectron. Reliab., 60, 116 (2016).

상세보기
T. A. Tollefsen, A. Larsson, O. M Lovvik, and K. Aasmundtveti, "Au-Sn SLID bonding-properties and possibilities", Metallurgical and Materials Transactions B, 43B, 397 (2012).
H. Shao, A. Wu, Y. Bao, Y. Zhao, and G. Zou, "Interfacial reaction and mechanical properties for Cu/Sn/Ag system low temperature transient liquid phase bonding", Mater. Electron., 27, 4839 (2016).

상세보기
O. Mokhtari and H. Nishikawa, "The shear strength of transient liquid phase bonded Sn-Bi solder joint with added Cu particles", Adv. Powder. Technol., 27, 1000 (2016).

상세보기
X. Lu, S. He, and H. Nishikawa, "Thermally stable Cu3Sn/Cu composite joint for high-temperature power device", Scr. Mater., 110, 101 (2016).

상세보기
H. Ji, Y. Qiao, and M. Li, "Rapid formation of intermetallic joints through ultrasonic-assisted die bonding with Sn-0.7Cu solder for high temperature packaging application", Scripta. Materialia., 110, 19 (2016).

상세보기
T. L. Yang, T. Aoki, K. Matsumoto, K. Toriyama, A. Horibe, H. Mori, Y. Orii, J. Y. Wu, and C. R. Kao, "Full intermetallic joints for chip stacking by using thermal gradient bonding", Acta. Materialia., 113, 90 (2016).

상세보기
A. A. Shirzadi and E. R. Wallach, "Temperature gradient transient liquid phase diffusion bonding: a new method for joining advanced materials", Science and Technology of Welding and Joining, 2, 89 (1997)

상세보기
D. H. Jung, M. H. Roh, J. H. Lee, K. H. Kim, and J. P. Jung, "Transient Liquid Phase (TLP) Bonding of Device for High Temperature Operation", J. Microelectron. Packag. Soc., 24(1), 17 (2017).

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증