[논문]파워모듈의 TLP 접합 및 와이어 본딩

강혜준; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.007

파워모듈의 TLP 접합 및 와이어 본딩
TLP and Wire Bonding for Power Module 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.7 - 13

강혜준 (서울시립대학교 신소재공학과) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Power module is getting attention from electronic industries such as solar cell, battery and electric vehicles. Transient liquid phase (TLP) boding, sintering with Ag and Cu powders and wire bonding are applied to power module packaging. Sintering is a popular process but it has some disadvantages such as high cost, complex procedures and long bonding time. Meanwhile, TLP bonding has lower bonding temperature, cost effectiveness and less porosity. However, it also needs to improve ductility of the intermetallic compounds (IMCs) at the joint. Wire boding is also an important interconnection process between semiconductor chip and metal lead for direct bonded copper (DBC). In this study, TLP bonding using Sn-based solders and wire bonding process for power electronics packaging are described.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematics of Diffusion Bonding, TLP and Brazing processes.
그림 Fig. 2. Schematic illustration of TLP bonding using Sn-Cu coated MWCNT.¹⁵⁾
그림 Fig. 3. Comparison of shear strength with different TLP conditions.¹⁵⁾
그림 Fig. 4. Example of power module fabricated using Sn-based TLP bonding by authors.¹⁷⁾
그림 Fig. 5. Schematic of wire bonding process.
그림 Fig. 6. Schematic of ball bonding in a wire bonding process.
그림 Fig. 7. Illustration of bonding mechanism in ball bonding.¹⁹⁾
그림 Fig. 8. Oxide dispersed along bonding interface in Al-5Mg alloy diffusion bonding.²³⁾

AI 본문요약
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문제 정의

005% Ni 와이어 등 다양한 알루미늄 와이어들과 Al ribbon, Cu-Al clad ribbon, Cu 와이어들이 사용되고 있다. 본고에서는 파워디바이스를 위한 파워모듈의 접합법으로써 Sn계를 중심으로 한 TLP 접합 및 와이어 본딩에 관하여 소개하고자 한다.

가설 설정

이중 SnSb 솔더는 주로 고용강화를 이용한 것이고, SnAg 솔더는 Ag₃Sn IMC의 석출강화를 이용하며, SnSb-X솔더 등은 고용 및 석출강화를 복합적으로 이용한다.¹⁸⁾ 일반적인 SnAg 솔더는 열 사이클을 -40℃~125℃ 범위에서 -40℃~150℃로 변경하면 균열진전 속도가 가속화되어 수명이 현저히 감소한다. 그러나 SnSb-X솔더와 같은 복합강화 솔더는 -40℃~150℃의 열 사이클 시험에서도 상대적으로 고온강도와 고온안정성이 개선되기도 한다.
이 때, 볼 부분 원주부에 발생하는 미세 슬립의 크기는 Mindlin에 의해 아래 식과 같이 계산되었다.²⁰⁾ 초음파 출력이 높아지면 미세 슬립은 전반적으로 전영역 슬라이딩(Gross sliding)으로 변화한다. 이 과정에서 발열 및 압착에 의하여 볼 본딩이 완성되는 것이다.

제안 방법

지금까지 파워모듈 제조에 필요한 TLP 접합법 및 와이어 본딩법에 대하여 서술하였다. Sn계 솔더를 이용한 TLP 접합법은 저온 접합이면서 저가 공정이라는 장점이 있지만 접합 후 취성을 유발하는 금속 간 화합물이 생성된다는 단점도 존재했다.

대상 데이터

IGBT 모듈을 위한 와이어 본딩에는 Al wire, Al-0.5%Cu, Al-0.005%Ni 등 다양한 알루미늄 와이어들이 사용된다. 알루미늄 와이어에 구리를 첨가하면 고온에서의 creep 특성을 개선시킬 수 있다고 알려져 있다.

성능/효과

파워모듈은 모두 탑재 기기의 인버터 혹은 컨버터 회로에 사용되지만 회로의 구성에 따라 그 종류가 다양하며 모듈의 사양도 각기 다르다.¹⁾ 파워모듈의 종류에는 전력 변환에 사용되는 파워 반도체의 Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)와 다이오드를 여러 개 실장하여 전용 케이스에 넣은 IGBT 모듈 그리고 이 IGBT 모듈에 과전류나 과열 등의 보호 회로를 내장한 Intelligent Power Module(IPM), 금속산화막실리콘 전계효과 트랜지스터 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET)을 실장해 넣은 MOSFET 모듈이 있다. 여기에서 모듈은 여러 개의 전력 부품들, 통상 전력 반도체 디바이스 등을 물리적으로 보호하는 역할을 한다.
15) 260℃에서 8분간 접합한 결과, 접합부는 Cu₃Sn IMC로 완전히 변화되었다. 이 접합법의 특징은 제2상인 MWCNT로 접합부를 강화하였으며, Cu₆Sn₅의 강도를 향상시킨다는 것이다.
접합은 250℃에서 진행되었으며 접합 후 특성 시험 결과, 모든 접합부가 450℃ 이상에서도 내열성을 가지는 것을 확인하였다. 접합부의 보이드 분율은 Cu 함량과 접합 시간에 따라 감소하는 경향을 보였고 접합 시간에 따라 접합 강도가 증가하였으나 에이징 및 열 사이클 시험 후에는 강도가 감소하였다.
¹⁷⁾ 이 연구는 SiC chip을 AlN 기판 위의 DBC에 접합한 것으로, 접합용 솔더 소재로는 도금된 Sn-Cu, Sn-Ni, Sn-Ag를 채택하였다. 접합은 250℃에서 진행되었으며 접합 후 특성 시험 결과, 모든 접합부가 450℃ 이상에서도 내열성을 가지는 것을 확인하였다. 접합부의 보이드 분율은 Cu 함량과 접합 시간에 따라 감소하는 경향을 보였고 접합 시간에 따라 접합 강도가 증가하였으나 에이징 및 열 사이클 시험 후에는 강도가 감소하였다.

후속연구

또한 와이어 본딩 기술은 이 기술의 유연성과 가격경쟁력, 그리고 기존 인프라의 큰 장점 때문에 새로운 패키징 기술들이 반도체의 소형화 요구조건을 만족함에도 불구하고 여전히 패키징 분야에서 각광받고 있다.²⁶⁾ 차세대 디바이스를 위한 고신뢰성을 가진 파워 모듈 제조를 위하여 본고에서 소개한 접합법 및 신뢰성에 대한 다양하고 심도 있는 연구 진행이 계속될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액상확산접합법와 고상확산접합법의 유사점은?	TLP 접합법은 브레이징과 고상확산접합법의 장점만을 조합한 접합법으로서 확산 브레이징(diffusion brazing)으로도 불린다. 접합온도에서 접합재를 용융시키고 모재는 용융되지 않는(오직 일부 계면부만이 용융) 점에서 브레이징과 유사하고 확산에 의해 응고 접합하는 방식에서 고상확산접합법과 유사하다. TLP 접합법은 1970년대 초에 Hoppin III6) 과 Duvall7)등에 의해 연구, 제안되었다.
	파워모듈이란?	파워모듈이란 전자기기에 필수적인 부품으로 전력이 공급되면 변환하고 안정성과 효율성을 확보하는 등 다양한 역할을 한다. 파워모듈은 모두 탑재 기기의 인버터 혹은 컨버터 회로에 사용되지만 회로의 구성에 따라 그 종류가 다양하며 모듈의 사양도 각기 다르다.
	파워모듈의 종류는?	파워모듈은 모두 탑재 기기의 인버터 혹은 컨버터 회로에 사용되지만 회로의 구성에 따라 그 종류가 다양하며 모듈의 사양도 각기 다르다.1) 파워모듈의 종류에는 전력 변환에 사용되는 파워 반도체의 Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)와 다이오드를 여러 개 실장하여 전용 케이스에 넣은 IGBT 모듈 그리고 이 IGBT 모듈에 과전류나 과열 등의 보호 회로를 내장한 Intelligent Power Module(IPM), 금속산화막실리콘 전계효과 트랜지스터 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET)을 실장해 넣은 MOSFET 모듈이 있다. 여기에서 모듈은 여러 개의 전력 부품들, 통상 전력 반도체 디바이스 등을 물리적으로 보호하는 역할을 한다.

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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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