파워 모듈용 다이 접합을 위한 서브마이크로급 silver compound 입자 함유 페이스트의 in situ 환원 및 소결접합 특성 = In situ reduction and sinter-bonding characteristics of submicron silver compound paste for die bonding in power modules
저자
발행사항
서울 : 서울과학기술대학교, 2022
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울과학기술대학교 : 신소재공학과 2022. 2
발행연도
2022
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
50 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 이종현
UCI식별코드
I804:11034-200000601021
소장기관
최근 Si 기반의 반도체가 성능의 한계에 도달함에 따라 SiC와 GaN과 같은 WBG(wide band gap) 반도체로 전환되면서 고온에서도 우수한 신뢰성을 가지는 소재의 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적으로 연구되고 있는 Ag paste는 금속 중 열 및 전기전도도가 우수하여 소결 접합 소재로서 상용화되고 있다. 그러나 여전히 Ag 페이스트의 비싼 원재료비 및 긴 공정 시간은 개선해야 할 문제점으로 간주되고 있다.
본 연구에서는 서브마이크로급의 Ag 기반 금속화합물 입자를 자체 제조하였고, 입자의 in-situ 환원반응을 통해 active한 Ag를 형성함으로써 접합부의 소결성을 향상시켜 단시간에 높은 전단강도 값을 갖는 결과를 얻고자 하였다. 서브마이크로급의 Ag 기반 금속화합물 입자를 환원력이 있는 solvent와 혼합하여 페이스트를 제조하였고, TG-DTA 분석을 통해 페이스트의 열분해 특성을 확인하였다. 이후, Ag finish가 형성된 Cu dummy 및 Cu dummy 기판에 페이스트를 인쇄하여 칩을 정렬한 뒤, 접합 압력, 시간 및 온도를 변수로 하여 접합을 진행하였다. 그 결과, Ag formate 입자와 α-terpineol 용매를 혼합한 페이스트를 사용한 경우 200 ℃, 10 MPa의 조건에서 3분 만에 27.04 MPa 전단강도 값을 얻었으며, Ag2O 입자를 함유한 페이스트를 사용하여 소결접합한 경우 5 MPa의 외부 압력 조건에서 EG 및 EW-10 용매에 따라 각각 30초 만에 21.40 및 27.25 MPa로 기존 솔더링의 전단 강도 값인 20 MPa을 뛰어넘는 것을 확인하였다. 특히 Ag2O 입자와 EW-10 용매를 혼합한 페이스트를 사용한 경우, 5분 만에 54.42 MPa의 매우 우수한 전단 강도 값을 얻었다. 이후 접합부의 미세조직 관찰을 위해 SEM 및 TEM 분석을 진행하였고, Ag 기반 금속화합물 입자 및 이를 함유한 페이스트의 열분해와 환원반응을 통해 Ag 입자가 생성됨을 확인하기 위해 TG-DTA, XPS 및 XRD 분석을 진행하였다.
Ag2O and Ag formate particles were considered as a novel bonding material presenting both low temperature bonding and endurance at high temperature. Thus pressure-assisted sinter bonding at 200 ℃ using Ag2O paste with EG solvnet and Ag formate paste was performed in air with Ag finished Cu dies and substrates. And Ag2O paste with EW-10 solvent were sinter-bonded at 300 ℃ in air with Cu dies and substrates. The Ag formate particles, prepared by immersing Ag2O particles for 5 min in formic acid solution, indicated pyrolysis behavior near 130 ℃, forming pure Ag, CO2, and H2. The Ag2O paste indicated reduction behavior near 150 ℃, forming pure Ag particles.
With the paste prepared by Ag formate particles exhibited the shear strength of 12.4 MPa after 3 min with the bonding pressure of 5 MPa, whereas the the sufficient strength of 27.0 MPa was presented after the identical bonding time with bonding pressure elevated up to 10 MPa. Thus, notably enhanced bonding strength and reduced void fraction in the formed Ag bondline was contributed by the relatively high bonding pressure of 10 MPa.
The 2 types of Ag2O pastes, prepared with EG and EW-10 solvent, exhibited the shear strength of 21.4 MPa and 27.25 MPa respectively after sinter-bonding with bonding pressure of 5 MPa for 30 s. Thus, the obtained results demonstrate the feasibility of the high-speed bonding method using Ag2O particles and the increment of shear strength verified reinforcement of the interface using higher bonding pressure or bonding temperature.
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