고속 가압 소결접합을 위한 저가격 Cu계 소재 및 공정 기술
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2021
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Korean
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학술저널
수록면
175-175(1쪽)
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포스트 코로나 시대에는 전기자동차 시장의 급성장과 함께 파워 모듈 사용량도 크게 증가할 것으로 예상된다. 이에 파워 모듈용 소자들도 현재의 Si 소재로부터 SiC 및 GaN의 와이드 밴드갭 소재로 전환되어 전력 변화 효율, 스위칭 주파수 및 파워 밀도의 향상을 꾀할 것으로 예상됨에 따라 소자의 다이 본딩(die bonding) 공정 역시 현재의 솔더링(soldering) 대신 소결접합법으로 전환되어 고온에서 동작하는 소자의 접합부에서 우수한 내열 신뢰성을 확보해야 하는 상황이다.
현재까지 개발된 가장 대표적인 소결접합 기술은 은(Ag) 입자를 함유하는 페이스트(paste) 및 필름 소재를 가압 또는 무가압 접합하는 방법이나, 비싼 원소재 가격으로 인하여 기술의 저변 확대가 더딘 상황이다. 또한 수 분에 이르는 비교적 긴 소결접합 시간 역시 접합 공정의 양산 적용을 방해하고 있다.
이에 최근 들어서는 Ag와 유사한 열전도도를 나타내나 월등히 저렴한 구리(Cu)계 소재를 사용한 소결접합 소재 및 공정 연구가 집중적으로 수행되고 있다. 그러나 Ag와 달리 Cu는 대기 중 산화가 활발히 진행되므로 현재까지의 Cu 소결접합 연구는 환원 또는 불활성 분위기 하에서 환원제 성분이 첨가된 페이스트를 적용하는 방식으로 수행되고 있으며, 최적 접합온도의 설정 및 형성 접합부의 신뢰성 평가에 주목되고 있다. 그러나 이 경우 역시 기술의 우선적인 양산 적용을 위해서는 대기 중에서의 접합시간 단축 기술의 개발이 우선적으로 정립되어야 하는 상황이다. 따라서 본 연구실에서는 Cu계 소재를 사용한 실제 양산 적용 기술에 주목하여 300oC 부근으로 접합온도를 설정하고, 소결접합 시간의 단축을 목표로 한 대기 중 가압 소결접합 연구를 실시하였다. 우선 순수 Cu보다 내산화 특성을 가지는 Ag 코팅 Cu 입자를 사용한 연구의 경우, bimodal 입도로 페이스트를 제조하였을 경우 3분만에 20 MPa을 상회하는 소결접합부를 형성할 수 있었다. 또한 당 입자를 레진(resin)이 없는 프리폼(preform) 소재로 제조하여 10 MPa의 쎈 가압 조건에서 소결접합할 경우에는 불과 30초만에 20 MPa을 상회하는 고속 소결접합 공정을 완수할 수 있었다. 한편 순수 Cu 입자의 경우 자체 합성한 평균 입경 200 nm 크기의 다면체 입자 사용 시 자체 개발된 최적 환원제 성분 투입한 경우 2 MPa의 낮은 가압력 하에서도 20초만에 20 MPa을 상회하는 접합부를 형성할 수 있었고, 마이크론급 입자와 혼합된 bimodal 입도의 적용 시에는 1분만에 동일 접합강도 수준의 접합부를 얻을 수 있었다. 마지막으로 자체 합성한 변형 덴드라이트형 Cu 입자 사용 시에는 5 MPa의 가압력 하에서 10초만에 20 MPa을 상회하는 접합부를 형성할 수 있었다.
논의된 초고속 소결접합 공정에서는 첨가된 환원제가 Cu의 산화를 억제시키면서 기 존재하는 표면 산화막을 제거하는 한편, Cu 입자들의 표면 산화보다 빠른 속도로 소결접합이 이루어져 대기 중에서 소결접합을 실시했음에도 불구하고 형성된 접합부에서 산화물들은 거의 검출되지 않았다. 따라서 개발된 Cu계 소재의 대기 중 초고속 소결접합 기술들은 컨베이어 상에서의 준연속 접합공정에 적용 가능할 것으로 기대되는바 향후 파워 모듈의 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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