은코팅 구리 필름을 사용한 접합법 및 이를 활용한 다이 어태치 공정

[카리]

최근 자동차 산업에서의 인공지능을 가진 자율 주행 자동차, hybrid 자동차 및 전기 자동차의 급속한 발전으로 인하여, 자동차 전장에 사용되는 파워 모듈은 다량으로 소비 되어 진다. 파워 모듈은 절연게이트 양극성 트랜지스터 (insulated gate bipolar transistor, IGBT)와 같이 고전력 영역에서의 빠른 신호 전달을 위한 스위칭 동작 시 많은 열이 발생함으로써 고온의 환경에서 작동이 된다. 이와 같은 고발열 칩에 저온용 솔더를 사용하여 접합하면 발열로 인하여 작동 중에 접합 부위가 떨어 질 수도 있다. 따라서 전력용 반도체인 파워 모듈의 고효율, 고속의 전력 시스템에 사용하는 소자들과 같이 빠른 스위칭 기능이 있을 경우, 이로 인한 높은 발열 온도에 대응할 수 있는 접합 소재와 기술이 요구되어 진다.
고온용 솔더의 경우, 이를 이용한 소자의 접합 과정에서 높은 융점으로 인하여 주변에 있는 소자와 반도체들에게 열적으로 손상을 줄 수 있고, 또한 솔더를 이용한 접합의 접합부는 보이드(void)의 형성을 피할 수 없고, 열전도도 역시 낮은 문제가 있다. 천이액상확산접합(transient liquid phase bonding, TLPB)은 고온용 솔더의 경우와 달리 천이 액상부의 형성과 이를 통한 금속간 반응을 이용하므로 낮은 공정 온도와 높은 재용해 온도의 장점이 있는 반면, 접합부를 완전히 금속간 화합물로 바꾸는데 장시간이 소요되며, 접합부의 물성 또한 취성이 강한 성질을 가진다. 이에 비해 은(Ag) 페이스트는 접합부의 높은 장기 신뢰성 및 우수한 열전도도에 의한 우수한 열방출 특성을 나타내어 미래의 대표 무연 접합 소재로 자리매김할 것으로 예상된다. 하지만 높은 가격 특성과 긴 소결 시간, 그리고 전기화학적 마이그레이션(migration) 발생 가능성 등의 단점이 있다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 표면 요철을 형성한 Cu 필름에 수십 나노미터 두께의 Ag 층을 코팅하여 프리폼(preform) 형태의 접합 소재를 개발하였다. 즉, 표면 요철을 형성하기 위해서 구입한 구리 필름에 습식 에칭을 실시하고, 이후 Ag 스퍼터링(sputtering)을 실시하여 은을 코팅하였다. 이후 은코팅 구리 필름 소재를 Ag finish metalization된 기판 및 칩 사이에 샌드위치 구조로 위치시킨 후 온도, 가압력 및 접합시간의 변수에 따른 접합실험을 실시하였다. 은코팅 구리 필름을 사용한 접합 기구는 Ag 코팅층의 디웨팅(dewetting) 후 형성되는 미세한 Ag 노듈(nodule)들이 융점강하현상에 의해 준유체(semi-fluid)로 거동하며 주변 void부를 재빨리 채워주면서 소결 접합시키는 거동으로 해석된다. 접합 온도는 225 ℃, 가압력은 0.5, 5, 10 MPa였으며, 시간은 5분 및 10분이었다. 그 결과 225 ℃에서 10 MPa로 가압하며 10분간 접합시킨 칩의 전단 강도 값은 21.2 MPa로 측정되어 기존 Pb-5Sn 솔더(solder) 사용 시의 접합강도보다 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 저가격 Ag 코팅 Cu 필름 접합제와 이를 이용한 저온 열압착 접합법은 향후 파워 모듈 제조 시 고발열 칩의 접합을 위한 새로운 접합 기술로 고려될 수 있으며, 형성된 접합부는 매우 우수한 열적, 전기적 전도도를 나타내어 파워 모듈의 장기 신뢰성 향상에 이바지 할 것으로 기대된다.

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