저자 : 김민수
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- 뿌리기술뿌리산업 > 지능화뿌리기술
- Volume 1(2); 2023
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지능화뿌리기술 2023;1(2):3-8. Published online: Apr, 1, 2023
SiC 기반 전력 반도체 소자 접합을 위한 고내열 접합 기술
- 김윤찬, 유동열, 김신일, 손준혁, 김민수, 방정환†
김민수
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한국생산기술연구원 접합적층연구부문
초록
최근 전기자동차 시장이 커짐에 따라 자동차에 사용되는 전력반도체 관련 기술들이 중요해지고 있다. 특히 SiC 등 차세대 소재를 적용한 파워모듈의 경우 정션온도가 150~200℃를 넘어가면서 칩과 기판의 전기적 연결을 담당하는 접합소재 및 기술 개발에 대한 수요도 증가하고 있는 추세이다 [1]. 전통적으로 패키징 접합은 유연 및 무연솔더를 이용한 리플로우 솔더링 공법을 사용해왔다. 하지만 고온 물성이 좋은 유연솔더는 Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) 환경규제에 의해 점차 적용이 어려워지고 있으며, 무연솔더의 경우 200℃이상의 온도에서 장시간 사용할 경우 금속간화합물 (Intermetallic Compounds, IMCs)의 성장 이슈 및 솔더 열화에 의해 장기적인 신뢰성 확보에 어려움이 있다 [2-3]. 따라서 이를 대체할 여러 접합 기술들이 연구 및 개발되고 있으며, 그중 대표적으로 천이액상접합 (TLP) 접합 기술과 고상 소결 (Sintering) 접합 기술이 있다. TLP 접합 기술은 접합부 전체를 IMC화 하기 때문에 고온에서 안정하다는 장점을 가지고 있어 많은 연구가 있지만, 긴 공정 시간이 소요된다는 점과 접합 후에 양품 검사가 어려워 양산에 적용이 어려운 단점이 있다 [4]. 소결 접합 기술은 고온 환경에서 재용융이나 IMC 성장에 대한 이슈가 없기 때문에 신뢰성 측면에서 장점이 있으며, Ag나 Cu 소재를 사용한다는 점에서 높은 열전도도나 전기전도도를 확보할 수 있다. 최근 접합 페이스트나 공정에 대한 개발을 통해 최적화가 이루어지고 있어 양산 적용 가능성이 높다 [5-6]. 이에 따라, 본 연구에서는 자동차 파워모듈에 적용하기 위해 소결 접합 기술을 연구하였으며, 소재 특성이 훌륭한 Ag 페이스트를 활용하여 소결 접합을 진행하였다. 접합에 사용된 기판과 단자는 열전도도 및 기계적 특성이 우수한 AlN 기판과 Ni 칩을 사용하였다. 접합 Finish는 니켈-금도금 (ENIG) 표면처리를 통해 Au/Ag/Au 접합을 진행하여 공정 최적화를 진행함과 동시에 접합부 특성 및 신뢰성 평가를 진행하였다.
참고 문헌
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- G. Khatibi, A. B. Kotas and M. Lederer, Effect of Aging on Mechanical Properties of High Temperature Pb-rich Solder Joints, Microelectron. Reliab. 85 (2018) 1-11.
- F. P. McCluskeya, M. Dasha, Z. Wanga and D. Huff, Reliability of High Temperature Solder Alternatives, Microelectron. Reliab. 46(9-11) (2006) 1910-1914.
- L. Sun, M. Chen and L. Zhang, Microstructure Evolution and Grain Orientation of IMC in Cu-Sn TLP Bonding Solder Joints, J. Alloys Compd. 786 (2019) 677-687.
- C. Chen and K. Suganuma, Microstructure and Mechanical Properties of Sintered Ag Particles with Flake and Spherical Shape from Nano to Micro Size, Mater. Des. 162 (2019) 311-321.
- S. Wang, M. Li, H. Ji and C. Wang, Rapid Pressureless Low-Temperature sintering of Ag Nanoparticles for High-Power Density Electronic Packaging, Scr. Mater. 69(11-12) (2013) 789-792.
- J. Jiu, H. Zhang, S. Nagao, T. Sugahara, N. Kagami, Y. Suzuki, Y. Akai, and K. Suganuma, Die-Attaching Silver paste Based on a Novel Solvent for High-Power Semiconductor Devices, J. Mater. Sci. 51(7) (2016) 3422-3430.
- K. S. Moon, H. Dong, R. Maric, S. Pothukuchi, A. Hunt, Y. Li, and C. P. Wong, Thermal Behavior of Silver Nanoparticles for Low-Temperature Interconnect Applications, J. Electron. Mater. 34(2) (2005) 168-175.
- J. G. Bai and G. Q. Lu, Thermomechanical Reliability of Low-Temperature Sintered Silver Die Attached SiC Power Device Assembly, IEEE Trans Device Mater Reliab, 6(3) (2006) 436–441.
- C. Chen, Z. Zhang, D. Kim, T. Sasamurac, Y. Odac, M. C. Hsieha, A. Iwakia, A. Suetakea and K. Suganuma, Interface reaction and evolution of micron-sized Ag particles paste joining on electroless Ni-/Pd-/Au-finished DBA and DBC substrates during extreme thermal shock test, J. Alloys Compd. 862 (2021) 158596.
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