KR20210135136A

KR20210135136A - 접착제 전사 필름 및 이를 이용한 접합 방법

Info

Publication number: KR20210135136A
Application number: KR1020200053480A
Authority: KR
Inventors: 전영환; 우경환; 송용설
Original assignee: 주식회사 아모센스
Priority date: 2020-05-04
Filing date: 2020-05-04
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2040-05-04
Also published as: KR102768820B1

Abstract

본 발명의 접착제 전사 필름은 베이스 필름(11)과 상기 베이스 필름(11) 상에 형성된 점착층(12)과 상기 점착층 상에 형성된 다층 구조의 접착층(13)을 포함한다. 본 발명은 높은 열전도율과 높은 파괴 강도를 확보할 수 있고 크랙의 시발점이 되는 접착층의 양 끝단 형상을 제어함으로써 접착층의 균열로 인한 불량을 최소화하므로 제품 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

접착제 전사 필름 및 이를 이용한 접합 방법{ADHESIVE TRANSFER FILM AND BONDING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 접착제 전사 필름에 관한 것으로, 파워모듈을 구성하는 전력 반도체 칩의 접합에서 우수한 접합강도를 얻을 수 있는 접착제 전사 필름 및 이를 이용한 접합 방법에 관한 것이다.

파워모듈은 전기차에 사용되는 전압을 직류에서 교류로 변경하여 모터로 공급한다. 전기차의 고성능화로 인해 파워모듈에 실장되는 반도체 칩은 기존 실리콘(Si)에서 성능이 우수한 탄화규소(SiC)로 바뀌고 있다. 그런데 탄화규소 반도체를 사용하는 파워모듈은 고전압으로 인해 높은 발열이 발생하기 때문에 방열이 중요하다.

파워모듈은 두 기판의 사이에 반도체 칩이 실장되고 반도체 칩의 방열 특성을 양호하게 하기 위해 Ag 소결 페이스트(Ag Sintering Paste)를 이용한 접합 방식을 사용한다. 그런데 Ag 소결 페이스트를 이용한 접합은 반도체 칩 또는 스페이서에 Ag 소결 페이스트를 균일하게 도포하기 어렵고, 반도체 칩에 스페이서가 올라가는 형태인 경우 추가로 접착제 도포 및 2차 소결이 요구되므로 공정 시간이 길고 고가의 장비가 필요한 문제점이 있다.

또한, 파워모듈은 각 구성을 접합시킬 때 반도체 칩의 파손을 방지하기 위해 솔더링 접합 방식을 사용하기도 하는데, 솔더링 접합은 접합 강도가 낮아 접합이 분리되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 반도체 칩 및 스페이서를 기판에 접합하기 위한 접합 공정에서, Ag 소결 페이스트(Ag Sintering Paste)를 필름 형태로 제작하여 균일한 두께 및 보이드 없는 접합이 가능하도록 하며, 더불어 높은 열전도율 확보와 소결 후 높은 파괴 강도를 갖고 균열로 인한 불량이 최소화되도록 하는 접착제 전사 필름 및 이를 이용한 접합 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 베이스 필름과 베이스 필름 상에 형성된 점착층과 점착층 상에 형성된 다층 구조의 접착층을 포함한다.

접착층은 Ag 접착층이고, Ag 접착층은 Ag 분말 98~99 중량%와 바인더 1~2 중량%를 포함한다.

Ag 분말은 플레이크상 나노 입자로 이루어진다.

접착층은 점착층의 상면에 적층되는 제1 접착층과 제1 접착층의 상면에 적층되는 제2 접착층과 제2 접착층의 상면에 적층된 제3 접착층을 포함하고, 제1 접착층 내지 제3 접착층은 플레이크상 나노 입자로 이루어진 Ag 분말을 포함하고, 제2 접착층에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경은 제1 접착층과 제3 접착층에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경에 비해 상대적으로 작다.

접착층은 점착층의 상면에 적층되는 제1 접착층과 제1 접착층의 상면에 적층되는 제2 접착층과 제2 접착층의 상면에 적층된 제3 접착층을 포함하고, 제1 접착층 및 제3 접착층은 나노 입자로 이루어진 Ag 분말을 포함하고, 제2 접착층은 플레이크상 나노 입자로 이루어진 Ag 분말을 포함할 수 있다. 이때, 제2 접착층에 포함된 Ag 분말의 평균입경은 제1 접착층과 제3 접착층에 포함된 Ag 분말의 평균입경에 비해 상대적으로 작다.

접착층의 두께는 40㎛~60㎛ 범위일 수 있다.

베이스 필름은 PET 필름이다.

점착층은 OCA이다.

접착층은 가압 소결 후 다공도가 7%~8% 범위이다.

접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법은 접착제 전사 필름을 준비하는 준비단계와 접착제 전사 필름 상의 접착층을 대상물에 전사시키는 전사단계와 접착층이 전사된 대상물을 상기 접착층을 매개로 기판에 접합시키는 가접단계와 가접단계 후, 소결하여 상기 기판에 상기 대상물을 본접합시키는 본접단계를 포함한다.

준비단계는, 베이스 필름을 준비하는 단계와 베이스 필름 상에 점착층을 형성하는 단계와 점착층 상에 Ag 소결 페이스트를 코팅하고 건조하는 과정을 3회 이상 수행하여 다층 구조의 접착층을 형성하는 단계를 포함한다.

전사단계는, 다이에 접착제 전사 필름을 고정시키고, 진공을 이용하여 대상물을 흡착 및 고정하는 상부척에 대상물을 고정시키는 단계와 상부척을 100~170℃의 온도로 가열하고 다이를 80~100℃의 온도로 가열한 다음, 상부척에 고정된 대상물을 상기 접착제 전사 필름 측으로 가압하여 상기 접착제 전사 필름 상의 접착층을 상기 대상물에 전사시키는 단계를 포함한다.

본접단계에서, 소결은 240~300℃에서 대상물과 기판의 가접합체를 가압 가열하면서 2분~5분 동안 수행한다.

가접단계와 본접단계는 동시에 수행될 수 있다.

대상물은 반도체 칩, 스페이서를 포함할 수 있다.

본 발명은 베이스 필름 상에 Ag 소결 페이스트를 3회 이상 코팅하고 건조하여, 베이스 필름 상에 다층 구조의 Ag 접착층을 형성한 접착제 전사 필름을 제작하고, 이 접착제 전사 필름을 반도체 칩 및 스페이서를 기판에 접합하는 용도로 사용한다.

상기한 Ag 접착층은 Ag 분말 입자가 플레이크상을 가지므로 소결시 수축율이 적고, Ag 접착층이 다층 구조 및 이종 분말 입자로 구성되므로 크랙의 시발점이 되는 잔류 응력의 제거에 이점이 있어 소결 후 균열로 인한 불량이 최소화되며, 50MPa 이상의 높은 파괴 강도(인장 강도)를 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기한 Ag 접착층은 가압 소결 방식을 적용하여 반도체 칩 및 스페이서 등을 기판에 접합하는 경우 기공을 최소화하여 높은 열전도율을 확보할 수 있고, 소결시간을 짧게 할 수 있어 공정 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 접착제 전사 필름을 보인 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 접착제 전사 필름의 접착층 구조와 접착층이 소결된 상태를 보인 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 접착제 전사 필름의 접착층의 미세구조를 보인 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예로 대상물을 기판에 접합한 접착층의 소결 후 수축된 모습을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 Ag 접착층(실시예)과 Sn Solder(비교예)를 파워모듈에 적용하여 균열 특성을 비교한 반도체 및 이의 SME 사진.
도 7은 본 발명의 Ag 접착층의 바인더 함량에 따른 미세조직을 보여주는 SEM 사진 및 그래프.
도 8은 본 발명의 Ag 접착층을 250℃에서 30분동안 가압하지 않고 소결한 상태의 미세조직을 보여주는 SEM 사진.
도 9는 본 발명의 Ag 접착층을 전사한 Si 반도체 칩을 기판에 가압 소결한 다음 소결된 Ag 접착층(Ag 소결층)의 조직을 촬영한 조직 사진.
도 10은 본 발명의 Ag 접착층의 접착 강도를 타사 제품(비교예)과 비교한 그래프.
도 11은 도 10의 실시예와 비교예의 파단 표면의 일반 촬영 사진 및 SEM 사진.
도 12는 본 발명의 실시예의 Ag 접착층과 비교예(타사 제품)의 수축율, 휨 발생, 미세조직을 비교한 사진.
도 13은 본 발명의 실시예의 Ag 접착층과 비교예(타사 제품)의 무게 감소(Weightloss)를 비교한 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예의 Ag 접착층과 비교예(타사 제품)의 열량(Calorimetric)을 측정한 그래프.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 접착제 전사 필름은 전력 반도체 칩(chip), 스페이서(spacer) 등의 대상물을 기판에 접합하기 위한 용도로 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 바에 의하면, 접착제 전사 필름(10)은 베이스 필름(11), 베이스 필름(11) 상에 형성된 점착층(sticky layer)(12), 점착층(12) 상에 형성된 다층 구조의 접착층(Adhesive layer)(13)을 포함한다. 접착제 전사 필름(10)은 Ag 소결 페이스트를 필름 형태로 제작한 것이다. 베이스 필름(11)은 PET 필름을 적용하고, 점착층(12)은 OCA 필름을 적용하고, 접착층(13)은 Ag 접착층을 적용한다. Ag 접착층(13)은 방열 특성을 양호하기 위해 사용한다.

Ag 접착층은 Ag 분말 98~99 중량%와 바인더 1~2 중량%를 포함한다. Ag 접착층은 Ag 분말의 함량을 높여 열전도율을 높인다.

Ag는 높은 열전도율로 방열 특성을 양호하게 하고, 접착층이 전도성을 갖도록 한다. 바인더는 Ag가 높은 접착력을 갖고 균일 도포되도록 한다. Ag 접착층은 균일 도포 가능한 범위에서 Ag 분말의 함량을 최대로 하고 바인더의 함량을 최소로 하여 저온 소결이 가능하도록 한다. 저온소결 온도는 240~300℃ 범위일 수 있다.

바인더의 함량이 1~2 중량% 범위로 낮아지면 유기물 함량이 낮아져 Ag 접착층의 열분해 및 소결 온도를 약 60~100℃ 정도 낮출 수 있다. 낮은 소결 온도는 Ag 접착층의 빠른 소결을 가능하게 한다. Ag 접착층의 빠른 소결은 소결시 수축율을 줄이고 소결층의 균열을 방지하여 불량률을 낮춘다.

Ag 접착층은 Ag 분말이 나노입자 형태로 포함된다. Ag 분말은 액상이 되는 온도가 900℃ 이상이므로 240~300℃ 범위에서 소결이 가능하고, Ag 솔더는 액상이 되는 온도가 200℃ 이상이므로 240~300℃ 범위에서 소결이 불가능하다. 따라서 Ag 접착층은 Ag 솔더가 아닌 Ag 분말이 나노입자 형태로 포함되어야 한다.

Ag 접착층은 열전도율(Thermal conductivity)이 200~300W/mK로 높은 열전도율을 갖고, 전단강도(Shear strength)가 50MPa 이상이고 점도(Viscosity)가 40~100kcps로 여러 표면에 높은 접착력을 갖는다. Ag 대신 Au를 사용할 수도 있으나 비용상 Ag를 사용하는 것이 바람직하다.

접착제 전사 필름(10)은 베이스 필름(11) 상에 OCA 필름을 부착하고 OCA 필름 상에 Ag 소결 페이스트를 도포 또는 인쇄하고 건조하여 형성할 수 있다. 또는, 접착제 전사 필름(10)은 베이스 필름(11) 상에 Ag 소결 페이스트를 도포 또는 인쇄하고 건조하여 형성할 수 있다. 인쇄는 스크린 인쇄 또는 스텐실 인쇄일 수 있다.

점착층(12)은 베이스 필름(11)에 대한 접착층(13)의 이형성을 좋게한다. Ag 소결 페이스트는 Ag 접착층과 동일하게 Ag 분말 97~99 중량%와 바인더 1~3 중량%를 포함한다.

필름 형태로 제조된 접착제 전사 필름(10)은 접착층(13)의 높이를 굉장히 균일하게 할 수 있다. 두 기판의 사이에 대상물을 접합하는 경우, 접착층(13)의 높이가 균일해야 두 기판의 사이에 공차가 발생하지 않고 최종 제품에 문제가 발생하지 않는다.

더불어, 두 기판의 사이에 대상물을 접합시 접착제 전사 필름(10)을 사용하면 종래 대상물에 페이스트를 도포하고 기판에 접합하는 페이스트(paste) 공정 대비 보이드(void) 및 스탠드 오프(atand off) 등의 결함을 줄일 수 있다. 보이드(void)는 소결 후 접착층(13)에 기공이 발생하는 것이고, 스탠드 오프 결함은 대상물이 기판에 평평하게 접합되지 않고 어느 일측으로 기울어진 것을 의미한다.

접착제 전사 필름(10)은 베이스 필름(11)의 두께가 75~100㎛일 수 있다. 접착층(13)의 두께는 40~60㎛일 수 있으며, 바람직하게는 50㎛이다. 접착제 전사 필름(10)은 접착층(13)의 두께와 보이드(void)의 조절이 가능하다.

이와 같이, 접착제 전사 필름(10)은 PET 필름 상에 Ag 소결 페이스트를 코팅하여 건조한 Ag 코팅 건조 필름이다.

도 2에 도시된 바에 의하면, 접착제 전사 필름(10)은 접착층(13)이 다층 구조로 된다. 접착층(13)은 3층 이상일 수 있다. 접착층(13)은 점착층(12)의 상면에 적층되는 제1 접착층(13a)과, 제1 접착층(13a)의 상면에 적층되는 제2 접착층(13b)과, 제2 접착층(13b)의 상면에 적층된 제3 접착층(13c)을 포함한다.

제1 접착층(13a)과 제3 접착층(13c)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경은 제2 접착층(13b)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경과 상이하다. 바람직하게는 제1 접착층(13a)과 제3 접착층(13c)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경에 비해 제2 접착층(13b)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경이 상대적으로 작다. 접착층(13)을 다층 구조로 형성하고 각 층에 포함되는 Ag 분말 입자의 평균입경의 크기가 상이하면 소결시 수축율이 다르게 발생한다.

실시예와 같이, 중간층인 제2 접착층(13b)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경을 제2 접착층(13b)의 상하층인 제3 접착층(13c)과 제1 접착층(13a)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경에 비해 상대적으로 작은 것을 적용하면, 소결시 평균입경이 상대적으로 작은 제2 접착층(13b)의 수축율이 제1 접착층(13a) 및 제3 접착층(13c)에 비해 더 커져 접착층(13)의 양 끝단 형상을 오목하게 제어할 수 있다. 접착층(13)의 양 끝단의 형상을 오목하게 제어하면 접착층(13)의 중심부의 응력을 완화하여 파괴 강도(인장 강도)를 높일 수 있다.

더욱이, 접착층(13)은 중심부에 평균입경이 작은 Ag 분말 입자를 적용하여 전체 두께가 두꺼운 접착층(13)을 적용하여도 치밀한 소결이 가능하도록 할 수 있다.

열응력으로 인한 휨으로 인한 파괴 현상에서, 대부분은 이종계면의 접합면을 따라 크랙이 발생하면서 파괴가 진행된다. 그런데 접착층(13)을 다층 구조로 하면 단일 소재의 소결시 접합강도가 더 높아지게 되어, 이종계면의 접합면보다 소결된 접착층(13)의 중심부가 크랙의 시작점이 될 가능성이 높아진다.

따라서 Ag 입자 크기가 확실하게 구분되는 Ag 소결 페이스트를 사용하여 다층 구조의 접착층(13)을 형성하여 이종계면의 크랙 발생을 방지한다. 또한 접착층(13)의 중심부에서 크랙 발생이 방지되도록 Ag 입자 크기에 따라 수축율이 다르게 발생하도록 각 층을 상이하게 구성하여 접착층(13)의 양 끝단 형상을 제어한다. 이는 접착층(13)의 중심부의 응력을 완화하여 파괴 강도를 높이게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 접착제 전사 필름(10) 상의 다층 구조의 접착층(13)은 대상물(40)에 전사된 다음, 대상물(40)을 고정한 상부척(3)이 대상물(40)을 기판(20) 측으로 가열 가압함에 의해 대상물(40)과 기판(20)의 사이를 소결 접합한다. 소결된 접착층(13")의 양 끝단 형상은 제1 접착층(13a)과 제3 접착층(13c)에 비해 상대적인 수축이 더 많이 발생하는 제2 접착층(13b)에 의해 오목한 형상이 되고 중심부의 응력 완화가 가능하게 된다. 또한, 소결된 접착층(13")은 중심에서 다른 것보다 소결 밀도가 더 높기 때문에 열전도율이 높다. 열전도율은 최소 기공 조건에서 높아진다.

도 3에 도시된 바에 의하면, 접착층(13)에 포함되는 Ag 분말 입자는 플레이크상 나노 입자로 이루어진다. 구체적으로, 제1 접착층(13a) 내지 상기 제3 접착층(13c)은 플레이크상 나노 입자로 이루어진 Ag 분말 입자를 포함하고, 제2 접착층(13b)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경은 제1 접착층(13a)과 제3 접착층(13c)에 포함된 Ag 분말 입자의 평균입경에 비해 상대적으로 작다.

플레이크(flake)상으로 이루어진 Ag 분말 입자는 유기물인 바인더의 양을 최소화하면서 소결성을 향상시킨다. 더욱이 플레이크상으로 이루어진 Ag 분말 입자는 나노 사이즈 구(spare)상의 Ag 분말 입자에 비해 소결시 수축율이 적고, 접합력이 좋으며 전단 강도가 높다. 접착층(13)에 유기물인 바인더의 양이 많으면 과전압으로 인한 350~400℃의 온도 상승시 가스가 발생하고 접착층의 균열이 발생할 수 있다. 따라서 실시예는 유기물인 바인더의 함량이 최소화되고 Ag 분말 입자의 함량이 최대가 되도록 플레이크상 나노 입자로 이루어진 Ag 분말 입자를 포함한다. 실시예에서 플레이크상은 두께가 수 나노미터로 납작한 타원 형상을 갖는다.

이와 같이, 접착제 전사 필름(10)은 PET 필름 상에 Ag 소결 페이스트를 3회 이상 코팅하고 건조하여, 베이스 필름 상에 다층 구조의 Ag 접착층을 형성한 Ag 코팅 건조 필름이다.

접착제 전사 필름(10)은 파워모듈용 기판에 반도체 칩, 스페이서 등의 대상물(40)을 접합하는 용도로 적용될 수 있다.

도 4에 도시된 바에 의하면, 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법은 접착제 전사 필름(10)을 사용하여 대상물(40)에 접착층(13)을 전사하고, 접착층(13')이 전사된 대상물(40)을 기판(20)의 상면에 접합할 수 있다.

구체적으로, 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법은 접착제 전사 필름(10)을 준비하는 준비단계(s1)와, 접착제 전사 필름(10) 상의 접착층(13)을 대상물(40)에 전사시키는 전사단계(s1,s2,s3)와, 접착층(13')이 전사된 대상물(40)을 접착층(13")을 매개로 기판(20)에 가접합시키는 가접단계(s4,s5,s6)와, 가접단계 후, 소결하여 기판(20)에 대상물(40)을 본접합시키는 본접단계를 포함한다.

준비단계는, 베이스 필름(11)에 접착층(13)을 사전 코팅하는 단계이다.

준비단계는, 베이스 필름(11)을 준비하는 단계와 베이스 필름(11) 상에 점착층(12)을 형성하는 단계와, 점착층(12) 상에 Ag 소결 페이스트를 코팅하고 건조하는 과정을 3회 이상 수행하여 다층 구조의 접착층(13)을 형성하는 단계를 포함한다.

일예로, 준비단계는, PET 필름 상에 OCA 필름을 부착하는 단계와 OCA 필름 상에 Ag 소결 페이스트를 도포 또는 인쇄하고 건조하는 과정을 3회 수행하여 3층으로 구성된 Ag 접착층을 형성하는 단계를 포함한다.

베이스 필름(11)은 PET(Polyester) 필름외에도 PC(Polycarbonate) 필름을 사용할 수 있다. 그러나 PET 필름은 PC 필름에 비해 접착층(13)의 하면 평탄도를 잡아주는데 유리하다. 접착층(13)의 상면 평탄도는 상부척(3)의 가압력으로 잡아줄 수 있다. 접착층(13)의 평탄도가 좋지 않으면 소결시 접착층이 휘어지는 문제가 된다. Ag 접착층은 중간층을 구성하는 제2 접착층(13)의 Ag 분말 입자의 평균입경이 중간층의 상하부에 형성된 제3 접착층(13)과 제2 접착층(13)의 Ag 분말 입자의 평균입경에 비해 상대적으로 작은 것을 채용하여 소결시 Ag 접착층의 양 끝단 형상이 중간층의 응력을 제거하는 방향으로 제어되게 한다. 또한, Ag 접착층은 Ag 분말 입자가 플레이크상인 것을 사용한다.

전사단계(s1,s2,s3)는 다이(1)에 접착제 전사 필름(10)을 고정시키고, 진공을 이용하여 대상물(40)을 흡착 및 고정하는 상부척(3)에 대상물(40)을 고정시키는 단계(s1)와, 상부척(3)과 다이(1)를 각각 가열하면서 상부척(3)에 고정된 대상물(40)을 접착제 전사 필름(10) 측으로 가압하여 접착제 전사 필름(10) 상의 접착층(13)을 대상물(40)에 전사시키는 단계(s2)와, 진공을 유지하면서 상부척(3)을 상승시켜 접착층(13')이 부착된 대상물(40)을 상승시키는 단계(s3)를 포함한다.

가접단계(s4,s5,s6)는 상부척(3)을 기판(20)의 상부로 이송시키는 단계(s4)와, 상부척(3)에 고정된 대상물(40)을 기판(20) 측으로 가압하여 대상물(40)을 기판(20)에 가접합시키는 단계(s5)와, 상부척(3)의 진공을 해제하고 상부척(3)을 상승시키는 단계(s6)를 포함한다. (s1)에서 (s3) 단계는 접착제 전사 필름(10)에서 대상물(40)로 접착층(13)을 전사하는 단계이고, (s4)에서 (s6) 단계는 접착층(13')이 전사된 대상물(40)을 기판(20)에 가접합하는 단계이다.

(s1) 단계는 상부척(3)이 진공으로 대상물(40)을 픽업(pick up)하는 단계이다.

(s2) 단계는 대상물(40)의 하면에 접착층(13)을 전사하는 단계이다. (s2) 단계에서, 다이(1)는 80~100℃의 온도로 가열하고, 상부척(3)은 100~170℃의 온도로 가열한다. 바람직하게는 다이는 80~100℃의 온도로 가열하고, 상부척(3)은 160℃의 온도로 가열한다. 가압은 1~4MPa로 수행할 수 있다. 상부척(3)의 가열 온도가 다이(1)의 가열 온도보다 높아야 접착층(13)이 온도가 높은 쪽인 대상물(40)에 강하게 접착될 수 있다.

(s3) 단계는 접착층(13')을 대상물(40)에 부착하여 픽업(pick up)하는 단계이다. (s3) 단계에서, 접착층(13')은 대상물(40)의 하면에 전사에 의해 부착되고 베이스 필름(11)에서 분리된다. 이때, 점착층(12)은 베이스 필름(11)에서 분리되지 않으므로 접착층(13')이 깨끗하게 분리될 수 있다.

(s4) 단계는 대상물(40)을 기판(20) 상에 가접합하기 위해 대상물(40)을 기판(20)의 상부로 이송하는 단계이다. 기판(20)은 AMB 기판 또는 DBC 기판일 수 있다. AMB 기판은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹 기재(21)와 세라믹 기재(21)의 적어도 일면에 브레이징 접합된 금속층(22)을 포함하는 세라믹 기판이다.

(s5) 단계는 상부척(3)에 고정된 대상물(40)을 기판(20) 측으로 가압하여 대상물(40)을 기판(20) 상에 가접시키는 단계이다.

(s5) 단계에서, 다이(1)는 80~100℃의 온도로 가열하고, 상부척(3)은 100~170℃의 온도로 가열한다. 바람직하게는 다이(1)는 80~100℃의 온도로 가열하고, 상부척(3)은 160℃의 온도로 가열한다. 가압은 1~4MPa 범위로 수행할 수 있다.

(s6) 단계는 진공을 해제하고 상부척(3)을 상승시켜 가접을 완료하는 단계이다. 이와 같이, 80~100℃의 온도로 가열된 다이(1)를 이용하여 접착제 전사 필름(10)을 가열하고, 100~170℃의 온도로 가열된 상부척(3)을 이용하여 대상물(40)을 가열한 다음, 대상물(40)이 접착제 전사 필름(10) 측으로 가압되도록 상부척(3)을 하강시키면 접착제 전사 필름(10) 상의 접착층(13)이 온도가 더 높은 대상물(40)의 하면에 전사될 수 있다.

가접단계 후, 기판(20) 상에 가접된 대상물(40)의 상부에 상부 기판(미도시)을 접합하고 소결하여 기판(20)과 상부 기판의 사이에 대상물(40)을 본접합시키는 단계를 수행할 수 있다. 소결은 240~300℃에서 가열 가압하면서 2분~5분 동안 수행할 수 있다. 가압은 8~15MPa 범위로 수행할 수 있다.

가압은 보이드(void) 발생을 방지하기 위한 것이다. 가압 소결하면 접착층(13)이 구멍이 없이 조밀하게 되어 열전도가 높아지고 방열 특성이 우수해진다. 또한 가압은 빠른 소결을 가능하게 한다.

본접합시 소결 온도 및 시간은 양산 시간을 단축하기 위해 전술한 범위 내에서 조정가능하다. 예로서, 본접합시 소결은 250℃에서 가압을 5분 수행하는 것이 바람직하나, 양산성 향상을 위해 300℃에서 가압을 2분 수행할 수 있다. 소결은 접합 강도를 향상시키기 위한 것이다.

가접단계와 본접단계는 각각 진행될 수도 있고 동시에 진행될 수도 있다. 동시에 진행의 의미는 가접단계에서 가접이 생략되고 본접단계를 수행할 수 있음을 의미한다. 예로서, (s5) 단계에서, 상부척(3)에 고정된 대상물(40)을 기판(20) 측으로 240~300℃의 온도, 8~15MPa의 압력으로 2분~5분 동안 가열 가압하여 대상물(40)을 기판(20) 상에 가접합하지 않고 본접합할 수 있다.

도 5에 도시된 바에 의하면, 소결된 접착층(13")은 수축율이 발생하나 약 6% 정도로 작다. 더욱이 접착층(13)은 상하로 잘 수축하지 않고 양측으로 작은 수축이 발생하는데, 이는 접착층(13)을 구성하는 Ag가 플레이크상이기 때문이다. 플레이크상은 접착층(13")의 결합력을 높여 파괴 강도를 향상시킨다.

이하에서는 본 발명을 실시예와 비교예를 통해 설명하기로 한다.

아래의 표 1은 순수 Ag 대비하여 본 발명의 접착층을 소결한 Ag 접착층(실시예)과 Sn-Ag 솔더층(비교예)의 특성을 나타내었다. 실싱예의 Ag 접착층은 Ag 분말 98~99 중량%와 바인더 1~2 중량%를 포함한다.

구분	Pure Ag	Ag 소결층(접착층)	Sn-Ag 솔더층
Liquidus (℃)	961	961	221
Electrical Conductivity (MS/m)	68	41	7.8
Thermal Conductivity (W/mK)	429	200	70
Density (g/cm3)	10.5	8.2	8.4
CTE (ppm/℃)	19.3	19	28
Tensile strength (MPa)	139	55	30

표 1에 의하면, 본 발명의 Ag 접착층은 열전도율(Thermal conductivity)이 200W/mK로 높은 열전도율을 갖고, 인장강도(Tensile strength)가 50MPa 이상으로 Sn-Ag 솔더층에 비해 높다. 이로부터 Ag 접착층의 열전도율과 인장강도가 Sn-Ag 솔더층에 비해 더 우수함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 Ag 접착층(실시예)과 Sn Solder(비교예)를 파워모듈에 적용하여 균열 특성을 비교한 것이다.

도 6에 도시된 바에 의하면, 파워모듈의 반도체 칩의 작동온도는 150~250℃이고, 냉각과 가열을 반복하는 동안 휨(빨간색 표시)이 발생한다. 그런데, 기판에 반도체 칩을 Sn Solder로 접합한 경우 작동온도 -40~125℃에서 800회 시험한 결과 SEM 사진에서 확인한 Sn Solder 접합면에서 크랙이 발생하였다.

반면, 실시예의 Ag 접착층은 작동온도 -40~125℃에서 800회 시험한 결과 크랙이 확인되지 않았다.

도 7은 Ag 접착층의 바인더 함량에 따른 미세조직을 설명하기 위한 SEM 사진 및 그래프이다.

도 7에 도시된 바에 의하면, 유기물인 바인더의 함량이 최소화될 수록 기공이 최소화됨을 확인할 수 있다. 이를 통해 불필요한 유기물을 최소화하는 것이 우수한 소결성을 확보할 수 있고, 소결층의 균열을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 Ag 분말 입자의 균일 확산을 위해 유기물인 바인더의 함량은 1~2 중량% 포함하는 것이 바람직하다. Ag 분말 입자가 균일 확산되어야 균일한 접착층(13)을 형성할 수 있다.

도 8은 본 발명의 Ag 접착층을 250℃에서 30분동안 가압하지 않고 소결한 것이다.

도 8에 도시된 바에 의하면, Ag 접착층을 250℃에서 30분 동안 무압력으로 소결한 결과, 접착강도가 60MPa 이상 확보되었다. 또한, Ag 접착층은 가압하지 않고 소결하여도 유기물이 최소화되어 열전도율이 약 150W/mK 이상 확보됨을 확인할 수 있다.

도 9에는 Ag 접착층을 전사한 Si 반도체 칩을 기판에 가압 소결한 다음 소결된 Ag 접착층(Ag 소결층)의 조직을 촬영한 것이다. 여기서 Ag 접착층은 두께가 200㎛로 베이스 필름에 마스크 스텐실 인쇄하여 형성한 것이다.

도 9에 도시된 Ag 접착층은 240℃에서 4분 동안 15MPa로 가압 소결하였다. 가압 소결 후, 다공도가 7~8%인 조밀한 결합층이 확인되었다. 도 9의 경우, 소결 시간이 짧아도 충분한 결합이 가능하였고, 접착강도 50MPa 이상, 약 300W/mK의 열전도율이 확보되었다. 다공도는 소결 후 유기물이 최소화되어 7~8%로 확보된 것으로 확인되며, 최소 기공 조건으로 인해 열전도율이 높아진 것으로 확인된다.

도 9는 접착층을 가압 소결함에 의해 기공이 최소화되고 도 8은 무압력으로 소결함에 의해 많은 기공이 확인된다. 이를 통해, 가압 소결은 기공을 최소화시켜 열전도율을 높이는 효과가 있음을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 의한 Ag 접착층의 접착 강도를 타사 제품(비교예)과 비교하였다.

타사 제품은 Semipowerrex(korea)이다. 실시예와 비교예 모두 소결은 290℃에서 150sec 수행하였다.

도 10에서 확인되듯이, 실시예는 290℃ 온도에서 약 2분의 짧은 시간 내에 충분한 결합강도를 얻을 수 있고, 결합강도가 65MPa 이상으로 매우 높음을 확인할 수 있다.

도 11은 도 10의 실시예와 비교예의 파단 표면의 일반 촬영 사진 및 SEM 사진이다.

도 11에 도시된 바에 의하면, 실시예는 Ag 접착층의 일부가 떨어져 분리된 반면, 비교예는 접착층과 기판의 접합면이 파단되었다.

SEM 사진에서 파단 표면의 형상을 비교하면 Ag 접착층은 Ag 접착층의 중간에 파열이 발생하고, 비교예(타사 제품)는 접착층 전체가 기판에서 분리되었다. 이러한 현상은, 실시예의 경우 Ag 접착층의 중심 부분이 다른 부분에 비해 소결밀도가 더 높고 Ag 분말 입자가 플레이크상이기 때문으로 확인된다. 비교예는 Ag 분말 입자가 구상에 가깝다. 더욱이 실시예는 약 65MPa에서 파열되고 비교예는 약 23MPa에서 파열되었다.

도 12는 실시예의 Ag 접착층과 비교예(타사 제품)의 수축율, 휨 발생, 미세조직을 비교한 것이다.

실시예와 비교예는 무가압 상태로 270℃ 온도에서 60분 동안 소결하였다.

도 12에 도시된 바에 의하면, 실시예는 6% 정도 수축이 발생하였고, 비교예는 24% 정도 수축이 발생하였다. 또한 실시예는 소결 후 휨이 발생하지 않은 반면, 비교예는 소결 후 휨이 발생하였다. 또한, 실시예는 SEM으로 측정한 미세조직에서 플레이크(flake)상이 확인되는 반면, 비교예는 구(sphere)상이 확인된다.

위 결과로부터, 실시예의 Ag 접착층은 수축율이 비교예에 비해 20% 적음이 확인되고, 반도체 칩의 본딩 후 지그 공차로 인한 결함을 줄이는데 기여할 수 있음을 알 수 있다.

도 13은 실시예의 Ag 접착층과 비교예(타사 제품)의 무게 감소(Weightloss)를 비교한 그래프이고, 도 14는 Ag 접착층과 비교예(타사 제품)의 열량(Calorimetric)을 측정한 그래프이다.

실시예의 Ag 접착층은 비교예(타사 제품)에 비해 유기 함량 1~2wt%에서 열분해 및 소결온도가 60~100℃ 낮은 것이 확인된다. 이를 통해 낮은 소결온도는 빠른 소결을 가능하게 함을 예상할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예의 Ag 접착층은 무압력 소결에서 150W/mK의 열전도율을 확보할 수 있고, 테스트 장비를 이용한 가압 소결시 280W/mK 이상, 공식적인 가압장비 사용시 300W/mK 이상의 열전도율을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예의 Ag 접착층은 Ag 분말 입자가 플레이크상을 가지므로 수축율이 적고, Ag 접착층이 다층 구조 및 이종 분말 입자로 구성되어 잔류 응력의 제거에 이점이 있으므로 소결 후 균열로 인한 불량이 최소화되며, 50MPa 이상의 높은 파괴 강도(인장 강도)를 확보할 수 있다.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 접착제 전사 필름 11: 베이스 필름
12: 점착제 13: 접착층
13a: 제1 접착층 13b: 제2 접착층
13c: 제3 접착층 13': 전사된 접착층
13": 가접된 접착층 또는 소결층
20: 기판 21: 세라믹 기재
22: 금속층 40: 대상물
1: 다이 3: 상부척

Claims

베이스 필름;
상기 베이스 필름 상에 형성된 점착층; 및
상기 점착층 상에 형성된 다층 구조의 접착층;
을 포함하는 접착제 전사 필름.
제1항에 있어서,
상기 접착층은 Ag 접착층이고,
상기 Ag 접착층은 Ag 분말 98~99 중량%와 바인더 1~2 중량%를 포함하는 접착제 전사 필름.
제2항에 있어서,
상기 Ag 분말은 플레이크상 나노 입자로 이루어진 접착제 전사 필름.
제1항에 있어서,
상기 접착층은
상기 점착층의 상면에 적층되는 제1 접착층;
상기 제1 접착층의 상면에 적층되는 제2 접착층; 및
상기 제2 접착층의 상면에 적층된 제3 접착층을 포함하고,
상기 제1 접착층 내지 상기 제3 접착층은 플레이크상 나노 입자로 이루어진 Ag 분말을 포함하고,
상기 제2 접착층에 포함된 Ag 분말의 평균입경은 상기 제1 접착층과 상기 제3 접착층에 포함된 Ag 분말의 평균입경에 비해 상대적으로 작은 접착제 전사 필름.
제1항에 있어서,
상기 접착층은
상기 점착층의 상면에 적층되는 제1 접착층;
상기 제1 접착층의 상면에 적층되는 제2 접착층; 및
상기 제2 접착층의 상면에 적층된 제3 접착층을 포함하고,
상기 제1 접착층 및 상기 제3 접착층은 나노 입자로 이루어진 Ag 분말을 포함하고, 상기 제2 접착층은 플레이크상 나노 입자로 이루어진 Ag 분말을 포함하며,
상기 제2 접착층에 포함된 Ag 분말의 평균입경은 상기 제1 접착층과 상기 제3 접착층에 포함된 Ag 분말의 평균입경에 비해 상대적으로 작은 접착제 전사 필름.
제1항에 있어서,
상기 접착층의 두께는 40㎛~60㎛인 접착제 전사 필름.
제1항에 있어서,
상기 베이스 필름은 PET 필름인 접착제 전사 필름.
제1항에 있어서,
상기 점착층은 OCA인 접착제 전사 필름.
제1항에 있어서,
상기 접착층은 가압 소결 후 다공도가 7%~8%인 접착제 전사 필름.
접착제 전사 필름을 준비하는 준비단계;
상기 접착제 전사 필름 상의 접착층을 대상물에 전사시키는 전사단계;
상기 접착층이 전사된 대상물을 상기 접착층을 매개로 기판에 접합시키는 가접단계; 및
상기 가접단계 후, 소결하여 상기 기판에 상기 대상물을 본접합시키는 본접단계;
를 포함하는 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법.
제10항에 있어서,
상기 준비단계는,
베이스 필름을 준비하는 단계;
상기 베이스 필름 상에 점착층을 형성하는 단계; 및
상기 점착층 상에 Ag 소결 페이스트를 코팅하고 건조하는 과정을 3회 이상 수행하여 다층 구조의 접착층을 형성하는 단계;
를 포함하는 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법.
제10항에 있어서,
상기 전사단계는,
다이에 상기 접착제 전사 필름을 고정시키고, 진공을 이용하여 대상물을 흡착 및 고정하는 상부척에 대상물을 고정시키는 단계; 및
상기 상부척을 100~170℃의 온도로 가열하고 상기 다이를 80~100℃의 온도로 가열한 다음, 상기 상부척에 고정된 상기 대상물을 상기 접착제 전사 필름 측으로 가압하여 상기 접착제 전사 필름 상의 접착층을 상기 대상물에 전사시키는 단계;
를 포함하는 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법.
제10항에 있어서,
상기 본접단계는
상기 소결은 240~300℃에서 상기 대상물과 상기 기판의 가접합체를 가압 가열하면서 2분~5분 동안 수행하는 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법.
제10항에 있어서,
상기 가접단계와 상기 본접단계는 동시에 수행되는 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법.
제10항에 있어서,
상기 대상물은 반도체 칩, 스페이서를 포함하는 접착제 전사 필름을 이용한 접합 방법.