[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR20240148569A - 저온 소결용 접합 조성물 - Google Patents

저온 소결용 접합 조성물 Download PDF

Info

Publication number
KR20240148569A
KR20240148569A KR1020230044122A KR20230044122A KR20240148569A KR 20240148569 A KR20240148569 A KR 20240148569A KR 1020230044122 A KR1020230044122 A KR 1020230044122A KR 20230044122 A KR20230044122 A KR 20230044122A KR 20240148569 A KR20240148569 A KR 20240148569A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silver
low
bonding composition
temperature sintering
power semiconductor
Prior art date
Application number
KR1020230044122A
Other languages
English (en)
Inventor
이태욱
윤치호
박지애
조승훈
Original Assignee
대주전자재료 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대주전자재료 주식회사 filed Critical 대주전자재료 주식회사
Priority to KR1020230044122A priority Critical patent/KR20240148569A/ko
Priority to PCT/KR2024/004254 priority patent/WO2024210466A1/ko
Publication of KR20240148569A publication Critical patent/KR20240148569A/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B22F1/102—Metallic powder coated with organic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/16—Metallic particles coated with a non-metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3006—Ag as the principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/27—Manufacturing methods
    • H01L2224/275—Manufacturing methods by chemical or physical modification of a pre-existing or pre-deposited material
    • H01L2224/27505—Sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

본 발명은 저온 소결용 접합 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 유기은이 코팅된 은분말을 사용한 저온 소결용 접합 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 일 양태에 따른 저온 소결용 접합 조성물은 유기은으로 코팅된 은입자가 환원제를 포함하는 조성물 상태로 도포되어 가열 가압하여 접착하므로, 은입자의 표면의 유기은 성분이 환원되면서 동시에 용융이 되어 전체적으로 은 접착제층의 용융을 촉진시켜 상대적으로 낮은 용융온도, 310℃이하, 250℃이하, 230℃이하, 210℃이하, 200℃이하, 180℃이하, 예를 들면 180 ~ 310℃에서 용융되어 반도체를 기판상에 접착 가능한 새로운 형태의 저온 접착용 실버페이스트 조성물, 이를 이용하여 제조되는 접착층, 상기 접착층을 가지는 전력반도체를 제공할 수 있다.

Description

저온 소결용 접합 조성물{Bonding composition for low temperature sintering}
본 발명은 저온 소결용 접합 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 유기은이 코팅된 은분말을 사용한 저온 소결용 접합 조성물에 관한 것이다.
친환경 전기자동차 및 신재생 에너지 시장이 증대됨에 따라 고출력 및 고효율 전력반도체의 수요가 증가하고 있는 추세이다. 이에 따라 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등을 기반으로 한 WBG(wide band gap) 화합물 반도체의 필요성이 강화되는 추세이다.
이러한 전력반도체 소자는 더 높은 전력 밀도와 스위칭 주파수를 지원함과 동시에 고성능 전자 모듈의 신뢰성을 확보할 수 있어야 하는데 기존 무연솔더(Pb-free solder)를 이용하여 소결접합을 하는 경우는 지나친 고온에서 접착되므로 반도체소자의 손상을 가져오는 등 이러한 과제를 달성할 수 없는 한계가 있다.
이를 해결하고자 도전성 입자 기반 페이스트를 이용하여 접착을 하려는 연구들이 시도되고 있으나 도전성 입자 기반 페이스트는 유기 바인더를 포함하므로 소결 후 잔류탄소가 발생하고, 소결 시 유기 바인더의 흐름성으로 인해 전극의 퍼짐이 발생하는 경우가 있다. 특히, 350 ℃이하 소결에서 이러한 퍼짐과 잔류탄소가 발생하면 주변 패턴과 간섭을 일으키거나 전력 인가 시, 마이그레이션이 발생하여 신뢰성에 문제를 야기시킬 수 있다.
따라서 유기 바인더를 사용하지 않으면서도 전기자동차용 전력반도체 등 이종접합 소자의 접착성이 우수하며, 저온에서 소결 가능한 접착제에 대한 요구가 있다.
한국 공개특허 제10-2016-0032613호(2016.03.24.)
본 발명자들은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는데 기술적인 과제가 있다.
본 발명의 일 과제는 기존의 무연 솔더 및 은입자를 사용한 접착제와 비교하여 낮은 접착온도에서 접착이 가능하며, 낮은 온도 및 낮은 압력 하에서도 용융이 되어 접착력이 높고, 접착면에서 보이드가 없으며, 우수한 열전도도 및 낮은 열팽창계수를 구현할 수 있어 전자모듈의 신뢰성(고내구성)을 확보할 수 있는 저온 소결용 접합 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 에폭시 수지, 아크릴 수지 등의 유기 바인더를 포함하지 않아 소결 시 잔류탄소를 최소화할 수 있으며, 실질적으로 탄화물이 거의 발생하지 않고, 전극의 퍼짐 현상이 개선될 수 있는 저온 소결용 접합 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 스텐실 또는 스크린 인쇄 등에 적용이 가능하며, 인쇄 후 가열하여 반도체를 접착한 후에는 기판과의 부착력이 증가하여 2미터 이상의 높이에서 중력가속도로 떨어뜨리거나, 일반적인 성인 남성의 힘을 가해 바닥에 내리쳐도 접착면이 떨어지지 않는 전력 반도체용 저온 소결용 접합 조성물을 제공하고자 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 고분자 바인더를 사용하지 않아 소결 시 탄화물이 발생하지 않는 접착 조성물을 개발하고자 연구하였으며, 또한 전력반도체 등에 적용이 가능하도록 저온 소결이 가능하며, 저온 소결됨에도 접착력이 매우 우수한 접착 조성물을 개발하기 위하여 연구하였다.
그 결과, 은입자의 표면에 은전구체 화합물인 유기은을 코팅하고, 이를 환원제 및 용매와 혼합한 실버페이스트 조성물로 제조하여 상기 과제를 달성할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 접착하고자 하는 대상에 상기 조성물을 도포 후 용매를 건조하는 과정에서 유기은이 환원제에 의해 환원이 되면서 상기 은입자의 표면에서 은 나노입자가 형성되면서 낮은 소성온도에서도 상기 은입자가 서로 접하여 형성되는 은접착층이 형성된다. 이는 명확하지 않지만, 은입자의 표면에 환원된 은 나노입자가 은접착층의 용융을 촉진시켜 상대적으로 낮은 용융온도, 310℃이하, 좋게는 300℃이하에서 접착 가능한 새로운 형태의 저온 접착용 실버페이스트 조성물을 제공함을 발견하였다.
본 발명의 일 양태는 은입자의 표면에 은전구체 화합물이 코팅된 표면코팅 은입자; 및 환원제를 포함하는 저온 소결용 접합 조성물을 제공한다.
일 양태로, 상기 저온 소결용 접합 조성물은 310 ℃ 이하에서 소결 가능하며, 소결 후 접착강도가 50 MPa이상인 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 저온 소결용 접합 조성물은 유기바인더를 포함하지 않는 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 은입자의 평균 입경은 0.5 내지 2 ㎛인 응집분말이며, 1차 입경이 45 내지 500 nm인 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 은전구체 화합물은 말레산 은(silver maleate), 푸마릭산 은(silver fumarate), 글리옥실산 은(silver glyoxylate), 피루빅산 은(silver pyruvate), 숙신산 은(silver succinate), 글루탈산 은(silver glutalate), 글루콘산 은(silver gluconate), 피크릭산 은(silver picrate), 시트릭산 은(silver citrate), 이미노디아세트산 은(silver iminodiacetate), 니트릴로트리아세트산 은(silver nitrilotriacetate), 에틸렌디아민 테트라아세트산 은(silver ethylenediaminetetraacetate), 벤조산 은(silver benzoate), 네오데칸산 은(silver neodecanoate),라우릭산 은(Silver laurate), 스테아린산 은(silver stearate), 올레산 은(silver oleate), 리놀레산 은(silver linolate), 아비에트산 은(silver abietate), 은 알킬 암모늄 카바메이트(silver alkylammonium carbamates) 및 은 알킬 암모늄 카보네이트계 화합물(silver alkylammonium carbonates) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 양태로, 상기 환원제는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민, 아닐린, 1,4-페닐디아민, 4-브로모아닐린, 3-아미노-1-프로판올, 알카놀아민, 과산화수소수, 포름산, 포름산암모늄, 포름산나트륨, 글리옥살, 히드로퀴논, 히드라진, 피로갈롤, 포도당, 갈산, 포르말린, 무수아황산나트륨, 설폭실산나트륨(rongalit), 포름알데히드, 아민류 화합물, 글리콜류 화합물, 글리세롤, 디메틸포름아미드, 탄닌산, 시트르산염, 글루코스, 아스코르브산, L(+)-아스코르브산, 이소아스콜빈산, 아스코르브산 유도체, 옥살산, 포름산, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2-부텐-1,4-디올, 2,3-부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 옥탄디올, 데카놀, 글리세롤, 1,1,1-트리히드록시메틸에탄, 2-에틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올, 1,2,6-헥산트리올, 1,2,3-헥산트리올, 1,2,4-부탄트리올, 트레이톨, 에리트리톨, 펜타에리스리톨, 페녹시에탄올, 헥시톨 및 이미노디에탄올 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 양태는 상기 일 양태에 따른 저온 소결용 접합 조성물을 전력반도체 기판 상에 도포하고, 건조하여 상기 은입자 표면에 환원된 은 나노입자가 형성되면서, 상기 은입자 및 은 나노입자가 서로 접하여 형성되는 은접착층을 가지는 접착제 도포층을 형성하는 단계; 및
상기 접착제 도포층 상에 반도체칩을 적층 후, 소결하여 접착층을 형성하는 단계;
를 포함하는 전력반도체의 제조방법을 제공한다.
일 양태로, 상기 은 나노입자는 상기 기판 상에도 형성되어 기판과 상기 은입자 간의 접착에 기여하는 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 소결은 310 ℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 소결에 의해 상기 은입자가 용융되어 접착되는 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 환원은 가열에 의해 환원되는 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 가열은 200 ℃이하에서 수행되는 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 소결 시 20 MPa 이하의 압력으로 가압을 동시에 수행하는 것일 수 있다.
일 양태로, 상기 접착층의 접착강도는 50 MPa 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 저온 소결용 접합 조성물은 은입자의 표면에 도포된 유기은이 환원되면서 은접착층의 용융을 촉진시켜 상대적으로 낮은 용융온도, 310℃이하, 250℃이하, 230℃이하, 210℃이하, 200℃이하, 180℃이하, 예를 들면 180 ~ 310℃에서 용융되어 반도체를 기판상에 접착 가능한 새로운 형태의 저온 접착용 실버페이스트 조성물, 이를 이용하여 제조되는 접착층, 상기 접착층을 가지는 전력반도체를 제공할 수 있다.
즉, 은입자 표면에 코팅된 유기은이 환원되면서 은 나노입자를 형성함과 동시에 환원된 은 나노입자가 기 코어를 구성하는 모재인 은입자의 용융을 촉진시키는 것으로 생각된다. 즉, 상기 표면에 도포된 유기원의 환원에 의해 생성되는 은입자가 가압 가온 시 소결단계에서 모재인 은분말의 소결을 촉진시켜 소결조제의 역할을 하므로 모재인 은분말의 소결온도를 낮춰줄 수 있으며, 이에 따라 저온소결이 가능한 접합 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 유기은을 코팅한 은분말을 사용하여, 유기은이 상온에서 페이스트 제조 시 또는 스텐실이나 스크린 인쇄 등의 인쇄 시 일반적으로 사용하는 에틸셀룰로오스, 아크릴 수지 등의 유기바인더를 대체하는 바인더 역할을 하고, 인쇄 후 건조단계를 마치면 기판과의 부착력이 증가되어 2미터 이상의 높이에서 중력가속도로 떨어뜨리거나, 일반적인 성인의 힘을 가해 바닥에 내리쳐도 전극이 떨어지지 않는 접합 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 소결 시 유기 바인더가 없으므로 소결 후 잔류탄소를 최소화 할 수 있고, 소결 시 유기바인더의 흐름성으로 인한 전극의 퍼짐성을 최소화 할 수 있다.
또한, 은분말과의 젖음성을 해치지 않으면서도 기판과 접촉각이 둔각인 용제들을 사용하여, 인쇄단계, 건조단계 및 소성단계에서 접합 조성물 및 이로부터 형성된 전극이 퍼지거나 각 단계에서 표면 확산이 일어나지 않는 전극을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 저온 소결용 접합 조성물은 전기자동차용 전력반도체, 항공우주, 풍력, 우주탐사, 석유 및 가스 심층 탐사 등의 분야에 필요한 전자장치의 접합에 적용이 가능하다. 또한, 고출력 LED 접합소재 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 등 기판에 적용이 가능하며, 310 ℃이하에서 소성, 구체적으로 공기하에서 200 내지 300 ℃에서 소성이 가능하고, 저저항 소결체에 적용이 가능하다. 또한 소결 시 무가압 또는 15 Mpa 이하, 좋게는 10 MPa 이하의 압력으로도 충분히 용융하여 접착 가능하다.
도 1은 본 발명의 표면코팅 은입자의 일 양태를 나타낸 단면도이다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 발명에서 특별한 정의가 없는 한, 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재와“상에”위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 층 또는 두 부재 사이에 또 다른 층 또는 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
또한 본 명세서에서 사용되는 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위하여 사용된다.
본 발명의 일 양태는 은입자의 표면에 은전구체(‘유기은’이라고도 명명함) 화합물이 코팅된 표면코팅 은입자; 및 환원제를 포함하는 저온 소결용 접합 조성물, 즉 저온 소결용 실버페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태는 은입자의 표면에 은전구체(‘유기은’이라고도 명명함) 화합물이 코팅된 표면코팅 은입자; 환원제; 및 용매;를 포함하는 저온 소결용 접합 조성물, 즉 저온 소결용 실버페이스트 조성물을 제공한다.
일 양태로, 상기 은입자는 통상적으로 해당 분야에 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 구형, 플레이크형 등 그 형태 역시 한정되지 않는다. 또한 은입자는 습식법, 건식법 등 통상의 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
상기 은입자는 1차 입자이거나, 또는 1차 입자가 응집된 2차 입자인 것일 수 있으며, 제한되는 것은 아니지만 평균입경이 0.5 내지 2 ㎛인 응집분말이며, 1차 입경이 45 내지 500 nm인 것일 수 있다. 상기 범위에서 저온소결 및 접착강도를 발현하기에 유리하므로 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 상기의 은입자의 형태는 제한되지 않지만 예를 들면, 구형, 플레이크형, 응집형 등인 것일 수 있으며, 이들 중 하나이상의 형태를 가진 은입자의 혼합물일 수 있으며, 응집된 2차 입자를 포함한 복수의 은입자를 사용할 수도 있다.
일 양태로, 상기 은전구체 화합물은 상기 은입자의 표면에 코팅되었다가, 상기 접합 조성물의 용매를 건조하기 위하여 가열하는 과정에서 환원제에 의해 은 금속으로 환원이 되는 물질이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
상기 은전구체 화합물은 유기은이 사용될 수 있으며, 상기 유기은을 사용함으로써 별도의 고분자 바인더를 사용하지 않고도 접착층의 저온 소결 및 접착강도를 발현하는데 기여할 수 있다.
상기 유기은의 일 양태로는 구체적으로 예를 들면, 말레산 은(silver maleate), 푸마릭산 은(silver fumarate), 글리옥실산 은(silver glyoxylate), 피루빅산 은(silver pyruvate), 숙신산 은(silver succinate), 글루탈산 은(silver glutalate), 글루콘산 은(silver gluconate), 피크릭산 은(silver picrate), 시트릭산 은(silver citrate), 이미노디아세트산 은(silver iminodiacetate), 니트릴로트리아세트산 은(silver nitrilotriacetate), 에틸렌디아민 테트라아세트산 은(silver ethylenediaminetetraacetate), 벤조산 은(silver benzoate), 네오데칸산 은(silver neodecanoate), 라우릭산 은(Silver laurate), 스테아린산 은(silver stearate), 올레산 은(silver oleate), 리놀레산 은(silver linolate), 아비에트산 은(silver abietate), 은 알킬 암모늄 카바메이트(silver alkylammonium carbamates) 및 은 알킬 암모늄 카보네이트계 화합물(silver alkylammonium carbonates) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
보다 바람직하게는 네오데칸산 은(silver neodecanoate), 라우릭산 은(Silver laurate), 스테아린산 은(silver stearate), 올레산 은(silver oleate), 리놀레산 은(silver linolate) 등을 사용하는 것일 수 있으며, 이를 사용함으로써 분산 안정성이 좋고, 용매의 건조 온도에서 환원제와의 반응성이 좋으며, 접합 조성물의 용매 내에서 장기 저장 안정성이 우수하므로 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 은전구체 화합물은 상기 은입자의 표면에 1 nm 내지 60 nm의 두께로 코팅된 것일 수 있으며, 상기 범위에서 장기 저장안정성이 우수하며, 접착강도가 우수하므로 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 코팅여부는 GC-MS 등을 이용하여 확인할 수 있다.
상기 은전구체의 함량은 표면코팅 은입자 100중량부에 대하여, 0.01 내지 10.0 중량부, 0.05 내지 5.0 중량부, 0.1 내지 3.0 중량부 또는 0.5 내지 2.0 중량부를 사용할 수 있지만 이에 한정하는 것은 아니다.
일 양태로, 상기 표면 코팅된 은입자를 제조하는 방법은 은입자를 은전구체 화합물이 분산되어 있는 용액에 첨가하여 건조를 통하여 코팅하는 방법 또는 은입자를 용매에 분산 후 그 상태에서 은 이온을 포함하는 용액을 첨가하고 지방산 및 pH 조절제를 혼합하여 은전구체 화합물을 합성하면서 은입자의 표면에 코팅할 수 있다. 상기 은 전구체 화합물 용액은 은 전구체 화합물을 포함하는 수성 분산액인 것일 수 있다.
또 다른 방법으로 은 전구체 화합물을 은 입자와 물리적으로 혼합하여 표면 처리된 은 입자를 얻을 수 있다. 상기 혼합하는 장치의 예로는 플래너터리 믹서, 텀블러 믹서, 헨셀 믹서, 인텐시브 믹서 등을 들 수 있으며, 그 외에도 물리적으로 은 전구체 화합물을 은입자의 표면에 흡착 시킬 수 있는 장치라면 특별히 한정되지 않는다. 고상의 은 전구체 화합물을 흡착시키기 위해서는 액상화하여 모든 입자가 고르게 처리되는 것이 유리하나 은 전구체의 경우 액상화를 진행할 때 환원되어 은입자로 석출될 수 있기 때문에 액상화를 진행하지 않고 왁스와 같은 상태로 표면처리 장치를 이용하여 표면에 흡착시킬 수 있다. 이외에, 상기 특징적인 공정을 제외하고 은 전구체를 입자의 표면에 흡착 시킬 수 있는 방법을 적절히 채용할 수 있다.
일 양태로, 상기 환원제는 상기 조성물을 도포한 후, 건조하여 박막으로 제조하는 과정에서 가열에 의해 은전구체 화합물을 환원시키는 물질이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 환원제의 예를 들면, 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민, 아닐린, 1,4-페닐디아민, 4-브로모아닐린, 3-아미노-1-프로판올, 알카놀아민, 과산화수소수, 포름산, 포름산암모늄, 포름산나트륨, 글리옥살, 히드로퀴논, 히드라진, 피로갈롤, 포도당, 갈산, 포르말린, 무수아황산나트륨, 설폭실산나트륨(rongalit), 포름알데히드, 아민류 화합물, 글리콜류 화합물, 글리세롤, 디메틸포름아미드, 탄닌산, 시트르산염, 글루코스, 아스코르브산, L(+)-아스코르브산, 이소아스콜빈산, 아스코르브산 유도체, 옥살산, 포름산, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2-부텐-1,4-디올, 2,3-부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 옥탄디올, 데카놀, 글리세롤, 1,1,1-트리히드록시메틸에탄, 2-에틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올, 1,2,6-헥산트리올, 1,2,3-헥산트리올, 1,2,4-부탄트리올, 트레이톨, 에리트리톨, 펜타에리스리톨, 페녹시에탄올, 헥시톨 및 이미노디에탄올 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 환원제는 데카놀, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 다이에틸렌 글리콜 및 트리에틸렌 글리콜 등에서 선택되는 알코올계 화합물을 사용할 수 있다.
상기 환원제는 은 입자 100중량부에 대해 1 중량부 이상으로 사용하는 것이 석출되는 은 분말의 수율 면에서 바람직하고, 상기 알코올계 화합물과 같은 환원력이 상대적으로 약한 환원제를 사용할 경우 환원제의 사용량을 더 늘리는 것이 좋다. 예를 들어, 상기 환원제는 사용되는 종류에 따라 그 함량을 조절하여 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들어 알코올계 화합물을 환원제로 사용하는 경우 은입자 100중량부에 대해, 2 중량부 내지 100 중량부, 10 내지 70 중량부, 또는 20 내지 60 중량부로 사용할 수 있다.
또한, 환원제로 비점이 100 내지 200 ℃인 용매를 포함하는 것이 건조 시 유리할 수 있으며, 그 함량은 10 내지 50 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
일 양태로, 본 발명의 저온 소결용 접합 조성물은 상기 환원제로 알코올계 화합물, 예를 들어, 데카놀, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 다이에틸렌 글리콜 및 트리에틸렌 글리콜 등을 사용할 수 있으며, 이러한 알코올계 화합물을 환원제로 사용하는 경우 별도의 용매를 필요로 하지 않을 수 있다. 하지만, 필요에 따라 도포성 및 건조성을 더욱 향상시키기 위하여 별도의 용매를 더 첨가할 수 있다. 또한, 상기 환원제로 알코올계 화합물을 사용하지 않고 다른 물질을 사용하는 경우는 용매로써 알코올계 용매를 사용할 수 있다.
일 양태로, 상기 용매는 은입자와 젖음성이 우수하면서, 기판과의 접촉각이 둔각이고, 조성물의 도포, 건조 및 소결 단계에서 전극 페이스트가 퍼지거나 각 단계에서 표면 확산이 일어나지 않는 전극을 형성할 수 있는 용매를 사용하는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로, 비점이 100 내지 290 ℃인 용매라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
상기 용매의 종류는 비점이 100 내지 290 ℃인 용매라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노부틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노에틸에테르, 디프로필렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디프로필렌글리콜디메틸에테르 등의 에테르계 용매; 터피네올, 터피네올아세테이트, 디하이드로터피네올, 디하이드로터피닐아세테이트 등의 테르펜계 용제; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2-부텐-1,4-디올, 2,3-부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 옥탄디올, 데카놀, 글리세롤, 1,1,1-트리히드록시메틸에탄, 2-에틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올, 1,2,6-헥산트리올, 1,2,3-헥산트리올, 1,2,4-부탄트리올, 트레이톨, 에리트리톨, 펜타에리스리톨, 페녹시에탄올, 헥시톨 및 이미노디에탄올 등의 알코올계 용제;로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 용매를 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 양태로, 상기 저온 소결용 접합 조성물은 고형분 함량이 30 내지 90 중량%인 것일 수 있으며, 상기 조성물의 점도는 30 Pa.s 내지 150 Pa.s (브룩필드사 DVII, SCR 14 spindle @ 25℃, 10 rpm)인 것일 수 있으며, 상기 범위에서 스텐실 또는 스크린 인쇄가 가능할 수 있어서 대량 생산이 가능하므로 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 양태는 상기 일 양태에 따른 저온 소결용 접합 조성물을 전력반도체 기판 상에 도포하고, 건조하여 상기 은입자 표면에 환원된 은 나노입자가 형성되면서, 상기 은입자 및 은 나노입자가 서로 접하여 형성되는 은접착층을 가지는 접착제 도포층을 형성하는 단계; 및
상기 접착제 도포층 상에 반도체 칩을 적층 후, 소결하여 접착층을 형성하는 단계;를 포함하는 유기바인더를 사용하지 않는 전력반도체의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 사용된 저온 소결용 접합 조성물에 대해서는 앞서 기재한바와 동일하므로 중복 설명은 생략한다.
일 양태로, 상기 저온 소결용 접합 조성물을 전력반도체 기판 상에 도포하는 단계는 롤러, 붓, 스프레이 도포 등 제한되지 않으며, 스텐실 또는 스크린 인쇄가 가능하다.
일 양태로, 상기 건조는 상기 저온 소결용 접합 조성물에 사용된 용매의 건조와 함께 은 입자의 재배치가 일어남과 동시에 환원제가 은전구체 화합물과 반응하여 환원을 하는 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 환원은 상기 건조 온도에서 가열에 의해 환원이 되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 가열은 70 ℃ 이상에서 수행되는 것일 수 있으며, 70 내지 200℃인 것일 수 있다. 또는 100 내지 150 ℃인 것일 수 있다.
상기 건조에 의해 환원이 되면서 상기 은 입자의 표면에서 환원되어 생성되는 은 나노입자에 의해 상기 은 입자 및 은 나노입자가 서로 접하여 형성되는 은 접착층을 형성하게 된다.
일 양태로, 상기 소결에 의해 상기 은 입자가 용융되어 접착되는 것일 수 있다. 상기 소결은 상기 은입자를 소결하는 온도에서 수행되는 것일 수 있으며, 본 발명의 제조방법에 따르면 상기 환원에 의해 은입자의 표면 및 기판과 은입자 사이에 형성된 은 나노입자에 의해 소결 단계에서 은분말의 소결을 촉진하여 은분말의 원래 소결온도에 비하여 소결온도를 낮출 수 있다. 또한 별도의 고분자 바인더를 사용하지 않으므로 탄화물이 발생하지 않는다.
구체적으로 예를 들면, 상기 소결은 310 ℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로 300℃이하, 250℃이하, 230℃이하, 200℃이하, 180℃이하, 예를 들면 180 ~ 310℃에서 수행되는 것일 수 있다. 또한, 상기 소결 시 무가압 또는 15 Mpa 이하, 좋게는 10 MPa 이하의 압력으로도 충분히 용융하여 접착 가능하다.
본 발명의 일 양태에 따라 제조된 접착층은 접착강도가 매우 우수하여 2미터 이상의 높이에서 중력가속도로 떨어뜨리거나, 일반적인 성인 남성의 힘을 가해 바닥에 내리쳐도 전극이 떨어지지 않는 효과를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 접착강도가 50 MPa 이상, 50 내지 150 MPa인 것인 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하 물성은 다음과 같이 평가하였다.
1) 도포성
실시예 및 비교예에서 제조된 접합 조성물을 메탈 스텐실 마스크에 인쇄하여 은이 도금된 구리기판에 0.6×0.6 mm 10개, 1.0×1.0 mm 10 개, 3.0×3.0 mm 10개, 5.0×5.0 mm 10개 패턴에 200㎛ 인쇄두께로 도포 후, 인쇄 불량이 발생하는 개수를 평가하였다.
우수는 2개 이하의 불량이 발생하는 경우이고, 불량은 3개를 초과하여 불량이 발생하는 경우이다.
2) 건조부착력
실시예 및 비교예에서 제조된 접합 조성물을 은이 도금된 구리기판에 상기 도포성 평가와 동일하게 200 ㎛ 인쇄 두께로 도포된 기판을 130 ℃열풍으로 30분간 건조 후, 1 m 높이에서 떨어뜨렸을 때 파손되거나 탈락된 패턴의 개수를 평가하였다.
여기서 각 패턴에서 일부라도 탈락된 상태는 그 패턴은 탈락된 것으로 간주하였다. 평가 기준으로는 파손이 없는 패턴의 개수가 39개 내지 40개의 경우 밀착성 우수(PASS)로 하고, 그 이하의 개수는 밀착성 불량(NG)이라 평가하였다.
3) 소결성
실시예 및 비교예에서 제조된 접합 조성물을 은이 도금된 구리기판에 2.8×2.8 mm크기의 6개 패턴으로 도포 후, 130℃ 열풍으로 30분간 건조하여 전극 패턴을 얻었다. 상기 도포 및 건조된 전극 패턴 위에 3×3×2 mm의 은이 도금된 구리블럭을 올려놓고, 10 MPa으로 가압하면서 상온에서 실측온도 310 ℃(설정온도 300℃)까지 약 180초 동안 승온속도 95 ℃/min로 승온하면서 소결하였다. 소결성은 소결면을 필드 방사 주사형 전자 현미경(FE-SEM)으로 관찰하였으며, 공극률이 19% 이하일 때 매우우수, 공극률이 25% 이하일 때 우수, 공극률이 30% 이하일 때 양호로 판단하였다.
4) 접착강도
상기 3)항목의 소결성 평가와 동일하게 소결한 후 접착강도를 측정하였다.
접착층의 접착강도는 DAGE4000 DS200Kg 장비를 사용하여 Die Shear 값을 AMIL-STD-883 방법 번호 2019 다이 전단 강도에 따라 측정하였다.
평가 기준으로는 접착강도가 60 MPa이상의 경우 매우우수, 50 MPa이상의 경우 접착강도 양호(PASS), 50 MPa 미만의 접착강도는 불량(NG)이라 평가하였다.
5) BLT 평가
상기 3)항목의 소결성 평가와 동일하게 소결한 후 BLT(Bonded Line Thickness, [㎛])를 측정하였다.
BLT의 측정은 소결이 완료된 시료의 파단면을 SEM 관찰을 행하여 BLT두께를 측정하였다. 평가 기준으로는 BLT가 50 ㎛ 이하의 경우 BLT 양호(PASS), 그 이상의 BLT는 불량(NG)이라 평가하였다.
6) 잔류탄소의 유무
열중량 시차열분석기 (TA Instruments Ltd., 모델명 SDT Q600)를 사용하여, 상온(약 25℃)에서 600 ℃ 까지 10 ℃/분의 승온 속도로 가열하여 조성물의 온도에 따른 중량손실을 측정하였다. 250 ℃ 이하에서 용매의 완전한 증발 및 금속-유기 전구체의 분해를 보여주었다. 더욱이, 250 ℃이하에서 시차열분석의 발열 피크가 발생하므로, 대부분의 유기물이 250 ℃이하에서 전부 산화된 것을 확인하였다. 250 ℃에서의 총 중량 손실은 가열 시 250 ℃의 금속성 겔에서, 유기 부분은 원소 은으로부터 완전히 분리되고 증발되어 탄소 잔류물은 남기지 않고 벌크 은 금속만 남게 된다. 따라서 은 전구체의 열분해는 탄소 잔류물이 없는 순수한 은 금속만을 증착시킨다. 250 ℃ 이상의 온도에서 TGA에서 잔류 백분율은 은 입자의 이론적인 은 중량 백분율에 가깝다. 이것은 입자의 열분해가 완전히 일어났다는 것을 분명히 나타낸다. 소결이 완료된 각 시료의 잔류탄소 함량의 값은 CS분석기 (LECO社, 모델명 CS744)로 측정하였으며, 실시예 1의 값을 기준으로 상대 비교하였다.
[실시예 1]
1) 유기은이 코팅된 은입자의 제조
평균 입경이 1.7 ㎛인 응집분말이며, 1차 은 입자의 평균입경이 70 nm인 은 입자를 사용하였다.
인텐시브 믹서에 상기 은입자를 투입하고, 상기 은입자 100 중량부에 대하여, 유기은으로 라우릭산 은 0.5 중량부를 순차적으로 투입하고 1500 rpm으로 180분 동안 교반을 수행하여 코팅된 은입자(하기 표 1에 ‘유기은코팅 은입자(1)’이라 함)를 제조하였다.
2) 은 페이스트 조성물 제조
상기 제조한 표면코팅 은입자 100중량부에 대하여, 환원제로 프로필렌 글리콜 10 중량부, 1,3-프로판디올 30 중량부 및 용매로 터피네올 30중량부를 혼합하여 저온 소결용 접합 조성물을 제조하였다. 저온 소결용 접합 조성물의 물성을 평가하여 표 1,2에 나타내었다.
3)전력반도체 소결시편의 제조 및 평가
제조된 저온 소결용 접합 조성물을 DBC(은 도금 구리) 기판 상에 8개의 패턴으로 도포하고, 130℃ 열풍으로 30분간 건조 후, 상기 인쇄 및 건조된 전극 패턴들 위에 3x3 mm의 구리블럭(은 도금 구리)을 각각 올려 놓고, 10 MPa으로 가압하면서 310 ℃에서 가압소성을 수행하였다. 가압소성한 시편들의 각각의 접착강도를 측정하였고, 최대 최소를 제외한 값들의 평균을 각 시료의 접착강도 값으로 하였다. 그 결과 접착강도가 63.9 MPa으로 접착력이 매우 우수함을 확인하였다. 평가 결과를 도 1에 기재하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서, 환원제의 함량을 하기 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 평가 결과를 도 1에 기재하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 2에서, 코팅된 은입자를 변경한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
표면코팅된 은입자로 실시예 1의 은입자와 동일하게 제조하되 유기은인 라우릭산 은의 함량을 2 중량부로 변경하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 코팅된 은입자(하기 표 1에‘유기은 코팅 은입자(2)’이라 함)를 제조하였다. 평가 결과를 도 1에 기재하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 표면코팅 은입자를 사용하지 않고, 1차 입경이 45 nm인 은 입자가 응집된 평균입경 200 nm의 응집분말인 은 입자를 사용하였다. 즉, 평균입경이 200 nm인 표면 코팅되지 않은 은 입자(하기 표 1에‘무코팅 은입자(3)’이라 함)와 하기 표 1에 기재된 함량으로 환원제 및 용매를 혼합하여 조성물을 제조하였다. 제조된 조성물을 전력반도체 기판 상에 도포하고, 130℃ 열풍으로 30분간 건조 후, 상기 인쇄 및 건조된 전극 패턴들 위에 3×3 mm의 구리 블럭을 각각 올려놓고, 10 MPa으로 가압하면서 310 ℃에서 가압소성을 수행하였다. 평가된 시편들 각각의 접착강도를 측정하였고, 최대 최소를 제외한 값들의 평균을 각 시료의 접착강도 값으로 하였다. 그 결과 접착강도가 49.2 MPa의 접착력으로 실시예 1에 비하여 낮은 것을 확인하였다. 또한, 소결 온도 역시 300 ℃ 이상으로 높은 온도에서 소결이 됨을 확인하였다. 평가 결과를 도 1에 기재하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1에서 표면코팅 은입자로 아래와 같이 지방산이 코팅된 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 표면코팅 은입자 제조하였다.
또한, 제조된 표면코팅 은입자를 사용하여 실시예 1과 동일하게 저온 소결용 접합 조성물을 제조하고, 전력반도체에 접착층을 형성하였다. 그 결과 접착강도가 10.2 MPa으로 실시예 1에 비하여 접착력이 낮은 것을 확인하였다. 심지어, 6개 접착물 중 1개는 기판에서 떨어져 나갔다.
1차 입경이 45 nm이며, 평균입경이 200 nm인 응집분말인 은 입자를 사용하였다.
상기 은입자 100 중량부에 대하여, 지방산으로 라우릭산 0.5중량부를 인텐시브 믹서에 은입자와 라우릭산을 순차적으로 계량 투입하고 1500 rpm으로 180분 동안 교반을 수행하여 코팅된 은입자(하기 표 1에 ‘지방산 코팅 은입자(4)’이라 함)를 제조하였다. 평가 결과를 도 1에 기재하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 바인더 수지를 더 포함하여 조성물을 제조하였다.
상기 실시예 1과 동일한 표면코팅 은입자를 사용하고, 유기은 코팅 은입자(1) 100중량부에 대하여, 환원제로 프로필렌 글리콜 10 중량부, 1,3-프로판디올 30 중량부, 용제로 터피네올 30 중량부 및 바인더 수지로서 에틸셀룰로오스 수지(DOW社 ETHOCEL STD 4)를 0.4 중량부로 혼합하여, 저온 소결용 접합 조성물을 제조하였다. 제조된 저온 소결용 접합 조성물을 전력반도체 기판 상에 도포할 때, 도포물이 끌리는 현상이 발생하였다.
실시예 1과 동일한 방법으로 성능평가한 결과 접착강도가 50.3 MPa으로 접착강도는 양호하나, 실시예 1에 비하여 접착력이 낮은 것을 확인하였다. 이것은, 시차중량분석기로 측정결과 DT발열피크가 250℃초과에서 발현되고, 탄소함량이 206 ppm으로 검출되는 것으로 보아, 소결 후에도 잔류탄소인 탄화물이 잔존하여 은의 계면 접합력을 방해했을 거라 평가된다. 평가 결과를 도 1에 기재하였다.
[비교예 4]
표면 개질된 은입자를 사용하지 않고, 은전구체와 환원제를 조성물에 혼합하여 사용하였다.
1차 입경이 45 nm인 은 입자가 응집된 평균입경 200 nm의 응집분말인 은 입자를 사용하였다. 즉, 평균입경이 200 nm인 표면 코팅되지 않은 은 입자(하기 표 1에‘무코팅 은입자(3)’100 중량부에 대하여, 유기은으로 라우릭산 은 0.5 중량부 및 하기 표 1에 기재된 함량으로 환원제 및 용제를 혼합하여 저온 소결용 접합 조성물을 제조하였다.
제조된 저온 소결용 접합 조성물을 전력반도체 기판 상에 도포하고, 130℃ 열풍으로 30분간 건조 후, 상기 인쇄 및 건조된 전극 패턴들 위에 3x3 mm의 구리블럭(은 도금 구리)을 각각 올려놓고, 10 MPa으로 가압하면서 310 ℃에서 가압소성을 수행하였다. 평가된 시편들의 각각의 접착강도를 측정하였고, 최대 최소를 제외한 값들의 평균을 각 시료의 접착강도 값으로 하였다.
그 결과 접착강도가 38.4 MPa으로 실시예 1에 비하여 접착력이 낮은 것을 확인하였다. 또한, 유기은을 조성물에 혼합하여 도포한 경우 본 발명과 같이 코팅한 입자를 사용하는 것에 비하여 젖음성이 낮고, 소결부착력이 낮음을 알 수 있었다. 평가 결과를 도 1에 기재하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
은입자 종류/함량(중량부) 유기은 코팅 은입자(1)/
100		 유기은 코팅 은입자(1)/
100		 유기은 코팅 은입자(2)/
100		 무코팅 은입자(3)/
100		 지방산 코팅 은입자(4)/
100		 유기은 코팅 은입자(1)/
100		 무코팅 은입자(3)/
100
프로필렌글리콜
(중량부)		 10 20 20 10 10 10 10
1,3-프로판디올
(중량부)		 30 20 20 30 30 30 30
터피네올
(중량부)		 30 30 30 30 30 30 30
바인더
(중량부)		 - - - - - 0.4 -
유기은
(중량부)		 - - - - - - 0.5
도포성 우수 우수 우수 불량 불량 불량 우수
건조부착력 우수 우수 우수 불량 불량 양호 우수
소결성 매우우수 매우우수 매우우수 양호 불량 불량 우수
접착강도 매우우수 우수 우수 우수 불량 우수 불량
잔류탄소
(ppm)		 0 0 0 256 0 206 193
BLT 양호
(48.7㎛)		 양호
(48.7㎛)		 양호
(48.3㎛)		 양호
(48.7㎛)		 불량
(60.4㎛)		 불량
(50.4㎛)		 양호
(46.4㎛)
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 은입자
20 : 은전구체 화합물 코팅층
100 : 표면코팅 은입자

Claims (14)

  1. 은입자의 표면에 은전구체 화합물이 코팅된 표면코팅 은입자; 및 환원제를 포함하는 저온 소결용 접합 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 소결용 접합 조성물은 310 ℃ 이하에서 소결 가능하며, 소결 후 접착강도가 50 MPa이상인 저온 소결용 접합 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 소결용 접합 조성물은 유기바인더를 포함하지 않는 것인 저온 소결용 접합 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 은입자의 평균 입경은 0.5 내지 2 ㎛인 응집분말을 포함하며, 1차 입경이 45 내지 500 nm인 저온 소결용 접합 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 은전구체 화합물은 말레산 은(silver maleate), 푸마릭산 은(silver fumarate), 글리옥실산 은(silver glyoxylate), 피루빅산 은(silver pyruvate), 숙신산 은(silver succinate), 글루탈산 은(silver glutalate), 글루콘산 은(silver gluconate), 피크릭산 은(silver picrate), 시트릭산 은(silver citrate), 이미노디아세트산 은(silver iminodiacetate), 니트릴로트리아세트산 은(silver nitrilotriacetate), 에틸렌디아민 테트라아세트산 은(silver ethylenediaminetetraacetate), 벤조산 은(silver benzoate), 네오데칸산 은(silver neodecanoate), 라우릭산 은(silver laurate), 스테아린산 은(silver stearate), 올레산 은(silver oleate), 리놀레산 은(silver linolate), 아비에트산 은(silver abietate), 은 알킬 암모늄 카바메이트(silver alkylammonium carbamates) 및 은 알킬 암모늄 카보네이트계 화합물(silver alkylammonium carbonates)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 저온 소결용 접합 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 환원제는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민, 아닐린, 1,4-페닐디아민, 4-브로모아닐린, 3-아미노-1-프로판올, 알카놀아민, 과산화수소수, 포름산, 포름산암모늄, 포름산나트륨, 글리옥살, 히드로퀴논, 히드라진, 피로갈롤, 포도당, 갈산, 포르말린, 무수아황산나트륨, 설폭실산나트륨(rongalit), 포름알데히드, 아민류 화합물, 글리콜류 화합물, 글리세롤, 디메틸포름아미드, 탄닌산, 시트르산염, 글루코스, 아스코르브산, L(+)-아스코르브산, 이소아스콜빈산, 아스코르브산 유도체, 옥살산, 포름산, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2-부텐-1,4-디올, 2,3-부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 옥탄디올, 데카놀, 글리세롤, 1,1,1-트리히드록시메틸에탄, 2-에틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올, 1,2,6-헥산트리올, 1,2,3-헥산트리올, 1,2,4-부탄트리올, 트레이톨, 에리트리톨, 펜타에리스리톨, 페녹시에탄올, 헥시톨 및 이미노디에탄올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 저온 소결용 접합 조성물.
  7. 제 1항 내지 제 6항에서 선택되는 어느 한 항의 저온 소결용 접합 조성물을 전력반도체 기판 상에 도포하고, 건조하여 상기 은입자 표면에 환원된 은 나노입자가 형성되면서, 상기 은입자 및 은 나노입자가 서로 접하여 형성되는 은접착층을 가지는 접착제 도포층을 형성하는 단계; 및
    상기 접착제 도포층 상에 반도체칩을 적층 후, 소결하여 접착층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 전력반도체의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 은 나노입자는 상기 기판 상에도 형성되어 기판과 상기 은입자 간의 접착에 기여하는 것인 전력반도체의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 소결은 310 ℃ 이하에서 수행되는 것인 전력반도체의 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 소결에 의해 상기 은입자가 용융되어 접착되는 것인 전력반도체의 제조방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 환원은 가열에 의해 환원되는 것인 전력반도체의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 가열은 200 ℃이하에서 수행되는 전력반도체의 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 소결 시 20 MPa 이하의 압력으로 가압을 동시에 수행하는 것인 전력반도체의 제조방법.
  14. 제 7항에 있어서,
    상기 접착층의 접착강도는 50 MPa 이상인 것인 전력반도체의 제조방법.
KR1020230044122A 2023-04-04 2023-04-04 저온 소결용 접합 조성물 KR20240148569A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230044122A KR20240148569A (ko) 2023-04-04 2023-04-04 저온 소결용 접합 조성물
PCT/KR2024/004254 WO2024210466A1 (ko) 2023-04-04 2024-04-02 저온 소결용 접합 조성물

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230044122A KR20240148569A (ko) 2023-04-04 2023-04-04 저온 소결용 접합 조성물

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240148569A true KR20240148569A (ko) 2024-10-11

Family

ID=92972208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230044122A KR20240148569A (ko) 2023-04-04 2023-04-04 저온 소결용 접합 조성물

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20240148569A (ko)
WO (1) WO2024210466A1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160032613A (ko) 2014-09-16 2016-03-24 임기주 다이 접착 페이스트 및 그 제조방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4583063B2 (ja) * 2004-04-14 2010-11-17 三井金属鉱業株式会社 銀化合物被覆銀粉及びその製造方法
JP5525335B2 (ja) * 2010-05-31 2014-06-18 株式会社日立製作所 焼結銀ペースト材料及び半導体チップ接合方法
WO2011155055A1 (ja) * 2010-06-11 2011-12-15 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 低温焼結性接合材および該接合材を用いた接合方法
JP5795096B2 (ja) * 2014-02-25 2015-10-14 田中貴金属工業株式会社 低温焼結性に優れる銀ペースト及び該銀ペーストの製造方法
JP7150144B2 (ja) * 2019-03-29 2022-10-07 三井金属鉱業株式会社 加圧接合用組成物、並びに導電体の接合構造及びその製造方法
KR102304950B1 (ko) * 2020-02-11 2021-09-24 원형일 저온 소결용 은 입자 제조 방법 및 이로부터 제조된 저온 소결용 은입자

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160032613A (ko) 2014-09-16 2016-03-24 임기주 다이 접착 페이스트 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024210466A1 (ko) 2024-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11699632B2 (en) Methods for attachment and devices produced using the methods
US10090275B2 (en) Bonding method using bonding material
EP3012048B1 (en) Joining material and joining method using same
JP6884692B2 (ja) 銅粉及びそれを含む導電性組成物
JP6509770B2 (ja) 導電性金属粉ペースト
CN110181041B (zh) 一种表面进行抗氧化保护的铜颗粒、低温烧结铜膏及使用其的烧结工艺
CN110202136B (zh) 一种低温烧结铜膏及其烧结工艺
TW201911989A (zh) 金屬接合積層體的製造方法
JP2019153684A (ja) 接合用導電性ペースト
KR20210068468A (ko) 접합 재료용 입자 및 그 제조 방법, 접합용 페이스트 및 그 조제 방법, 그리고 접합체의 제조 방법
KR20240148569A (ko) 저온 소결용 접합 조성물
CN114829042B (zh) 银膏及其制造方法以及接合体的制造方法
CN110211934B (zh) 一种抗氧化保护的铜颗粒、烧结铜膏及使用其的烧结工艺
CN110202137B (zh) 一种低温烧结铜膏及其烧结工艺
CN114391169A (zh) 银烧结制备物及其用于连接电子部件的用途
EP4419275A1 (en) Composition for sintering comprising an organic silver precursor and particles of agglomerated silver nanoparticles
CN116275028A (zh) 用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法与互连工艺
KR101412812B1 (ko) 도전성 구리 페이스트 조성물 및 이를 이용한 금속 박막의 형성방법
JP2018168226A (ja) ペースト状銀粉組成物、接合体の製造方法および銀膜の製造方法
JP7515757B1 (ja) 接合用組成物
EP4249148A1 (en) Composition for sintering comprising an organic silver precursor and particles of agglomerated silver nanoparticles
WO2023190593A1 (ja) ペースト組成物及び複合体
CN110125386B (zh) 一种表面进行抗氧化保护的铜颗粒的形成方法、低温烧结铜膏及使用其的烧结工艺
CN111604617B (zh) 一种纳米焊膏、其制备方法及焊接方法
TW202423572A (zh) 接合用糊、接合體以及接合體的製造方法