일방향 다공성 구리를 이용한 Cu-Sn 계 천이액상확산접합부 특성

초록

최근 파워 모듈의 고전력화 및 소형화 기조에 따라 구동 온도가 높아져 접합부의 고온 신뢰성 확보를 위한 접합기술 개발이 요구되고 있다. 이에 따라 접합부를 융점이 높은 금속간화합물로 형성하여 열적으로 안정적인 구조를 유지할 수 있는 천이액상확산 (Transient Liquid Phase, TLP) 접합에 대해 지속적으로 연구되고 있다. 하지만, 일방향 다공성 금속(Uni-directional Porous Metal, UPM)을 활용한 TLP 접합 연구는 부족하다. UPM은 일방향으로 기공이 형성되어 있는 구조를 가지므로, 수직 방향의 탄성율이 종래의 다공성 금속체에 비해 낮으며, 기공과 평행한 방향으로 우수한 열전도율을 지닌다. 이에 따라 열적, 기계적 특성 개선을 기대할 수 있고, TLP 접합에서의 UPM 활용은 구조적으로 확산과 파단에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 UPM을 활용한 TLP 접합에서의 접합 시간에 따른 미세조직과 파단의 변화에 대해 고찰하였다. 일방향 다공성 구리를 활용하지 않은 기존의 TLP 접합부와 일방향 다공성 구리를 interlayer로 넣은 접합부를 비교하였다. 접합은 300 o C에서 60분, 120분, 180분, 240분 동안 진공 상태에서 thermo-compression 방식으로 진행되었다. 접합 이후 기계적 특성 분석을 위해 전단 시험이 수행되었으며, 접합시간 60분, 120분에 서 일방향 다공성 구리를 이용한 접합부의 우수한 전단강도를 확인할 수 있었다. 일방향 다공성 구리를 따라 발생하는 파단 경로 방해 또는 crack 전파 억제 효과로 인한 것으로 추정된다. 금속간화합물 두께에 따른 파단 분석과 접합부 단면에서 확인되는 voids 형성 거동을 통해 접합시간에 따른 전단강도 경향성에 대해 분석하였다.