전기차인버터용 SiC전력반도체에 적용하기 위한 ENIG 표면처리된 기판과 소자의 냉간 은 소결접합의 구동력과 고온 내구성 메커니즘

국문 초록 (Abstract)

지속 가능한 지구 건설을 위해 기존 내연기관 자동차에서 친환경 전기자동차로의 전환이 가속화되고 있다. 차량의 전동화를 위해 기존의 실리콘(Si) 전력반도체 소자는 트랙션 인버터의 고전력밀도화 및 고전압․고온 동작에 밴드갭의 한계로 인해 성능과 전비 효율이 제한되고 있다. 따라서, 인버터의 고전력밀도화를 구현하고 고전압 고온구동을 안정적으로 할 수 있는, 넓은 밴드갭(wide band-gap: WBG)을 그 특성으로 가지는 실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)와 같은 WBG 전력 반도체의 도입과 및 실용화에 대한 산업계의 요구가 시급하게 이루어지고 있다. 특히, SiC와 GaN은 높은 절연 파괴 전압과 열전도도로 인해 파워인버터의 실질적인 전력밀도 증대와 효율을 극대화시킬 수 있으며, 이로인해 소형화된 고전력밀도 파워인버터는 고전압 구동에 의한 250°C 이상의 고온에서도 안정적인 동작을 보장할 수 있을 것으로 기대된다.
WBG 반도체는 높은 전압 및 전력밀도 사용으로 인해 많은 열을 발생시켜 약 250 °C 이상의 작동 온도를 가질 것으로 예상된다. 이러한 고온 동작 및 고발열 소자의 다이 접합과 관련하여 기존의 솔더링(soldering) 공정은 빠른 공정 속도와 무가압 공정 특성으로 가장 보편적으로 적용되고 있다. 하지만, 고온의 융점을 가지면서 공정 비용와 고신뢰성을 나타내는 솔더 합금은 대부분 환경 규제 대상인 Pb가 함유되어 있다. 이에 환경친화적인 무연(Pb-free) 솔더의 적용이 검토되고 있지만, 융점이 200~300 °C 남짓으로 장기적인 신뢰성에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 또한 접합부를 구성하는 금속간 화합물은 진동 및 충격에 매우 취약한 특성을 나타내므로 전기자동차 전력반도체에 적용하기에 신뢰성 문제가 우려된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 Ag 소결 접합이 유망한 대안으로 떠오르고 있다. Ag 소결 접합 기술은 비교적 낮은 온도(300ºC 미만)에서 구현할 수 있으며, 높은 용융 온도와 우수한 열적 특성으로 고온에서 안정적이다. 그러나 기존 연구의 상당수는 다양한 크기와 형태의 Ag 페이스트를 적용한 가압 소결 기술을 사용하여 다이 부착 구조의 접합 강도를 높이는 연구에 집중되어왔다. 이러한 높은 소결 온도와 가압공정은 전력 반도체 다이 부착 중 잔류 응력으로 인한 변형 문제를 발생시킨다. 따라서, 가압력을 사용하지 않으면서 소결 온도를 더욱 낮추어 전력반도체의 변형을 최소화해야 한다. 또한 가압력을 사용하지 않는 공정 단순화를 통해 설비투자 비용 최소화하여 상용화하려는 노력이 필요하다.
이론적으로 Ag는 약 150 °C에서 소결 가능성을 보임에도 불구하고 이론적으로 소결 가능한 최소 온도에 근접한 온도에서 만족스러운 강도를 달성한 소결 접합 공정에 대한 이전 연구는 매우 드물다. 따라서 이와 관련한 저온 Ag 소결 접합의 메커니즘과 구동력에 대한 심도 깊은 이해를 통해 접합 강도를 높이고 변형 억제를 극대화 해야한다. 또한 저온 소결 구조가 극한의 환경에 노출되었을 때의 신뢰성과 열화 메커니즘을 규명해야 한다.
특히 소형화 및 동력전달체계 효율이 극대화된 In-wheel motor 시스템은 각 바퀴에 모터를 장착하여 동력 전달 손실을 최소화하고 출력을 높이는 기술로, 극히 제한된 방열시스템에서도 구동되어야 하는 극한의 고전력밀도 파워모듈의 실질적인 기술개발이 요구된다. 그러나 휠 내부의 공간 제약과 냉각 옵션의 제한으로 인해 파워모듈의 동작 내구성 보장이 어렵게 된다. 구체적으로, 휠 내부의 브레이크는 전력변환시스템과 가깝게 위치되며, 브레이크 패드는 약 250 °C 이상의 고온이 초래될 수 있어, 인버터 내부의 파워모듈이 이처럼 제한적인 냉각 및 동작 환경에서도 안정적으로 구동될 수 있는 재료 및 시스템의 근본적인 설계와 검증이 필요하다.
이 논문에서는 이론적으로 Ag 소결이 가능한 최저 온도에서 무가압 소결을 구현하여 Ag-Au간 175 °C 냉간 소결 메커니즘을 규명하고, 신뢰성 실험을 통해 열화 메커니즘에 대해 규명한다. 이 때 기판과 다이는 산업에서 일반적으로 사용되는 무전해니켈-금(electroless nikel immersion gold, ENIG) 도금 처리 된 Cu가 사용되었다. 그 결과, 최대 37 MPa의 강도를 나타내는 무가압 소결이 175 °C의 온도에서 성공적으로 달성되었으며 15분 간격으로 접합 구조가 심층적으로 고찰되었다. Au 금속화층의 텍스처 거동과 X선 응력 거동, Ag-Au 에피택시 형성/성장에 관련된 Ag 소결 층의 결정학적 거동을 정량적이고 체계적이고 정량적인 방법으로 논의된다.
또한, 냉간 소결 은 소결접합부가 In-wheel motor 시스템에 적용되었을 때의 고온 신뢰성을 규명하기 위해 250 °C의 온도 환경에서 최대 500시간까지 노출시켜 고온 신뢰성 테스트가 수행되었다. Au 금속층과 Ag 소결체의 열화 메커니즘과 파괴 거동은 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산 X선 분광법(EDS), 전자 후방 산란 회절(EBSD)등을 이용하여 체계적으로 고찰되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ag sintering with excellent properties is a promising die-attach material for wide bandgap (WBG) power devices in electric vehicles (EVs). Despite the development of various Ag sintering bonding technologies within the 250 °C to 300 °C range, the industry continues to require lower die-attach temperatures and simpler processing methods to suppress power module deformation. Therefore, it is necessary to increase the bonding strength and maximize the deformation suppression through a deep understanding of the mechanism and driving force of low-temperature Ag sintering bonding. In addition, it is crucial to clarify the reliability and degradation mechanisms of low-temperature sintered structures when exposed to extreme environments.
Conventional soldering technology for die-attach face challenges at high operating temperatures and strict environmental regulations. In response, Ag sintering technology has attracted attention due to high melting temperature and thermal conductivity. However, since high sintering temperature and pressurized processes are still used, deformation occurs after die-attachment of the power module. Therefore, this paper investigates the mechanisms of pressureless low temperature Ag sintering at 175 °C with various bonding times. Furthermore, the fracture behavior and high-temperature reliability of cold- sintered Ag structure was examined after thermal reliability test.
The Ag(silver) sintering process is theoretically possible to sinter around at 145 °C. However, the sintering mechanism at such low temperatures is remains unclear. This study implements Ag sintering at the lowest theoretically possible temperature and investigates the driving force for enhancing the Ag sinter joining on a Ni/Au finished Cu substrate. The robust strength about 37 MPa achieved by cold Ag sintering at 175 °C for 60 minutes using specimens with both the die backside and substrate surface finished with Ni/Au. During the initial 15 minutes at 175 °C, Ag-Au inter-diffusion layers strongly developed in the (001) direction. As the time increased to around 60 minutes, these layers shifted to epitaxial growth in the (111) orientation. The bonding strength between Ag and Au was improved not only by the epitaxial growth of Ag-Au but also by the increase in inter-diffusion layers and Au substrate stress. This study quantitatively and systematically elucidates the texture behaviors and X-ray stress behaviors of the Au surface finish and the crystallographic behaviors of the Ag sintered layer involved in Ag-Au epitaxial formation/growth, which can enhance cold Ag sintering joining.
The thermal reliability of the cold-sintered Ag structure were investigated in high-temperature thermal aging tests for up to 500 hours at 250 °C. As thermal aging progressed, the porosity of the Ag sintered layer increased from 10.5% at the as-sintered state to maximum of 27.9% at the 500 hours of thermal aging tests. The average bonding strength of Ag sintered joints were changed from an initial strength of 37 MPa to 11.7 MPa after 500 hours. Therefore, increased porosity was a critical factor in substantially decreasing the bonding strength. In addition, cracks that promote Ag-Au interdiffusion were observed in the Au layer after the 125 hours of thermal aging test. The occurrence of cracks can be contributed to Ag-Au diffusion and reduce the interface connected ratio, which can further decrease the joint strength.
The driving forces of the cold Ag sinter bonding are the increase of the residual stress of the Au substrate and the epitaxial growth of Ag-Au. The deterioration of the cold Ag sintering structure after the thermal aging test was significantly influenced by the expansion of pore in Ag sintered layer and the formation of cracks in the Au layer. The bonding structure is expected to face serious reliability problems in harsh thermal conditions such as integrated on an in-wheel motor system. These findings can be utilized as important basic data for enhancing the efficiency and reliability of power module die attachment.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ 서론 1
• 1.1 서론 1
• 1.2 참고문헌 10
• Ⅱ Driving force for enhancing the cold silver sinter joining using time domain-dependent Ag-Au epitaxy and interfacial stress 16
• 2.1 서론 16
• 2.2 실험 방법 19
• 2.2.1 저온 Ag 소결 접합 과정 19
• 2.2.2 접합부의 미세구조와 기계적 특성 22
• 2.3 실험 결과 25
• 2.3.1 Ag 소결층의 미세구조 25
• 2.3.2 Ag-Au 확산층 31
• 2.3.3 결합강도 및 파괴거동 35
• 2.4 고찰 43
• 2.4.1 Ag-Au 확산과 결정학적 거동에 의한 계면 연결 43
• 2.4.2 Ag-Au 상호작용에 의한 저온 Ag 소결 메커니즘 58
• 2.4.3 Load-bearing capability에 대한 Ag-Au 고용층의 영향 61
• 2.5 결론 63
• 2.6 참고문헌 64
• Ⅲ Physics of failure and high-temperature reliability on Ag sintered ENIG finished die-attachments at 175 °C for integration of in-wheel motor systems 70
• 3.1 서론 70
• 3.2 실험 방법 74
• 3.2.1 저온 Ag 소결 접합 과정 및 고온 신뢰성 실험 74
• 3.2.2 특성 분석 75
• 3.3 실험 결과 78
• 3.3.1 다이 접합층의 계면 미세구조 78
• 3.3.2 고온 신뢰성 실험에 따른 기계적 성능 81
• 3.3.3 파괴 거동 83
• 3.4 고찰 85
• 3.4.1 고온 신뢰성 시험 후 Ag-Au 확산 거동 85
• 3.4.2 접합 계면의 미세구조 변화 88
• 3.4.3 파괴 메커니즘 93
• 3.5 결론 95
• 3.6 참고문헌 96
• Ⅳ 연구의 결론 98
• Abstract 99