1. 서 론
최근 전기차 시장이 급격히 성장함에 따라 전력변환 부품인 파워 모듈의 성능 향상 연구가 전 세계적으로 진행되고 있는데, 그 핵심 전략은 기존의 실리콘 파워 반도체를 SiC 및 GaN와 같은 wide band gap(WBG) 파워 반도체로 대체하는 것이다[1-6]. WBG 파워 반도체는 고전압 사용 및 저 스위칭 손실에 기인한 높은 전력 변환 효율과 빠른 스위칭 속도를 제공하는 한편 인버터 크기 감소, 하네스 경량화 및 방열 시스템의 최소화로 인한 파워 모듈의 경량화로 에너지의 효율적 사용과 주행거리 개선을 동시에 도모할 수 있다[7-9]. 그러나 WBG 파워 반도체의 구동 온도는 200 °C를 상회하고, 냉각 시스템의 최소화 등에 의해 최대 300 °C에 이를 것으로 예상됨에 따라 현재 솔더를 사용한 다이 접합(die bonding)법의 변경이 필수적인 상황이다[10,11]. 즉, 기존 실리콘 파워 반도체의 다이 접합 소재인 무연(Pb-free) 솔더 또는 Pb 기반 솔더는 상기 구동 온도가 용융 온도 이상이거나 높은 homologous 온도에 해당되므로 기계적 신뢰성의 급감을 피할 수 없다[12]. 따라서 WBG 파워 반도체에 대응되는 접합부는 고융점 물성과 함께 우수한 열전도도 특성을 나타내는 소재로 대체되어야 한다.
현재 상용화된 WBG 파워 반도체의 다이 접합 기술은 Ag 입자 함유 페이스트 또는 Ag 입자 기반 필름을 사용한 소결접합(sinter-bonding)이다[13-18]. Ag 입자는 융점에 비해 크게 낮은 온도(200-300 °C)에서도 내산화 특성에 기반한 우수한 소결 특성을 나타내는 한편, 금속 중에서 가장 우수한 열전도도 특성을 나타낸다. 따라서 961 °C의 융점 특성을 나타내는 소결 접합부는 300 °C 이상에서도 안정적인 기계적 특성을 나타내며, 공극률이 낮을 경우 열전도도 또한 벌크(bulk) Ag에 근접하는 특성을 나타낼 수 있다. 이에 Ag 입자 기반의 무레진(resin-free) 페이스트 또는 필름 소재에 대한 개발 및 소결접합 공정성의 평가 연구 결과들이 다수 보고된 바 있는데[19-23], 최근 들어서는 접합 시간을 최소화시킨 가압 공정용 소재를 개발하거나 무가압 공정이 가능한 소재를 개발하는 연구에 보다 많은 역량이 집중되고 있다[24-33].
가압 공정에서 소결 접합 시간을 줄이기 위한 페이스트 소재의 개발 방안으로는 비표면적이 큰 Ag 나노입자를 필러(filler) 소재로 사용하는 연구가 가장 광범위하게 시도되어 왔다[34-38]. 그러나 연구 목적으로 소량의 페이스트를 제조하는 경우와는 달리 실제 대량 제조 공정 시 Ag 나노입자들은 자체적으로 응집이 심하고, 페이스트 제조 동안 혼합에 의한 균일 분산 방안이 실질적으로 부재한 상황이다. 또한 Ag 나노 입자를 사용한 페이스트의 경우도 최소 수분 이상의 소결접합 시간이 요구되어 접합 생산성의 향상을 위한 새로운 공정 방안의 제안도 요구된다[39-42].
따라서 본 연구에서는 균일 혼합이 가능한 필러 소재로 표면적이 발달한 마이크론급 Ag 입자를 자체적인 습식 합성법으로 제조하고, 이를 필러 소재로 적용한 페이스트를 제조하여 고속 소결접합 특성을 확보하고자 하였다. 필러 입자들간의 소결이 표면 영역을 통해 이루어지는 것을 고려할 때 요철 형성 등으로 표면적이 발달한 Ag 입자는 마치 나노입자를 섞어 사용하는 것과 같은 우수한 소결 특성을 나타낼 수 있을 것으로 기대된다. 또한 소결접합 공정의 생산성을 극대화하기 위해 10초의 짧은 가압 공정과 긴 무가압 공정을 연속적으로 수행하는 새로운 소결접합 공정을 도입해 보았다. 이 경우 후속 무가압 소결접합 공정은 앞서 짧은 가압 소결접합을 통과한 샘플들을 모아 한꺼번에 진행할 수 있으므로 기존 수분에 이르는 개별 칩의 가압 소결접합 공정 대비 월등한 접합 생산성의 향상을 기대할 수 있다.
2. 실험 방법
표면적이 발달된 1.5 μm Ag 입자의 제조 방법은 다음과 같았다. 100 ml의 증류수에 Ag 전구체인 질산은(AgNO3, Hojeonable Inc., 99.99%)을 용해시켜 0.1 M의 Ag 용액을 준비하였다. 이후 250 rpm의 교반을 유지하며 환원제인 하이드록실아민(hydroxylamine, NH2OH, Alfa Aesar, 50%)을 상기 Ag 용액에 5 ml 첨가한 뒤 상온에서 10분동안 반응시켰다. 반응 완료 후 침전된 Ag 분말을 에탄올을 사용하여 충분히 세척한 다음, 진공 챔버(chamber)에서 건조한 뒤 수득하였다. 이와 같은 Ag 입자 제조 과정의 모식도는 그림 1과 같다. 제조된 Ag 입자의 형상은 전계 방출형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM, JSM-6700F, JEOL)을 사용하여 분석하였으며, X선 회절(X-ray diffraction, XRD, DE/D8 Advance, Bruker) 분석을 통해 합성 입자의 상분석을 실시하였다. X선 분석에는 Cu-Kα(λ=1.54 Å) 타겟을 사용하였으며, 20-80o의 2θ 범위에서 0.2 deg/s의 속도로 스캔(scan)을 실시하며 회절 패턴을 기록하였다.
소결접합을 위한 페이스트는 상기 합성된 Ag 입자에 에틸렌글리콜(ethylene glycol, C2H6O2, Daejung, 99%) 용제를 17 wt% 첨가한 후 스펠츌러(spatula)로 혼합하여 제조하였다. 제조된 Ag 페이스트의 열적 특성을 알아보기 위하여 대기 중에서 400 °C까지 20 °C/min의 속도로 승온하며 열중량-시차열분석(thermo gravimetry-differential thermal analysis, TG-DTA, DTG-60H, Shimadzu)을 실시하였다.
소결접합 공정을 위해 약 500 nm 두께의 Ag가 스퍼터링(sputtering)으로 증착된 10 × 10 × 0.1 mm의 Cu 더미(dummy) 기판과 3 × 3 × 0.1 mm의 Cu 더미 칩이 접합 부품으로 사용되었다. 제조된 Ag 페이스트를 100 μm 두께의 스텐실 마스크(stencil mask)를 사용하여 3 × 3 mm2의 면적으로 Cu 더미 기판 상에 프린팅(printing)한 후, 용제의 적절한 건조를 위해 150 °C의 핫플레이트(hot plate) 상에서 10초 동안 pre-heating을 실시하였다. 이후 Cu 더미 칩을 프린팅된 Ag 페이스트 패턴 상에 정렬하여 놓은 뒤 열압착 본더(thermo-compression bonder)를 사용하여 대기 중에서 10초동안 가압 소결접합을 수행하였다. 가압 소결접합은 대기 중 5 MPa의 가압력과 250 또는 300 °C의 온도에서 10초동안 실시되었다. 상기 10초의 시간은 상온에서의 승온 직후부터 카운트된 것인데, 300 °C 가열의 경우 접합부는 약 10초 후 300 °C에 도달하는 것으로 측정되었다. 이후 질소 분위기에서 열처리를 진행하였는데, 이때 열처리는 앞서 가압 소결접합 온도와 동일한 온도에서 실시되었으며, 열처리 시간은 30분 및 60분으로 설정하였다. 상기 실시된 소결접합 공정을 모식도로 요약하면 그림 2와 같다.
이후 본드 테스터(bond tester, Dage4000, Nordson Corp.)를 사용하여 접합된 시편의 전단 강도를 측정하였다. 이때, 전단 팁(tip)의 높이는 기판으로부터 200 μm였으며, 팁을 200 μm/s의 속도로 움직여 칩을 전단시키며 파단이 발생할 때까지의 최대 응력값을 전단 강도값으로 기록하였다. 또한 조건당 평균 전단 강도값은 매 접합 조건당 5개 이상의 접합 시편의 전단 강도를 측정하여 그 평균값으로 정의하였다. 접합부의 단면 미세조직을 분석하기 위해 접합 시편의 단면을 정밀 연마한 후, 고분해능 전계방사형 주사전자현미경(high resolution field emission scanning electron microscope, HR-SEM, SU8010, Hitachi)을 사용하여 내장된 후방산란전자(back-scattered electron, BSE)모드로 촬영하였고, 전단 시험 후 형성된 파단면 조직은 상기 전계방출형 주사전자현미경을 사용하여 촬영하였다. 자체 제작한 이미지 프로세싱 소프트웨어를 사용한 단면 미세조직 이미지의 분석으로 형성 접합부에서의 공극률도 측정해 보았다.
3. 결과 및 고찰
그림 3(a)와 3(b)는 합성된 Ag 입자의 저배율 및 고배율 주사전자현미경 이미지이다. 합성된 Ag 입자의 평균 입도는 약 1.5 μm로 측정되었으며, 표면적이 발달된 입자와 구형 입자가 혼재하여 존재하였다. 표면적이 발달된 Ag 입자는 중심으로부터 모든 방향으로 뻗어 있는 침상의 돌기들이 응집된 형태로 관찰되었으며, 일부 돌기들은 중심 줄기들을 기준으로 또 다른 가지들이 짧게 형성된 미성장 덴드라이트 형태로 관찰되었다. 구형 입자의 경우 표면이 매끄러운 형태 및 표면에 미세 돌기 또는 노듈(nodule)이 형성되어 상대적으로 거친 표면의 입자 형태가 동시에 존재하였다. 이와 같이 다양한 형태의 입자들이 관찰되었지만, 표면적이 발달된 입자들의 분율이 가장 컸으며, 입자들간의 응집 현상은 관찰되지 않았다.
합성된 1.5 μm Ag 입자에 에틸렌글리콜 용제를 혼합하여 제조한 페이스트의 TG-DTA 분석 결과는 그림 4와 같았다. 약 100 °C를 지나면서부터 페이스트에서는 급격한 무게 감소가 시작되어 약 180 °C까지 17 wt% 가량의 무게 감소가 발생하였으며, 이후 미량의 무게 감소가 추가적으로 관찰되었다. 또한 당 페이스트에서는 176 °C에서 강한 흡열 피크(peak)가 관찰되었고, 이후 221 °C에서는 강한 발열 피크가 생성되었다. 176 °C의 흡열 피크는 페이스트를 제조하기 위해 첨가한 에틸렌글리콜의 증발에 의한 것으로 이를 통해 페이스트의 급격한 무게 감소도 180 °C까지 진행된 것으로 분석되었다. 180 °C 이후 관찰되는 미량의 무게 감소는 앞서 가열동안 미처 증발되지 못하고 입자의 돌기 사이에 잔존하던 에틸렌글리콜이 뒤늦게 증발되는 원인으로 판단된다. 이후 221 °C에서 관찰되는 발열 피크는 대부분의 용제가 증발된 후 용제 내에 분산되어 있던 Ag 입자들이 서로 접촉하며 소결이 일어나면서 생성되는 것으로 분석되었다. 이러한 입자들간의 소결 현상은 가압 조건에서 훨씬 활발하게 진행될 것으로 예상된다. 발열 피크의 마무리가 250 °C 근방임을 고려할 때 소결접합 온도는 250 °C 이상이 적절하다고 판단되었다. 한편 실제 소결접합 공정에서 상온부터 접합 온도까지 연속적인 가열의 온도 프로파일(profile)은 에틸렌글리콜의 증발에 따른 급격한 out-gassing을 유발하므로 안정적인 소결접합을 방해할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 페이스트의 인쇄 후 인쇄 패턴 상부에 칩을 정렬하여 놓기 전에 인쇄 패턴 내부의 용제를 적절히 제거하기 위해 pre-heating을 통한 drying 공정을 삽입하였는데, 그 공정 온도는 TG 결과를 고려하여 150 °C로 설정하였다. 한편 Ag의 뛰어난 내산화 특성으로 인해 온도가 300 °C까지 증가하는 동안 산화로 인한 무게 증가는 관찰되지 않았다.
제조한 페이스트를 사용하여 대기 중에서 5 MPa의 압력으로 가압하며 소결접합을 진행한 뒤, 질소 분위기에서 열처리를 연이어 실시할 경우 가압 접합 및 열처리 온도와 열처리 시간에 따른 접합부 전단 강도 측정 결과를 그림 5에 나타내었다. 250 °C에서 10초동안 가압 소결접합한 직후 접합부는 평균 8.15 MPa의 전단 강도값을 나타내어 불충분한 접합력을 나타내었으나, 이를 동일한 온도에서 30분 동안 열처리할 경우 전단 강도는 14.79 MPa까지 증가하였고, 열처리 시간을 60분까지 증가 시 전단 강도는 15.71 MPa로 증가하였다. 따라서 250 °C에서의 짧은 가압소결접합을 통해 충분한 접합 강도를 확보할 수 없었으며, 이후 추가적인 열처리 시에도 강도값은 20 MPa을 상회하지 못하였다. 반면 300 °C에서는 10초간의 가압 소결접합 시 20 MPa를 상회하는 우수한 전단 강도값 (21.96 MPa)을 나타내었다. 10초와 같은 극도로 짧은 접합시간에서도 20 MPa를 상회하는 전단 강도값이 획득된 것은 페이스트 소재에서는 보고되지 않는 수준의 결과이며, 현재 상용화 된 Ag 나노입자 기반의 필름형 소결접합 소재에서나 관찰되는 우수한 결과이다[16,17]. 또한 Akada 등은 Ag 나노입자 기반 페이스트를 사용한 가압(5 MPa) 소결접합 시 300 °C까지 가열한 직후 냉각시킨 접합부에서 약 30 MPa의 강도값을 획득하였는데[38], 그 승온속도가 1 °C/s로 느렸던 것을 고려하면 본 결과는 Ag 나노입자를 사용한 경우와 유사한 우수한 접합성을 나타낸다고 판단할 수 있다. 이후 동일한 온도에서 30분 동안의 열처리를 추가 실시할 경우에는 그 강도값이 37.75 MPa까지 크게 증가하였으나, 열처리 시간을 60분까지 증가시켰을 경우는 전단 강도값이 38.71 MPa을 나타내어 그 강도 증가치가 매우 미미하였다. 따라서 300 °C에서의 짧은 가압 소결접합 공정으로 20 MPa을 상회하는 충분한 전단 강도값을 확보할 수 있었으며, 이후 30분간의 추가 열처리 공정을 통해 그 강도값을 약 72%까지 증가시킬 수 있었다. 또한 본 연구에서 사용된 Ag와 유사한 필러, 즉, 지름 3 μm의 밤송이형 Ag 입자와 지름 1 μm의 구형 Ag 입자를 5:5로 배합한 필러를 사용한 Roh 등이 300 °C 질소 분위기 하 무가압 조건에서 60분간 소결접합을 실시하여 18.6 MPa의 전단 강도값을 얻은 것을 고려할 때[25], 본 연구에서 제안한 Ag 필러 소재와 짧은 가압 소결접합 후 열처리 공정은 기존 공정 대비 매우 효율적이면서 생산성을 향상시킬 수 있는 공정으로 판단된다. 본 연구에서의 보다 우수한 소결 접합성은 사용 필러 표면에서의 돌기들이 더욱 미세한 원인에 기인한 것으로 분석되는데, Roh 등이 사용한 밤송이형 입자에서의 돌기는 수백 나노급 두께의 판상형임에 반하여, 본 연구에서 사용한 입자에서의 돌기는 수십-수백 나노급 지름의 노듈형이었다.
대기 중에서 10초동안의 짧은 가압 소결 후, 그리고 질소 분위기에서의 열처리 시 온도 및 시간에 따라 형성된 접합부 단면의 후방산란전자 이미지(back-scattered electron image, BSI)를 그림 6에 나타내었으며, 대표 계면 조직으로서 기판과 접합부 사이 계면 영역의 확대 이미지를 각 그림 우측 상단에 삽입하였다. 250 °C에서 접합 직후 형성된 접합부 미세조직(그림 6(a))에서는 Ag 입자들간의 소결이 발생하였으나, 충분히 진행되지 않아 상대적으로 매우 큰 공극률을 나타내었다. 그러나, 가압력의 영향으로 불규칙한 조대 공극(void)은 관찰되지 않았고, 대체적으로 균일한 미세조직을 나타내었다. 상기 시편을 30 및 60분 동안 열처리하였을 경우의 접합부(그림 6(b) 및 6(c))는 Ag 입자들간의 소결이 눈에 띄게 증대되어 단면 조직상에서도 Ag 입자들간의 연결이 끊어지지 않는 네트워크(network)조직이 관찰되었고, 이에 따라 접합부의 두께 및 공극률이 감소한 것이 관찰되었다. 한편 300 °C에서 접합 직후 형성된 접합부 미세조직(그림 6(d))에서는 250 °C 접합 조직과는 달리 10초의 매우 짧은 소결접합 상황에도 Ag 입자들 간의 소결이 충분히 진행되어 네트워크 조직이 관찰되었다. 이는 50 °C의 추가 승온이 Ag 입자들의 표면 소성 변형을 증대시킬 뿐만 아니라 Ag 입자 표면의 침상 돌기 및 미세 돌기에서의 Ag 확산도 증대시켜 확연히 향상된 소결 결과를 나타낸 것으로 분석된다.
이후 상기 시편을 30 및 60분 동안 열처리하였을 경우 접합부(그림 6(e) 및 6(f))의 공극률은 추가적으로 감소하였는데, 이는 삽입된 확대 이미지에서 더욱 명확히 확인할 수 있다.
상기 관찰된 접합부 단면의 저배율 이미지를 바탕으로 공극률을 측정한 결과를 그림 7에 나타내었다. 좌우에 배열된 공극부 분포 이미지들에서 컬러 점들은 개별 공극부들은 나타내는데, 점의 크기는 공극부의 크기에 대응되나 각 색깔은 공극부들의 구분을 위한 것으로 추가적인 의미는 없다. 그 결과 250 °C에서 10초동안 가압 소결 접합 시 공극률은 32.86%에 달했으며, 공극의 평균 크기도 1.28(±0.49) μm 수준으로 측정되었다. 이어 30분 동안 열처리를 실시한 경우 공극률은 13.87%로 크게 감소하였으며, 공극의 평균 크기 또한 0.91(±0.23) μm로 감소하였다. 그러나 열처리 시간을 60분까지 증가시켰을 경우에는 13.00%까지 다소간의 공극률 감소만이 관찰되었고, 공극의 평균 크기도 유사하게 관찰되었다. 한편 300 °C에서 10초 동안 가압 소결 접합 시 공극률 및 공극의 평균 크기는 각각 12.16%와 0.90(±0.24) μm로 측정되었는데, 이는 250 °C에서 가압 소결 접합 후 60분의 열처리까지 진행한 경우보다 더 작은 값이었다. 이후 30 및 60분간의 열처리 시 공극률은 각각 9.13% 및 5.44%로 감소하였으며, 공극의 평균 크기 또한 각각 0.85(±0.20) μm 및 0.77(±0.14) μm로 감소하였다. 이와 같은 공극률 변화 양상은 상기 그림 5의 전단 강도 변화 결과와 대체적으로 반비례하며 부합하는 경향을 보여주었다. 이상의 결과로부터 표면적이 발달된 마이크로급 Ag 입자를 사용한다면 5 MPa의 적정한 가압력 하에서 300 °C 소결접합을 수행할 경우에도 초고속 소결접합이 가능함을 미세조직 분석 및 기계적 테스트를 통해 확인하였으며, 이는 Ag 나노입자를 사용한 경우와 유사하여 궁극적으로 Ag 나노입자를 대체할 가능성을 보여준다. 즉, 본 Ag 입자들에서 관찰된 침상 돌기 팁(tip) 부분과 미세 돌기들은 나노입자 지름 수준의 크기여서 나노입자와 유사한 우수한 소결 특성을 나타낼 수 있을 것으로 예상되는데, 이들이 입자 표면에 존재하므로 가압 조건 하에서 사용된 마이크론급 Ag 입자들의 소결성이 나노급 입자에 버금가는 수준까지 증진되는 것으로 분석되었다[43]. 아울러 30분간의 열처리의 경우 소결 정도를 눈에 띄게 개선시킬 수 있음을 미세조직 관찰을 통해 확인하였고, 이는 곧바로 소결 접합부의 전단 강도 향상에 기여함을 확인할 수 있었다.
그림 8은 가압 소결접합 직후 및 열처리 후 형성된 접합부를 전단 시험하여 파단된 대표 표면을 관찰한 주사전자현미경 이미지이다. 250 °C에서 10초동안 가압 소결한 직후 형성된 파단면(그림 8(a))에서는 Ag 입자들간의 소결이 전체적으로 잘 이루어지지 않아 넥킹(necking)이 발생하지 않고 입자 표면의 침상 돌기 및 미세 돌기들도 원래대로 유지되고 있는 입자들이 다수 관찰되었다. 이에 비해 250 °C에서 30분간의 열처리를 추가적으로 실시한 시편의 경우(그림 8(b)) 전체적으로 입자들간의 소결이 확연히 진행되어 초기 입자 형태를 유지하고 있는 입자들은 관찰되지 않았고, 입자 소결체와 미세 공극들이 존재하는 상태에서 소결체들이 다소 소성변형되며 파단된 조직이 관찰되었다. 또한 250 °C에서 60분간의 열처리를 실시한 시편(그림 8(c))은 Ag 입자들간의 소결이 진행되며 보다 치밀해진 조직이 관찰되었으며, 전단 시험 방향으로 확연히 소성 변형된 파단 조직이 관찰되었다. 한편 300 °C에서 10초동안 가압 소결한 직후 형성된 파단면(그림 8(d))은 초기 입자의 형상의 잔존 없이 넥(neck) 소결 단계를 넘어선 Ag 입자들간의 확연한 소결 조직과 함께 규칙적인 미세 공극들이 관찰되었다. 특히 소결에 의한 입자들간의 연결성은 그림 8(c)의 조직보다도 우수한 것으로 관찰되었는데, 이를 통해 21.96 MPa의 양호한 전단 강도값을 나타내는 조직임을 확인할 수 있었다. 또한 300 °C에서 30분간의 열처리를 추가적으로 실시한 시편의 경우(그림 8(e)) 입자간의 소결이 더욱 심화되어 입자 사이의 계면이 거의 사라진 조직이 관찰되었으며, 이로 인해 전단 시험 시 늘어지며 소성변형된 파면 조직이 보다 확연히 관찰되었다. 반면 300 °C에서 60분간의 열처리한 시편(그림 8(f))은 그림 8(e)에 대비하여 크게 변화된 조직을 보여주지 못하였다. 이러한 결과는 Fig 5의 전단시험 결과와 잘 일치한다.
소결접합 온도 및 열처리 시간에 따른 전단 시험 후 파면 위치 증빙을 위한 파단면의 저배율 주사전자현미경 이미지와 이를 도식적으로 표현한 파단 경로 모식도를 그림 9에 나타내었다. 그림 9(a)-9(f)의 저배율 파단면은 더미 기판의 상부 접합면을 촬영한 것인데, 열처리 조건에 추가 노출된 모든 시편들의 경우 가압력 부재로 인한 국부적으로 불균일한 소결의 진행으로 주름 조직 및 성긴 밀도의 조직이 불규칙적으로 생성된 결과가 관찰되었다. 250 °C에서 가압 소결접합 및 열처리를 추가한 경우((그림 9(a)-9(c))와 300 °C에서 가압 소결접합한 경우((그림 9(d))의 시편들은 파면 전면적에서 소결된 Ag만 관찰되었고, 맞은편 더미 칩 샘플들의 파면도 이와 유사하여 이와 같이 상대적으로 낮은 전단 강도 시편들에서는 형성 접합부 내부를 가로지르는 접합부 내 파단(cohesive 파단, 그림 9(g))이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이는 10%를 상회하는 공극률로 인해 충분히 치밀화되지 못한 접합부 내부에서 균열이 쉽게 전파된 결과로 사료된다. 반면 300 °C에서 가압 소결접합 후 열처리한 경우(그림 9(e) 및 9(f))의 시편들에서는 소결된 Ag 접합부 내부에서의 파단뿐만 아니라 칩 하부 피니쉬(finish) 층의 일부도 뜯겨져 나와 cohesive 파단과 칩 표면 Ag 피니쉬 층 파단이 혼재(그림 9(h))되어 관찰되었다. 이는 상대적으로 치밀화된 접합부에 의해 전단 강도가 증가하면서 칩 표면 Ag 피니쉬 층의 일부에서도 파단이 진행된 결과로 해석된다. 따라서 소결 접합층의 치밀도 향상으로 전단 강도값이 35 MPa을 상회하는 경우는 접합층 내부 외에 추가적인 파단 경로가 더해져서 높은 전단 강도값 결과에 대응되는 최종 파면이 관찰되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 넓은 비표면적을 나타내는 평균 직경 1.5 μm 크기의 Ag 입자를 제조하고, 이를 사용한 페이스트를 제조하여 10초동안의 짧은 가압 소결접합을 실시하는 한편, 이후 접합부 강도 강화를 위한 실용화 공정으로 열처리를 추가적으로 실시하여 열처리 온도 및 시간에 따른 접합부 특성 변화 분석을 실시하였다. 제조 페이스트는 대기 중 가압 소결접합 공정에 잘 대응하였는데, 5 MPa의 압력 하에서 300 °C까지 가열하는 단 10초의 고속 소결접합 적용 시에도 형성된 접합부는 21.96 MPa의 양호한 전단 강도값을 나타내었다. 이후 질소 분위기 하 동일한 300 °C에서 30분 동안의 열처리를 추가할 경우 그 강도값은 37.75 MPa까지 크게 증가하는 결과가 관찰되어 개별칩의 빠른 가압 소결접합 공정 후 접합된 칩들을 모아 대량의 칩들을 한번에 열처리하는 공정을 제안할 수 있었다. 이러한 전단 강도값의 향상 원인은 300 °C 열처리 시 Ag 입자들간의 소결 증진에 의한 접합부 내 공극률 감소, 즉, 접합부 밀도 증가에 기인함을 접합부 단면 및 파면 미세조직 분석으로부터 확인할 수 있었다. 특히 300 °C에서의 가압 소결접합 후 열처리된 시편들에서는 전단 시험에 의해 늘어지며 소성변형된 파면 조직이 접합부 내 파단면에서 지배적으로 관찰되었고, 칩 표면 Ag 피니쉬 층의 일부에서도 파단이 진행된 혼합 파면 조직이 생성되었다.
페이스트를 제조하는 데 부담이 없는 마이크로미터급 Ag 입자를 사용한 페이스트의 상기 소결접합 분석 결과들을 통해 초고속 가압 소결접합 결과를 획득할 수 있는 방안으로 넓은 비표면적의 Ag 입자를 사용하는 아이디어를 제시할 수 있었으며, 대량 생산 공정으로 고려될 수 있는 30분간의 연속 열처리 공정에 의한 접합부의 미세조직 개선 및 접합 강도 강화 방안도 효과적인 아이디어임을 증명할 수 있었다.
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