활성금속 브레이징을 이용한 일방향 다공성 구리-알루미나 접합의 기계적 특성 연구 = Mechanical Properties of Unidirectional Porous Copper-Alumina Joints Fabricated by Active Metal Brazing

국문 초록 (Abstract)

최근 전력반도체 시장의 급속한 성장과 함께 파워모듈의 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 기판 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 특히 SiC(실리콘 카바이드) 칩의 도입으로 파워모듈의 평균 구동 온도가 상승함에 따라, 열적 안정성과 기계적 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 기판 소재 개발이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 요구에 부합하기 위해 AMB(Active Metal Brazing) 기판의 금속층으로 일뱡향 다공성 구리를 적용하였다.
일뱡향 다공성 구리(Unidirectional porous copper)는 일방향 다공성 구조를 가지며, 기존의 비다공성(non-porous) 구리에 비해 낮은 영률을 나타내 유연성이 우수하다. 본 연구에서는 다양한 기공률을 갖는 일뱡향 다공성 구리를 활용하여 AMB 기판을 제작하고, 기존의 비다공성 구리를 이용한 기판과의 기계적 및 열적 특성을 비교하였다. 전단 시험 결과, 일뱡향 다공성 구리 기판은 비다공성 구리 기판에 비해 낮은 전단 강도를 보였으나, 파괴 시까지의 변위가 더 긴 것을 확인할 수 있었다. 또한, 열충격 시험 진행에 따라 비다공성 구리 접합 시편은 약 64.5%의 전단 강도 감소율을 나타낸 반면, 일방향 다공성 구리의 경우 기공률에 따라 각각 44.4%, 11.56%, 12.01%의 감소율을 보였다. 이는 일방향 다공성 구리의 낮은 영률로 인한 것으로 판단된다.
이러한 결과는 일방향 다공성 구리의 차세대 AMB 기판으로서의 적용 가능성을 제시하며, 고온 환경에서의 내구성과 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 유망한 소재임을 입증한다. 본 연구는 전력반도체용 고신뢰성 파워모듈 기판 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid growth of the power semiconductor market has led to an increasing demand for power modules, thereby emphasizing the need for substrate technologies capable of reliable operation under high-temperature environments. With the adoption of silicon carbide (SiC) chips, the average operating temperature of power modules has risen, necessitating the development of substrate materials that ensure both thermal stability and mechanical reliability.
In this study, Unidirectional porous copper was applied as the metal layer of active metal brazing (AMB) substrates to address these requirements. Unidirectional porous copper, characterized by a one-way pore structure and a lower Young’s modulus compared to conventional non-porous copper, offers superior flexibility. AMB substrates were fabricated using unidirectional porous copper with varying porosities, and their mechanical and thermal properties were evaluated and compared to those of substrates employing non-porous copper.
Shear tests indicated that while unidirectional porous copper substrates exhibited lower shear strength, they demonstrated greater displacement prior to fracture. Furthermore, after thermal shock testing, the non-porous copper joint specimen exhibited a shear strength reduction of approximately 64.5%, whereas the unidirectional porous copper joints showed reductions of 44.4%, 11.56%, and 12.01%, respectively, depending on the porosity. This is considered to be due to the low Young’s modulus of the unidirectional porous copper.
These results suggest that unidirectional porous copper is a promising candidate for next-generation AMB substrates, capable of providing both durability and reliability in high-temperature environments. This study is expected to contribute to the development of highly reliable power module substrates for advanced power semiconductor applications.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론
• 제2장 이론적 배경
• 2. 1. 세라믹/금속 접합
• 2. 1. 1. 접착제 접합
• 2. 1. 2. 메탈라이즈 접합
• 2. 1. 3. 공정 접합
• 2. 1. 4. 활성금속 브레이징
• 2. 2. 세라믹/금속 접합 신뢰성
• 2. 1. 1. 젖음성
• 2. 1. 2. 잔류응력
• 2. 3. 일방향 다공성 구리
• 2. 3. 1. 일방향 다공성 구리 제조 공정
• 2. 3. 2. 일방향 다공성 구리 특성
• 제 3 장 실험재료 및 실험방법
• 3. 1. 실험 재료 개요
• 3. 1. 1 모재 준비
• 3. 1. 2 브레이징 필러 메탈
• 3. 2. 접합 공정
• 3. 3. 미세 조직 분석
• 3. 4. 전단 시험
• 3. 5. 열충격 시험
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰
• 4. 1. 미세조직 분석
• 4. 2. 기계적 특성 비교 분석
• 4. 2. 1. 전단 강도
• 4. 2. 2. 시편의 파괴 거동
• 4. 2. 3. 열충격 시험 결과
• 제 5장 결론
• 제 6장 참고문헌