Wide Bandgap 전력반도체용 그래핀 코팅 Cu-Ag 하이브리드 페이스트의 대기 중 소결 접합 연구

국문 초록 (Abstract)

Cu 소결 페이스트는 Ag에 비해 상대적으로 낮은 비용으로 인해 와이드 밴드갭 전력반도체용 다이 어태치 재료의 대체재로 주목받고 있다. Cu 페이스트는 우수한 열적 및 전기적 특성과 높은 비용 효율성을 제공하지만, 다이 어태치 공정 동안 대기 중에서 빠르게 산화되는 문제가 있다. Cu의 산화는 소결층의 기계적 및 열적 특성을 저하시킬 수 있으므로, 소결 과정에서 반드시 억제되어야 한다. 본 연구에서는 열적 산화를 방지하기 위해 수열 합성 공정을 이용하여 Cu 입자 표면에 그래핀 코팅을 적용하였다. 그래핀은 기체와 이온에 대한 불투과성 특징을 가지므로, 산화 방지 코팅 재료로서 매우 유망하다. 그래핀 코팅된 Cu(Gr@Cu) 기반 페이스트는 대기 중에서 산화 없는 접합부를 형성하였으며, 그 결과 접합 강도는 300 ℃에서 52.78 MPa로 측정되었다. 또한 소결 접합부의 열전도도는 168 W/m·K로 측정되었으며 비코팅 페이스트 (Cu/Ag) 대비 약 133 % 높은 값을 나타내었다. 이러한 기계적 성능 향상은 그래핀에 의해 유도된 열팽창 불일치 메커니즘으로 분석되었다. 또한 대기 중 고온 장기 신뢰성 실험을 진행하여 500시간까지의 열적 안정성을 확인하였다. 결론적으로, Gr@Cu 기반 페이스트는 대기 중 소결 공정에 적용 가능한 차세대 전력반도체용 다이 어태치 재료로서의 높은 잠재력을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cu sinter paste has received attention as an alternative die-attach materials for wide bandgap power semiconductor because of relatively lower cost than Ag. Cu paste offers excellent thermal and electrical properties and cost-efficiency; however, it undergoes rapid oxidation in air iduring the die-attach process. Cu oxidation has detrimental effects on the mechanical and thermal properties of sintered layer, thus it must be suppressed during the sintering process. Here, we adopt graphene coating by hydrothermal synthesis on the Cu powder to prevent thermal oxidation. The impermeability of graphene to gases and ions makes it a promising coating material for oxidation prevention. The developed graphene-coated Cu hybrid paste achieved oxidation-free bonding in air, significantly improving the bonding strength from 31.09 MPa to 52.78 MPa. Furthermore, the thermal conductivity of the sintered joint reached 168 W/m·K, approximately 133% higher than that of the non-coated Cu-Ag paste. The enhanced mechanical performance was attributed to the compressive stress generated by the thermal expansion mismatch induced by graphene, which promoted the in-situ formation of Ag nanoparticles. Overall, the superior oxidation resistance of graphene-coated Cu material demonstrates its remarkable potential as a promising die-attach material for next-generation power semiconductor in air sintering.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ 서론 1
• 1.1. 파워 모듈 1
• 1.2. 와이드 밴드갭 전력반도체 3
• 1.3. 다이 접합 기술 5
• 1.4. Ag 소결과 Cu 소결 10
• 1.5. Cu 산화 방지 기술 및 한계점 13
• 1.6. 그래핀 코팅 적용을 통한 대기 소결 공정 16
• Ⅱ 대기 중 소결 접합 공정 18
• 2.1 실험 방법 18
• 2.1.1 그래핀 합성 및 코팅 18
• 2.1.2 접합 공정 19
• 2.1.3 특성 분석 21
• 2.2 결과 및 고찰 23
• 2.2.1 그래핀 합성 및 코팅 유무 분석 23
• 2.2.2 소결 접합부의 미세구조 분석 26
• 2.2.3 소결 접합부의 기계적 특성 30
• 2.2.4 소결 접합부의 열적 및 전기적 특성 34
• 2.2.5 소결성 향상 메커니즘 41
• 2.2.6 Comsol 시뮬레이션 분석 46
• 2.2.7 소결 접합부의 산화 저항성 49
• Ⅲ 대기 중 고온 신뢰성 평가 54
• 3.1 실험 방법 54
• 3.2 결과 및 고찰 56
• 3.2.1 고온 노화 시험 후 소결 접합부의 미세구조 56
• 3.2.2 고온 노화 시험 후 소결 접합부의 기계적 특성 60
• 3.2.3 고온 노화 시험 후 소결 접합부의 산화 저항성 66
• 3.2.4 고온 노화 시험 후 미세구조 변화 메커니즘 70
• Ⅳ 연구의 결론 72
• 참고문헌 73
• Abstract 80