친환경 자동차용 전력반도체 소자의 고온 접합 거동 연구

국문 초록 (Abstract)

친 환경 자동차는 배터리에 충전된 전기에너지를 인버터를 통해 모터를 구동시킴으로서 자동차에 동력을 전달한다. 이러한 모터 구동 제어에 있어 인버터 시스템의 핵심 부품인 전력반도체(Power semiconductor)가 배터리에서 공급되는 전력을 변환 또는 분배하여 모터를 구동시키는데 전력반도체는 동작 시에 높은 열을 발생하게 되며 발생된 열은 인버터 시스템의 전력변환 효율을 감소시키고 결국에는 반도체의 내구성 파괴의 원인이 된다. 그러므로 일반적인 반도체 소자보다 더 높은 고온 환경에서의 구동 신뢰성이 요구된다. 또한 규소(Silicon) 전력반도체소자 대비 에너지 변환효율이 높고 내열 온도가 300°C로 고온 환경 내구성이 우수한 WBG(Wide Band gap) 소자인 탄화규소(Silicon Carbide, 이하 SiC)전력반도체소자는 친 환경 자동차의 전력사용효율 극대화와 더불어 인버터의 체적감소 요구에 적합한 반도체소자로 사용이 확대되고 있다. 전력반도체 제품의 고온 환경 구동 신뢰성 확보를 위해서는 반도체 소자와 패키지 재료간의 고 방열, 고 내열성 접합 소재 확보가 시급하나 현재는 Pb-base 합금 소재를 대체할 재료가 없는 실정이다. Tin(주석)을 기반으로 하는 Lead-free 계열의 합금 재료는 낮은 융점으로 인하여 고온 사용 환경에서 적용이 제한되고 있으며 고 함량 Gold와 Silver 접합재료는 제조 원가의 상승 문제로 인하여 특수한 응용제품의 적용에 국한되고 있다.
본 연구에서는 표준 전력반도체모듈 패키지에 SiC 전력소자를 접합함에 있어 기존에 사용되고 있는 납과 주석을 기반의 합금 접합재료와 소결(Sintering)방식을 적용하는 접합소재를 사용하여 시료를 제작하고 고온 신뢰성 시험 후 각 재료 별 접합계면 거동 및 접합강도(shear strength test) 변화를 비교 관찰하였다.
실험 결과 초기 접합강도에서 Ag paste sintering이 46.17MPa로 가장 높은 결과를 보였으며 Ag film sintering이 33.38MPa로 가장 낮았으나 환경신뢰성(Thermal cycle)결과 Pb계 및 Sn계 합금 솔더와 TLP는 접합력이 지속적으로 하락하였고 Ag Paste 및 Ag film계 소결 접합재는 시험 환경에서 이종 금속 간 접합력이 계속 상승하였다. 접합계면의 분석 결과 Ag계 소결재료는 시험환경에서의 열 에너지가 추가됨에 따라 Ag입자간의 결합이 계속되었음을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, studies on hybrid electric vehicles and electric vehicles, which are environmentally friendly automobiles, have been actively conducted.
Eco-friendly automobiles are the main function of motor drive using electric energy. Power semiconductors, which are a key component in motor control through inverters, are semiconductors that convert, distribute and manage power supplied from outside. Semiconductors convert DC current from battery to AC current to drive the motor connected to the inverter. When driving, much heat is generated, and the heat generated at this time must be effectively transmitted outside the power semiconductor.
Since the heat generated from the semiconductor causes the performance of the power semiconductor itself to be reduced and shortens the life span, the high temperature drive Reliability is required. In particular, the SiC power supply, which is a next-generation semiconductor device with a high operating temperature range and a wide band gap (WBG) of energy compared to a silicon-based Si device, is the most suitable device for minimizing the volume of the inverter, Also, the module packaging bonding material used therefor is also required to have high reliability at high temperatures. Currently, most of the bonding materials for power semiconductor devices are High Contents Pb (PbSnAg) series and lead-free series ternary CuSnAg. In recent years, high temperature environment driving reliability, which is not realized by conventional bonding materials, Ag sintering and Transient Liquid Phase Sintering (TLPs) Bonding technology has been actively developed as a material demand. Based on the properties of each bonding material, the interfacial reaction and the interfacial intermetallic compound change and growth behavior in the bonding process and the high temperature reliability environment were observed, and the change in mechanical reliability was observed by measuring the shear strength.
As a result, Ag paste sintering was the highest at 46.17MPa and Ag film sintering was the lowest at 33.38MPa. However, as a result of environmental cycle, Pb and Sn alloy solder and TLP showed decrease bonding force And Ag Paste and Ag film sintered joints continued to increase in intermetallic bonding strength in the test environment. As a result of analysis of bonding interface, it was confirmed that bonding of Ag particles continued as the thermal energy in the test environment was added to the Ag system sintered material.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 초 록 4
• 영 문 초 록 5
• 1. 서 론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1. 전력 반도체 모듈(Power Semiconductor module)의 기능 3
• 2.2. 차세대 화합물 반도체 소자(SiC) 5
• 2.3. 화합물 반도체 소자(SiC)의 접합 6
• 2.4. 전력반도체 소자의 패키징 접합 재료 7
• 3. 실험방법 8
• 3.1 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 PbSnAg soldering 9
• 3.1.1 샘플 제작 9
• 3.1.2 신뢰성 평가 11
• 3.2 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 SnAgCu soldering 12
• 3.2.1 샘플 제작 12
• 3.2.2 신뢰성 평가 13
• 3.3 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 Ag Sintering (Paste type) 14
• 3.3.1 샘플 제작 14
• 3.3.2 신뢰성 평가 15
• 3.4 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 Ag Sintering(Film type) 16
• 3.4.1 샘플 제작 16
• 3.4.2 신뢰성 평가 17
• 3.5 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 TLP bonding 17
• 3.5.1 샘플 제작 17
• 3.5.2 신뢰성 평가 18
• 3.6 샘플 제작 종합 18
• 4. 결과 및 고찰 20
• 4.1. 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 PbSnAg soldering 20
• 4.2. 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 SnAgCu soldering 24
• 4.3 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 Ag Sintering (Paste type) 27
• 4.4 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 Ag Sintering (Film type) 29
• 4.5 반도체소자와 Cu base plate를 이용한 TLP bonding 30
• 4.6 신뢰성 평가 결과 32
• 4.6.1 접합강도 평가 32
• 4.6.2 신뢰성 시험 후 접합 계면분석 39
• 5. 결 론 48
• 5.1. 전력반도체소자와 Cu base plate를 이용한 PbSnAg soldering 48
• 5.2 전력반도체소자와 Cu base plate를 이용한 SnAgCu soldering 48
• 5.3 전력반도체소자와 Cu base plate를 이용한 Ag Sintering (Paste type) 49
• 5.4 전력반도체소자와 Cu base plate를 이용한 Ag Sintering (Film type) 49
• 5.5 전력반도체소자와 Cu base plate를 이용한 TLP bonding 50
• Reference 51