Cu@Cu6Sn5 코어의 일시적인 액상 결합을 기반으로 한 Cu3Sn 접합

May 30, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 668(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

고집적화, 고전력 전자 장치의 개발로 인해 고온을 견딜 수 있는 일치하는 칩 연결 재료가 부족해졌습니다. 이 원고에서는 Cu@Cu6Sn5 코어-쉘 바이메탈 입자(직경 약 1μm)가 성공적으로 준비되어 Cu3Sn 전체 IMC 솔더 조인트를 얻기 위한 전력 장치 패키징용 새로운 솔더 재료로 도입되었습니다. 결합은 주로 등축 Cu3Sn 입자와 원주형 Cu3Sn 입자의 작은 부분으로 구성되었습니다. 기둥형 성장에서 Sn은 Cu6Sn5에서 Sn이 고갈되어 발생하는 지배적인 확산 종입니다. 고갈된 Cu6Sn5는 원주형 Cu3Sn으로 변환됩니다. 등축형 성장에서는 Cu가 지배적인 확산 종이다. Cu는 Cu6Sn5와 반응하여 Cu3Sn 층을 성장시킵니다. 이 결론은 방향 관계에 의해 확인되었습니다. Cu/Cu3Sn 인터페이스의 등축 Cu3Sn 입자 핵은 Cu 기판과 방향 관계를 갖습니다. Cu6Sn5/Cu3Sn 경계면의 원주형 Cu3Sn 입자는 Cu6Sn5와 방향 관계를 가지고 있습니다.

고집적 및 고전력 전자 장치의 개발로 인해 SiC, GaN 및 기타 넓은 밴드갭 반도체 재료를 기반으로 하는 새로운 전력 장치의 제조가 급속히 발전했습니다. SiC 기반 전력 장치는 최대 600°C까지 작동하는 것으로 밝혀졌지만1,2,3 고온을 견딜 수 있는 일치하는 칩 연결 재료가 부족하다는 문제가 있었습니다. 과도한 리플로우 온도는 높은 열 스트레스를 유발하고 시스템의 다른 온도에 민감한 장치를 손상시킬 수 있습니다. 따라서 솔더 재료는 저온 및 짧은 리플로우 조건에서 작동하는 것이 바람직하며 결과 솔더 조인트는 더 높은 서비스 온도를 견딜 수 있습니다4,5,6.

Cu-Sn 시스템의 야금학적 반응은 수년 동안 잘 연구되어 왔습니다7,8,9. 이는 두 가지 유형의 금속간 화합물(IMC)인 Cu6Sn5 및 Cu3Sn의 형성과 관련됩니다. Cu3Sn은 상대적으로 좋은 기계적 성질을 가지고 있습니다. 용융온도, 영률, 경도 측면에서 Sn보다 우수합니다. 또한 Cu3Sn의 파괴인성은 5.72MPa/m로 Cu6Sn5(2.80MPa/m)의 2배에 달합니다. Qiu 등10은 약 10μm의 접합 두께로 24시간 동안 260℃(1 MPa 보조 압력) 리플로우하여 Sn 필름과 Cu 도금을 사용하여 단일 Cu3Sn 솔더 접합을 준비했습니다. 반대로 340℃에서 3분간 리플로우(보조압력 9.6MPa)를 사용하였지만 접합두께가 3μm에 불과하였다. 다른 사람들도 샌드위치 구조(Cu/Sn/Cu)를 사용하여 TLP(일과 액상) 방법으로 Cu3Sn 솔더 접합을 얻는 방식으로 유사하게 작업했습니다. 이 방법에는 압력이나 초음파 또는 전류의 지원 적용이 필요합니다9,11,12,13. 이러한 솔더 조인트의 두께는 수 마이크론(10μm 미만)에 불과한 경우가 많습니다. 조인트의 열-기계적 신뢰성을 위해서는 응력 집중을 완화하기 위해 조인트의 특정 두께(15μm 이상)가 바람직합니다4,5,6.

Cu3Sn은 다양한 형태를 지닌 금속간 화합물입니다. 최근 몇 년 동안 Cu3Sn의 다양한 형태에 대한 연구가 진행되었습니다. Equiaxed Cu3Sn은 현재 가장 많이 연구된 입자입니다. 기존 TLP(Cu/Sn/Cu 샌드위치 구조) 방법으로 얻은 Cu3Sn 솔더 조인트는 거친 원주형 Cu3Sn 입자로 구성됩니다(그림 1). 과거 연구에서는 솔더링 공정 중에 Cu3Sn 입자가 먼저 미세한 등축 형상으로 핵화된다는 결론을 내렸습니다. 이는 복잡한 모양의 Cu3Sn 입자가 나타날 시간과 공간이 충분하지 않기 때문입니다. Cu3Sn 입자는 단순히 등축 모양으로 성장하는데, 이는 Cu3Sn 입자가 선호하는 성장 방향으로 성장하는 것을 방지할 때 성장하는 데 가장 낮은 에너지가 필요하기 때문입니다. 등축 Cu3Sn 결정립이 임계 크기로 성장함에 따라 Cu3Sn/Cu6Sn5 인터페이스를 따라 있는 Cu 원자는 Cu3Sn을 형성하는 계면 반응에 참여하여 최소 확산 저항을 얻기 위해 Cu6Sn5 결정립의 평행하고 조밀한 적층 평면을 교차하도록 선택합니다. 그 결과, 기둥 모양의 Cu3Sn 입자가 형성되는데, 이는 Cu3Sn 입자가 등축 모양에서 기둥 모양으로 변화함을 의미합니다. 그러나 확산 거리의 차이로 인해 Cu 원자는 Cu6Sn5와 원주형 Cu3Sn 상단 사이의 경계면을 따라 Cu3Sn을 형성하는 Cu6Sn5로 확산됩니다. 결과적으로, 원주형 Cu3Sn 입자는 납땜이 진행됨에 따라 계속해서 성장하며, 폭보다 길이가 더 크게 증가하는 것이 특징입니다7,8,12,14.