다나까귀금속공업의 하이브리드 신터링이 SiC/GaN 파워 모듈의 신뢰성 인식을 일신

일렉트로닉스 반도체 접합 및 봉지 계전기 및 전기 연결

2025/12/25

견적 소스: Semiconductor Digest
날짜 : 2025년 12월 12일
링크: https://www.semiconductor-digest.com/tanakas-hybrid-silver-adhesive-paste-redefines-reliability-for-sic-gan-power-modules/

다나까귀금속공업 주식회사 접착제 글로벌 R&D 시니어 매니저 아베 마타로씨가 고온 무가압 다이어태치를 가능하게 한 재료의 비약적 진보에 대해 해설

와이드 밴드 갭(WBG) 반도체가 파워 일렉트로닉스의 주류가 되고 있는 가운데, 패키징의 신뢰성은 주요한 과제의 하나가 되고 있다. 다이어태치 층은 200℃ 이상의 온도에서 동작하는 SiC MOSFET 및 GaN HEMT에 대하여 극단적인 열 응력, 기계적 응력, 화학적 응력에 노출된다. 이것은 종래의 땜납이나 에폭시계 접착제 등의 종래 재료의 한계를 초과하는 가혹한 조건이다.

다나까귀금속공업 주식회사는 고열 전도, 200℃ 이상에서의 강력한 접합, 무가압 처리, 장기 피로 내성을 실현하는 하이브리드 신터링 기술을 개발했다. 다나까귀금속공업의 R&D 부문 담당 시니어 매니저인 아베 마타로씨에 따르면 수지 중의 은신터링의 실현과 신타링 네트워크 내에서 수지분포 제어라는 두 가지 과제를 동시에 해결함으로써 혁신적인 접합 기술을 확립했다.

아베씨의 설명에 의하면, 최초의 큰 비약은 수지가 존재하는 환경에서 은 입자를 신터링할 수 있었다는 것이다. 이것은 일반적으로 신터링이 억제되는 환경입니다. “수지 중의 소결 수지가 소결 프로세스을 저해하기 때문에, 통상은 곤란하다. 독자적인 설계 기술에 의해, 은의 소결을 유지하면서 수지와의 계면 상호작용을 최적화하는 것으로, 이 과제를 극복했습니다”라고 아베씨는 말하고 있다.

두 번째 비약은 엔지니어링과 미세 구조에 관여했다. 아베씨는 “수지를 은의 소결 구조 내에 편재시킴으로써 열전도성과 기계적 유연성의 양립을 가능하게 했습니다. 수지를 균일하게 분산시키는 것이 아니라, 은의 신터링 네트워크 내에서 선택적으로 매트릭스로서 배치했습니다”라고 말했다.

수지를 필요한 곳에만 배치함으로써 다나까귀금속공업 공업은 고열전도를 유지하면서 탄성률을 대폭 낮추는 복합재료계를 개발했다. "이 두 가지 혁신으로 고열 전도를 유지하면서 기계적 유연성을 추가하고 장기 신뢰성을 확보했습니다. 기존의 수지 기반 접착제는 온도가 200°C를 초과하면 접합 강도가 크게 떨어지기 때문에 접합과 신터링을 결합해야 했습니다."라고 아베는 설명했다.

고온에서의 신뢰성은 WBG 파워 모듈에 가장 중요한 과제이다. 종래의 수지를 베이스로 한 은 접착제는 고온에서는 그 결합이 불안정해진다. 아베 씨는 이 문제의 구조에 대해 다음과 같이 설명하고 있다. "200°C를 초과하는 고온에서는 수소 결합에 의존하는 접착제 시스템의 성능이 저하되고 전단 강도가 현저히 감소합니다."

이 문제를 해결하기 위해 다나까귀금속공업 산업은은 신터링 기술과은 접합의 화학적 성질을 융합시켰다. "당사는 신터링 기술과 접합 기술을 결합했습니다. 이로써 200°C를 넘는 환경에서도 높은 결합 강도를 유지하고 온도 사이클 중에 접합 재료의 선팽창차에 기인하는 응력을 효과적으로 분산합니다"

이 결과로서 얻어진 물질은, 특히 구리나 세라믹을 베이스로 한 파워 기판에 있어서 열기계적 피로를 완화하는 안정 구조를 형성한다.

보이드 관리

보이드는 특히 고출력 모듈에서 전도성 및 신뢰성을 저하시킨다. 아베 씨는 다음과 같이 회사의 전략을 설명한다. “우선 은 필러를 고밀도로 채웁니다. 다른 크기와 모양의 은 입자를 조합하여 고밀도 구조를 형성합니다. 이것은 산소와 습기의 침입을 효과적으로 방지합니다. “보이드를 최소화함으로써 장기적인 열화의 원인이 되는 산소와 습기의 침입을 방지합니다”라고 아베 씨는 말했다.

무가압 신터링

큰 장점은 기존의 다이어태치 공정과의 높은 호환성이다. 아베씨는 다음과 같이 말하고 있다. “가압 신터링에는 전용 장치가 필요하지만, 당사의 하이브리드 신터링은 기존 배치식 오븐 등의 가열 시스템에 의해 가압 없이 처리할 수 있습니다.

가압 신터링을 요구하는 고객에게도 같은 접착제를 가압 시스템에서도 사용할 수 있다.

도 1은 다나까귀금속공업 공업의 은 다이어태치 제품 라인을 나타내고, 중앙에는 새로운 하이브리드 신터링을 나타낸다. 도 2는 하이브리드 신터링과 다른 제품군의 비교를 나타낸다.

기판 호환성

베어 구리는, 얇은 산화막의 형성에 의해 금속 접합이 저해되기 때문에, 접합이 가장 어려운 재료의 하나이다. 아베 씨는 “가장 접합하기 어려운 것은 베어 구리이기 때문에, 당사는 거기에 중점적으로 임하고 있습니다. 당사의 프로세스는 베어 구리와의 높은 호환성을 실현하고 있습니다”라고 말했다.

도 3은 베어 구리에 최적화 된 권장 경화 프로파일을 나타낸다. 이 프로파일은 은과 금에도 적합합니다. 은과 금에 대해서는 약 200℃의 저온에서도 신뢰성이 높은 접합을 달성할 수 있다.

다행히 다나까귀금속공업 공업 공장에는 이미 인프라가 정비되어 있다. "우리의 제조 공장은 다양한 페이스트 재료 생산에 대한 풍부한 경험을 가지고 있으며, 이로 인해 대규모 설비 투자없이 시제품 생산에서 대량 생산으로 원활하게 전환 할 수있었습니다."

기술적 성능 외에도 다나까귀금속공업 공업은 순환형 공급망을 구축하고 있다. 이 회사는 산업 스크랩으로부터의 귀금속 회수 · 정제에 중점적으로 임함으로써 환경 부하를 저감하고 귀금속을 지속 가능하고 효율적으로 이용하기 위한 환경 배려형의 대처를 확립해 왔다. 순환형 조달은 환경면에서의 이점에 그치지 않고 귀금속의 안정 공급을 확보하는데 있어서도 전략적으로 중요한 역할을 한다. 특히, 생산량이 한정적이고 견고한 조달 능력을 필요로 하는 원재료에 있어서는, 리사이클 공급 안정성을 높이는 동시에, 이산화탄소 배출량의 삭감이나, 보다 지속 가능한 생산 체제의 구축에도 기여한다. 본 접근법의 큰 특징은 다나까귀금속 그룹이 오랜 세월에 걸쳐 축적해 온 고도의 리사이클 기술 및 귀금속 분석 기술을 활용하여, 리사이클 귀금속으로부터 정제 된 원재료에 의해 제품이 구성되어 있다는 점에 있다. 또한 이 회사는 고객의 요구에 따라 100% 리사이클 귀금속을 사용한 제품과 솔루션을 제공할 수도 있다. “순환형 경제와 지속가능한 원재료 공급은 고객에게 매우 중요합니다. 당사의 리사이클 시스템과 조달 능력은 큰 경쟁 우위가 되고 있습니다.”라고 아베는 말했다. 덧붙여 하이브리드 페이스트는 납 및 PFAS를 일절 사용하고 있지 않다.

게다가 다나까귀금속공업 공업은 지금 조달부터 가공·제조, 판매, 리사이클에 이르기까지 귀금속 재료의 '원스톱 서비스'를 제공하고 있다.

미래의 방향성

패키징이 박형 다이나 고도의 다층 구조로 진화하는 가운데, 다나까귀금속공업 공업은 차세대 접착제의 개발을 진행하고 있다. 아베 씨는 그 로드맵을 다음과 같이 설명하고 있다. "일부 고객은 50마이크로미터 미만의 다이 두께를 목표로 하고 있습니다. 페이스트 재료는 접합 공정에서 칩 표면에 기어가는 경향이 있으며, 특히 칩이 얇아질수록 이 현상은 현저해집니다. 이 과제를 극복하는 것이 차세대 패키징에서 중요한 주제입니다"

재료와 제조 공정 양면의 비용 절감도 주요 주제이다. "차세대 수요는 매우 복잡하기 때문에 기술 동향을 조심스럽게 쫓아 재료 및 공정 양면에서 비용을 절감해야 합니다."

이를 다루기 위해 다나까귀금속공업 공업은 박형 칩에 적합한 접합 기술의 개발을 추진하고 있다. 또한, 열특성과 기계적 특성을 유지하면서 귀금속 사용량의 삭감에 의한 비용 절감에도 임하고 있다. "차세대 패키지를 향해 고객과 유럽의 연구 기관과 협업하고 있습니다"

다나까귀금속공업의 하이브리드 신터링은 단순한 새로운 접합 재료 아닙니다. 이는 업계가 열 성능과 기계적 내구성 사이의 오랜 트레이드오프에 대한 접근 방식을 변화시켜 왔음을 보여준다. 수지 구조에서의 신터링의 실현, 입자 충전의 최적화, 무가압 처리에의 대응에 의해, 이 재료는 대량 생산 시장에 진입하는 SiC/GaN 파워 모듈의 요구에 직접 대응한다.

“우리의 하이브리드 신터링 접착제는 장기 신뢰성과 열효율이 필수적인 차세대 파워 일렉트로닉스의 요구에 충분히 대응하고 있습니다.