SiC 활용 시 실리콘 대비 신뢰성 및 각종 효율 향상 기대돼

최근 고온 솔더가 정책적, 기술적 문제로 인해 이슈화되고 있다. 물론 무연화로 인한 환경 규제가 고온 솔더 대체재 개발의 큰 이유 중 하나라 할 수 있지만, SiC나 새로운 디바이스 소재가 사용되는 차세대 디바이스의 등장 또한 주요 동인으로 작용하고 있다.
이와 관련, EU와 일본을 중심으로 고온 솔더 연구 동향에 대해 설명하려 한다.

EU…물성 데이터베이스화에 중점

유럽에서는 주로 여러 국가가 EU라는 테두리 안에서 협력을 통해 연구하고 있다. 2007년에 종료된 'COST 531' 프로젝트는 EU의 17개국, 45개 연구기관이 6개의 워킹그룹을 이루어 진행됐다.
6개의 워킹그룹 중 1, 2 그룹은 열역학적 계산에 대해 주로 연구했고, 3~6 그룹은 물리적, 화학적 특성 및 신뢰성에 대해 연구했다.
그 결과 Ag, Au, Bi, Cu, In, Ni 등의 열역학, 무연 솔더 합금의 물리적 적합성, 그리고 무연 솔더와 솔더 조인트의 미세 구조 등에 대해 데이터베이스화 할 수 있었다.
이후 실시된 ‘MP0602' 프로젝트에서는 주로 무연 솔더 대체재에 대한 연구가 이루어 졌다. 이 프로젝트에서는 특별히 어떤 조성이 열적 신뢰성이 좋다고 권장하는 것이 아니라 광범위한 방법을 제시하고, 이 중 각각의 물성을 데이터베이스화하는 것이 목적이었다.

일본…새로운 방식의 패키징 기술 개발 필요

일본에서는 오래전부터 정부주도 프로젝트가 다수 진행되어 왔다(그림 1).

그림 1. 일본의 고온 솔더 연구동향

이 프로젝트의 대부분은 차세대 디바이스용 고온 솔더 대체재 개발에 초점이 맞춰져 있다.
사실 고온 솔더 대체라는 안건 중에서도 SiC와 같은 작동 온도가 굉장히 높은 차세대 디바이스에 어떻게 사용할 것이냐 하는 문제가 가장 중요하다.
고온 환경에서 기존의 Pb-Sn은 쓰기 어렵고 다른 고온 솔더를 본다고 하더라도 약 -40∼+300°에 이르는 환경에서 신뢰성을 유지할 수 있는지가 문제된다. 이에 Zn계, Bi계, 도전성 접착제 및 금속 페이스트 등이 거론됐다.
과거 진행했던 프로젝트를 예로 살펴보려 한다. 2005년에서 2007년까지 진행된 ‘NEDO 고온 유연 솔더 대체기술 개발’ 프로젝트는 리플로우 온도(최고 260℃) 환경 및 유연성에 대한 요구와 SiC 등의 차세대 디바이스 실용화에 따른 200∼300℃ 가량의 온도에 버틸 수 있는 솔더를 개발하기 위해 진행됐다.
이 프로젝트의 주된 목표는 260℃ 이상의 내열 접속기술 개발, 파인피치(50㎛폭/스페이스) 대응, 고 열전도율(30, 50W/mK) 달성 재료 개발 및 저 전기저항(10-5Ω㎝)을 만족하는 재료 개발이다.
연구 결과 금속계 Zn-Sn, Bi계, 도전성접착제, 금속 페이스트를 개발해 모두 내열성을 확보했으며, 접합계면 제어 및 우수한 신뢰성을 증명했다. 이로 인해 파인피치, 유연성을 가진 플립칩 접속이 제안됐고, 열전도율이 100W/mK가 넘는 재료개발에 성공했다(그림 2).

그림 2. NEDO 고온 유연 솔더 대체기술 개발

더불어 도전성접착제의 Sn 도금과의 고습열화 메커니즘 해명, 각종 특성, 신뢰성의 표준기술 등을 ISO에 제안했다.

1. SiC 반도체 파워 디바이스
하이브리드 자동차와 같은 차세대 디바이스에 사용되는 파워모듈은 대전류에 의한 디바이스의 자체발열, 엔진 가까이에 위치해 발생하는 가열 및 진동 등 가혹한 환경 하에서 작동할 수 있어야 한다.
따라서 파워 디바이스 내부 접속에 사용할 수 있는 고온 솔더에서도 고온 신뢰성을 개선한 재료나 기존 Pb계 솔더를 대체한 무연화 재료 개발이 요구되고 있다. 이 외에도 차세대 반도체인 SiC 디바이스 실장, LED 다이어태치 등의 분야에서도 온도에 대한 신뢰성 및 방열성이 뛰어난 접합재료 개발이 요구되고 있다.
만약 SiC 디바이스를 하이브리드 자동차에 적용한다면, SiC는 250℃ 이상에서 작동할 수 있기 때문에 엔진과 냉각계통의 공유 및 모터 일체형 인버터를 사용할 수 있다. 따라서 기존 대비 인버터 크기를 1/5 크기로 줄일 수 있고 전력 변화 효율을 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다. 현재 일본에서 SiC의 단결정을 성장시키는 기술은 이미 확보한 상태이며, 이를 통해 디바이스를 제조하고 있다(그림 3).

그림 3. SiC 반도체 파워 디바이스 예

한편 현재의 패키징 기술은 대부분 Si 디바이스용으로 개발되어 있다. 따라서 175℃정도까지 밖에 대응할 수 없기 때문에, 차세대 디바이스에 적용하기 위해서는 패키징 기술도 달라져야 한다(그림 4).

그림 4. 높은 내열성을 가진 솔더가 필요한 제품군

따라서 무연 솔더나 나노입자 페이스트를 이용해 고열전도를 실현하려 노력하고 있지만 무연 솔더같은 경우엔 200℃ 이상에서는 사용하기 어렵고, 나노입자 페이스트는 내열성 면에서는 문제되지 않지만 가격이 비싸기 때문에 범용성에 문제를 보이고 있는 실정이다.
따라서 앞으로 유해물질을 사용하지 않으면서 기존 솔더보다 낮은 온도에서 접합할 수 있으며, 고온 신뢰성이 뛰어나 새로운 디바이스에 적용이 가능한 재료 및 패키징 프로세스 개발이 요구된다.

2. 고온 솔더 연구 동향
기존에는 Pb가 많이 들어가고 Sn이 적게 들어간 고온 솔더를 사용했다. 하지만 차세대 디바이스에 대응하기 위해 현재 주로 보고되고 있는 솔더를 살펴보면 Au-Sn, Au계, 및 Cu-Sn 등이다.
고온 솔더 대체재로 Zn계와 Bi계를 비교해보려 한다. Zn계는 현재 알루미늄이 들어간 상태로 연구되고 있지만, Sn이 들어간 상태인 Zn-30Sn로 비교한다.
연구 결과, 벌크했을 때 Zn- 30Sn이 Bi-Ag계보다 강도 면에서 우수하다는 것이 밝혀졌다. 또한 실리콘으로 접합해 -40∼+120℃의 열 프로파일로 측정했을 때, 기존 Pb-5Sn보다는 훨씬 우수한 것을 알 수 있었다. 그럼에도 불구하고 Au-20Sn보다는 우수한 특성을 나타내지 못했다(그림 5).

그림 5. Au-30Sn이 우수한 강도를 가진다는 것을 알 수 있었다

현실적으로 볼 때 Au로 하는 것이 특성 면에서 우수하지만 가격적인 측면을 고려하면 수지가 맞지 않아 대면접합을 하기에 적합하지 않아 보인다.

정리 : 임재덕 기자 (smted@hellot.net)