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표제지 2

국문 초록 5

Abstract 6

목차 8

제1장 서론 13

제2장 이론적 배경 15

2.1. 세라믹/금속 접합 15

2.1.1. 접착제 접합 15

2.1.2. 메탈라이즈 접합 15

2.1.3. 공정 접합 16

2.1.4. 활성 금속 브레이징(Active metal brazing) 16

2.2. 세라믹/금속 접합 신뢰성 19

2.2.1. 젖음성 19

2.2.2. 잔류응력 20

2.3. 일방향 다공성 구리 21

2.3.1. 일방향 다공성 구리 제조 공정 22

2.3.2. 일방향 다공성 구리 특성 25

제3장 실험재료 및 실험방법 27

3.1. 실험재료 개요 27

3.1.1. 모재 준비 27

3.1.2. 브레이징 필러 메탈 29

3.2. 접합 공정 31

3.3. 미세조직 분석 34

3.4. 전단시험 37

3.5. 열충격 시험 40

제4장 실험 결과 및 고찰 43

4.1. 미세조직 분석 43

4.2. 기계적 특성 비교 분석 48

4.2.1. 전단강도 48

4.2.2. 시편의 파괴 거동 53

4.2.3. 열충격 시험 결과 57

제5장 결론 61

제6장 참고문헌 63

표목차 12

Table 1. The Chemical composition of Filler Metal 30

그림목차 10

Fig 1. Schematic diagram of the bonding processes of DBC and AMB 18

Fig 2. Schematic diagram of the wettability between ceramic and... 19

Fig 3. Schematic illustration of residual stress generated at the... 21

Fig 4. Cross-sectional view of lotus-type porous copper 22

Fig 5. Schematic diagram of continuous casting 24

Fig 6. Young's modulus and thermal conductivity of lotus-type porous... 26

Fig 7. Schematic diagram of test specimen 28

Fig 8. Electric Discharge Machine(EDM ROBOFIL 400 CHARMILLES... 28

Fig 9. Cu-Sn-Ti paste DTA analysis 30

Fig 10. Muffle Furnace(AJ-M88) 32

Fig 11. Compact Tube Furnace (RD, R Serise) 32

Fig 12. Brazing temperature profile 33

Fig 13. Scanning Electron Microscope(Axia ChemiSEM) 35

Fig 14. Optical Microscope(Keyencem, VHX-X1) 36

Fig 15. Schematic diagram of shear strength test 38

Fig 16. Universal testing machine(AGS-X) 39

Fig 17. Custom-built thermal shock test system 41

Fig 18. Thermal shock test temperature profile 42

Fig 19. Cross-sectional images of non-porous copper and... 45

Fig 20. EDS analysis results of non-porous copper 46

Fig 21. EDS analysis results of lotus-type porous copper 47

Fig 22. Shear strength of joints with different porosity 50

Fig 23. Load-dispalcemnet curves of joints with different porosity 51

Fig 24. Schematic buckling modes of components non-porous Cu and... 52

Fig 25. Schematic drawing of fracture mechanism of non-porous Cu joint... 52

Fig 26. Fracture surface of Cu/Al₂O₃ joint: non-porous Cu side, and... 55

Fig 27. Load-displacement curve of lotus Cu/Al₂O₃ joint 56

Fig 28. Shear strength of non-porous Cu/Al₂O₃ joint and lotus... 59

Fig 29. Fracture surface of non-porous Cu/Al₂O₃ joint and lotus Cu/Al₂O₃... 60

초록보기

 최근 전력반도체 시장의 급속한 성장과 함께 파워모듈의 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 고온 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 기판 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 특히 SiC(실리콘 카바이드) 칩의 도입으로 파워모듈의 평균 구동 온도가 상승함에 따라, 열적 안정성과 기계적 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 기판 소재 개발이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 요구에 부합하기 위해 AMB(Active Metal Brazing) 기판의 금속층으로 일방향 다공성 구리를 적용하였다.

일방향 다공성 구리(Unidirectional porous copper)는 일방향 다공성 구조를 가지며, 기존의 비다공성(non-porous) 구리에 비해 낮은 영률을 나타내 유연성이 우수하다. 본 연구에서는 다양한 기공률을 갖는 일방향 다공성 구리를 활용하여 AMB 기판을 제작하고, 기존의 비다공성 구리를 이용한 기판과의 기계적 및 열적 특성을 비교하였다. 전단 시험 결과, 일방향 다공성 구리 기판은 비다공성 구리 기판에 비해 낮은 전단 강도를 보였으나, 파괴 시까지의 변위가 더 긴 것을 확인할 수 있었다. 또한, 열충격 시험 진행에 따라 비다공성 구리 접합 시편은 약 64.5%의 전단 강도 감소율을 나타낸 반면, 일방향 다공성 구리의 경우 기공률에 따라 각각 44.4%, 11.56%, 12.01%의 감소율을 보였다. 이는 일방향 다공성 구리의 낮은 영률로 인한 것으로 판단된다.

이러한 결과는 일방향 다공성 구리의 차세대 AMB 기판으로서의 적용 가능성을 제시하며, 고온 환경에서의 내구성과 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 유망한 소재임을 입증한다. 본 연구는 전력반도체용 고신뢰성 파워모듈 기판 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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