소개
전력반도체 다이접합용 구리 소결 페이스트에 쓸 Cu/PDA 입자를 산세부터 시드 성장까지 하나의 습식공정으로 만드는 설계안과 그 검증 방법을 정리한 기술 자료다.
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요약
전력반도체 다이접합에서 Ag 소결 접합재를 구리로 바꾸려면 구리 입자 표면에 소결을 돕는 나노 구리가 있어야 한다. PDA 층에 담지한 구리이온을 환원만 해서는 그 양이 단원자층에도 못 미친다. 담지 Cu를 시드로 삼아 본체와 연결된 나노 구리를 키우는 통합 습식공정과 단계별 판정 방법, 비교군 설계를 다룬다.
결론
목표 입자는 산세한 구리 본체 위에 얇은 PDA 계면층을 두고, 그 표면에 본체와 결합된 나노 구리를 형성한 구조다. 공정은 산세, PDA 형성, 구리이온 담지, 시드 환원, 시드 성장, 세척·보관, 소결 접합으로 이어진다. 교반·세척·고액분리 중심의 습식공정이어서 광펄스 설비가 필요하지 않다. 단계 사이의 표면 상태와 액 조성을 관리하기 위해 각 단계는 분리된 욕에서 운전한다. 핵심 설계 전환은 담지 후 환원에서 시드 성장으로 넘어간 것이다. PDA 두께 2 nm, 구리와 PDA 반복단위의 비 0.5를 가정하면 1회 담지 Cu는 금속 등가 두께 약 0.07 nm로 단원자층(약 0.2 nm)에 못 미친다. 판형 입자 기준 신생 Cu는 원료 대비 0.19%로, 소결 보조 나노 Cu 배합량보다 2~3자릿수 부족하다. 담지 Cu를 시드로 삼아 등가 5 nm를 성장시키면 판형 입자의 신생 Cu는 13.3%가 된다. 모두 원본에 명시한 가정에 따른 설계 계산값이다. PDA 형성과 담지 단계에서는 서로 부딪히는 요구를 분리한다. 용존산소로 PDA를 키우면 구리 본체의 재산화도 함께 늘어난다. 그래서 욕 안의 Cu²⁺를 도파민 산화 촉매로 써서 용존산소를 낮춘 상태로 PDA 성장을 유지하는 경로를 설계했다. Cu²⁺의 중합 가속은 문헌 근거가 있고, 본체에서 녹아 나온 Cu²⁺를 동시에 포획하는 경로는 추론 기반 설계다. 담지욕은 Cu(OH)₂ 침전 경계 계산에 따라 1 mM·pH 5.5를 기본 조건으로 잡았다. 환원제는 전력반도체의 가동이온 오염원인 Na가 들어가지 않는 보란계를 시드 환원 주후보로 둔다. 검증은 각 단계의 기여를 따로 떼어 보는 방식이다. ⁶⁵Cu 동위원소 추적으로 본체 용출과 무관하게 담지 Cu만 정량하고, 단면 매핑으로 환원·성장한 Cu가 본체에 연결됐는지 직접 확인한다. 산세·PDA·담지·환원·시드 성장의 유무를 조합한 비교군 A~G로 단계별 기여를 가른다. 접합부는 전단강도, 공극률, 계면 박리, 전기저항, 접합층 열저항을 측정하고 독립 로트와 열사이클 후 재측정으로 재현성을 본다. 이 자료는 공정 설계안이며 접합 성능의 실측값은 담고 있지 않다.
주제
- 접합소재
- 전력반도체
