▲ 균열의 자기 회복의 모습(왼쪽이 복원 전 오른쪽이 수복 후).

일본 연구진이 발견한 현상에 따르면 향후 고온에서 작동하는 기기들의 접합부 균열이 향후 스스로 치유되는 모습을 목격하게 될 것으로 보인다.

NEDO는 오사카대학과 (주)덴소와 함께 SiC(실리콘카바이드)파워 반도체의 장기 신뢰성 향상을 기대할 수 있는 접착제의 자기 회복 현상 발견에 성공했다고 지난 28일 밝혔다.

전력 변환기등 파워 반도체 응용제품들은 주로 접합부의 박리가 주 고장요인으로 꼽히고 있다. 특히 고 신뢰성이 요구되는 자동차 응용에서 이러한 접합부의 수명은 중요한 요소이다.

그동안 NEDO는 ‘저탄소 사회를 실현하는 차세대 파워 일렉트로닉스 프로젝트’(2009~2019년도)에서 접합제로 기존의 땜납재보다 전기 열적 특성에 뛰어난 은(Ag) 소결제 개발을 하고 있었지만, 박리 수명이 짧은 것 실용화의 걸림돌로 작용하고 있었다.

그러나 이번 NEDO프로젝트에서 오사카 대학과 (주)덴소는 SiC파워 반도체의 장기 신뢰성 향상이 기대할 수 있는 접착제(은 소결재)의 자기 복원 현상을 발견하는데 성공했다.

이번에 발견된 현상은 은 소결재 접합층 중에 생기는 균열이 고온의 기기 동작 환경 하에서 스스로 치유한다는 것이다.

연구진은 우선 마이크로 사이즈와 서브 미크론 크기의 하이브리드 입자 페이스트를 사용하여 250℃의 저온에서 다이아몬드 터치 접합 구조를 얻었다.

본 접합 프로세스(은 페이스트 소결 접합 법)은 널리 이루어지고 있는 나노 입자를 이용하는 고압을 부가하는 접합 프로세스와 비교하고, 핸들링이 쉬우며 원료가 싸고 강도 40MPa이상(땜납 접속보다 높은)열 전도율 150W/mK이상(합금의 5배 이상), 무가압지 1MPa이하의 저압에서 처리가 가능하다는 장점이 있다.

실험에서는 입자를 고밀도로 소결 하는, 인장 시험 조각을 제작했다. 이 인장 시험 조각에서 노치 가공을 하고, 더 가벼운 인장 하중을 거는 것으로 노치의 끝에 날카롭게 균열을 도입했다. 이 시편을 SiC파워 반도체의 동작 온도를 고려하여 대기 중 200℃ 및 300℃에서 보유하고 균열 첨단의 변화의 모습과 시편의 인장 강도 변화를 조사했다.

연구진은 균열 도입 초기의 SEM사진과 200℃ 보유 후 및 300℃ 보유 후 같은 균열의 사진을 비교해 200℃ 유지시 균열이 닫히기 시작, 300℃ 이상 올라가면 자가 회복 현상이 명확하게 일어나는것을 관찰했다. 또한 이에 따라 인장강도도 동일하게 회복하는 것을 관측했다.

일본 연구진들은 “은 소결재의 실용화의 과제인 박리 수명에 대한 자기 복원에 의해서 해결할 가능성을 찾아 자동차 분야 적용 가능성을 크게 높였다”며 “은 소결 재료는 고 내열성, 손실성이 뛰어나기 때문에 SiC파워 반도체의 적용 확대도 기대된다”고 밝혔다.