KR0124517B1 - 무연의 주석, 안티몬, 비스무트 및 구리 납땜 합금 - Google Patents

무연의 주석, 안티몬, 비스무트 및 구리 납땜 합금

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Abstract

주성분으로 Sn 및 효과량의 Sb, Bi 및 Cu를 포함하는 높은 고상 온도, 높은 사용 온도 및 고강도의 다-성분 납땜 합금이 개시된다.

Description

무연의 주석, 안티몬, 비스무트 및 구리 납땜 합금
본 발명은 극소 전자공학 분야에 특히 유용한 저 독성의 무연 납땜 합금에 관한 것이다. 본 발명의 납땜 합금은 적어도 약 90중량%의 주석(Sn) 및 효과량의 Sb, Bi 및 Cu를 함유한다. 이와 같은 납땜 조성물은 약 93.0 내지 94.0중량%의 Sn, 약 2.5 내지 3.5중량%의 Sb, 약 1.5 내지 2.5중량%의 Bi 및 약 1.0중량%의 Cu를 함유한다. 이들 합금은 칩적회로 칩을 인쇄 회로 판으로 사용되는 칩 캐리어 및 기판에 접합시키고, 칩 캐리어를 기판에 접합시키며, 다층 인쇄 회로판에서 회로판 랜드 및 패드를 접합시키는데 특히 유용하다.
납땜은 저온의 통상적으로 가역적인 연금술적 접합 공정이다. 저온 및 가역적 성질은 사용되는 물질과 재가공 및 공학기술 변화에 필수적이기 때문에 극소 전자공학 분야에서는 특히 중요하다.
납땜 접합은 화학반응이 수반되는 적심 공정(wetting process)이다. 용융된 땜납은 선택적으로 척심성을 갖는다. 땜납의 선택적 적심성(wettability)으로 인하여, 용융된 땜납은 원하는 자리로 한정할 수 있게 된다.
이러한 특성은 풀리 칩(flip chip) 저합시 및 납땜 마스크를 사용하여 작업할 때 특히 중요하다.
납땜 공정은 적셔지는 즉시, 예를 들어 수초내에 완료될 수 있다.
이러한 특성으로 인하여 납땜은 특히 자동 고속 다처리 공정에 특히 바람직하다.
적심성은 접합될 재료와 함수관계에 있는데, Cu, Ni, Au 및 Pd와, 이들 금속의 1종 이상이 풍부하게 함유된 합금이 납땜에 특히 적합하다.
적심에 수반되는 화학반응은 용융된 땜납과 접합되는 금속 사이에서 일어나 계면에서 금속간 물질상(intermetallic phase) 영역을 형성한다.
전자 패키시에 있어서 납땜으로 형성된 금속간 물질상은 화학양론적 화합물, 전형적으로 2원 화합물이며, Sn이 납땜 합금 내에 존재하는 경우에는 전형적으로 Sn을 함유한다. 베이스(Base), 패드(Pad) 또는 랜드(land)가 Cu이고 납땜 합금에 Sn이 풍부할 경우에, 납땜 과정중 제조되는 금속간 물질은 Cu-Sn이다. Cu-Sn 2원 화합물의 예로는 Cu3Sn 및 Cu6Sn5가 포함된다.
납땜 합금은 조성물의 주요 특성인 융점에 특징이 있다. 순수 금속은 단일의 불변하는 융점에 특징이 있는 반면, 합금의 빙점 및 융점은 복잡하다. 합금의 빙점은 액상선에 의해 결정된다. 액상선 위로는 오직 액상(들)만이 존재할 수 있다. 합금의 융점은 고상선에 의해 결정된다.
고상선 아래로는 오직 고상(들)만이 존재할 수 있다. 이들 두 선, 즉 액상선과 고상선 사이의 영역에서는 고상과 액상이 공존할 수 있다.
바람직한 납땜 합금은 공융 혼합물이다. 즉, 공융점이 특징이 있다. 공융점은 액상선과 고상선이 만나는 점이다. 공융점으로부터 어느 방향으로의 농도 변화이든지 액상 온도의 증가를 초래한다.
조성 및 냉각속도로 또한 미세구조 및 생성되는 납땜 접합부의 기계적 특성을 결정한다. 따라서, 납땜 조성을 신중히 선택하고 납땜 접합부의 열적 노출을 신중히 조절할 필요가 있다.
극소 전자공학 제품 제조에 사용되는 납땜 조성물은 납땜 합금으로서 적심성이어야만 하며, 패드 또는 랜드 금속과 전기전도성 및 열안정성의 부서지기 어려운 가소성 금속간 물질을 형성할 수 있는 성분을 1종 이상 포함하여야 한다. 이와 같은 이유로, 대부분의 통상적인 납땜 합금은 납을 기재로 하는 합금, 예를 들면 Pb/Sn 합금이다.
이전까지는 Pb/Sn 땜납이 극소 전자공학에 이용되어 왔다. Pb/Sn 합금이 광범위하게 사용되어온 데에는 다수의 역사적인 이유가 있다.
즉, Pb/Sn 납땜 합금의 고상선온도가 낮고, Pb/Sn 합금 및 생성되는 Cu/Sn 금속간 물질(땜납/Cu 접촉계면에서 형성됨)이 광범위한 온도에 걸쳐 작업성을 가지며, Pb/Sn 합금으로부터 수득된 Cu/Sn 금속간 물질이 Cu 랜드 및 패드에 대한 접착성을 갖고, Pb/Sn 합금의 처리장비를 상업적으로 용이하게 구입할 수 있으며 Pb/Sn 합금용 수지, 플럭스 및 납땜 마스크와 같은 부속물의 값이 싸다는 것이 그 이유이다.
Pb/Sn 납땜 합금의 가공처리에 요구되는 비교적 저온인 조건은 폴리머 절연체를 전자 패키지 제작에 사용할 경우에 특히 중요하다. 이들 폴리머는 고온에서의 조립 제작시 분해될 수 있다. 비교적 저온에서 용융되는 납땜 합금은 이들 폴리머 기판을 수용할 수 있다.
게다가, 반도체 칩은 고온에서 열 확산되어 구조적으로 변형된다. 저온 용융 납땜의 경우는 이들 문제점을 갖지 않는다.
납 기재 땜납에서의 특히 중요한 성질은 연성(softness) 또는 가소성이다. 이러한 연성 또는 가소성으로 인하여, 납땜은 접합된 구조물 사이의 열 팽창 계수가 불일치할 경우, 예를 들면 세라믹 절연체와 폴리머 절연체 사이, 또는 반도체 칩과 세라믹 또는 폴리머 칩 캐리어 또는 기판 사이의 열 팽창 계수가 불일치할 경우 이를 수용할 수 있다.
그러나, 남은 증기압이 비교적 높은 독성의 중금속이다. 이러한 납의 사용은 바람직하지 못하며 대체되어야 할 필요가 있다.
미합중국 특허 제4,806,309호[TIN BASE LEAD-FREE SOLDER COMPOSITION CONTAINING BIS MUTH, SILVER AND ANTIMONY, Staneley Tulman]에서는 Sn 90 내지 95%, Sb 3 내지 5%, Bi 1 내지 4.5% 및 Ag 0.1 내지 0.5%를 함유하는 납땜 조성물에 대하여 기재하고 있다. 이 문헌에서는 Bi를 사용함으로써 납땜의 융점을 약 425℉(318℃)로 낮출 수 있음을 기술하고 있다.
본 발명의 주요 목적은 무연 땜납을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 특히 기판 및 납땜 마스크와 같은 유기 재료를 적시지 않으면서, 전자제품 제작에 전형적으로 사용되는 접합 금속, 예를 들면 Cu, Au, Ag 및 Pd를 적시어 화학적으로 및 열적으로 안정한 결합을 형성하는 무연 땜납을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 전자재료에 손상을 입히지 않도록 충분히 낮은 온도에서 유동성이 있는 무연 땜납을 제공하는 것이다.
높은 고상선 온도(solidus temperature), 높은 사용 온도(service temperature) 및 고강도를 가지는 Sn 기재의 납땜 합금에 의하여 본 발명의 목적은 달성되고 선행 기술의 단점은 극복된다. 이 합금은 적어도 약 90%의 Sn 및 효과량의 Sb, Bi 및 Cu를 함유한다.
본 발명에 따라서, 적어도 약 90%의 Sn 및 효과량의 Sb, Bi 및 Cu를 함유하는, 높은 고상선 온도 및 높은 사용 온도 및 고강도를 가지는 Sn 기재의 납땜 합금이 제공된다.
본 발명의 바람직한 한 실시 태양에 따른 본 발명의 합금은 하기 표에 도시한 바와 같이 약 93.0 내지 94.0중량%의 Sn, 약 2.5 내지 3.5중량%의 Sb, 약 1.5 내지 1.5중량%의 Bi 및 약 1.0 내지 2.0중량%의 Cu를 함유한다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시태양에 따르면, 직접 회로 칩을 회로화된 기판에 전기 접속시키는 방법에 제공된다. 이러한 상호접속 방법은 적어도 약 90중량%의 Sn 및 효과량의 Sb, Bi 및 Cu, 바람직하게는 약 93.0 내지 94.0중량%의 Sn, 약 2.5 내지 3.5중량%의 Sb, 약 1.5 내지 2.5중량%의 Bi 및 약 1.0 내지 2.0중량%의 Cu를 함유하는 납땜 합금을 직접 회로 칩의 전기 접촉부상에 부착시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 납땜 합금은 웨이브 납땜 부착법, 전착법에 의하거나 또는 납땜 페이스트로서 적용될 수 있다.
이어서, 회로화된 기판의 전기적 리드를 집적회로 칩의 전기적 접촉부 상에서 납땜 합금과 접촉시킨다. 칩이 풀리 칩 형태로 탑재할 경우에, 회로화된 기판의 전류 리드는 기판 상의 패드이며, 납땜 합금 부착부는 패드와 접촉하게 된다. 또 다르게는, 집적회로 칩이 바로 측면상부에 적재될 경우, 전류 리드는 와이어 리드이며, 탭 내부 리드 접속부이고, 집적 회로 칩이 바로 측면상부에 적재될 경우, 전류 리드는 와이어 리드이며, 탭 내부 리드 접속부이고, 집적 회로 칩의 상면상에서 납땜 합금 접촉부와 접촉하게 된다.
기판의 전류 리드와 납땜 부착부를 납땜 합금과 접촉시킨 상태로 유지시키면서 가열하면, 납땜 합금은 적셔지고 회로화된 기판의 전기적 리드로 굴곡된다. 가열은 증기상 재유동, 적외선 재유동, 레이저 재유동 등과 같은 방법을 이용하여 수행할 수 있다.
본 발명에 의해 제조되는 극소 전자공학 회로 패키지는 기판, 회로화된 칩 캐리어, 반도체 집적회로 칩 및 회로화된 칩 캐리어와 반도체 집적회로 칩 사이의 전기적 납땜 접합 접속체로, 적어도 약 90중량%의 Sn 및 효과량의 Sb, Bi 및 Cu, 바람직하게는 약 93.0 내지 94.0중량%의 Sn, 약 2.5 내지 3.5중량%의 Sb, 약 1.5 내지 2.5중량%의 Bi 및 약 1.0 내지 2.0중량%의 Cu를 함유하는 직접 회로 칩 모듈이다.
[실시예]
하기 조성을 갖는 시료를 이용하여 납땜 합금을 제조하였다.
본 발명을 특정 바람직한 실시태양 및 예시에 의해 기술하였지만, 이로써 본 발명의 범주가 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명은 다만 본원에 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (1)

  1. 93.0 내지 94.0중량%의 Sn, 2.5 내지 3.5중량%의 Sb, 1.5 내지 2.5중량%의 Bi 및 1.0 내지 2.0중량%의 Cu로 이루어진 다-성분 무연 납땜 합금.
KR1019940011744A 1993-06-16 1994-05-28 무연의 주석, 안티몬, 비스무트 및 구리 납땜 합금 KR0124517B1 (ko)

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