KR100267810B1

KR100267810B1 - 고강도 고전기전도도를 갖는 동합금 반도체 리드프레임용 소재의 제조방법

Info

Publication number: KR100267810B1
Application number: KR1019980016741A
Authority: KR
Inventors: 손인국
Original assignee: 손인국; 이구산업주식회사
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2000-10-16
Also published as: KR19980033710A

Abstract

Cu-Ni-Si-P-Ti 계의 동합금 반도체 리드프레임용 소재의 제조방법에 관한 것으로서, 전기전도도 40%IACS 이상 용체화 처리후 냉간가공과 적절한 TMT공정으로서 인장강도 60kg/㎟ 그리고 리드프레임소재로서 요구되는 연신율 4% 이상의 성질을 갖는 고장력 고전기전도도의 성질을 얻고, 강화에 기여하는 석출물의 종류 및 거동에 대하여 조사하여 석출반응에 미치는 가공상의 영향과 F-TMT 공정으로서, 결정립내에 아결정립을 형성시켜서 입자 미세화를 꾀하고 이 아결정에 의한 입자강화와 더불어 석출 가능한 공간을 제공하여 보다 미세 하면서도 고르게 분포된 석출물(NiTi, S-Ni₂Si)을 고용하여 고강력 고전기전도도를 갖는 동합금 반도체 리드프레임용 소재의 제조방법에 관한 것임.

Description

고강도 고전기전도도를 갖는 동합금 반도체 리드프레임용 소재의 제조방법

동합금의 합금설계 비율로 부터 주조, 균질화, 용체화, 냉간압연 및 전, 후 시효처리의 열처리 등의 공정조절로 우수한 기계적인 특성치와 전기전도도를 향상시킨 동합금 반도체 리드프레임용 소재를 제조하는 기술에 관한 기술분야로 현재 반도체 리드프레임에 사용되는 소재는 크게 철계합금과 구리계합금으로 대별할 수 있다.

대표적 철계합금인 Alloy-42는 열팽창계수가 실리콘과 비슷하여 강도가 높고 내열성이 우수하다는 장점이 있어 세라믹패키징에 많이 이용되고 있지만 전기 및 열전도도가 낮은 열반사 능력이 극히 나쁘고 제조비용이 높다는 단점이 있다.

또 구리를 기초로 하는 합금은 전도도가 높아 열발산능력이 우수하고 제조비용이 저렴하다는 장점으로 비교적 저온에서이루어지는 플라스틱패키징에 많이 이용되고 있으나, 철계합금에 비해 상대적으로 강도가 낮고 내열연화성이 열등하기 때문에 석출경화(Precipitation Hardening)와 냉간 가공경화(Work Hardening)를 응용하여 이들 특성을 향상시키는 노력들이 활발히 진행되고 있는 실정이다.

본 발명은 반도체의 골격을 형성하고 칩 외부로의 전기적 접속경로인 동시에 칩(Chip)에서 발생하는 열의 방산 경로로서의 역할을 하며, 기판과의 접속역할을 하는 고강도 고전기전도도를 갖는 동합금 반도체 리드프레임용 소재의 제조 방법에관한 것으로서, 현재 우리나라에서는 전기전자산업의 발전에 따라 동합금의 수요가 급증하고 있는 추세에도 불구하고 이에 대한 연구 및 제품의 생산은 미흡한 실정이다.

반도체 산업에서 사용되는 핵심 금속소재중의 하나인 리드프레임은 반도체소자를 지지하는 골격 역할과 전기적 신호 및 회로작동시 발생하는 저항열을 발산시키는 도체 역할을 하며, 리드프레임 소재에 요구되는 기본적 특성은 높은 전기전도도 및 열전도도, 고강도, 고성형성, 리드굽힘, 피로저항성, 낮은 열팽창계수, 우수한 납땜성 등이라 할 수 있다.

특히 소자의 고집적화로 부품의 정밀도가 높아지고 패킹 과정이 자동화되는 추세에 따라 특정한 물성요구가 증가하고 있다.

높은 열전도도는 소자 작동시에 발생하는 저항열을 외부로 발산시키는데 필수적 요건이며, 우수한 연성은 성형성과 리드굽힘, 피로 저항성을 증가시키며, 적절한 열팽창계수는 열피로시 소자에 가해지는 응력을 줄여 접합계면의 안정성을 높히고, 우수한 내열연성은 고온에서 이루어지는 몰딩 과정중 강도를 저하시키지 않는다.

또 최근의 IC 패키지(Package) 추세는 메모리의 고집적화 다기능 대용량화를 위한 다핀(Pin)화, 경박단소화가 급속히 진행되고 있으므로 리드프레임용 재료로 박판화, 내응력의 안정화, 표면상태의 안정화, 고강도, 고전기전도도가 요구되고 있다.

그리고 최근에 전자제품은 고성능화, 소형화, 경량화 추세로 전환되고 있으며, 또한 에너지절약 및 저비용화에 주력하고 있다.

이와 같은 추세와 성향에 따라 반도체용 리드프레임용 동합금소재로서 리드프레임의 설계 및 성형가공에 필요한 재료 특성인 강도, 열전도도, 전기전도도, 가공성(Stamping Etching 등) 및 내열성, 내식성 등 고온에서 강도를 유지할 수 있는 기계적 물리적으로 우수한 재료를 해결함에 있다하겠다.

일반적으로 전자 재료용 리드프레임용 합금에는 열팽창계수가 적은 Alloy-42(Fe-42%Ni)가 주로 사용되어 왔다.

그러나 근래에는 패키지(Package)기술의 향상으로 작은 열팽창계수가 필요치 않게 되었고 비용면에서도 불리하기 때문에 Alloy-42보다 열방산성, 내식성, 가격면에서 유리한 Cu계 합금을 사용하고 있다.

Cu는 비철금속 재료중 가장 중요한 성분중의 하나로서 다른 금속재료에 비해서 전기 및 열전도가 높다.

Cu의 장점은 공업용 재료중 최고의 전도도를 나타내고 내식성이 우수하며 또한 전연성이 좋아 가공이 용이한 점과 아연, 주석, 니켈, 금, 은 등과 용이하게 합금을 만든다는 점이다.

따라서 전선, 각종 전도재료, 열교환기 등에 사용하고 있다. 그러나 Cu에 인, 비소, 철, 규소, 티타늄 등은 전도도를 저하시키며 알루미늄, 주석, 망간, 니켈 등도 일정비 이상으로 함유되면 전도도를 해친다.

또 순수한 동은 강도가 낮기 때문에 반도체의 리드프레임(Leed Frame)재료로서는 적합치 않다. 그래서 고강도이며 높은 열전도도를 지녀야 하고 비용이 낮고 강도, 연신율, 90°굽힘시험 및 열연화에 잘견뎌야 하며 전기전도도와 땜납능력이 우수한 새로운 리드프레임용 동합금의 개발이 필요하다.

대표적인 리드프레임 재료중의 하나인 KFC는 냉간압연 조건내에서 85%IACS보다 높은 전기전도도를 가지고 좋은 기계적 성질을 가지며 CDA194(Cu-2.4%Fe)와 Cu이 풍부한 Cu-Sn 합금은 반도체 리드프레임에 낮은 비용으로 폭넓게 사용되고 있다.

리드프레임은 고강도, 내열성, 내부식성, 고전도도를 제작과 사용하는 동안에 유지해야 하고 금속도금을 위한 적합한 표면도를 지녀야 한다.

CDA 194는 고강도, 좋은 열연화저항(Thermal Softening Resistanc), 응력부식, 균열저항을 가지고 있다.

따라서 이 두합금을 섞어서 만든 것이 KFC이다. KFC는 콜드 리덕션(Cold reduction)% 이 증가함에 따라서 비커스강도(Vickers Hardness)는 증가하고 전기전도도는 감소한다.

또한 재결정화 처리를 한후의 전기전도도는 90%IACS를 넘으며, 콜드 리덕션(Cold reduction)이 70% 정도일 때 격자(Lattice)내 응력(Stress) 때문에 약 5%IACS 손실이 생긴다.

KFC는 0.033%P를 가지고 있기 때문에 응력부식균열에 대한 저항력이 뛰어나다. 결론적으로 다른 동합금에 비해서 낮은 비용으로 전기전도도와 기계적강도가 증가한다.

이외에 리드 후레임을 1차 특성에 따라 분류하면 Ni와 Si간의 금속간 화합물(석출물의 종류에는 Ni₂Si, NiTi, 등이 있다)로 인한 석출경화로 강도를 증가시킨 고강도형과 고용강화 및 Fe의 석출경화 효과를 이용한 (석출물의 종류에는 Fe₂P,Co₃P, Ni₂Si 등이 있다) 중전도 중강도형 그리고 도전율이 80% IACS 이상이며, 석출물의 종류로는 Fe₃P, Co₂P, Mg₃P₂, Cu₃Zr 등이 있는 고전도형으로 분류할 수 있으며, 합금원소의 첨가에 따른 합금의 강도는 고용강화, 석출강화, 가공강화, 입자미세화강화 등에 의하여 증가되며, 고용강화는 합금원소가 고용화에 따라 전기전 도도가 급격히 떨어지게 되지만 석출강화, 가공강화, 입자미세화는 전기도도를 최소화 하면서 금속의 강도를 효과적으로 강화할 수 있다.

그러나 가공경화는 재료성질에 연신율의 급격한 저하를 초래하므로 제어압연(Controlled Rolling)에 의해 가공경화, 석출경화 및 입자미세화를 이루어 고강도, 고전도 성질을 얻을 수 있다. 미세한 입자에 의한 강화 기구에는 석출강화와 분산강화가 있으며, 이들은 제조공정에서 차이를 보일뿐 용질입자가 전위의 이동을 방해하므로서 강화된다는 점에서 일치한다.

석출경화의 경우 용체화처리 담금질(Quenching), 시효(Aging)과정을 거쳐 시효 시간에 따른 경도치의 변화를 구할 수 있다.

본 발명은 이상의 이론에 근거하여 석출경화형 Cu-합금을 개발하는 것이 유리하다고 판단하여 Cu-Ni를 바탕(Base)으로한 합금에 소량의 합금원소를 첨가하여 성분조정이 각기 다른 여러개의 시편을 제작하여 편석, 정출물, 미세조직 관찰에 의하여 첨가량의 변화가 경도, 전기전도도에 미치는 각원소의 영향을 파악하고 이에 따른 전반적 특성의 변화를 조사하였다.

본 발명에서는 순도 99.80% Cu 이상의 전기동이 사용되었으며 Cu의 특성을 표1에 나타내었다.

위의 표1에서 전기적 특성을 살펴보면 전기전도도가 101∼103%IACS로서 대단히 높고 용융점 또한 1083℃로서 비교적 고온이다.

또한 본 발명에서 첨가한 원소의 Cu에 대한 고용한도 값은 표2로 나타내었다.

본 발명에서 주된 합금원소들의 고용한도값을 살펴보면 Ni의 경우에는 상온에서 100% 고용될수 있고 Fe의 경우는 0.14%까지 고용된다.

또한 합금을 제조하는데 있어서, 첨가되는 각 원소들은 Cu의 전기전도도 감소를 가져오기 때문에 적절한 전기전도도를 갖는 리드프레임 재료를 제조하기 위하여서는 특정한 원소의 과다 첨가 보다는 적절한 성분적 분배가 필요하다.

상기에서 언급한 바와 같이 리드프레임 재료들은 각각의 치우친 특성을 갖고 있어 전반적인 공통적인 요구에는 부흥하지 못하고 있는 실정이다.

그러므로 본 발명에서는 전기전도도 40% IACS 이상 용체화 처리후 냉간 가공과 적절한 TMT 공정으로서, 인장강도 60kg/㎟ 그리고 리드프레임 소재로서 요구되는 연신율 4% 이상의 성질을 갖는 고장력 고전기전도도의 성질을 얻고 강화에 기여하는 석출물의 종류 및 거동에 대하여 조사하여 석출반응에 미치는 가공상의 영향과 F- TMT 공정으로서, 결정립내에 아결정립을 형성시켜서 입자미세화를 꾀하고 이 아결정에 의한 입계강화와 더불어 석출 가능한 공간을 제공하여 보다 미세하면서도 고르게 분포된 석출물을 이용하여 본 합금의 강도 및 전기전도성을 증대시켰다.

그리고 고용체 합금에서 석출이 일어날 때 전기전도도의 변화는 용질원자가 기지에서 석출물로 이동하는 속도와 기지와 석출물간의 정합변형(Coherence Strain)에 의해 결정되며, 미세한 분포를 가지는 용질원자에 의한 전도전자의 산란 효과가 석출물에 의한 효과보다 크기 때문에 많은 원자들이 기지를 떠나 석출물에 집중될수록 전도도는 높아진다.

반면 석출물 형성에 따른 석출물과 기지의 정합변형은 전도도를 감소시키는 역할을 하나 석출변형장이 최고 상태에 도달한후 점차로 정합상태를 잃게되어 변형장이 사라지면 결국 평형상태에 도달하게 되어 전도도의 증가가 일어난다.

본 발명은 이러한 2가지 인자를 이용하여 P, Si 등을 용액화처리(Solution Treatment) 및 예비시효(Pre aging)최종시효(Final Aging)처리하여 석출물로 집중시켜 기지에 고용되어 있는 잔류합금원소를 최소화 시킨다.

결국 본 발명은 Cu-Ni-Si-P 합금에 Ti를 첨가한 합금의 높은 기계적 특성치와 높은 전기전도도를 갖는 리드프레임용 동합금 소재의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 아르곤 분위기에서 연속주조를 하되 Cu 순도가 99.8% 이상인 Cu에 Cu-32wt%Ni, Cu-8wt%Si, Cu-50wt%Ti의 모합금을 먼저 용해하고, 용탕 온도 1100℃에서 Cu-15wt%P의 모합금을 첨가한후 주조를 행하고 여기서 얻어진 시료(Ingot)를 950℃에서 3시간 균질화 하고 900℃에서 3시간 용체화한 시료를 75%로 냉간압연 하고 300∼600℃로 60∼1320분간 예비시효(Pre-aging)처리를 한 다음 90% 냉간압연하고 온도 300∼600℃로 60∼1320℃분간 최종 시효처리하여 동합금 중량 조성비가 1.0∼2.0wt%Ni, 0.1∼0.3wt%Si, 0.01∼0.03%P, 0.4∼0.8%Ti이고 나머지가 Cu인 Cu-Ni-Si-P-Ti 동합금 반도체 리드프레임용 소재 제조방법에 관한 것이다.

위의 방법에서 예비시효(Pre Aging) 처리온도 범위는 300∼600℃이나 550℃로 300분간 처리하면 급격한 강도 증가를 나타내고 최종 시효처리는 450℃로 300분간 최종시효처리를 하였을 때 강도감소대비 전기전도도 60%IACS로 크게 회복되고 전반적인 물성이 우수한 동합금으로 나타나며, 시효(Aging)처리에 의해 NiTi-Ni₂Si의 석출물을 형성한 동합금을 얻을 수 있다.

상술한 방법으로 Cu-Ni-Si-P-Ti의 동합금을 얻되 예비시료(Pre Aging)처리 온도 550℃로 300분간 처리후 최종시효처리 온도와 처리시간에 따른 비커스경도(Vickers Hardness)와 전기전도도를 측정한 결과 표3 및 표4와 같은 결과를 얻었다.

Claims

동합금 제조방법에 있어서, 아르곤 분위기에서 연속주조를 하되 Cu 순도가 99.8% 이상인 동에 Cu-32wt%Ni, Cu-8wt%Si, Cu-50wt%Ti의 모합금을 먼저 용해하고, 용탕 온도 1100℃에서 Cu-15wt%P의 모합금을 첨가한후 주조를 행하고 여기서 얻어진 시료(Ingot)를 950℃에서 충분히 균질화하고 900℃에서 용체화한 시료를 75%로 냉간압연하고 550℃로 300분간 예비시효(Pre-aging)처리를 한 다음 90% 냉간압연하고 온도 450℃로 300℃분간 최종 시효처리하여 동합금 중량 조성비가 1.0∼2.0wt%Ni, 0.1∼0.3wt%Si, 0.01∼0.03wt%P, 0.4∼0.8wt%Ti, Cu Balance(잔량) wt%이고 NiTi, δNi₂Si의 석출물을 형성함을 특징으로 하는 고강도 고전기전도도를 갖는 동합금 반도체 리드프레임용 소재의 제조방법.