KR100421634B1

KR100421634B1 - 무연솔더볼 합금조성물

Info

Publication number: KR100421634B1
Application number: KR10-2001-0017075A
Authority: KR
Inventors: 박찬
Original assignee: 주식회사 듀텍
Priority date: 2001-03-31
Filing date: 2001-03-31
Publication date: 2004-03-10
Also published as: KR20020076882A

Abstract

Sn, Ag 금속성분을 기본성분으로 하고, Ge, Se 중 어느 하나 또는 두가지 성분을 조합하여 이루어진 합금조성물은 기본적으로 Ag : 3.0∼3.8중량%, Ge : 0.005∼0.009중량%, Se : 0.005∼0.009중량%, 나머지 잔부는 Sn으로 구성되는 무연솔더볼 합금으로서, 그 합금의 용융에 관한 액상선, 고상선의 용융온도는 각각 또는 상호간 5℃ 이하의 극히 좁은 범위내에서 용해되어 극히 안정된 작업이 이루어진다.

Description

무연솔더볼 합금조성물{Alloying compositions of Lead-free Solder Ball}

본 발명은 반도체 칩등의 접합체로 사용되는 무연솔더볼(Solder Ball)의 합금조성물에 관한 것이다. 본 발명은 특히 그 중에서도 주석(Sn), 은(Ag), 게르마늄(Ge), 셀렌(Se)의 원소가 일부 또는 전부 포함구성되는 무연솔더볼 합금으로서의 3원 또는 4원 합금조성물에 관한 것이다.

종래에는 주로 납(Pb), 카드뮴(Cd) 등과 같이 인체에 유해한 중금속이 포함된 지름 0.05㎜∼0.8㎜의 솔더볼이 반도체 칩등의 접합체로 사용되어 왔다. 그 러나, 납과 카드뮴등은 인체에 유해한 중금속인데다 대기중에서 산화되거나 물 또는 수용액에 용해될 경우 인체와 환경에 치명적인 악영향을 주므로 납(Pb), 카드뮴(Cd) 등의 사용을 금하고, 그 대체물을 강구하기에 이르렀다.

그 결과, 납(Pb)대신 Sn, Bi, Zn, Cu 등의 화학성분으로 이루어진 예컨데 Sn-Ag-Cu, Sn-Bi-Ag, Sn-Zn-In 등의 합금조성물이 사용되어 왔다. 이 합금조성물은 예컨데 Sn-Ag-Cu의 경우, Sn : Ag : Cu은 잔부(중량)% : 3∼5(중량)% : 0.1∼ 2(중량)%의 범위로 통상 사용되므로써 그 합금조성의 용융범위는 액상선 약 220℃, 고상선 약 210℃에 이르나 접합작업시 용석을 일으키는 원인이 되어왔다 .

Sn-Bi-Ag가 Si 잔부(중량)%(이하 모두 중량%) : Bi 5∼10(중량)% : Ag 0.1∼5(중량)%로 되는 합금조성은 용융범위가 액상선 약 220℃, 고상선 약 185℃로 그 용융범위가 넓으나, 비스머스(Bi)가 포함되어 있어 외부로 부터의 충격이나 휘어지는 응력을 받게 되면 접합부위가 깨어질 수 있는 단점이 있다.

또한, Sn-Zn-In 합금의 경우에도 Sn : Zn : In의 함량은 통상 잔부중량% :

8∼12중량% : 2∼5중량%로 되어있는데, 그 합금조성중 Zn이 들어있으므로 접합성이 떨어지므로써 문제가 되고 있는데다, In은 단가가 고가여서 전체원가를 높이는 문제점을 안고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하고, 인체에 유해한 Pb, Cd 등의 성분함유를 배제하면서도 양호하고 극히 안정된 용융범위(Melting range)를 가지게 하며, 액상선(Liquidus line), 고상선(Solidus line) 온도범위를 좁게하여 주므로써 반도체 칩등의 접합체에 효율적이고도 안정적으로 적용가능케 한 무연 솔더볼(無鉛 solder ball) 합금조성물을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상술한 목적에 따라 Pb, Cd 등을 제외한 여러가지 화학성분조성을 이용한 합금조성물을 제조시험해 본 결과, 기본적으로 Sn와 Ag, 추가적으로 Ge, Se의 어느 하나 또는 두가지를 모두 함유하는 3원화 또는 4원화 합금조성물이 상술한 목적에 부합하여, 반도체 칩등에 사용되는 접합제로서 가장 적당하다는 것을 알게 되었다.

상기 4원소에 있어, Sn은 접합모재에 융점을 낮추어 주고 습윤성을 제공하며, Ag는 솔더볼 용융시 접합모재에 대하여 용융입자의 확산속도를 빠르게 해주며, Ge와 Se은 미량첨가 하는 것 만으로도 솔더볼의 용융 온도범위를 좁혀주고 아울러 표면산화방지와 강도를 증가시켜주는 역할을 하는 것으로 연구결과 알게 되었다.

즉, 본 발명은 Sn, Ag 금속성분을 기본성분으로 하고 Ge, Se 중 어느 하나 또는 두가지 성분을 조합하여서 된 합금조성물로 이루어지며 그 합금조성범위는 기본적으로 Ag : 3.0∼3.8중량%, Ge : 0.005∼0.009중량%, Se : 0.005∼0.009중량%, 나머지 잔부는 Sn으로 구성되도록 한 3원 또는 4원화 무연솔더볼 합금조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 합금조성물에 의한 용융 온도범위에 있어 액상선, 고상선의 온도변동 차이는 각각 5℃ 이하의 좁은 범위내에서 안정되게 용융되도록 한 것을 특징으로 하는 무연솔더볼 합금에 관한 것이다. 아울러, 본 발명은 상기 합금조성물의 액상선 온도와 고상선 상호간의 온도차이 또한 5℃ 이하의 좁은 범위내에서 솔더링이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 무연솔더볼 합금조성물에 관한 것이다.

본 발명에서는 비스머스(Bi)를 제외하였다. 비스머스(Bi)는 주석의 융점인 고상선을 하강시키므로써 솔더볼합금의 융점을 낮추는 역할을 하지만 자칫 조직을 취화시키는 데다, 강도를 떨어뜨리는 문제를 일으키므로, 본 발명에서는 이를 제외하였다.

상술한 바와 같이 납(Pb)을 제외한 무연솔더볼(Pb-less solder ball)로서 Sn, Ag와 Ge 또는 Se을 조합하여 조성물을 이루는 3원화 또는 4원화 합금조성물로서의 무연솔더볼을 제조하여 반도체 칩등에 접합제로 사용할 경우 작업성, 접합성, 안전 및 환경공해성, 강도등에 있어 매우 양호함을 알게 되어, 본 발명에서는 이들 합금조성물을 제공하도록 하고, 그 적정성분 범위를 찾은 결과 Ag : Ge : Se : Sn은 각각 Ag 3.0∼3.8% : Ge 0.005∼0.009% : Se 0.005∼0.009% 및 나머지 잔부 약 96.0%∼96.8% Sn 에 이르는 것이 매우 양호하여 그 용융범위는 각각 약 액상선 221℃, 고상선 약 219℃로서, 종래의 무연솔더와 비교하여 용융범위가 좁고, 인장강도, 표면산화방지 등의 효과가 뛰어난 무연솔더볼을 제공할 수 있게 된 것이다.

특히, 본 발명에서는, 본 발명상의 합금조성물의 사용대상인 반도체, 기타 전자기기에 솔더링작업시 가해지는 액상선 온도, 고상선 온도를 가급적 5℃ 이하의 극히 좁은 범위로 일정하게 유지하므로써, 반도체, 전자기기에 가해지는 열변형, 가열·용융 온도차에 따른 열 팽창계수의 급격한 변화를 줄이도록 한 것이 본 발명의 큰 특징이다. 즉, 본 발명은 반도체, 전자기판 등 전자기기의 기능불량을 방지하고 접촉저항에 따른 발열을 방지하며 또한 반도체나 금속기판 내부의 피로로 인한 취성을 방지할 수 있게 한 데 큰 특징이 있다.

이하에 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하고저 한다.

실시예 1

하기 표 1에서 나타낸 바와 같이 Ag : Ge : Se : Sn은 각각 3.4% : 0.008% : 0.008% : 잔부%(약 96.5%)로 구성된 4원화 합금조성물을 제조하였다. 그 결과 용융온도범위로서는 액상선 약 221℃, 고상선 약 219℃로서 종래의 무연솔더와 대비하여 볼 때 용융 온도차가 2℃ 정도로 좁고, 인장강도, 표면산화 방지효과 등이 탁월한 무연솔더볼을 제공할 수 있었다. 여기에서 표면산화 상태는 습도 90%, 100시간 노출시 색갈 가변상태를 육안으로 측정, 판정하였다.

실시예 2

하기 표 1에 나타난 바와 같이 Ag : Ge : Sn을 각각 3.5% : 0.008% : 잔부%로 된 3원화 합금조성물을 제조하고 그 용융온도 범위, 인장강도, 표면산화 상태 등을 관찰, 측정조사하였다. 그 결과, 인장강도의 저하가 없었으며, 액상선, 고상선도 219℃∼221℃ 사이에 좁고 안정되게 분포하였으며, 인장강도 또한 86.4MPa로서 매우 높았다.

실시예 3

하기 표 1에 나타난 바와 같이 Ag : Se : Sn을 각각 3.6% : 0.009% : 잔부%로 된 합금조성물을 제조하고, 그 용융온도 범위, 인장강도, 표면산화 상태 등을 측정조사하였다. 그 결과는 표 1과 같이 양호하였다.

비교예

하기 표 1에 나타낸 상기 실시예와 대비하기 위하여 종래의 Ag : Bi : Sn을 각각 2% : 7% : 잔부(91%)로 한 합금조성물을 제조하고, 용융온도 범위, 인장강도, 표면산화 상태 등을 측정하였다. 산화상태는 앞서와 같이 습도 90%, 100시간 노출시 색갈 가변상태를 육안으로 측정, 판정하였다.

이 경우에는 인장강도를 대략 유지하면서도 액상선과 고상선이 위 실시예에 비교해 고상선과 액상선이 각각 11℃ 및 27℃ 낮아졌지만, 표면이 검은 색갈로 변하는 등 표면산화되므로써 접합성등의 불량과 접합조직취화 및 외관불량을 초래하였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 Sn, Ag를 기본조성으로 하고 Ge, Se 중 1가지 또는 2가지 종류의 성분이 추가된 합금조성물로 이루어진 무연 솔더볼의 제조에 의하여 반도체 칩등에 솔더링 접합시 종래의 무연솔더보다 용융범위가 극히 좁은 범위에서 안정적인 용융점 관리가 가능하여 작업성이 좋으며 외부충격, 열변형에 따른 접합부 박리, 크랙등이 방지가능하게 되었다. 또한 인장강도가 뛰어나고, 표면산화 방지효과 또한 탁월하여 실제 사용시 매우 효율적이어서 품질 또한 우수한 무연솔더볼 합금을 제공할 수 있게 되었다.

Claims

Sn, Ag 금속성분을 기본성분으로 하고 Ge, Se 중 어느 하나 또는 두가지 성분을 선택 조합하여서 된 합금조성물로 이루어지고 그 합금조성범위는 기본적으로 Ag : 3.0∼3.8중량%, Ge : 0.005∼0.009중량%, Se : 0.005∼0.009중량%, 나머지 잔부는 Sn으로 구성되도록 한 것을 특징으로 하는 무연솔더볼 합금.
제 1항에 있어서, 상기 합금조성물에 의한 용융 온도범위에 있어 액상선, 고상선의 온도변동 차이는 각각 5℃ 이하의 좁은 범위내에서 안정되게 용융되도록 한 것을 특징으로 하는 무연솔더볼 합금.
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