KR101011735B1 - 솔더 합금, 솔더 볼 및 그것을 사용한 솔더 접합부 - Google Patents

솔더 합금, 솔더 볼 및 그것을 사용한 솔더 접합부 Download PDF

Info

Publication number
KR101011735B1
KR101011735B1 KR1020087016697A KR20087016697A KR101011735B1 KR 101011735 B1 KR101011735 B1 KR 101011735B1 KR 1020087016697 A KR1020087016697 A KR 1020087016697A KR 20087016697 A KR20087016697 A KR 20087016697A KR 101011735 B1 KR101011735 B1 KR 101011735B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solder
mass
alloy
compound
present
Prior art date
Application number
KR1020087016697A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20080077399A (ko
Inventor
마사루 후지요시
마사요시 다테
Original Assignee
히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤 filed Critical 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Publication of KR20080077399A publication Critical patent/KR20080077399A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101011735B1 publication Critical patent/KR101011735B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof
    • H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding
    • B23K35/0261—Rods, electrodes, wires
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3033—Ni as the principal constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01004—Beryllium [Be]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01063—Europium [Eu]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01078—Platinum [Pt]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01079—Gold [Au]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0132—Binary Alloys
    • H01L2924/01322—Eutectic Alloys, i.e. obtained by a liquid transforming into two solid phases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0132—Binary Alloys
    • H01L2924/01327—Intermediate phases, i.e. intermetallics compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/22—Secondary treatment of printed circuits
    • H05K3/24—Reinforcing the conductive pattern
    • H05K3/244—Finish plating of conductors, especially of copper conductors, e.g. for pads or lands

Abstract

본 발명은, 질량%로, 0.1∼1.5%의 Ag, 0.5∼O.75%의 Cu, 12.5≤Cu/Ni≤100의 관계를 충족시키는 Ni, 잔량의 Sn 및 불가피한 불순물로 이루어지는 무연 솔더 합금에 관한 것이다. 바람직하게는, 솔더 합금이, 질량%로 0.3∼1.2%의 Ag를 포함한다. 또한, 바람직하게는, 솔더 합금이, 질량%로 0.01∼0.04%의 Ni를 포함한다. 본 발명은 또한, 구형화되어 이루어지는 솔더 볼에 관한 것이다. 또, 본 발명의 솔더 합금은 Ni 전극에 접합되어 이루어지는 솔더 접합부로서 매우 적합하다. 본 발명은 솔더 합금은, 낙하충격 내성이 우수하여 장시간의 고온 환경 하에서의 접합 강도의 저하를 억제할 수 있다.
솔더 합금, 솔더 볼, 솔더 접합부, 낙하충격 내성, 계면 파괴 확률

Description

솔더 합금, 솔더 볼 및 그것을 사용한 솔더 접합부 {SOLDER ALLOY, SOLDER BALL AND SOLDER JOINT USING SAME}
본 발명은, 전자 부품 등의 솔더링에 사용되는 솔더 합금, 솔더 볼 및 솔더 접합부에 관한 것이다.
최근, 휴대 전화기 등의 모바일 기기에 있어서의 실장 면적의 감소에 따라 반도체 패키지도 소형화의 경향이 있으므로, 반도체 패키지를 마더 보드에 접속하는 실장 형태도, 종래의 리드를 사용한 주변 단자 형으로부터 격자형으로 전극 단자를 형성한 타입으로 변천하고 있다. 대표적인 것이 BGA(Bal1 Grid Array)이지만, 그 전극은 구형(球形)으로 성형된 솔더(즉, 솔더 볼)를 사용하여 마더 보드에 접속된다.
반도체 패키지에는 각종의 외력이 가해지는데, 모바일 기기 특유의 외력으로서 낙하충격을 들 수 있다. 즉, 모바일 기기를 사용하거나 운반하거나 할 때, 부주의로 떨어뜨릴 경우가 있다. 종래의 주변 단자형 패키지에서는, 이와 같은 외력을 리드가 변형됨으로써 완화할 수 있었다. 한편, BGA의 경우, 리드를 통하지 않고 솔더 볼에 의해 직접 마더 보드에 접합되므로, 반도체 패키지나 마더 보드를 파손시키지 않기 위해서는 솔더 접합부가 외력을 흡수할 필요가 있다. 그 결과, 낙 하충격이 부하 되었을 때의 솔더 접합 신뢰성이 모바일 기기의 수명을 높이는 데 있어서 매우 중요해지고 있다.
한편, EU의 RoHS(The restriction of the use of certain hazardous substances) 지령으로 대표되는 최근의 환경 문제에 대한 대처방법의 하나로서, 솔더의 무연(Pb-free)화가 세계적으로 진행되고 있어 종래 이용되어 온 Sn-Pb 공정(共晶) 솔더의 사용이 금지되어 있다. 대체 솔더의 주된 것으로서, Sn-3Ag-0.5Cu(질량%)나 Sn-3.5Ag-0.75Cu(질량%)와 같은, Sn을 기재로 하는 합금을 들 수 있다. Sn의 융점이 232℃인 것에 반하여, Ag 및 Cu를 첨가함으로써, 융점을 220℃ 부근까지 낮추는 것이 가능하며, 이로써 솔더링 온도를 낮추어 반도체 패키지의 열적 손상을 억제할 수 있다. 단, Sn 중의 Ag나 Cu는, Sn과 금속간 화합물을 형성함으로써 솔더를 경화시키기 때문에, 종래의 Sn-Pb 공정 솔더와 비교하여 연성(延性)이 부족하다. 그 결과, 모바일 기기를 떨어뜨렸을 때, 솔더 접합 계면에서 쉽게 파단되는 것이 심각한 문제로 되어 있어, 낙하충격 내성이 우수한 무연 솔더에 대한 요구가 급속히 높아지고 있다.
솔더 접합부의 내충격성을 개선하는 방법으로서, 다음의 두 가지를 생각할 수 있다. 하나는, 솔더의 연성을 개선하여 변형 능력을 높이는 것으로, 솔더 중의 Ag나 Cu의 함유량을 감소시킴으로써 이루어진다. 합금 원소의 첨가량으로서는, Sn 중에, Ag 3.5 질량%와 Cu 0.75 질량%를 첨가함으로써 융점이 가장 낮은 공정 조성으로 된다. 그러나, Ag는 Cu보다 융점을 낮추기 위해 다량으로 첨가할 필요가 있고, 솔더를 경화시키는 문제가 있었다. 그래서, 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에서 는, Ag를 포함하지 않거나 미량의 Ag를 포함하는 Sn-Cu 합금을 사용함으로써, 솔더의 기계적 특성을 개선하고 있다.
또 하나의 방법으로서, 솔더 접합 계면의 강도를 개선하는 것을 생각할 수 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에서는, Cu가 0.7 질량% 이상인 Sn-Cu 합금을 Ni 상에 솔더링 했을 때, 접합 계면에 형성되는 Cu-Ni-Sn 화합물이 Ni로부터 박리되지 않고, 안정된 접합을 얻을 수 있다고 보고하고 있다. 또한, 특허 문헌 1에서는, Cu 전극 상에 Cu를 많이 포함하는 솔더를 접합한 경우, Cu 전극의 침식을 억제할 수 있고, 접합 강도가 개선되는 것을 밝히고 있다.
또, 접합 강도를 개선하는 다른 방법으로서는, 특허 문헌 3에 개시되어 있는 바와 같이, Sn-Ag-Cu-Ni계 솔더에서는, Ag: 0.5∼5.0 질량%, Cu: 0.3∼1.5 질량%, Ni: 0.05∼1.0 질량%를 포함하고, 잔량의 Sn 및 불가피한 불순물로 이루어지는 솔더 합금이 제안되어 있고, 이 솔더는 Ni 전극에 접합됨으로써 불규칙한 층의 계면 화합물을 형성하고, 이 층이 앵커 효과를 나타냄으로써 계면에 있어서의 파단 발생 확률을 억제하고, 접합 강도를 개선한다. 특허 문헌 3에서는, Ag: 1.0 질량%, Cu: 0.5 질량%, Ni: O.1 질량%를 포함하고, 잔량의 Sn 및 불가피한 불순물로 이루어지는 솔더 합금으로서, 구체적으로 그 효과가 확인되어 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개평11-221695호 공보
특허 문헌 2: 일본국 특개2000-190090호 공보
특허 문헌 3: 일본국 특개2003-230980호 공보
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
이와 같이, Sn-Cu 합금은 Sn보다 융점이 낮고, 솔더링 시의 반도체 패키지의 열적 손상을 억제할 수 있을 뿐 아니라, Ni 전극이나 Cu 전극에 접합된 경우에 안정된 접합 강도를 나타내는 이점이 있다.
그러나, 특허 문헌 1 및 2의 Sn-Cu계 합금은, Cu 함유량이 높은 Sn-Cu 합금이 Ni 전극에 접합된 경우, 반도체 패키지의 발열 등에 의해 장시간 높은 온도에 노출되면 Cu-Ni-Sn 화합물이 두껍게 성장하여, 오히려 접합 강도가 손상된다는 것을 알았다.
또, Sn-Cu 합금에 내충격성을 손상시키지 않을 정도로 미량의 Ag를 첨가한 솔더 합금에서는, 고온 환경 하에서 Cu-Ni-Sn 화합물의 성장을 억제할 수 있지만, 안정된 접합 강도를 얻는 데까지는 미치지 못한다.
또한, 특허 문헌 3에 구체적으로 개시되어 있는, Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.1Ni, Sn-1.5Ag-0.5Cu-0.1Ni, Sn-2.5Ag-0.5Cu-0.1Ni, Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.1Ni, Sn-4.0Ag-0.5Cu-0.1Ni, Sn-2.5Ag-1.0Cu-0.lNi(질량%) 솔더 합금이 Ni 전극에 접합된 경우, 100시간 정도의 단시간에 고온 환경 하에 노출된 환경에서의 솔더 접합부는, Cu-Ni-Sn 화합물의 성장이 생기지 않기 때문에 접합 강도를 유지할 수 있다. 그러나, 500시간 이상의 장시간에 걸쳐 고온 환경 하에 노출된 솔더 접합부는, Cu-Ni-Sn 화합물의 현저한 성장이 일어나고, 이렇게 성장한 화합물은 앵커 효과를 나타낼 수 없기 때문에, 접합 강도를 손상시킨다.
본 발명의 목적은, 낙하충격 내성이 우수하고, 장시간의 고온 환경 하에 있어서의 접합 강도의 저하를 억제하는 무연 솔더 합금, 솔더 볼, 및 솔더 접합부를 제공하는 것에 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명자들은, Sn-Cu 합금에 엄밀하게 제어된 양의 Ag 및 Ni를 첨가함으로써, 고온 환경하에 장시간 방치된 경우에도 충분한 접합 강도를 유지할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 도달했다.
따라서, 본 발명에 의하면, 이하의 솔더 합금이 제공된다.
질량%로 0.1∼1.5%의 Ag, 질량%로 0.5∼0.75%의 Cu, 질량%로 125≤Cu/Ni≤100의 관계를 충족시키는 Ni, 잔량의 Sn 및 불가피한 불순물로 이루어지는 솔더 합금.
바람직하게는, 상기 솔더 합금은, 질량%로 0.3∼1.2%의 Ag를 포함한다.
또, 바람직하게는, 상기 솔더 합금은, 질량%로 0.01∼0.04%의 Ni를 포함한다.
본 발명의 솔더 합금은, 구형화되어 솔더 볼로서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 솔더 접합부는, 솔더 합금이 Ni 전극에 접합되어 이루어지는 솔더 접합부로서 매우 적합하다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 고온 환경 하에 있어서 (Cu, Ni)6Sn5 화합물의 1종류 이외의 형성을, 가능한 한 방지함으로써 접합 강도를 유지할 수 있으므로, 모바일 기기의 사용중의 온도 상승에 대해서도 높은 접속 신뢰성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예 1의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 예 3의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 예 4의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 예 5의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 5는 비교예 2의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 6A는 본 발명의 예 1의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 6B는 도 6A에 나타내는 주사형 전자현미경 사진에 대응하는 선(線) 분석 결과이다.
도 7A는 본 발명의 예 3의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 7B는 도 7A에 나타내는 주사형 전자현미경 사진에 대응하는 선 분석 결과 이다.
도 8A는 본 발명의 예 4의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 8B는 도 8A에 나타내는 주사형 전자현미경 사진에 대응하는 선 분석 결과이다.
도 9A는 본 발명의 예 5의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 9B는 도 9A에 나타내는 주사형 전자현미경 사진에 대응하는 선 분석 결과이다.
도 10A는 비교예 2의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 10B는 도 10A에 나타내는 주사형 전자현미경 사진에 대응하는 선 분석 결과이다.
도 11은 본 발명의 예 6의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 예 7의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 13A는 본 발명의 예 6의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 13B는 도 13A에 나타내는 주사형 전자현미경 사진에 대응하는 선 분석 결 과이다.
도 14A는 본 발명의 예 7의 150℃-500시간 방치 후의 솔더 접합부 단면의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 14B는 도 14A에 나타내는 주사형 전자현미경 사진에 대응하는 선 분석 결과이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
전술한 바와 같이, 본 발명의 솔더 합금의 중요한 특징은, Sn-Cu 합금의 내충격성을 저해하지 않도록, Ag 및 Ni의 첨가량을 최적화하여, Cu 전극은 물론 Ni 전극에 적용한 경우에도 접합 계면에 형성되는 (Cu, Ni)과 Sn 화합물의 성장을 억제하고, 가능한 한 (Cu, Ni)6Sn5 화합물만을 형성함으로써 충분한 접합 강도를 유지할 수 있는 것을 발견한 것에 있다.
본 발명자의 검토에 의하면, Sn-Cu-Ag-Ni 합금에 있어서, Ni의 첨가량이 과다하면, 고온 환경 하에 있어서 접합 계면에 (Cu, Ni)6Sn5와 (Ni, Cu)3Sn4의 2층의 화합물을 형성하는 경우가 있다. 이 솔더 접합부에 대하여 접합 강도 시험을 실시하면, (Cu, Ni)6Sn5와 (Ni, Cu)3Sn4의 계면에서 박리되어, 오히려 접합 강도가 손상된다는 것을 알았다. 그러므로, 각 첨가 원소를 엄밀하게 제어한 것이다. 이하에서 각 첨가 원소의 규정 이유를 설명한다.
Cu: 0.5∼0.75 질량%
Cu를 Sn에 첨가함으로써 융점이 내려가지만, 0.5 질량% 미만인 경우에는 그 효과가 작다. 예를 들면, Cu 전극의 경우, 솔더링 시에 0.8 질량% 정도까지 Cu 전극이 Sn 중에 녹아 들어가지만, 0.5 질량% 이상이면, Cu 전극의 침식이 작아서, 접합 강도의 저하를 억제하는 데에는 충분한 양이다.
또, Cu의 첨가는, 0.75 질량%를 넘으면 융점의 상승을 초래하여, 솔더링 온도를 높일 필요가 있으므로, 반도체 패키지의 열적 손상을 주게 된다.
예를 들면, 0.75 질량%를 넘으면, Cu가 과잉으로 되어, 접합 계면뿐 아니라 솔더 내에도 조대(粗大)한 Cu-Ni-Sn 화합물이 형성되고, 솔더의 연성이 손상된다.
Cu의 첨가량에 대하여 12.5≤Cu/Ni≤100의 관계식을 충족시키는 Ni
Cu가 12.5Ni보다 적은 경우, 고온 환경 하에 있어서 (Cu, Ni)6Sn5 화합물이 단독으로 존재하는 것이 곤란해지고, (Ni, Cu)3Sn4 화합물도 석출된다. 그러므로, 접합 강도 시험을 실시하면, (Cu, Ni)6Sn5와 (Ni, Cu)3Sn4의 계면에서 박리되고, 접합 강도가 손상된다. 한편, Cu가 100Ni를 초과하는 경우, Cu-Ni-Sn 화합물 중의 Ni가 차지하는 비율이 적기 때문에, Cu-Ni-Sn 화합물의 성장을 억제할 수 없게되어, 접합 강도를 유지하는 것은 곤란하다.
또, 본 발명의 솔더 합금에 있어서의 엄밀하게 제어된 Ni는 Sn과 화합물을 형성하기 때문에, Cu-Ni-Sn 화합물에 도입되어 (Cu, Ni)6Sn5 화합물 이외의 형성을 방지함으로써, 강도 저하를 억제할 수 있다.
또, 바람직하게는, Ni는 0.01∼0.04 질량% 첨가하면 된다.
Ag: 0.1∼1.5 질량%
Ag의 첨가에 의해 융점이 저하되는 동시에, 고-액 공존역을 넓히는 것이 가능하지만, O.1 질량% 미만인 경우, 이러한 효과는 거의 기대할 수 없다. O.1 질량% 이상으로 되면, 이러한 효과가 얻어지지만, 1.5 질량%를 초과하여 첨가하면, 솔더 중에 Sn과 금속간 화합물을 형성함으로써 경화되어, 낙하충격 내성이 손상될 뿐 아니라, Sn-Ag-Cu 3원 공정 조성에 가깝게 되어, 고-액 공존역이 축소된다.
바람직한 Ag의 양은 0.3∼1.2 질량%이며, 솔더의 연성을 해치지 않고 고-액 공존역을 충분히 확대하는 것이 가능하며, 표면층의 개선에 유효하다. 또, 예를 들면, Ni 전극에 접합한 경우에 있어서, Ni 전극 상의 Cu-Ni-Sn 화합물의 성장을 저해하는 피닝 효과가 유효하게 나타나서 고온 환경 하에서의 강도 저하를 억제한다.
또, Ag는 Sn과의 금속간 화합물, 구체적으로는 Ag3Sn을 형성하여 솔더 중에 분산되어 존재하므로, Cu-Ni-Sn 화합물이 성장할 때 피닝 효과를 나타내어 성장을 지연시킨다.
본원 발명의 솔더 합금은, 여러 가지 합금 전극에 접합할 수 있다. 이것은, 여러 가지 합금 전극에 접합된 경우, Cu-Ni-Sn 화합물이 고온 환경에 노출되더라도, Ag가 Sn과 화합물을 형성함으로써 피닝 효과를 나타내는 동시에 고온 환경 하에서의 접합 강도의 저하를 축소할 수 있기 때문이다.
또, Cu 전극에 접합된 경우의 솔더는, 솔더 중의 Cu가 0.5 질량% 이상 포함 되므로, Cu 전극의 침식도 작고, 접합 강도를 유지할 수 있다.
Ni 전극에 접합된 경우에 있어서는, Ni 전극 상에 형성되는 Ni 전극의 표면에, Ni의 산화를 억제하고 솔더 습윤성을 개선할 목적에서 Au나 Pd 등의 금속층을 형성하는 경우가 있지만, 이 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
예
Sn-Cu 합금에 Ag 및 Ni를 첨가한 합금을 제작한 후, 직경 0.3 mm의 솔더 볼을 성형했다. 평가한 땜납 조성을 표 1에 나타낸다. 성형에는 균일 액적분무법을 이용했다. 균일 액적분무법이란, 도가니 내에서 솔더 합금을 용해하고, 용융 솔더를 도가니로부터 배출함으로써 미소구를 제조하는 방법이며, 배출할 때 용융 솔더에 진동을 부여함으로써, 배출된 용융 금속을 체적이 균일한 미소구로 만드는 방법이다. 그리고, 상기 성형 방법에 있어서의 냉각 속도는 약 100℃/s였다. 비교예 1의 Sn-Ag-Cu계 솔더는, Ni의 첨가 유무에 따른 특성을 비교하기 위해 준비하였다. 비교예 2에서는 특허 문헌 3에 개시된 솔더 합금을 준비하였다.
[표 1]
조성 (질량%)
Cu/Ni
Ag Cu Ni Sn
비교예 1 0.3 0.7 - 잔량 -
비교예 2 1.2 0.5 0.05 잔량 10
본 발명 1 1.2 0.5 0.025 잔량 20
본 발명 2 1.2 0.5 0.04 잔량 12.5
본 발명 3 0.3 0.7 0.05 잔량 14
본 발명 4 1.2 0.7 0.035 잔량 20
본 발명 5 1.2 0.7 0.05 잔량 14
본 발명 6 1.08 0.7 0.02 잔량 35
본 발명 7 1.04 0.7 0.01 잔량 70
전해 Ni/Au 도금한 전극(이후, Ni 전극이라 칭함)에, 표 1에 나타내는 직경 0.3 mm의 솔더 볼을 사용하여 솔더 범프를 형성하고, 솔더 접합 신뢰성을 평가했다. 여기서, 전극의 직경은 0.25 mm로 하였다. 솔더링은, 온도 240℃까지 가열함으로써 행하고, 고온 환경 하에서의 열화(劣化) 거동을 평가하기 위하여, 솔더링 후에 150℃에서 500시간(h) 방치한 시료도 함께 제작하였다. 이와 같이 하여 제작한 시료에 있어서, 화합물의 두께를 측정하기 위해 단면 조직을 관찰하였다. 단면 조직 관찰은 주사형 전자현미경(히타치세이사쿠쇼제, S-3500N형)을 사용하여 행하였다. Cu-Ni-Sn 화합물의 두께는, 단면 조직 사진에 있어서의 계면 화합물의 면적을 화상 처리에 의해 구하고, 단위 접합 계면 길이당 두께로서 구하였다. 이들 결과를 표 2에 나타낸다. 본 발명의 예 1, 3, 4, 5, 6, 7, 그리고 비교예 2의 단면 조직을 각각 도 1∼5, 11, 12에 나타낸다.
다음에, 화합물의 조성을 선 분석으로 조사하였다. 선 분석은, 특성 X선 원소 분석장치(호리바세이사쿠쇼제, EMAX-7000형)를 사용하여 행했다. 대표예로서, 본 발명의 예 1, 3, 4, 5와, 비교예 2의 선 분석 결과를 도 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10B, 13A, 13B, 14A, 14B에 나타낸다.
본 발명의 예 1 및 3은, 도 6A, 6B, 7A, 7B와 같이, Ni 전극 바로 위에 Sn 농도가 높은 개소가 존재하지 않으므로 시험 후의 파괴 파면에서의 Cu-Ni-Sn 화합물의 농도비를 관찰한 결과로부터, 계면 화합물은(Cu, Ni)6Sn5인 것으로 추정된다.
한편, 비교예 2는, 도 10A, 10B와 같이, Ni 전극 바로 위에 Sn 농도가 높은 개소가 존재하는 것을 알 수 있다. 마찬가지로 파괴 파면의 Cu-Ni-Sn 화합물의 농도비를 관찰하면, 계면 화합물이 (Cu, Ni)6Sn5와 (Ni, Cu)3Sn4의 2층 구조를 이루고, (Ni, Cu)3Sn4 화합물의 두께는 1.2㎛로 추정된다.
표 2 및 도 1, 2, 6, 7로부터, 본 발명의 예 1 및 3은 Ag 및 Ni에 의해 화합물의 성장이 억제되어 있고, (Cu, Ni)6Sn5 화합물이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 표 2 및 도 5, 10으로부터, 비교예 2는 (Cu, Ni)6Sn5와 (Ni, Cu)3Sn4 화합물이 형성되어 있고, 본 발명의 예 1 및 3에 비하여 화합물의 두께가 두꺼운 것을 알 수 있다.
[표 2]
화합물 두께(㎛) 성장 두께
(㎛)		 150℃-500h 후의
계면화합물 조성
솔더링 후 150℃-500h 후
비교예 1 1.7 3.5 1.8 (Cu,Ni)6Sn5
비교예 2 1.5 4.8 3.3 (Cu,Ni)6Sn5, (Ni,Cu)3Sn4
본 발명 1 1.5 3.0 1.5 (Cu,Ni)6Sn5
본 발명 2 1.6 3.2 1.6 (Cu,Ni)6Sn5
본 발명 3 1.6 2.9 1.3 (Cu,Ni)6Sn5
본 발명 4 1.4 3.0 1.6 (Cu,Ni)6Sn5
본 발명 5 1.6 3.1 1.5 (Cu,Ni)6Sn5
본 발명 6 1.7 3.4 1.7 (Cu,Ni)6Sn5
본 발명 7 1.6 3.6 2.0 (Cu,Ni)6Sn5
접합 신뢰성을 평가하는 방법으로서 소형 샤르피 충격 시험기를 사용하고, 솔더 범프에 무게 20g의 진자를 1 m/s의 속도로 충돌시키는 마이크로 숏 시험을 행하여, 솔더 접합 계면에서 파괴될 확률을 구하였다. 측정은 25개의 솔더 범프에 대하여 행하였다.
또한, 접합 신뢰성을 평가하는 또 하나의 방법으로서 풀 시험기를 사용하여, 솔더 범프를 잡은 후, 300 ㎛/s의 속도로 당기는 풀 시험을 행하여, 솔더 접합 계면에서 파괴될 확률을 구하였다. 측정은 50개의 솔더 범프에 대하여 행하였다. 충격 시험과 인장 시험에서의 계면 파괴 확률의 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
[표 3]
마이크로 숏 시험 후의
계면 파괴 확률(%)		 풀 시험 후의
계면 파괴 확률(%)
솔더링 후 150℃-500h 후 솔더링 후 150℃-500h 후
비교예 1 32 100 4 64
비교예 2 80 96 2 66
본 발명 1 16 88 2 12
본 발명 2 25 90 4 40
본 발명 3 10 75 2 12
본 발명 4 8 80 2 10
본 발명 5 15 90 4 30
본 발명 6 30 90 4 60
본 발명 7 50 100 8 60
표 3으로부터, 본 발명의 예 1∼7은, 마이크로 숏 시험 및 풀 시험 모두 상대적으로 낮은 계면 파괴 확률을 나타냈다. 풀 시험에 있어서, 본 발명의 예 1∼7은, 150℃의 고온에서 500시간 방치 후에도 계면 파괴 확률이 50%를 밑돌 정도로 낮출 수 있었다. 특히, 본 발명의 예 1, 3은 풀 시험 후의 계면 파괴 확률이 10% 정도로 높은 신뢰성을 얻을 수 있음을 확인하였다. 이것은 Ag 및 Ni의 적절한 첨가에 의해, Cu-Ni-Sn 화합물의 성장을 억제하였기 때문이라고 생각된다.
한편, 비교예 2는 풀 시험 후의 계면 파괴 확률이 높고, 접합 강도가 손상되어 있다.
또, 비교예 2에 있어서의 파괴 파면의 농도 분석의 결과, 비교예 2에서는 (Ni, Cu)3Sn4에 상당하는 농도인 것을 확인할 수 있었다.
또, 표 3으로부터, Cu/Ni 비가 20인 낮은 값측, 특히 Ni 함유량이 낮은 측에서, 풀 시험 후의 계면 파괴 확률이 낮아지고, 높은 신뢰성이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 솔더 합금은, 전자 부품 등의 솔더링에 바람직하게 사용된다.

Claims (6)

  1. 질량%로, 0.1∼1.5%의 Ag, 0.5∼0.75%의 Cu, 12.5≤Cu/Ni≤100의 관계를 충족시키는 Ni, 잔량의 Sn 및 불가피한 불순물로 이루어지는 솔더 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    질량%로, 0.3∼1.2%의 Ag를 포함하는 솔더 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    질량%로, 0.01∼0.04%의 Ni를 포함하는 솔더 합금.
  4. 제2항에 있어서,
    질량%로, 0.01∼0.04%의 Ni를 포함하는 솔더 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 솔더 합금이 구형화(球形化)되어 이루어지는 솔더 볼.
  6. 제1항 또는 제4항 중 어느 한 항에 기재된 솔더 합금이 Ni 전극에 접합되어 이루어지는 솔더 접합부.
KR1020087016697A 2006-01-16 2007-01-15 솔더 합금, 솔더 볼 및 그것을 사용한 솔더 접합부 KR101011735B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2006-00007425 2006-01-16
JP2006007425 2006-01-16
JPJP-P-2006-00272589 2006-10-04
JP2006272589 2006-10-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080077399A KR20080077399A (ko) 2008-08-22
KR101011735B1 true KR101011735B1 (ko) 2011-02-07

Family

ID=38256407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020087016697A KR101011735B1 (ko) 2006-01-16 2007-01-15 솔더 합금, 솔더 볼 및 그것을 사용한 솔더 접합부

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20100189594A1 (ko)
EP (1) EP1974850B1 (ko)
JP (1) JP4836009B2 (ko)
KR (1) KR101011735B1 (ko)
CN (1) CN101374630B (ko)
TW (1) TWI311087B (ko)
WO (1) WO2007081006A1 (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012131861A1 (ja) * 2011-03-28 2012-10-04 千住金属工業株式会社 鉛フリーはんだボール
US9339893B2 (en) 2011-04-15 2016-05-17 Nihon Superior Co., Ltd. Lead-free solder alloy
WO2013002407A1 (ja) * 2011-06-30 2013-01-03 日立金属株式会社 ろう材、ろう材ペースト、セラミックス回路基板、セラミックスマスター回路基板及びパワー半導体モジュール
MX2013009113A (es) * 2012-05-10 2013-11-01 Senju Metal Industry Co Aleacion de soldadura para audio.
BR112014032941A2 (pt) 2012-06-30 2017-06-27 Senju Metal Industry Co bola de solda sem chumbo
CN103624415A (zh) * 2012-08-22 2014-03-12 北京有色金属研究总院 一种含硼锡基无铅焊料及其制备方法
WO2014170963A1 (ja) * 2013-04-16 2014-10-23 千住金属工業株式会社 鉛フリーはんだボール及び鉛フリーはんだボールの検査方法
CN107671451A (zh) * 2017-08-21 2018-02-09 番禺得意精密电子工业有限公司 电连接器及其焊料
DE102019120872A1 (de) * 2019-08-01 2021-02-04 Infineon Technologies Ag Löten eines Leiters an eine Aluminiumschicht

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040102326A (ko) * 2003-05-27 2004-12-04 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 적층 세라믹 전자 부품과 그 실장 구조 및 실장 방법
KR20050030237A (ko) * 2004-11-13 2005-03-29 삼성전자주식회사 무연 솔더 합금
KR20050051762A (ko) * 2003-11-28 2005-06-02 박흥열 금속볼 제조 방법 및 장치

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3296289B2 (ja) * 1997-07-16 2002-06-24 富士電機株式会社 はんだ合金
JP3575311B2 (ja) * 1998-01-28 2004-10-13 株式会社村田製作所 Ｐｂフリー半田および半田付け物品
JP4445046B2 (ja) 1998-02-06 2010-04-07 株式会社日本スペリア社 無鉛はんだ合金
JP3363393B2 (ja) 1998-12-21 2003-01-08 千住金属工業株式会社 鉛フリーはんだ合金
JP3544904B2 (ja) * 1999-09-29 2004-07-21 株式会社トッパンＮｅｃサーキットソリューションズ はんだ、それを使用したプリント配線基板の表面処理方法及びそれを使用した電子部品の実装方法
JP2002057177A (ja) * 2000-08-09 2002-02-22 Hitachi Metals Ltd はんだボールおよびその製造方法
JP4152596B2 (ja) * 2001-02-09 2008-09-17 新日鉄マテリアルズ株式会社 ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
JP3891346B2 (ja) * 2002-01-07 2007-03-14 千住金属工業株式会社 微小銅ボールおよび微小銅ボールの製造方法
JP3796181B2 (ja) * 2002-02-14 2006-07-12 新日本製鐵株式会社 無鉛ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
CN1259172C (zh) * 2004-05-28 2006-06-14 四川省有色冶金研究院 高性能锡铜无铅电子钎料
CN1803381A (zh) * 2006-01-11 2006-07-19 黄守友 无铅焊料及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040102326A (ko) * 2003-05-27 2004-12-04 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 적층 세라믹 전자 부품과 그 실장 구조 및 실장 방법
KR20050051762A (ko) * 2003-11-28 2005-06-02 박흥열 금속볼 제조 방법 및 장치
KR20050030237A (ko) * 2004-11-13 2005-03-29 삼성전자주식회사 무연 솔더 합금

Also Published As

Publication number Publication date
EP1974850A4 (en) 2009-11-11
TWI311087B (en) 2009-06-21
EP1974850B1 (en) 2016-04-06
CN101374630B (zh) 2012-01-04
WO2007081006A1 (ja) 2007-07-19
US20100189594A1 (en) 2010-07-29
JP4836009B2 (ja) 2011-12-14
JPWO2007081006A1 (ja) 2009-06-11
TW200734108A (en) 2007-09-16
KR20080077399A (ko) 2008-08-22
EP1974850A1 (en) 2008-10-01
CN101374630A (zh) 2009-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101011735B1 (ko) 솔더 합금, 솔더 볼 및 그것을 사용한 솔더 접합부
KR101345677B1 (ko) 솔더 합금
KR102153273B1 (ko) 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납 및 땜납 이음매
TWI502073B (zh) Lead - free solder alloy
TWI677581B (zh) 焊錫合金、焊錫膏、焊錫球、含焊劑芯焊錫及焊錫接頭
KR20100113626A (ko) 납프리 땜납 합금
KR100813574B1 (ko) 땜납 합금, 땜납 볼 및 이를 이용한 땜납 접합부
US9175368B2 (en) MN doped SN-base solder alloy and solder joints thereof with superior drop shock reliability
JP5030442B2 (ja) 鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材
TW202111134A (zh) 高溫超高可靠性合金
KR101165426B1 (ko) 무연 솔더 합금
EP1429884A2 (en) Improved compositions, methods and devices for high temperature lead-free solder
Liu et al. The superior drop test performance of SAC-Ti solders and its mechanism
EP2747933B1 (en) A mn doped sn-base solder alloy and solder joints thereof with superior drop shock reliability
EP2679335B1 (en) Solder alloy
JP5322469B2 (ja) 耐落下衝撃性に優れたはんだ合金、およびそれを用いたはんだボール、ならびにはんだ接合部
JP4432041B2 (ja) はんだ合金およびはんだボール
JP2005144495A (ja) はんだ合金およびはんだボール
JP2005296983A (ja) はんだ合金およびはんだボール

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140103

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150105

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160105

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170103

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee