KR101026316B1 - 벌크 금속 유리 솔더 물질 형성 방법, 솔더 물질 및 제조물품 - Google Patents

벌크 금속 유리 솔더 물질 형성 방법, 솔더 물질 및 제조물품 Download PDF

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Abstract

비대칭 유체 슬로프와 함께 깊은 공융을 갖는 합금으로 형성된 고강도의 신뢰할 수 있는 벌크 금속 유리(BMG) 솔더 물질이 개시된다. BMG 솔더 물질은 결정 솔더 물질보다 강하고 더 높은 탄성률을 가지며, 그에 따라 부서지기 쉬운 저 k 층간 유전체(ILD) 물질에 상이한 열팽창 계수를 갖는 물질 내의 열 스트레스로 인한 손상을 덜 준다. BMG 솔더 물질은 물리적, 전기적 또는 열적으로, 혹은 그 결합으로 피처를 다른 피처에 연결할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서, BMG 솔더 물질은 전자 소자를 인쇄 회로 기판에 물리적 및 전기적으로 결합시킬 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, BMG 솔더 물질은 집적된 열 싱크를 반도체 디바이스에 물리적 및 열적으로 결합시킬 수 있다. BMG 솔더 물질의 많은 실시예는 또한 무납(lead-free)이므로, 무납 제품 요건에 합당하면서도 주석-은-구리와 같은 다른 무납 솔더 물질보다 양호한 솔루션을 제공한다.

Description

벌크 금속 유리 솔더 물질 형성 방법, 솔더 물질 및 제조 물품{BULK METALLIC GLASS SOLDER}
본 발명은 전반적으로 반도체 디바이스 패키징 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 무납 솔더 물질(a lead-free solder material)에 관한 것이다.
전자공학 산업의 개발 전반에 걸쳐서, 납 기반 솔더, 주로 주석-납(Sn-Pb)은 전자 소자를 신뢰할 수 있게 결합시키는 주요 물질이었다. 그것의 비교적 낮은 융해 온도(melting temperature) 및 전기 전도성으로 인해, 그것은 이 목적에 매우 적합하다. 그러나 인간에게 미치는 납의 유독성에 대한 인식이 성장하면서 그것의 사용에 관하여, 주로 전자기기 디바이스가 폐기될 때 환경으로 폐기물을 유출시키지 않게 하는 상당한 관리 감독이 이루어지게 되었다. 몇몇 국가 및 경제 개체는 많은 제품에서 필수적으로 납을 제거하여, 가까운 장래에는 납을 포함하는 제품의 수입 및 판매를 금지할 계획을 수립하고 있다.
전자기기 산업은 그들의 제품에서 납 솔더를 대체할 적합한 물질을 서둘러 찾아내려 하고 있다. SnAg(Cu)와 같은 '무납' 대체 솔더는 전형적으로 전통적인 Sn-Pb 솔더보다 강하지만, 또한 Sn-Pb의 융해 온도(대략 183℃)보다 상당히 높은 융해(리플로우) 온도(대략 230-270℃)를 갖는다. 다른 기술적 개발과 결합하는 이들 두 가지 속성은 전자 소자에 열 스트레스 손상의 발생을 격화시키고 있다. 다이 부착과 같은 공정 동안, 열 스트레스는 솔더 리플로우 중에 실리콘 다이에서 전개되어, 현재 실리콘 디바이스에 사용하는 기계적으로 부서지기 쉬운 낮은 k 층간 유전체(105)(interlayer dielectric: ILD) 물질에 빈번하게 손상을 준다(125). 또한 솔더 조인트 또는 솔더 볼(104) 내에서의 결합성 결함(115)(예를 들어, 균열)이나, 기판(102) 또는 반도체 디바이스(101)의 솔더 볼(104)과 패드(103) 사이의 점착성 결함(120)(예를 들어, 탈층(delamination))과 같은 손상은 무납 솔더를 사용할 때 더욱 일반적인 문제가 될 수 있다. 차세대 ILD 물질은 더욱 더 부서지기 쉬울 것으로 예측되며, 열적으로 유발되는 스트레스 손상으로 인한 문제는 더욱 더 많이 야기될 것으로 예측된다.
열 피로(thermal fatigue)는 또한 중요한 신뢰도 관심사이다. 제조 및 일반적인 사용 중에, 전자 디바이스 내의 솔더 물질 및 기타 물질은 열 사이클링에 영향을 받는다. 디바이스 내의 솔더 및 기타 물질의 열팽창 계수(the coefficients of thermal expansion: CTE)가 일치하지 않는 경우, 솔더 조인트는 비탄력적 스트레인 누적 및 열 피로의 영향을 받기 쉬우며, 종국에는 피로 균열 성장(fatigue crack growth)과 같은 손상을 받을 것이다.
무납 제품을 요구하는 시장에 그들을 제공하기 위한 최종 시한이 다가옴에 따라, 전자기기 산업은 몇몇 납 함유 솔더 뿐 아니라 현재의 무납 솔더 물질에서 관측되는 많은 결함 메커니즘에 대해 보다 덜 민감한 신뢰성 있는 무납 솔더를 개발하기 위해 계속해서 노력하고 있다.
도 1은 종래기술에 따라 기판에 조립된 반도체 디바이스의 손상된 솔더 볼의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 벌크 금속 유리 솔더 볼에 의해 기판에 조립된 반도체 디바이스의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 벌크 금속 유리 솔더 물질에 의해 기판에 조립된 표면 탑재 소자의 단면도,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따라 벌크 금속 유리 솔더 물질을 사용하여 기판에 표면 탑재 소자를 조립하는 방법의 단면도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 벌크 금속 유리 솔더 물질을 사용하여 기판에 쓰루 홀 탑재 소자를 조립하는 방법의 단면도,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 열 계면 물질로서의 벌크 금속 유리 솔더 물질의 단면도,
도 7은 벌크 금속 유리 솔더 물질을 사용하여 2개의 피처를 접속(부착)시키는 공정의 블록도이다.
본 발명의 실시예는 벌크 금속 유리(bulk metallic glass: BMG) 합금을 포함하는 솔더 물질을 설명한다. 통상적인 금속 유리는 전형적으로 매우 높은 속도, 예를 들어 105℃/초로 냉각시키지 않는다면 그들의 융해 온도(Tm)로 냉각될 때 결정화한다. 이러한 고속의 열 전사는 고가의 특화된 장비 및 특정 조건을 요구하며, 전형적인 금속 유리로서 형성될 수 있는 아이템의 크기를 매우 가는 와이어 및 리본으로 제한한다. 그러나 냉각 시 BMG 물질은 결정화를 회피하고 그 대신에 융해된 BMG가 예외적으로 결정화에 대해 안정하게 되는 광범위한 과냉각 영역의 상태로 된다. 이 과냉각 영역에서 BMG가 뉴턴의 점성 작용(Newtonian viscous behavior) 또는 완벽한 초가소성(m=1)을 나타내는 반면, 통상적인 초가소성 금속은 0.6보다 작은 m 값을 갖는다. BMG 합금은 결정화를 회피할 수 있고, 102℃/초 미만의 비교적 느린 냉각 속도로 유리 형성을 겪을 수 있는데, 이는 현재의 리플로우 방법을 이용하여 도달할 수 있다.
이들 특성은 BMG 물질에 그들의 증가된 유리 형성 능력 및 느린 결정화 경향을 제공한다. 그러나 일단 고체의 유리 상태로 형성되면, BMG 물질은 유연하고 매우 높은 탄성 스트레인 한도를 가지면서도 매우 강하고 단단하다. BMG 물질의 이러한 사후-리플로우 특성(post-reflow characteristics)으로 인해 이들은 반도체 디바이스 제조 시에 솔더 화합물로 사용하는 데 매우 적합하다.
SnAg(Cu)와 같은 전형적인 무납 솔더 화합물은 결정체 응결 순간에 비탄력적 열 스트레스로 고정되는 반면, 일반적으로 Tm 또는 그 근처에서, BMG 물질은 보다 낮은 유리 형성 온도(Tg) 동안에는 열 스트레스로 고정되지 않는다. 따라서 솔더와 그것을 부착시키는 물질의 CTE가 일치하지 않는 경우, 냉각 중에 발생하는 열 스트레인은 실온과 Tm 사이의 온도 차가 실온과 Tg 사이의 온도 차보다 크기 때문에 BMG 물질에 비해 전통적인 무납 솔더에서 더 큰 온도 차로 누적될 것이다.
냉각 동안에 보다 적은 열 스트레인을 발생시키는 것 이외에도, BMG 물질은 전형적으로 사용되는 단단한 결정 형성 무납 솔더의 탄성 스트레인 한도(대략 0.1%)보다 훨씬 높은 탄성 스트레인 한도(대략 2%)를 갖는다. 따라서 시스템 내에 존재하는 상당량의 어떠한 스트레인도 BMG 솔더에 의해 흡수되어, 그 물질이 솔더에 의해 결합될 때에 보다 적은 총 스트레인을 부과할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 BMG 솔더가 사용된 반도체 디바이스 내에 존재하는 보다 낮게 생성된 열 스트레인은 현재 및 미래에 사용되는 전용 저 k 유전체 물질에 손상을 가져올 가능성이 낮다.
공융 합금은 그들의 구성물의 융해점보다 낮은 융해점을 가지며, 깊은 공융점은 실질적으로 그것의 구성물의 공융점보다 낮은 합금의 융해점이다. 예시적인 실시예에서, 합금의 깊은 공융점은 그것의 구성물의 융해점보다 대략 25% 더 낮을 수 있다. 다른 실시예에서, 깊은 공융점은 구성물의 융해점보다 25% 이상 더 낮을 수 있다. 깊은 공융점, 특히 공융점 근처의 (금속이 완전히 액화될 때의) 비대칭 유체(asymmetric liquidous)를 갖는 합금은 최근에 BMG 합금을 생성하는 것으로 도 시하였다. 다른 유리 물질을 이용할 때와 같이, BMG 합금은 전형적으로 유리 전이 온도('유리화(vitrification)')이거나 또는 그 이하에서 응결할 때 순차적인 결정 매트릭스를 형성하지 않는다. 오히려, BMG 물질의 원자 배열은 실질적으로 비결정질이며 무질서하다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 솔더 물질로서 사용되며 주석(Sn)을 포함하는(두 가지 구성 요소 또는 '구성물'을 포함하는) '2원(binary)' 합금은 벌크 금속 유리 솔더 물질을 형성할 수 있는 화합물을 질량 단위(wt.%)로 대략 30-53% 주석의 범위 내에서 발견할 수 있는 경우에 주석-비스무트(Sn-Bi)를 포함할 수 있다. 정상적인 실험을 통해 진술한 범위 내에서 심지어 wt.%의 0.1% 증가량에서 발견할 수 있는 정확한 화합물을 식별할 수 있다. 마찬가지로, 벌크 금속 유리 솔더는 다음의 합금 및 화합물 범위, 즉 주석-인듐(Sn-In; 45-60 wt.% Sn), 주석-아연(Sn-Zn; 80-92 wt.% Sn), 주석-니켈(Sn-Ni; 95-99.9 wt.% Sn), 주석-구리(Sn-Cu; 95-99.9 wt.% Sn), 주석-은(Sn-Ag; 90-98 wt.% Sn), 주석-알루미늄(Sn-Al; 95-99.9 wt.% Sn), 주석-비소(Sn-As; 95-99.9 wt.%), 주석-금(Sn-Au; 80-95 wt.% Sn), 주석-카드뮴(Sn-Cd; 60-70 wt.% Sn), 주석-디스프로슘(Sn-Dy; 95-99 wt.% Sn), 주석-마그네슘(Sn-Mg; 80-90 wt.% Sn), 주석-납(Sn-Pb; 55-70 wt.% Sn) 및 주석-탈륨(Sn-Th; 50-65 wt.% Sn) 내에서 형성할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, BMG 솔더 물질은 2원 합금, 및 인듐-비스무트(In-Bi; 60-70 wt.% In), 인듐-아연(In-Zn; 97-99 wt.% In), 인듐-니켈(In- Ni; >99 wt.% In), 인듐-구리(In-Cu; >99 wt.% In), 인듐-은(In-Ag; 95-99 wt.% In), 인듐-금(In-Au; >99 wt.% In), 인듐-카드뮴(In-Cd; 60-70 wt.% In) 또는 인듐-갈륨(In-Ga; 20-30 wt.% In)과 같이 인듐을 포함하는 화합물 범위 내에서 발견할 수 있다.
마찬가지로, '3원' 합금(세 가지 구성 요소를 포함하는 합금)을 BMG 솔더 물질로서 사용할 수 있다. 본 발명의 실시에에 따른 3원 합금의 예로는 주석-인듐-비스무트(Sn-In-Bi), 주석-인듐-아연(Sn-In-Zn), 주석-비스무트-아연(Sn-Bi-Zn), 인듐-비스무트-아연(In-Bi-Zn), 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu), 주석-은-니켈(Sn-Ag-Ni), 주석-구리-비스무트(Sn-Cu-Bi) 및 주석-구리- 인듐 (Sn-Cu-In)이 있다.
나열된 2원 및 3원 합금은 단지 예시적인 실시예에 불과하며, 본 발명의 실시예에 따른 BMG 솔더 물질로서 사용될 수 있는 모든 2원 및 3원 합금의 총 목록이 아님을 이해해야 한다. 나열된 합금은 깊은 공융점을 갖는 특성을 비대칭 유체화 라인(asymmetric liquidous lines)과 공유한다. 따라서 이러한 설명으로부터 비대칭 유체화점을 갖는 깊은 공융의 유사한 특성을 갖는 다른 합금도 마찬가지로 본 발명의 실시예에 따른 BMG 솔더 물질로서 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
3원 또는 '고차원' 합금(세 가지 이상의 구성물을 갖는 합금)의 경우, 깊은 공융 영역을 발견할 수 있는 화합물 범위를 정밀하게 표하고 식별하는 데에 Thermo-c 및 Software사의'Thermo-C 및 Classic'(TCC) 또는 'Thermo-C 및 Windows'(TCW)와 같은 상업적으로 이용가능한 소프트웨어를 이용할 수 있다. 그러면 2원 시스템에 대해 전술한 바와 같은 정상적인 실험에 의해, 화합물 범위 내에서 BMG 합금에 유용한 정확한 화합물 범위를 식별할 수 있다.
실시예에서는, BMG 솔더 물질을 포함하는 장치의 동작 온도가 사용된 BMG 합금의 Tg보다 상당히 높지 않도록 BMG 합금의 특정 화합물을 선택할 수 있다. 다양한 실시예에서, Tg는 변화하여 실시에에 따른 BMG 합금을 이용하기 위한 적절한 동작 온도 한도를 결정하는 데 시간-온도-변형 도표(a Time-Temperature-Transformation diagram)를 이용될 수 있다. 일반적으로, 사용 조건은 결정화 시간이 온도의 함수로서 구상된 시간-온도-변형 도표 내의 "C" 곡선의 "고점(nose)"을 초과해서는 안 된다. 예를 들어, 동작 온도보다 현저히 낮은 것은 아닌 Tg를 갖는 BMG 합금을 선택하는 것이 유리할 수 있다. 따라서 동작 온도보다 현저히 낮은 것은 아닌 Vg로 BMG 합금을 선택하는 것이 유리할 수도 있다.
그러나 몇몇 애플리케이션에서는 BMG 물질의 Tg를 초과하는 것이 유리할 수 있다. 예시적인 실시예에서는, BMG 솔더 물질을 이용하여 정상적으로 개방된 전력 회로 스위치를 폐쇄시킨 상태로 솔더링할 수 있다. 동작 온도가 최대 허용 온도를 초과하여 위험한 상황을 초래한다면, BMG 솔더 물질은 연화되어, 회로를 개방시키고 장치에 공급되는 전력을 차단할 수 있다. 따라서 애플리케이션에 따라 유리한 Tg를 위한 BMG 솔더 물질용 합금의 화합물을 선택할 수 있음을 이해해야 한다.
합금의 구성물의 비율 조성을 변경하면 생성된 합금에 대한 Tg 및 Tm을 변경할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따라 BMG 합금의 상당한 조성을 형성할 수 있으되, 본 명세서에 나열할 수 없을 정도로 많은 조성이 가능하다는 것을 이해 해야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 BMG 솔더 물질은 다양한 형태를 취할 수 있고, 광범위한 애플리케이션 어레이를 포함할 수도 있다. 실시예에 따르면, 리플로우 이후에 BMG 솔더 조인트를 형성할 수 있는 합금으로부터 솔더 구체(솔더 볼)를 형성할 수 있다. 이러한 한 가지 실시예(200)에서는 BMG 솔더 구체(205)를 볼 그리드 어레이(ball grid array: BGA) 소자(201) 부착용으로 사용할 수 있다. 다른 실시예에서는 그들을 BMG 솔더 페이스트 내에 포함시킬 수 있다. 소자(301)의 부차 피처(303)와 접촉하고 기판(302)의 부착 피처(304)와 접촉하여 리플로우 이후에 소자(301)를 기판(302)에 견고하게 접속시키는 BMG 솔더 필렛(fillet)(315)을 형성하도록 BMG 솔더 페이스트를 제공한다. 다른 실시예에서는 유사한 페이스트가 BMG 구체보다는 BMG 파우더를 포함할 수 있다.
BMG 기반 솔더 물질은 많은 금속 유리 화합물과 같은 급속한 냉각 속도를 요구하지 않기 때문에 통상적인 솔더 구체 및 파우더/페이스트 리플로우 처리 파라미터를 BMG 기반 솔더의 사용에 용이하게 적용할 수 있다. 따라서 볼 부착용으로 BMG 기반 솔더 구체를 사용하고, 현재의 처리 파라미터 및 장비를 이용하여 페이스트 프린트용으로 BMG 기반 솔더 페이스트를 사용할 수 있다. 소자를 기판에 접속시키는, 예시적인 일 실시예에서 커패시터, 저항 및 기타의 유사한 전기 소자를 인쇄 회로 기판(a printed circuit board: PCB)에 접속시키는 BMG 솔더 페이스트를 사용하여 솔더 필렛을 형성할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d에 도시한 예시적인 실시예에 따르면, 소자(401)를 기 판(402) 상에 표면 탑재시킬 수 있는 경우, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 수동 애플리케이션 또는 그 밖의 방법에 의해 기판(402)의 표면 상에 BMG 솔더 페이스트(410)를 프린트하여, 기판(402) 표면의 영역 또는 피처(404)에만 페이스트를 증착시킬 수 있다. BMG 솔더 페이스트(410)를 기판(402) 표면 상의 전도성 피처(404) 상에 증착시키고 소자(401)를 기판(402) 표면 상에 위치시켜 소자의 전기 전도성 단자(403) 또는 부착 피처를 BMG 솔더(410)와 접촉시킨 후, BMG 솔더 물질(410)을 융해시키고 리플로우시키는 그것의 융해 온도 Tm로 또는 그 이상으로 솔더(410)를 가열한다. 그 후 BMG 솔더 물질(410)을 그것의 Tm 내지 Tg 이하로 냉각시켜, 소자(401)를 기판(402)의 표면에 접속시키는 전도성 금속 유리 필렛(415)을 응결시킨다.
실시예에서, 기판 표면 상의 전도성 피처의 예로는 패드, 비아, 노출시킨 트레이스, 노출시킨 전력 또는 접지면, 내장한 소자의 단자, 또는 제공 가능한 기타의 것들이 있다. 소자의 전기 전도성 단자의 예로는 날인한 금속 납, 핀, 패드, 형성된 금속 단부 단자 또는 제공 가능한 기타의 것들이 있다. 소자의 전기 전도성 단자의 예 중 일부는 또한 부착 피처로서 기능할 수 있지만, 실시예에서 그들은 부착만을 목적으로 하는 소자 상에 존재할 수 있고, 기판 또는 소자와 전기적으로 통신할 수 없다. 마찬가지로, 기판 표면 상의 전도성 피처를 기판의 어떠한 다른 전도성 피처에도 전기적으로 접속시키지 않고, 그에 의해 실질적으로 전기적으로 절연시킬 수 있다. 이 상황에서, 그들은 기판 표면 상의 부착 피처로서만 기능한 다.
리플로우 오븐 내에서 증가시킨 온도에 물질을 노출시키거나, 솔더링 철 또는 레이저(a soldering iron or laser)에 의해서 보다 국부적으로 가열함으로써 표면 탑재 BMG 솔더 물질의 리플로우를 달성할 수 있고, 그에 의해 열원(heat source)을 BMG 솔더 물질이 존재하는 것과 동일한 기판 표면에 적용한다. 또한 개방 프레임(an open flame), 또는 BMG 솔더 물질이 존재하지 않는 기판 표면에 열을 가하며 기판을 통해 열을 전도시키는 몇몇 기타 수단에 의해 핫 플레이트(a hot plate)와 같은 열원의 위 또는 아래에 기판을 배치할 수도 있다. 전체적으로 또는 국부적으로 열을 가하거나, 또는 BMG 솔더 물질이 존재하는 기판의 동일 표면 또는 상이한 표면에 열을 가하는 다양한 실시예에서, 열원은 BMG 솔더 물질을 그것의 Tm 이상으로 충분히 상승시켜야 하며, 리플로우시켜야 한다.
전술한 실시예에서 설명한 바와 같이, 기판 표면에 대한 표면 탑재 소자로 BMG 솔더 물질을 이용할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는, BMG 물질을 기판에 '쓰루 홀 탑재' 소자를 접속시키는 데 사용할 수도 있다. 전형적으로, 쓰루 홀 탑재 소자(501)는 소자(501)로부터 외방향으로 연장시킨(돌출시킨) 금속 핀(503) 또는 다른 피처를 갖는다. 쓰루 홀 탑재 소자(501)를 기판(502) 근처에 배치하여, 돌출 피처(503) 중 하나 이상이 기판(502)의 홀(507)을 부분적으로 또는 완전히 관통하게 한다. 소자(504)의 안전한 부착을 위해 홀(507)의 내부 표면에 금속 층(504)을 제공하여 솔더 물질과의 본딩을 용이하게 할 수 있으며, 또한 금속 층(504)은 기판(502)의 하나 이상의 도전 층과 전기적으로 통신할 수 있다. 따라서 이와 같이 배치한 금속 층(504)은 기판(502)의 부착 피처나 도전 피처 또는 양측 모두로서 기능할 수 있다.
전형적으로, 소자에 대향하는 기판(502) 면을 소정량의 융해시킨 BMG 솔더 물질(520)에 노출시키면 부착이 가능하다. 몇몇 BMG 솔더 물질(512)은 홀(507) 내에 존재하며, 홀의 내부 표면 상의 금속 층(504)과 소자(501)의 돌출 부착 피처(503) 사이의 틈새 공간을 부분적으로 또는 완전히 충진한다. 홀(507) 내의 솔더 물질(512)을 그것의 Tm 아래로 냉각시키면, 그것은 응집하여 소자(501)를 기판(502)에 견고하게 접속시킨다. 또한, 흔히, 소자(501)가 존재하는 곳에 인접한 표면에 대향하는 기판(502)의 표면을 완전히 관통하는 돌출 부착 피처(503)의 일부 근처에 솔더 필렛(515)을 형성한다. 그와 같이 냉각 및 응집 시에 형성된 솔더 필렛(515)은 설명한 바와 같이 홀(507)의 틈새 공간을 충진한 솔더(512)가 없다 해도 소자(501)를 기판(502)에 본딩하기에 충분할 수 있다.
기판(502)을 노출시켜 전술한 바와 같이 쓰루 홀 탑재에 영향을 미치는 양의 솔더(520)는 정적인 베쓰의 융해된 솔더 물질(a static bath of molten solder material)일 수 있다. 전기 소자 제조 시에, 베쓰(530)를 지나는 기판(502)의 표면과 접촉하는 베쓰(530)의 표면 위에 정재파(a standing wave)(525)를 제공하면, '웨이브 솔더 베쓰(wave solder bath)'(530)의 융해된 솔더 물질(530)이 보다 전형적이다. 기판(502)의 표면과 접촉하는 솔더는 솔더 물질(520)의 정재파(525)와의 접촉부로부터 제거한 이후일지라도, 전술한 바와 같이 기판(502) 상에 남아 있을 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 기판에 대한 소자의 쓰루 홀 탑재에 영향을 미치는 다른 수단에 의해, 융해된 솔더 물질을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, BMG 솔더 물질은 소자의 쓰루 홀 부착을 기판에 제공할 수 있다. 이러한 일 실시예에서, BMG 솔더 물질은 웨이퍼 솔더 장치 및 공정을 위한 융해된 솔더 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, BMG 솔더 물질은 소자의 쓰루 홀 부착에 사용된 정적 베쓰 내에 융해된 솔더 물질을 포함할 수 있다. 수동 솔더링 또는 자동 (예를 들어, 로봇식) 솔더링과 같은 또 다른 실시예에서, BMG 솔더를 바(a bar), 페이스트, 파우더, 리본, 탄력적 와이어 또는 그 밖의 고체 혹은 유체 유닛의 형태로 적용할 수 있으며, 이로 인해 쓰루 홀 탑재 소자를 기판에 접속시키는 솔더링 애플리케이션을 위한 BMG 솔더 물질의 전달을 용이하게 할 수 있다.
본 명세서에 설명한 형태의 BMG 솔더를 쓰루 홀 탑재 소자의 부착에만 사용하는 것이 아니라, 유용하게도 전술한 형태 중 하나를 이용하여 부착 피처 위에 솔더를 배치할 수 있는 다른 애플리케이션에도 사용할 수 있다. 예를 들어, 전술한 형태의 BMG 솔더를 표면 탑재 소자를 기판에 접속시키는 실시예에 이용할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 실시예에서 언급한 바와 같은 BMG 솔더 구체는 단지 예시적인 실시예를 표현한 것이며, 다른 실시예에서 BMG 솔더는 입방형, 실린더형 또는 구형이 아닌 몇몇 다른 기하학적 형상 또는 비결정질 구성일 수 있으며, 이와 달리 이산의 전형적으로 매우 작은 개별 유닛으로 이용될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 설명의 간소성을 위해, 다수의 형상 또는 형태 중 임의의 것을 포함하는 BMG 솔더 물질의 개별 유닛을 "펠릿(pellet)"이라고 지칭할 수 있다. 따라서 구체의 BMG 솔더 물질이 사용될 수 있는 실시예에서는 BMG 솔더 물질의 펠릿이 사용될 수 있다는 것도 이해할 수 있을 것이다.
마찬가지로, 바형의 솔더(a bar of solder)는 실시예에서 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 난형(ovoid), 사다리꼴 등을 포함하는 다양한 단면 형상 또는 형태 중 임의의 것을 가질 수 있다. 바의 단면 형상을 기하학적 형상으로만 제한하는 것이 아니라, 실시예는 또한 비결정형 단면 형상 또는 많은 면 또는 규정되지 않은 면을 포함할 수도 있다. 실시예에서, 바 솔더는 또한 고체, 공동(hollow) 또는 다공(porous)일 수도 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서 전술한 바와 같은 바형 솔더 물질은 봉(rod), 스틱, 잉곳(an ingot), 빔(a beam), 덩어리(a nugget), 관(a tube), 또는 기타의 그러한 구성과 같이 전술한 것들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 솔더의 유체 유닛은 소정량의 융해된 솔더를 포함할 수 있다. 그것은 또한 유체 캐리어 물질 없이 이용할 수 있는 BMG 솔더 물질이 있는 유체 캐리어 물질을 포함할 수 있다. 유체 캐리어 물질을 포함하는 실시예에서 BMG 솔더 물질은 매우 작은 개별적 BMG 솔더 입자의 부유물 형태 또는 유화제와 유사하게 기능할 수 있는 캐리어 물질과 솔더 페이스트의 저 점도 혼합물의 형태를 취할 수 있다.
소자를 기판에 부착시키는 BMG 솔더 물질의 다른 실시예에서 소자는 전도성 와이어, 스트랩, 케이블 또는 유사 장치일 수 있다. 소자는 또한 포스트, 볼트, 스터드, 래치, 클립 또는 기타의 유사한 물리적 접속 소자와 같은 부착 디바이스일 수 있다. 소자는 다른 실시예에서 케이블(예를 들어, 전원 케이블, 드라이브 케이블(하드드라이브, DVD 드라이브 등), 점퍼 케이블(jumper cables), 광 케이블 등)을 수용하고 보유하는 데 사용되는 커넥터, 카드 기반 디바이스(예를 들어, 메모리 카드, I/O 카드, 그래픽 카드 등)를 수용하고 보유하는 데 사용되는 '슬롯 커넥터', 또는 반도체 디바이스를 수용하고 보유하는 데 사용하는 소켓(예를 들어, 핀 그리드 어레이(PGA) 소켓, 랜드 그리드 어레이(LGA) 소켓 등)을 포함한다. 수많은 다른 실시예가 인쇄 회로 기판과 같은 기판에 물리적으로 부착시킬 수 있는 다수의 개별적 부품을 소자로서 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서는 주로 기판의 표면 상에 또는 그 표면에 위치하는 피처에 소자를 부착시킨 경우, 그 소자를 표면 탑재 소자로 간주할 수 있다. 소자가 그 소자에 가까운 기판의 표면을 통과하여 실질적으로 돌출되거나 그 기판에 제공된 홀 내로 또는 그 홀을 통과하여 돌출된다면, 그 소자를 쓰루 홀 탑재 소자로 간주할 수 있다.
BMG 솔더 물질이 신규하고 유익한 다른 실시예는 반도체 칩 또는 반도체 패키지(총괄적으로 "반도체 디바이스")(601, 611, 621)와 같은 열 발생 디바이스와 열 방산 디바이스(냉각 디바이스) 사이에 제공되는 열 계면 물질(TIM)(610, 620 630)이며, 열 방산 디바이스는 통합된 열 스프레더(an integrated heat spreader: IHS), 열 싱크(612), 열전기 냉각기, 팬 장치, 유체 냉각 유닛, 냉장 유닛, 다상 냉각 유닛(냉매의 상 변화에 기초한 열 파이프 또는 그 밖의 냉각 디바이스) 또는 그 밖의 그러한 장치이다. 다른 실시예에서, 제 1 냉각 디바이스와 제 2 냉각 디 바이스 사이에 BMG 솔더 물질을 TIM으로서 제공할 수 있다. 그러한 예시적인 일 실시예에서는 IHS(622)와 열 싱크(623) 사이에 BMG 솔더(635)를 배치할 수 있으며, 여기서 BMG 솔더(635)는 열 싱크(623)를 IHS(622)에 접속시키는 기능과 IHS(622)와 열 싱크(623) 사이의 열 전도를 용이하게 하는 기능을 둘 다 수행한다. BMG 솔더는 높은 열 전도성을 갖고 있으므로, 열 전도가 실질적인 고려 사항인 애플리케이션용으로 적합할 수 있다.
TIM으로 사용될 때, BMG 솔더 물질은 또한 상이한 CTE 값을 갖는 물질들 사이에 조밀하고 안전한 본드를 유지시킨다는 이점을 제공하여, 효율적인 열 전사와 간섭할 수 있는 균열 또는 탈층을 방지한다. 따라서 열 발생 디바이스와 냉각 디바이스를 물리적으로 결합시키거나 2개의 냉각 디바이스를 물리적으로 결합시키면서, BMG 솔더 물질을 포함하는 TIM은 또한 상기 디바이스들을 열적으로 결합시킨다.
이에 따라, 본 발명의 예시적인 실시예에서는 MBG 솔더 물질을 반도체 디바이스와 냉각 디바이스 사이에 배치하여, 반도체 디바이스와 냉각 디바이스 모두의 실질적인 표면 영역 위에 본드를 형성한다. 냉각 디바이스 또는 반도체 디바이스 중 어느 하나에 BMG 솔더 물질을 초기에는 고체 형태로 적용하고, 이후에 양측 디바이스의 표면 영역과 실질적으로 접촉시키면서 리플로우시켜 Tg로 또는 그 아래로 냉각시킨다. 대안으로, 실시예는 융해된 BMG 솔더 물질을 냉각 디바이스 또는 반도체 디바이스 중 어느 하나의 위에 배치하는 단계와, 그들 디바이스를 접합하여 양측 디바이스의 실질적인 표면 영역을 BMG 솔더 물질과 접촉시키는 단계와, 이후에 BMG 솔더 물질을 Tg로 또는 그 아래로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
실시예는 또한 페이스트, 파우더, 후막(예를 들어, 시트), 박막(예를 들어, 테이프) 또는 제어된 변위를 허용하되 BMG 솔더의 리플로우, 유리, 접착 또는 열전도 속성을 손상하지 않는 다른 물리적 상태 또는 형태로서 냉각 디바이스 또는 반도체 디바이스 중 어느 하나 위에 BMG 솔더 물질을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서와 같이, 냉각 디바이스와 반도체 디바이스 양측의 표면 영역과 실질적으로 접촉시키면서 BMG 솔더를 리플로우하여 그것의 Tg로 또는 그 이하로 냉각시킬 것이다. 설명한 실시예 내에서, BMG 솔더 물질과 접착식으로 접촉한 냉각 디바이스 및 반도체의 표면 영역을 설명 목적의 부착 피처로 간주할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
반도체 디바이스 및 냉각 디바이스의 정상 동작이 열 순환 및 열 시차(thermal differentials)를 포함하고, 이종 CTE를 갖는 물질이 수반되므로, BMG 솔더 물질의 더 높은 탄성 스트레인 및 조도(toughness)는 본 명세서에서 이미 언급한 유형의 손상을 방지함으로써 매우 많은 그러한 애플리케이션 내의 TIM으로서의 이점을 제공한다. 따라서 BMG 솔더로 결합될 물질의 CTE 값에 기초한 BMG 솔더 물질용으로 상이한 합금 및 구성물을 선택할 수 있으며, 동작 온도 또는 처리 온도에 의해 어셈블리 또는 정상 사용 과정 중에 그들 물질을 처리할 수 있다.
냉각 디바이스와 반도체 디바이스 사이의 TIM으로서의 BMG 솔더 물질을 사용 하는 것에 관한 상세한 설명을 제공하고 있지만, 이러한 논의는 제 1 냉각 디바이스와 제 2 냉각 디바이스 사이, 예를 들어 제 1 실시에에서와 같이 IHS와 열 싱크 사이의 TIM으로서 사용하는 BMG 솔더 물질에도 적용할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 명세서에서 실질적으로 설명하고 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 솔더 물질로서 벌크 금속 유리(BMG) 합금을 사용하는 방법을 포함한다. 일반적으로 이것은 적어도 제 1 피처 및 제 2 피처(701)와 접촉하도록 BMG 솔더 물질을 배치하는 단계와, BMG 합금을 포함하는 BMG 솔더 물질을 그것의 융해 온도(Tm)로 또는 그 이상으로 가열하는 단계와, 이후에 BMG 솔더 물질을 그것의 유리 전이 온도(Tg)로 또는 그 이하로 냉각시켜 제 1 피처를 제 2 피처와 접속시키는 BMG 솔더 조인트를 형성하는 단계를 포함한다. 대안으로, BMG 솔더 물질을 단지 제 1 피처에만 접촉시키는 것이 아니라 그것의 융해 온도 이상으로 가열할 때 제 2 피처와 접촉하도록 배치할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 제 1 피처에만 접촉하도록 BMG 솔더 물질을 배치하고, 이후에 제 2 피처를 BMG 솔더 물질에 접촉하도록 배치할 수 있다. 제 1 및 제 2 피처는 개별적인 소자 또는 디바이스일 수도 있고, 또는 소자, 디바이스 또는 기판의 일부로서 포함되는 구조적 구성 요소, 예를 들어 전자 소자, 반도체 디바이스, 냉각 디바이스 또는 본 명세서에서 설명한 실시예에 따른 인쇄 회로 기판이되 이들로 제한되는 것은 아닌 구성 요소일 수도 있다.
또한 일단 리플로우시키면 선택적으로 Tg 이상이지만 Tm 이하인 온도에서 BMG 솔더 물질을 어닐링하여 완벽한 나노결정 솔더에 대한 부산물을 생성할 수도 있음에 유의해야 한다.
전술한 상세한 설명 및 첨부한 도면은 단지 예시적인 것일 뿐 제한적인 것은 아니다. 그들은 주로 본 발명의 실시예의 명확하고 포괄적인 이해를 위해 제공한 것이며, 그로부터는 어떠한 불필요한 제한사항도 이해되지 않을 것이다. 실시예의 사상 및 첨부한 특허청구범위의 범주로부터 벗어나지 않고서도, 당업자라면 대안 장치 뿐 아니라, 본 명세서에서 설명한 실시예에 대한 수많은 추가, 삭제 및 변경을 고안할 수 있다.

Claims (31)

  1. 합금을 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스와 접촉하도록 배치하는 단계와,
    상기 합금을 제 1 온도로 가열하는 단계와,
    상기 합금을 102℃/초 미만의 냉각 속도로 제 2 온도까지 냉각시켜, 상기 제 1 디바이스와 상기 제 2 디바이스를 물리적으로 결합시키는 벌크 금속 유리 솔더 물질(a bulk metallic glass solder material)을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 벌크 금속 유리 솔더 물질은 2원 합금(a binary alloy) 또는 3원 합금(a ternary alloy)을 포함하고,
    상기 2원 합금은 45-60 wt.% 주석을 포함하는 주석-인듐, 80-92 wt.% 주석을 포함하는 주석-아연, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-니켈, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-구리, 90-98 wt.% 주석을 포함하는 주석-은, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-알루미늄, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-비소, 80-95 wt.% 주석을 포함하는 주석-금, 60-70 wt.% 주석을 포함하는 주석-카드뮴, 95-99 wt.% 주석을 포함하는 주석-디스프로슘, 80-90 wt.% 주석을 포함하는 주석-마그네슘, 55-70 wt.% 주석을 포함하는 주석-납, 50-65 wt.% 주석을 포함하는 주석-탈륨, 60-70 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-비스무트, 97-99 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-아연, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-니켈, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-구리, 95-99 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-은, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-금, 60-70 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-카드뮴, 20-30 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-갈륨 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 3원 합금은 주석(Sn) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스 및 상기 제 2 디바이스 중 적어도 하나는 전기 전도성인
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금은 유체, 구체(sphere), 펠릿(a pellet), 페이스트, 파우더, 후막, 박막, 고체 봉(a solid rod) 및 플렉시블 와이어 중 적어도 하나의 형태를 취하는
    방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 금속 유리 솔더 물질은 비스무트(Bi), 아연(Zn), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 두 가지를 더 포함하는 3원 합금인
    방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 상기 합금의 융해 온도(Tm)이거나 그보다 높은
    방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 상기 합금의 유리 전이 온도(Tg)이거나 그보다 낮은
    방법.
  10. 적어도 제 1 온도로 가열하고 102℃/초 미만의 냉각 속도로 적어도 제 2 온도까지 냉각하면 벌크 금속 유리 물질(a bulk metallic glass material)을 형성하는 합금을 포함하되,
    상기 벌크 금속 유리 솔더 물질은 2원 합금(a binary alloy) 또는 3원 합금(a ternary alloy)을 포함하고,
    상기 2원 합금은 45-60 wt.% 주석을 포함하는 주석-인듐, 80-92 wt.% 주석을 포함하는 주석-아연, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-니켈, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-구리, 90-98 wt.% 주석을 포함하는 주석-은, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-알루미늄, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-비소, 80-95 wt.% 주석을 포함하는 주석-금, 60-70 wt.% 주석을 포함하는 주석-카드뮴, 95-99 wt.% 주석을 포함하는 주석-디스프로슘, 80-90 wt.% 주석을 포함하는 주석-마그네슘, 55-70 wt.% 주석을 포함하는 주석-납, 50-65 wt.% 주석을 포함하는 주석-탈륨, 60-70 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-비스무트, 97-99 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-아연, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-니켈, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-구리, 95-99 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-은, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-금, 60-70 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-카드뮴, 20-30 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-갈륨 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 3원 합금은 주석(Sn) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는
    솔더 물질.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 합금은 3원 합금이며 비스무트(Bi), 아연(Zn), 니켈(ni), 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 두 가지를 더 포함하는
    솔더 물질.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 상기 합금의 융해 온도(Tm)이거나 그보다 높은
    솔더 물질.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 상기 합금의 유리 전이 온도(Tg)이거나 그보다 낮은
    솔더 물질.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 합금은 유체, 구체, 펠릿, 페이스트, 파우더, 후막, 박막, 리본, 바 및 및 플렉시블 와이어 중 적어도 하나의 형태를 취하는
    솔더 물질.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제 1 디바이스와,
    제 2 디바이스와,
    상기 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스와 접촉하도록 배치된 벌크 금속 유리 솔더 물질을 포함하되,
    상기 벌크 금속 유리 솔더 물질은 102℃/초 미만의 냉각 속도에서 유리를 형성하는 합금 조성물을 가지며,
    상기 벌크 금속 유리 솔더 물질은 2원 합금(a binary alloy) 또는 3원 합금(a ternary alloy)을 포함하고,
    상기 2원 합금은 45-60 wt.% 주석을 포함하는 주석-인듐, 80-92 wt.% 주석을 포함하는 주석-아연, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-니켈, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-구리, 90-98 wt.% 주석을 포함하는 주석-은, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-알루미늄, 95-99.9 wt.% 주석을 포함하는 주석-비소, 80-95 wt.% 주석을 포함하는 주석-금, 60-70 wt.% 주석을 포함하는 주석-카드뮴, 95-99 wt.% 주석을 포함하는 주석-디스프로슘, 80-90 wt.% 주석을 포함하는 주석-마그네슘, 55-70 wt.% 주석을 포함하는 주석-납, 50-65 wt.% 주석을 포함하는 주석-탈륨, 60-70 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-비스무트, 97-99 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-아연, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-니켈, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-구리, 95-99 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-은, 99 wt.%를 넘는 인듐을 포함하는 인듐-금, 60-70 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-카드뮴, 20-30 wt.% 인듐을 포함하는 인듐-갈륨 중 적어도 하나를 포함하는
    제조 물품.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스는 반도체 디바이스 또는 집적된 열 스프레더 중 적어도 하나를 포함하는
    제조 물품.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스는 열 발생 디바이스를 포함하는
    제조 물품.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 디바이스는 냉각 디바이스인
    제조 물품.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 냉각 디바이스는 집적된 열 스프레더, 열 싱크, 열전기 냉각기, 팬 장치, 유체 냉각 유닛, 냉장 유닛 및 다상 냉각 유닛 중 적어도 하나를 포함하는
    제조 물품.
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  30. 삭제
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