KR101627315B1

KR101627315B1 - 주석 필터링 방법, 이를 이용한 합금 제조방법 및 솔더볼 제조방법

Info

Publication number: KR101627315B1
Application number: KR1020140048862A
Authority: KR
Inventors: 이현규; 김선영; 박은광; 천명호; 김경원; 이규용
Original assignee: 덕산하이메탈(주)
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2016-06-03
Also published as: KR20150122508A

Abstract

본 발명은 반도체 패키지용 솔더볼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주석을 2~7μm, 3~4bar에서 필터링 하는 방법 및 고주파 진공 유도로에서 합금을 제조하는 방법, 제조된 합금을 이용하여 솔더볼을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

주석 필터링 방법, 이를 이용한 합금 제조방법 및 솔더볼 제조방법{TIN FILTERING METHODS, USING THIS METHOD FOR MANUFACTURING ALLOY AND SOLDER BALL}

본 발명은 반도체 패키지용 주석계 솔더볼에 관한 것으로서, 특히 불순물을 제거하는 주석 필터링 방법과 필터링된 주석을 이용한 합금 제조방법, 상기 합금을 이용한 솔더볼 제조방법에 관한 것이다.

최근 휴대폰이나 전자부품 등 경박단소 및 고기능화에 따라 점점 패키지(Package)가 작아지고 있는 추세이다. 특히 휴대용 제품에서는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 파인 피치(fine pitch), 솔더볼(solder ball)의 소형화가 두드러지고 있다. 또한 PCB의 두께가 얇아짐으로서 휨(warpage) 현상이 많이 발생된다. 이 때문에 솔더볼을 인쇄회로기판 위에 붙이는 공정인 리플로우(reflow) 공정 시, 솔더볼이 PCB 위에 붙지 않는 현상, 미싱(Missing)이 대량 발생되고, 작업성이 많이 저하된다. 따라서 솔더볼이 작아질수록, 파인 피치로 갈수록 많이 발생되는 미싱율(미싱율) 및 작업성 저하에 대해 개선이 필요하다.

반도체 패키징 과정에서 반도체 칩과 기판을 연결하여 전기신호를 전달하는 솔더볼은 주로 전도성이 높고 열공정에 의해서 합금화가 용이한 금속합금으로 형성되어 있다. 일반적으로 리플로우용 솔더는 Sn-Ag-Cu계 합금이 많이 사용되고 있는데, Sn-Ag-Cu계 합금은 산화(oxidation) 문제를 갖고 있으며, 흡습성(wettability), 열저항(heat resistance), 내구성(strength) 개선이 필요하다.

선행문헌(공개공보 제2013-0017626호)에 개시된 주석계 솔더볼은 Ag, Cu, Ni, Bi, Sn 및 불가피한 불순물로 구성되어 있는데, 주석 내에 존재하는 산소와의 반응이 큰 불순물들은 주석의 산화도를 증가시키는 물질로 작용하여 내구성을 감소시키는 문제가 있다.

본 발명은 솔더볼의 미싱율 및 작업성 저하, 내구성 감소 등의 문제를 해결하려는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 주석의 불순물 함량을 줄이는 주석 필터링 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 젖음성이 좋고, 산화도가 낮은 합금 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미싱율이 낮은 솔더볼 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 주석 필터링 방법은 순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 용융시킨 후 2 ~7μm의 구멍을 갖는 1~2mm 두께의 필터에 3 ~ 4bar의 압력 하에서 통과시켜 Pb, Fe, Bi, Al, Zn 등의 불순물들을 제거한다.

본 발명의 합금 제조방법은 상기 주석 필터링 방법에 따라 필터링된 주석을 이용하여 고주파진공유도로(High frequency vacuum electric induction furnace)에서 합금을 제조한다. 상기 필터링된 주석과 Ag, Cu, Ni을 무게비로 칭량하여 진공도 3.0×10^-2 torr ~ 6.0×10^-2 torr인 고주파진공유도로에 장입 후 압력을 10분간 유지하는 장입단계, 상기 고주파진공유도로에서 700℃까지 승온 후 10분간 유지하는 제1승온단계, 1100℃까지 승온 후 60분간 유지하는 제2승온단계를 포함한다.

본 발명에 따른 합금을 이용하여 솔더볼을 제조하는 방법은 상기 합금 제조방법으로 제조된 합금을 용탕에 장입한 후 230℃ ~ 250℃로 용융시키는 용융단계, 상기 용융된 합금에 마스터 합금(Master alloy)을 투입한 후 용탕의 온도를 250℃ ~ 280℃로 유지하는 투입단계, 상기 마스터 합금이 투입된 합금을 유도가열(Induction heating)하는 가열단계, 상기 유도가열하여 제조된 합금을 흑연노즐 홀로 통과시키는 볼형성단계를 포함한다.

본 발명에 따라 주석을 필터링하면 주석의 불순물 함량이 감소되어 머시영역(Mushy region)을 줄일 수 있고, 이 필터링된 주석을 사용하여 제조된 합금은 일반 주석을 사용하여 제조된 합금보다 젖음성이 좋고 산화도가 감소되므로 이 합금을 이용하여 제조된 솔더볼은 미싱율이 감소하여 작업성을 개선할 수 있다.

도 1은 주석을 필터링하는데 사용되는 필터 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 주석을 필터링하는데 사용되는 필터의 사시도이다.
도 3은 주석을 필터링하는데 사용되는 필터를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 4는 주석을 필터링하는데 사용되는 필터의 단면도이다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의 산화막 분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의Wet-ability Test 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의Differential Scanning Calorimetry(DSC) 측정 그래프이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의 조직관찰 전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의 Inter-Metallic Compound(IMC) 관찰 전자현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의 경도 측정 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의 낙하충격 특성을 나타낸 Weibull 분포 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의Missing Bump Rate 그래프이다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.

주석 필터링 방법

본 발명의 주석 필터링 방법은 순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 250~350℃에서 용융시킨 후 2 ~ 7μm 구멍의 필터를 가지는 필터 장치에 3 ~ 4bar의 압력 하에서 통과시킨다.

주석의 용융 온도는 주석의 용융점이 232℃이므로 250℃ 이하에서는 용융작업이 원활하지 않으며, 350℃ 이상에서는 높은 온도에 의한 주석의 산화 발생이 높기 때문에 필터링 효과가 미비하다. 바람직하게는 290~310℃에서 주석을 용융시킨다.

필터 장치는 도 1과 같은 구조를 가지며, 용융된 주석이 주입되는 주입부(21)와 필터링된 주석이 유출되는 유출부(22) 및 필터(10), 스프링(30), 이를 감싸고 있는 본체(40)로 구성된다. 용융된 주석은 3~4bar의 압력 하에서 주입부(21)를 통해 주입되며, 원통형의 필터(10)를 통과하면 불순물이 제거된 용융 주석을 유출부(22)를 통해 얻는다.

필터(10)는 도 2의 사시도 및 도 3의 평면도에서 나타나는 것과 같이 높이 2cm, 두께 1~2mm를 가지며, 도 4의 단면사시도에서 나타나는 것과 같이 하단부가 폐쇄된 원통형의 구조이다.

필터의 소재는 페라이트계 스테인리스강 또는 오스테나이트계 스테인리스강을 사용한다. 상기 스테인리스강에는 몰리브덴, 니켈, 크롬 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴이 6% 이하로 포함되면 균열 및 응력을 잘 견딜 수 있는 효과가 있으며, 크롬이 13% 이상 포함되면 높은 산화저항성을 갖게 하는 효과가 있다. 니켈이 10% 이하 포함되면 용융점부터 낮은 온도까지 오스테나이트 구조를 유지시키는 효과가 있다. 필터 구멍의 크기는 2 ~ 7μm 이고, 2μm 미만일 경우 작업성이 저하되고 7μm 초과일 경우에는 효과가 미비하다.

또한 상기 압력이 3bar 미만, 4bar 초과일 경우 필터링 효과가 없다.

주석 필터링 후에는 Pb, Fe, Bi, Al, Zn 등의 불순물들이 제거되어 불순물 각각의 농도가 10ppm 이하가 된다. 필터링 된 주석은 도 5에서와 같이 필터링 되지 않은 주석에 비해 산소의 농도가 적으며 상대적으로 Sn, Ag, Cu 등의 농도가 높음을 알 수 있으며, 머시 영역(Mushy region)을 최소화 시킨다. 머시영역은 액상에서 고상으로 바뀔 때 액상과 고상이 동시에 존재하는 영역으로서, 액상에서 고상으로 바뀔 때 Pb, Fe 등 불순물이 있을 경우, 각각의 원소들은 하나의 상으로 존재하며, 이런 불순물들이 핵생성 사이트를 만들어 응고되는 시간을 늘려 머시영역이 늘어나게 된다. 솔더볼 접합 시 빠른 반응이 일어나야 하는데, 머시영역이 클 경우에는 반응시간이 길어져 접합반응을 느리게 하므로 머시영역은 최소화 되어야 한다.

필터링된 주석을 이용한 합금 제조방법

본 발명의 합금 제조방법은 상기 주석 필터링 방법에 따라 필터링된 주석을 이용하여 고주파진공유도로(High frequency vacuum electric induction furnace)에서 합금을 제조한다.

더욱 상세하게는, 상기 필터링된 주석과 Ag, Cu, Ni을 무게비로 칭량하여 고주파진공유도로에 장입 후 제1 온도로 승온 후 유지하는 제1승온단계 및 제1 온도보다 높은 온도인 제 온도로 승온 후 유지하는 제2승온단계를 포함한다. 제1승온단계의 제1 온도는 700℃이며, 제2승온단계의 제2 온도는 1100℃이다. 또한 장입단계에서 장입 후 10분간 유지하고, 제1승온단계에서 승온 후 10분간 유지하며, 제2승온단계에서 승온 후 60분간 유지할 수 있다.
일실시예로서, 상기 필터링된 주석과 Ag, Cu, Ni을 무게비로 칭량하여 고주파진공유도로에 장입 후 10분간 유지하는 장입단계, 상기 고주파진공유도로를 10분간 700℃까지 승온 후 10분간 유지하는 제1승온단계, 상기 고주파진공유도로를 10분간 1100℃까지 승온 후 60분간 유지하는 제2승온단계를 포함하여 합금을 제조할 수 있다.

상기 Ag, Cu, Ni의 무게비는 주석 중량에 대하여 Ag 1.2 중량%, Cu 0.5 중량%, Ni 0.05 중량% 가 바람직하나 이로써 제한되는 것은 아니다.

상기 장입단계에서 고주파진공유도로의 진공도는 3.0×10^-2 torr ~ 6.0×10^-2 torr 이다. 진공도가 10^-1 torr으로 떨어지면 산소가 주석과 반응하여 주석산화물이 다량 형성되게 된다. 고주파진공유도로에서 합금을 제조하는 경우에는 주석이 산소와 반응하여 주석산화물(SnO₂)을 형성하는 불필요한 반응이 억제되면서 상대적으로 다른 원소의 함량 변화가 적어 편석률을 감소시킨다. 또한 고주파진공유도로의 전기적 와류에 의한 교반력은 종래 전기로를 이용하는 방법의 기계적인 교반력보다 우수하며, 대기 중에서 작업하는 것이 아니라 불활성 분위기 하에서 작업이 이루어지게 됨으로써, 편석을 더욱 억제한다.

상기 장입단계와 제1승온단계 사이에는 불활성 가스로 상기 고주파진공유도로를 퍼징(purging)한 후, 10분간 유지하는 퍼징단계를 포함할 수 있다. 상기 퍼징(purging)은 고주파진공유도로 내부의 합금을 화학적 또는 물리적 반응을 일으키지 않는 불활성 기체로 중화 처리하는 것을 의미하고 퍼징 압력은 750 ~ 760 torr 가 바람직하다.

상기 제2승온단계에서 1100℃까지 10분간 승온 후 유지시간을 60분으로 하는 이유는 Ag, Cu, Ni 등 비중이 서로 다른 원소들을 균질하게 합금화시키기 위함이다.

합금을 이용한 솔더볼 제조방법

본 발명에 따른 합금을 이용하여 솔더볼을 제조하는 방법은 상기 합금 제조방법으로 제조된 합금을 용탕에 장입한 후 230℃ ~ 250℃로 용융시키는 장입단계, 상기 용융된 합금에 한 후 용탕의 온도를 250℃ ~ 280℃로 유지하는 투입단계, 상기 Sn-Ge 마스터 합금(Master alloy)이 투입된 합금을 유도가열(Induction heating)하는 가열단계, 상기 가열된 합금을 진동자를 이용하여 흑연노즐 홀로 통과시켜 볼을 형성하는 볼형성단계를 포함한다.

상기 투입단계는 첨가원소(Sn)를 다량으로 함유한 합금(Sn-Ge 마스터 합금)을 별도로 용융제로 만들어 놓고 합금의 기초가 되는 금속(필터링된 주석)의 용융액에 가하여 희석하는 방법으로서, 목적하는 합금을 만들 때 첨가하려는 합금원소를 정량만큼 균일하게 첨가시키기 위함이다. 또한 Ge 단독으로는 용융점(938℃)이 높으므로 마스터 합금을 제조해서 융점을 낮추기 위함이다. 상기 마스터 합금은 주석(Sn) 및 게르마늄(Ge)을 포함하며, 주석 100 중량부에 대하여 게르마늄 0.1~5 중량부를 포함하는 것이 바람직하나 이로써 제한되는 것은 아니다.

상기 가열단계의 유도가열은 전자기 유도에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 가열하는 방법으로서 전자기 유도에 의해 유도된 2차 전류가 피가열 재료로 흐르는 경우에 발생하는 줄열(Joule's heat)을 이용한다. 이 때 피가열 재료는 상기 투입단계를 거쳐 제조된 합금이다.

상기 볼형성단계에서 형성되는 솔더볼의 크기는 주파수와 압력으로 조절이 가능하다. 흑연노즐 홀의 직경은 70 ~ 120μm이며, 주파수는 7 ~ 15Khz이고, 압력은 1000 ~ 2000mbar인 것이 바람직하다. 이 때, 형성된 솔더볼은 평균직경 150~250μm을 갖는다. 흑연 노즐은 원기둥 모양의 형태를 가지며, 흑연 재질을 사용하여 안정적인 사이즈 구현이 가능하다.

실시예 및 실험예

실시예 1

순도 99.9% 내지 99.99% 주석을 사용하고, 필터의 크기는 2μm, 압력은 3bar, 온도는 300℃에서 주석을 필터링 하였다.

실시예 2 및 실시예3

필터의 크기 또는 압력을 표 1에 따르는 것으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 주석을 필터링 하였다.

비교예 1

본 발명에 따른 필터링을 하지 않은 순도 99.9% 내지 99.99% 주석을 비교예 1로 한다.

비교예 2 및 비교예 3

필터의 크기 및 압력을 표 1에 따르는 것으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 주석을 필터링 하였다.

	필터의 크기 (m)	압력 (bar)	불순물 함량(ppm)
	필터의 크기 (m)	압력 (bar)	Pb	Bi	Fe	Al	Zn
실시예1	2	3	9.8	9.5	8.8	9.7	9.5
실시예2	7	3	9.5	9.3	8.5	9.6	8.6
실시예3	2	4	9.4	9.1	8.2	9.2	7.6
비교예1	-	-	289	91	92	96	88
비교예2	15	3	282	83	88	87	82
비교예3	2	5	265	81	85	83	77

실시예 1 및 실시예 2와 같이 필터링된 주석의 불순물 함량은 각 원소 당 10ppm 이하로 낮은 반면, 비교예 1 내지 비교예 3과 같이 필터링을 하지 않거나 본 발명의 범위를 벗어나 필터링을 한 주석의 경우 불순물 함량이 300ppm 이하로 높음을 알 수 있다.

실험예 1

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금의 흐름성 평가를 하였다. 흐름성 평가는 작업자가 생산과정을 지속적으로 주시하지 않더라도 정상제품이 출하되는 비율로 평가되었다. 95%이상이 A, 90% 이상이 B, 80% 이상이 C, 70% 이상이 D, 70% 이하가 E에 해당한다. 유도로의 전기적 와류에 의한 교반력으로 첨가물들이 균일하게 합금화 되고, 편석을 더욱더 억제하기 때문에 표 2에서 나타나는 것과 같이 필터링 한 주석 합금이 일반 주석 합금보다 흐름성이 좋으며, 합금제조시 유지시간을 60분 이상으로 가져가는 것이 흐름성에 매우 좋은 결과를 보이고 있다. 흐름성 판단기준은 E에서 A로 갈수록 좋음을 나타낸다.

주석 종류	합금 유지 시간(hrs.)	흐름성	<흐름성 판단 기준> A: 95% 이상 B: 90% 이상 C: 80% 이상 D: 70% 이상 E: 70% 이하
필터링 주석	30	B
	60	A
	90	A
일반 주석	30	E
	60	D
	90	D

실험예 2

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금의 산화도를 측정하였다. 필터링을 사용한 주석을 이용하여 SAC1205Ni 합금(Sn 에 1.2% Ag, 0.5% Cu + 0.05% Ni) 을 제조하였고, 비교예로서 일반주석을 사용해서 SAC1205Ni 합금을 제조하여 산소농도를 측정하였다. 산화도 측정방법은 합금에서 원소를 추출하는 전형적인 Inert gas fusion 방식이다. 합금에 포함된 산소는 탄소로(carbon crucible) 내에 존재하는 C와 반응하여 CO형태로 추출된다. 헬륨 등의 불활성 이동가스에 의해 산화구리관을 통과하면서 CO는 산화제에 의해 CO₂로 산화되며 적외선 흡수법(Infrared detection, IR)을 이용하여 산소의 함량을 측정한다. 주석을 필터링하면 산화도를 증가시키는 불순물들이 제거되기 때문에 표 3에서 나타나는 바와 같이 필터링 주석 합금의 경우 산화도는 7ppm인 반면 일반 주석 합금의 경우 산화도가 30ppm이므로 낮은 산화도가 측정되었다.

주석종류	필터의 크기(μm)	압력(bar)	온도(C)	산화도(ppm)
필터링 주석	2	3	300	7
일반 주석	-	-	-	30

실험예 3

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금의 젖음성(wet-ability)을 측정하였다. 240℃의 용탕에 850g의 합금을 녹여, Cu 플레이트(plate)에 플럭스(flux)를 첨가하여 용탕(bath)에 떨어뜨리는 Wetting balance법으로 측정하였다. 젖음성 측정은 젖음시간(T0)으로 나타며, 젖음시간이 짧을수록 젖음성이 좋다고 할 수 있다.

도 2에서 나타나는 것과 같이 필터링 주석 합금의 젖음시간이 0.19sec로서 0.91sec인 일반 주석 합금보다 젖음시간이 빠른 결과를 보이고 있다. 젖음성이 크면 잘 퍼지고 부착이나 흡착도가 증가하므로 필터링 된 주석을 사용한 합금의 미싱율이 낮을 것임을 유추할 수 있다. 젖음력 측정방법은 시/편을 합금에 침지 시킬 때 초기에는 부력에 의하여 합금이 시편을 밀어내므로 젖음력이 음의 값을 보이지만 시간이 지남에 따라 젖음력이 양의 값으로 변하게 되는데, 젖음력이 음의 값에서 양의 값으로 변할 때, 즉 젖음력이 0이 되는 점까지 걸린시간을 젖음시간이라 하며 이를 측정하였다. 젖음시간은 1.6초 이하로 관리가 되어야 하며, 1.6초가 넘어갈 경우 젖음 불량이 발생될 수 있다.

실험예 4

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금으로 시차주사 열량측정법(Differential Scanning Calorimetry, DSC)을 수행하였다. 필터링 주석 합금과 일반 주석 합금을 동일 조건하에서 일정속도로 가열 또는 냉각하며, 두 합금의 온도가 같아지도록 전기적으로 가하는 열량의 차를 세로축에, 온도를 가로축에 기록하였다.

표 4 및 도 3에서 나타나는 것과 같이 필터링 주석 합금이 일반 주석 합금보다 열용량(Area)이 작다. 또한, 개시점(Onset point)과 종말점(End point)의 온도 영역대가 좁은 범위를 보이고 있다. 이는 필터링을 사용하여, 주석의 산화를 증가시키는 불순들이 제거되었고, 또한 주석에 존재하는 다른 미량의 불순물들이 제거되어 핵생성을 일으키는 입자가 상대적으로 없어졌기 때문에 머시영역의 온도 범위 및 열용량이 크게 줄어들었음을 알 수 있다.

주석종류	Area(J/g)	Onset(℃)	End(℃)	Peak(℃)
필터링 주석	-51.55	218.4	228.7	220.6
일반 주석	-59.65	218.3	229.7	220.3

실험예 5

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금의 미세 조직을 전자 현미경을 통해 관찰하였다. 도 4에 나타나는 것과 같이 필터링을 통해 불순물들이 많이 제거되었기 때문에 필터링 주석의 합금이 일반주석의 합금보다 조직이 조대한 것을 볼 수 있다.

실험예 6

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금의 금속간 접합층(Inter-Metallic Compound, IMC)을 전자 현미경을 통해 관찰하였다. 도 5에서 나타나는 바와 같이 산소농도에 따라 형성되는 IMC는 주석 종류에 상관없이 유사한 형상을 보이고 있다.

실험예 7

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금의 경도(Hardness)를 측정하였다. 에폭시 수지를 사용하여 시편(試片)을 마운팅(mounting)한 후에 연마지와 알루미나를 사용하여 경면을 만들었다. 경면을 만든 합금의 단면에 사각뿔 형상의 다이아몬드 압자로 압흔을 만들고 압흔을 이용하여 시편에 하중 10gf의 힘으로 30초간 측정하였고, 측정 후 표시된 압흔의 흔적으로 대각선의 길이와 하중의 상관관계를 이용하여 경도값으로 변환하였다. 각각의 시편에 대해 10번 측정하여 평균값을 계산하였다.

도 6에서 나타나는 것과 같이 필터링 된 주석을 사용해서 제조된 합금이 낮은 경도값을 보이고 있다. 이는 필터링을 통해 주석에 잔존하는 불순물들이 제거되어 조대한 결정립을 형성하기 때문이다. 또한, 필터링 주석 합금이 일반 주석 합금보다 낮은 경도값을 가진다는 결과를 통해 연성이 좋다고 유추할 수 있다.

실험예 8

본 발명에 의해 필터링된 주석을 이용하여 제조된 합금의 낙하충격(drop strength)을 측정하였다. 실험은 JEDEC 규정(JESD22-B111)에 의거하여 진행되었고, 중력가속도는 1500G, 지속시간(duration time)은 0.5msec로 하였다. 와이블(Weibull) 분포는 확률분포로써 금속 및 복합재료의 강도, 전자 및 기계부품의 수명 분포를 나타내는데 적합한 확률분포이다.

도 7의 와이블(Weibull) 분포에서 나타나는 것과 같이 필터링 주석 합금이 일반 주석 합금보다 낙하충격 특성이 우수하다. 필터링을 통해서 불순물들이 제거되고, 핵생성을 하기위한 입자들이 없기 때문에 조대한 조직을 가지게 된다. 이로 인해 일반 주석 합금보다 연성이 증가하여 낙하충격 시 발생되는 충격을 합금이 흡수하므로 필터링 주석 합금을 이용하여 제조된 솔더볼의 수명이 증가하게 된다.

실험예 9

본 발명에 의해 제조된 솔더볼의 미싱율을 평가하였다. 미싱율 평가 방법은 아래와 같은 식으로 계산하였다.

전체적으로 Missing bump가 발생된 비율은 missing bump가 발생된 개수를 1unit 당 존재하는 bump 수에 unit수를 곱한 값으로 나눠준 방식으로 계산되었다. 1 unit 당 존재하는 bump 수는 778개 이다. 필터링 된 주석을 사용할 경우, 미싱율 및 작업성 개선은 SAC1205Ni 뿐만 아니라 모든 합금에 적용 가능하다.

미싱율이 500ppm이하일 경우 반도체 패키지 작업을 원활하게 진행할 수 있으며, 도 8에 나타나 있는 것과 같이 필터링 주석 합금의 경우 산소농도가 10000ppm일 때 미싱율이 500ppm이하이며, 산소농도가 6000ppm일 때 미싱율이 250ppm이하이고, 산소농도가 3000ppm일 때 미싱율이 200ppm이하이며, 산소농도가 1000ppm일 때 미싱율이 110ppm이하인바, 모든 산소 농도(O₂ contents)에서 미싱율이 500ppm 이하로 작업성을 만족하고 있다. 일반 주석 합금의 경우 산소농도가 1000ppm으로 관리되는 리플로우 영역(reflow zone)에서만 미싱율이 500ppm 이하로서 작업성을 만족하고 있으며, 나머지 조건에서는 취약한 특성을 보이고 있다. 리플로우 시 산소농도를 3000ppm 및 그 이하로 관리할 경우 상당한 비용 상승을 가져오므로 일반적인 제조공장에서는 산소농도를 3000ppm으로 관리를 하고 있다. 필터링을 사용하여 제조한 합금의 경우, 산소농도를 10000ppm까지 관리를 하여도 작업성 및 미싱율에 영향을 미치지 않는다. 또한 필터링을 하여 주석의 산화를 증가시키는 불순물들이 제거되었기 때문에 산화도 및 산화막의 두께가 최소화 되었고, 이로 인해 머시 영역이 상대적으로 줄어들어 원가절감 효과도 기대할 수 있다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 250 내지 350℃에서 용융시켜 용융된 주석을 얻는 용융단계;
상기 용융된 주석을 2~7μm의 구멍을 갖는 1~2mm 두께의 필터에 3~4bar의 압력 하에서 통과시켜 필터링된 주석을 얻는 필터링 단계;
상기 필터링된 주석과 적어도 1종 이상의 금속을 고주파진공유도로에 장입하는 장입단계;
상기 고주파진공유도로를 제1 온도로 승온 후 유지하는 제1승온단계; 및
상기 고주파진공유도로를 상기 제1 온도보다 높은 온도인 제2 온도로 승온 후 유지하는 제2승온단계;를 포함하는 합금 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 필터의 소재는 페라이트계 스테인리스강 또는 오스테나이트계 스테인리스강이며,
상기 스테인리스강에는 몰리브덴, 니켈, 크롬 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하는 합금 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 필터링된 주석은 불순물 각각의 농도가 10ppm 이하인 합금 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1승온단계의 제1 온도는 700℃이며,
상기 제2승온단계의 제2 온도는 1100℃인 합금 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 장입단계에서 장입 후 10분간 유지하고,
상기 제1승온단계에서 승온 후 10분간 유지하며,
상기 제2승온단계에서 승온 후 60분간 유지하는 합금 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 장입단계의 상기 금속은 Ag, Cu 및 Ni를 포함하고,
상기 Ag는 1.2 중량%, Cu는 0.5 중량%, Ni은 0.05 중량% 포함되는 합금 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 장입단계의 상기 고주파진공유도로의 진공도는 3.0×10^-2torr ~ 6.0×10^-2torr인 합금 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 장입단계와 제1승온단계 사이에 불활성 가스로 상기 고주파진공유도로를 퍼징한 후 10분간 유지하는 퍼징단계를 포함하는 합금 제조방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 합금 제조방법에 의해 제조된,
산화도가 10ppm 이하이며, 젖음시간이 0.2sec 이하인 합금.
순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 250 내지 350℃에서 용융시켜 용융된 주석을 얻는 용융단계,
상기 용융된 주석을 2~7μm의 구멍을 갖는 1~2mm 두께의 필터에 3~4bar의 압력 하에서 통과시켜 필터링된 주석을 얻는 필터링 단계,
상기 필터링된 주석과 적어도 1종 이상의 금속을 고주파진공유도로에 장입하는 장입단계,
상기 고주파진공유도로를 제1 온도로 승온 후 유지하는 제1승온단계, 및
상기 고주파진공유도로를 상기 제1 온도보다 높은 온도인 제2 온도로 승온 후 유지하는 제2승온단계,를 포함하는 방법으로 제조된 합금을 이용하고,
상기 방법으로 제조된 합금을 용탕에 장입한 후 230~250℃로 용융시키는 용융단계;
상기 용융된 합금에 마스터 합금을 투입 후 온도를 250~280℃로 유지하는 투입단계;
상기 마스터 합금이 투입된 합금을 유도가열하는 가열단계; 및
상기 유도가열된 합금을 흑연노즐 홀로 통과시키는 볼형성단계;를 포함하는 솔더볼 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 투입단계의 상기 마스터 합금은 주석(Sn) 및 게르마늄(Ge)을 포함하며, 주석 100 중량부에 대하여 게르마늄 0.1~5 중량부를 포함하는 마스터 합금인 솔더볼 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 볼형성단계의 오리피스 홀은 직경은 70 ~ 120μm이고, 주파수는 7 ~ 15Khz이며, 압력은 1000 ~ 2000mbar인 솔더볼 제조방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항의 솔더볼 제조방법으로 제조된,
산소농도가 6000ppm일 때 미싱율이 250ppm이하이고, 산소농도가 3000ppm일 때 미싱율이 200ppm이하이며, 산소농도가 1000ppm일 때 미싱율이 110ppm이하인 솔더볼.