KR101951813B1 - 저융점 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지에 관한 것이다.
본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물은 주석, 비스무스, 인듐, 갈륨, 은 외에 안티몬을 최적 조성으로 포함함으로써 종래 사용되는 주석, 은, 구리 합금 조성물에 비해 접합 모재와 우수한 접합특성을 가짐으로써 합금의 기계적 강도, 열적 강도 및 낙하충격 성능을 현저히 향상되며, 이에 따라 본 발명의 무연 솔더 합금을 전자기기 및 인쇄회로기판, 특히 Ni/Au로 처리된 기판과 Ni/Au로 처리된 인쇄회로기판, Cu/OSP 처리된 기판과 Cu/OSP 처리된 인쇄회로기판에 적용함으로써 열 충격 성능과 낙하충격 성능을 동시에 해결할 수 있다.

Description

저융점 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지{COMPOSITE FOR LOW MELTING POINT LEAD-FREE SOLDER ALLOY, LEAD-FREE SOLDER PASTE INCLUDING THE SAME AND SEMICONDUCTOR PACKAGE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 저융점 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주석, 비스무스, 인듐, 갈륨, 은 외에 안티몬을 최적 조성으로 포함함으로써 종래 사용되는 무연 합금 솔더 조성물에 대비하여 우수한 접합특성을 가짐으로써 합금의 기계적 강도, 열적 강도 등 성능을 현저히 향상시킬 수 있는 저융점 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지에 관한 것이다.

솔더링(Soldering)은 현재 전자기기 제조에 필수적인 접합법이다. 브레이징(brazing)의 일종으로서, 450 ℃이하의 온도에서 두 이종재료를 저융점 삽입 금속을 녹여 접합하는 접합 방식이다. 흔히 납땜으로 알려져 있는 이 접합법은 비교적 저온에서 접합이 이루어진다는 특성으로 최근에는 전자 부품처럼 열에 민감한 재료의 접합을 위한 대표적인 방법으로 사용되고 있다.

전자 기판에서 솔더의 기능은 여러 가지 반도체 소자를 기판 위에 고정시키고 소자와 전자 기판의 회로를 전기적으로 연결시키는 역할을 한다. 또한 전자소자에서 발생하는 열을 기판으로 방출하게 하는 통로 역활도 하게 된다. 이러한 솔더링은 공정 비용이 저가이며, 접합법이 간단하다는 특징을 가지고 있으며, 그리고 저온 단시간 작업이기 때문에, 열에 약한 부품들의 손상 없이 접합이 가능하며, 프린트 배선판상의 많은 접속부를 동시에 접속이 가능하다. 전자산업에 있어 납(Pb)-주석(Sn)계 유연 솔더는 오랜 기간 동안 전자기기의 가장 유용하게 사용된 접합재료로, 납(Pb)은 합금의 젖음성, 강도, 기계적 특성을 결정하는 성분으로 작용하여 왔으며, 특히 납이 포함됨으로써 융점이 183℃까지 낮출 수 있어서, 전자부품과 반도체 공정의 솔더링 공정시 발생하는 열적 손상을 방지 할 수 있었다. 그러나 근래 유연 솔더를 사용한 전자기기의 폐기시, 산성비에 의해 솔더에 함유된 납(Pb)성분이 용출되어 지하수를 오염시키고 이것이 인체에 흡수되어 지능저하, 생식기능저하 등 인체에 해를 미치는 것으로 지적되고 있다. 이에 따라, 전자산업에서 납의 사용을 제한하려는 경향이 증가하였고, 유해물질에 대한 국제규제정책으로 인하여 납의 사용을 금지화하고 있다. 따라서, 이에 대한 대체 재료로서, 납이 포함되지 않은 무연 솔더의 개발이 절실히 필요한 실정이다.

대표적인 무연 솔더 조성으로는 주석(Sn)-은(Ag) 2원계 합금, 주석(Sn)-은(Ag)- 구리(Cu) 3원계 합금 등을 들 수 있다. 이러한 대체물인 무연 솔더 합금은 주로 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu)를 기본 조성으로 하는 3원계 합금이 대부분이며, 일반적으로 주석(Sn)-은(Ag)-구리(Cu) 3원계 합금에서 은(Ag)의 함량이 높아질수록 낙하충격 성능이 낮아지나, 열충격 특성(Thermal Shock Properties)은 좋아지는 경향을 가진다. 반대로 은(Ag)의 함량이 감소할수록 낙하충격 성능은 향상되는 경향을 보이나 열충격 성능은 저하되는 경향을 보인다. 이에 대한 대안으로 낙하충격 성능이 비교적 좋은 낮은 은 함량을 가진 합금이 대두 되고 있지만, 비교적 낮은 Ag함량으로 인해 주석이 상대적으로 많아져 금속간화합물층을 형성할 확률이 증가하게 되며, 금속간화합물층의 성장이 솔더 접속 신뢰성, 열 피로 수명, 인장강도, 그리고 파괴인성 등을 감소시키는 요인으로 여전히 남게 된다. 또한, 종래의 합금에서 볼 수 없었던 외관상에 나타난 덴드라이트의 생성률이 매우 높아지게 되며, 이러한 미세 주름에 눈에 보이지 않는 이물질 등으로 인한 오염과 리플로우 시 발생 할 수 있는 미세 기공 등으로 인해 인쇄 기판(PCB)과 솔더와 접합부에서 젖음성 및 결합성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.

대한민국 등록특허공보 제10-0833113호

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 납을 포함하지 않으면서도, 이전의 주석(Sn)-납(Pb) 2원계합금, 주석(Sn)-은(Ag)-구리(Cu)의 3원계 합금을 사용하는 솔더와 비교하여 동등하거나 더 낮은 융점을 갖고, 젖음성이 우수하여 높은 작업 신뢰도를 나타낼 수 있는 무연 솔더 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 비스무스(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 갈륨(Ga) 및 주석(Sn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저융점 무연 솔더 조성물을 제공한다.

본 발명에 의한 저융점 무연 솔더 조성물은 비스무스(Bi) 20 내지 38 중량%, 인듐(In) 0.5 내지 4.0 중량%, 은(Ag) 0.35 내지 3.5 중량%, 갈륨(Ga) 0.1 내지 5.0 중량% 및 주석(Sn)을 잔부로 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 은(Ag)은 0.5 내지 2.0 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 저융점 무연 솔더 조성물은 비스무스(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 갈륨(Ga), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 저융점 무연 솔더 조성물의 안티몬(Sb)의 함량은 0.05 내지 3.0 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 비스무스는 주석의 융점을 하강시키는 역할을 수행하는데, 상기 비스무스는 무연 솔더 조성물 중 20 내지 38 중량%일 수 있다. 이때 비스무스의 함량이 20 중량%미만이면, 주석의 융점을 하강시키지 못할 수 있고, 젖음성과 젖음력을 향상시키는 효과가 거의 없을 수 있으며, 비스무스의 함량이 38 중량%를 초과하면 공정온도 범위에서 벗어나기 때문에 취성과 응고범위 증가가 나타나 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.

상기 인듐은 열피로 저항성이 우수하고 솔더의 유동성을 증가시켜 납땜성을 향상시키는 역할을 하며, 본 발명은 인듐을 첨가함으로써, 인장 강도를 증가시켜 비스무스의 취성을 보완하고, 낙하충격 성능 및 솔더의 젖음성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 저온 솔더링이 가능하도록 융점을 낮추어 접합 모재가 되는 전자부품의 낙하충격으로 인한 손상을 최소화 할 수 있다. 또한, 솔더링으로 하여금 접합된 구조물 사이의 열팽창계수가 불일치할 경우 이를 수용할 수 있게 하는 척도가 되는 연성을 증가시켜 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

상기 은은 강도를 향상시키는 역할을 하며, 열적 내구성을 향상시키는 역할을 수행한다. 상기 은은 무연 솔더 조성물 중 0.35 내지 3.5 중량%일 수 있다. 이때 은의 함량이 0.35 중량%미만이면, 열적 내구성 향상 효과가 거의 없을 수 있으며, 은의 함량이 3.5 중량%를 초과하면 융점이 높아져 공정온도 범위에서 벗어나기 때문에 용융이 안되는 문제가 있을 수 있다.

상기 갈륨은 융점을 감소 시키고, 젖음성을 향상시키는 역할을 수행하는데, 상기 갈륨은 갈륨(Ga) 0.1 내지 5.0 중량%일 수 있다. 이때 갈륨의 함량이 0.1 중량%미만이면, 주석의 융점을 하강시키지 못할 수 있고, 젖음성을 향상시키는 효과가 거의 없을 수 있으며, 갈륨의 함량이 5.0 중량%를 초과하면, 융점과 젖음력이 급격히 감소하는 문제가 있을 수 있다.

상기 안티몬은 주석과 결합하여 합금내 SnSb의 금속간화합물을 생성하여 Cu₆Sn₅의 취성이 강한 금속간화합물의 두께를 줄이고, 경도를 향상시키는 역할을 수행한다. 상기 안티몬은 0.05 내지 3.0 중량%일 수 있다. 이때 안티몬의 함량이 0.05 중량% 미만이면 합금내 금속간화합물을 형성하지 못해 경도를 향상시키는 효과가 거의 없을 수 있다. 또한, 안티몬의 함량이 3.0 중량%를 초과하면, 융점 상승 및 SnSb 금속간화합물이 조대화되며, 젖음성과 젖음력이 감소하는 문제가 있을 수 있다.

본 발명에 의한 저융점 무연 솔더 조성물은 용융온도가 170 내지 200℃인 것을 특징으로 한다. 더욱 자세하게는 저융점 무연 솔더 조성물의 용융온도는 178 내지 186℃인 것을 특징으로 한다.

솔더 페이스트는, 땜납 분말을 소량의 플럭스와 혼합하여 페이스트상으로 한 것으로, 리플로우 납땜법에 의한 프린트 기판에 대한 전자 부품의 실장에 널리 이용되고 있다. 솔더 페이스트에 사용하는 플럭스는, 수용성 플럭스와 지용성 플럭스 중 어느 것이어도 되는데, 전형적으로는, 적당한 활성제, 용제, 틱소제를 함유하는 로진 베이스의 지용성 플럭스인 로진계 플럭스이다

본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금을 사용한 프린트 기판의 납땜은, 플로우법과 리플로우법 중 어느 방법을 이용하여 실시할 수도 있다.

일반적인 Sn-3.0Ag-0.5Cu 납프리 땜납 조건은 고상선 온도가 216 ∼ 218 ℃, 액상선 온도는 221 ∼ 223 ℃로 전형적인 땜납합금 보다 35 ℃ ∼ 45 ℃ 높은 온도를 요구하는 반면, 본 발명에 의한 저융점 무연 솔더 조성물의 땜납 조건은, 전형적인 Sn-37Pb 땜납으로 고상선 온도가 175 ∼ 179 ℃, 액상선 온도는 183 ∼ 186 ℃ 의 범위 이내인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 무연 솔더 페이스트에 있어서, 상기 플럭스(Flux)는 로진(Rosin) 계열 플럭스, 레진(Resin) 계열 플럭스, 및 유기산 계열 플럭스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한,

패드 및 회로 패턴을 포함하는 인쇄회로기판,

상기 패드 위에 적어도 1층을 포함하는 금속층,

상기 금속층 위에 부착되며, 제 1 항의 무연 합금 솔더 조성물을 포함하는 무연 솔더, 및

상기 무연 솔더를 통해 상기 인쇄회로기판에 실장되는 적어도 하나의 반도체 소자를 포함하는 반도체 패키지를 제공한다.

본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물은 주석, 비스무스, 인듐, 갈륨, 은 외에 안티몬을 최적 조성으로 포함함으로써 종래 사용되는 주석, 은, 구리 합금 조성물에 비해 접합 모재와 우수한 접합특성을 가짐으로써 합금의 기계적 강도, 열적강도 및 낙하충격 성능을 현저히 향상시킬 수 있도록 한다.

이에 따라 본 발명의 무연 솔더 합금을 전자기기 및 인쇄회로기판, 특히 Ni/Au로 처리된 기판과 Ni/Au로 처리된 인쇄회로기판, Cu/OSP 처리된 기판과 Cu/OSP 처리된 인쇄회로기판에 적용함으로써 열충격 성능과 낙하충격 성능을 동시에 해결할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예 및 비교예의 조성물로 제조된 솔더의 젖음성(To)과 젖음력(Fmax) 평가 결과를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 ENIG 기판에 Multi reflow성능을 측정한 후 생성된 금속간 화합물(IMC, Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정한 결과를 나타낸다.
도4 및 도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 OSP 기판에 Multi reflow성능을 측정한 후 생성된 금속간 화합물(IMC, Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정한 결과를 나타낸다.
도 6 및 도7은 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 ENIG 기판에 대해 열충격 성능을 측정한 후 생성된 금속간 화합물(IMC, Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정한 결과를 나타낸다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 OSP 기판에 대해 열충격 성능을 측정한 후 생성된 금속간 화합물(IMC, Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정한 결과를 나타낸다.
도 10 은 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 ENIG 기판에 대해 낙하충격 성능을 측정한 결과를 나타낸다.
도 11 은 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 OSP 기판에 대해 낙하충격 성능을 측정한 결과를 나타낸다.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예에 의하여 더욱 한정되는 것은 아니다.

<실시예> 무연 솔더 합금의 제조

아래 표 1 (여기서, 각 성분의 함량은 중량%이다.)에 나타낸 바와 같은 조성으로 실시예 및 비교예의 혼합물을 제조하였다.

구분	주석 (Sn)	비스무스 (Bi)	인듐 (In)	갈륨 (Ga)	은 (Ag)	안티몬 (Sb)	구리 (CU)
실시예1	Bal.	29.0	2.0	0.5	2.0	-	-
실시예2	Bal.	29.0	1.5	0.5	1.5	-	-
실시예3	Bal.	27.0	1.5	0.5	2.0	-	-
실시예4	Bal.	27.0	1.5	0.5	1.5	-	-
실시예5	Bal.	29.0	2.0	0.5	1.5	-	-
실시예6	Bal.	29.0	2.0	0.5	1.5	0.05	-
실시예7	Bal.	29.0	2.0	0.5	1.5	0.1	-
실시예8	Bal.	29.0	2.0	0.5	1.5	0.5	-
실시예9	Bal.	29.0	2.0	0.5	1.5	1.0	-
실시예10	Bal.	29.0	2.0	0.5	1.5	2.0	-
실시예11	Bal.	29.0	2.0	0.5	1.5	3.0	-
비교예1	Bal.	58.0	-	-	-	-	-
비교예2	Bal.	-	-	-	3.0	-	0.5

<실험예 1> 온도 변화에 따른 열 흐름 측정

실시예 및 비교예에 따른 각각의 솔더 조성물에 대하여 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 온도 변화에 따른 열흐름(Heat Flow)을 측정하였고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

구분	DSC(℃)
실시예1	178.12
실시예2	178.42
실시예3	180.63
실시예4	181.67
실시예5	178.25
실시예6	178.32
실시예7	178.56
실시예8	179.31
실시예9	181.35
실시예10	185.40
실시예11	186.42
비교예1	141.33
비교예2	219.19

표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 11은 융점이 온도 180 ℃ 부근에 형성됨을 알 수 있다. 일반적으로 융점이 높으면, 제품에 적용되는 기판이 고온을 견딜 수 있는 고가의 기판을 사용하며 접합시 고온에 따른 칩데미지를 발생시킬 수 있는 문제점이 있고, 고온 사용으로 인한 공정비용의 상승을 가져온다. 따라서, 실시예 1 내지 11의 솔더는 기판에 적용시 공정온도를 낮출 수 있음을 확인할 수 있고, 이는 궁극적으로 공정원가의 절감을 유도할 수 있다. 종래 SnPb합금 사용시 183 ℃에서 공정이 가능하였으나, 환경규제 등으로 인하여 Pb free 공정을 이용하면서 비교에 2에서와 같은 높은 공정온도에서 작업이 가능하였으며, 이는 공정원가의 상승을 가져오고 고온에 따른 기판과 칩 불량의 증가를 야기하였다. 따라서, 본 발명의 실시예 1 내지 11는 융점의 온도를 종래 SnPb합금 사용시의 온도로 작업이 가능한 솔더 조성물의 조성을 제안하는 것으로, Pb free 공정시의 발생되는 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있다.

<실험예 2> 젖음성(Wetting Balance) 평가

실시예 1 내지 11 및 비교예 1, 2에서 제조된 무연 합금 솔더의 솔더 접합부 신뢰도를 평가하기 위하여 젖음성을 아래와 같은 방법으로 측정하였다.

젖음성 시험은 메니스코그래프(Meniscograph)법을 이용하여 젖음 시간에 따른 젖음력을 측정한 것으로서, 210 ± 3 ℃로 가열된 용융 용기(Bath) 중으로 시험편을 일정 속도로 일정 깊이까지 담가 시험편에 가해지는 부력과 젖음력(젖음 개시 후의 표면장력에 의해 시험편에 작용하는 힘)을 측정하고, 그 작용력과 시간곡선을 해석하여 평가하고 계산하였다.

이때 젖음시간(T₀)은 용융 솔더가 시험편에 적셔지면서 시험편과 솔더표면에 수평으로 되는 시간을 나타내며, 이는 부력과 용융솔더의 표면장력이 평형상태가 되는 것으로 젖음성을 결정하는 중요한 요소이다.

젖음성은 규격이 10 x 3 x 0.3 ㎜인 Cu OSP Plate 시편(순도 99.999%)을 사용하여, JSTD-002B 규정에 의거하여 용탕 온도 210 ± 3 ℃, WF-6063M5 플럭스를 사용하여 5 mm/sec의 속도로 3 mm 깊이까지 담가 총 10 회 측정하고, 그 값들의 평균값을 구하였고 그 결과를 도 1 및 표 3에 나타내었다.

구분	To(s)	Fmax(mN)
실시예1	0.36	1.790
실시예2	0.37	1.751
실시예3	0.37	1.747
실시예4	0.38	1.741
실시예5	0.36	1.791
실시예6	0.34	1.805
실시예7	0.32	1.823
실시예8	0.33	1.811
실시예9	0.35	1.795
실시예10	0.39	1.725
실시예11	0.41	1.696
비교예1	0.78	1.398
비교예2	0.50	1.732

상기 젖음성은 고체의 표면에 액체가 부착되었을 때, 고체와 액체 원자 간의 상호작용에 의해 액체가 퍼지는 형상을 말하는 것으로, 솔더링이 우수하다고 판단되는 기준은 솔더 합금이 상기의 젖음성이 좋고, 퍼짐속도가 빠르며, 솔더링 후 솔더 합금과 모재 표면의 접촉각이 작은 것을 의미한다.

비교예 1 및 2와 비교하여 실시예 1 내지 11에 걸쳐 전체적으로 젖음시간 및 젖음력이 향상되었으며, 실시예 7의 경우 안티몬을 0.1 중량%로 소량만 첨가되었을 때. 젖음시간 0.32s, 젖음력 1.823 mN로 가장 뛰어난 특성을 나타내었다.

안티몬의 첨가 여부에 따른 결과를 살펴 보았을 때, 안티몬이 첨가되지 않은 실시예 1 내지 5를 살펴보면, 젖음시간은 0.36s 내지 0.78s이며, 젖음력은 1.398 내지 1.791 mN이다. 안티몬 소량 첨가시 젖음력이 증가하며 일정량을 넘어서면 젖음시간이 증가하고 젖음력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 안티몬이 첨가됨에 따라 젖음력이 개선 되는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 3> Multi Reflow Test(MRT)

기판(Substrate) 및 인쇄회로기판(PCB)으로서 표면을 니켈(Ni)/금(Au) 처리한 것(Electroless Nickel / Immersion Gold (ENIG))을 사용하여 본 발명의 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 솔더 조성물을 이용하여 반도체 패키지를 제조하였다.

제조된 반도체 패키지에 대해 multi reflow test(MRT)를 실시하고, multi reflow 횟수 별 접합 강도를 측정한 결과를 표 4(인쇄회로 기판 표면 니켈(Ni)/금(Au) 처리, 단위: gf)에 나타내었다.

또한, 솔더 접합부에 대해 금속간 화합물(IMC, Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정하고 도 2 및 도 3a, 도 3b에 나타내었다.

표 4를 살펴보면, 실시예 1 내지 11 모두 전반적으로 접합강도가 향상되었으며, 특히 안티몬이 소량 첨가된 실시예 7이 1177.8 ~ 1091.6gf로 가장 우수한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 안티몬 첨가로 SnSb 금속간화합물이 생성되어 취성이 강한 Cu₆Sn₅ 금속간화합물 생성을 저해함으로써 합금 내 조직의 강도를 증가 시킨 것을 확인할 수 있다.

구분	MRT1	MRT2	MRT3	MRT4	MRT5
실시예1	1150.0	1109.2	1075.1	1069.4	1058.0
실시예2	1124.2	1095.5	1064.8	1048.0	1026.4
실시예3	1147.7	1098.3	1079.1	1053.5	1023.0
실시예4	1114.7	1083.7	1055.4	1023.0	1019.2
실시예5	1161.6	1124.2	1118.6	1080.9	1060.5
실시예6	1170.5	1138.1	1135.2	1095.5	1084.3
실시예7	1177.8	1145.4	1142.5	1102.8	1091.6
실시예8	1164.1	1131.7	1128.8	1089.1	1077.9
실시예9	1157.3	1124.9	1122.0	1082.3	1071.1
실시예10	1147.3	1115.2	1112.3	1072.6	1061.4
실시예11	1140.7	1108.3	1105.4	1065.7	1054.5
비교예1	986.1	981.7	964.1	960.6	959.4
비교예2	982.1	982.4	981.3	968.9	964.0

<실험예 4> Multi Reflow Test(MRT)

기판(Substrate) 및 인쇄회로기판(PCB)으로서 표면을 구리 기저 패드 위에 OSP(Organic Solderability Preservative) 처리한 것을 사용하여 본 발명의 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 솔더 조성물을 이용하여 반도체 패키지를 제조하였다.

제조된 반도체 패키지에 대해 multi reflow test(MRT)를 실시하고, multi reflow 횟수별로 접합 강도를 측정한 결과를 표 5(인쇄회로 기판 표면 Cu OSP처리, 단위: gf)에 나타내었다.

또한, 솔더 접합부에 대해 IMC(Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정하고 각각 도 4 및 도 5a, 도 5b 에 나타내었다.

표 5를 살펴보면, 실시예 1 내지 11모두 전반적으로 접합강도가 향상되었으며, 특히, 안티몬이 소량 첨가된 실시예 7가 877.5 ~ 744.2 gf로 가장 우수한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Cu OSP기판과의 접합에서도 합금내 SnSb 금속간화합물이 생성되어 취성이 강한 Cu₆Sn₅ 금속간화합물 생성을 저해함으로써 합금 내 조직의 강도를 증가 시킨 것을 확인할 수 있다.

구분	MRT1	MRT2	MRT3	MRT4	MRT5
실시예1	855.8	870.3	832.0	785.8	762.3
실시예2	809.7	821.8	815.8	761.3	734.7
실시예3	835.8	875.4	831.3	776.0	742.9
실시예4	823.2	855.9	808.1	736.0	693.3
실시예5	860.1	876.5	834.5	790.3	769.4
실시예6	872.7	886.9	845.7	805.2	727.8
실시예7	877.5	894.3	858.1	819.6	744.2
실시예8	862.4	882.5	846.3	807.8	732.4
실시예9	850.9	865.8	829.6	791.1	723.7
실시예10	843.2	857.4	821.2	782.7	715.3
실시예11	834.1	846.8	810.6	772.1	704.7
비교예1	798.7	779.4	757.6	713.7	670.7
비교예2	736.7	764.8	725.0	710.5	682.2

<실험예 5> 열충격 성능 평가

니켈(Ni)/금(Au)으로 표면 처리된 기판 및 인쇄회로기판을 사용한 반도체 패키지에 대해 열충격 시험기를 사용하여 -55 내지 125 ℃의 온도 범위에서 250, 500, 750, 1000 cycles로 진행하였으며, 열 충격시의 전단력을 측정한 것이며, 접합부가 열충격으로 인하여 미세크랙이 발생하면 전단 값이 낮아지는 점을 이용하여 열충격 성능 평가를 수행하였다. 그 결과를 표 6(인쇄회로 기판 표면 니켈(Ni)/금(Au) 처리, 단위: gf)에 나타내었으며, 열충격 성능 시험 후 생성된 IMC의 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정하고 각각 도 6 및 도 7a, 도 7b 에 나타내었다.

또한, 구리(Cu)/ 오에스피(OSP)로 표면 처리된 기판 및 인쇄회로기판을 사용한 반도체 패키지에 대해 열충격 시험기를 사용하여 -55 내지 125 ℃의 온도 범위에서 250, 500, 750, 1000 cycles로 진행하였으며, 열 충격시의 전단력을 측정한 것이며, 접합부가 열충격으로 인하여 미세크랙이 발생하면 전단 값이 낮아지는 점을 이용하여 열충격 성능 평가를 수행하였다. 그 결과를 표 7(인쇄회로 기판 표면 Cu OSP처리, 단위: gf)에 나타내었으며, 열충격 성능 시험 후 생성된 IMC의 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정하고 각각 도 8 및 도 9a, 도 9b에 나타내었다.

니켈(Ni)/금(Au)으로 표면 처리된 기판에 대한 열충격 결과인 표 6을 살펴보면, 실시예 1 내지 실시예 11 모두 비교예와 대비하여 현저히 향상된 것을 확인할 수 있으며, 안티몬이 소량 첨가된 실시예 7이 1191.8 ~ 1099.6 gf로 가장 우수한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

또한, 구리(Cu)/ 오에스피(OSP)로 표면 처리된 기판에 대한 열충격 결과인 표 7을 살펴보면, 실시예 1 내지 실시예 11 모두 비교예와 대비하여 현저히 향상된 것을 확인할 수 있으며, 특히 안티몬이 소량 첨가된 실시예 7이 852.6~729.2 gf로 가장 우수한 값을 나타내는 것을 확인 할수 있다.

구분	250 cycles	500 cycles	750 cycles	1000 cycles
실시예1	1172.9	1190.1	1114.4	1068.6
실시예2	1165.3	1157.6	1105.9	1046.6
실시예3	1170.6	1189.6	1117.6	1070.3
실시예4	1165.8	1181.0	1106.5	1018.6
실시예5	1178.8	1192.5	1126.7	1085.1
실시예6	1186.5	1199.1	1133.1	1093.9
실시예7	1191.8	1201.2	1138.8	1099.6
실시예8	1180.1	1191.0	1125.2	1086.0
실시예9	1171.3	1183.2	1116.5	1077.3
실시예10	1165.2	1171.7	1109.3	1070.1
실시예11	1157.8	1163.5	1098.1	1058.9
비교예1	628.1	558.8	523.8	522.8
비교예2	872.9	880.1	871.4	860.9

구분	250 cycles	500 cycles	750 cycles	1000 cycles
실시예1	845.7	799.7	762.7	713.9
실시예2	807.6	765.0	719.9	683.6
실시예3	826.9	780.4	746.6	693.9
실시예4	815.0	767.1	730.3	686.8
실시예5	847.5	800.9	765.5	716.2
실시예6	848.3	807.2	771.0	724.9
실시예7	852.6	811.5	775.3	729.2
실시예8	844.5	803.4	767.2	721.1
실시예9	831.6	790.5	754.3	708.2
실시예10	824.1	783.0	746.8	700.7
실시예11	817.5	776.4	740.2	694.1
비교예1	650.5	633.3	619.6	595.4
비교예2	695.0	713.3	681.1	659.9

<실험예 6> 낙하충격 성능 평가

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 무연 합금 솔더의 낙하충격 성능을 하기의 방법으로 평가하였다. 낙하충격 시험기를 사용하여 JESD22-B111 규정에 의거하여 측정하였으며, 측정 시 가해지는 중력가속도(G)를 1500 ± 150 G로 0.5 msec 단위로 측정하였다. 충격 횟수는 최대 200회로 한정하였으며, 평가에 사용된 기판(Substrate) 및 인쇄회로기판(PCB)은 표면을 니켈(Ni)/금(Au) 처리한 것과 구리(Cu)/오에스피(OSP) 처리한 것을 각각 사용하여, 그 결과를 각각 도 10 및 도 11에 도시하였으며, 표 8(인쇄회로 기판 표면 니켈(Ni)/금(Au) 처리, 단위: gf) 및 표 9(인쇄회로 기판 표면 Cu OSP처리, 단위: gf)에 나타내었다.

니켈(Ni)/금(Au)으로 표면 처리된 기판에 대한 낙하충격 성능 평가 결과인 표 8을 살펴보면, 실시예 1 내지 11 전반적으로 회수가 증가되었으며, 특히, 안티몬이 소량 첨가된 실시예 7에서 125회로 가장 우수한 결과를 나타냈다.

또한, 구리(Cu)/오에스피(OSP)로 처리된 기판에 대한 가속충경 성능 평가 에 대한 결과인 표 9를 살펴보면, 실시예 1 내지 11 전반적으로 회수가 증가되었으며, 특히, 안티몬이 소량 첨가된 실시예 7에서 148회로 가장 우수한 결과를 나타내었다.

합금내 인듐과 갈륨의 영향으로 조직이 치밀화되어 전반적으로 낙하충격 특성이 향상되었으며, 안티몬 첨가로 합금내 SnSb 금속간화합물이 생성되어 취성이 강한 Cu₆Sn₅ 금속간화합물 생성을 저해함으로써 낙하충격 특성이 향상된 결과를 나타내었다.

구분	1% failure	5% failure	10% failure	50% failure
실시예1	33	51	62	102
실시예2	34	50	59	90
실시예3	33	51	61	100
실시예4	34	49	57	85
실시예5	36	56	68	113
실시예6	40	61	74	121
실시예7	41	63	76	125
실시예8	37	58	70	117
실시예9	36	56	68	114
실시예10	35	54	66	111
실시예11	35	53	65	111
비교예1	26	41	50	83
비교예2	27	44	54	93

구분	1% failure	5% failure	10% failure	50% failure
실시예1	43	65	77	122
실시예2	37	53	62	94
실시예3	39	58	69	109
실시예4	35	51	60	91
실시예5	43	66	80	131
실시예6	44	70	85	145
실시예7	47	73	89	148
실시예8	43	68	84	142
실시예9	37	61	77	137
실시예10	37	61	76	136
실시예11	35	58	73	133
비교예1	11	24	34	81
비교예2	21	37	48	95

Claims (8)

1. 삭제
2. 비스무스(Bi) 20 내지 38 중량%, 인듐(In) 0.5 내지 4.0 중량%, 은(Ag) 0.35 내지 3.5 중량%, 갈륨(Ga) 0.1 내지 5.0 중량% 및 주석(Sn)을 잔부로 포함하는 것을 특징으로 하는
   저융점 무연 솔더 조성물.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 저융점 무연 솔더 조성물은, 안티몬(Sb)을 더 포함하고
   상기 안티몬(Sb)의 함량은 0.05 내지 3.0 중량%인
   저융점 무연 솔더 조성물.
   
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 저융점 무연 솔더 조성물은 용융온도가 170 내지 200 ℃인 것을 특징으로하는
   저융점 무연 솔더 조성물.
   
6. 제 2 항, 제 3 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 조성물; 및 플럭스(flux)를 포함하는
   저융점 무연 솔더 페이스트.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 플럭스(Flux)는 로진(Rosin) 계열 플럭스, 레진(Resin) 계열 플럭스, 및 유기산 계열 플럭스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인
   저융점 무연 솔더 페이스트.
   
8. 패드 및 회로 패턴을 포함하는 인쇄회로기판,
   상기 패드 위에 적어도 1층을 포함하는 금속층,
   상기 금속층 위에 부착되며, 제 2 항의 무연 합금 솔더 조성물을 포함하는 무연 솔더, 및
   상기 무연 솔더를 통해 상기 인쇄회로기판에 실장되는 적어도 하나의 반도체 소자를 포함하는 반도체 패키지.

Images