KR102198850B1 - 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼 - Google Patents

저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼 Download PDF

Info

Publication number
KR102198850B1
KR102198850B1 KR1020180150366A KR20180150366A KR102198850B1 KR 102198850 B1 KR102198850 B1 KR 102198850B1 KR 1020180150366 A KR1020180150366 A KR 1020180150366A KR 20180150366 A KR20180150366 A KR 20180150366A KR 102198850 B1 KR102198850 B1 KR 102198850B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
weight
solder
tin
solder ball
alloy
Prior art date
Application number
KR1020180150366A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200064345A (ko
Inventor
이현규
배성문
김성택
박은광
은동진
양영경
오승진
천명호
Original Assignee
덕산하이메탈(주)
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 덕산하이메탈(주) filed Critical 덕산하이메탈(주)
Priority to KR1020180150366A priority Critical patent/KR102198850B1/ko
Publication of KR20200064345A publication Critical patent/KR20200064345A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102198850B1 publication Critical patent/KR102198850B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B23K35/264—Bi 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
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C12/00—Alloys based on antimony or bismuth
    • 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
    • C22C13/02—Alloys based on tin with antimony or bismuth as the next major constituent

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

본 발명은 40 내지 60 중량%의 비스무스(Bi), 0.1 내지 3.0 중량%의 은(Ag), 0.3 내지 1.0 중량%의 구리(Cu) 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더 합금에 관한 것으로, 적층형 반도체 패키지를 제조함에 있어서 열에 의한 부품 열화 및 휨 현상을 해결할 수 있으며 솔더볼을 접합하는 리플로우 공정 시 발생하는 수축 현상을 방지할 수 있다.

Description

저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼{Low melting solder alloy and solder ball manufactured by using the same}
본 발명은 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
각 방면에 걸쳐 무연 솔더의 실용화 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 현재 주석-납(Sn-Pb) 대체 솔더 재료로서 신뢰성이 높은 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu) 솔더 합금이 사용되고 있다.
그러나 기존의 전자부품은 주석-납(Sn-Pb) 공정 솔더에서의 접합을 전제로 하였기 때문에, 융점이 30℃ 이상 높은 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu) 솔더를 사용함으로써 리플로우(reflow) 솔더링 온도가 고온화 됨에 따라 전자부품이 파손될 우려가 있다.
또한 솔더 재료를 무연 솔더로 대체할 경우에는 접합 재료의 특성을 충분히 파악하여 접합 품질과 신뢰성을 확보하는 것이 중요하며, 전자부품의 단자 표면처리와의 상성 외에도 제품 기기의 채용 부품, 실장 구조에 적용성 등을 확인할 필요가 있다.
또한 PCB는 시간이 갈수록 더 가벼워지고, 얇아지고, 짧아지고, 작아지는 경박단소(輕薄短小)의 추세로 이어지면서 기존의 Sn-Ag-Cu 솔더를 사용함으로써 높은 리플로우 온도에 노출이 되면서 패키지(package) 상의 휨(warpage, 패키지가 열응력차이 등의 원인으로서 휘는 현상)이 심각하게 대두되고 있다.
또한 공간적, 구조적으로 적층형 패키지가 대두 되면서 반복적인 리플로우 공정을 거치게 됨으로 부품의 열화에 의한 제품의 오작동 등의 예기치 못한 결함 등이 발생될 수 있는 잠재적인 불량요인을 가지고 있다. 따라서 적층형 패키지를 사용함에 있어 열에 의한 부품 열화 및 휨을 해결하기 위해 융점이 낮은 합금을 이용하게 된다.
저융점 솔더 합금으로서 주석-비스무스(Sn-Bi) 솔더가 알려져 있는데, Sn58Bi 솔더 합금은 융점이 140℃로 상당히 낮아 기판 변형을 억제할 수 있다. 그러나 비스무스(Bi)는 그 원소의 특성 자체가 취약한 원소로서 Sn-Bi 솔더 역시 취약한 특성을 가진다. 따라서 Sn-Bi 솔더볼을 사용하여 솔더링을 하는 경우 솔더볼 표면에 수축(shrinkage) 현상이 발생하는 문제점이 있다.
1. 미국등록특허 US06638847 (2003-10-28) 2. 일본등록특허 JP5714191 (2015-03-20)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 저융점을 유지하면서도, 리플로우 시 수축 현상을 방지할 수 있는 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu) 및 주석(Sn)으로 구성된 조성을 포함하는 성분의 솔더 합금이며, 상기 조성에서 비스무스(Bi)는 40 내지 60 중량%, 상기 은(Ag)은 0.1 내지 3.0 중량%, 상기 구리(Cu)는 0.3 내지 1.0 중량% 포함되고, 상기 주석(Sn)이 상기 조성의 잔부로 포함되는 솔더 합금을 제공한다.
또한 본 발명은 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)으로 구성된 조성을 포함하는 성분의 솔더볼이며, 상기 조성에서 비스무스(Bi)는 26 내지 40 중량%, 상기 은(Ag)은 0.07 내지 2.0 중량%, 상기 구리(Cu)는 0.2 내지 0.7 중량%, 상기 게르마늄(Ge)은 0.001 내지 0.1 중량% 포함되고, 상기 주석(Sn)이 상기 조성의 잔부로 포함되는 솔더볼을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 솔더 합금을 용융시킨 후 마스터 알로이를 투입하여 제조된 솔더볼 제조방법을 제공한다.
또한 상기 마스터 알로이는 주석(Sn) 100 중량부에 대하여 게르마늄(Ge)을 0.001 내지 0.1 중량부 포함하는 조성인 솔더볼 제조방법을 제공한다.
또한 상기 솔더 합금을 용탕에서 용융시키고, 상기 마스터 알로이(master alloy)를 투입하여 유지한 후, 유도가열(Induction heating)하고, 오리피스 홀로 통과시켜, 상기 조성을 갖는 솔더볼 제조방법을 제공한다.
본 발명은 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼을 제공하여, 적층형 반도체 패키지를 제조함에 있어서 열에 의한 부품 열화 및 휨 현상을 해결할 수 있으며 솔더볼을 접합하는 리플로우 공정 시 발생하는 수축 현상을 방지할 수 있다.
더욱 구체적으로 Sn-Bi-Ag계 합금에 도펀트(dopant)로서 Cu를 특정 함량으로 첨가한 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼을 제공하여, 리플로우 이후 Ni/Au 패드(pad)에 형성되는 Ni-rich IMC(금속간 화합물, intermetallic compound)를 Cu-rich IMC로 변경시키며, 솔더링(soldering) 시 액상에서 고상으로 상변화하면서 발생되는 부피변화를 최소화하여 수축 현상을 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 FCBGA 패키지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더볼을 사용하여 리플로우 후 촬영한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더볼을 사용하여 리플로우 후 촬영한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예에 따른 솔더볼을 사용하여 리플로우 후 촬영한 SEM 이미지 및 기판 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼의 DSC 분석 결과를 나타낸 것이다.
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.
솔더 합금 및 그 제조방법
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 합금은 그 성분으로 주석(Sn), 비스무스(Bi), 은(Ag) 및 구리(Cu)를 포함한다.
솔더 합금 전체의 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 40 내지 60 중량%, 은(Ag)은 0.1 내지 3.0 중량%, 구리(Cu)는 0.3 내지 1.0 중량% 포함되고, 잔부의 주석(Sn)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 합금은 바람직하게는 솔더 합금 전체의 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 50 내지 60 중량%, 은(Ag)은 0.5 내지 2.0 중량%, 구리(Cu)는 0.3 내지 1.0 중량% 포함되고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 것이 좋다.
더욱 바람직하게는 솔더 합금 전체의 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 55 내지 60 중량%, 은(Ag)은 0.5 내지 1.0 중량%, 구리(Cu)는 0.3 내지 1.0 중량% 포함되고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 것이 좋다.
비스무스(Bi)는 솔더 합금에 포함되어 전위 주변의 응력을 완화하기 위해 전위 아래쪽에 모이고, 전위의 이동도를 감소시켜 고용체합금의 강도를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 이는 고용강화 (Solid solution hardening)라고 하며, 솔더볼의 기계적 특성을 향상시킨다.
비스무스(Bi)는 함량이 40 중량% 미만인 경우 고상선의 온도를 높여서 원하는 융점을 맞출 수 없는 문제점이 있고, 60 중량% 초과인 경우 솔더의 경도를 높여서 신뢰성 저하를 유발시키는 문제점이 있다. 바람직하게는 솔더 합금 전체의 중량에 대하여 50 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 55 내지 60 중량%, 더 더욱 바람직하게는 57 중량% 포함하는 것이 좋다.
은(Ag)은 솔더 합금에 포함되어 솔더볼의 전기 저항을 낮추고, 솔더볼의 접합부 속으로의 확산 속도를 빠르게 진행하며, 내식성 또한 증가시키는 역할을 할 수 있다. 또한 솔더볼에 소량 첨가되어 PCB 기판과의 젖음성을 향상시킨다.
은(Ag)은 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 솔더의 접착 강도가 저하되고, 낙하 등에 의한 충격 응력을 부하시킨 경우 솔더 파괴가 일어나기 쉬운 문제점이 있고, 3.0 질량%를 초과하면 솔더의 경도가 높아져 충격 흡수가 저하되므로, 계면에서의 박리가 야기되는 문제점이 있다. 바람직하게는 솔더 합금 전체의 중량에 대하여 0.5 내지 2.0 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.0 중량%, 더 더욱 바람직하게는 1.0 중량% 포함하는 것이 좋다.
구리(Cu)는 Sn-Bi-Ag계 합금에 도펀트(dopant)로서 첨가되어 리플로우 이후 Ni/Au 패드(pad)에 형성되는 Ni-rich IMC(금속간 화합물, intermetallic compound)를 Cu-rich IMC로 변경시키며, IMC Volume 차이를 최소화하여 솔더링(soldering)(리플로우을 통한 납땜) 시 액상에서 고상으로 상변화하면서 발생되는 솔더 범프의 부피차이를 최소화하여 수축(shrinkage) 현상을 방지하는 효과를 제공한다.
상기와 같은 효과를 제공하는 구리(Cu)의 함량은 솔더 합금 전체의 중량에 대하여 0.3 내지 1.0 중량%이다. 구리(Cu)의 함량이 0.3 중량% 미만인 경우 후술할 실험예에 뒷받침되는 것과 같이 Cu-rich의 IMC들이 존재하지 않으며, 솔더 범프의 부피 차이를 없애지 못하므로 수축 현상을 방지하는 효과를 갖지 않으며, 1.0 중량%을 초과하면 솔더내에 과량 첨가된 Cu와 산소가 반응하여 솔더의 구형을 만들지 못하므로 솔더볼이 제조되지 않는다.
상기와 같은 수축 방지 효과는 상기 솔더 합금 성분에 니켈(Ni)을 0.01 내지 0.1 중량%로 더 포함하는 경우에 유지된다. 니켈(Ni)은 융해 시의 유동성, 열 사이클 성능과 낙하충격을 향상시킬 수 있다. 니켈(Ni)이 0.01 중량% 미만 포함되는 경우 상기와 같은 효과를 낼 수 없으며, 0.1 중량%를 초과하여 포함되는 경우 석출경화에 의해 솔더의 강도가 강해져서 휨(warpage)에 의한 균열(crack)을 방지할 수 없게 된다. 또한 융점이 상승하고, 융해 시 유동성이 저하되며 젖음성(wetting)이 저하된다. 바람직하게는 상기 솔더 합금 전체 중량에 대하여 0.03 내지 0.08 중량%로 포함되는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 0.06 중량%로 포함되는 것이 좋다.
주석(Sn)의 함량은 본 기술분야의 당업자가 주지하듯이 포함되는 구성성분들의 함량을 제외한 나머지가 되며, 본 발명의 실시예에 따른 솔더 합금 및 솔더볼에는 전술한 성분 이외에도 제조상 불가피한 불순물이 더 포함될 수 있다.
한편, 주석(Sn)은 주석에 포함되어 있는 불순물이 필터링된 정제 주석을 사용하는 것이 좋다. 필터링을 통하여 99.9% 내지 99.99% 순도의 주석에 존재하는 납(Pb), 철(Fe), 비스무스(Bi), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 불순물들이 제거되어 불순물 각각의 농도가 10ppm 이하로 포함된 정제 주석을 제공할 수 있다.
주석의 필터링을 통해 용융 솔더 합금 내에 미세 산화물이나 합금 제조 시 발생하는 미세 이물질을 제거하여 솔더볼 제조 시 작업성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이 미세 산화물 및 이물질 등이 솔더볼 내 존재하게 되면 리플로우(Reflow) 과정에서 기공 형성을 야기하는 원동력으로 작용하게 된다. 이렇게 형성된 미세 기공들은 표면 에너지를 감소시키려하기 때문에 하나의 기공으로 성장한다. 성장된 기공들에 의해 인쇄회로기판과의 결합 면적이 감소하기 때문에 솔더볼의 신뢰성에 악영향을 주게 된다. 또한, 솔더볼에 가해지는 기계적 열적 에너지의 저장소 역할을 하게 되며 이 저장된 에너지는 재료의 파괴에 결정적인 역할을 하게 된다.
또한 정제 주석은 정제되지 않은 주석에 비하여 머시 영역(Mushy region)을 최소화시킬 수 있다. 머시영역은 액상과 고상이 동시에 존재하는 영역으로서, 각각의 원소들은 하나의 상으로 존재하며, 액상에서 고상으로 바뀔 때 Pb, Fe 등 불순물이 있을 경우 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.
또 다른 한편, 주석(Sn)은 진공정련을 통해 정제되어 저알파 방사선을 방출하는 주석을 사용할 수 있다. 각 원소들의 증기압의 차이를 이용하여 주석으로부터 납(Pb) 및 비스무스(Bi)와 같은 불순물을 PPB(Parts Per Billion) 레벨 이하 또는 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS, Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)로 검출할 수 없는 수준으로 제거하여 알파 방사선의 방출을 최대한 억제함으로써 전자제품의 소프트 에러 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 합금의 제조방법은 상기 솔더 합금에 포함되는 성분을 상기 함량의 무게비로 칭량하여 고주파진공유도로(High frequency vacuum electric induction furnace)에 투입하고, 불활성 분위기 하에서 승온 프로파일에 따라 합금으로 제조하는 것이다.
더욱 구체적으로, 40 내지 60 중량%의 비스무스(Bi), 0.1 내지 3.0 중량%의 은(Ag), 0.3 내지 1.0 중량%의 구리(Cu) 및 잔부의 주석(Sn)을 고주파진공유도로에 투입하고, 진공도를 3.0×10-2 내지 6.0×10-2 torr의 압력으로 유지한 후, 750 내지 760 torr로 불활성가스로 퍼징(purging)하여 불활성 분위기를 유지한다.
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.
또한 상기 퍼징(purging)은 고주파진공유도로 내부의 합금을 화학적 또는 물리적 반응을 일으키지 않는 불활성기체로 중화 처리하는 것을 의미하며, 퍼징 후 5분 내지 15분 간 유지하는 것이 바람직하다.
승온 프로파일은 1차 승온 후 유지 단계 및 2차 승온 후 유지 단계를 포함한다. 1차 승온 온도는 600 내지 800℃인 것이 바람직하고, 2차 승온 온도는 1000 내지 1200℃인 것이 바람직하다. 1차 승온 및 2차 승온은 5분 내지 15분간 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 1차 승온 후, 2차 승온 후에 각각 유지 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 1차 승온 후에는 5 내지 15분간, 2차 승온 후에는 50 내지 70분간 유지하는 것이 바람직하다.
즉, 퍼징 후 600 내지 800℃로 5 내지 15분간 승온 후, 5 내지 15분간 유지하고, 다시 1000 내지 1200℃로 5 내지 15분간 승온 후 50 내지 70분간 유지하는 승온 프로파일을 통해 솔더 합금을 제조한다. 2차 승온 후 50 내지 70분간 유지함으로써 비중이 서로 다른 구성 원소들을 균질하게 합금화 시킬 수 있다.
솔더볼 및 그 제조방법
본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼은 그 성분으로 주석(Sn), 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu) 및 게르마늄(Ge)을 포함한다.
솔더볼 전체의 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 26 내지 40 중량%, 은(Ag)은 0.07 내지 2.0 중량%, 구리(Cu)는 0.2 내지 0.7 중량%, 게르마늄(Ge)는 0.001 내지 0.1 중량% 포함되고, 잔부의 주석(Sn)을 포함한다.
바람직하게는 솔더볼 전체의 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 33 내지 40 중량%, 은(Ag)은 0.3 내지 1.5 중량%, 구리(Cu)는 0.2 내지 0.7 중량%, 게르마늄(Ge)는 0.005 내지 0.05 중량% 포함되고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 것이 좋다.
더욱 바람직하게는 솔더볼 전체의 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 36 내지 40 중량%, 은(Ag)은 0.3 내지 0.7 중량%, 구리(Cu) 0.2 내지 0.7 중량%, 게르마늄(Ge)는 0.008 내지 0.012 중량% 포함되고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 것이 좋다.
SAC305 코어에 Bi 코팅액을 사용하여 Bi 코팅한 솔더볼의 경우, 제조 공정 및 제조시간이 증가되며, 대량 생산의 어려운 점이 있다. 또한 도금 중 발생되는 수소가스로 인해 내부에 void가 존재하며, 이런 void들은 신뢰성 저하를 가져온다. Sn55Bi1Ag1Zn 조성을 갖는 솔더볼과 같이 조성에 Zn을 포함하는 경우 Zn의 과산화로 인해 리플로우 시 기판에 접합이 되지 않으며, 접합을 하기 위해서는 Zn의 산화막을 없애는 전용 플럭스(Flux)를 사용해야만 하는 단점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼의 제조방법은 상기 본 발명에 따라 제조된 솔더 합금을 용탕에서 용융시키고, 마스터 알로이(master alloy)를 투입하여 유지한 후, 유도가열(Induction heating)하고, 오리피스 홀로 통과시켜 일정 크기의 볼을 제조한다.
더욱 구체적으로는 40 내지 60 중량%의 비스무스(Bi), 0.1 내지 3.0 중량%의 은(Ag), 0.3 내지 1.0 중량%의 구리(Cu) 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더 합금을 이용하여 상기 공정을 진행하여 본 발명에 따른 조성을 포함하는 솔더볼을 제조한다.
솔더 합금 100 중량부에 대하여 마스터 알로이를 40 내지 60 중량부 투입하여 솔더볼을 제조한다. 바람직하게는 솔더 합금 100 중량부에 대하여 마스터 알로이를 45 내지 55 중량부 투입하는 것이 좋다.
마스터 알로이(master alloy) 투입은 첨가원소(Sn)를 다량으로 함유한 합금(Sn-Ge 마스터 합금)을 별도로 용융제로 만들어 놓고 합금의 기초가 되는 금속(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 0.001~0.1 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 주석 100 중량부에 대하여 게르마늄 0.01~0.05 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
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 재료는마스터 알로이를 투입한 합금이다. 형성되는 솔더볼의 크기는 주파수와 압력으로 조절이 가능하다. 오리피스 홀의 직경이 70 내지 120㎛이고, 주파수가 7 내지 15Khz이며, 압력이 1000 내지 2000mbar인 것을 사용하여 형성된 솔더볼은 평균직경 150 내지 250㎛을갖는다. 오리피스는 흑연 재질을 사용하여 안정적인 사이즈 구현이 가능하고, 원기둥 모양의 형태를 가진다.
반도체 패키지
FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array) 패키지는 솔더볼과 PCB(print circuit board) 사이의 강화 응력(reinforcing stress)을 유도하는 온도 변화로 인해 솔더 볼 크래킹(solder ball cracking)에 의해 야기되는 개방 회로를 피할 수 있는 패키지이다.
본 발명에 따른 솔더볼은 도 1에 예시한 구조의 FCBGA 패키지와 같은 적층형 패키지에서 발생되는 휨(warpage) 현상을 최소화하는 것을 목적으로 우수하게 사용될 수 있으며, 모든 디바이스(device)에 적용 가능하며, 특히 보드(Board) 실장에 사용되는 솔더 페이스트(solder paste)에 사용되기 적합하다.
제조예 솔더 합금
하기 표 1에 본 발명의 제조예 및 비교제조예에 따른 솔더 합금의 조성을 나타내었다.
Sn Bi(wt%) Ag(wt%) Cu(wt%) Ni(wt%)
제조예 1 Remain 57 1 0.3 -
제조예 2 Remain 57 1 0.5 -
제조예 3 Remain 57 1 0.75 -
제조예 4 Remain 57 1 0.75 0.05
제조예 5 Remain 57 1 1 -
제조예 6 Remain 55 1.2 0.5 -
제조예 7 Remain 50 1.5 0.75 -
제조예 8 Remain 50 1 0.3 -
제조예 9 Remain 40 2 1 -
제조예 10 Remain 40 1 0.3 -
제조예 11 Remain 60 0.5 0.75 -
비교제조예 1 Remain 57 1 0.1 -
비교제조예 2 Remain 57 1 3 -
비교제조예 3 Remain 57 1 - -
비교제조예 4 Remain 40 1 - -
비교제조예 5 Remain 50 1 - -
비교제조예 6 Remain 65 - 1 -
비교제조예 7 Remain 40 - 0.5 0.05
비교제조예 8 Remain 58 - 0.7 0.03
비교제조예 9 Remain 35 - 0.3 0.03
실시예 솔더볼
하기 표 2에 본 발명의 제조예 및 비교제조예에 따른 솔더 합금과 마스터 알로이를 통해 제조된 솔더볼의 실시예 및 비교예 조성을 나타내었다. 비교예 10은 Zn 을 포함하는 조성으로 제조된 솔더볼이다.
Sn Bi(wt%) Ag(wt%) Cu(wt%) Ni(wt%) Ge(wt%) Zn(wt%)
실시예 1 Remain 38.00 0.67 0.20 - 0.01 -
실시예 2 Remain 38.00 0.67 0.33 - 0.01 -
실시예 3 Remain 38.00 0.67 0.50 - 0.01 -
실시예 4 Remain 38.00 0.67 0.50 0.03 0.01 -
실시예 5 Remain 38.00 0.67 0.67 - 0.01 -
실시예 6 Remain 36.66 0.80 0.33 - 0.01 -
실시예 7 Remain 33.33 1.00 0.50 - 0.01 -
실시예 8 Remain 33.33 0.67 0.20 - 0.01 -
실시예 9 Remain 26.67 1.33 0.67 - 0.01 -
실시예 10 Remain 26.67 0.67 0.20 - 0.01 -
실시예 11 Remain 40.00 0.33 0.50 - 0.01 -
비교예 1 Remain 38.00 0.67 0.07 - 0.01 -
비교예 2 Remain 38.00 0.67 2.00 - 0.01 -
비교예 3 Remain 38.00 0.67 - - 0.01 -
비교예 4 Remain 26.67 0.67 - - 0.01 -
비교예 5 Remain 33.33 0.67 - - 0.01 -
비교예 6 Remain 43.33 - 0.67 - 0.01 -
비교예 7 Remain 26.67 - 0.33 0.03 0.01 -
비교예 8 Remain 38.67 - 0.47 0.02 - -
비교예 9 Remain 23.33 - 0.20 0.02 - -
비교예 10 Remain 55.00 1.00 - - - 1.00
실험예
(1) 수축 발생률 평가
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼의 구성 성분의 조성 범위에 따른 솔더볼의 특성 변화를 실험 데이터를 기초로 하여 검토하기로 한다. 솔더볼의 특성 변화를 검토하기 위하여 하기의 리플로우 공정을 통해 제조된 시편으로 수축(shrinkage) 발생 여부를 평가하였다.
Attach 장비를 이용하여 Ni/Au(전해도금) 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 위에 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 솔더볼을 마운트한 후, 리플로우(Reflow) 공정을 진행하였다. 플럭스(Flux)는 WS(Water Soluble) type을 사용하였고, Peak temperature는 160±5℃, Dwell time은 60±10s(over 140℃), 분위기는 100ppm O2 contents에서 진행하였다. 리플로우 프로파일을 하기 표 3에 나타내었다.
STEP 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Time(mm.ss) 0.50 0.20 1.50 0.30 0.20 0.10 0.10 0.20 0.30 0.00
Temp.(deg.(C)) 100 110 120 140 155 160 155 140 50 0
Slope(deg.(C)/s) 2 0.5 0.1 0.7 0.8 0.5 -0.5 -0.8 -3 -
Gas Flow ON ON ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF
Gas Cooling OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON ON OFF
Record ON ON ON ON ON ON ON ON ON ON
Ni/Au 표면 처리된 기판에서 상기 조건대로 리플로우 후 하기 식으로 계산되는 수축(shrinkage) 발생율(%)을 하기 표 4에 나타내었다.
수축(shrinkage) 발생율(%) = 수축 발생 범프 수 / 총 범프 수 * 100
수축 발생률(%)
1회 리플로우 2회 리플로우 3회 리플로우
실시예 1 0 2 5
실시예 2 0 0 0
실시예 3 0 0 0
실시예 4 0 0 0
실시예 5 0 1 3
실시예 6 2 2 4
실시예 7 10 13 15
실시예 8 12 15 19
실시예 9 1
실시예 10 10 15 18
실시예 11 0 1 3
비교예 1 100 - -
비교예 2 ball 제조불가 ball 제조불가 ball 제조불가
비교예 3 100 - -
비교예 4 98 100 -
비교예 5 100 - -
비교예 6 92 100 -
비교예 7 95 99 100
비교예 8 89 100 -
비교예 9 82 95 99
비교예 10 100 - -
도 2에 실시예 1에 따른 솔더볼을 사용하여 리플로우 후 촬영한 SEM 이미지를 나타내었다. 도 3에 실시예 5에 따른 솔더볼을 사용하여 리플로우 후 촬영한 SEM 이미지를 나타내었다. 도 4에 비교예 3에 따른 솔더볼을 사용하여 리플로우 후 촬영한 SEM 이미지 및 기판 이미지를 나타내었다. 도 2 내지 4에 나타난 것과 같이 본 발명에 따른 솔더볼은 수축이 발생하지 않았으나 비교예에 따른 솔더볼은 수축이 발생한 것을 확인할 수 있다.
(2) 융점 측정
상기 실시예 2에 따라 제조된 솔더볼에 대하여 시차주사 열량측정법 (differential scanning calorimetry, DSC)으로 분석하여 융점을 측정하였다. 도 5에 나타나는 것과 같이 융점 범위가 130 내지 150℃로서, 기존의 Sn-Bi계 합금의 융점과 유사하게 저융점인 것을 확인할 수 있었다.
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 (9)

  1. 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu) 및 주석(Sn)으로 구성된 조성을 포함하는 성분의 용융된 솔더 합금에 주석(Sn)과 게르마늄(Ge)을 포함하는 마스터 알로이(master alloy)를 투입하여 제조되는 솔더볼로서,
    상기 솔더 합금은 비스무스(Bi) 40 내지 60 중량%, 은(Ag) 0.1 내지 3.0 중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 1.0 중량% 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하고,
    상기 마스터 알로이는 주석(Sn) 100 중량부에 대하여 게르마늄(Ge)을 0.001 내지 0.1 중량부로 포함하며,
    상기 솔더볼은 비스무스(Bi) 26 내지 40 중량%, 은(Ag) 0.07 내지 2.0 중량%, 구리(Cu) 0.2 내지 0.7 중량%, 게르마늄(Ge) 0.001 내지 0.1 중량% 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하고,
    상기 솔더볼의 상기 게르마늄(Ge)은 상기 마스터 알로이로부터 유래하며,
    상기 솔더볼의 융점은 130 내지 150℃인 솔더볼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 합금은,
    비스무스(Bi) 50 내지 60 중량%, 은(Ag) 0.5 내지 2.0 중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 1.0 중량%를 포함하고,
    잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더 합금인 솔더볼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 합금은,
    비스무스(Bi)는 55 내지 60 중량%, 은(Ag)은 0.5 내지 1.0 중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 1.0 중량%를 포함하고,
    잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더 합금인 솔더볼.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더볼은 비스무스(Bi) 33 내지 40 중량%, 은(Ag) 0.3 내지 1.5 중량%, 구리(Cu) 0.2 내지 0.7 중량%, 게르마늄(Ge) 0.008 내지 0.05 중량% 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더볼.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더볼은 비스무스(Bi) 36 내지 40 중량%, 은(Ag) 0.3 내지 0.7 중량%, 구리(Cu) 0.2 내지 0.7 중량%, 게르마늄(Ge) 0.008 내지 0.012 중량% 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더볼.
  7. 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)을 포함하는 솔더볼의 제조방법으로서,
    비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu) 및 주석(Sn)으로 구성된 조성을 포함하는 솔더합금을 용탕에서 용융시키고, 주석(Sn) 및 게르마늄(Ge)을 포함하는 마스터 알로이(master alloy)를 투입하여 유지한 후,
    상기 마스터 알로이가 투입된 합금을 유도가열(Induction heating)하고 오리피스 홀로 통과시키며,
    상기 솔더 합금은 비스무스(Bi) 40 내지 60 중량%, 은(Ag) 0.1 내지 3.0 중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 1.0 중량% 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하고,
    상기 마스터알로이는 주석(Sn) 100 중량부에 대하여 상기 게르마늄(Ge)을 0.001 내지 0.1 중량부로 포함하는 솔더볼 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 솔더볼의 융점은 130 내지 150℃인 솔더볼 제조방법.
  9. 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)을 포함하는 솔더볼의 제조방법으로서,
    비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu) 및 주석(Sn)으로 구성된 조성을 포함하는 솔더 합금을 용탕에서 용융시키고, 게르마늄(Ge)을 포함하는 마스터 알로이(master alloy)를 투입하여 유지한 후,
    상기 마스터 알로이가 투입된 합금을 유도가열(Induction heating)하고 오리피스 홀로 통과시키며,
    상기 솔더볼은 비스무스(Bi) 26 내지 40 중량%, 은(Ag) 0.07 내지 2.0 중량%, 구리(Cu) 0.2 내지 0.7 중량%, 게르마늄(Ge) 0.001 내지 0.1 중량% 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 조성을 갖고,
    상기 솔더 합금은 비스무스(Bi) 40 내지 60 중량%, 은(Ag) 0.1 내지 3.0 중량%, 구리(Cu) 0.3 내지 1.0 중량% 및 잔부의 주석(Sn)을 포함하며,
    상기 마스터알로이는 주석(Sn) 100 중량부에 대하여 게르마늄(Ge)을 0.001 내지 0.1 중량부로 포함하는 솔더볼 제조방법.
KR1020180150366A 2018-11-29 2018-11-29 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼 KR102198850B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180150366A KR102198850B1 (ko) 2018-11-29 2018-11-29 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180150366A KR102198850B1 (ko) 2018-11-29 2018-11-29 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200064345A KR20200064345A (ko) 2020-06-08
KR102198850B1 true KR102198850B1 (ko) 2021-01-05

Family

ID=71089926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180150366A KR102198850B1 (ko) 2018-11-29 2018-11-29 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102198850B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101539056B1 (ko) * 2014-08-01 2015-07-24 덕산하이메탈(주) 솔더 합금 및 솔더볼

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6638847B1 (en) 2000-04-19 2003-10-28 Advanced Interconnect Technology Ltd. Method of forming lead-free bump interconnections
KR20190043642A (ko) * 2011-08-02 2019-04-26 알파 어셈블리 솔루션스 인크. 고 충격 인성 땜납 합금
JP5714191B1 (ja) 2013-05-29 2015-05-07 新日鉄住金マテリアルズ株式会社 半田ボールおよび電子部材
KR20170131280A (ko) * 2016-05-20 2017-11-29 서울시립대학교 산학협력단 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101539056B1 (ko) * 2014-08-01 2015-07-24 덕산하이메탈(주) 솔더 합금 및 솔더볼

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200064345A (ko) 2020-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9700963B2 (en) Lead-free solder ball
KR100999331B1 (ko) 납프리 땜납 합금
JP4391276B2 (ja) 半導体実装用半田合金とその製造方法、及び半田ボール、電子部材
US20190088611A1 (en) "Lead-Free Solder Ball"
KR101355694B1 (ko) 반도체 실장용 땜납 볼 및 전자 부재
KR101345940B1 (ko) 땜납, 납땜 방법 및 반도체 장치
KR101165426B1 (ko) 무연 솔더 합금
KR20200091932A (ko) 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납 및 땜납 이음매
KR102242388B1 (ko) 땜납 합금, 땜납 접합 재료 및 전자회로 기판
CN115397605A (zh) 无铅且无锑的软钎料合金、焊料球和钎焊接头
CN116689901A (zh) 钎焊接合方法和钎焊接头
CN115397606A (zh) 无铅且无锑的软钎料合金、焊料球和钎焊接头
KR101539056B1 (ko) 솔더 합금 및 솔더볼
KR102198850B1 (ko) 저융점 솔더 합금 및 이를 이용하여 제조된 솔더볼
EP2679335B1 (en) Solder alloy
KR20160139585A (ko) 솔더 합금, 솔더볼 및 그 제조방법
KR102247498B1 (ko) 솔더 합금, 솔더볼 및 그 제조방법
US20040096688A1 (en) Lead-free joining material and joining method using the same
KR101688463B1 (ko) 솔더합금 및 솔더볼
KR20230050125A (ko) 무연 솔더 합금 및 이를 이용한 전자 장치 제조 방법
JP2004223571A (ja) 半導体実装用半田合金とその製造方法、及び半田ボール、電子部材
KR20160016558A (ko) 솔더 합금 및 솔더볼

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant