KR102266566B1 - 땜납 합금, 및 땜납 이음새 - Google Patents

땜납 합금, 및 땜납 이음새 Download PDF

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Abstract

인장 강도가 높고, Ni 침식을 억제하는 동시에 접합 계면의 보이드의 발생을 억제할 수 있는 땜납 합금, 및 땜납 이음새를 제공한다. 땜납 합금은, 질량%로, Ag：1 ~ 4%, Cu：0.1 ~ 1.0%, Ni：0.005 ~ 0.09%, Co：0.0025 ~ 0.1%, P：0.001 ~ 0.015%, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 가지고, 합금 조성은 하기 (1) 식을 만족한다. 　0.00020＜(Ni/Co)×(1/Ag)×P＜0.025　(1) 상기 (1) 식 중, Ni, P, Ag 및 Co는 각각 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다.

Description

땜납 합금, 및 땜납 이음새
본 발명은, 높은 인장 강도를 가짐과 동시에, Ni 침식 및 접합 계면의 보이드의 발생을 억제하는 땜납 합금, 및 땜납 이음새에 관한 것이다.
최근, 전자기기는, 고집적화, 대용량화, 고속화가 요구되고 있다. 예를 들면 QFP(Quad　Flat　Package) 등의 반도체 패키지가 이용되어 반도체 칩 레벨로의 고집적화, 고기능화가 도모되고 있다. QFP의 제조에서는, 실리콘 웨이퍼로부터 잘라진 실리콘 칩을 리드 프레임에 다이본딩 하는 패키징 프로세스가 채용되고 있다.
BGA(Ball　Grid　Array)와 같은 미소 전극을 접합하는 QFP에서는, 실리콘 칩과 리드 프레임이 땜납 합금으로 다이본딩 되는 땜납 이음새가 형성된다. 실리콘 칩에는, 땜납과의 젖음성을 개선해 밀착 강도를 향상시키기 위해, 예를 들면 최외층에 Ni층을 구비하는 백 메탈이 형성되어 있다. 단지, 최외층의 Ni층은 용융 땜납과 접하면 Ni층이 용융 땜납 중에 용융해 Ni 침식이 발생한다. 여기서, 백 메탈에는, 통상, Ni이 실리콘 칩에 확산하는 것을 억제하기 위해, Ti 등의 배리어층이 형성되어 있다. Ni 침식이 진행해 Ti층이 노출되면, 땜납 합금의 Ti에의 젖음성이 매우 나쁘기 때문에, 백 메탈이 용융 땜납을 튕겨 버린다. 또한, Ni층이 조금 잔존한다고 해도, Ni원자가 용융 땜납 중에 확산하는 동시에 Ti가 Ni 중에 거의 확산하지 않는다. 이 때문에, 배리어층인 Ti층과 Ni층의 계면에 원자 레벨로 보이드가 증가해 버려, 조금 남은 Ni층과 Ti층의 계면의 밀착 강도는 극단적으로 저하한다. 이 결과, 다이본딩 후의 접합부는 내충격성이나 내히트 사이클성이 뒤떨어지는 경우가 있다. 이와 같이, 백 메탈의 Ni층을 잔존시키는 것은 다이본딩에서는 매우 중요하다.
그런데, 종래부터 Sn-Ag-Cu 땜납 합금이 널리 이용되어 다이본딩에도 사용되고 있다. 단지, 이 땜납 합금을 이용한 경우에는, 최근의 여러 가지의 요구 중에서, 내히트 사이클성, 내충격성, 내변색성을 개선할 필요가 생기는 경우가 있다. 그래서, 종래에 널리 사용되어 온 Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 관해서, 이러한 특성을 개선하기 위해서 여러 가지의 검토가 이루어지고 있다.
예를 들면 특허문헌 1에는, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 Co나 Ni를 임의 원소로서 함유하는 동시에 P 등을 선택적 필수 원소로서 함유하는 땜납 합금이 개시되어 있다. 이 땜납 합금은, Co나 Ni를 함유하는 경우에는 내히트 사이클성을 나타내고, P를 함유하는 경우에는 내충격성이나 내변색성을 나타내는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 제4144415호 공보
상술한 바와 같이, 특허문헌 1에 개시된 땜납 합금은, 내충격성, 내변색성, 및 내히트 사이클성의 3종의 효과를 동시에 발휘할 수 있는 우수한 합금이다. 단지, 합금 설계에서 더욱 개선의 여지가 있다고 생각된다.
특허문헌 1의 실시예 4에는, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 P, Co, 및 Ni를 동시에 함유하는 합금 조성이 개시되어 있다. 그리고, 특허문헌 1의 실시예 14에는, 실시예 4와 비교하여 Co를 함유하지 않는 합금 조성이 개시되어 있다. 여기서, 특허문헌 1에는, 전술과 같이, Co나 Ni는 내히트 사이클성을 나타내기 위해서 함유하는 것이 좋은 임의 원소인 것이 기재되어 있다. 그렇다면, Ni 및 Co의 양쪽 원소를 동시에 함유하는 실시예 4는 Ni만 함유하는 실시예 14보다 내히트 사이클성이 향상한다고 생각된다. 그러나, 실시예 4와 실시예 14는 내히트 사이클성이 동등한 결과가 나타나 있다. 이것은, 실시예 14의 Cu 함유량이 실시예 4의 1/10인 것이나, 실시예 14가 Sb를 함유하는 것에 기인한다고 생각된다.
또한, 특허문헌 1에는, Ag는 납땜성을 향상시키는 원소인 것이 기재되어 있어 용융 땜납이 충분히 젖어 퍼짐으로써 높은 내충격성을 나타내는 것이 의도되고 있다. 그러나, 실시예 4보다 Ag를 많이 함유하는 실시예 3이 내충격성이 뒤떨어진다. 이것은, 실시예 3은 실시예 4와 비교하여 P 함유량이 많고, 또한 Co를 함유하지 않는 것에 기인하기 때문이라고 생각된다.
땜납 합금은, 각 원소에 고유의 첨가 의의가 존재하지만, 모든 구성 원소가 조합된 일체의 것이고, 각 구성 원소가 서로 영향을 미치기 때문에, 구성 원소가 전체적으로 균형있게 함유될 필요가 있다. 특허문헌 1에 기재된 땜납 합금은, 각 구성 원소의 함유량의 각각이 개별적으로 최적화되어 있어 특허문헌 1의 출원시에 특허문헌 1에 기재되어 있는 효과가 얻어지기 위해서는 충분하다고 생각된다. 단지, 마찬가지의 구성 원소를 가지는 땜납 합금에서 최근의 요구에 대응할 수 있도록 다른 특성을 향상시키고 싶은 경우, 각 구성 원소의 함유량을 개개에 최적화한 다음, 구성 원소를 균형있게 더 함유할 필요가 있다.
특허문헌 1에 기재된 발명에서는, BGA와 같은 미소 전극의 경우를 상정한 합금 설계가 행해져 있지만, 접합 면적이 넓은 다이본딩으로서 이용되는 경우에도 외부 응력에 의한 파단을 무시할 수 없기 때문에, 땜납 합금 자체의 강도 향상이 요구된다. 또한, 다이본딩과 같이 접합 면적이 넓은 납땜을 행하는 경우에는, Ni 침식이나 Ni의 확산을 억제하는 것에 더해, 접합 계면에서의 보이드의 발생도 억제하는 것이 요구된다.
이와 같이, 최근의 전자기기의 고집적화, 대용량화, 고속화에 따라, BGA 뿐만이 아니라 QFP에서 채용되고 있는 다이본딩에도 적용할 수 있는 땜납 합금이 요구되도록 되고 있다.
본 발명의 과제는, 인장 강도가 높고, Ni 침식을 억제하는 동시에 접합 계면의 보이드의 발생을 억제할 수 있는 땜납 합금, 및 땜납 이음새를 제공하는 것이다.
땜납 합금은 2종 이상의 원소로 구성되어 있어 각각 단독의 효과가 땜납 합금 전체의 특성에 영향을 미치기도 하지만, 전술과 같이, 모든 구성 원소로 일체의 것이 되기 위해 각 구성 원소가 서로 관계하고 있다. 이 때문에, 본 발명자들은, 특허문헌 1에 기재된 땜납 합금과 동일한 구성 원소이어도 BGA에 한정되지 않고 QFP에도 대응할 수 있도록, 인장 강도가 높고, Ni 침식이나 보이드의 발생이 억제되는 합금 설계를 행하는 것에 주목하였다. 구체적으로는, 본 발명자들은, 각 구성 원소의 첨가 의의를 재검토한 다음, 인장 강도가 높고, Ni 침식이나 보이드의 발생을 억제하기 위해서, 각 구성 원소의 밸런스를 고려해 상세하게 조성 탐색을 행하였다.
우선은, Sn-Ag-Cu 땜납 합금으로 Ni 침식을 억제하기 위한 검토를 행하였다. 본 발명자들은, Ni 함유량의 증가에 따라 액상선 온도가 급격하게 상승하면, Ni 침식이 억제된다고 생각하였다. 즉, 본 발명자들은, 백 메탈의 Ni층에 침식이 발생한 경우에도, 그 침식을 최소한으로 하는 합금 설계를 시도하였다. 구체적으로는, 용융 땜납의 Ni 함유량이 조금 증가한 것만으로 급격하게 액상선 온도가 오르도록, Ni 함유량, 액상선 온도의 상승 개시 온도 및 상승률과의 관계를 상세하게 조사하였다. 그 결과, Co 함유량이 소정의 범위 내에서는, Ni가 조금 증가한 경우에 액상선 온도가 상승하기 시작하는 동시에 급격하게 상승하는 지견이 얻어졌다. 이 때문에, 본 발명자들은, Co와 Ni의 함유비가 Ni 침식을 억제하기 위해서 필요한 것에 주목하였다.
이어서, 접합 계면에서의 보이드의 발생을 억제하기 위해, 본 발명자들은 P의 함유량에 주목하였다. P는, Sn과 공존하는 경우에 대기 중의 산소를 취해, 인산주석을 형성하는 것이 알려져 있다. 인산주석은 용융 땜납의 표면에 무르고 얇은 산화막으로서 형성되지만, 이 산화막은, 용융 땜납 자체의 대류나, 칩을 용융 땜납 상에 재치할 때에 용융 땜납에 가해지는 외압에 의해서도 용이하게 파괴되기 때문에, 용융 땜납의 대류를 저해하는 경우는 없다. 이 때문에, P를 함유하는 땜납 합금은 접합 계면에 발생한 보이드를 외부에 배출할 수 있게 된다. Ni 침식과 보이드의 발생을 억제하기 위해서는, Co, Ni, 및 P가 균형있게 배합될 필요가 있다.
또한 Ag의 첨가에 의해 결정립계에 Ag3Sn이 석출되어 땜납 합금의 강도가 향상하기 때문에, Ag 함유량의 밸런스도 고려할 필요가 있다.
그래서, 본 발명자들은, Sn-Ag-Cu-Ni-Co-P 땜납 합금에서, Co와 Ni의 함유비, P 함유량 및 Ag 함유량의 종합적인 밸런스를 고려해 상세하게 검토한 결과, 높은 인장 강도를 나타내는 동시에 Ni 침식 및 보이드의 발생을 억제하는 지견을 얻어 본 발명을 완성하였다.
이러한 지견에 의해 얻어진 본 발명은 다음과 같다.
(1) 질량%로, Ag：1 ~ 4%, Cu：0.1 ~ 1.0%, Ni：0.005 ~ 0.09%, Co：0.0025 ~ 0.1%, P：0.001 ~ 0.015%, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 가지고, 합금 조성은 하기 (1) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.
0.00020＜(Ni/Co)×(1/Ag)×P＜0.025　　　　(1)
상기 (1) 식 중, Ni, P, Ag 및 Co는 각각 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다.
(2) 액상선 온도가 320℃ 이하인, 상기 (1)에 기재된 땜납 합금.
(3) 액상선 온도와 고상선 온도의 차이인 ΔT가 120℃ 이하인, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금.
(4) 합금 조성은 하기 (2) 식을 만족하는, 상기 (1) ~ 상기 (3)의 어느 한 항에 기재된 땜납 합금.
0.00389≤(Ni/Co)×(1/Ag)×P≤0.00667　　　　(2)
상기 (2) 식 중, Ni, P, Ag 및 Co는 각각 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다.
(5) 상기 (1) ~ 상기 (4)의 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 가지는 땜납 이음새.
도 1은 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 1(a)은 실시예 10의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 1(b)은 비교 참고예인 Sn-3Ag-0.5Cu의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이다.
도 2는 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 2(a)는 실시예 10의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 2(b)는 비교예 2의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이다.
본 발명을 이하에 더 자세하게 설명한다. 본 명세서에서, 땜납 합금 조성에 관한 「%」는, 특별히 지정하지 않는 한 「질량%」이다.
1.합금 조성
(1)　Ag：1 ~ 4%
Ag는 결정립계에서 미세한 Ag3Sn를 석출시킴으로써 땜납 합금의 강도를 향상시키는 원소이다. Ag 함유량이 1% 미만이면 Ag의 첨가 효과가 충분히 발휘되지 않는다. Ag 함유량의 하한은 1% 이상이고, 바람직하게는 1.5% 이상이고, 보다 바람직하게는 2% 이상이다. 한편, Ag 함유량이 너무 많으면, 조대(粗大)한 Ag3Sn이 석출해 버려, 강도가 열화한다. Ag 함유량의 상한은 4% 이하이고, 바람직하게는 3.5% 이하이고, 보다 바람직하게는 3% 이하이다.
(2)　Cu：0.1 ~ 1.0%
Cu는, Cu 침식를 억제하는 동시에 Cu6Sn5에 의한 석출 강화를 도모할 수 있는 원소이다. Cu 함유량이 0.1% 미만이면, Cu6Sn5의 석출량이 적고 무른 SnNi 화합물이 석출하기 때문에 땜납 합금 자체가 물러진다. Cu 함유량의 하한은 0.1% 이상이고, 바람직하게는 0.2% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.3% 이상이고, 더 바람직하게는 0.4% 이상이고, 특히 바람직하게는 0.5% 이상이다. 한편, Cu 함유량이 1.0%를 넘으면 땜납 합금의 액상선 온도가 높아 용융하기 어렵다. Cu 함유량의 상한은 1.0% 이하이고, 바람직하게는 0.8% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.7% 이하이고, 특히 바람직하게는 0.6% 이하이다.
(3)　Ni：0.005 ~ 0.5%
Ni는, Cu와 마찬가지로 땜납 합금의 액상선 온도를 제어하는 동시에 Ni 침식을 억제할 수 있는 원소이다. Ni 함유량이 0.005% 미만이면 Ni의 첨가 효과가 발휘되기 어렵다. Ni 함유량의 하한은 0.005% 이상이고, 바람직하게는 0.01% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.02% 이상이고, 더 바람직하게는 0.03% 이상이고, 특히 바람직하게는 0.04% 이상이다. 한편, Ni 함유량이 0.5%를 넘으면 땜납 합금의 액상선 온도가 높아 용융하기 어렵다. Ni 함유량의 상한은 0.5% 이하이고, 바람직하게는 0.2% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.1% 이하이고, 더 바람직하게는 0.09% 이하이고, 특히 바람직하게는 0.07% 이하이다.
(4)　Co：0.0025 ~ 0.1%
Co는 땜납 합금의 액상선 온도를 제어하는 동시에 땜납 합금의 조직의 미세화에 기여하는 원소이다. Ni 존재 하에서 Co가 공존하면, Ni 함유량이 소량이어도 액상선 온도가 향상해 Ni 침식을 억제할 수 있다. Co 함유량이 0.0025% 미만이면 Co의 첨가 효과가 발휘되기 어렵다. Co 함유량의 하한은 0.0025% 이상이고, 바람직하게는 0.005% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이다. 한편, Co 함유량이 0.1%를 넘으면 땜납 합금의 액상선 온도가 높아 용융하기 어렵다. Co 함유량의 상한은 0.1% 이하이고, 바람직하게는 0.09% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이고, 더 바람직하게는 0.05% 이하이고, 특히 바람직하게는 0.04% 이하이고, 가장 바람직하게는 0.03% 이하이고, 0.02% 이하가 최적이다.
(5)　P：0.001 ~ 0.015%
P는, Sn를 주성분으로 하는 땜납 합금 중에서 인산주석을 형성하기 때문에 강고한 산화 주석의 형성을 저해해, 젖음성을 개선할 수 있는 원소이다. P를 함유하지 않는 경우에는, 산화 주석이 용융 땜납의 표면에 형성된다. 산화 주석은 강고하고 파괴하기 어렵기 때문에, 용융 땜납이 산화 주석의 내부에서 대류해, 접합 계면에 발생한 보이드가 외부에 배제되는 것은 아니다. 한편, 땜납 합금 중에 첨가된 P는, 분위기 중의 O 및 용융 땜납 중의 Sn과 반응해, 용융 땜납의 표면에 무르고 얇은 산화막을 형성한다. 이 산화막은 무르기 때문에 용융 땜납 자체의 대류나, 칩을 재치한 경우에 칩에 가해지는 외력에 의해 용이하게 파괴된다. 이 때문에, 접합 계면에 발생한 보이드는 용융 땜납의 대류에 따라 외부에 배제된다.
P 함유량이 0.001% 미만이면 산화 주석이 생성되기 때문에 상기의 효과가 발휘하기 어렵다. P 함유량의 하한은 0.001% 이상이고, 바람직하게는 0.002% 이상이다. 한편, P 함유량이 너무 많으면 액상선 온도가 높아 용융하기 어렵다. P 함유량의 상한은 0.015% 이하이고, 바람직하게는 0.01% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.007% 이하이고, 특히 바람직하게는 0.005% 이하이다.
(6) 잔부：Sn
본 발명과 관련되는 땜납 합금의 잔부는 Sn이다. 전술의 원소 외에 불가피한 불순물을 함유해도 좋다. 불가피한 불순물을 함유하는 경우에도, 전술의 효과에 영향을 주는 것은 아니다.
(7)　(1) 식, (2) 식
본 발명은, 하기 (1) 식을 만족한다.
0.00020＜(Ni/Co)×(1/Ag)×P＜0.025　　　　(1)
상기 (1) 식 중, Ni, P, Ag 및 Co는 각각 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다.
본 발명의 땜납 합금은, (1) 식을 만족하는 것에 의해서, Ni, Co, Ag, 및 P 함유량의 밸런스가 최적화되어 있기 때문에, 높은 인장 강도를 나타내는 동시에, Ni 침식 및 보이드를 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 Sn-Ag-Cu-Ni-Co-P 땜납 합금에서, 높은 인장 강도, 및 Ni 침식 및 보이드의 발생의 억제를 양립하기 위해서는, Ni, Co, Ag, 및 P 함유량의 밸런스를 고려할 필요가 있다.
보다 상세하게는, Ni 침식에 관해서는, 용융 땜납 중의 Ni 함유량이 조금 증가한 것만으로 액상선 온도가 급격하게 상승하면 Ni층으로부터의 Ni의 용출을 억제할 수 있다. Co와 Ni가 공존하는 경우, Ni 함유량이 조금 증가하면 액상선 온도가 급격하게 증가한다. 이 현상을 이용하면, Ni층의 Ni가 용융 땜납에 약간 용출한다고 해도, Ni 침식을 최소한으로 하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 액상선 온도의 제어의 관점에서, 본 발명과 관련되는 땜납 합금에서는 양자(兩者)의 함유비를 상세하게 규정해야 한다.
또한, 보이드에 관해서는, 용융 땜납의 표면에 형성되는 산화막의 성질에 주목해, 용융 땜납의 대류에 의한 보이드의 배출 기능이 발휘될 필요가 있다. 이 보이드 배출 기능을 유지하기 위해서는, 원래 용융 땜납의 표면에 형성되는 산화막을 형성시키지 않는 것이 생각되지만, 통상의 납땜은 대기 중에서 행해지기 때문에, 산화막의 형성 자체를 억제하는 것은 곤란하다. Sn을 주성분으로 하는 땜납 합금은, 용융시에 용융 땜납의 표면에 강고한 산화 주석의 막이 형성되어 버려, 용융 땜납이 대류한다고 해도 산화 주석의 막이 접합 계면에 발생하는 보이드의 배출을 저해한다. 반면, P를 함유하는 땜납 합금에서는 인산주석의 막이 용융 땜납의 표면에 형성되지만, 인산주석의 막은 얇고 물러 용융 땜납의 대류 자체에 의해 파괴되기 때문에, 용융 땜납의 대류에 의한 보이드 배출 기능이 유지된다. 이 결과, 보이드의 생성이 억제된다.
또한 본 발명에서는, 땜납 합금의 강도를 향상시킬 필요가 있다. Ag의 첨가에 의한 Ag3Sn의 생성으로 땜납 합금의 강도가 향상하는 동시에, Co에 의한 합금 조직의 미세화에 의해서도 땜납 합금의 강도가 향상한다. 한쪽이 너무 많으면 액상선 온도가 상승해, 예를 들면 240℃ 정도에서 용융하지 않고, 땜납 이음새를 형성할 수 없다. 한쪽이 너무 적으면 땜납 합금의 강도가 얻어지지 않는다. 이에 더해, 본 발명과 관련되는 땜납 합금의 Ag3Sn의 석출량은, Ag 함유량이 상기 범위인 것에 더해, 합금의 성질상 이들 원소의 밸런스에 의해 직접적 또는 간접적으로 의존하는 경우가 있다. 또한 본 발명과 관련되는 땜납 합금에서는, Cu6Sn5에 의한 석출 강화가 Ag3Sn에 의한 강도 향상만큼 기여하지 않기 때문에, (1) 식에서 Cu를 고려하지 않아도 좋다.
이상으로부터, 본 발명과 관련되는 땜납 합금은, 높은 인장 강도, Ni 침식의 억제, 및 보이드의 발생의 억제의 3자를 양립하기 위해, (1) 식을 만족할 필요가 있다. Sn-Ag-Cu-Ni-Co-P 땜납 합금이어도 (1) 식을 만족하지 않는 경우에는, 상기 효과의 적어도 어느 하나 효과가 발휘되지 않는다.
(1) 식의 하한은 0.00020 초과하고, 바람직하게는 0.00042 이상, 0.00063 이상, 0.00074 이상, 0.00150 이상, 0.00167 이상, 0.00208 이상, 0.00250 이상, 0.00292 이상, 0.00333 이상, 0.00389 이상이다.
한편, (1) 식의 상한은 0.025 미만이고, 바람직하게는 0.01667 이하, 0.01500 이하, 0.01333 이하, 0.01167 이하, 0.01000 이하, 0.00833 이하, 0.00667 이하이다.
(1) 식의 효과를 충분히 발휘하기 위해, (1) 식은 바람직하게는 하기 (2) 식이다.
0.00389≤(Ni/Co)×(1/Ag)×P≤0.00667　　　　(2)
상기 (2) 식 중, Ni, P, Ag 및 Co는 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다.
(8) 땜납 합금의 액상선 온도, 고상선 온도, ΔT
본 발명과 관련되는 땜납 합금은, 액상선 온도가 Sn-Ag-Cu 땜납 합금보다 높아도 고상의 석출 상태가 다르기 때문에 용융 땜납의 유동성의 열화가 억제되어 용융 땜납의 대류에 의해 보이드를 외부에 배출할 수 있는 점에서 바람직하다. 본 발명에서 액상선 온도는, 바람직하게는 320℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 290℃ 이하이고, 더 바람직하게는 270℃ 이하이고, 특히 바람직하게는 250℃ 이하이고, 가장 바람직하게는 240℃ 이하이다. 액상선 온도가 240℃ 이하이면, 종래부터 널리 사용되고 있는 Sn-Ag-Cu 땜납 합금과 동등한 240℃ 정도의 가열 온도에서 납땜를 행할 수 있는 점에서 바람직하다.
본 발명과 관련되는 땜납 합금의 고상선 온도는 특별히 한정되지 않고, 액상선 온도와 고상선 온도의 온도차인 ΔT가 너무 커지지 않도록 하기 위해, 200℃ 이상이면 좋다.
또한, ΔT가 소정의 범위 내이면 고액 공존 영역이 좁아져, 응고시의 합금 조직의 편석(偏析) 등을 억제할 수 있는 점에서 바람직하다. ΔT의 범위는 바람직하게는 120℃ 이하, 116℃ 이하, 102℃ 이하, 101℃ 이하, 100℃ 이하, 93℃ 이하, 65℃ 이하, 64℃ 이하, 54℃ 이하, 48℃ 이하, 47℃ 이하, 41℃ 이하, 36℃ 이하, 34℃ 이하, 32℃ 이하, 31℃ 이하, 27℃ 이하, 20℃ 이하이다.
3.땜납 이음새
본 발명과 관련되는 땜납 이음새는, 반도체 패키지에서의 IC칩과 그 기판(인터포저(interposer))와의 접속, 혹은 반도체 패키지와 프린트 배선판의 접속에 사용하는데 적합하다. 여기서, 「땜납 이음새」란 IC칩과 기판의 접속부를 말하고, 전극의 접속부나 다이와 기판의 접속부를 포함한다.
4.그 외
본 발명과 관련되는 땜납 합금을 이용한 접합 방법은, 예를 들면 리플로우법을 이용하여 상법에 따라서 행하면 좋다. 가열 온도는 칩의 내열성이나 땜납 합금의 액상선 온도에 따라 적절히 조정해도 좋다. 칩의 열적 손상을 낮게 억제하는 관점에서 240℃ 정도인 것이 바람직하다. 플로우 솔더링을 행하는 경우의 땜납 합금의 용융 온도는 대체로 액상선 온도로부터 20℃ 정도 높은 온도이면 좋다. 또한, 본 발명과 관련되는 땜납 합금을 이용하여 접합하는 경우에는, 응고시의 냉각 속도를 고려하는 것이 조직을 더 미세하게 할 수 있다. 예를 들면 2 ~ 3℃／s 이상의 냉각 속도에서 땜납 이음새를 냉각한다. 이 외의 접합 조건은, 땜납 합금의 합금 조성에 따라 적절히 조정할 수 있다.
본 발명과 관련되는 땜납 합금은, 그 원재료로서 낮은 α선량재를 사용함으로써 낮은 α선량 합금을 제조할 수 있다. 이러한 낮은 α선량 합금은, 메모리 주변의 땜납 범프의 형성에 이용되면 소프트 에러를 억제할 수 있게 된다.
실시예
표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 땜납 합금에 대해서, 액상선 온도, 고상선 온도, Ni 침식, 보이드의 유무를 이하와 같이 평가하였다. 또한, 인장 강도도 평가하였다.
(1) 액상선 온도, 고상선 온도
표 1의 각 땜납 합금을 제작하여, 땜납의 용융 온도를 측정하였다. 측정 방법은, 고상선 온도는 JIS　Z3198-1에 준해서 행했다. 액상선 온도는, JIS　Z3198-1을 채용하지 않고, JIS　Z3198-1의 고상선 온도의 측정 방법과 마찬가지의 DSC에 의한 방법으로 실시하였다.
(2) Ni 침식
판두께가 250㎛이며 표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 프리폼을 Cu제 리드 프레임에 탑재하였다. 그 후, 5 mm×5mm×200㎛t의 실리콘 칩의 기판 접합면 측에 백 메탈을 구비하는 IC 칩을 땜납 합금 상에 탑재하였다. 백 메탈은, 배리어층으로서 0.05㎛의 Ti층, 0.20㎛의 Ni층을 순차 적층한 것이다. 탑재의 방향은, 이 백 메탈을 구비하는 IC칩에서, Ni층이 땜납 합금과 당접하는 방향으로 하였다. 땜납 합금 및 IC칩을 탑재한 기판을, 피크 온도가 240℃이 되도록 리플로우 로(爐)에서 가열해, 다이본딩을 행하였다.
그리고, 얻어진 리드 프레임의 단면에 대하여, SEM의 모니터 상에서 30000배로 확대하고, 임의의 10개소에 대하여, Ni층의 막 두께의 평균치를 산출하였다. 막 두께의 평균치가 당초의 막 두께에 대해서 40% 이상인 경우에는 「◎」, 20% 이상인 경우에는 「○」, 10% 미만인 경우에는 「×」이라고 하였다.
(3) 보이드
상기 (2)에서 제작한 리드 프레임의 단면에 대하여, X선 관찰 장치를 이용하여 땜납 접합부의 투과 화상을 촬영하였다. 그리고, 땜납 이음새 계면에 발생하고 있는 보이드의 면적률을 산출하였다. 보이드 면적률의 평균치가 10% 이하를 좋음(○), 10 ~ 25%를 약간 나쁨(△), 25% 초과를 나쁨(×)으로 하였다.
Figure 112020096162336-pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 ~ 31에서는, 어느 합금 조성에서도 각 구성 원소의 함유량 및 (1) 식을 만족하기 때문에, Ni 침식 및 접합 계면에서의 보이드가 보이지 않았다. 또한, 비교예 1 ~ 7과 비교하여 높은 인장 강도를 나타내는 것도 확인하였다.
한편, 비교예 1은 (1) 식의 상한을 넘기 때문에 Ag, Co, P, 및 Ni의 함유량의 밸런스가 나쁘고, 보이드가 발생하였다. 비교예 2는 (1) 식의 하한 미만이기 때문에 Ag, Co, P, 및 Ni의 함유량의 밸런스가 나쁘고, Ni 침식이 뒤떨어졌다.
비교예 3은 Co 함유량이 많기 때문에 액상선 온도가 높아져, 땜납 이음새를 형성할 수 없었기 때문에 평가를 행하지 않았다. 비교예 4는 Ag 함유량이 적기 때문에, Ag3Sn의 석출량이 적고, 실시예 1 ~ 31과 비교하여 인장 강도가 낮은 것을 확인하였다. 비교예 5는 Ag 함유량이 너무 많기 때문에 조대한 Ag3Sn이 석출해 버려, 실시예 1 ~ 31과 비교하여 인장 강도가 낮은 것을 확인하였다.
비교예 6은 Ni 함유량이 적기 때문에 Ni 침식을 억제할 수 없었다. 비교예 7은 Ni 함유량이 너무 많기 때문에 액상선 온도가 높아져, 땜납 이음새를 형성할 수 없었기 때문에 평가를 행하지 않았다.
표 1의 결과로부터 본 발명의 효과를 명확하게 하기 위하여, 도 1 및 도 2를 이용하여 더욱 설명한다.
도 1은 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 1(a)은 실시예 10의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 1(b)은 비교 참고예인 Sn-3Ag-0.5Cu의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이다. 각 SEM 사진의 「Si」는 Si칩을 나타내고, 최표면에 Ni층이 형성되어 있는 것을 이용하였다. 도 1(b)과 비교하여 도 1(a)에서는 (Cu, Ni) Sn 금속간 화합물의 석출량이 적은 것을 알 수 있었다. 이것은, 비교 참고예의 합금 조성이 Ni를 함유하지 않고, 또한 (1) 식을 만족하지 않기 때문에, Ni층이 접합시에 용융 땜납에 침식되었기 때문이라고 생각된다. 또한, 도 1에서는 확인할 수 없지만, 촬영한 SEM 사진을 확대함으로써 도 1(a)에서는 Ni층이 잔존하고 있는 반면, 도 1(b)에서는 Ni층은 거의 잔존하고 있지 않는 것도 확인하였다.
도 2는 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 2(a)는 실시예 10의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 2(b)는 비교예 2의 합금 조성을 이용한 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이다. SEM 사진의 배율은 30000배이다. 도 2(a)에 나타내는 실시예 10에서는 Ni층이 잔존하고 있고, 한편, 도 2(b)에 나타내는 비교예 2에서는, Ni층이 거의 잔존하고 있지 않는 것을 알 수 있었다. 도 2(a)에서는 Ni층의 막 두께가 0.09㎛인 것을 알 수 있었다. 이 막 두께는 납땜 전의 Ni층의 막 두께와 비교하여 40% 이상인 점에서, Ni층이 대부분 잔존하고 있는 것을 알 수 있었다. 이에 대하여, 도 2(b)에서는 Ni층의 막 두께가 0.015㎛인 것을 알 수 있었다. 이 막 두께는 납땜 전의 Ni층의 막 두께와 비교하여 10% 미만인 점에서, Ni층이 용융 땜납에 침식되어 있는 것을 알 수 있었다.
이상으로부터, 본 발명과 관련되는 땜납 합금은, 인장 강도가 높고, Ni 침식을 억제하는 동시에 접합 계면의 보이드의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 고품질의 다이본딩을 행할 수 있다.

Claims (5)

  1. 질량%로, Ag：1 ~ 4%, Cu：0.1 ~ 1.0%, Ni：0.005 ~ 0.09%, Co：0.0025 ~ 0.1%, P：0.001 ~ 0.015%, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 가지고, 상기 합금 조성은 하기 (1) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 땜납 합금.
    0.00020＜(Ni/Co)×(1/Ag)×P＜0.01667　(1)
    상기 (1) 식 중, Ni, P, Ag 및 Co는 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서,
    액상선 온도가 320℃ 이하인, 땜납 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    액상선 온도와 고상선 온도의 차이인 ΔT가 120℃ 이하인, 땜납 합금.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 합금 조성은 하기 (2) 식을 만족하는, 땜납 합금.
    0.00389≤(Ni/Co)×(1/Ag)×P≤0.00667　　　　(2)
    상기 (2) 식 중, Ni, P, Ag 및 Co는 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 가지는, 땜납 이음새.
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