KR102335066B1 - 반도체 다이 어태치 분야를 위한 금속 로딩량이 많은 소결 페이스트 - Google Patents

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KR102335066B1
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은숙 바버
마이클 매튜스
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    • H01L2224/2926—Iron [Fe] as principal constituent
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    • H01L2224/29263—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29264—Palladium [Pd] as principal constituent
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    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29199—Material of the matrix
    • H01L2224/292—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29263—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29269—Platinum [Pt] as principal constituent
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    • H01L2224/29199—Material of the matrix
    • H01L2224/292—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29263—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29273—Rhodium [Rh] as principal constituent
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    • H01L2224/29263—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/2928—Molybdenum [Mo] as principal constituent
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    • H01L2224/29284—Tungsten [W] as principal constituent
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    • H01L2224/29318—Zinc [Zn] as principal constituent
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    • H01L2224/29324—Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29344—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29347—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29349—Manganese [Mn] as principal constituent
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    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
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    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29298—Fillers
    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29355—Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29298—Fillers
    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29357—Cobalt [Co] as principal constituent
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    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29298—Fillers
    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/2936—Iron [Fe] as principal constituent
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Abstract

열 반응 후 금속 부피가 60%를 초과하는 반도체 다이 어태치 조성물로서, (a) 30∼70 중량%(wt%)의, 온도 T1 미만에서 용융하는 1종 이상의 저융점(LMP) 금속 Y를 포함하는 무연 LMP 입자 조성물, 및 25∼70 wt%의, 공정 온도 T1에서 1종 이상의 LMP 금속 Y와 반응성인 1종 이상의 금속 원소 M을 포함하는 고융점(HMP) 입자 조성물을 포함하는, 80∼99 wt%의 금속 입자의 혼합물로서, Y의 wt%에 대한 M의 wt%의 비가 1.0 이상인 금속 입자의 혼합물과, (b) 0∼30 wt%의 금속 분말 첨가제 A와, (c) 휘발분과, 50 wt% 이하의 비휘발분을 함유하는 플럭싱 비이클을 포함하는 반도체 다이 어태치 조성물.

Description

반도체 다이 어태치 분야를 위한 금속 로딩량이 많은 소결 페이스트
본 발명은 금속 조성물, 그 제조 방법 및 그 용도에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금속 조성물, 그 제조 방법, 및 패키징 부재에 반도체 다이를 부착하기 위한 그 용도에 관한 것이다.
전자 디바이스의 제조에 있어서, 다이 신호 입력 및 출력 기능을, 서로 소통하는 다른 디바이스에 상호접속하기 위한 플랫폼을 형성하기 위해 반도체 다이를 기판 상에 어셈블링한다. 일반적으로, 이 어셈블리는 다이의 비기능면과 기판 사이에 배치된 특수하게 설계된 솔더 및/또는 폴리머 접착제를 사용하여 수행한다.
반도체 다이(일반적으로, 전력 관리 또는 조명 분야에 사용됨)의 특정 하위부류에서, 다이의 기판 부착면은 작동 반도체 다이와 기판 사이의 양호한 열 전달과, 어떤 경우에는, 또한 전기적 상호접속을 촉진하기 위해 금속화된다. 전력 용도를 위해 제작된 규소 베이스의 반도체 다이는 일반적으로, 다이 후면으로의 전기적 접속과 열적 접속을 둘 다 실현하기 위해 이러한 방식으로 금속화된다. 디바이스 작동 온도가 증가함에 따라, 탄화규소 및 질화갈륨과 같은 추가적인 재료가, 상승된 온도 환경에서의 디바이스 성능을 개선하기 위해 유사한 방식으로 제조되고 있다.
다이로부터 방산되는 열이 비교적 적은 용도의 경우, 금속 입자 충전형 폴리머 접착제가 반도체 다이를 패키징 부재에 부착하기 위해 사용되는 재료의 가장 일반적인 부류이다. 이러한 접착제 시스템의 경우, 열, 그리고 필요에 따라 전기 전도가 금속 충전제의 부피 분율을 기초로 다양한 메카니즘을 통해 전파된다. 연구(및 산업적 실시)를 통해 금속 충전제의 부피 분율을 약 30%로 한 전도성 접착제가 낮은 전기 저항률과 높은 열 전도율을 달성할 수 있다는 것이 확인되었다. 그러나, 전도성 접착제는 그 전기적 신뢰성(electrical reliability) 성능에 본질적인 한계가 있어서 반도체 디바이스에서 소프트 솔더(연납)를 대체할 수 있는 그 능력도 한계가 있다. 열 및 전기 전도 효율은 폴리머 접착제 함량에 대한 충전제 입자의 비율에 직접적으로 좌우되기 때문에, 이들 접착제의 전도율에는, 접착제의 기계적 건전성을 손상시키지 않으면서 도입될 수 있는 충전제 양의 실제적인 한계로부터 비롯되는 상한이 존재한다.
더 많은 전력 소모가 요구되는 분야에 있어서는, 패키징 부재에의 반도체 부착을 위해 솔더 또는 은계 소결 재료를 사용하는 것이 더 일반적이다. 전통적으로, 전력 반도체의 다이 부착을 위해 유연 솔더가 사용되는데, 왜냐하면 이러한 솔더가 금속화된 다이 및 패키지 부재(들)에 더 잘 습윤되어, 뛰어난 전기 전도율 및 열 전도율을 제공하고, 높은 연신율을 가져서 반도체 다이와 패키지 부재(들) 간의 열팽창계수(CTE)의 차이를 저감하기 때문이다. 지난 십년 동안, 유연 솔더를 무연 솔더로 대체하려는 새로운 계획이 있었다. 특수 분야를 위해서는, 금-주석, 주석-안티몬, 인듐계 또는 비스무트계 합금이 사용되지만, 이들은 대체로 비싸고 기계적 또는 전기적 성능 한계를 갖는 경우가 많다. 더 광범위한 전력 다이 어태치 분야를 위해서, 주석계 솔더가 무연 해법으로서 평가되었다. 통상적으로, 이러한 주석계 솔더는 페이스트 또는 와이어 베이스의 형태로 적용된다. 열 처리 중에, 주석 합금 용용물의 개개의 입자들이 용융되어 서로, 그리고 금속화 표면에 융합하여 모놀리식 조인트를 형성한다. 개개의 입자들이 붕괴되고 단일 용융물로 통합됨에 따라, 휘발성 플럭스 비이클이 용융물로부터 빠져나와, 플럭스 휘발물이 배기된 보이드 공간으로 이루어진 중앙에 모인 큰 포켓이 형성된다. 이러한 포켓들은, 그 곳에서의 열 전도성의 부족으로 인해 반도체 다이 상에 핫 스팟을 형성할 수 있거나 전기 접점 면적의 감소로 인해 디바이스의 전기적 성능을 감소시킬 수 있다. 이러한 보이드 포켓은 유연 솔더와 무연 솔더 둘 다에 고유한 것이지만, 무연 솔더에 있어서, 후속 열 변동 과정(thermal excursion)이 합금을 재용융시킬 수 있고, 이로 인해 보이드 포켓이 추가로 통합되어 더 큰 빈 공간이 만들어질 수 있다. 또한, 무연 주석계 합금은 유연 솔더의 연신 특성을 나타내지 않으므로, 반도체 다이와 패키지 부재 간의 CTE 미스매치를 효과적으로 저감하지 못한다.
전력 반도체의 요건을 충족하기 위해 제안된 재료의 한 부류는 은 소결 페이스트로서 알려져 있다. 은 소결 페이스트는, 캐리어와 함께, 종종 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 은 입자로 이루어진다. 열 처리 동안, 나노 크기의 은 입자의 높은 표면 에너지가 지렛대로 작용하여 은 금속의 융점보다 훨씬 낮은 온도에서 은 입자들을 함께 소결시킨다. 소결 성능을 촉진하기 위해 캐리어 조성물에 유기 금속 첨가제가 또한 사용될 수 있다. 반도체 부착을 위한 전형적인 제조 프로토콜은 아니지만, 충분히 통합되고 기계적으로 강건한 조인트를 얻기 위해서는, 열 처리 중에 종종 가압이 요구된다. 이 부류의 재료가 많은 바람직한 특성들을 제공하지만, 이러한 비싼 재료들은 일반적으로 비용 때문에 점점 더 인기가 많아지는 다수의 패키징 부재 표면에 잘 접합하지 못한다.
따라서, 현재 산업계에서는 패키지 부재 상에 금속화 반도체 다이를 부착하기 위한 대안적 부류의 재료를 찾고 있다. 신규한 재료 부류의 원하는 특징은 기존의 증착 및 처리 공정 인프라스트럭쳐의 사용; 높은 열 전도율(>20 W/mK); 안정한 전기 저항, 강건한 접착력, 표준 산업 신뢰성 시험을 포함한 여러 열 변동 과정을 통한 기계적 및 전기적 신뢰성; 조인트 내의 낮은 보이드 부피 및 작은 크기의 보이드; 열팽창계수(CTE) 차이; 기계적 응력 관리; 및 저비용이다.
본 발명의 측면 중 하나에서, 본 발명은 강건한 전기적 및 열적 상호접속이 달성되도록 클립, 리드 프레임, 기판, 인터포저 및 리드와 같은 패키징 부재 상에 금속화 반도체 다이를 부착하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 조성물은 고전력 용도를 위해 반도체 다이의 상호접속에 필요한 특성을 모두 보유하고 선행 기술 조성물의 결점을 해소한 반도체 어셈블리 재료의 신규한 부류이다.
본 발명의 조성물은 페이스트를 형성하기 위해 플럭싱 유기 비이클과 혼합되는 2종 이상의 금속 입자를 사용한다. 2종 이상의 금속 입자는, 금속화 패키징 부재 상의 부착점으로부터, 배치된 조성물의 벌크를 통과하여, 반도체 다이의 금속화 접속점에서 끝나는 야금적으로 상호접속된 연속 망상구조를 형성하도록 특정 공정 온도에서 비가역적으로 반응하도록 선택된다. 본 발명의 플럭싱 비이클(fluxing vehicle)은 금속 입자를 페이스트 형태로 전달하는 역할을 하고, 금속 입자 간의 반응을 촉진하며, 열 처리 중에 거의 휘발되어, 상호접속된 금속 부피 분율이 60% 이상인 조인트를 형성한다. 처리된 조인트 내의 상호접속된 금속의 높은 부피 분율은 솔더에 비교할 만한 높고, 안정하고, 신뢰성 있는 전기적 및 열적 성능으로 이어진다. 최종 조인트 내의 상호접속된 금속의 높은 부피 분율은 또한 처리된 조인트의 기계적 특성을 지배하여, 선행 기술의 금속 충전형 폴리머 조성물의 기계적 열화 문제를 극복한다. 성분 금속 입자의 비용과 공정 요건은 현재의 산업 표준인 솔더 재료에 필적한다.
일 실시형태에서, 본 발명의 조성물은
a) i) 금속 원소 Y를 포함하는 저융점(LMP) 입자 조성물, 및
ii) 공정 온도 T1에서 금속 Y와 반응성인 금속 M을 포함하는 고융점(HMP)을 포함하는 입자 조성물
을 포함하는 무연 금속 입자의 혼합물과,
b) i) 휘발분, 및
ii) 50 wt% 이하의, T1에서 비활성이 되는 비휘발분
을 포함하는 플럭싱 비이클
로서 나타내어질 수 있다.
도 1은 하나의 반도체 다이를 두 개의 패키징 부재에 접속하는 본 발명의 예시적인 용도를 도시한다.
도 2는 제조된 그 상태와 T1에서의 열 처리 후의 본 발명 조성물의 변화를 도시한다.
전술한 일반적 설명과 후술하는 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명을 위한 것으로 청구된 바와 같은 본 발명의 대상을 제한하려는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.
본원에서 사용된 섹션 제목은 조직화를 목적으로 한 것이며 기재된 발명 대상을 한정하려는 것으로 해석되어서는 안 된다. 비제한적으로 특허, 특허 출원, 간행물, 서적 및 논문을 포함한 본 출원에서 인용된 모든 문헌 또는 문헌의 일부분은 임의의 목적을 위해 그 전체가 참고로 본원에 명백히 포함된다. 포함된 문헌 및 동종의 자료 중 하나 이상이 본 출원에서의 해당 용어의 정의와 모순되도록 용어를 정의하는 경우, 본 출원은 조정된다.
특별한 정의가 제공되지 않는다면, 본원에 기재된 재료 과학, 금속학, 금속공학, 전자공학 및 화학과 관련하여 이용된 명명법과, 그러한 학문의 실험 절차 및 기술은 당업계에 공지된 것들이다. 표준 화학 기호는 그러한 기호로 나타내어지는 전체 명칭과 서로 교환하여 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 용어 "주석"과 "Sn"은 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 금속공학, 납땜 기술, 화학 합성, 화학 분석 및 제제화를 위한 표준 기술이 이용될 수 있다.
정의
본 출원에 있어서, 단수 표현의 사용은 복수 표현을 포함하며, 특별히 달리 나타내지 않는다면 "하나의"라는 어구는 "적어도 하나의"를 포함하고, "또는"의 사용은 "및/또는"을 의미한다. 또한, 용어 "포함하는"과 "포함한다" 및 "포함된"과 같은 다른 형태의 사용은 한정적이 아니다. 또한, 특별히 달리 언급하지 않는다면, "부재" 또는 "성분"과 같은 용어는 하나의 단위를 포함하는 부재 또는 성분과 하나보다 많은 단위를 포함하는 부재 또는 성분 모두를 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 달리 나타내지 않는다면, 접속사 "및"은 포괄적인 것이며, 접속사 "또는"은 배타적인 것을 의도하지 않는다. 예를 들어, 어구 "또는, 대안적으로"는 배타적인 것을 의도하지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은 하나의 요소를 사용하는 것을 포함하여 전술한 요소들의 임의의 조합을 의미한다.
또한, 용어 "함유하는"과 "함유한다" 및 "함유된"과 같은 다른 형태의 사용은 "포함하는"으로서 이해되어야 하며 비한정적이다. 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 임의의 용어의 단수 형태는 그것이 사용된 문맥에 따라 복수의 표현을 의미할 수도 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "약" 또는 "대략"은 "약" 또는 "대략"으로서 언급된 수가, 언급된 수 ± 언급된 수의 1∼10%를 포함한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 약 50도는 상황에 따라 45∼55도를 의미하거나 49∼51도와 같이 적은 범위의 값도 의미할 수 있다.
본원에서 사용될 때, "45∼55"와 같은 수치 범위는 주어진 범위 내의 각각의 정수를 의미하며, 예를 들어, "45∼55%"는 그 퍼센티지가 45%, 46% 등, 55%를 포함하여 그 이하까지일 수 있음을 의미한다. 본원에 기재된 범위가 "1.2%∼10.5%"와 같이 소수 값을 포함하는 경우, 그 범위는 주어진 범위로 나타낸 최소 증분의 각각의 소수 값을 의미하며, 예를 들어, "1.2%∼10.5%"는, 그 퍼센티지가 10.5% 이하까지 1.2%, 1.3%, 1.4%, 1.5% 등일 수 있는 한편, "1.20%∼10.50%"는, 그 퍼센티지가 10.50% 이하까지 1.20%, 1.21%, 1.22%, 1.23% 등일 수 있음을 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "실질적으로"는 큰 정도 또는 수준을 의미한다. 예를 들어, "실질적으로 전부"는 일반적으로 약 90% 이상, 주로 약 95% 이상, 종종 99% 이상, 더 일반적으로 약 99.9% 이상을 의미한다.
용어 "합금"은 2종 이상의 금속과 경우에 따라 추가적인 비금속을 함유하는 혼합물을 의미하며, 여기서 상기 합금의 원소들은 용융될 때 함께 융해되거나 서로로 용해된다. 합금 조성물과 관련하여 본원에서 사용되는 표기법은 정방향 슬래쉬("/")로 분리된 IUPAC 기호를 사용하여 2종 이상의 원소를 기재한다. 제공된 경우, 합금 내의 원소의 비율은 합금 내 원소의 중량 퍼센트에 해당하는 아랫첨자로 표시된다. 예를 들어, Sn/Bi는 주석(Sn)과 비스무트(Bi)의 합금을 나타내며, 이들 두 원소는 임의의 비율로 존재할 수 있다. Sn(60)/Bi(40)는 60 중량%의 주석과 40 중량%의 비스무트를 함유하는 주석과 비스무트의 특수한 합금을 나타낸다. 범위가 합금 내의 원소(들)의 중량 퍼센트로 제시될 경우, 그 범위는 해당 원소가 표시된 범위 내의 임의의 양으로 존재할 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, Sn(70-90)/Bi(10-30)는 70 중량%∼90 중량%의 주석과 10 중량%∼30 중량%의 비스무트를 함유하는 합금을 의미한다. 따라서, "Sn(70-90)/Bi(10-30)" 범위에 의해 포함되는 합금은 Sn(70)/Bi(30), Sn(71)/Bi(29), Sn(72)/Bi(28), Sn(73)/Bi(27), Sn(74)/Bi(26), Sn(75)/Bi(25), Sn(76)/Bi(24), Sn(77)/Bi(23), Sn(78)/Bi(22), Sn(79)/Bi(21), Sn(80)/Bi(20), Sn(81)/Bi(19), Sn(82)/Bi(18), Sn(83)/Bi(17), Sn(84)/Bi(16), Sn(85)/Bi(15), Sn(86)/Bi(14), Sn(87)/Bi(13), Sn(88)/Bi(12), Sn(89)/Bi(11), 및 Sn(90)/Bi(10)을 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 또한, Sn(70-90)/Bi(10-30)은, 원소 Sn 및 Bi의 특정 비율이 70 중량%에서 90 중량%까지 변화하는 Sn의 비율과 30 중량%에서 10 중량%까지 역으로 변화하는 Bi의 비율을 포함하여 Sn(70)/Bi(30)에서 Sn(90)/Bi(10)까지 달라질 수 있는 합금을 나타낸다.
용어 "유사 합금(pseudo alloy)"은 용융된 형태일 때 금속 원소들이 서로로 용해되지 않는 금속 원소들의 혼합물을 포함하는 미립자를 의미한다. "유사 합금" 입자는 각각의 입자가 동시 고화된 원소들의 혼합물을 포함하도록 비용액 용융 상태로부터 원소들을 동시 고화시킴으로써 형성한다.
본원에서 사용되는 바와 같이 "플럭스(flux)"는 금속의 융해를 촉진하고, 특히, 금속 산화물의 형성을 없애고 방지하는 데 사용되는 물질, 주로 산 또는 염기를 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같이 용어 "용융 온도" 또는 "융점"은 대기압에서 고체가 액체가 되는 온도(점)을 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같이 용어 "고용융 온도 금속", "고융점 금속" 또는 "HMP 금속"은 약 400℃와 같거나 그보다 높은 용융 온도를 갖는 금속을 말한다. HMP 금속은 Cu, Ag, Pd, Au, Al, Ni, Be, Rh, Co, Fe, Mo, W, Mn 및 Pt를 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 조성물에 사용되는 HMP 금속은 Cu, Ag, Pd, Au, Al, Ni 또는 Pt이며, 가장 흔하게는 HMP 금속은 Cu, Ni 또는 Ag이다.
본원에서 사용되는 바와 같이 용어 "저용융 온도 금속", "저융점 금속" 또는 "LMP 금속"은 약 400℃보다 낮은 용융 온도를 갖는 금속을 말한다. 예시적인 LMP 금속은 Sn, Bi, Zn, Ga, In, Te, Hg, Tl, Sb, Se, Po, Pb, Cd, 및 Po를 이들 금속의 합금으로 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 조성물에 사용되는 LMP 금속은 합금 형태의 Sn, Ga, In 또는 Zn이고, 가장 흔하게는 LMP는 합금 형태의 Sn이다.
용어 "고상선(solidus)"은 특정 물질이 완전히 고체(결정화)가 되는 온도보다 낮은 온도를 말한다. 고상선은 물질의 용융이 시작되지만 반드시 완전히 용융되지는 않은 온도를 정량화하며, 즉, 고상선은 반드시 융점인 것은 아니다. 이러한 차이로, 고상선은 결정이 용융 물질과 공존할 수 있는 최고 온도를 규정하는 "액상선"과 대조를 이룰 수 있다. 액상선 온도보다 높은 온도에서, 물질은 균질하고 평형 상태에서 액체이다. 액상선 온도보다 낮은 온도에서는, 하나 이상의 결정이 형성될 수 있다. 고상선 온도와 액상선 온도는 모든 경우에 일렬로 맞춰지거나 중첩되는 것은 아니다. 고상선 온도와 액상선 온도에 갭이 존재한다면, 이것은 "프리징 범위(freezing range)" 또는 "머쉬 범위(mush range)"라 불리며, 그 갭 내에서, 그 물질은 고상과 액상의 혼합물로 이루어진다.
용어 "공융(eutectic)"은, 구성성분들이 동시에 용융하고 융점이 가능한 한 낮아지게 하는 비율로 구성성분 부분들이 존재하는 혼합물 또는 합금을 말한다. 따라서, 공융 합금 또는 혼합물은 단일 온도에서 고화한다. 공융 혼합물에 있어서, 고상선 온도와 액상선 온도는 동일하며, 즉, 혼합물은 한 온도에서, 즉 공융점에서 완전히 용융한다.
용어 "비공융(non-eutectic)"이란 공융 특성을 갖지 않는 혼합물 또는 합금을 말한다. 따라서, 비공융 합금이 고화할 경우, 그 성분들은 서로 다른 온도에서 고화하고, 전체 조성물은 용융 범위를 나타낸다.
용어 "분말" 또는 "입자" 또는 "미립자"는, 일반적으로 1 나노미터∼100 마이크론 크기 범위인, 분리된 형태의 고화된 금속 성분을 말한다.
용어 "시차 주사 열량측정"("DSC")은 샘플과 기준물의 온도를 증가시키는 데 필요한 열의 양을 차이를 온도의 함수로서 측정하는 열 분석 방법을 말한다. DSC는 금속 및 합금을 사용하여 제제화한 TLPS 페이스트의 반응 시그너처와 합금 입자의 용융 거동을 조사하기 위해 사용된다.
용어 "소결"은 금속 분말 입자의 인접 표면들이 가열에 의해 접합되는 공정을 말한다. "액상 소결"은 고체 분말 입자가 액상과 공존하는 소결 형태를 의미한다. 혼합물의 고밀화 및 균질화는 금속이 서로에 확산되어 새로운 합금 및/또는 금속간 종을 형성함에 따라 일어난다.
"전이 액상 소결(transient liquid phase sintering)" 또는 "TLPS"에 있어서, 액상은 금속이 균질화되어 고체 합금 및/또는 금속간 종의 혼합물이 형성되는 결과로서 단지 짧은 시간 동안 존재한다. 액상은 주변 고체상에서 매우 높은 용해도를 가지므로, 고체로 빠르게 확산하여 최종적으로 고화한다. 확산 균질화에 의해 혼합물을 HMP 금속의 고상선 온도보다 높은 온도로 가열할 필요 없이 최종 조성물이 생성된다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "융해열" 또는 "융해 엔탈피"는 그 온도를 변화시키지 않으면서 물질을 고체 상태에서 액체 상태로 변화시키는 데 필요한 에너지를 말한다. 이것이 일어나는 온도가 융점이다. 따라서, 융해열은 "잠열"인데, 그 이유는 용융되는 동안 열의 도입이 온도 변화로서 관찰되지 않고 온도가 공정 중에 일정하게 유지되기 때문이다.
"솔더(solder)"는 금속 부품을 서로 접합하는 데 사용되고 가공재료(들)보다 낮은 융점을 갖는 가융 금속 합금이다. 솔더는 가열/냉각 사이클을 반복함에 따라 실질적으로 변화하지 않는 특징적인 용융 거동을 갖는다. 솔더는 공융 또는 비공융 합금을 포함할 수 있으나, 조인트가 빠르기 고화하기 때문에 공융 합금이 접합 용도에 바람직하다. TLPS는, TLPS 저용융 온도 합금 중의 반응성 LMP 금속과 상호작용하여 특수한 화학량론적 비율과 최초 TLPS 조성물보다 훨씬 더 높은 용융 온도를 갖는 결정질 금속간 물질을 형성하는 TLPS 조성물 중의 HMP 금속의 존재로 인하여 솔더와는 다르다. 따라서, TLPS 조성물은 일반적으로 최초 공정 온도에서 재용융하지 않는다. 금속간 물질이 접합된 표면(예를 들어, 구리 패드)에서 솔더 내에, 또한 솔더와 부재 사이에 형성될 수 있지만, 이들은 솔더링된 조인트의 적은 비율만(<5%)을 차지한다. 그러므로, 적용된 솔더는 최초 적용 시와 실질적으로 동일한 조건 하에 재용융될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "리플로우(reflow)" 또는 "리플로우 솔더링(reflow soldering)"은 하나 또는 여러 개의 전기 부품을, 예를 들어, 컨택 패드 또는 다른 기판에 부착하는 데 이용되는 공정을 말하며, 여기서, 부착된 부품 또는 기판/컨택 패드의 어셈블리는 솔더가 용융, 유동 및 고화되도록 하여, 패드와 솔더 사이에 영구적인 전기기계적 접합을 형성하기에 충분한 제어된 열에 노출된다.
용어 "연성" 또는 "연성의"는 고체 재료가 인장 응력 하에 변형되는 능력을 말한다. 이것은 일반적으로 재료가 신장되는, 예를 들어, 와이어로 신장되는 능력을 특징으로 한다. 고체 재료의 유사한, 그러나 구별되는 특성은 "전성"이며, 이것은 압축 응력 하에 재료가 변형하는 능력으로서, 재료가 해머링 또는 롤링에 의해 얇은 시트를 형성하는 능력을 특징으로 한다.
"열팽창계수" 또는 "CTE"는 물질의 열역학적 특성을 설명하는 기술 용어이다. CTE는 재료의 선형 치수의 변화에 대한 온도 변화와 관련된다.
TLPS 조성물과 관련하여 본원에서 사용되는 용어 "공정 온도(processing temperature)" 또는 "T1"은 2종의 반응성 금속(예를 들어, Cu 및 Sn)이 금속간 종을 형성하는 온도이다.
용어 "금속간 물질" 또는 "금속간 종"은 그 구성 금속의 구조와는 다른 정해진 구조를 갖는 특정 비율의 2종 이상의 금속 원자로 이루어지는 고체 물질을 말한다.
본 발명의 조성물
본 발명의 조성물은 반도체 다이의 패키징 부재에의 부착에서 연납과 금속 충전형 폴리머의 대용물이다. 본 발명 조성물의 높은 금속 부피 로딩량과 낮은 다공도는 반도체와 금속 패키징 부재 사이의 우수한 기계적, 전기적 및 열적 상호접속 성능을 제공한다.
본 발명에서는, 플럭싱 비이클 중에서 금속 입자와 무연 금속 합금 입자를 혼합한다. 무연 금속 합금 입자 내의 적어도 한 원소는 금속 입자의 금속과 반응성이다. 온도가 무연 금속 합금 입자의 융점으로 상승함에 따라, 무연 금속 합금 입자는 용융하게 된다. 무연 금속 합금 입자와 수용 금속 입자로부터의 반응성 원소(들)의 확산과 반응은 반응물들이 완전히 고갈되어 공정 온도에서 용융상이 더 이상 존재하지 않을 때까지 계속되거나, 혼합물을 냉각시킴으로써 반응을 중단시킨다. 냉각 후, 반응된 물질 내의 금속의 부피 분율은 총 부피의 60%를 초과하고/하거나 반응된 물질 내의 보이드의 총 부피 분율은 10% 미만이다. 반응된 본 발명 조성물의 후속 온도 변동 과정은, 최초 용융 온도보다 높아도, 혼합물의 최초 용융 시그너쳐를 재현하지 않는다.
본 발명의 조성물은 솔더 다이 어태치 재료에 있어서의 큰 보이드와 재용융뿐만 아니라 비교적 적은 금속 로딩 비율(%)을 갖는 패시브 로딩 전도성 접착제 조성물로부터의 불량한 열 성능의 문제를 극복하는 한편, 또한 인기있는 표면 마감재와의 화합성과 통상적인 제조 스킴에 대한 순응성을 제공한다. 본 발명의 조성물에서는, 금속 입자를 무연 솔더 페이스트 조성물과 블렌딩하여, 열 처리 후 순 금속 함량이 60 부피%를 초과하도록 플럭싱 비이클 용매로 희석한다. 본 발명의 조성물은 디스펜싱 및 스텐실 인쇄와 같은 통상의 산업적 방법에 의한 도포를 용이하게 하기 위해 페이스트 점조도로 제조될 수 있다. 페이스트가 도포되고 반도체 및 패키징 부재(들)가 원하는 구성으로 어셈블링되면, 그 어셈블리는 제어된 온도 상승 또는 하강(thermal ramp) 및 환경 조건 하에 열 변동에 적용된다. 이러한 열 처리 동안, 플럭싱 비이클 중의 휘발분은 서서히 증발하고, 무연 금속 합금 입자는 용융하고, 용융된 합금 중의 LMP 금속 Y는 금속 원소 M의 인접 표면 내로 확산하고 반응하여 고용융 합금을 형성한다. 남아있는 플럭싱 비이클과 입자 사이 간극을 채우는 플럭스 화학물질은 열경화하여 화학적으로 비활성 상태가 된다. 얻어진 조성물은 야금적으로 상호접속된 금속을 약 60 부피% 이상 포함한다.
본 발명 조성물은, 무연 합금 입자 내의 LMP 금속(예를 들어, 주석)의, 반도체 다이, 패키지 부재(들) 및 금속 입자의 솔더링 가능한 표면으로의 상호 확산에 의해 형성된 야금적으로 상호접속된 통로의 큰 부피 로딩량으로부터 기계적 강도와 열적 및 전기적 성능이 얻어지기 때문에, 종래의 금속 충전형 접착제보다 우수하다. 종래의 입자 충전형 접착제의 경우, 부피 금속 로딩량이 폴리머 접착제의 기계적 건전성을 유지하기 위한 필요에 의해 제한된다.
본 발명 조성물은, 본 발명 조성물이 무연이고, 모듈 또는 인쇄 회로 기판으로의 부품 어셈블리 동안 후속 솔더 리플로우 프로파일에 노출될 때 재용융하지 않기 때문에, 종래의 유연 및 무연 솔더에 비해 우수하다.
본 발명 조성물은, 본 발명 조성물이, 높은 열적 및 전기적 성능을 위한 매우 적은 보이드 부피와 큰 부피의 조밀하게 상호접속된 금속 등의, 전력 반도체 어태치의 특유의 도전과제를 충족하도록 특수하게 설계되었다는 점에서 선행 기술 조성물과 다르다. 첫째, 낮은 보이드 비율(%)은 정해진 열 처리 방식에 대한 플럭스 비이클의 휘발분의 제어된 휘발의 함수이다. 또한, 상호접속된 금속의 높은 부피 분율은 플럭싱 비이클의 비휘발분을 최소화하고 무연 금속 합금 입자와 금속 입자 간의 비를 최적화함으로써 얻어진다. 마지막으로, 본 발명 조성물 중의 금속 분말의 입자 크기는 다이 어태치 분야를 위한 접합 제어 개선 및 도포 용이성을 제공하도록 선택되었다.
가장 간단하게 설명하면, 본 발명의 반도체 다이 어태치 조성물은 금속 분말과 플럭싱 비이클의 조성물로서, 반응하면, 60% 이상의 금속(합금 + 금속 분말) 부피 분율 및/또는 10% 미만의 보이드 부피 분율을 포함하는 야금적으로 상호접속된 망상구조를 형성하는 조성물이다. 상기 조성물은
a. i. 30∼70 중량%(wt%)의, 1종 이상의 저융점(LMP) 금속 Y를 포함하는 무연 LMP 입자 조성물, 및
ii. 25∼70 wt%의, 공정 온도 T1에서 1종 이상의 LMP 금속 Y와 반응성인 1종 이상의 금속 원소 M을 포함하는 고융점(HMP) 입자 조성물
을 포함하는, 80∼99 wt%의 금속 입자의 혼합물로서, Y의 wt%에 대한 M의 wt%의 비가 1.0 이상인 금속 입자의 혼합물과,
b. 0∼30 wt%의 금속 분말 첨가제 A와,
c. i. 휘발분, 및
ii. 50 wt% 이하의, T1에서 비활성이 되는 비휘발분, 바람직하게는 카복실산, 페놀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 T1에서 비활성이 되는 비휘발분
을 포함하는 플럭싱 비이클
을 포함한다.
본 발명을 실시할 때, 무연 금속 합금 입자, 금속 분말 및 플럭싱 비이클을 함께 혼합하여 인쇄 가능한 또는 디스펜스 가능한 페이스트를 형성할 수 있다. 일반적으로, 무연 금속 합금과 금속 입자의 혼합물은 조성물의 약 80 중량% 이상, 또는 약 85 중량% 이상부터 약 90 중량% 이하, 또는 약 95 중량% 이하, 또는 약 99 중량% 이하로 존재한다. 일반적으로, 무연 금속 합금 분말은 혼합물의 약 20 중량% 이상, 또는 약 30 중량% 이상부터 약 50 중량% 이하, 또는 약 60 중량% 이하, 또는 약 70 중량% 이하로 존재한다. 일반적으로, 금속 분말은 혼합물의 약 30 중량% 이상, 또는 약 40 중량% 이상부터 약 70 중량% 이하, 또는 약 80 중량% 이하로 존재한다. 일반적으로, 플럭싱 비이클은 조성물의 약 20 중량% 이하, 또는 약 10 중량% 이하, 또는 약 5 중량% 이하로 존재하며, 그 중 플럭싱 비이클의 약 50 중량%, 또는 약 25 중량%, 또는 약 10 중량%, 또는 약 5 중량% 이하가 비휘발성이다. 일반적으로, 조성물 중의 Y의 중량%에 대한 M의 중량%의 비는 약 1.0 이상, 또는 약 1.3 이상, 또는 약 1.5 이상이다.
본 발명의 조성물은 클립, 리드 프레임 또는 다른 기판과 같은 반도체 패키징 부재에 반도체 칩의 상면 및/또는 배면을 접속하는 데 유익하게 이용될 수 있다. 본 발명의 조성물은, 반도체 칩과 패키징 부재 사이의 열 전달 및/또는 전기적 접속을 촉진하기 위해 반도체 칩 및 패키징 부재(들)의 상면 및/또는 배면 둘 다가 땜질 가능한 표면으로 금속화되어 있는 어셈블리를 형성하는 데 가장 유익하게 사용된다. 이러한 구성으로 인해 본 발명의 조성물은, 반도체 다이 상의 금속화로부터 조인트의 벌크를 통과하여 패키지 부재의 금속화에 이르는 야금적으로 상호접속된 연속 통로를 형성할 수 있다.
본 발명의 조성물은 페이스트형이거나 필름으로 전환될 수 있다. 본 발명의 조성물은, 반도체 칩 표면, 패키징 부재 표면 또는 반도체 칩 및 패키징 부재가 나중에 부착될 수 있는 임시 캐리어 상에 스크린 또는 스텐실 인쇄되거나, 디스펜싱되거나, 분사되거나, 픽 앤 플레이스(pick-and-place)되거나, 적층되거나 하여 패턴화된 침적물을 형성할 수 있다. 플럭스 비이클 조성물 중에 존재하는 휘발분은 b-스테이징 프로세스 또는 피크 온도 T1으로의 온도 상승 중에 휘발된다. T1은 무연 금속 합금 입자의 용융 온도와 같거나 그보다 높다. 솔더 리플로우에서, 피크 리플로우 온도는 일반적으로, 모든 입자가 용융되어 유체가 되도록 무연 금속 합금 입자의 용융 온도보다 5∼50℃ 높게 선택된다. 이러한 피크 온도는 또한 본 발명의 조성물에 있어서 적절하지만, 원하는 적은 부피%의 보이드가 얻어지도록 휘발분의 휘발이 일어나게 하고 상호확산된 야금 구조를 발달시키기 위해 총 공정 사이클 시간이 더 길어질 필요가 있을 수 있다.
본 발명 조성물의 열 변동 처리 공정에서, 무연 금속 합금 입자의 LMP 금속(즉, 주석)은 조성물 내의 남아있는 금속 입자와의 상호확산을 겪어, 리플로우 공정 온도보다 매우 높은 용융 온도를 갖는 새로운 합금 조성물을 비가역적으로 형성한다. 이러한 특징으로 인해 본 발명의 조성물은, 패키징된 부품이 회로 기판에 어셈블링될 때 후속 리플로우 공정 중에 재용융되지 않으면서 패키징된 부품으로 반도체 다이를 부착하는 데 사용될 수 있다.
무연 금속 합금 입자는 또한 금속 입자와 비반응성인 원소를 포함할 수 있다. 반응성 원소와 함께 합금화될 수 있는 전형적인 원소는 Bi, Ag, Cu, Sb, Au 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 추가적인 비반응성 원소는 특정 공정 온도에 도달하기 위해, 또는 구리와 같은 바람직한 금속 표면으로의 습윤을 개선하거나, 열 처리 조성물의 기계적 특성을 조작하기 위해 도입된다. 특정 합금 원소는 낮은 공정 온도를 제공하는 것 등 한 측면에서는 유익하지만, 특정 표면 마감재로의 습윤 및 부착 등의 다른 측면에서는 불리할 수 있다. 그러므로 특정 합금 원소는 해당 용도의 특정 요건에 특이적이다.
반도체 다이와 패키지 부재 사이의 완성된 조인트 내의 보이드의 존재는 열적 성능에 일반적으로 불리하고, 기계적 결함의 시작점을 만들 수 있다. 본 발명의 조성물은 솔더에 통상적으로 사용되는 열적 프로파일과 유사한 방식으로 또는 전도성 접착제와 일치하는 방식으로 처리될 수 있다. 사용되는 열적 프로파일은 반응된 조성물 내의 보이드의 총 부피를 약 10% 미만, 또는 약 5% 미만으로 제한하도록 선택되어야 한다. 프로파일의 피크 온도로부터 실온까지의 냉각 속도는, 열 충격으로 인한 반도체 칩의 손상을 방지하도록 선택되어야 하며, 예를 들어, 초당 약 6℃ 미만, 또는 분당 약 2.17℃∼약 3.25℃이다. 최적 냉각 속도는 이용되는 처리 공정의 유형(예를 들어, 리플로우형 공정보다 접착제형 공정에서 훨씬 더 느림)과 특정 반도체 다이 및 패키지 형태 요인에 따라 달라질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
TLPS 조성물의 열경화 특성
본 발명의 조성물은, TLPS 조성물이 전자 부품을 접속하기 위해 온도 T1에서 처리될 수 있고, 그렇게 처리된 접속은 온도 T1 및 심지어 더 높은 온도로 후속 가열 시 안정하다는 관찰에 기초한 것이다. 다시 말해서, 야금적으로 처리되면, TLPS 조성물은 그 처리 온도보다 높게 가열하여도 용융하지 않는다. 따라서, TLPS 조성물은 "열가소성"이 아니라 "열경화성"처럼 거동한다.
당업자라면, "열경화성 물질"은 열이 가해지면 비가역적으로 "경화"하여 불용성의 단단해진 형태가 되는 한편, "열가소성 물질"은 가열되면 용융하고, 충분히 냉각되면 고화하며, 재용융과 재고화를 반복할 수 있다는 것을 알 것이다. 이러한 용어는 폴리머 접착제를 설명하는 데 일반적으로 사용되지만, 본원에서는, 예를 들어, 전자 부품과 다른 금속 부재를 접속하는 데 사용되는 야금적 조성물을 설명하기 위해 사용된다.
통상적인 금속 솔더는 "열가소성"인 것으로 특징지어질 수 있다. 솔더는 용융되어 금속 부품을 서로 연결하고 냉각 시 고화하여 이들 부품을 제자리에 유지하지만, 나중에 재가열되면, 솔더는 재용융한다. 이와는 달리, TLPS 조성물은 열경화성 물질처럼 거동한다. TLPS 조성물은, 가열되면, 금속 부품을 서로 연결하도록 충분히 용융하며, 냉각 시 고화하여 이들 부품을 제자리에 유지한다. 그러나, 용융 과정 중에, TLPS 조성물은 "경화"로 간주될 수 있는 비가역적인 야금적 변화를 겪고, 그 결과 "경화된" 또는 처리된 TLPS 조성물은 재가열 시 용융하지 않는다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 저융점(LMP) 무연 금속 합금을 함유하는 종래의 솔더 페이스트를 반응성 금속 입자와 함께, 솔더가 전형적인 솔더 리플로우 사이클 중에 비가역적으로 "경화"하는 "열경화성" 형태로 전환되도록 하는 비율로 혼합한다. 이러한 "열경화성" 거동에 의해 최초의 리플로우 온도에서 용융하지 않기 때문에 동일한 리플로우 온도에서의 2차 어셈블리 사이클뿐만 아니라 높은 작동 온도 적용 분야에도 적합한 조인트가 형성된다.
종래의 솔더 리플로우에서, 리플로우 온도는 일반적으로 모든 입자가 용융되어 유체가 되는 것을 확실히 하기 위해 솔더 페이스트의 용융 온도보다 5∼50℃ 높게 선택된다. 전자 부품의 부착에 본 발명의 조성물이 솔더 페이트스 대신에 사용될 경우, 표준 솔더 리플로우 관행을 따를 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 고융점 금속 M과 1종 이상의 LMP 금속 Y는, 일시적 액상 소결 반응의 생성물이 목적하는 용도를 위한 특징의 최적의 조합을 갖도록 선택된다. M의 선택을 위해 고려될 수 있는 주요 특징은 열적으로 안정한 저항, 연성, 높은 전기 및 열 전도율, 주변 재료와 비슷한 열팽창계수 및 특수한 상황에서 요구될 수 있는 다른 특징들과 같은 특성들을 포함한다.
본 발명의 조성물은 솔더 리플로우 조건 하에 열경화 반응을 겪어, 모두 그 용융 온도가, 초기 무연 금속 합금 입자 용융 온도보다 훨씬 더 높고 리플로우 공정 온도보다 매우 높은 결정질 금속간 물질과 합금 생성물의 혼합물(즉, TLPS 반응 중에 형성된 새로운 합금)을 형성한다. TLPS 공정 중에 형성된 합금 생성물은 LMP 금속 입자와 HMP 금속 입자의 최초의 혼합물과 크게 다른 조성을 갖는다. 이 반응은 비가역적이며, 처리된 조성물은 후속 고온 노출 시에 유의적으로 용융하지 않는다. 이러한 특징으로 인해 본 발명의 조성물은 후속 리플로우 공정 중에 재용융하지 않으면서 전자 부품의 표준 리플로우 부착에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 조성물은, 납이나, 금과 같은 비싼 원소나, 희귀한 합금을 사용하지 않고, 표준 산업 솔더 리플로우 조건 하에, 스텝 솔더링 공정과 고온 작동 전자 어셈블리의 제조를 가능하게 한다.
본 발명의 조성물을 사용하여 솔더 리플로우 중에 형성된 결정질 금속간 물질은, 그레인 크기를 한정하는 다중도로, 고정된 원소 비율 및 구조의 단위 셀을 포함한다. 결정질 금속간 물질은 강하지만 부러지기 쉬운 물질이다. 금속간 물질이 표준 솔더 페이스트와 부품 부착 패드 사이의 계면에 형성될 경우, 일반적으로 그 패드와 벌크 솔더와의 층상 계면을 갖는 큰 그레인이 성장한다. 이러한 층상 계면은 균열 형성과 전파에 취약하다. 그러나, 본 발명의 조성물이 사용될 경우, 반응성 금속 분말이 핵이 되어, 큰 다중도의 작은 무질서한 그레인을 서로 다른 배향으로 형성한다. 이러한 다중도의 그레인의 성장은 각 입자 내의 반응성 금속의 부피에 의해 제한된다. 각각의 그레인의 무작위 배향은 작은 그레인들이 소수의 큰 그레인으로 병합하는 것을 막는다. 작고 무질서한 그레인의 이러한 다중도는, 소수의 큰 그레인처럼 층상 계면을 따른 균열 전파에 취약하지 않은 강한 조인트의 형성을 촉진한다.
일반적으로, 무연 금속 합금 입자의 용융 온도에서의 본 발명의 조성물의 융해열은 초기 솔더 리플로우 공정 중에 적어도 70% 감소한다. 초기 공정 중에, TLPS 조성물은 무연 금속 합금 입자의 용융 온도에서 최고인 유의적인 융해열을 나타낸다. 처리 후, 무연 금속 합금의 용융 온도로 재가열될 때의 융해열은 전체 조성물 내의 비율에 대해 정규화되어도 크게 감소한다.
온도 변화 없이 1 그램의 물질을 고체 상태에서 액체 상태로 바꾸는 데 필요한 에너지를 융해열이라 부른다. 임의의 물질의 융해열은 그 물질에 특이적이다. TLPS 조성물 내의 LMP 금속의 융해열의 표현은 전체 조성물 중의 LMP 금속의 비율에 따라 달라진다. M과 Y가 반응하여 금속간 종을 형성함으로 인한, 처리 후의 임의의 주어진 TLPS 조성물 중의 LMP 금속상의 고갈은, 비처리 조성물 샘플의 융해열을 T1에서 처리된 것의 융해열과 비교함으로써 결정할 수 있다. 비처리 조성물 중의 LMP 금속의 융해열은 Y와 M의 TLPS 반응과 관련된 격렬한 에너지 방출에 의해 마스킹될 수 있기 때문에, 순수한 LMP 금속의 융해열을 이용하고, 그 후 이 값을 조성물 중의 LMP 금속의 중량 백분율에 대해 정규화하여 비처리 TLPS 조성물에 대한 값을 얻는 것이 종종 유용하다.
고융점 금속
HMP 금속(M)은 Cu, Ag, Pd, Au, Al, Ni, Be, Rh, Co, Fe, Mo, W, Mn 및 Pt를 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 일반적으로, 본 발명의 조성물에 사용되는 HMP 금속은 Cu, Ag, Pd, Au, Al, Ni 또는 Pt이고, 가장 흔하게는 HMP 금속은 Cu, Ni 또는 Ag이다. M을 포함하는 HMP 입자는 실질적으로 원소 M이거나, 다른 원소와 합금화된 M이거나, 비금속 또는 다른 코어 입자 상에 코팅된 M이거나, 다른 원소, 무기 코팅 또는 유기 코팅으로 그 자체가 코팅된 M일 수 있다. 최적의 특성을 갖는 TLPS 반응 생성물을 얻기 위해 복수의 HMP 금속의 사용이 고려된다. 예를 들어, 몇몇 적용예에 있어서, 처리된 조성물의 기계적 강도가 전기 전도율보다 덜 중요할 수 있고, 또는 열 전도율이 연성보다 더 중요할 수 있다. 종종 한 특성을 최적화하기 위해 다른 특성을 손상시킬 필요가 있기 때문에, 당업계에 잘 알려진 원소의 특성에 따라 목적하는 용도에서의 최적 성능을 제공할 수 있도록 개개의 성분들을 선택할 수 있다. 은, 금, 팔라듐, 니켈 및 알루미늄이 단독으로 또는 구리와의 조합을 비롯한 다양한 조합으로 본 발명의 조성물 및 방법에 사용하는 것이 특히 고려된다.
본 발명에 있어서, Cu가 (M)에 바람직한 원소이지만, 용도에 따라 다른 금속도 고려된다. 저 CTE 또는 복합체 모듈러스와 같은 최적 특성을 갖는 무연 솔더와의 금속 반응 생성물을 얻기 위해, 구리와 함께 추가적인 고융점 금속을 사용하는 것도 고려된다. 또한, Ag, Au, Pd, Ni, Al, Fe, Mn, Mo, 및 W가 주요 또는 합금 금속 원소로서의 사용에 특히 고려된다.
저융점 금속
이상적으로는, 전자 산업에서 사용되는 기존의 무연 솔더 리플로우 공정을 대체하기 위해, 본 발명의 TLPS 조성물에 사용되는 LMP 금속은 무연 솔더 페이스트의 제조에 통상적으로 사용되는 것이다. 예시적인 LMP 솔더 페이스트 합금(Y/X)은 Sn/Ag/Cu, Sn/Cu, Sn/Ag, Sn/Sb, Sn/In, Sn/Bi, Sn/Bi/Ag를 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 상업적으로 이용 가능한 합금을 사용하는 것이 유익하지만, 본 발명은 임의의 적절한 합금을 사용하여 실시될 수 있다. 구성성분들의 정확한 비율은 달라질 수 있으며, 주문제작 합금도 본 발명에 고려된다. 무연 금속 합금 입자와 관련하여 "Y/X"라는 표시에서, "X"는 Y와 합금을 형성하는 1종 이상의 금속을 나타낸다. 본 발명의 몇몇 실시형태에서, X는 1종, 2종, 3종 또는 그 이상의 합금 금속을 나타낸다. 예를 들어, 본원에서 Y/X는, Y가 주석이고, X가 단일 금속인 Y의 다양한 합금, 예를 들어, 구리(Sn/Cu), 은(Sn/Ag), 안티몬(Sn/Sb), 인듐(Sn/ln), 및 비스무트(Sn/Bi)를 나타내기 위해 사용된다. Y/X는 또한 Y가 주석이고 X가 2종의 금속, 예컨대 은과 구리(Sn/Ag/Cu; 예를 들어, SAC), 및 은과 비스무트(Sn/Bi/Ag)인 다양한 합금을 나타내기 위해 사용된다.
LMP 무연 금속 합금의 예시적인 반응성 원소(Y)는 단독 또는 (X)와의 합금 형태의 하기 금속: Sn, Zn, Ga, In을 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 조성물에서 Y는 Sn 또는 In이고, 가장 흔하게는 Y는 합금 형태 Y/X의 Sn이다. 본 발명의 특정 실시형태에서, 반응성 금속 Y는 Sn이고, 이것은 저용융 온도 합금 Y/X 형태로 존재하며, 반응성 HMP 금속 M은 Cu, Ni 또는 Ag이다. 본 발명의 일 실시형태에서, Y/X는 SAC(Sn/Ag/Cu)이고, M은 Cu이다.
금속 첨가제
본 발명의 측면들은, 금속 첨가제의 함유가 연성 등의 처리된 TLPS 조성물의 특성을 개선할 수 있다는 관찰에 기초한 것이다. 따라서, 유익한 금속 첨가제(A)가 TLPS 야금 공정에 상기에 기재한 주금속 M 및 Y 또는 합금 분말 Y/X 성분을 갖는 첨가제 원소 또는 합금 분말의 블렌딩을 통해 도입된다. 그러한 금속 첨가제 A는, 본래 반응성인 성분으로서 또는 반응성 금속 원소에 의해 코팅, 합금화 또는 유사 합금화됨으로써 반응성이 된 성분으로서 본 발명의 야금 공정에 사용된다. 첨가제 금속은 Cu, Ag, In, Pd, Au, Ni, Ce 및 Pt를 포함한다. Be, Rh, Co, Fe, Mo, W, 및 Mn과 같은 다른 금속도 M 또는 Y와 반응할 수 있는 금속과 합금화되거나 유사 합금화되거나 또는 그것으로 코팅된다면 첨가제로서 고려된다.
첨가제 금속 입자 A의 주요 목적은, 본 발명의 TLPS 조성물의 처리 시, M과 N의 반응에 의해 형성된 결정질 금속간 반응 생성물의 매트릭스 내에 연성 상을 제공하는 것이다. 전체 조성물의 연성을 효과적으로 개선하기 위해서는, 첨가제 입자 A가 매트릭스 내로 야금적으로 접합되어야 한다. A가 매트릭스 내로 접합되지 않는다면, 취성의 결정질 상(예를 들어, 금속간 물질)을 통해 형성되어 전파되는 균열이, 보다 연성인 상의 이익을 얻는 게 아니라, 연성 첨가제 입자 A를 피할 뿐이다. 그러나, 첨가제 입자 A가 매트릭스에 접합될 경우, 첨가제 연성 상에 의해 부여된 증가된 연성이 균열 전파를 중재하여, 조인트가 증가된 기계적 변형을 견딜 수 있게 한다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 리플로우 후 본 발명 조성물의 부분적 재용융은, 예를 들어, 2차 리플로우 공정 시 TLPS 조인트에 기계적 부하가 거의 없는 경우, 유해하지 않다. 그러한 적용예에서, 과잉 원소 Y 또는 합금 Y/X가 도입되어 연성 상을 제공할 수 있다. 연성은 LMP 합금 Y/X에서 Y와 합금화되는 원소에 의해서도 부여될 수 있으며, 이로써 Y가 M과의 반응에 의해 고갈될 때 연성 상 X가 이용될 수 있게 된다.
과잉의 원소 Y 또는 합금 Y/X 이외의 연성 상의 도입이 바람직한 경우, 적어도 2개의 도입 수단이 존재한다. 첫 번째 방법은 하나 이상의 HMP 금속(들)을 이봉 입도 분포(즉, HMP 금속을 포함하는 작은 입자와 큰 입자)로 도입하는 것이다. 더 작은 HMP 금속 입자는 Y와 반응하는 HMP 금속 M TLPS 반응물로서의 역할을 하는 한편, 더 큰 HMP 금속 입자는 너무 커서 금속간 종으로 효과적으로 전환될 수 없다. 따라서, 금속 첨가제 A로서 기능하는 더 큰 입도의 HMP 금속은 입자 표면 상에서만 반응하는 반면, 벌크는 미반응의 연성 금속으로서 남아있다. 두 크기의 HMP 금속 입자는 동일한 또는 상이한 HMP 금속일 수 있다.
연성 상을 생성하기 위한 두 번째 방법은, Y 또는 M과 반응성은 아니지만 금속 첨가제 A 입자로서의 반응성 금속으로 코팅되거나 그와 합금화 또는 유사 합금화된 연성 재료를 본 발명의 조성물 내로 도입하는 것이다. 이러한 대안법에서, 코팅되거나 합금화 또는 유사 합금화된 반응성 금속은 반응하여 매트릭스 내로 야금적으로 도입되어 연성 재료를 온전하게 두어 연성 상을 형성한다.
첨가제 A의 전술한 도입법은 또한 열팽창계수 등의 처리된 조성물의 다른 특성들을 제어하기 위해서 이용될 수 있다.
입자 크기, 형상 및 비
고융점 금속 M, 금속 Y 또는 합금 Y/X, 및 임의적인 금속 첨가제 A를 입자(예를 들어, 분말)로서 조성물 내로 도입한다. 입자는 구형, 불규칙형, 플레이크형, 스폰지형, 막대형, 및 당업자에게 알려진 다른 형태일 수 있다. HMP 금속 M의 입자는 실질적으로 원소이거나, 다른 원소와 합금화된 것이거나, 비금속 또는 다른 코어 입자 상에 코팅으로서 침적된 것이거나, 다른 원소, 무기 코팅 또는 유기 코팅에 의해 그 자체가 코팅된 것일 수 있다. 마찬가지로, LMP 금속 Y 또는 Y/X를 포함하는 합금은 금속 원소 X와 반응성 LMP 금속 원소 Y만으로 이루어진 이원 합금이거나, 다른 성분과 합금화된 것이거나, 비금속 또는 다른 코어 입자 상에 코팅으로서 침적된 것이거나, 다른 원소, 무기 코팅 또는 유기 코팅에 의해 그 자체가 코팅된 것일 수 있다.
본 발명의 조성물의 중요한 특징은, 입자 크기 분포가 제어됨으로써, 조성물이 반도체 다이의 평면과 접합 표면 사이에 얇고 일관된 접합선을 형성하기에 적합하게 된다는 것이다. HMP 금속 M, 및 LMP 금속 Y 또는 합금 Y/X의 분말과 같은 입자는 일반적으로 공칭 직경이 약 0.1　㎛ 이상 약 100　㎛ 이하이다. 보다 일반적으로, 금속 분말은 공칭 직경이 1 ㎛∼50 ㎛이다.
몇몇 실시형태에서, 약 1 nm∼약 100 ㎛, 약 10 nm∼약 100 ㎛, 약 100 nm∼약 75 ㎛, 약 1 ㎛ 이상 약 75 ㎛ 이하, 및 약 1 ㎛∼약 50 ㎛ 범위의 입자를 포함하는 입자 혼합물과 다양한 입자 크기를 포함하여 두 가지 이상의 크기의 입자가 TLPS 조성물 중에 존재한다. 몇몇 경우, 본 발명의 TLPS 조성물이 디스펜싱, 잉크젯 분사 등과 같은 침적 기법에 적합하게 하기 위해, 일반적으로 가혹한 체거름(hard sieving)을 통해 얻어지는 입자 크기 분포의 엄격한 제어가 이용될 수 있다. 일반적으로, HMP 금속 M, LMP 금속 Y 또는 합금 Y/X, 및 금속 첨가제 A의 평균 입자 크기는 1∼50 마이크론이고; 가장 흔하게는 5∼20 마이크론 범위이다.
고온 솔더/TLPS 조성물의 제조 방법
본 발명은 또한 미립자 형태의 1종 이상의 HMP 금속 M; 미립자 형태의 1종 이상의 LMP 금속 합금 Y/X; 경우에 따라, 미립자 형태의 금속 첨가제 A; 및 플럭싱 비이클을 제공하고; 입자들과 플럭싱 비이클을 조성물의 총 중량을 기준으로 기재된 비율로 혼합함으로써 본원에 기재된 TLPS 조성물을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한
1. 미립자 형태의 1종 이상의 HMP 금속 M, 미립자 형태의 1종 이상의 LMP 금속 Y 및/또는 합금 Y/X, 플럭싱 비이클, 및 미립자 형태의 1종 이상의 금속 첨가제 A를 제공하는 단계; 및
2. 입자들과 플럭싱 비이클을 조성물의 총 중량을 기준으로 기재된 비율로 혼합하는 단계
를 포함하는, 본원에 개시된 TLPS 조성물의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 조성물에 고려되는 합금은 일반적으로 상업적으로 입수 가능하다.
입자 코팅
각각 M 및 Y를 포함하는 제1 입자와 제2 입자 중 어느 하나 또는 둘 다 및/또는 금속 분말 첨가제 A 상에 코팅이 존재할 수 있다. 사용될 수 있는 것으로 고려되는 코팅은 금속, 무기 코팅, 유기 코팅 및 유기금속 코팅을 포함한다. 예를 들어, 처리된 금속 매트릭스의 특성을 바꾸고, 입자의 산화를 방지하고, 유기 성분과의 금속 또는 금속 산화물의 조기 반응을 방지하고, 매트릭스 내에서의 입자의 분산을 촉진하고, 입자를 현탁 상태로 유지하고, 조성물에 윤활성을 부여하고, 입자의 응집을 방지하는 것 등을 목적으로 본 발명의 TLPS 조성물로 추가적인 금속 원소를 도입하기 위해, 코팅을 갖는 입자의 제조가 이용될 수 있다. 코팅의 존재와 유형의 구체적인 선택은 TLPS 조성물에 고려되는 용도, 침적법 및 플럭싱 비이클의 화학적 특성에 따라 달라지며, 이들 모두는 당업자가 알고 있는 범위 내이다. 금속(예컨대 주석 및 은), 자기 조립형 포스포네이트 단층과 같은 인 함유 모이어티, 포화 및 불포화 지방산, 무기 및 유기 금속염, 금속 알콕시드, 트리아졸 및 폴리아닐린은 모두 본 발명에 따른 유용한 코팅의 성분으로서 특히 고려된다.
플럭싱 비이클
본 발명 조성물을 위한 플럭싱 비이클은 금속 입자의 캐리어로서 작용하여, 도포가 용이하도록 혼합물을 뭉치게 하고 다양한 입자들을 서로 가까이 유지시키는 역할을 한다. 플럭싱 비이클은 또한, 유기 반응에서 용매가 하는 것처럼, 금속 반응물들이 반응에 이용될 수 있게 하고 환경으로부터 그들을 보호하는 역할을 한다. 몇 가지 요인이 유기 반응을 위한 적절한 용매의 선택을 결정한다(예를 들어, 극성, 양성자성 또는 비양성자성, 수혼화성 등). 마찬가지로, 본 발명의 조성물 중의 플럭싱 비이클은 해당 특징에 맞게 선택된다. 플럭싱 비이클의 가장 중요한 특징은 금속 반응물이 반응에 이용될 수 있도록 금속 반응물의 표면으로부터 금속 산화물을 제거해야 한다는 것이다. 금속 산화물의 제거를 "플럭싱(fluxing)"이라 하며, 이것은 유기산과 강염기를 비롯한 당업자에게 공지된 다양한 화학종에 의해 수행될 수 있다.
유용한 페이스트 점조도를 얻는 한편 또한 최대 금속 함량을 갖는 조인트를 얻기 위해서는, 플럭싱 비이클은 1종 이상의 휘발성 성분을 포함한다. 휘발성 성분은 플럭싱제로서의 역할을 하는 활성종이거나 용매와 같은 화학적으로 비활성인 물질일 수 있다. 본 발명 조성물의 열 처리 시, 휘발성 성분은 제어된 램프 및 피크 온도 조건에서 서서히 증발하여, 열 처리된 조인트에는 보이드 공간이 거의 만들어지지 않는다.
플럭싱 비이클은, TLPS 조성물이 처리 공정 전에 원하는 대로 형상을 가질 수 있도록 열가소성 폴리머 재료를 포함할 수 있고, 처리 공정 중에 금속 망상구조 사이에 배치된 침적물을 형성하도록 반응하는 폴리머 전구체 및/또는 다른 화합물 및 용매를 포함할 수 있다.
본 발명의 TLPS 조성물의 적용 분야
본 발명의 TLPS 조성물로부터 형성된 야금적 망상구조는 전기적 구조체 내의 전기적, 열적 및/또는 기계적 접속 부재에 유용하다. 본 발명은, 스텝 솔더링, 다운홀, 오일 드릴링, 전자 제어, 자동차 언더후드, 스마트-그리드 보급 및 항공우주 산업분야를 들 수 있으나 이들에 한정되지 않는 높은 작동 온도에 노출될 수 있는 적용분야에서 다양한 전자 부품을 접속하기 위한 조성물을 제공한다.
본 발명의 조성물이 사용될 수 있는 예시적인 적용예는 반도체 다이의 패키징 부재에의 접속, 적층형 다이 사이에 접속부를 형성하는 것 등을 포함한다.
본 발명의 조성물은 리드, 회로 기판, 리드 프레임, 클립, 인터포저, 추가 다이 또는 다른 기판에 금속화 반도체 다이를 접속하는 데 유익하게 사용될 수 있다. 본 발명의 조성물은, 그렇게 접속된 어셈블리가 다른 솔더 리플로우를 필요로 하는 후속 어셈블리 공정에 적용되고/되거나 그 어셈블리가 가혹한 작동 환경에서 사용될 때의 반도체 다이를 접속하는 데 가장 유익하게 사용된다.
상기에 기재된 조성물은 니들 디스펜싱, 스텐실 인쇄, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 라미네이션, 압출, 캐스트 성형, 분무, 또는 나중에 전자 부품이 부착될 수 있는 패턴화된 침적물을 형성하는 방법과 같은 당업자에게 공지된 다른 방법을 들 수 있으나 이들에 한정되지 않는 다양한 기법을 이용하여 도포할 수 있다. 상기 조성물은, 도포되면, 오븐에서, 리플로우 퍼니스에서, 핫 플레이트 상에서, 라미네이션 프레스에서, 또는 솔더 또는 금속 충전형 유기 접착제의 처리에 통상적으로 이용되는 다른 방법에 의해 열 처리된다. 구체적인 열 처리 조건은 도포법뿐만 아니라 금속 시스템 및 임의의 유기 결합제 성분의 선택에 따라 달라진다.
침적 후, 반도체 다이 또는 패키징 부재를 침적된 본 발명 조성물과 접촉시켜 어셈블리를 형성한다. 그 후, 본 발명의 조성물을 오븐에서, 리플로우 퍼니스에서, 열압착 장치에서, 핫 플레이트 상에서, 라미네이션 프레스에서, 또는 솔더 또는 충전형 유기 접착제의 처리에 통상적으로 이용되는 방법과 같은 임의의 다른 이용 가능한 방법에 의해 온도 T1로 열 처리할 수 있다. 당업자는 본원에 기재된 TLPS 조성물을 처리하는 데 적합한 솔더 또는 충전형 유기 접착제의 처리에 통상적으로 이용되는 다른 방법들도 알 것이다. 구체적인 열 처리 조건은 도포법, 의도된 용도, TLPS 조성물 및 임의의 플럭싱 유기 비이클 성분에 따라 달라진다. 일반적으로, 공정 온도 T1은 100℃∼300℃ 범위이고, 더 일반적으로는 150℃∼280℃ 범위, 가장 일반적으로는 200℃∼280℃ 범위이다. 바람직하게는, 피크 온도 T1에서의 지속 시간은 15 내지 75분이다. 바람직하게는, 피크 온도 T1에 도달하기 위한 승온 속도가 분당 2.67 내지 4.4℃이다.
도 1은, 하나의 반도체 다이를 두 개의 패키징 부재에 접속하기 위한 본 발명의 조성물의 예시적인 용도를 도시한다. 반도체 다이(40)는 양쪽의 주 표면이 금속화(30 및 50)되어, 전기적 및 열적 상호접속점을 제공한다. 본 발명의 조성물(20)은 금속 패키지 부재(10)와 반도체 다이(40) 상의 금속화(30) 사이에 배치된다. 본 발명의 조성물(20)은 또한 반도체 다이(40) 상의 금속화(50)와 비금속 패키징 부재(70) 상의 금속화(60) 사이에 배치된다. 도 1에는, 본 발명의 조성물이 T1으로의 열 처리 전의 상태로 도시되어 있고, 이 때, 개개의 입자들은 여전히 플럭싱 비이클 중에 분산되어 있다.
도 2는, 제조된 그 상태의 본 발명 조성물과 T1에서의 열 처리 후의 본 발명 조성물 간의 변화를 도시한다. 각각의 그림에서, 본 발명 조성물(20)은 금속 패키징 부재(10)와 반도체 다이(40) 표면 상의 금속화 코팅(30) 사이에 배치되어 있다. T1에서의 열 처리 전에, HMP 금속(80) 및 LMP 금속(90)의 개개의 입자들이 플럭싱 비이클(100) 중에 뚜렷이 보인다. T1에서의 열 처리 후, 개개의 입자들은 상호확산을 겪어, 금속 패키징 부재(10)로부터 본 발명 조성물 침적물(20)을 통해 반도체 다이(40) 표면 상의 금속화 코팅(30)까지 야금적으로 상호접속된 구조체를 형성한다.
이하에서는 본 발명을 비한정적인 예시적 실시예를 참조하여 추가로 설명할 것이다. 전술한 본 발명은 명확성과 이해를 목적으로 일부 예를 들어 상세히 기술하였지만, 첨부된 청구범위의 발명 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명에 특정 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 본 발명의 교시에 비추어 볼 때 당업자에게 명백할 것이다.
실시예
이하에서는, 본 개시의 보다 구체적인 실시형태 및 그러한 실시형태를 뒷받침하는 실험 결과를 참조한다. 그러나, 본 출원인은 하기 개시내용이 단지 예시를 위한 것이며 청구된 본 발명 대상의 범위를 어떠한 식으로든 한정하려는 것이 아님을 언급한다.
비교예 A∼D
용기 내의 표 1에 기재된 성분들을, 진공 하에 듀얼 플레니터리 믹서를 사용하여 혼합함으로써, 4종의 비교예 페이스트(A∼D)를 제조하였다.
Figure 112017118741914-pct00001
비교예 A∼D의 특성은 하기 표 2에 기재되어 있다. 열 처리 전과 후의 금속의 백분율이 표시되어 있고, 상이한 금속 및 폴리머 성분의 밀도 차이를 정규화하여, 처리 후의 금속 부피 분율을 제공한다.
Figure 112017118741914-pct00002
표 2는, 낮은 부피 금속 로딩량이, 신뢰성 테스트에서의 10% 초과의 Rdson 변화를 의미하는 불량한 전기적 신뢰성으로 이어진다는 것을 보여준다. 이들 비교예에서, 불량한 신뢰성 성능을 갖는 조성물이 열 처리 후 낮은 금속 부피 백분율을 갖는다는 것이 주목할 만하다. 표 1의 비교예의 조성물은, 소결된 조성물 중에 10∼11 중량%의 잔류 플럭스 비이클을 함유하고 있어, 처리 후 금속 부피 백분율이 비교적 낮아진다.
실시예 1∼4
용기 내의 표 3에 기재된 성분들을, 진공 하에 듀얼 플레니터리 믹서를 사용하여 혼합함으로써, 4종의 본 발명의 조성물을 제조하였다.
Figure 112017118741914-pct00003
실시예 1∼4의 특성은 하기 표 4에 기재되어 있다. 열 처리 전과 후의 금속의 백분율이 표시되어 있고, 상이한 금속 및 폴리머 성분의 밀도 차이를 정규화하여, 처리 후의 금속 부피 분율을 제공한다.
Figure 112017118741914-pct00004
표 2의 비교예의 결과에 따라, 소결 후 금속 부피 백분율이 확실히 증가되도록 새로운 접근법을 시도하였다. 조성물의 페이스트 점조도를 유지하기 위해 플럭싱 유기 비이클의 양을 크게 줄이고 그것을 휘발성 용매로 대체하는 것에 의해, 처리 후의 금속의 부피 백분율은 원하는 성능을 달성하기에 충분히 상승하였다. 놀랍게도, 이 조성물 내의 플럭스의 비율은, 금속 원소들 간의 원하는 TLPS 반응에 유해한 영향을 미치지 않으면서 솔더 페이스트에 통상적으로 사용되는 것보다 훨씬 아래로 감소될 수 있었다. 또한, 이같은 플럭싱 유기 용매 비이클의 감소는 처리 후 유기상을 연속상이 아닌 분리된 포켓으로 귀속시켰다. 그 결과, 처리 후 조성물은 놀랍게도, 선행 기술의 금속 충전형 폴리머 접착제와는 달리, 복합체로서의 거동이 아니라 상호접속된 금속 망상구조에 의해 기계적으로 지배된다. 표 4에, 소결 후 높은 금속 부피 백분율을 갖는 페이스트에서의 전기적 성능 및 신뢰성 성능의 결과를 기재하였다.
높은 부피 금속 로딩량을 가지고 무연 금속 입자의 혼합물을 이용하는 본 발명의 무연 페이스트는, 적어도 기계적 및 전기적 신뢰성 테스트에서 유연 솔더 페이스트와 같이 역시 좋은 성과를 낸다. 표 4의 실시예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조성물은 은-에폭시 접착제 및 선행 기술 TLPS 조성물과 비교할 때 높은 수준의 접착력과 높은 전기 및 열 전도율의 예상치 못했던 조합을 달성하며, 이것이 성공적인 신뢰성 결과로 이어진다.

Claims (15)

  1. 열 반응 후 금속 부피가 60%를 초과하는 반도체 다이 어태치 조성물로서,
    a. i. Sn, Zn, Ga, In 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 저융점(LMP) 금속 Y를 포함하는 무연 LMP 금속 합금 입자 조성물 30∼55 중량%(wt%); 및
    ii. Cu, Ag, Pd, Au, Al, Ni, Be, Rh, Co, Fe, Mo, W, Mn, Pt 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원소 M을 포함하는 고융점(HMP) 입자 조성물로서, 상기 M은 100℃ 내지 300℃ 범위의 공정 온도 T1에서 상기 1종 이상의 LMP 금속 Y와 반응성인 고융점(HMP) 입자 조성물 25∼50 wt%,
    여기서, 조성물 중의 Y의 wt%에 대한 M의 wt%의 비는 1.0 이상임,
    iii. M 또는 Y와 반응할 수 있는 금속에 의해 합금화, 유사 합금화, 또는 코팅된, Be, Rh, Co, Fe, Mo, W 또는 Mn을 포함하는 금속 분말 첨가제 A 20∼45 wt%
    를 포함하는, 금속 입자의 혼합물 80∼99 wt%와,
    b. i. 비반응성 용매로 이루어진 군으로부터 선택되는 휘발분, 및
    ii. 카복실산, 페놀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 T1에서 비활성이 되는 비휘발분 50 wt% 이하
    를 포함하고, 1∼20 wt%의 양으로 존재하는 플럭싱 비이클
    을 포함하는 반도체 다이 어태치 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 원소 M은 T1에서 1종 이상의 LMP 금속 Y와 상호확산을 겪어, 이러한 상호확산으로부터 형성된 생성물이 T1보다 높은 융점을 갖는 것인 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 LMP 입자 조성물이 미량의 검출 가능한 수준보다 많은 비스무트를 포함하지 않는 것인 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 1종 이상의 M이 Cu, Ag, Pd, Au, Al, Ni, Pt 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 1종 이상의 Y가 Sn, In 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  6. 제1항에 있어서, T1이 150℃ 내지 280℃ 범위인 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말 첨가제 A의 최대 입자 크기가 50 마이크론인 조성물.
  8. 하나 이상의 주 표면 상에 금속화를 갖는 반도체 다이와 하나 이상의 주 표면 상에 금속화를 갖는 패키지 부재 사이에 배치된 제1항의 조성물을 포함하는 구조체.
  9. 금속화를 갖는 반도체 다이로부터 금속화를 갖는 패키지 부재로 야금적으로 상호접속된 연속 통로가 형성되도록 피크 온도 T1에서 제8항의 구조체를 처리하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, T1이 150℃ 내지 280℃인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 피크 온도 T1에서의 지속 시간이 15 내지 75분인 방법.
  12. 제9항에 있어서, 피크 온도 T1에 도달하기 위한 승온 속도가 분당 2.67 내지 4.4℃인 방법.
  13. 제9항에 있어서, T1으로부터 실온으로 복귀하기 위한 냉각 속도가 분당 2.17 내지 3.25℃인 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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