KR20030037067A - 패키지용 솔더 합금과 그의 제조방법 - Google Patents

패키지용 솔더 합금과 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패키지용 솔더 합금과 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 솔더 합금은 매트릭스(matrix)인 주금속원소로서 주석(Sn)과, 첨가원소로서 비스무드(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 안티몬(Sb) 원소 중 적어도 2개의 원소를 포함한다.
이렇게 솔더 합금으로 제조된 솔더볼은 용융점이 높지 않아 기존의 플로우 공정으로도 용이하게 패키지 공정을 진행할 수 있고, 복합적인 첨가원소들의 상호 상보관계로 주석 매트릭스 내에 고용되어 합금을 형성함으로써, 솔더볼의 강도, 경도 및 합금성 등 기계적 특성이 우수해진다.

Description

패키지용 솔더 합금과 그의 제조방법{Solder alloy for solder ball of package and method for manufacturing the same}
본 발명은 패키지용 솔더 합금에 관한 것으로서, 특히 BGA(Ball grid array) 패키지용 솔더볼에 사용되는 합금과 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 패키지 공정은 반도체 소자 형성공정이 완성된 반도체 기판 내에 형성된 각 칩을 하나씩 절단해 낸 후, 이를 인쇄회로기판에 실장하는 공정이다. 먼저, 칩을 소정 크기의 합성수지로 형성된 외장용 패키지로 둘러싸고 반도체 기판의 외측으로 추후 인쇄회로기판의 패드들에 연결될 복수의 리드선(lead)을 형성한다. 그런데 CSP(chip size package)의 경우에는 리드선으로서 솔더볼(silder ball)을 형성한다. 그리하여, CSP 중의 하나인 BGA(Ball Grid Array Package)의 경우에는 인쇄회로기판에 접착될 패키지의 하부 판 면에 일 련의 솔더볼이 매트릭스(matrix) 형태로 그리드(grid)처럼 형성되어 있다. 이러한 솔더볼은 주로 전도성이 높고 열공정에 의해서 합금화가 용이한 금속합금으로 형성되어 있다. 그리고, 패키지는 비교적 열에 취약한 합성수지재로 형성된 인쇄회로기판에 실장되어야 하기 때문에, 솔더볼과 인쇄회로기판 상에 형성된 기판 패드에 접착하기 위한 리플로우 공정은 현재 합금인 주석-납 합금(Sn-Pb alloy) 융점을 감안한 조건으로 설정되어 있어, 그에 상응한 융점 합금계의 개발이 되어야 공정의 변경 비용을 줄일 수 있다. 그리고 현재까지 알려진 납을 제거(환경 대응을 위한 Pb free 합금)한 합금계는 융점이 높아서 리플로우 공정의 조건을 변경해야 하는 것과 소재가 고온에서 견딜 수 있는 내열성 확보를 요구하는 조건 때믄에 고비용이 들게 된다. 추가적으로 접착력이 향상됨으로써, 현재 양산에서 발생하는 Ball 빠짐(missing ball) 등의 품질문제에 하나의 대응방안이 될 수도 있다.
특히, 점차로 소자가 고집적화 됨에 따라 반도체 장치에서 요구되는 리드선의 증가하고, 리드선과 인쇄회로기판 사이에 형성되는 솔더볼의 크기도 감소된다. BGA 패키지(Ball Grid Array Package)의 경우에 그리드 형태로 배열된솔더볼(Solder ball)의 수가 증가하면서 솔더볼의 크기가 작아지고 기판의 패드와 접촉되는 접촉 단면적 좁아져서 기존의 솔더볼 합금으로는 충분한 접착력을 확보할 수 없는 단점이 있다.
그리고, 무엇보다도 납은 그 독성 때문에 인체에 해롭고 환경을 오염시키는 단점이 있으므로 가능하면 납을 사용하지 않는 솔더 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 솔더볼의 소형화에 따른 접촉 단면적이 감소되더라도 충분히 높은 리플로우 접착력과 기계적 특성을 가질 수 있는 패키지용 솔더볼과 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1a는 본 발명에 의한 패키지용 솔더 합금을 이용하여 제조된 BGA 패키지의 사시도이다.
도 1b는 도 1의 하부면을 나타낸 저면도이다.
도 1c는 도 1b의 A-A선을 따라 절개한 단면도이다.
도 1d는 도 1a의 BGA 패키지를 인쇄회로기판에 실장한 모습을 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 패키지용 솔더의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 패캐지용 솔더 합금을 제조하는 방법을 도시한 공정 흐름도이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 패키지용 솔더 합금은, 매트릭스(matrix)인 주 금속원소로서 주석(Sn)과, 첨가원소로서 비스무드(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 안티몬(Sb) 원소 그룹 중 적어도 4개의 원소를 포함한다.
여기서, 주석 매트릭스에 부가되는 첨가원소는 비스무드(Bi), 은(Ag), 인듐(In), 안티몬(Sb)의 4개의 원소를 포함하여 5원계 합금을 형성한다. 이 때, 비스무드(Bi) 원소의 첨가량은 2wt% 내지 4wt%의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하며, 인듐(In) 원소의 첨가량은 8wt% 내지 12 wt%의 범위이고, 은(Ag)의 첨가량은 2 wt% 내지 4 wt%이고, 나머지 안티몬(Sb) 원소의 첨가량은 0.2wt% 내지 1.0wt% 인 것이 솔더볼의 리플로우 특성과 리플로우 후의 기계적 특성을 향상시키므로 바람직하다.
한편, 본 발명의 패키지용 솔더 합금은 전술한 5원계의 첨가원소에 더하여 구리(Cu)원소를 더 첨가하여 입계를 조밀화하면서 용접 결합력을 높일 수 있는 6원계 합금으로 형성할 수도 있다. 이 때, 구리(Cu) 원소의 함량은 0.5 wt% 내지 2 wt% 인 것이 바람직하다.
이렇게 본 발명은 주석 매트릭스(Sn-matrix) 합금에 비스무드(Bi), 은(Ag), 구리(Cu), 안티몬(Sb) 및 인듐(In) 등을 적절한 비율로 배합하여 솔더 합금을 형성함으로써, 솔더 합금의 용융점을 크게 증가시키지 않고도 합금 후에 솔더 합금의 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 리플로우(reflow) 후에 패드 접착성이 우수하여 솔더볼(Solder Ball)의 크기가 작은 BGA 패키지에서도 적용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 패키지용 솔더 합금을 제조하는 방법은, 매트릭스 주원소로서 주석(Sn)과, 첨가원소로서 비스무드(Bi), 은(Ag), 구리(Cu), 인듐(In), 안티몬(Sb) 중 적어도 4개의 원소를 밀폐 가능한 반응기에 마련한다. 그런 다음, 반응기 내를 대기압 이상의 불활성 분위기로 조성한 후 이 반응기를 380 ℃ 내지 430 ℃ 정도의 온도로 가열하여 주석과 첨가원소들을 모두 용융시켜 혼합 용융액을 만든다. 여기서, 반응기 내의 압력은 0.1 kgf/cm2정도인 것이 바람직하다. 이 때, 혼합 용융액을 교반기로 교반시키는 것이 첨가원소들을 주석 매트릭스 내에 균일하게 혼합할 수 있어 바람직하다. 이 후, 혼합 용융액을 적절한 온도로 냉각시킨 후 캐스팅 몰드(casting mold)에 부어 응고시킨다. 혼합 용융액은 250 ℃ 이하로 냉각시키는 것이 바람직하다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1a 내지 도1b는 본 발명의 패키지용 솔더 합금을 이용하여 제조된 패키지의 실시예 중 하나로서 BGA(Ball Grid Array) 패키지를 나타낸 사시도와 솔더볼(sloder ball)이 형성된 하부면을 나타낸 저면도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 패키지용 합금이 적용된 BGA 패키지는, 사각 판 상의 본체(100)와, 본체(100)의 하부 판 면에는 소정의 행렬 형태로 배열되어 형성된 복수의 솔더볼(110)을 포함하고 있다.
도 1c는 도 1b의 A-A선을 따라 절개한 단면도이다. 이를 참조하면 본체(100) 내부에 내장된 반도체 칩(100a)과, 반도체 칩(100a)으로부터 외부단자와 연결하기 위해서 형성된 금속패드(101)와 연결된 솔더볼(110)이 형성되어 있다. 이 때, 반도체 칩(100a) 상에 형성된 금속패드(101) 상에는 보호용 절연막(103)이 형성되어 있어, 소정의 콘택(미도시)을 형성한 후 솔더볼(110)의 구성하고 있는 금속성분으로부터 반도체 칩(100a)이 오염되는 것을 방지하기 위해서 배리어막(105)을 형성하고 그 위에 솔더볼을 형성한다.
도 1d는 인쇄회로기판 상에 실장된 BGA 패키지를 나타낸 부분 측면도이다.
이를 참조하면, BGA 패키지를 인쇄회로기판 상에 형성된 패키지용 패드(210)에 실장하기 위해서는, 먼저 BGA 패키지의 본체(100) 하부면에 형성된 솔더볼(110)을 패캐지용 패드(210)에 정렬하고, 소정의 열을 가하여 솔더볼을 용융시키면 솔더볼이 패키지용 패드(210)를 형성하는 금속과 합금화가 되면서 BGA 패키지가 인쇄회로기판에 견고하게 결합된다.
도 2는 본 발명의 패키지용 솔더 합금의 구성을 나타낸 개략도이다. 이를 참조하면, 주원소로서 주석(Sn)이 합금 매트릭스(matrix)를 구성하고, 이 주석 매트릭스(Sn-matrix)에 비스무드(Bi)와 은(Ag)과 인듐(In)과 구리(Cu) 및 안티몬(Sb) 중 적어도 4개의 원소를 포함한다.
특히, 주석(Sn) 매트릭스에 인듐(In)과 비스무드(Bi)와 은(Ag) 그리고 안티몬(Sb)이 첨가된 5원계 합금을 형성하는 것이 솔더 합금의 융점을 낮추고 동시에 기계적 특성을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
여기서, 인듐(In)은 합금의 연성(ductility)과 용융시 퍼짐성(wettability) 및 열적 피로 강도(thernal fatigue strength)를 향상시키는 기능을 한다. 그러나, 가격이 고가이고, 산화성 문제 등을 고려하여 8 wt% 내지 12 wt%의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다.
비스무드(Bi)는 취성(brittleness)과 같은 기계적 특성과 리프트 오프(lift off)의 발생 등을 고려하여 2 wt% 내지 4wt % 정도를 첨가하는 것이 바람직하다. 비스무드(Bi)는 상술한 인듐(In)과 같이 주석 합금계의 융점(melting point)을 낮추기 위해서 사용되는 합금원소이다.
은(Ag)은 주석(Sn) 합금계에 첨가됨으로써, 용융점에서 용이하게 퍼질 수 있도록 퍼짐성(wettability)을 향상시키는 역할을 한다. 그리하여, 솔더볼이 패키지 패드 상에서 용융이 되면 주변으로 용이하게 퍼지도록 하여 더 넓은 면적에서 합금화가 일어나 패드와의 사이에 접촉면적을 넓힘으로써, 접착능력을 향상시킬 수 있다. 그러나, 과도한 첨가는 필요 이상의 퍼짐성으로 주변 솔더볼과 쇼트(Short)현상이 발생한다. 따라서, 은(Ag)은 2 wt% 내지 4 wt% 정도 첨가되는 것이 효과적이다.
안티몬(Sb)은 주석(Sn) 원자보다 비교적 원자의 크기가 큰 원소로서 주석 격자 매트릭스 내에 고용되면, 주석의 상변태를 인근 격자의 주석 원자들과 크기에서 차이 크기 때문에 격자간 의곡(distortion)에 의해서 스트레스가 커진다. 그러면, 상변태 시에 격자가 자유로와 지는 것을 방해함으로써, 상변태 온도를 변화시키는 역할을 한다. 그리하여 반복하여 인가되는 열적 스트레스에 대해서 높은 피로 강도를 나타낸다. 즉, 솔더볼(solder ball)의 제조와 솔더볼을 인쇄회로기판에 접착할 때 실행하는 리플로우 공정 등을 통해서 융점 이상으로 반복되는 열처리에 대해서 강한 인성을 나타내어 최종적으로 패키지를 실장한 후의 기계적 특성이 우수하게 유지되는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 솔더 합금은 위의 5원계 합금에 구리를 더 첨가하여 6원계 합금으로 형성할 수도 있다. 구리(Cu)는 주석 합금계에 첨가되면, 주석 합금의 결정립을 미세화 하는 기능이 있다. 그리하여, 상호 대응하는 합금면에서 접합강도를 향상시키는 역할을 한다. 특히, 솔더볼의 크기가 점차로 작아지는 경향에 비추어볼 때, 보더 적은 접착면적에서 접착력을 증가시키는데 중요한 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 패키지용 솔더 합금을 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 공정 흐름도이다.
이를 참조하면, 먼저 매트릭스 금속으로서 주석(Sn)을 소정량 마련하고, 첨가원소로서 인듐(In)과 비스무드(Bi)와 은(Ag) 및 안티몬(Sb)을 마련하여 함께 반응기 내에 준비한다(s1). 이 때, 첨가원소로서 구리(Cu)를 더 첨가할 수도 있다. 이 때, 반응기는 밀폐할 수 있는 통형상으로 형성되어 있고, 내부에 재질이 알루미나(Al2O3)로 구성된 크루시블(crucible)이나 혹은 고온에서 견딜 수 있는 스텐인레스강(stainless steel) 계열 합금과 같은 내열합금으로 형성된 반응기를 사용할 수도 있다.
그런 다음, 반응기 내를 외부와 격리시키고, 반응기 내로 질소(N2)와 같은 불활성 기체를 공급하여 불활성 분위기를 형성한다(s2). 그러면서 내부의 압력을 상압(atmosphere)보다 높게 유지시킨다. 이 때 내부의 압력은 1 kgf/cm2정도인 것이 바람직하다.
그런 다음, 반응기 내를 소정 온도 이상으로 가열하여 주석 및 첨가원소들을 모두 용융시킨다(s3). 이 때 가열온도는 380 ℃ 내지 420 ℃인 것이 바람직하다. 용융이 거의 완료된 시점에서, 교반기(stirrer)를 이용하여 교반하여 잘 섞어주는 것이 주석 매트릭스(Sn-Matrix) 내에 합금 첨가원소들을 균일하게 분포시킬 수 있어 바람직하다. 이렇게 하여, 완전히 액화된 합금 용융액을 만든다.
이렇게 주석(Sn) 및 첨가원소들이 완전히 액화된 후에는, 이 합금 용융액을 소정 온도 이하로 냉각시킨 후 몰드 캐스팅(주형틀, mold casting)에 부어 응고시킨다(s4). 이 때, 합금 용융액과 몰드 캐스팅(mold casting)의 온도차가 심하면 수지상 응고(dendritic solidification)가 발생하여 솔더 합금으로서 가치가 없게 되므로, 용융액의 온도는 수지상 응고(dendrite)가 발생하지 않도록 적정한 온도까지 냉각시킨 후 몰드 캐스팅에 부어야 한다. 그리하여, 용융액(melt)의 온도는 250 ℃ 정도까지 냉각하여 몰드 캐스팅(주형틀)에 붓는 것이 바람직하다.
이상과 같은 구성을 가진 본 발명의 패키지용 솔더 합금은, 용융점이 190 ℃ 내지 200 ℃ 미만으로서 기존의 솔더 합금인 납-주석 합금(Pb-Sn Alloy)가 용융점이 180 ℃ 내지 190 ℃ 정도로 인데 비해 크게 차이가 나지 않아, 기존의 공정장비들을 이용하여 용이하게 리플로우 공정을 진행할 수 있다. 그리고, 솔더 합금의 기계적 특성인 강도와 결합력 및 퍼짐성과 열 피로 강도(thermal fatigue strength)가 우수하여 솔더 볼(solder ball)의 크기가 소형화되어도 견고한 접착력을 얻을 수 있고, 신뢰성 있는 공정을 진행할 수 있다.
한편, 본 발명의 패키지용 솔더 합금은, BGA의 솔더볼 외에도 일반적인 패키지용 솔더 재료로서 여러 가지 형태를 가진 패키지들의 리드선을 인쇄회로기판의 금속패드에 접착하는 솔더재료로서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 패키지용 솔더 합금은, 기존의 주석-납 합금보다 융점이 약간 높을 뿐 200 ℃ 이하의 온도이므로, 기존의 리플로우 장비들로서충분히 공정을 진행할 수 있다.
그리고, 기계적 강도를 상보할 수 있도록 4가지 내지 5가지의 첨가원소가 함유됨으로써, 이를 재료로 형성되는 패키지의 솔더볼의 크기가 작아져서 접촉면적이 감소된다 하더러도, 접착강도가 우수하여 충분히 높은 접착력을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 패키지용 솔더 합금은 열 피로 강도가 높아 반복되는 열처리에도 솔더 접착부분 기계적 특성이 열화되지 않는다.

Claims (11)

  1. 매트릭스(matrix)인 주금속원소로서 주석(Sn);
    첨가원소로서 비스무드(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 안티몬(Sb) 원소 중 적어도 4개의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지용 솔더 합금.
  2. 제1항에 있어서, 상기 첨가원소는 비스무드(Bi), 은(Ag), 인듐(In), 안티몬(Sb)인 것을 특징으로 하는 패키지용 솔더 합금.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비스무드(Bi) 원소의 첨가량은 2wt% 내지 4wt%의 범위인 갓을 특징으로 하는 패키지용 솔더 합금.
  4. 제2항에 있어서, 상기 인듐(In) 원소의 첨가량은 8wt% 내지 12 wt%의 범위인 것을 특징으로 하는 패키지용 솔더 합금.
  5. 제2항에 있어서, 상기 은(Ag)의 첨가량은 2 wt% 내지 4 wt%인 것을 특징으로 하는 패키지용 솔더 합금.
  6. 제2항에 있어서, 상기 안티몬(Sb)의 첨가량은 0.2wt% 내지 1.0wt% 인 것을 특징으로 하는 패키지용 솔더 합금.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구리(Cu)의 첨가량은 0.5 wt% 내지 2 wt% 인 것을 특징으로 하는 패키지용 솔더 합금.
  8. a) 주원소로서 주석과, 첨가원소로서 비스무드(Bi), 은(Ag), 구리(Cu), 인듐(In), 안티몬(Sb) 중 적어도 4개의 원소를 밀폐 가능한 반응기에 마련하는 단계;
    b) 상기 반응기 내를 대기압 이상의 불활성 분위기로 조성한 후 상기 반응기를 380 ℃ 내지 430 ℃ 정도의 온도로 가열하여 상기 주석과 첨가원소들을 모두 용융시켜 혼합 용융액을 만드는 단계;
    c) 상기 혼합 용융액을 캐스팅 몰드에 부어 응고시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BGA 패키지용 솔더 합금 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 a) 단계에서 상기 반응기 내의 압력은 0.1 kgf/cm2인것을 특징으로 하는 BGA 패키지용 솔더 합금 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 b) 단계는 상기 혼합 용융액을 교반기로 교반시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BGA 패키지용 솔더 합금 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 c) 단계 이전에 상기 혼합 용융액이 250 ℃ 이하로 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BGA 패키지용 솔더 합금 제조방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100461949B1 (ko) * 2002-05-15 2004-12-14 앰코 테크놀로지 코리아 주식회사 반도체패키지용 솔더볼 및 그 제조 방법, 그리고 솔더볼의 이베포레이션 방법
KR100744149B1 (ko) * 2006-08-30 2007-08-01 삼성전자주식회사 은 범프를 이용한 반도체 패키지 구조 및 형성 방법

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KR100461949B1 (ko) * 2002-05-15 2004-12-14 앰코 테크놀로지 코리아 주식회사 반도체패키지용 솔더볼 및 그 제조 방법, 그리고 솔더볼의 이베포레이션 방법
KR100744149B1 (ko) * 2006-08-30 2007-08-01 삼성전자주식회사 은 범프를 이용한 반도체 패키지 구조 및 형성 방법

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