KR20090050072A

KR20090050072A - 전기적 상호 연결부를 위한 개선된 솔더 합금, 그 생산 방법 및 용도

Info

Publication number: KR20090050072A
Application number: KR1020097004920A
Authority: KR
Inventors: 마틴 와이저; 지엔싱 리
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-05-19
Also published as: EP2061625A1; WO2008033828A8; US20080118761A1; WO2008033828A1; TW200826266A; JP2010503538A

Abstract

적어도 대략 2%의 은, 적어도 대략 60%의 비스무트 및 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 열 전도도를 갖는 무연 솔더 조성물이 개시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다. 또한, 적어도 대략 2%의 은을 제공하는 단계, 적어도 대략 60%의 비스무트를 제공하는 단계, 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 제공하는 단계, 상기 비스무트를 상기 적어도 하나의 첨가 금속과 혼합하여 비스무트-금속 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 비스무트-금속 혼합물을 구리와 혼합하여 상기 솔더 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 무연 솔더 조성물을 생산하는 방법이 개시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다. 대략 2%의 은을 제공하는 단계, 적어도 대략 60%의 비스무트를 제공하는 단계, 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 제공하는 단계, 상기 은을 상기 적어도 하나의 첨가 금속과 혼합하여 은-금속 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 은-금속 혼합물을 비스무트와 혼합하여 상기 솔더 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 또 다른 무연 솔더 조성물을 생산하는 방법이 개 시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다.

Description

전기적 상호 연결부를 위한 개선된 솔더 합금, 그 생산 방법 및 용도{MODIFIED SOLDER ALLOYS FOR ELECTRICAL INTERCONNECTS, METHODS OF PRODUCTION AND USES THEREOF}

본 출원은 2006년 9월 13일 출원되고 그 전문이 본 명세서에 편입되는 미국 가특허출원 제60/844,445호의 우선권을 주장하는 미국 특허 출원이다.

[기술분야]

본 발명의 분야는 전기 소자, 반도체 소자 및 다른 관련된 층을 이루는 재료 애플리케이션에서의 개선된 무연 열적 상호 연결부 시스템, 열적 인터페이스 시스템 및 인터페이스 재료에 관한 것이다.

전자 소자는 계속 증가하고 있는 소비자용 및 상업용 전자 제품에서 사용된다. 이러한 소비자용 및 상업용 제품의 일부 예는 텔레비젼, 개인용 컴퓨터, 인터넷 서버, 휴대 전화기, 무선 호출기, 전자 다이어리, 휴대용 라디오, 자동차 스테레오, 또는 리모콘이다. 이러한 소비자용 및 상업용 전자 장치의 수요가 증가함에 따라, 이러한 전자 장치들이 소비자 및 사용을 위하여 더 소형이고, 더욱 기능이 많고 더욱 휴대성이 있도록 하는 요구도 있다.

이러한 제품에서의 크기 감소의 결과로서, 제품을 구성하는 소자들도 더욱 작아져야 한다. 크기에서 감소될 필요가 있는 이러한 부품의 예는 인쇄 회로 또는 배선 보드, 저항, 배선, 키보드, 터치 패드 및 칩 패키지이다.

따라서, 더 작은 전자 소자에 대한 수요를 충족시키기 위하여 더 소형으로 되는 것을 허용할 더 나은 구축 및 중간 재료, 기계 및 방법이 있는지 판단하기 위하여, 소자는 분석되고 조사된다. 더 나은 구축 및 중간 재료, 기계 및 방법이 있는지 판단하는 과정의 일부는 소자를 구축하고 조립하는 제조 설비 및 방법이 어떻게 운영되는지를 조사하는 것이다.

다양한 공지된 다이 부착 방법은 집적 회로 내에서 반도체 다이를 기계적 연결을 위하여 리드 프레임에 부착하고 다이와 리드 프레임 사이의 열적 전기적 전도도를 제공하도록 높은 함량의(high-lead) 솔더, 솔더 조성물 또는 솔더 재료를 이용한다. 대부분의 높은 납 함량의 솔더가 상대적으로 저렴하고 다양한 바람직한 물리화학적 특성을 나타내지만, 다이 부착에서의 납 및 다른 솔더의 사용은 환경적 및 직업적 건강 보호에 대하여 증가된 면밀한 조사를 받고 있다. 결과적으로, 납을 함유하는 솔더를 무연 다이 부착 조성물로 교체하기 위하여 다양한 접근방법이 시도되고 있다.

예를 들어, 한 접근 방법에서, 미국 등록 특허 제5,150,195호; 제5,159,299호; 제5,250,600호; 제5,399,907호 및 제5,386,000호에서 설명된 바와 같이, 폴리머 접착제(예를 들어, 에폭시 수지 또는 시아네이트 에스테르 수지)가 다이를 기판에 부착하는데 이용된다. 폴리머 접착제는 일반적으로 보통 200℃ 이하의 온도에 서 비교적 짧은 시간 내에 경화되며, 경화된 후에도 미국 등록 특허 제5,612,403호에서 나타난 바와 같이 가요성 기판으로의 집적 회로의 다이 부착을 허용할 수 있을 정도로 구조적 유연성을 유지할 수 있다. 그러나, 많은 폴리머 접착제는 잠재적으로 바람직하지 않은 다이의 기판에 대한 전기적 콘택의 감소 또는 다이의 부분적이거나 전체적인 분리를 발생시킬 수 있는 수지 흐름 현상(resin bleed)을 생성하는 경향이 있다.

수지 흐름 현상이 갖는 문제점의 적어도 일부를 벗어나기 위하여, 미타니(Mitani) 등에게 허여된 미국 등록 특허 제5,982,041호에서 설명된 바와 같이, 실리콘을 함유한 다이 부착 접착제가 사용될 수 있다. 이러한 접착제가 수지 밀봉제와 반도체 칩, 기판, 패키지 및/또는 리드 프레임 사이의 접합을 개선하는 경향이 있더라도, 이러한 접착제의 적어도 일부에 대한 경화 공정은 고에너지 방사 공급원을 필요로 하며, 이는 다이 부착 공정에 상당한 비용을 추가할 수 있다.

이 대신에, 디에츠(Dietz) 등에게 허여된 미국 등록 특허 제4,459,166호에 설명된 바와 같이 높은 납 함량의 봉규산염 유리를 포함하는 유리 페이스트가 사용될 수 있으며, 이에 의해 일반적으로 고에너지 경화 단계를 회피할 수 있다. 그러나, 높은 납 함량의 봉규산염 유리를 포함하는 많은 유리 페이스트는 다이를 기판에 영구적으로 접착하기 위하여 425℃ 이상의 온도를 필요로 하고 있다. 더하여, 유리 페이스트는 종종 가열 및 냉각 동안에 결정화되는 경항이 있어, 이에 의해 접합층의 접착 품질을 감소시킨다.

또 다른 접근 방법에서, 다양한 고 용융(high melting) 솔더가 다이를 기판 또는 리드프레임에 부착시키기 위하여 이용된다. 다이를 기판에 솔더링하는 것은 상대적으로 간단한 처리, 솔벤트를 사용하지 않는 애플리케이션 그리고 일부 경우에서의 저비용을 포함하는 다양한 이점을 갖는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서는 공지된 다양한 고 용융 솔더가 있다. 그러나, 그 모두 또는 거의 모두는 하나 또는 그 이상의 문제점이 있다. 예를 들어, 대부분의 금 공정 합금(gold eutectic alloy)(예를 들어, Au-20% Sn, Au-3% Si, Au-12% Ge, 및 Au-25% Sb)는 상대적으로 비용이 들며 자주 이상적인 기계적 특성 이하로 된다. 이 대신에, 합금 J (Ag-10% Sb-65% Sn, 예를 들어, 올센(Olsen)에게 허여된 미국 등록특허 제4,170,472호 참조)가 다양한 고 용융 솔더 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 그러나, 합금 J는 228℃의 고상선 온도를 가지며, 또한 상대적으로 열악한 기계적 성능을 겪는다.

전기적 연결부를 필요로 하는 소자를 위하여, 구체(sphere), 볼(ball), 분말, 프리폼(preform) 또는 2개의 소자 사이에 전기적 상호 연결부를 제공할 수 있는 일부 다른 솔더 기반의 소자가 이용된다. BGA 구체의 경우에, 구체는 패키지와 인쇄 회로 보드 사이의 전기적 상호 연결부 및/또는 반도체 다이와 패키지 또는 보드 사이의 전기적 상호 연결부를 형성한다. 구체가 보드, 패키지 또는 다이를 접촉하는 위치는 본드 패드(bond pad)라 불린다. 솔더 리플로우 동안 본드 패드 야금과 구체의 상호 작용은 연결부의 품질을 결정할 수 있으며, 상호 작용 또는 반응이 거의 없으면 본드 패드에서 쉽게 불량이 나는 연결부를 발생시킬 것이다. 본딩 패드 야금의 반응 또는 상호 작용이 너무 많으면, 부숴지기 쉬운 중간 금속의 과도 한 형성 또는 중간 금속의 형성으로부터 발생하는 바람직하지 않은 제품을 통해 동일한 문제점을 발생시킬 수 있다.

여기에서, 솔더 문제점의 일부를 보정하고 그리고/또는 감소시키는 여러 접근 방법이 있다. 예를 들어, 일본 특허 JP07195189A는 연결부 완전성을 개선하기 위하여 BGA 구체에서 도펀트로서 비스무트(bismuth), 구리 및 안티몬을 동시에 사용한다. 인이 첨가될 수 있거나 첨가되지 않을 수 있다; 그러나, 이 특허는 인 첨가가 성능을 열악하게 한다는 것을 보여준다. 인은 다른 성분과 비교하여 높은 중량 퍼센티지로 첨가되었다. 구리 레벨은 100 ppm 내지 1000 ppm의 범위이었다.

C.E. Ho 등에 의한 Journal of Electronic Materials, Vol. 31, No 6, p 584, 2002의 "Effect of Cu Concentration on the reactions between Sn-Ag-Cu Solders and Ni"와 C.R. Kao 및 C.E. Ho의 중국 특허 149096I(2001. 3. 23)에서, ENIG 본드 패드에서 Sn-Pb 공정 성능을 개선하는데 있어서의 구리 첨가의 효과가 조사된다. 2000 ppm 이하의 Cu를 포함하는 조성물은 조사되지 않았다.

전(Jeon) 등의 Journal of Electronic Materials, pg 520-528, Vol 31, No 5, 2002의 "Studies of Electoless Nickel Under Bump Metallurgy - Solder Interfacial Reactions and Their Effects on Flip Chip Joint Reliability", 전(Jeon) 등의 Proceeding of Electronic Components and Technoloty Conference, IEEE, pg 1203, 2003의 "Comparison of Intefacial Reactions and Reliabilities of Sn3.5Ag and Sn4.0Ag0.5Cu 및 Sn0.7Cu Solder Bumps on Electroless Ni-P UBMs"는 중간 금속 성장이 무전해 니켈 본드 패드보다도 순수한 니켈 본드 패드에서 더 빠르다는 것을 논의한다. 또한, 0.5% 이상(5000 ppm)의 농도의 구리에 의한 이점이 양 논문에서 조사되고 논의되었다.

장(Zhang) 등의 Journal of Electronic Materials, Vol 32, No 3, pg 123-130, 2003의 "Effectㄴ of Substrate Metallization on Solder/UnderBump Metallization Interfacial Reactions in Flip-Chip packages During Multiple Reflow Cycles"는 중간 금속 소비를 느리게 하는데 있어서 인으로부터의 효과는 없다는 것을 보여준다(이는 전(Jeon)의 논문과는 상충된다). 싱 예(Shing Yeh)의 Proceeding of Electronic Components and Technology Conference, IEEE, pg 338, 2003의 "Copper Doped Eutectic Tin-Lead Bump for Power Flip Chip Applications"는 1%의 구리 첨가가 니켈층의 소비를 줄였다는 것을 나타낸다.

니드리히(Niedrich)의 특허 및 출원(EP0400363A1, EP0400363B1 및 US5,011,658)은 구리 본드 패드 또는 커넥터의 소비를 최소화하기 위하여 Sn-Pb-In 솔더에서 구리가 도펀트로서 사용되는 것을 개시한다(즉, 니켈 배리어층이 사용되지 않았다). 솔더에서의 구리는 구리 커넥터 용해를 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 니드리히는 구리 중간 금속 또는 (Cu, Ni)Sn 중간 금속의 형성을 통한 니켈 배리어층 상호 작용을 방해하기 위하여 구리를 이용한다. 니드리히 특허는 그 구리의 사용에 있어서, 정밀한 솔더링 동작 동안에 구리 솔더링 아이언 팁의 용해를 최소화하기 위하여 양적으로 0.5 wt%보다 더 많은 구리를 솔더에 첨가하는 US 제2,671,844호와 매우 유사하다.

오자키(Ozaki)의 미국의 등록 특허 제4,938,924호는 2000 내지 4000 ppm의 구리 첨가는 Sn-36Pb2Ag 합금에서 젖음성과 장기간의 연결부 신뢰성을 개선시킨다는 것을 주목하였다. "Solder Alloy Having Excellent Resistance to Fatigue Characteristic"인 일본 특허 JP60166191A는 피로 저항을 개선하기 위하여 300 내지 5000 ppm의 구리가 첨가된 Sn Bi Pb 합금을 개시한다.

미국 등록 특허 제6,307,160호는 ENIG(Electroless Nickel/Immersion Gold) 본드 패드에 공정 Sn-Pb 합금의 접합 강도를 개선하기 위하여 적어도 2%의 인듐을 사용하는 것을 알려준다.

"Solder Composition"의 미국 등록 특허 제4,695,428호는 배관 연결부로 사용되는 무연 솔더 조성물을 개시한다. 사용된 구리의 농도는 1000 ppm을 넘고, 여러 다른 원소도 액상, 고상, 흐름 특성 및 솔더의 표면 마감을 개선하기 위한 합금 첨가물로서 첨가된다.

비스무트 계열의 솔더에서, 비스무트의 낮은 열 전도도 때문에 열 전도도는 매우 낮다. 이러한 솔더는 솔더와 상호작용하고/반응하는 니켈의 금속화(도금되거나 스프터링된) 때문에 열 순환 동안 계면을 따라 불량을 보인다.

따라서, a) 납 계열의 또는 납을 함유하는 솔더 재료와 유사한 방법으로 기능하는 개선된 무연 솔더 재료를 개발하는 것; b) 벌크 솔더 특성에 유해한 영향을 주지 않고, 니켈 배리어층의 소비와 이에 따라 소정의 경우에 인이 풍부한 층의 성장을 낮추어서, 리플로우 및 리플로우 후의 열적 노화 동안에 접합 완전성이 유지되는 개선된 솔더 재료를 개발하는 것; c) 생산비를 최소화하고 전기적 상호 연결부를 포함하는 제품의 품질을 최대화하면서 수요자의 사양을 충족시키는 전기적 상 호 연결부를 설계하고 제조하는 것; d) 전기적 상호 연결부와 이러한 상호 연결부를 포함하는 소자를 제조하는 신뢰성있는 방법을 개발하는 것; 및 e) 일부 실시예에서 재료의 연성(ductility)을 개선하면서, 솔더의 액상선 및 고상선 온도/온도 범위에서의 실제적으로 유용한 상당한 변동 없이 열 전도도를 갖는 솔더 재료 및 조성물을 개발하는 것에 대한 계속되는 요구가 있다.

적어도 대략 2%의 은, 적어도 대략 60%의 비스무트 및 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 열 전도도를 갖는 무연 솔더 조성물이 개시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다.

또한, 적어도 대략 2%의 은을 제공하는 단계, 적어도 대략 60%의 비스무트를 제공하는 단계, 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 제공하는 단계, 상기 비스무트를 상기 적어도 하나의 첨가 금속과 혼합하여 비스무트-금속 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 비스무트-금속 혼합물을 구리와 혼합하여 상기 솔더 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 무연 솔더 조성물을 생산하는 방법이 개시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다.

대략 2%의 은을 제공하는 단계, 적어도 대략 60%의 비스무트를 제공하는 단계, 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 제공하는 단계, 상기 은을 상기 적어도 하나의 첨가 금속과 혼합하여 은-금속 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 은-금속 혼합물을 비스무트와 혼합하여 상기 솔더 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 또 다른 무연 솔더 조성물을 생산하는 방법이 개시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다.

도 1은 Ag-Bi 상태도를 도시한다.

도 2는 Ag-Bi 합금이 아공정(hypoeutectic) 합금을 형성하는 것으로 보이는 전자 현미경 사진을 도시하며, 주요 성분(은)이 미세한 공정 구조에 의해 둘러싸인다.

도 3은 은, 비스무트 및 구리를 포함하는 상태도를 도시한다.

도 4는 표 1에서의 Bi10Ag10Cu-Ge 솔더 합금에 대한 20℃/min에서의 DTA(differential thermal analysis) 곡선을 도시한다.

도 5는 표 1에서의 2개의 새로운 솔더 합금에 대한 20℃/min에서의 DSC(differential scanning calorimetry) 곡선을 도시한다.

도 6은 열 전도도에 대한 주요 효과 그래프를 도시한다.

도 7은 안출된 솔더 합금에 대한 DTA 데이터를 도시한다.

도 8은 안출된 솔더 합금에 대한 DTA 데이터를 도시한다.

도 9는 안출된 솔더 합금에 대한 DTA 데이터를 도시한다.

도 10은 여러 솔더 합금을 이용한 와이어 연성 결과를 도시한다.

도 11은 레이저 플래시 방법을 이용하여 일부 안출된 솔더에 대한 열 전도도 분석이 적어도 9 W/mK의 열 전도도를 나타내는 것을 도시한다.

도 12는 안출된 조성물(및 안출된 조성물을 포함하는 재료)가 반도체 다이(예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 또는 갈륨 비소 다이)를 리드 프레임에 접합하기 위하여 전자 장치에 사용될 수 있다는 것을 도시한다.

표 1은 비스무트와 안티몬과 개별적으로 비교된 바와 같이 적어도 하나의 첨가제가 첨가된 다양하게 안출된 솔더에 대한 용융 및 열 전도도를 나타낸다.

표 2는 다른 그룹의 안출된 솔더 합금과 그 열 데이터를 나타낸다.

표 3은 여러 솔더 합금을 사용하는 와이어 연성 결과를 나타낸다.

앞에서 설명된 참조 문헌과는 다르게, 무연이고 납 계열의 또는 납을 함유하는 재료와 유사한 방법으로 기능하고, 벌크 솔더 특성에 유해한 영향을 주지 않고, 니켈 배리어층의 소비와 이에 따라 소정의 경우에 인이 풍부한 층의 성장을 낮추어서, 리플로우 및 리플로우 후의 열적 노화 동안에 접합 완전성이 유지되는 개선된 솔더 재료가 본 명세서에 설명된다. 이러한 개선된 솔더는 a) 생산비를 최소화하고 전기적 상호 연결부를 포함하는 제품의 품질을 최대화하면서 수요자의 사양을 충족시키는 전기적 상호 연결부를 설계하고 제조하고; b) 전기적 상호 연결부와 이러한 상호 연결부를 포함하는 소자를 제조하는 신뢰성있는 방법을 개발하고; 그리 고 c) 일부 실시예에서 재료의 연성(ductility)을 개선하면서, 솔더의 액상선 및 고상선 온도/온도 범위에서의 실제적으로 유용한 상당한 변동 없이 열 전도도를 갖는 솔더 재료 및 조성물을 개발하는 목적을 충족한다.

비스무트, 은 및 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 무연 솔더 조성물이 본명세서에서 설명되며, 첨가 금속은 높은 열 전도도를 가지며 솔더의 열 전도도를 증가시킬 것이다. 또한, 여기에서 안출된 개선된 솔더는 실질적으로 무연(lead-free)이다. 또한, 이러한 솔더는 적어도 3원계 합금인 것으로 고려된다. 구체적으로, 적어도 대략 2%의 은, 적어도 대략 60%의 비스무트 및 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 열 전도도를 갖는 무연 솔더 조성물이 개시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다. 전술한 바와 같이, 안출된 솔더 재료 및 조성물은 일부 실시예에서 재료의 연성을 개선하면서, 솔더의 액상선 및 고상선 온도/온도 범위에서의 실제적으로 유용한 상당한 변동 없이 열 전도도를 증가시킨다. 여기에서 사용된 바와 같이, "실제적으로 유용한 상당한 변동(practically significant change)"이라는 어구는, 이 변동이 통계적으로 중요하지만 이 변동이 의도된 바와 같이 솔더 조성물의 사용에 악영향을 미치지 않을 것이라는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 솔더 재료 및 조성물이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 "허용 액상선 온도 범위(acceptable liquidus temperature range)"라는 어구가 솔더 합금이 솔더링 온도에서 작은 양 또는 퍼센티지의 고체를 갖는 실질적으로 액상이 되도록 허용하는 액상선 범위 내에서의 변동 또는 이동을 의미하는 것을 이해하여야 한다. 이러한 허용 범위는 일부 솔더 및 솔더 합금에 대하여 수 도(degree)일 수 있으며, 많은 솔더 및 솔더 합금에 대하여 일반적으로 10 내지 20도이며, 다른 솔더에 대하여 100 내지 400도일 수 있다. 이러한 허용 액상선 온도 범위에 대한 벤치마크는 솔더 합금이 그 온도 범위 내에서 실질적으로 액체라는 것이다.

안출된 조성물 그룹은 솔더로서 사용될 수 있고 대략 2 wt%(weight percent) 내지 대략 18 wt%의 양의 은(silver)과 대략 98 wt% 내지 82 wt%의 양의 비스무트를 포함하는 2원계 합금을 포함하며 이러한 합금으로부터 시작한다. 이러한 2원계 합금은 전술한 바와 같이 대략 5%보다 더 많고 대략 15%보다 더 적은 양의 적어도 하나의 추가 금속을 포함한다. 도 1은 Ag-Bi 상태도를 도시한다. 2원계 합금 그 자체는 적어도 하나의 첨가 재료의 첨가 후에 열 전도도에서의 증가를 판별하기 위한 목적으로 여기에서 안출된 개선된 솔더 조성물이 비교되는 "비교 솔더 조성물(comparison solder composition)"이 되는 것으로 고려된다.

본 명세서에서 안출된 조성물은 a) 순 금속의 대략적으로 측량된 양의 변동을 제공하는 단계; b) 진공 또는 불활성 분위기(예를 들어, 질소 또는 아르곤) 하에서 내화 또는 내열 용기에서 액체 용액을 형성할 때까지 대략 900℃ 내지 1200℃ 사이로 가열하는 단계; 및 c) 그 온도에서 양 금속의 완전한 혼합 용융을 보장하기에 충분한 양의 시간 동안 금속을 교반하는 단계에 의해 마련될 수 있다. 니켈, 아연, 게르마늄, 구리, 칼슘, 또는 그 조합이 대략 1000 ppm 까지 또는 일부 실시예에서 대략 500 ppm 까지의 도펀트 양에서 변동되거나 용융된 재료로 첨가될 수 있다.

그 다음, 용융된 혼합물 또는 용융물은 신속하게 몰드로 부어져, 상온으로 냉각되어 경화될 수 있게 하며, 빌렛(billet)을 대략 190℃까지 가열하는 단계를 포함하는 종래의 사출 기술에 의해 와이어로 제조되거나 직사각형 슬라브가 대략 225 내지 250℃ 사이에서 먼저 어닐링되고 그 다음 동일한 온도에서 열간 압연되는 공정에 의해 리본으로 제조된다. 또한, 용융하는 단계는 형성되는 슬라그(slag)가 혼합물을 몰드로 붇기 전에 제거되는 한 공기 하에서 수행될 수 있다. 도 2는 Ag-Bi 합금이 아공정(hypoeutectic) 합금을 형성하는 것으로 보이는 전자 현미경 사진을 도시하며, 주요 성분(은)이 미세한 공정 구조에 의해 둘러싸인다. 전자 현미경 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이, 재료에서는 무시할만한 상호 용해성만이 있을 뿐이며, 따라서, 비스무트 금속보다 더 연성이 있는 재료를 결과로서 제공한다.

다른 실시예에서, 특히 더 큰 액상선 온도가 요구될 때, 안출된 조성물은 합금에서 대략 7 wt% 내지 대략 18 wt%의 양의 Ag와 대략 93 wt% 내지 대략 82 wt%의 양의 Bi와 같은 상이한 퍼센티지의 합금 재료를 포함할 수 있다. 한편, 상대적으로 더 낮은 액상선 온도가 요구될 때, 안출된 조성물은 합금에서 대략 2 wt% 내지 대략 7 wt%의 양의 Ag와 대략 98 wt% 내지 대략 93 wt%의 양의 Bi와 같은 상이한 퍼센티지의 유사한 재료를 포함할 수 있다. 일부 다이 부착 애플리케이션은 Ag가 합금에서 대략 5 wt% 내지 대략 12 wt%의 양만큼 존재하고, Bi가 대략 95 wt% 내지 대략 88 wt%의 양만큼 존재하는 조성물을 이용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 개선된 합금에서, 적어도 하나의 첨가 금속이 합금에 존재한다.

적어도 하나의 첨가 금속은 합금의 고상선 및 액상선 온도에 상당한 영향을 미치지 않으면서 열 전도도의 증가에 영향을 미쳐야 한다. 안출된 첨가 금속은, 구리, 아연, 마그네슘, 알루미늄 또는 그 조합을 포함한다. 개선된 합금은 전술한 것과 같은 대략 15% 미만의 적어도 하나의 첨가 금속을 첨가함으로써 생산된다. 일부 실시예에서, 개선된 합금은 10% 미만의 적어도 하나의 첨가 금속을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 개선된 합금은 5% 미만의 적어도 하나의 첨가 금속을 갖는다. 도 3은 은, 비스무트 및 구리를 함유하는 상태도를 도시한다.

첨가 금속이 아연을 포함하는 실시예에서, 이를 첨가하는 방법은 대략 400℃의 온도에서 비스무트에 단순히 이를 첨가하는 것이다. 첨가 금속으로서 구리가 사용되는 실시예에서, 가장 좋게는 구리는 이를 은과 함께 용융하고 그 다음 용융된 은-구리 합금을 용융된 비스무트에 더해진다. 두 경우 모두에 있어서, 산화물에 의한 게르마늄의 과도한 휘발을 방지하기 위하여 Bi-Ag-X(여기서, X는 첨가 금속 또는 3원계 또는 그 이상의 합금을 형성하는 금속이다) 합금이 교반되고 대략 300℃까지 냉각된 후에 게르마늄이 첨가된다. 표 1은 비스무트와 안티몬과 개별적으로 비교된 바와 같이 적어도 하나의 첨가 금속이 첨가된 다양하게 안출된 솔더에 대한 용융 및 열 전도도 결과를 나타낸다.

도 4는 표 1에서의 Bi10Ag10Cu-Ge 솔더 합금에 대한 20℃/min에서의 DTA(differential thermal analysis) 곡선을 도시한다. 이 정보는 대부분의 용융 이 260 내지 270℃에서 발생하는 것을 보여준다, 720℃의 액상선 온도 주위에서 소량의 용융이 있을 수 있지만, 솔더가 적용되는 동안 완전하게 액체로 될 필요는 없다.

도 5는 표 1에서의 2개의 새로운 솔더 합금(Bi26.5Ag2.1Cu-Ge 및 Bi34.4Ag3Cu-Ge)에 대한 20℃/min에서의 DSC(differential scanning calorimetry) 곡선을 도시한다. 이 정보는 3개의 합금이 260 내지 270℃에서 대부분이 용융되고 더 높은 온도에서 작은 피크를 갖는 상태도로부터 예측되는 바와 같이 행동한다는 것을 보여준다. 또한, 이 모두는 상당히 "불충분 냉각되며(undercool)", 이는 매우 높은 순도의 합금에 대하여 예측된다. DSC는 DTA보다 훨씬 더 민감하며, 또한, 훨씬 더 직선에 가까운 기저선(baseline)을 갖는다.

표 2는 다른 그룹의 안출된 솔더 합금과 그 열 데이터를 나타낸다. 도 6은 열 전도도에 대한 주요 효과 그래프를 도시한다. 도 7 내지 9는 표 2에서의 이러한 솔더 합금에 대한 DTA 데이터를 도시한다.

일부 실시예에서, 적어도 하나의 금속이 솔더 조성물의 연성을 증가시키기 위하여 첨가될 수 있다. 크랙을 억제하기 위한 와이어 표면 코팅 및 빌렛의 구조 정련을 포함하는 증가하는 연성에 대한 몇 개의 다른 선택 사항이 있지만, 그 둘 중 어느 것도 애플리케이션에 대하여 범용이 아니다. 적어도 하나의 금속 첨가는 안출된 애플리케이션에 대하여 와이어 연성을 개선할 수 있다. 이러한 첨가제는 첨가 금속으로서 은과 구리의 최적화와 함께 상당한 연성이 있으면서도 정확한 용융 범위에서 높은 열 전도도를 갖는다는 요구를 만족시킬 수 있다. 일 실시예에 서, 1 중량 퍼센트까지의 인듐이 구리와 함께 솔더 조성물에 첨가될 수 있어, 이러한 상당한 연성이 있는 솔더 조성물을 생산한다. 다른 실시예에서, 안출된 상당히 연성이 있는 솔더 조성물은 10%까지의 은, 15%까지의 구리 및 1%까지의 인듐을 포함하며, 나머지 솔더 조성물은 비스무트를 포함한다. 표 3 및 도 10은 여러 솔더 합금을 이용한 연성 결과를 나타낸다. 일부 실시예에서, 더 낮은 은 농도 및 더 높은 구리 농도는 더 나은 연성 결과를 제공하는 것이 발견되었다. 또한, 솔더에서 큰 농도의 은이 있다면, 소량의 인듐이 은 함량이 높은 합금의 연성을 개선할 수 있다.

본 명세서에서 안출된 솔더 조성물 및 재료는 실질적으로 무연이며, "실질적으로(substantially)"는 존재하는 납이 오염 물질이어서 도펀트나 합금 재료로 고려되지 않는다는 것을 의미한다는 것이 이해되어야만 한다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, "금속"이라는 용어는 원소 주기율표에서의 d-블록 및 f-블록에 있는 원소들과 실리콘 및 게르마늄과 같은 금속과 유사한 특성을 갖는 원소들을 의미한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "d-블록"이라는 용어는 원소의 핵을 둘러싸는 3d, 4d, 5d, 및 6d 오비탈을 채우는 전자를 갖는 원소를 의미한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "f-블록"이라는 용어는 원소의 핵을 둘러싸는 4f 및 5f 오비탈을 채우는 전자를 갖는 원소를 의미한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "합성물(compound)"이라는 용어는 화학 처리에 의해 원소로 나누어질 수 있는 일정한 조성물을 갖는 물질을 의미한다.

다른 바람직한 특성 중에서, 안출된 조성물은 유익하게는 다양한 다이 부착 애플리케이션에서 높은 함량의 납을 함유하는 솔더에 대한 대체로 간단한 치환물로서 이용될 수 있다. 일부 경우에, 안출된 조성물은 대략 240℃보다 더 낮지 않은 고상선과 대략 500℃보다 더 높지 않은 액상선을 갖는 무연 합금이다. 안출된 방법 및 조성물의 다양한 양태는 본 명세서에서 그 전문이 편입되는 PCT 출원 PCT/US01/17491에 개시된다.

이 시점에서, 달리 표시되지 않는다면, 명세서 및 청구범위에 사용된 요소, 성분, 반응 조건 등의 양을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에 있어서 "대략(about)"이라는 용어에 의해 수정되어 있는 것으로 이해되어야 한다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되지 않는다면, 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 설명된 숫자 파라미터는 여기에서 제공된 내용에 의해 획득되도록 바라는 원하는 특성에 따라 변동할 수 있는 근사치이다. 적어도 특허청구범위의 범위에 대한 균등론의 애플리케이션을 제한하여는 시도는 아닌 것으로서, 각 숫자 파라미터는 적어도 기록된 중요한 자리수의 개수의 견지에서 그리고 일반적인 사사오입 기술을 적용함으로써 고려되어야만 한다. 여기에서 제공된 내용의 넓은 범위를 설명하는 숫자 범위 및 파라미터는 근사치임에도 불구하고, 특정 예에서 설명된 수치는 가능한 한 정밀하게 기록된다. 그러나, 임의의 수치는 해당하는 테스트 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 필수적으로 발생하는 소정의 오차를 본질적으로 포함한다.

이와 같이 안출되고 신규한 조성물은 합금 원소로서 공지된 무연 솔더에서 일반적이고 주된 성분인 Sn이 본질적으로 없는 무연 솔더로서 사용될 수 있다는 것 이 특히 이해되어야만 한다. 주석이 여기에서 설명된 신규한 조성물에 첨가된다면, 이것은 도펀트로서 첨가되며, 합금화의 목적으로 첨가되는 것은 아니다.

결론적으로, 그리고 적어도 하나의 첨가 원소의 농도/양에 따라, 이러한 합금은 대략 230℃보다 더 낮지 않은, 더욱 바람직하게는 대략 248℃보다 더 낮지 않은, 가장 바람직하게는 대략 258℃보다 더 낮지 않은 고상선을 가지며, 대략 500℃보다 더 높지 않은, 그리고 일부 실시예에서 대략 400℃보다 더 높지 않은 액상선을 가진다는 것이 인식되어야만 한다. 이러한 합금의 특별히 고려된 용도는 다이 부착 애플리케이션을 포함한다(예를 들어, 반도체 다이의 기판에 대한 부착). 결론적으로, 전자 장치는 안출된 3원계(또는 더 많은) 합금을 포함하는 조성물을 구비한 재료를 통해 표면에 연결된 반도체 다이를 갖는다는 것이 고려될 수 있다. 안출된 3원계 합금의 생산과 관련하여, 위에서 개략적으로 나타낸 바와 같은 고려 사항과 동일한 고려 사항이 적용된다. 일반적으로, 세번째 원소(또는 원소들)이 2원계 합금 및 2원계 합금 성분에 적절한 양만큼 첨가된다는 것이 안출된다.

하나 또는 그 이상의 물리 화학 또는 열 기계 특성을 개선하기 위한 화학 원소 또는 금속의 첨가가 합금 내에서의 모든 성분이 실질적으로(즉, 각 성분의 적어도 95%) 용융되는 한 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것도 이해되어야만 하며, 첨가 순서는 본 발명 내용을 한정하는 것이 아니라는 것이 고려된다. 유사하게, 용융 단계 이전에 은과 비스무트가 결합되는 것이 고려되면, 은과 비스무트가 개별적으로 용융되고 이어서 용융된 은과 비스무트가 결합되는 것도 고려된다는 것이 이해되어야만 한다. 은의 녹는점 이상의 온도로 더 연장하여 가열하는 단계가 성분 의 실질적으로 완전한 용융 및 혼합을 보장하기 위하여 추가될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 추가 원소가 포함될 때, 안출된 합금의 고상선은 감소될 수 있다는 것이 특히 이해되어야만 한다. 따라서, 이러한 첨가 합금을 갖는 안출된 합금은 대략 260 내지 255℃ 범위의, 대략 255 내지 250℃ 범위의, 대략 250 내지 245℃ 범위의, 대략 245 내지 235℃ 범위의, 그리고 훨씬 더 낮은 범위의 고상선을 가질 수 있다는 것이 고려된다.

첨가 원소 및 일부 경우에서의 도펀트가 첨가되면, 적어도 하나의 첨가 원소 및/또는 도펀트가 임의의 적합한 형태(예를 들어, 분말, 샷(shot), 또는 조각(piece))로 원하는 농도의 적어도 하나의 첨가 원소 및/또는 도펀트를 제공하기에 충분한 양만큼 첨가될 수 있는 것이 고려될 수 있으며, 제3 원소/원소들의 첨가는 Bi 및 Ag와 같은 2원계 합금에 대한 성분의 용융 이전에, 그 동안 또는 그 후일 수 있다.

안출된 합금의 열 전도도에 관하여, 본 명세서에서 개시된 조성물은 대략 5 W/m K보다 더 작지 않은, 더욱 바람직하게는 대략 9 W/m K보다 더 작지 않은, 그리고 가장 바람직하게는 대략 15 W/m K보다 더 작지 않은 전도도를 갖는다는 것이 고려될 수 있다. 적어도 9 W/m K의 열 전도도를 나타내는 레이저 플래시(laser flash) 방법을 이용하여 안출된 합금의 일부에 대한 열 전도도 분석이 도 11에서 도시된다.

또한, 적어도 대략 2%의 은을 제공하는 단계, 적어도 대략 60%의 비스무트를 제공하는 단계, 은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물 의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 제공하는 단계, 상기 비스무트를 상기 적어도 하나의 첨가 금속과 혼합하여 비스무트-금속 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 비스무트-금속 혼합물을 구리와 혼합하여 상기 솔더 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 무연 솔더 조성물을 생산하는 방법이 개시되며, 상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 적합한 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는다.

또한, 층을 이루는 재료가 본 명세서에서 안출되며, 다음을 포함한다: a) 표면부 또는 기판; b) 전기적 상호연결부; c) 본 명세서에서 설명된 것과 같은 개선된 솔더 조성물; 및 d) 반도체 다이 또는 패키지. 안출된 표면부는 인쇄 회로 보드 또는 적합한 전자 소자를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 솔더 재료 및/또는 층을 이루는 재료를 포함하는 전자 및 반도체 소자도 안출된다.

적어도 하나의 솔더 재료 및/또는 적어도 하나의 첨가 금속은 다음을 포함하 는 임의의 적합한 방법에 의해 제공된다: a) 적어도 하나의 솔더 재료 및/또는 적어도 하나의 첨가 금속을 공급자로부터 구입하는 단계; b) 다른 공급원에 의해 제공된 화학품을 이용하여 가정에서 적어도 하나의 솔더 재료 및/또는 적어도 하나의 첨가 금속을 마련하거나 생산하는 단계; 및 c) 가정에서 또는 그 지역에서 생산되거나 제공된 화학품을 이용하여 적어도 하나의 솔더 재료 및/또는 적어도 하나의 첨가 금속을 마련하거나 생산하는 단계.

[ 적용예 ]

테스트 조립체 및 다양한 다른 다이 부착 애플리케이션에서, 솔더는 일반적으로 다이 및 다이가 솔더링되는 기판 사이에서 배치되는 박판(thin sheet)으로 이루어진다. 이어지는 가열이 솔더를 용융하여 연결부를 형성할 것이다. 이 대신에, 기판이 가열되고, 이어서 솔더 방울을 생성하기 위한 박판, 와이어, 용융된 솔더 또는 다른 형태로 가열된 기판 위에 솔더를 배치하며, 여기에 반도체 다이가 연결부를 형성하기 위하여 배치될 수 있다.

에리어 어레이 패키지(area array package)에 대하여 안출된 솔더는 구체(sphere), 소형 프리폼, 솔더 분말로 이루어진 페이스트 또는 이 적용예에서 일반적으로 사용된 복수의 솔더 연결부를 생성하기 위한 다른 형태로서 배치될 수 있다. 이 대신에, 안출된 솔더는 도금조로부터 도금하는 단계, 액체 또는 고체 형태로부터 이베포레이션(evaporation)하는 단계, 잉크젯 프린트와 같은 노즐로부터 인쇄하는 단계, 또는 연결부를 형성하는데 이용된 솔더 어레이를 생성하기 위하여 스 퍼터링하는 단계를 포함하는 공정에서 사용될 수 있다.

안출된 방법에서, 가열되어 패키지에 접합될 때까지 구체를 제자리에 보유하기 위한 플럭스 또는 솔더 페이스트(액체 매개물에서의 솔더 분말) 중 하나를 이용하여 구체가 패키지에서 패드상에 배치된다. 온도는, 솔더 구체가 용융되는 온도 또는 더 낮은 용융 조성물의 솔더 페이스트가 사용되는 경우 솔더의 녹는점 아래일 수 있는 온도 중 어느 한 온도가 될 수 있다. 부착된 솔더 볼을 갖는 패키지는 플럭스 또는 솔더 페이스트 중 하나를 이용하여 기판에서 에리어 어레이로 정렬되고 연결부를 형성하기 위하여 가열된다.

반도체 다이를 패키지 또는 인쇄 배선 기판에 부착하는 안출된 방법은 마스크를 통해 솔더 페이스트를 인쇄하거나, 마스크를 통해 솔더를 이베포레이션하거나, 또는 도전성 패드 어레이에 솔더를 도금하여 솔더 범프를 생성하는 단계를 포함한다. 이러한 기술에 의해 생성된 범프 또는 칼럼은 연결부를 형성하기 위하여 가열될 때 전체 범프 또는 칼럼이 용융하도록 균질한 조성물을 가질 수 있거나, 또는 범프 또는 칼럼의 일부만이 용융하도록 반도체 다이 표면에 수직인 방향으로는 비균일할 수 있다.

또한, 안출된 조성물의 특정 형상은 본 발명 내용에 중요하지 않은 것이 여전히 고려되어야만 한다. 그러나, 안출된 조성물은 와이어 형상, 리본 형상 또는 구 형상(솔더 범프)으로 형성될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 설명된 솔더 재료, 구체 또는 다른 관련된 재료는 공지되고 본 명세서에서 그 전문이 편입되는 다음의 허니웰 인터내셔널 잉크(Honeywell Internationl Inc.)의 등록 특허 및 출원 계속 중인 특허 출원에서 알 수 있는 바와 같은 솔더 페이스트, 폴리머 솔더 및 다른 솔더 계열의 배합물 및 재료를 생산하는데 이용될 수 있다: 미국 특허 출원 번호 제09/851,103호, 제60/357,754호, 제60/372,525호, 제60/396,294호 및 제09/543,628호; 및 출원 계속 중인 PCT 출원 번호 PCT/US02/14613과 모든 관련된 계속 출원, 분할 출원, 일부 계속 출원 및 외국 출원. 또한, 여기에서 설명된 솔더 재료, 코팅 조성물 및 다른 관련된 재료는 성분으로서 사용되거나 또는 전자 제품, 전자 소자 및 반도체 소자를 구축하는데 사용될 수 있다. 안출된 실시예에서, 본 명세서에서 개시된 합금은 BGA 구체를 생성하는데 사용될 수 있으며, 범프가 형성되거나 볼이 형성된 다이, 패키지 또는 기판과 같은 BGA 구체를 포함하는 전자 조립체에서 사용될 수 있으며, 그리고 아노드, 와이어 또는 페이스트로서 사용될 수 있거나 배스(bath) 형태에서 사용될 수 있다.

또한, 안출된 실시예에서, 구체는 패키지/기판 또는 다이에 부착되며 도핑되지 않은 구체와 동일한 방법으로 리플로우된다. 도펀트는 EN 코팅에 대한 소비 속도를 느리게 하고, 더 높은 완정성(더 높은 강도)의 연결부를 제공한다.

다양한 다른 용도 중에서, 안출된 합성물(예를 들어, 와이어 형태)은 제1 재료를 제2 재료에 접합하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 안출된 조성물(및 안출된 조성물을 포함하는 재료)은 반도체 다이(예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 또는 갈륨 비소 다이)를 리드 프레임에 접합하기 위하여 전자 장치에서 사용될 수 있다. 여기에서, 전자 장치(100)는 은층(112, silver layer)으로 금속화된 리드 프레임(110)을 포함한다. 제2 은층(122)은 반도체 다이(120) 에 증착된다(배면 은 금속화에 의해). 또한, 일부 실시예는 리드 프레임 및/또는 반도체 다이와 은층 사이에서 추가 금속층을 포함할 수 있다. 일반적인 층은 리드 프레임측에서는 니켈이며 다이측에서는 티타늄 및 니켈이지만, 다른 층도 가능하다. 마지막으로, 은이 코팅될 수 있으며, 또는 일부 실시예에서는 금으로 대체될 수 있다. 다이 및 리드 프레임은 안출된 조성물(130)(여기에서는, 예를 들어, 대략 2 wt% 내지 대략 18 wt%의 양의 은과 대략 98 wt% 내지 82 wt%의 양의 비스무트를 포함하는 합금을 구비한 솔더이며, 합금은 262.5℃보다 더 낮지 않은 고상선을 가지며, 400℃보다 더 높지 않은 액상선을 갖는다)에 의해 해당하는 은층을 통해 서로 연결된다. 최적 다이 부착 공정에서, 안출된 조성물은 특정 합금의 액상선 이상으로 대략 40℃ 높게 15초 동안, 바람직하게는 430℃보다 더 높지 않게 30초 보다 더 길지 않은 동안 가열된다. 솔더링은 환원성 분위기(예를 들어, 수소 또는 성형 가스(forming gas)) 하에서 수행될 수 있다.

또 다른 양태에서, 본 명세서에서 개시된 합성물은 다이 부착 애플리케이션 외의 다양한 솔더링 공정에서 이용될 수 있다는 것이 고려된다. 사실, 안출된 조성물은 이어지는 솔더링 단계가 안출된 조성물의 용융 온도 이하의 온도에서 수행되는 모든 또는 거의 모든 단계적 솔더 애플리케이션에서 특히 유용할 수 있다. 또한, 안출된 조성물은 높은 납 함량을 갖는 솔더가 무연 솔더로 대체될 필요가 있고 대략 240℃보다 더 큰 고상선 온도가 바람직한 애플리케이션에서 솔더로서 사용될 수 있다. 특별히 바람직한 다른 용도는 열 교환기의 소자를 연결하는데 있어서의, 또는 비용융 격리 애자(standoff) 구체 또는 전기적/열적 상호 연결부로서의 안출된 솔더의 용도를 포함한다.

전자 제품은 산업계에서 또는 다른 소비자에 의해 사용될 수 있도록 준비된다는 의미에서 "최종(finish)"적일 수 있다. 최종 소비자 제품의 예는 텔레비젼, 컴퓨터, 휴대폰, 무선 호출기, 전자 다이어리, 휴대용 라디오, 자동차 스테레오, 또는 리모콘이다. 또한, 최종 제품에서 잠재적으로 이용되는 회로 보드, 칩 패키지, 및 키보드와 같은 "중간(intermediate)" 제품이 안출된다.

또한, 전자 제품은 컨셉 모델로부터 최종적인 확대 모형(scale-up)/일대일 모형(mock-up) 까지의 개발의 임의의 단계에서의 프로토타입 부품을 포함할 수 있다. 프로토타입은 최종 제품에서 의도된 실제 부품을 모두를 포함할 수 있거나 또는 포함하지 않을 수 있으며, 프로토타입은 초기에 테스트되는 동안 다른 부품에 대한 초기 효과를 없애기 위하여 조성물 재료로부터 구축된 일부 소자를 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, "전자 소자(electronic component)"라는 용어는 소정의 원하는 전기적 동작을 획득하기 위하여 회로에서 사용될 수 있는 임의의 장치 또는 일부를 의미한다. 본 명세서에서 고려된 전자 소자는 능동 소자와 수동 소자로의 분류를 포함하는 많은 상이한 방법으로 분류될 수 있다. 능동 소자는 증폭, 오실레이션, 또는 신호 제어와 같은 일부 동적 기능을 할 수 있는 전자 소자이며, 일반적으로 동작을 위해서 전원을 필요로 한다. 예는 바이폴라 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터 및 집적 회로이다. 수동 소자는 동작에서 정적인, 즉, 보통 증폭 또는 오실레이션을 할 수 없으며 자신의 특성 동작을 위하여 전력을 필요로 하지 않는 전자 소자이다. 예는 일반적인 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드, 정류기 및 퓨즈이다.

또한, 본 명세서에서 고려된 전자 소자는 도체, 반도체 또는 부도체로 분류될 수 있다. 여기에서, 도체는 전하 캐리어(전자와 같은)가 전류로서 원자 사이에서 쉽게 이동하도록 하는 소자이다. 도체 소자의 예는 회로 트레이스 및 금속을 포함하는 비아(via)이다. 부도체는 기능이 실질적으로 다른 소자와 전기적으로 분리하기 위하여 채용된 재료와 같이 전류 전도를 극도로 방해하는 재료의 능력에 관한 것인 소자이며, 반도체는 도체와 부도체 사이의 자연 저항률로 전류를 전도시키는 소자이다. 반도체 소자의 예는 트랜지스터, 다이오드, 일부 레이저, 정류기, 싸이리스터 및 포토센서이다.

또한, 본 명세서에서 고려된 전자 소자는 전원과 전력 소비 소자로 분류될 수 있다. 전원 소자는 일반적으로 다른 소자에 전력을 공급하는데 사용되며, 배터리, 커패시터, 코일 및 연료전지를 포함한다. 여기에서 사용된 바와 같이, "배터리"는 화학 반응을 통해 사용가능한 양의 전력을 생산하는 장치를 의미한다. 유사하게, 충전 배터리 또는 2차 배터리는 화학 반응을 통해 사용가능한 양의 전력을 저장하는 장치를 의미한다. 전력 소비 소자는 저항, 트랜지스터, IC, 센서 및 이와 유사한 것을 포함한다.

또한, 본 명세서에서 고려된 전자 소자는 독립 소자와 집적 소자로 분류될 수 있다. 독립 소자는 회로에서 한 위치에 적합하게 집중된 하나의 특정 전기적 특성을 제공하는 장치이다. 예는 저항, 커패시터, 다이오드 및 트랜지스터이다. 집적 소자는 회로의 한 위치에서 여러 가지 전기적 특성을 제공할 수 있는 소자들의 조합이다. 예는 IC, 즉 여러 소자 및 연결 트레이스가 여러 가지 또는 복작합 기능을 로직으로서 수행하기 위하여 결합된 집적 회로이다.

또한, 본 명세서에서 안출된 솔더 조성물은 일반에게 공지되고 본 명세서에 참조로서 편입되는 PCT 출원 PCT/US03/04374에서 설명된 것과 같은 적어도 하나의 담지 재료(support material) 및/또는 적어도 하나의 안정화 개선 재료를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 담지 재료는 솔더 페이스트 배합물에서 적어도 하나의 금속 계열의 재료를 위한 담지체 또는 매트릭스를 제공하도록 설계된다. 적어도 하나의 담지 재료는 적어도 하나의 로진(rosin) 재료, 적어도 하나의 유동(rheological) 첨가제 또는 재료, 적어도 하나의 폴리머 첨가제 또는 재료, 및/또는 적어도 하나의 용제 또는 용제 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 안출된 실시예에서, 적어도 하나의 로진 재료는 적어도 하나의 정제된 검(gum) 로진을 포함할 수 있다.

또한, 습윤제, 가소제 및 글리세롤 계열의 화합물과 같은 안정화 개선 재료 및 화합물은 저장 및 공정 동안의 시간에 대하여 솔더 조성물의 안정화를 긍정적으로 부가할 수 있으며, 본 명세서에서 제공된 내용의 솔더 페이스트 배합물에 대한 바람직하고 가끔은 필요한 첨가제로서 고려된다. 또한, 도데카놀(라우릴 알코올) 및 라우릴 알코올에 관련되고 그리고/또는 라우릴 알코올에 화학적으로 유사한 화합물은 안출된 솔더 페이스트 배합물에서 발견되는 긍정적인 안정화 및 점도에 기여하고, 안출된 솔더 페이스트 배합물에 대한 바람직하고 그리고 가끔 필요한 첨가 제로서 고려된다. 또한, 디에탄올아민, 트리에탄올아민 또는 그 혼합물과 같은 아민 계열의 화합물의 첨가 또는 치환은 스텐실 장치와 조합하여 본질적으로 더욱 인쇄가능한 지점에 대한 페이스트 화합물의 젖음성을 개선할 수 있으며, 이에 의해 시간에 대하여 그리고 공정 동안 더욱 안정된다. 또한, 긴 사슬 이염기산과 같은 이염기산 화합물도 안정화 개선 재료로서 사용될 수 있다.

이와 같이, 전자적 상호연결부로서 이용된 개선된 솔더 재료의 특정 실시예 및 적용예가 개시되었다. 그러나, 전술된 것 외에도 더 많은 수정이 본 발명에 대한 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 또한, 본 명세서를 해석함에 있어서, 모든 용어는 그 내용과 양립하는 가장 넓은 가능한 방법으로 해석되어야만 한다. 특히, "포함한다" 및 "포함하는" 등의 용어는 구성 요소, 부품, 또는 단계를 비배제적 방법으로 언급하고 있는 것으로 해석되어야만 하며, 참조된 구성 요소, 부품, 또는 단계가 제공되거나 사용되거나 또는 명확하게 참조되지 않은 다른 구성 요소, 부품, 또는 단계와 조합될 수 있다는 것을 나타내는 것으로 해석되어야만 한다.

Claims

열 전도도를 갖는 무연 솔더 조성물에 있어서,

적어도 대략 2%의 은;

적어도 대략 60%의 비스무트; 및

은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 상기 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속;

을 포함하며,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 허용 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는,

무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

게르마늄, 인듐 또는 그 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 구리, 아연, 마그네슘, 알루미늄 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

적어도 대략 7%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

적어도 대략 20%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

적어도 대략 72%의 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

적어도 대략 93%의 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

대략 15% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제8항에 있어서,

대략 10% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제9항에 있어서,

대략 5% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제2항에 있어서,

Bi10Ag10Cu-Ge인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제2항에 있어서,

1% 미만의 인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제12항에 있어서,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

상기 조성물은 솔더 페이스트, 폴리머 솔더, 솔더 계열 배합물 또는 그 조합을 형성하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제1항에 있어서,

적어도 하나의 담지 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
제15항에 있어서,

상기 적어도 하나의 담지 재료는 적어도 하나의 로진 재료, 적어도 하나의 유동 첨가제 또는 재료, 적어도 하나의 폴리머 첨가제 또는 재료, 적어도 하나의 용제 또는 용제 혼합물, 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물.
열 전도도를 갖는 무연 솔더 조성물을 제조하는 방법에 있어서,

적어도 대략 2%의 은을 제공하는 단계;

적어도 대략 60%의 비스무트를 제공하는 단계;

은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 상기 솔더 조성물의 열 전도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 제공하는 단계;

상기 비스무트를 상기 적어도 하나의 첨가 금속과 혼합하여 비스무트-금속 혼합물을 형성하는 단계; 및

상기 비스무트-금속 혼합물을 구리와 혼합하여 상기 솔더 조성물을 형성하는 단계;

를 포함하며,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 허용 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는,

무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하며,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 구리, 아연, 마그네슘, 알루미늄 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 게르마늄, 인듐 또는 그 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 7%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 20%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 72%의 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 93%의 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 대략 15% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제25항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 대략 10% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제26항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 대략 5% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제20항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 1% 미만의 인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
열 전도도를 갖는 무연 솔더 조성물을 제조하는 방법에 있어서,

적어도 대략 2%의 은을 제공하는 단계;

적어도 대략 60%의 비스무트를 제공하는 단계;

은과 비스무트로 이루어진 비교 솔더 조성물에 비하여 솔더 조성물의 열 전 도도를 증가시키는 양의 적어도 하나의 첨가 금속을 제공하는 단계

상기 은을 상기 적어도 하나의 첨가 금속과 혼합하여 은-금속 혼합물을 형성하는 단계; 및

상기 은-금속 혼합물을 비트무스와 혼합하여 상기 솔더 조성물을 형성하는 단계;

를 포함하며,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 고상선 온도를 상당하게 변화시키지 않으며, 액상선 온도를 허용 액상선 온도 범위 밖으로 이동시키지 않는,

무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 게르마늄, 인듐 또는 그 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하며,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 구리, 아연, 마그네슘, 알루미늄 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 7%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 20%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 72%의 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 적어도 대략 93%의 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 대략 15% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제36항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 대략 10% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제37항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 대략 5% 미만의 상기 적어도 하나의 첨가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제30항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 Bi10Ag10Cu-Ge인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제30항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 1% 미만의 인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제29항에 있어서,

상기 적어도 하나의 첨가 금속은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
제17항 또는 제29항에 있어서

게르마늄을 제공하는 단계; 및

상기 솔더 조성물이 300℃ 이하로 냉각되면 상기 게르마늄을 상기 솔더 조성물과 혼합하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 조성물 생산 방법.
표면부 또는 기판;

전기적 상호 연결부;

제1항에 기재된 상기 솔더 조성물; 및

반도체 다이 또는 패키지;

를 포함하는 층을 이루는 재료.
제43항에 있어서,

상기 표면부 또는 기판은 인쇄 회로 보드, 리드 프레임 또는 적합한 전자 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 층을 이루는 재료.
제43항에 있어서,

상기 솔더 조성물은 와이어 형상, 리본 형상, 구 형상 또는 그 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 층을 이루는 재료.