KR20110036541A - 무연 주석계 땜납과의 가공 상용성을 위한 금-주석-인듐 땜납 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 금, 주석 및 인듐으로 제조된 무연 납땜 합금에 관한 것이다. 여기서, 주석은 17.5% 내지 20.5%의 농도로 존재하고, 인듐은 2.0% 내지 6.0%의 농도로 존재하고, 나머지는 금이며, 상기 합금이 290℃ 내지 340℃, 바람직하게는 300℃ 내지 340℃의 융점을 갖는다. 상기 납땜 합금은 반도체 장치를 용접 밀봉하는데 특히 유용하며, 그 이유는, 상기 합금의 융점이 밀봉후 가열을 허용할 만큼 충분히 높고 손상 없이 반도체를 밀봉하기에 충분히 낮기 때문이다.
Description
본 발명은, 반도체 및 특수 장치를 용접 밀봉하기 위한 신규한 무연(lead-free) 땜납에 관한 것이다. 이러한 밀봉 땜납은 290℃ 내지 340℃, 바람직하게는 300℃ 내지 340℃의 융점을 갖는다. 유리하게도, 이렇게 밀봉된 장치는, 밀봉의 완전성을 손상시키지 않으면서 후속적으로 납땜할 수 있다.
현재, 반도체 장치는, 금의 농도가 78% 내지 81% 범위이고 주석의 농도가 19% 내지 22% 범위인 금-주석(Au-Sn) 땜납을 사용하여 용접 밀봉된다. 이러한 땜납은 40년이 넘게 반도체 장치에 사용되었으며, 280℃의 융점을 갖는다(쿠프만(Koopman)의 미국 특허 제 4,492,842 호 참조). 반도체 장치 및 많은 전자 장치들은 후속적으로, 183℃ 내지 195℃의 융점을 갖는 밀봉후 땜납으로서 주석-납 땜납을 사용하여 인쇄 회로 기판 상에 납땜된다. 이러한 밀봉후 땜납의 공정 온도는 전형적으로 상기 융점보다 35℃ 내지 50℃ 높다(즉, 218℃ 내지 245℃). 반도체 장치의 리드(lead) 및 인쇄 회로 기판의 구리 회로 상에서 땜납이 유동하도록 하기 위해서는 과열이 필요하다. 245℃ 이하의 온도에서 반도체 장치를 가공하는 것은, 금-주석 밀봉 땜납이 280℃까지는 재-용융되지 않을 것이기 때문에 아무런 문제가 없다.
주석-납 땜납을 대체하는 기존의 무연 땜납은 217℃에서 용융하며, 270℃에 가까운 공정 온도를 필요로 한다. 이러한 공정 온도는, 상기 장치를 밀봉하는데 사용되는 Au-Sn 땜납의 용융 온도(280℃)에 위험하게 가까운 것이다. 하나의 대안은, 주석계 땜납을 포기하고, 약 85%의 납을 함유하는 납계 땜납을 사용하는 것이다. 이러한 납 땜납은 약 300℃의 융점을 갖는다. 그러나, 납계 땜납의 사용은 일반적으로 전자 산업에서 기피되고 있다.
가전 제품으로부터 지속적으로 납이 제거됨에 따라, 반도체 다이 접착 및 상기 반도체 장치의 용접 밀봉을 위해 더 고온의 땜납을 개발할 필요성이 있다. 통상적인 Au-Sn계 및 납계 땜납을 무연 고온 땜납으로 대체하는 것이 요구되고 있다. 이러한 요구는, 반도체 다이 접착 땜납 및 반도체 장치의 용접 밀봉 땜납으로서 사용하기에 특히 적합한 융점 및 용접 밀봉능을 갖는 본 발명의 무연 합금에 의해 충족된다.
본 발명은, 반도체 다이 접착 및 반도체 패키지의 용접 밀봉에 적합하고 290℃ 초과, 바람직하게는 300℃ 초과의 융점을 갖는 금 땜납을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 상기 땜납은, Au-Sn 땜납의 융점을 증가시키기 위해 인듐으로 도핑된 Au-Sn계 땜납이다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 이러한 인듐-개질된 금-주석계 땜납은 공지된 반도체 다이 접착 방법에 적합할 뿐만 아니라, 270℃를 초과하는 온도에서의 후속적인 무연 땜납 작업 동안 본 발명의 땜납이 재유동하는 것을 방지하기에 충분히 높은 융점에서 반도체 장치를 용접 밀봉하는데 적합하다. 본 발명은 또한, 땜납이 혼입된 반도체 장치 및 상기 장치의 제조를 위한 290℃ 내지 340℃, 더욱 바람직하게는 300℃ 내지 340℃, 더더욱 바람직하게는 300℃ 내지 320℃의 융점을 갖는 금계 땜납의 용도에 관한 것이다.
본원에 기술된 무연 납땜 물질은 본질적으로 금, 주석 및 인듐의 합금으로 이루어지며, 이때 상기 합금의 융점은 290℃ 초과, 바람직하게는 300℃ 초과, 더욱 바람직하게는 300℃ 내지 340℃ 범위, 더더욱 바람직하게는 300℃ 내지 320℃ 범위이다.
상기 합금은 99.95% 이상 순수한 것이 바람직하다. 전술된 합금은 17.5% 내지 20.5%의 주석, 2.0% 내지 6.0%의 인듐 및 나머지 양의 금, 및 미량 불순물을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 상기 납땜 물질은 약 19.3%의 주석 농도 및 약 4.5%의 인듐 농도를 갖는다. 다른 적합한 농도도 고려된다. 예를 들어, 다른 실시양태에서, 상기 주석 농도는 18.3% 내지 20.3% 범위이며, 상기 인듐은 3.5% 내지 5.5% 범위이다. 상기 납땜 물질은 다양한 분야에 유용하지만, 특히 반도체 분야에 유용하다.
반도체 장치는 종종, 약 280℃의 융점을 갖는 금-주석 땜납을 사용하여 용접 밀봉된다. 금-주석 땜납은 밀봉되지 않은 패키지에 적용된다. 생성 어셈블리는, 상기 땜납이 재유동하기에 충분한 온도로 가열된다. 냉각시, 상기 패키지는 상기 땜납에 의해 용접 밀봉된다. 이러한 밀봉 단계에 사용되는 땜납의 융점은, 반도체 장치 자체에 손상을 주지 않을 정도로 충분히 낮아야 한다. 이러한 밀봉된 장치에 추가적인 구성요소를 접착하는데 밀봉후 작업이 사용될 수 있으며, 이러한 작업은 전형적으로 후속적인 납땜 단계를 포함한다. 밀봉후 땜납이 상기 밀봉 땜납에 적합한 융점을 갖는지를 확인하는데 주의해야 한다. 따라서, 바람직한 융점의 임계 범위가 존재한다. 상기 밀봉 땜납의 융점은, (1) 장치를 손상시키지 않고 장치를 용접 밀봉할 만큼 충분히 낮아야 하고, (2) 밀봉 완전성을 파괴하지 않고 밀봉후 가열을 허용할 만큼 충분히 높아야 한다.
유리하게도, 본원에 기술된 납땜 물질이 이러한 파라미터를 만족시킨다. 상기 금-주석-인듐 납땜 물질은, 상기 납땜 물질의 재유동 및 후속적인 밀봉 완전성의 손상 없이 270℃ 초과의 온도에서 밀봉후 공정을 가능하게 한다. 본 발명의 납땜 물질의 추가적인 이점은, 이의 융점이, 반도체 장치를 손상시키지 않으면서 반도체 장치의 용접 밀봉을 가능하게 할 정도로 충분히 낮다는 것이다(340℃ 미만, 더욱 바람직하게는 320℃ 미만).
본 발명의 하나의 방법에서, 상기 금-주석-인듐 땜납은 반도체 패키지의 표면에 적용된다. 생성 어셈블리는, 납땜용 땜납이 재유동하여 상기 패키지를 용접 밀봉하기에 충분한 온도로 가열된다. 후속적으로, 이러한 밀봉된 장치는, 가열을 포함하는 밀봉후 작업(예컨대, 밀봉후 납땜 등)으로 처리될 수 있다. 이러한 납땜용 땜납은 290℃ 초과, 더욱 바람직하게는 300℃ 초과의 융점을 갖기 때문에, 고온(예컨대, 270℃)에서의 밀봉후 가열은 밀봉용 땜납의 재유동을 유발하지 않으며, 따라서 밀봉의 완전성을 손상시키지 않는다.
본 발명이 바람직한 실시양태를 참고로 하여 기술되었지만, 당업자는, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 다양한 변화가 수행될 수 있으며, 특정 상황에 적합하도록 본 발명의 요소들이 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은, 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최적의 방식으로서 개시된 특정 실시양태로 한정되는 것이 아니며, 첨부된 특허청구범위의 범주 및 진의 내에 드는 모든 실시양태를 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (14)
- 금, 주석 및 인듐의 합금으로 본질적으로 이루어진 무연(lead-free) 납땜 물질(soldering material)로서,
주석이 17.5% 내지 20.5%의 농도로 존재하고, 인듐이 2.0% 내지 6.0%의 농도로 존재하고, 나머지는 금이며,
상기 합금이 300℃ 초과의 융점을 갖는, 납땜 물질. - 제 1 항에 있어서,
상기 합금이 300℃ 내지 340℃ 범위의 융점을 갖는, 납땜 물질. - 제 1 항에 있어서,
상기 합금이 300℃ 내지 320℃ 범위의 융점을 갖는, 납땜 물질. - 제 1 항에 있어서,
상기 합금이 305℃ 내지 315℃ 범위의 융점을 갖는, 납땜 물질. - 제 3 항에 있어서,
주석이 18.3% 내지 20.3%의 농도로 존재하고, 인듐이 3.5% 내지 5.5%의 농도로 존재하는, 납땜 물질. - 제 3 항에 있어서,
주석이 약 19.3%의 농도로 존재하고, 인듐이 약 4.5%의 농도로 존재하는, 납땜 물질. - 무연 납땜 물질로 반도체 패키지를 용접 밀봉하는 방법으로서,
납땜 물질을 반도체 패키지의 표면에 적용하는 단계, 및
상기 납땜 물질을, 상기 반도체 패키지가 용접 밀봉되도록 상기 납땜 물질이 재유동하기에 충분한 온도로 가열하는 단계
를 포함하되,
상기 납땜 물질이 금, 주석 및 인듐의 합금으로 본질적으로 이루어지고, 이때 주석이 17.5% 내지 20.5%의 농도로 존재하고, 인듐이 2.0% 내지 6.0%의 농도로 존재하고, 나머지는 금이고, 상기 합금이 300℃ 내지 320℃ 범위의 융점을 갖는 것인, 밀봉 방법. - 제 7 항에 있어서,
밀봉후 작업 동안, 상기 납땜 물질의 재유동 없이, 상기 용접 밀봉된 반도체 패키지의 일부를 270℃ 초과의 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 밀봉 방법. - 무연 납땜 물질을 사용하여 반도체 장치를 표면에 장착하는 방법으로서,
납땜 물질을 반도체 장치에 적용하는 단계,
상기 반도체 장치를 표면에 위치시키되, 상기 납땜 물질이 상기 반도체 장치와 상기 표면 둘 다에 접촉하도록 하는 단계,
상기 납땜 물질을, 상기 납땜 물질이 재유동하기에 충분한 온도로 가열하는 단계, 및
상기 납땜 물질을 냉각시켜, 상기 반도체 장치를 상기 표면에 장착하는 단계
를 포함하되,
상기 납땜 물질이 금, 주석 및 인듐의 합금으로 본질적으로 이루어지고, 이때 주석이 17.5% 내지 20.5%의 농도로 존재하고, 인듐이 2.0% 내지 6.0%의 농도로 존재하고, 나머지는 금이고, 상기 합금이 300℃ 내지 320℃ 범위의 융점을 갖는 것인, 장착 방법. - 제 9 항에 있어서,
장착후 작업 동안, 상기 납땜 물질의 재유동 없이, 상기 반도체 장치의 일부를 270℃ 초과의 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 장착 방법. - 납땜 물질로 용접 밀봉된 반도체 장치를 포함하는 용접 밀봉된 반도체 어셈블리로서,
상기 납땜 물질이 금, 주석 및 인듐의 합금으로 본질적으로 이루어지고, 이때 주석이 17.5% 내지 20.5%의 농도로 존재하고, 인듐이 2.0% 내지 6.0%의 농도로 존재하고, 나머지는 금이고, 상기 합금이 300℃ 내지 320℃ 범위의 융점을 갖는 것인, 반도체 어셈블리. - 금, 주석 및 인듐의 합금으로 본질적으로 이루어진 무연 납땜 물질로서,
이때 주석이 17.5% 내지 20.5%의 농도로 존재하고, 인듐이 2.0% 내지 6.0%의 농도로 존재하고, 나머지는 금이고, 상기 합금이 290℃ 내지 320℃ 범위의 융점을 갖는, 납땜 물질. - 제 12 항에 있어서,
주석이 18.3% 내지 20.3%의 농도로 존재하고, 인듐이 3.5% 내지 5.5%의 농도로 존재하는, 납땜 물질. - 제 12 항에 있어서,
주석이 약 19.3%의 농도로 존재하고, 인듐이 약 4.5%의 농도로 존재하는, 납땜 물질.
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