KR20130067670A - 주석계 솔더 볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지 - Google Patents

주석계 솔더 볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지 Download PDF

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KR20130067670A
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Abstract

주석계 솔더 볼 및 이를 포함하는 패키지가 제공된다. 상기 주석계 솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄(Al) 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 상기 주석계 솔더 볼은 내산화성이 우수하다.

Description

주석계 솔더 볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지{Tin-based solder ball and semiconductor package including the same}
본 발명은 주석계 솔더 볼 및 반도체 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 은 및 구리를 포함하는 주석계 솔더 볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지에 관한 것이다.
기존의 반도체 패키지는 리드 프레임을 사용하여 인쇄 회로 기판 상에 반도체 칩을 실장한다. 리드 프레임을 사용하는 경우 반도체 칩을 봉지하는 패키지 몸체의 외측으로 리드 프레임의 리드가 연장된 구조를 가지며, 상기 리드를 기판 상에 솔더링하는 것에 의해 실장이 이루어지므로, 넓은 실장 면적을 필요로 한다. 한편, 전자 장치의 고성능화 및 소형화 추세에 맞추어, 리드 프레임 대신 솔더 볼을 사용한 반도체 패키지가 개발되고 있다. 솔더 볼 물질로는, 접착성이 우수하고 전자 기기에 사용되기 적합한 융점(melting point)를 가지는 주석-납(Sn-Pb) 합금을 사용한 솔더 볼이 주로 사용되어 왔다. 그러나, 납으로 인한 환경 오염 문제를 줄이기 위하여 납을 포함하지 않는 솔더 볼, 예를 들어 주석, 은 및 구리(Sn-Ag-Cu)의 3원계 무연(lead-free) 솔더 합금이 솔더 볼에 사용되도록 제안되고 있다. 이러한 주석계 솔더 볼의 경우, 솔더 볼의 퍼짐성 및 젖음성(wetting), 고온 고습 환경에서 산화에 취약한 문제점이 있다.
1. 일본등록특허 제3602529호 (2004.10.01. 등록) 2. 일본등록특허 제4392020호 (2009.10.16. 등록) 3. 일본공개특허 제2004-188453호 (2004.07.08. 공개)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 내산화성이 우수한 주석계 솔더 볼을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 주석계 솔더 볼을 포함하는 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 주석계 솔더 볼은, 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄(Al) 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주석계 솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.002 내지 0.2 중량비의 알루미늄(Al) 및 0.002 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주석계 솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량비의 인(P) 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 주석계 솔더 볼은, 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량비의 인(P) 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 주석계 솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량비의 인(P) 및 0.002 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.03 중량비의 인(P) 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 패키지는 상기 주석계 솔더 볼들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 주석계 솔더볼은 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄(Al) 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 상기 주석계 솔더 볼은 고온 고습 보관 후 퍼짐 특성이 우수하고, 변색이 방지되는 등 내산화성이 우수하다.
도 1a 내지 도 1c는 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼을 포함하는 반도체 패키지를 도시하기 위한 개략도들이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 조성을 달리하여 제조한 솔더 볼의 조성비를 나타낸다.
도 3a 내지 도 8b은 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 고온 고습 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 9는 대표적인 실시예들을 고온 고습 분위기에서 168 시간 보관한 후 변색 정도를 나타내는 이미지이다.
도 10는 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 경도 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 낙하 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼을 포함하는 반도체 패키지를 도시하기 위한 개략도들이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 패키지(100)는 솔더 볼(10), 인쇄 회로 기판(20), 반도체 칩(30), 본딩 와이어(40) 및 밀봉재(50)를 포함한다. 인쇄 회로 기판(20) 상에 반도체 칩(30)이 실장되고, 반도체 칩(30)은 본딩 와이어(40)를 통해 인쇄 회로 기판(20)과 전기적으로 연결된다. 솔더 볼(10)은 인쇄 회로 기판(20)의 하부에 부착되며, 인쇄 회로 기판(20)에 형성된 비아(도시되지 않음)를 통하여 반도체 칩(30)과 전기적으로 연결된다. 인쇄 회로 기판(20) 상에 반도체 칩(30) 및 본딩 와이어(40)를 밀봉하는 밀봉재(50)가 형성된다. 솔더 볼(10)의 조성 및 형상에 대하여 이후에 상세히 설명하도록 한다. 도 1a에는 하나의 반도체 칩(30)이 실장된 것을 도시하였으나, 이와는 달리 복수의 반도체 칩들(30)이 실장될 수도 있다.
도 1b를 참조하면, 반도체 패키지(200)에는 제1 솔더 볼(10a) 및 제2 솔더 볼(10b)이 포함될 수 있다. 인쇄 회로 기판(20) 상에 반도체 칩(30)이 제1 솔더 볼(10a)을 통해 연결된다. 인쇄 회로 기판(20) 하부에 제2 솔더 볼(10b)이 부착되어, 인쇄 회로 기판(20)에 형성된 비아(도시되지 않음)를 통하여 반도체 칩(30)과 전기적으로 연결된다. 인쇄 회로 기판(20) 상에 반도체 칩(30) 및 제1 솔더 볼(10a)을 밀봉하는 밀봉재(50)가 형성된다. 제1 솔더 볼(10a)은 제2 솔더 볼(10b)와 실질적으로 동일한 조성을 갖는 주석계 솔더 볼일 수 있다. 제1 솔더 볼(10a)은 제2 솔더 볼(10b)보다 작은 크기로 형성될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 반도체 패키지(300)는 반도체 칩(30) 및 솔더 볼(10)을 포함할 수 있다. 반도체 칩(30)은 에스오씨(system on chip: SOC) 또는 에스아이피(system in package: SIP)일 수 있다.
이하에서, 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼에 대하여 설명한다.
예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag) 및 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu)를 포함하고, 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄(Al), 0.001 내지 0.3 중량비의 인(P) 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄(Ge) 중 적어도 하나를 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 예를 들면, 솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은, 0.1 내지 1 중량비의 구리, 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄을 포함하며, 잔부의 주석 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은을 포함할 수 있다. 주석계 솔더 볼에 은이 포함되는 경우, 솔더 볼의 부착성이 향상될 수 있다. 한편, 은의 함량이 너무 큰 경우 융점이 상승하여 범프 형성이 어렵다.
솔더 볼은 0.1 내지 1 중량비의 구리를 포함할 수 있다. 구리가 일부 포함되는 경우, 솔더 볼의 접합 특성 및 접합 강도가 향상된다. 한편, 구리 함량이 너무 큰 경우, 고온에서 구리 브릿지(copper bridge)가 형성될 수 있고, 구리 내에 보이드(void)가 형성되어 접합 특성이 저하될 수 있다.
알루미늄, 인 또는 게르마늄은 주석-은-구리 3원계의 솔더 볼에 소량 첨가되어 솔더 볼 산화를 방지할 수 있다. 예를 들면, 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄을 포함하는 솔더 볼은 고온 고습 분위기에서 내산화성이 향상된다. 알루미늄, 인 또는 게르마늄은 각각 소량 첨가되는 경우, 상기 첨가된 원소들이 주석보다 먼저 산화되어 솔더 볼 표면에 자연 산화막을 형성함으로써 주석의 산화를 방지할 수 있다. 한편, 알루미늄, 인 또는 게르마늄이 첨가량이 너무 많은 경우에는 구리와의 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하거나 용출되어 산화됨으로써 솔더 볼의 성능을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼은 0.2 내지 4 중량비의 은 및 0.1 내지 1 중량비의 구리를 포함하고, 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄, 0.001 내지 0.3 중량비의 인 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄 중 적어도 하나를 포함하며, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있고, 고온 고습 특성이 향상될 수 있다. 예를 들면, 고온 고습 환경에서 일정 기간 보관 후 솔더 볼의 퍼짐 특성을 평가하거나, 솔더 볼 내에 잔류하는 산소의 함량을 측정하여 내산화성을 평가할 수 있다. 본 발명에 따른 솔더 볼의 실험예들의 내산화성을 나타내는 그래프들 및 이미지를 도 3a 내지 도 9을 참조하여 설명하도록 한다.
이하에서는, 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 제조 방법, 고온 고습 특성 및 기계적 강도 특성 평가 방법을 설명하도록 한다.
1. 실험예 및 비교예의 제조
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 조성을 달리하여 제조한 솔더 볼의 조성비를 나타낸다.
실험예들은 각각 은, 구리 및 주석을 포함하며, 알루미늄, 인 및 게르마늄 중 적어도 하나의 원소를 소량 포함한다. 구체적으로, 각각의 실험예들은 0.2 내지 4 중량비의 은 및 0.1 내지 1 중량비의 구리를 포함하고, 0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄, 0.001 내지 0.3 중량비의 인 및 0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄 중 하나 이상을 포함하며, 잔부의 주석을 포함하도록 제조될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 원소에 대한 조성비를 달리하여 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼을 제조하였다. 비교예는 0.1 내지 5 중량비의 은, 0.1 내지 2 중량비의 구리 및 잔부의 주석으로 이루어지는 솔더 볼을 사용하였다. 실험예와 비교예에 따른 솔더 볼은 0.3mm의 직경을 갖는 볼 형상으로 제조하였다.
2. 고온 고습 보관
정상 온습 수명 시험(JESD22-A-101-B) 조건에 따라 솔더 볼을 85도 온도 및 85% 습도 분위기의 챔버 내에 각각 72 시간 및 168 시간 동안 보관하였다.
3. 퍼짐성 특성 평가
예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼 및 비교예에 따른 솔더 볼을 고온 고습 분위기에서 보관한 후 퍼짐 특성을 평가하였다. 퍼짐성 특성은 JIS Z 3198-3에 따른 무연 솔더의 퍼짐성 테스트 조건을 사용하여 테스트하였다. 구체적으로, 염산(HCl) 용액을 사용하여 연마(polishing)된 동판 위에 플럭스(flux)를 도포하고, 솔더 볼을 플럭스 상에 부착한 후 리플로우(reflow) 공정을 수행한다. 리플로우 공정 후 솔더 볼이 펼쳐진 면적의 직경을 측정하였다.
4. 산소 함량 측정
예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼 및 비교예에 따른 솔더 볼을 고온 고습 분위기에서 보관한 후 솔더 볼 내에 잔류하는 산소 함량을 측정하였다. 구체적으로, 헬륨 등의 불활성 기체 분위기에서 솔더 볼 1g에 열을 가하여 순간적으로 용융시킬 때 발생하는 이산화탄소의 양을 측정함으로써 산소의 양을 계산하였다.
5. 변색 정도 관찰
예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼 및 비교예에 따른 솔더 볼을 고온 고습 분위기에서 각각 72 시간 및 168 시간 보관한 이후 육안으로 솔더 볼의 변색 정도를 관찰하였다. 솔더 볼의 초기 상태는 광택이 있는 금속성의 은회색이다. 고온 고습 분위기에서 보관한 후, 솔더 볼이 초기 색으로부터 거의 변화가 없는 은회색일 때 Χ로 표시하고, 솔더 볼의 색이 약간 어둡고 부분적으로 황색을 띠는 경우 △로 표시하였다. 솔더 볼이 변색되어 누르스름한 황색을 띠는 경우 ○로 표시하였다.
6. 경도(hardness) 평가
예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼 및 비교예에 따른 솔더 볼의 경도 테스트를 통해 기계적 물성을 평가하였다. 경도 테스트는 초기 상태의 솔더 볼 및 리플로우 후의 솔더 볼에 각각 10mN의 하중을 15초 동안 인가함에 따라 압입되는 자국의 길이를 측정하는 방식으로 테스트하였다.
7. 낙하 테스트
예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼 및 비교예에 따른 솔더 볼의 낙하 테스트를 통해 접합 신뢰성을 평가하였다. 접합 신뢰성 테스트를 위한 패키지는 수용성 플럭스를 도포한 패키지 전극 측에 지름 0.3mm의 솔더 볼을 탑재하고, 리플로우 납땜한 후 솔더 페이스트를 인쇄한 기판 측 전극에 접합하였다.
낙하 테스트는 JESD22-B104에 따른 기계적 충격(mechanical shock) 테스트 조건을 사용하여 평가하였다. 구체적으로, 1500g, 0.5ms의 조건으로 솔더 볼의 접합이 떨어질 때까지 기판을 낙하시켜 칩의 부착 여부를 관찰하였다. 낙하 횟수는 총 173회로 접합이 떨어질 때까지 테스트를 수행하여 누적 불량 확률을 구했다. 기판 낙하 횟수와 누적 불량 확률의 관계에 대한 분포를 표시하였다.
도 3a 내지 도 8b은 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 고온 고습 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 3a 및 도 3b에는 알루미늄을 0.002 내지 0.2 중량비 첨가한 주석-은-구리 솔더 볼의 알루미늄 조성에 따른 고온 고습 보관 후 산소 함량 및 퍼짐 특성을 도시하였다. 이하의 표 1에 알루미늄 첨가량을 달리한 솔더 볼의 고온 고습 특성을 표시하였다.
샘플 조성 (wt%) 고온고습 특성 (0.3mm 기준)
Sn Ag Cu Al P Ge 변색정도 퍼짐성 (μm) 산소분석(ppm)
72hr 168hr 72hr 168hr 72hr 168hr
비교예 1 잔부 3 0.5 - - - O O 50 42 80 112
실험예 1 잔부 3 0.5 0.002 - - O O 100 60 76 96
실험예 2 잔부 3 0.5 0.005 - - △ O 400 80 66 74
실험예 3 잔부 3 0.5 0.02 - - X △ 420 340 32 65
실험예 4 잔부 3 0.5 0.1 - - X △ 411 335 36 64
실험예 5 잔부 3 0.5 0.2 - - X △ 250 200 45 70
도 3a를 참조하면, 알루미늄을 함유한 솔더 볼의 경우, 알루미늄의 첨가량이 증가할수록 고온 고습 보관 후 솔더 볼 내의 산소 함량이 감소하고, 알루미늄 첨가량이 특정 함량 이상으로 커지는 경우 오히려 솔더 볼 내의 산소 함량이 증가한다.
구체적으로, 알루미늄을 포함하지 않은 비교예의 경우 고온 고습 챔버에서 72 시간을 보관한 후 솔더 볼에 잔류하는 산소 함량은 80ppm이다. 본 발명의 실시예에 따라 알루미늄의 첨가량이 0.002, 0.005, 0.02, 0.1 및 0.2 중량비로 증가한 경우, 76, 66, 32, 36 및 45ppm의 잔류 산소 함량을 나타낸다. 즉, 알루미늄 첨가량이 증가함에 따라 잔류 산소 함량이 감소하고, 알루미늄 첨가량이 더욱 증가하는 경우 잔류 산소 함량이 오히려 증가한다. 따라서, 알루미늄 0.02 중량비 내지 0.1 중량비 포함한 솔더 볼(실험예 3 및 실험예 4)의 경우 가장 적은 잔류 산소 함량을 나타낸다.
고온 고습 챔버에서 168 시간 보관하는 경우, 비교예는 112ppm으로 잔류 산소 함량이 72 시간 보관의 경우보다 증가하였으며 이는 고온 고습 챔버에서의 보관 시간이 증가할수록 솔더 볼의 산화가 발생하기 때문이다. 실험예의 경우에도 모두 72 시간의 잔류 산소 함량 보다 168 시간 보관시 잔류 산소 함량이 증가하였다. 그러나, 72 시간의 경우와 마찬가지로 알루미늄 0.02 중량비 내지 0.1 중량비 포함한 솔더 볼(실험예 3 및 실험예 4)의 경우 가장 적은 잔류 산소 함량을 보인다.
고온 고습 보관 후 솔더 볼 내에 잔류하는 산소 함량은 주석, 알루미늄 등의 금속의 산화 정도에 따라 달라지며, 비교예의 경우 고온 고습 보관시 주석이 쉽게 산화되기 때문에 잔류 산소 함량도 증가한다. 한편, 알루미늄을 첨가한 실험예들의 경우, 일정 함량(약 0.02 중량비의 알루미늄)까지 첨가할 때 알루미늄에 의한 표면 산화막이 우선 형성됨에 따라 솔더 볼의 산화를 억제하는 경향이 있으나, 알루미늄 첨가량이 너무 많으면 알루미늄의 산화로 인해 솔더 볼 전체의 특성을 저하시킨다.
도 3b를 참조하면, 알루미늄을 함유한 솔더 볼의 경우, 알루미늄의 첨가량이 증가할수록 고온 고습 보관 후 솔더 볼의 퍼짐 특성이 향상되고, 알루미늄 첨가량이 특정 함량 이상으로 커지는 경우 오히려 솔더 볼의 퍼짐 특성이 저하된다.
구체적으로, 알루미늄을 포함하지 않은 비교예의 경우 고온 고습 챔버에서 72 시간을 보관한 후 솔더 볼의 퍼짐 특성은 50㎛이다. 알루미늄의 첨가량이 0.002, 0.005, 0.02, 0.1 및 0.2 중량비로 증가한 경우, 100, 400, 420, 411 및 250㎛의 퍼짐 특성을 나타낸다. 즉, 알루미늄 첨가량이 증가함에 따라 퍼짐 특성이 향상되며, 알루미늄 첨가량이 더욱 증가하는 경우 퍼짐 특성이 오히려 저하된다. 알루미늄 0.005 중량비 내지 0.1 중량비 포함한 솔더 볼(실험예 2, 실험예 3 및 실험예 4)의 경우 가장 우수한 퍼짐 특성을 나타낸다.
고온 고습 챔버에서 168 시간 보관하는 경우, 비교예는 42㎛으로 퍼짐 특성이 72 시간 보관의 경우보다 저하되었으며 이는 고온 고습 챔버에서의 보관 시간이 증가할수록 솔더 볼의 산화가 발생하기 때문이다. 실험예의 경우에도 모두 72 시간의 경우보다 168 시간 보관시 퍼짐 특성이 저하되었다. 그러나, 72 시간의 경우와 마찬가지로 알루미늄 0.02 중량비 내지 0.1 중량비 포함한 솔더 볼(실험예 3 및 실험예 4)의 경우 가장 우수한 퍼짐 특성을 보인다.
퍼짐 특성은 솔더 볼 내에 잔류하는 산소 함량과도 관련성을 가지며, 주석, 알루미늄 등 금속의 산화 정도에 따라 달라진다. 즉, 솔더 볼의 산화 정도가 커질수록 솔더 볼 내부에 원치 않는 산화물 등이 형성되어 솔더 볼의 용융점이 높아지고 솔더 볼의 취성(brittleness)이 증가할 수 있고, 이에 따라 솔더 볼을 기판 상에 접합시키는 리플로우 과정에서 용이하게 퍼지지 못할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에는 게르마늄을 0.001 내지 0.05 중량비 첨가한 주석-은-구리 솔더 볼의 게르마늄 조성에 따른 고온 고습 보관 후 산소 함량 및 퍼짐 특성을 도시하였다. 이하의 표 2에 게르마늄 첨가량을 달리한 솔더 볼의 고온 고습 특성을 표시하였다.
샘플 조성 (wt%) 고온고습 특성 (0.3mm 기준)
Sn Ag Cu Al P Ge 변색정도 퍼짐성 (μm) 산소분석(ppm)
72hr 168hr 72hr 168hr 72hr 168hr
비교예 1 잔부 3 0.5 - - - O O 50 42 80 112
실험예 9 잔부 3 0.5 - - 0.001 O O 80 62 75 100
실험예 10 잔부 3 0.5 - - 0.01 X △ 414 402 33 64
실험예 11 잔부 3 0.5 - - 0.05 X △ 400 350 38 68
도 4a를 참조하면, 게르마늄을 함유한 솔더 볼의 경우, 게르마늄 함량이 많아질수록 고온 고습 보관 후 산소 함량이 감소한다. 구체적으로, 게르마늄을 포함하지 않는 비교예의 경우 72 시간 고온 고습 챔버에 보관한 후 잔류 산소 함량은 80ppm이나, 게르마늄을 0.001, 0.01 및 0.05 중량비 첨가한 실험예 9, 10 및 11은 각각 75, 33 및 38ppm의 잔류 산소 함량을 나타낸다. 또한, 168 시간 보관한 이후에도 비교예의 잔류 산소 함량이 112ppm인 반면, 게르마늄을 첨가한 실험예 9, 10 및 11은 각각 100, 64 및 68ppm의 잔류 산소 함량을 나타낸다. 즉, 게르마늄 첨가량이 증가함에 따라 내산화성이 향상되어 솔더 볼의 산화를 방지함을 알 수 있다.
도 4b를 참조하면, 게르마늄을 포함하는 솔더 볼은 고온 고습 보관 후 퍼짐 특성이 향상된다. 구체적으로, 게르마늄을 포함하지 않은 비교예의 경우 고온 고습 챔버에서 72 시간을 보관한 후 솔더 볼의 퍼짐 특성은 50㎛이다. 게르마늄의 첨가량이 0.001, 0.01 및 0.05 중량비로 증가한 경우, 80, 414 및 400㎛의 퍼짐 특성을 나타낸다. 고온 고습 챔버에서 168 시간 보관하는 경우, 비교예는 42㎛으로 퍼짐 특성이 72 시간 보관의 경우보다 저하되었으며, 실험예의 경우에도 각각 62, 402 및 400㎛을 나타낸다. 게르마늄의 함량 0.001 및 0.05 중량비를 포함한 솔더 볼(실험예 10 및 실험예 11)의 경우 168 시간 이후에도 퍼짐 특성이 우수하다.
도 5a 및 도 5b에는 0.02 내지 0.2 중량비의 알루미늄 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄을 포함한 주석-은-구리 솔더 볼의 게르마늄 조성에 따른 고온 고습 보관 후 산소 함량 및 퍼짐 특성을 도시하였다. 이하의 표 3에 알루미늄 및 게르마늄 첨가량을 달리한 솔더 볼의 고온 고습 특성을 표시하였다.
샘플 조성 (wt%) 고온고습 특성 (0.3mm 기준)
Sn Ag Cu Al P Ge 변색정도 퍼짐성 (μm) 산소분석(ppm)
72hr 168hr 72hr 168hr 72hr 168hr
비교예 1 잔부 3 0.5 - - - O O 50 42 80 112
실험예 12 잔부 3 0.3 0.02 - 0.01 X X 415 390 32 65
실험예 13 잔부 3 0.5 0.02 - 0.01 X X 452 448 28 32
실험예 14 잔부 3 0.5 0.02 - 0.05 X X 410 385 30 70
실험예 15 잔부 3 0.5 0.1 - 0.01 X X 412 395 33 68
실험예 16 잔부 3 0.5 0.1 - 0.05 X X 408 390 35 70
실험예 17 잔부 3 0.5 0.2 - 0.01 X △ 285 240 50 78
실험예 18 잔부 3 0.5 0.2 - 0.05 X △ 280 245 48 72
실험예 19 잔부 3 0.8 0.02 - 0.01 X X 418 415 36 55
도 5a를 참조하면, 알루미늄 및 게르마늄을 함유한 솔더 볼은 비교예에 비하여 우수한 내산화성을 갖는다.
구체적으로, 0.02 중량비의 알루미늄 및 0.01 중량비의 게르마늄을 포함하는 솔더 볼(실험예 13)은 72 시간 및 168 시간 이후 각각 28ppm 및 32ppm의 산소 함량 및 452㎛ 및 448㎛의 퍼짐 특성을 보여 가장 우수한 고온 고습 특성을 나타낸다. 또한, 고온 고습 보관 후 육안으로 관찰하였을 때 솔더 볼의 변색이 관찰되지 않았다. 한편, 0.2 중량비의 알루미늄을 포함하는 실험예 17 및 실험예 18은 게르마늄의 중량비와 무관하게 높은 잔류 산소 함량 및 낮은 퍼짐 특성을 보인다. 이는, 알루미늄을 일정 함량 이상 함유하는 솔더 볼의 경우 알루미늄이 보호막 형성에 작용하기보다는 오히려 산화되어 솔더 볼의 특성을 저하시킨다는 특성과 관련성이 있다.
도 6a 및 도 6b에는 0.001 내지 0.3 중량비의 인 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄을 포함한 주석-은-구리 솔더 볼의 고온 고습 보관 후 산소 함량 및 퍼짐 특성을 도시하였다. 이하의 표 4에 인 및 게르마늄 첨가량을 달리한 솔더 볼의 고온 고습 특성을 표시하였다.
샘플 조성 (wt%) 고온고습 특성 (0.3mm 기준)
Sn Ag Cu Al P Ge 변색정도 퍼짐성 (μm) 산소분석(ppm)
72hr 168hr 72hr 168hr 72hr 168hr
비교예 1 잔부 3 0.5 - - - O O 50 42 80 112
실험예 6 잔부 3 0.5 - 0.005 - △ O 378 55 71 98
실험예 7 잔부 3 0.5 - 0.01 - △ △ 402 338 64 80
실험예 8 잔부 3 0.5 - 0.03 - △ △ 380 324 74 88
실험예 20 잔부 3 0.5 - 0.01 0.01 X △ 450 392 30 54
실험예 22 잔부 1 0.5 - 0.01 0.01 X △ 442 366 33 61
도 6a를 참조하면, 인을 포함하는 솔더 볼은 인을 포함하지 않는 경우보다 내산화성이 다소 향상됨을 알 수 있다. 구체적으로, 인을 포함하지 않는 비교예 1의 경우 168 시간 후 산소 함량이 112ppm인 반면, 0.01 중량비의 인을 포함하는 실험예 7의 경우 산소 함량이 80ppm으로 감소함을 확인할 수 있다. 또한 도 6b에 도시된 바와 같이, 고온 고습 후 퍼짐 특성의 경우에도 실험예 7의 경우 168시간 후 338㎛을 나타내어, 비교예의 42㎛에 비하여 향상된 내산화성을 보임을 확인할 수 있다.
인 및 게르마늄을 모두 포함하는 경우, 인을 포함하는 조성보다 내산화성이 더욱 향상됨을 확인할 수 있다. 0.01 중량비의 인 및 0.01 중량비의 게르마늄을 포함하는 실험예 20의 경우, 고온 고습 보관 후 30ppm 및 54ppm의 잔류 산소 함량을 나타내고, 450㎛ 및 392㎛의 퍼짐 특성을 나타낸다.
도 7a는 대표적인 실시예들의 72시간 후 산소 함량을 나타내는 그래프이고, 도 7b는 168시간 후 산소 함량을 나타내는 그래프이다. 도 7a 및 도 7b에는 각각의 실시예군들 중 가장 우수한 내산화성을 갖는 실험예들을 비교하여 도시하였다. 예를 들면, 0.02 중량비의 알루미늄을 포함한 실험예 3, 0.01 중량비의 인을 포함한 실험예 7 및 0.02 중량비의 알루미늄 및 0.01 중량비의 게르마늄을 포함한 실험예 13을 비교예와 함께 도시하였다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 고온 고습 보관 후에 알루미늄을 포함하는 솔더 볼(실험예 3) 및 인을 포함하는 솔더 볼(실험예 7)의 경우 비교예에 비하여 적은 산소 함량을 나타내며, 알루미늄 및 게르마늄을 포함하는 솔더 볼(실험예 13)은 가장 적은 잔류 산소 함량을 보임에 따라 고온 고습 내산화성이 가장 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 알루미늄을 포함한 실험예 3의 경우 72 시간 이후의 산소 함량은 알루미늄 및 게르마늄을 포함하는 실험예 13과 큰 차이를 보이지 않으나, 168 시간 이후에는 알루미늄을 포함한 실험예 3의 산소 함량이 크게 증가하여 실험예 13과 현저한 차이를 나타낸다. 즉, 알루미늄을 사용한 경우 일정 시간까지는 내산화성이 우수하나, 그 이후에는 내산화성이 저하되는 반면, 게르마늄을 더 포함하는 솔더 볼의 경우 168시간 이후에도 내산화성이 우수함을 보인다.
도 8a는 대표적인 실시예들의 72시간 후 퍼짐 특성을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 168시간 후 퍼짐 특성을 나타내는 그래프이다. 도 8a 및 도 8b에는 0.02 중량비의 알루미늄을 포함한 실험예 3, 0.01 중량비의 인을 포함한 실험예 7 및 0.02 중량비의 알루미늄 및 0.01 중량비의 게르마늄을 포함한 실험예 13을 비교예와 함께 도시하였다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 고온 고습 분위기에서 72 시간 보관 후에 실험예들은 비교예보다 우수한 퍼짐 특성을 나타낸다. 168 시간 이후에 알루미늄을 포함한 실험예 3 및 인을 포함한 실험예 7의 경우 퍼짐 특성이 저하되었으나, 알루미늄 및 게르마늄을 포함한 실험예 13의 경우 여전히 우수한 퍼짐 특성을 나타냄을 알 수 있다. 이는, 도 7a 및 도 7b에서 도시한 바와 같이 솔더 볼 내에 잔류하는 산소 함량의 측정 결과와도 관련성을 가짐을 알 수 있다.
도 9는 대표적인 실시예들을 고온 고습 분위기에서 168 시간 보관한 후 변색 정도를 나타내는 이미지이다.
도 9(a)에는 비교예의 변색 정도를 도시하였다. 도 9(a)에서 관찰할 수 있듯이 알루미늄 또는 게르마늄 등이 첨가되지 않은 은-구리-주석의 삼원계 솔더 볼의 경우 황색으로의 변색이 관찰된다. 도 9(b) 및 도 9(c)의 경우, 즉, 각각 0.02 중량비의 알루미늄을 포함하는 실험예 3 및 0.01 중량비의 인을 포함하는 실험예 7의 경우, 다소 어두우며 약간 황색으로 변색되었음이 관찰된다. 반면 도 9(d)에 도시된 바와 같이 0.02 중량비의 알루미늄 및 0.01 중량비의 게르마늄을 포함하는 실험예 13의 경우 168 시간 동안 고온 고습 분위기에서 보관하더라도 은회색을 유지하였으며, 변색이 관찰되지 않았다.
도 10는 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 경도 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10에는 비교예로서 1 중량비의 은, 0.5 중량비의 구리 및 잔부의 주석을 포함하는 솔더 볼을 사용하였다. 실험예로서, 각각 0.02 중량비의 알루미늄, 게르마늄, 알루미늄 및 게르마늄을 포함하며 1 중량비의 은, 0.5 중량비의 구리 및 잔부의 주석을 포함하는 솔더 볼을 사용하였다. 도 10을 참조하면, 비교예 및 실험예들 각각의 경우에 초기 솔더 볼 상태에서 경도보다 리플로우 공정 후 솔더 볼의 경도가 감소하는 것을 알 수 있다. 특히, 연성(ductility)이 큰 알루미늄을 포함하는 실험예의 경우 솔더 볼 전체의 경도가 크게 감소한다. 한편, 인을 포함하는 실험예의 경우 솔더 볼의 경도가 오히려 증가한다. 이는, 인이 소량 첨가된 경우 구리 등과 반응하여 금속간 화합물을 형성할 수 있고, 이에 따라 솔더 볼의 경도 및 취성이 증가하는 경향과 관련이 있다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 솔더 볼의 낙하 테스트 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11에는 비교예로서 1 중량비의 은, 0.5 중량비의 구리 및 잔부의 주석을 포함하는 솔더 볼을 사용하였다. 실험예로서, 각각 0.02 중량비의 알루미늄, 게르마늄, 인을 포함하며 1 중량비의 은, 0.5 중량비의 구리 및 잔부의 주석을 포함하는 솔더 볼을 사용하였다. 이하의 표 5에 누적 낙하 불량 회수를 표시하였다.
누적 불량률(%) 비교예 알루미늄 인 게르마늄
20 1 44 1 5
40 44 61 18 40
60 61 62 29 72
80 79 105 31 75
100 92 173 42 88
도 11을 참조하면, 알루미늄을 포함하는 솔더 볼의 낙하 테스트 결과가 가장 우수함을 알 수 있다. 비교예의 경우, 제1회 낙하에서 누적 불량률 20%를 보였는데, 이는 전체 샘플의 20%가 제1회 낙하 후 접합이 끊어지는 불량을 보였음을 의미한다. 92회 낙하 후 누적 불량률 100%을 보여 92회 이후 전체 샘플 모두 접합이 끊어졌음을 알 수 있다. 반면, 알루미늄을 포함한 솔더 볼의 경우 제44회 낙하 이후 누적 불량률 20%를 보이고, 제173회 이후 누적 불량률 100%를 보임에 따라, 비교예의 낙하 테스트 결과보다 우수한 낙하 테스트 결과를 보인다. 알루미늄을 소량 첨가한 솔더 볼의 경우, 연성이 증가함에 따라 기계적 충격에 대한 내성이 향상됨을 알 수 있다. 한편, 인을 포함하는 솔더 볼의 경우, 제1회 낙하 이후 누적 불량률 20% 및 제42회 낙하 이후 누적 불량률 100% 등 비교예보다 낙하 특성이 좋지 않음을 알 수 있다. 이는 도 10의 결과와 비교할 때, 인을 포함한 솔더 볼의 경도가 상승하는 것과 관련성이 있다. 즉, 인을 포함하는 경우 솔더 볼의 경도가 증가하거나 취성이 증가할 수 있으므로, 이에 따라 낙하 시 기계적 강도에 대한 내성이 오히려 저하될 수 있다.
본 발명의 실험예들의 고온 고습 특성을 나타내는 실험 결과에 따르면, 0.02 내지 0.2 중량비의 알루미늄 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄을 포함하는 주석계 솔더 볼은 고온 고습 보관 후에도 솔더 볼의 변색이 거의 관찰되지 않고, 솔더 볼에 잔류하는 산소 함량이 적으며 퍼짐 특성이 우수하다. 따라서, 0.02 내지 0.2 중량비의 알루미늄 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄을 포함하는 솔더 볼의 내산화성이 우수함을 알 수 있다.
또한, 0.001 내지 0.03 중량비의 인 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄을 포함한 주석계 솔더 볼은 고온 고습 보관 후 솔더 볼의 변색이 거의 관찰되지 않고, 솔더 볼에 잔류하는 산소 함량이 적으며 퍼짐 특성이 우수하다. 이에 따라 0.001 내지 0.03 중량비의 인 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄을 포함한 솔더 볼의 내산화성이 우수함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10: 솔더 볼 20: 인쇄 회로 기판
30: 반도체 칩 40: 본딩 와이어
50: 밀봉재 100, 200, 300: 반도체 패키지

Claims (7)

  1. 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag);
    0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu);
    0.001 내지 0.3 중량비의 알루미늄(Al); 및
    0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄(Ge);을 포함하며,
    잔부는 주석(Sn)과 불가피한 불순물로 이루어진 주석계 솔더 볼.
  2. 제1항에 있어서,
    0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.002 내지 0.2 중량비의 알루미늄(Al) 및 0.002 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn)과 불가피한 불순물로 이루어진 주석계 솔더 볼.
  3. 제1항에 있어서,
    0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.002 내지 0.2 중량비의 알루미늄(Al) 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge);을 포함하며, 잔부는 주석(Sn)과 불가피한 불순물로 이루어진 주석계 솔더 볼.
  4. 0.2 내지 4 중량비의 은(Ag);
    0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu);
    0.001 내지 0.3 중량비의 인(P); 및
    0.001 내지 0.1 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며,
    잔부는 주석(Sn)과 불가피한 불순물로 이루어진 주석계 솔더 볼.
  5. 제4항에 있어서,
    0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량비의 인(P) 및 0.002 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn)과 불가피한 불순물로 이루어진 주석계 솔더 볼.
  6. 제4항에 있어서,
    0.2 내지 4 중량비의 은(Ag), 0.1 내지 1 중량비의 구리(Cu), 0.001 내지 0.03 중량비의 인(P) 및 0.01 내지 0.05 중량비의 게르마늄(Ge)을 포함하며, 잔부는 주석(Sn)과 불가피한 불순물로 이루어진 주석계 솔더 볼.
  7. 청구항 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 주석계 솔더 볼을 포함하는 반도체 패키지.
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