KR20140050728A - 무연 솔더 조성물 - Google Patents

무연 솔더 조성물 Download PDF

Info

Publication number
KR20140050728A
KR20140050728A KR1020147006835A KR20147006835A KR20140050728A KR 20140050728 A KR20140050728 A KR 20140050728A KR 1020147006835 A KR1020147006835 A KR 1020147006835A KR 20147006835 A KR20147006835 A KR 20147006835A KR 20140050728 A KR20140050728 A KR 20140050728A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solder
weight
balance
zinc
ppm
Prior art date
Application number
KR1020147006835A
Other languages
English (en)
Inventor
젠싱 리
마이클 알. 핀터
데이비드 이. 스틸
Original Assignee
허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드 filed Critical 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Publication of KR20140050728A publication Critical patent/KR20140050728A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
    • B23K35/282—Zn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B23K35/025—Pastes, creams, slurries
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C18/00—Alloys based on zinc
    • C22C18/04—Alloys based on zinc with aluminium as the next major constituent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

솔더는 아연, 알루미늄, 마그네슘 및 갈륨을 포함할 수 있다. 아연은 솔더 중의 약 82중량% 내지 96중량%의 양으로 존재할 수 있다. 알루미늄은 솔더 중의 약 3중량% 내지 약 15중량%의 양으로 존재할 수 있다. 마그네슘은 솔더 중의 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 양으로 존재할 수 있다. 갈륨은 솔더 중의 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 양으로 존재할 수 있다.

Description

무연 솔더 조성물{LEAD-FREE SOLDER COMPOSITIONS}
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은 2011년 8월 17일에 출원된 가특허 출원 제61/524,610호의 우선권을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에서 참조로 통합된다.
[기술 분야]
본 출원은 솔더 재료에 관한 것이며, 보다 구체적으로 무연 또는 실질적으로 납이 없는 솔더 재료에 관한 것이다.
솔더 재료는 다양한 전기기계 및 전자 디바이스의 제조 및 조립에 사용된다. 과거에는, 솔더 재료가 일반적으로 상당한 양의 납을 포함하여, 용융점, 습윤성, 연성 및 열전도율과 같은 바람직한 특성이 솔더 재료에 제공되었다. 일부 주석계 솔더가 또한 개발되고 있다. 보다 최근에는, 원하는 성능을 제공하는 무연(lead-free) 및 무주석(tin-free) 솔더 재료를 제조하려는 시도가 있었다.
일부 양태에서, 솔더 조성물은 약 82중량% 내지 96중량%의 아연, 약 3중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄, 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 마그네슘, 및 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 갈륨을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 솔더 조성물은 약 0.75중량% 내지 약 1.25중량%의 마그네슘, 및 약 0.75중량% 내지 약 1.25중량%의 갈륨을 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 솔더 조성물은 약 1.0중량%의 마그네슘, 및 약 1.0중량%의 갈륨을 포함할 수 있다. 또 다른 양태에서, 솔더 조성물은 약 82중량% 내지 96중량%의 아연, 약 3중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄, 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 마그네슘, 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 갈륨, 및 약 0.1중량% 내지 약 2.0중량%의 주석을 포함할 수 있다.
솔더 조성물은 도펀트를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 솔더 조성물은 약 0.5중량% 이하의 도펀트를 포함한다. 다른 양태에서, 도펀트는 인듐, 인, 게르마늄, 구리 또는 이들의 조합을 포함한다.
일부 양태에서, 솔더 조성물은 무연일 수 있다. 다른 예에서, 솔더 조성물은 무주석일 수 있다. 일부 양태에서, 솔더 조성물은 솔더 와이어일 수 있다. 다른 양태에서, 솔더 조성물은 약 1 밀리미터 미만의 직경을 갖는 솔더 와이어일 수 있다.
본 출원의 다른 양태에서, 인 도핑된 솔더(phosphorous doped solder)를 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 양압(positive pressure) 하에서 불활성 가스로 용융물을 제조하는 단계, 및 상기 용융물을 빌렛(billet)으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 용융물은 솔더 재료 및 약 10 ppm 내지 약 5000 ppm의 양의 인을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 상기 솔더 재료는 아연, 알루미늄, 비스무트, 주석, 구리 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성요소(member)를 포함한다. 다른 양태에서, 상기 방법은 상기 제조하는 단계와 상기 형성하는 단계 사이에, 상기 용융물을 통해 불활성 가스를 버블링하는 추가 단계를 포함한다.
여러 양태들이 개시되어 있지만, 본 발명의 예시적인 양태를 나타내고 설명하는 이하의 상세한 설명으로부터, 본 발명의 또 다른 양태가 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 간주되어야 한다.
도 1은, 고각도 파단속도 테스트(high angle breakage rate test)를 위한 실험 셋업(setup)을 나타낸다.
도 2는, 저각도 파단속도 테스트(low angle breakage rate test)를 위한 실험 셋업을 나타낸다.
도 3은, 실시예 2에서 샘플 34의 열 분석을 나타낸다.
도 4는, 실시예 2에서 샘플 35의 열 분석을 나타낸다.
솔더 조성물은 두 개의 기판 또는 워크피스(workpiece)를 접합하는데 사용되는 가용성 금속 및 금속 합금이며, 워크피스의 용융점보다 더 낮은 용융점을 갖는다. 반도체 산업에서 다이 부착 적용처(die attach application)에 사용되는 것과 같은 솔더 조성물은, 이것으로 제한되는 것이 아닌, 벌크 솔더 제품, 솔더 페이스트 및 솔더 와이어를 포함하는 많은 다른 형태로 제공될 수 있다.
솔더 페이스트는, 예를 들어 주사기로 인쇄 및 분배하는 것을 포함하며 이것으로 제한되는 것이 아닌, 다양한 방법을 사용하여 기판에 적용될 수 있는 유체 또는 퍼티형(putty-like) 재료일 수 있다. 예시적인 솔더 페이스트 조성물은 플럭스, 임시 접착제의 역할을 하는 농축 매체로 분말 금속 솔더를 혼합함으로써 형성될 수 있다. 솔더링 공정에서 분말 솔더가 용융될 때까지, 플럭스는 솔더 페이스트의 성분을 함께 보유할 수 있다. 솔더 페이스트의 적합한 점도는, 솔더 페이스트가 기판에 도포되는 방법에 따라 다를 수 있다. 솔더 페이스트의 적합한 점도는 300,000-700,000 센티푸아즈(cps)를 포함한다.
다른 양태에서, 솔더 조성물은 솔더 와이어로서 제공될 수 있다. 솔더 와이어는 다이를 통해 솔더 재료를 인발(drawing)함으로써 형성되어서, 스풀에 얇은 솔더 와이어를 제공할 수 있다. 적합한 솔더 와이어는 약 1 밀리미터(mm) 미만, 예를 들어 약 0.3 mm 내지 약 0.8 mm의 직경을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 솔더 와이어는, 2 이상의 조각(piece)으로 파괴되지 않고, 스풀에 압연(rolled) 또는 권취(coiled)될 수 있다. 예를 들어, 솔더 와이어는 51 mm의 내부 허브 직경을 갖는 스풀 및 102 mm의 직경을 갖는 두 개의 외부 플랜지에 압연될 수 있다. 와이어가 스풀에 압연될 때, 내부 허브에 가장 인접한 와이어의 일부는 약 51 mm의 유효 직경을 갖는 스풀에 권취된다. 추가적인 와이어가 스풀에 압연될 때, 스풀의 유효 직경은 와이어로 인하여 증가하고, 와이어의 복수의 코일이 내부 허브 상에 형성된 이후 스풀의 유효 직경은 51 mm보다 102 mm에 접근할 수 있다.
형태에 관계없이, 솔더 조성물은 그 고상선 온도(solidus temperature), 용융 온도 범위, 습윤성, 연성, 및 열전도율로 평가될 수 있다. 고상선 온도는 솔더 재료가 용융되기 시작하는 온도를 정량화한다. 고상선 온도 미만에서, 솔더 재료는 완전히 고체이다. 일부 양태에서, 고상선 온도는, 솔더링 작업 단계를 허용하고 최종 사용 디바이스에서 열 응력을 최소화하기 위해, 대략 300℃일 수 있다.
솔더 조성물의 용융 온도 범위는 고상선 온도와 액상선 온도(liquidus temperature)에 의해 정의된다. 액상선 온도는 솔더 재료가 완전히 용융된 온도를 초과하는 것을 정량화한다. 액상선 온도는 결정(예, 고상 재료)이 용융물(예, 액상 재료)와 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도를 초과하는 경우, 솔더 재료는 균질 용융물 또는 액체이다. 일부 양태에서, 솔더가 2상(two phase)으로 존재하는 범위를 최소화하기 위해, 좁은 용융 온도 범위를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
습윤성(wetting)은 기판 또는 워크피스의 표면을 흘러서 적시는 솔더의 능력을 의미한다. 증가된 습윤성은 일반적으로 워크피스들 사이의 증가된 결합 강도를 제공한다. 습윤성은 도트 습윤 테스트(dot wet test)를 사용하여 측정될 수 있다.
모든 솔더 조인트는 디바이스 수명 동안 단말 장치에서 솔더 접합 강도가 감소하게 된다. 증가된 연성을 갖는 솔더는 디바이스 수명을 연장하며, 보다 바람직할 것이다. 연성 솔더는 또한, 솔더 와이어가 스풀에 권취 또는 압연될 수 있는, 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같은, 솔더 와이어의 제조에 바람직할 수 있다. 연성은 스풀 밴드 테스터(spool bend tester)로 측정될 수 있고, 저각도(90°미만) 및 고각도(90°초과) 연성 측정을 포함할 수 있다. 적합한 연성 값은 솔더 재료의 최종 용도에 따라 다르다. 일부 양태에서, 적합한 솔더 재료는 0%의 고각도 파단속도 및 50% 미만, 40% 미만 또는 30% 미만의 저각도 파단속도를 가질 수 있다.
고 열전도율은 또한 디바이스 성능을 위해 바람직할 수 있다. 일부 양태에서, 솔더 재료는 납 프레임에 다이를 연결할 수 있다. 이러한 양태에서, 납 프레임에 열을 전도하는 솔더가 바람직할 수 있다. 일부 예에서, 고 열전도율은 고전력 적용처에 특히 바람직하다. 특정 양태에서, 적합한 솔더 재료는 20 watts/meter Kelvin(W/m·K)보다 더 큰 열전도율을 가질 수 있다. 다른 양태에서, 적합한 솔더 재료는 10 W/m·K 초과 또는 10 W/m·K 내지 약 W/m·K의 열전도율을 가질 수 있다. 또 다른 양태에서, 적합한 솔더 재료는 10, 12, 14 W/m·K 만큼 작은 열전도율을 가지거나, 15, 18, 20 또는 25 W/m·K 만큼 큰 열전도율을 가지거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재하는 열전도율을 가질 수 있다.
솔더 재료는 무연일 수 있다. 예를 들어, 아연/알루미늄계, 또는 비스무트/구리계 솔더 재료는 무연일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "무연(lead free)"은 0.1중량% 미만의 납을 포함하는 솔더 재료를 의미한다. 특정 양태에서, 솔더 재료는 무주석일 수 있다. 예를 들어, 아연/알루미늄계 또는 비스무트/구리계 솔더 재료는 무주석일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "무주석(tin free)"은 0.1중량% 미만의 주석을 포함하는 솔더 재료를 의미한다.
일부 양태에서, 주석/알루미늄계 솔더 재료는 주요 성분으로서 아연과 알루미늄 및 미량 성분으로서 마그네슘과 갈륨을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 82중량% 내지 96중량%의 아연, 약 3중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄, 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 마그네슘 및 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 갈륨을 포함할 수 있다. 특정 양태에서, 아연은 82, 84 또는 86중량% 만큼 적은 양으로 존재하거나, 92, 94 또는 96중량% 만큼 큰 양으로 존재하거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있고; 알루미늄은 2, 3, 4중량% 만큼 적은 양으로 존재하거나, 5, 7, 10, 12 또는 15중량% 만큼 큰 양으로 존재하거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있고; 마그네슘은 0.5, 0.75 또는 0.9중량% 만큼 적은 양으로 존재하거나, 1.0, 1.25 또는 1.5중량% 만큼 큰 양으로 존재하거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있고; 갈륨은 0.5, 0.75 또는 0.9중량% 만큼 적은 양으로 존재하거나, 1.0, 1.25 또는 1.5중량% 만큼 큰 양으로 존재하거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있다. 또 다른 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 82중량% 내지 96중량%의 아연, 약 3중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄, 약 1.0중량%의 마그네슘 및 약 1.0중량%의 갈륨을 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 인듐, 인, 게르마늄, 주석 및/또는 구리와 같은 도펀트가 약 10 ppm 내지 약 5000 ppm(또는 약 0.001중량% 내지 약 0.5중량%)의 범위로 솔더 재료에 존재할 수 있다. 다른 양태에서, 인듐, 인, 게르마늄, 주석 및/또는 구리와 같은 도펀트는 약 0.001중량% 내지 약 2.5중량%의 범위로 솔더 재료에 존재할 수 있다. 일부 양태에서, 인은 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm 또는 100 ppm 만큼 적은 양으로, 또는 150 ppm, 300 ppm, 500 pm, 1000 ppm 또는 5000 ppm 만큼 큰 양으로 솔더 재료에 포함될 수 있거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있는 양으로 솔더 재료에 포함될 수 있다. 다른 양태에서, 주석은 0.1, 0.25, 0.5 또는 0.75중량% 만큼 적은 양으로, 또는 1.0, 1.25, 1.5, 1.75 또는 2.0중량% 만큼 큰 양으로 솔더 재료에 포함될 수 있거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있는 양으로 솔더 재료에 포함될 수 있다. 또 다른 양태에서, 구리는 0.1, 0.25, 0.5 또는 0.75중량% 만큼 적은 양으로, 또는 1.0, 1.25, 1.5, 1.75 또는 2.0중량% 만큼 큰 양으로 솔더 재료에 포함될 수 있거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있는 양으로 솔더 재료에 포함될 수 있다.
솔더는 단지 하나의 도펀트 재료를 포함할 수 있거나, 또는 2개 이상의 도펀트 재료의 조합을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 솔더 조성물은 도펀트 재료로서 인 및 주석을 포함할 수 있다. 예를 들어, 솔더 조성물은, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm 또는 100 ppm 만큼 적은 양으로, 또는 150 ppm, 300 ppm, 500 pm, 1000 ppm 또는 5000 ppm 만큼 큰 양으로 인을 포함할 수 있거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있는 양으로 인을 포함할 수 있고; 주석은 0.1, 0.25, 0.5 또는 0.75중량% 만큼 적은 양으로, 또는 1.0, 1.25, 1.5, 1.75 또는 2.0중량% 만큼 큰 양으로 존재할 수 있거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있다. 다른 양태에서, 솔더 조성물은 도펀트 재료로서 인 및 구리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 솔더 조성물은, 25 ppm, 50 ppm 또는 100 ppm 만큼 적은 양으로, 또는 150 ppm, 300 ppm, 500 pm, 1000 ppm 또는 5000 ppm 만큼 큰 양으로 인을 포함할 수 있거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 임의의 범위 내에 존재할 수 있는 양으로 인을 포함할 수 있고; 구리는 0.1, 0.25, 0.5 또는 0.75중량% 만큼 적은 양으로, 또는 1.0, 1.25, 1.5, 1.75 또는 2.0중량% 만큼 큰 양으로 존재할 수 있거나, 또는 상술한 값의 임의의 쌍으로 정해지는 범위 내에 존재할 수 있다.
일부 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 12중량%의 알루미늄, 약 1중량%의 마그네슘, 약 1중량%의 갈륨, 약 0.5중량%의 도펀트, 및 밸런스(balance; 잔부)의 아연으로 구성 또는 필수적으로 구성될 수 있다. 도펀트는 위에 나열된 것의 단일 재료일 수 있거나, 이들의 조합일 수 있다.
다른 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 5중량%의 알루미늄, 약 1중량%의 마그네슘, 약 1중량%의 갈륨, 및 밸런스의 아연으로 구성될 수 있다. 또 다른 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 2중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄, 약 1중량%의 마그네슘, 약 1중량%의 갈륨, 50 ppm 내지 150 ppm의 인, 약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 주석 및 밸런스의 아연으로 구성될 수 있다. 또 다른 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 2중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄, 약 1중량%의 마그네슘, 약 1중량%의 갈륨, 약 50 ppm 내지 약 150 ppm의 인, 약 0.2중량% 내지 약 0.6중량%의 구리 및 밸런스의 아연으로 구성될 수 있다.
일부 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 주요 성분으로서 아연과 알루미늄 및 미량 성분으로서 게르마늄을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 78중량% 내지 94중량%의 아연, 약 3중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄 및 약 3중량% 내지 약 7중량%의 게르마늄을 포함할 수 있다. 인듐, 인, 갈륨 및/또는 구리와 같은 도펀트가 포함되는 경우, 그 도펀트는 약 0 ppm 내지 약 5000 ppm(또는 약 0중량% 내지 약 0.5중량%)의 범위로 존재할 수 있다. 솔더 조성물은 단지 하나의 도펀트 재료를 포함할 수 있거나, 2개 이상의 도펀트 재료의 조합을 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 약 6중량%의 알루미늄, 약 5중량%의 갈륨, 약 0.1중량%의 도펀트 및 밸런스의 아연을 포함할 수 있다. 도펀트는 위에 나열된 것의 단일 재료일 수 있거나, 이들의 조합일 수 있다.
일부 양태에서, 비스무트/구리계 솔더 재료는 약 88중량% 내지 약 92중량%의 비스무트 및 약 8중량% 내지 약 12중량%의 구리를 포함할 수 있다. 갈륨, 인듐, 인 및/또는 게르마늄과 같은 도펀트가 약 10 ppm 내지 약 1000 ppm(또는 약 0.001중량% 내지 약 0.1중량%)의 범위로 존재할 수 있다. 솔더 조성물은 단지 하나의 도펀트 재료를 포함할 수 있거나, 2개 이상의 도펀트 재료의 조합을 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 비스무트/구리계 솔더 재료는 약 10중량%의 구리, 약 0.1중량%의 도펀트, 및 밸런스의 비스무트로 구성될 수 있다. 도펀트는 위에 나열된 것의 단일 재료일 수 있거나, 이들의 조합일 수 있다.
비스무트/구리계 솔더 재료는 낮은 용융 온도 및 열전도율을 나타내어서, 저전력 적용처에 적합할 수 있고, 아연/알루미늄계 솔더 재료는 높은 용융 온도 및 열전도율을 나타내어서, 고전력 적용처에 적합할 수 있다.
인 도펀트를 함유하는 균질 솔더 재료를 형성하는 것이 어려울 수 있다. 예를 들어, 제조 중에 인을 솔더 용융물과 혼합하기 어려울 수 있다. 일부 양태에서, 솔더 재료는 베이스(base) 솔더 재료 및 인 도펀트를 포함하는 용융물을 생성함으로써 형성될 수 있다. 특정 양태에서, 인은 약 10 ppm 내지 약 5000 ppm의 양으로 존재할 수 있다. 다른 양태에서, 베이스 솔더 재료는 아연, 알루미늄, 비스무트, 주석, 구리 및 인듐 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정 양태에서, 베이스 솔더 재료 및 인 도펀트는 양압 하에서 용융물을 형성하도록 가열될 수 있다. 예를 들어, 용융물은 양압 하에서 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 사용하여 유지될 수 있다. 양압은 인 도펀트의 증기 손실을 피할 수 있다. 또한, 불활성 가스는 용융물을 통해 버블링되어서, 베이스 솔더 재료와 인의 혼합을 촉진하고, 균질 용융물을 형성할 수 있다. 혼합 후, 용융물은 다이를 통해 압출되어서, 빌렛으로 주조될 수 있다. 일부 양태에서, 용융된 솔더는 캐스트(cast)에서 1분 미만에 고체 상태로 고형화될 수 있다. 다른 양태에서, 용융된 솔더는 캐스트에서 30초 미만, 10초 미만, 또는 5초 미만에 고형화될 수 있다. 빌렛의 급속 냉각은 인과 같은 도펀트 재료의 분리를 억제할 수 있고, 빌렛을 따라 도펀트 분포가 균일하게 할 수 있다. 예를 들어, 캐스트 빌렛은 축 방향을 따라 균일한 도펀트 분포를 가질 수 있다.
실시예 1 - 아연/알루미늄 솔더 합금
Ⅰ. 솔더 합금 빌렛의 형성
1인치 직경의 빌렛으로 질소 분위기에서 아연, 알루미늄, 마그네슘 및 갈륨을 주조하여, 아연/알루미늄 솔더 합금을 형성하였다.
95중량%의 주석 및 5중량%의 인을 함유하는 주석/인 합금(Sn5P)을 첨가하여, 인 및 주석으로 도핑된 아연/알루미늄 솔더 합금을 제조하고, 상기 아연/알루미늄 솔더 합금을 Rautomead 연속 캐스터로 상기와 같이 제조하였다. 재료를 450℃-550℃로 가열하여, 융용물을 형성하였다. 용융물을 정압하에 유지하였다. 균질한 용융물이 될 때까지, 용융물을 통해 불활성 가스를 발포시켰다. 다이를 통하여 용융물을 압출하고 1인치 직경의 빌렛으로 주조하였다.
85중량%의 구리 및 15중량%의 인을 함유하는 구리/인 합금(Cu15P)을 첨가하여, 인 및 구리로 도핑된 아연/알루미늄 솔더 합금을 제조하고, 상기 아연/알루미늄 솔더 합금을 Rautomead 연속 캐스터로 상기와 같이 형성하였다. 캐스터의 온도를 800℃-900℃로 증가시켜, 융용물을 형성하였다. 용융물을 정압하에 유지하였다. 다이를 통하여 용융물을 압출하고 1인치 직경의 빌렛으로 주조하였다.
상기와 같이 제조된 아연/알루미늄 솔더 합금 및 인듐을 함유하는 용융물을 형성하여, 인듐으로 도핑된 아연/알루미늄 솔더 합금을 제조하였다.
Ⅱ. 시험 절차
200-300℃ 및 1500-2000 pounds/square inch(psi)에서 다이로 솔더 합금 빌렛을 압출하여, 약 0.762mm(0.030 인치)의 직경을 갖는 솔더 와이어를 형성하였다. 51mm(2 인치)의 내부 허브 직경 및 102mm(4 인치)의 2개의 외부 플랜지를 갖는 스풀상에 솔더 와이어를 감았다. 성공적으로 압출된 와이어는, 2개 이상의 조각으로 파괴되지 않고 스풀상에 압연될 수 있었다.
Perkin Elmer DSC7 기계를 사용하여 시차 주사 열량계(differential scanning calorimetry; "DSC")로 솔더 와이어의 용융 특성을 측정하였다. 고상선 온도 및 액상선 온도를 측정하였다. 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 차이로 용융 온도 범위를 계산하였다.
"금속 재료의 인장 시험에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)"이라는 명칭의 ASTM E8에 따라 실온에서 Instron 4465 기계로, 솔더 와이어의 연신율(elingation)을 측정하였다.
솔더 와이어에 대한 저각도 파단 속도 및 고각도 파단 속도를 실온에서 측정하여, 와이어의 연성을 조사하였다. 각 파단 속도 테스트를 위해, 빈 스풀의 내부 허브 주위로 와이어를 구부리고, 내부 허브의 1회전 이후 와이어의 파단 여부를 기록하였다. 테스트를 복수회 수행하고, 각 샘플에 대한 파단 퍼센트를 계산하였다.
도 1은 고각도 파단 속도 테스트를 위한 실험 셋업을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 스풀(10)은 플랜지(12), 내부 허브(14) 및 슬롯(16)을 포함한다. 내부 허브(14)는 평행한 플랜지(12) 사이에 위치하여, 그 사이에 공간을 형성한다. 내부 허브(14)는 51mm의 직경을 가지고, 플랜지(12)는 102mm의 직경을 갖는다. 슬롯(16)은 내부 허브(14)에 형성된다. 와이어(18)의 일 단부는 슬롯(16)에 삽입되고, 와이어(18)는 내부 허브(14) 상에 압연된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 홀(16) 내의 와이어(18)의 단부는 내부 허브(14)로 압연된 와이어(18)와 각도(A)를 형성한다. 각도(A)는 90°보다 크다. 도 2는 저각도 파단 속도 테스트를 위한 실험 셋업을 나타낸다. 또한, 와이어(18)의 일 단부는 슬롯(16)에 삽입된다. 저각도 굽힘(bend) 테스트에서, 슬롯(16) 내의 와이어(18)의 단부는 내부 허브(14)로 압연된 와이어(18)와 각도(B)를 형성한다. 각도(B)는 90°보다 작다.
95부피%의 질소 및 5부피%의 수소를 함유하는 형성 가스를 사용하고, 410℃에서 ASM SD890A 다이 본더를 이용하여, 솔더 습윤성을 측정하였다. 솔더 와이어를 고온의 구리 납 프레임에 공급하여, 솔더 와이어가 용융되어 리드 프레임 상에 도트(dot)를 형성하게 하였다. 도트의 크기(예를 들어, 직경)를 측정하였다. 도트의 크기는 솔더 와이어의 습윤성에 대응하며, 보다 큰 도트 크기는 보다 우수한 습윤성에 대응한다.
Ⅲ. 결과
다이를 통해 빌렛을 압출하여, 0.030 인치 직경의 와이어를 형성하고, 스풀 상에 압연하였다. 표 1은, 성공적으로 압출되거나 스풀 상에 코일로 형성된 와이어의 조성물을 나타낸다. 표 2의 와이어는 취성 코일(brittle coil)이거나 코일로 형성될 수 없었다.
성공적으로 와이어로 압출되고 권취된 조성물
샘플 Al
(중량%)		 Mg
(중량%)		 Ga
(중량%)		 Sn
(중량%)		 Cu
(중량%)		 P
(중량%)		 Zinc
(중량%)
1 4.40 0.97 0.10 밸런스
(balance)
2 4.38 0.96 0.22 밸런스
3 4.38 0.93 0.41 밸런스
4 4.38 0.94 0.67 밸런스
5 4.35 0.95 0.87 밸런스
6 4.40 0.97 1.11 밸런스
7 4.34 0.95 1.29 밸런스
11 4.38 0.10 0.87 밸런스
12 4.42 0.26 0.87 밸런스
13 4.42 0.48 0.87 밸런스
14 4.40 0.74 0.87 밸런스
15 4.38 1.26 0.87 밸런스
16 4.42 1.46 0.88 밸런스
17 4.40 1.72 0.88 밸런스
24 4.5 1.0 1.0 0.59 - 0.0120 밸런스
25 4.5 1.0 1.0 1.38 - 0.0200 밸런스
26 4.5 1.0 1.0 1.92 - 0.0250 밸런스
27 4.5 1.0 1.0 - 0.15 0.0100 밸런스
28 4.5 1.0 1.0 - 0.15 0.0170 밸런스
29 4.5 1.0 1.0 - 0.12 0.0060 밸런스
성공적이지 않게 압출되고 권취된 조성물
샘플 Al
(중량%)		 Mg
(중량%)		 Ga
(중량%)		 In
(중량%)		 Zinc
(중량%)		 코일 형성
8 4.36 0.96 1.53 밸런스 취성 코일
9 4.39 0.94 1.72 밸런스 코일 없음
10 4.35 0.95 2.15 밸런스 코일 없음
18 4.38 1.95 0.88 밸런스 취성 코일
19 4.43 2.44 0.88 밸런스 코일 없음
20 4.44 1.46 1.32 밸런스 취성 코일
21 4.40 1.44 1.73 밸런스 코일 없음
22 4.39 1.92 1.31 밸런스 코일 없음
23 4.37 1.92 1.73 밸런스 코일 없음
30 4.5 1.0 1.0 0.5 밸런스 코일 없음
31 4.5 1.0 1.0 1.0 밸런스 코일 없음
32 4.5 1.0 1.0 1.5 밸런스 코일 없음
표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 갈륨 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우에 취성 코일이 형성되었고, 갈륨 함량이 1.7중량%를 초과하는 경우에 코일은 형성되지 않았다. 특히, 와이어는, 최종 냉간 와이어 인발(final cold wire draw) 이후의 테이크-업 스풀(take-up spool) 상에 성공적으로 귄취되지 않았다. 마찬가지로, 마그네슘 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우, 취성 코일이 형성되었다.
아연/알루미늄 합금이 인듐으로 도핑된 경우에 코일은 성공적으로 형성되지 않았다(예를 들어, 샘플 30, 31, 32 참조).
압출된 아연/알루미늄 합금 와이어의 용융 특성을 표 3에 나타내었다. 압출 도핑된 아연/알루미늄 합금 와이어의 용융 특성을 표 4에 나타내었다.
아연/알루미늄 합금 와이어의 용융 특성
샘플 Al
(중량%)		 Mg
(중량%)		 Ga
(중량%)		 Zinc
(중량%)		 고상선
온도 (C)		 액상선
온도 (C) 		용융
범위 (C)
1 4.40 0.97 0.10 밸런스 334.4 364.7 30.3
2 4.38 0.96 0.22 밸런스 333.1 364.7 31.6
3 4.38 0.93 0.41 밸런스 329.7 363 33.3
4 4.38 0.94 0.67 밸런스 322.1 363 40.9
5 4.35 0.95 0.87 밸런스 324.1 361.9 37.8
6 4.40 0.97 1.11 밸런스 320.4 360.9 40.5
7 4.34 0.95 1.29 밸런스 330.1 360.2 30.1
8 4.36 0.96 1.53 밸런스 321.5 359.1 37.6
9 4.39 0.94 1.72 밸런스 322.1 359.8 37.7
10 4.35 0.95 2.15 밸런스 314 358.8 44.8
11 4.38 0.10 0.87 밸런스 361 384 23
12 4.42 0.26 0.87 밸런스 353 380 27
13 4.42 0.48 0.87 밸런스 323.7 368.5 44.8
14 4.40 0.74 0.87 밸런스 323.1 364.8 41.7
15 4.38 1.26 0.87 밸런스 323.4 358.2 34.8
16 4.42 1.46 0.88 밸런스 323.7 355.6 31.9
17 4.40 1.72 0.88 밸런스 325.3 351.1 25.8
18 4.38 1.95 0.88 밸런스 326.1 346.7 20.6
19 4.43 2.44 0.88 밸런스 325.1 350 24.9
20 4.44 1.46 1.32 밸런스 319.4 353.7 34.3
21 4.40 1.44 1.73 밸런스 314.4 353.1 38.7
22 4.39 1.92 1.31 밸런스 319 346.2 27.2
23 4.37 1.92 1.73 밸런스 313.7 343.6 29.9
도핑된 아연/알루미늄 합금 와이어의 용융 특성
샘플
 Sn
(중량%)		 Cu
(중량%)		 P
(중량%)		 고상선
온도 (C)		 액상선
온도 (C) 		용융
범위 (C)
24 0.59 - 0.012 310.7 362.8 52.1
25 1.38 - 0.020 309.1 360.3 51.2
26 1.92 - 0.025 304.7 358.6 53.9
27 - 0.15 0.010 324.7 362.5 37.8
28 - 0.15 0.017 324.4 363 38.6
29 - 0.12 0.006 324 364.4 40.4
표 3에 나타낸 바와 같이, 갈륨의 양이 증가할수록 고상선 온도와 액상선 온도는 일반적으로 감소하였다. 마찬가지로, 마그네슘의 양이 증가할수록 고상선 온도와 액상선 온도는 일반적으로 감소하였다.
갈륨 함량이 0.5중량% 미만인 경우에 용융 범위가 좁은 것을 알 수 있다(샘플 1 및 2와 샘플 4 및 5의 비교 참조). 그러나, 샘플 1 및 2의 고상선 온도 및 액상선 온도는 샘플 4 및 5보다 컸다.
마그네슘 함량이 0.5중량% 미만인 경우에 용융 범위가 또한 좁다(샘플 11 및 12와 샘플 14 및 6의 비교 참조). 샘플 11 및 12의 고상선 온도 및 액상선 온도는 샘플 14 및 6보다 컸으며, 따라서 샘플 11 및 12를 솔더링하는데 보다 더 많은 열량이 요구된다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 주석/인으로 도핑하는 것은 고상선 온도를 감소시켰다(예를 들어, 샘플 24와 샘플 5의 비교). 구리/인으로 도핑하는 것은 고상선 온도 또는 액상선 온도에 상당한 영향을 미치는 것으로 보이지는 않았다(예를 들어, 샘플 27과 샘플 5의 비교).
압출된 아연/알루미늄 합금 와이어의 기계적 특성을 표 5에 나타낸다. 압출 도핑된 아연/알루미늄 합금 와이어의 기계적 특성을 표 6에 나타낸다.
아연/알루미늄 합금 와이어의 기계적 특성
샘플 Al
(중량%)		 Mg
(중량%)		 Ga
(중량%)		 Zinc
(중량%)		 연신율
(%)
1 4.40 0.97 0.10 밸런스 6.0
2 4.38 0.96 0.22 밸런스 5.8
3 4.38 0.93 0.41 밸런스 15.8
4 4.38 0.94 0.67 밸런스 8.5
5 4.35 0.95 0.87 밸런스 13.5
6 4.40 0.97 1.11 밸런스 3.6
7 4.34 0.95 1.29 밸런스 1.5
8 4.36 0.96 1.53 밸런스 1.3
9 4.39 0.94 1.72 밸런스 4.8
10 4.35 0.95 2.15 밸런스 4.2
11 4.38 0.10 0.87 밸런스 42.6
12 4.42 0.26 0.87 밸런스 28.4
13 4.42 0.48 0.87 밸런스 29.9
14 4.40 0.74 0.87 밸런스 22.9
15 4.38 1.26 0.87 밸런스 4.6
16 4.42 1.46 0.88 밸런스 1.6
17 4.40 1.72 0.88 밸런스 0.8
18 4.38 1.95 0.88 밸런스 1.3
19 4.43 2.44 0.88 밸런스 1.3
20 4.44 1.46 1.32 밸런스 0.5
21 4.40 1.44 1.73 밸런스 1.8
22 4.39 1.92 1.31 밸런스 1.3
23 4.37 1.92 1.73 밸런스 1.0
도핑된 아연/알루미늄 합금 와이어의 기계적 특성
샘플
 Sn
(중량%)		 Cu
(중량%)		 P
(중량%)		 연신율
(%)
24 0.59 - 0.012 10.0
25 1.38 - 0.020 3.9
26 1.92 - 0.025 -
27 - 0.15 0.010 1.7
28 - 0.15 0.017 3.8
29 - 0.12 0.006 5.8
표 5에 나타낸 바와 같이, 1.0중량% 초과의 갈륨을 함유하는 솔더 재료는 상당히 감소된 연신율을 갖는다. 0.5중량% 미만의 갈륨을 함유하는 솔더 재료는 비교적 낮은 연신율(예를 들어, 7% 미만의 연신율)을 갖는다. 1.0중량%를 초과하는 마그네슘을 함유하는 솔더 재료는 아래에서 상당히 감소된 연신율을 갖는다.
표 6에 나타낸 바와 같이, 주석/인 또는 구리/인 도펀트를 포함시키는 것은 솔더 재료의 연신율을 감소시켰다(예를 들어, 샘플 24와 샘플 5의 비교 및 샘플 27과 샘플 5의 비교). 샘플 26의 연신율은 측정되지 않았다.
일부 양태에서, 허용가능한 연성을 갖는 와이어는 0%의 고각도 파단 속도(Bend BR-HA) 및 30% 미만의 저각도 파단 속도(Bend BR-LA)를 갖는다. 만족스러운 와이어의 와이어 연성 결과를 표 7에 나타낸다. 원하는 고각도 파단 속도 및 저각도 파단 속도를 충족하지 않는 샘플 와이어를 표 8에 나타낸다.
만족스러운 파단 속도를 갖는 와이어
샘플 Bend BR-HA Bend BR-LA
1 0% 0%
2 0% 0%
3 0% 0%
4 0% 0%
5 0% 0%
11 0% 0%
12 0% 0%
13 0% 0%
14 0% 0%
24 0% 0%
25 0% 20%
28 0% 20%
불만족스러운 파단 속도를 갖는 와이어
샘플 Bend BR-HA Bend BR-LA
6 0% 40%
7 0% 100%
8 0% 100%
9 20% 100%
10 40% 100%
15 0% 80%
16 0% 100%
17 0% 100%
18 0% 100%
19 0% 100%
20 100% 100%
21 100% 100%
22 100% 100%
23 100% 100%
26 100% 100%
27 0% 50%
29 0% 40%
표 6 및 7에 나타낸 바와 같이, 갈륨 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에 저각도 파단 속도는 30%를 초과하였다. 마찬가지로, 마그네슘 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에 저각도 파단 속도는 30%를 초과하였다.
솔더 습윤성을 도 9에 나타내며, 여기서 보다 큰 도트 습윤 크기(dot wet size)는 증가된 습윤성을 나타낸다.
아연/알루미늄 및 도핑된 아연/알루미늄 와이어의 솔더 습윤성
샘플 도트 습윤 크기 (mm)
1 2.62
2 2.79
3 2.80
4 2.88
5 2.74
6 2.71
7 2.72
8 2.68
9 -
10 -
11 2.62
12 2.72
13 2.76
14 2.75
15 2.72
16 2.86
17 2.72
18 2.77
19 -
20 -
21 -
22 -
23 -
24 2.60
25 2.62
26 -
27 2.87
28 2.87
29 2.87
샘플 9, 10, 19, 20, 21, 22, 23 및 26은 테스트되지 않았다. 표 9에 나타낸 바와 같이, 습윤이 감소된 이후, 최대 약 0.75중량%의 갈륨의 추가는 습윤을 증가시켰다. 또한, 마그네슘의 첨가는 일반적으로 습윤을 증가시켰다.
주석/인 도펀트의 첨가는 습윤을 약간 감소시켰고, 구리/인 도펀트의 첨가는 습윤을 증가시켰다.
실시예 2 - 솔더 재료의 비교
Ⅰ. 솔더 와이어의 형성
이하에 나타낸 바와 같이, 각 성분의 용융물을 제조함으로써, 납 솔더, 비스무트 솔더 및 아연 알루미늄 솔더를 형성하고, 빌렛으로 주조하고, 빌렛을 다이를 통해 압출하여 0.762 mm(0.030 인치)의 직경을 갖는 솔더 와이어를 형성하였다.
샘플 33: 92.5중량%의 납, 5중량%의 인듐, 2.5중량%의 은
샘플 34: 89.9중량%의 비스무트, 10중량%의 구리, 0.1중량%의 갈륨
샘플 35: 93.5중량%의 아연, 4.5중량%의 알루미늄, 1중량%의 마그네슘, 1중량%의 갈륨
Ⅱ. 시험 절차
실시예 1에서 설명한 바와 같이, 고상선 온도 및 연신율을 측정하였다.
Perkin Elmer DSC7 기계를 사용하여 시차 주사 열량(differential scanning calorimetry; "DSC")을 측정함으로써, 솔더 조성물의 열 분석을 측정하였다.
Nanoflash 기계를 사용하여 솔더 재료의 샘플 확산도(diffusivity)를 측정하였다. 확산도 밸브를 이용하여, 각 솔더 재료의 열전도율을 계산하였다.
각 솔더 재료에 대한 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE)를 계산하였다. 열 기계적 분석기로 각 재료의 샘플 길이 변화를 측정하고, 온도에 대해 계산하여 CTE를 결정하였다.
전기 미터를 사용하여 소정의 길이 범위에서 소정의 전압 하에서 샘플의 저항을 측정함으로써, 솔더 재료의 전기 저항을 결정하였다. 저항 및 샘플 단면적을 사용하여 저항률을 계산하였다.
솔더 기록 성능을 갖춘 ASM 다이 본더 Lotus-SD 상에 더미 다이로 다이 본드 테스트를 수행하였다. 납 프레임은 ASM 인하우스 TO220 순수 구리 및 니켈 도금된 구리를 사용하였다. 더미 다이 크기는 티타늄, 니켈, 은(Ti/Ni/Ag) 후면 금속화로 2X3 mm였다. 95부피%의 질소 및 5부피%의 수소를 함유하는 형성가스를 사용하여, 5 liters/minute(LPM)의 예열 영역(1), 5 LPM 예열 영역(2), 5 LPM 예열 영역(3), 2 LMP 분배 영역, 2 LPM 스팽크(spank) 영역, 2 LPM 결합 영역, 및 2 LMP 냉각 영역을 설정하였다. 결합 영역 시간은 700 밀리초이고, 솔더 분배율은 9-라인 "z" 패턴을 갖는 2200 마이크론이었다. 영역에 대한 온도 설정을 변화시켰다.
다이 전단 테스터로 다이 전단을 측정하였다. 다이가 균열되거나 기판이 잘려질 때까지 다이 에지를 따라서 다이를 밀었다. 다이 전단 테스터로 전단력을 기록하였다.
결합된 다이의 4개의 코너를 마이크로미터로 측정하여, 다이 기울기를 결정하였다. 판독들 사이의 최대 차이로 다이 기울기를 계산하였다.
다이 두께, 결합된 다이 두께, 및 기판 두께를 마이크로미터로 측정하여 결합 라인을 결정하였다. 식 (1)로 결합 라인 두께를 계산하였다.
결합된 라인 두께 = 결합된 다이 두께 - 다이 두께 - 기판 두께 (1)
Ⅲ. 결과
솔더 재료의 물리적 조건을 표 10에 나타낸다.
솔더의 물리적 특성
샘플 고상선
온도 (C)		 연신율
(%)		 열전도율 (W/mK) CTE
(ppm/K)		 전기 저항
(μΩ.cm)
33 300 57.3 25.0 25.0 31.0
34 271 52.1 17.1 12.1 61.1
35 337 33.8 85.4 26.1 6.4
비스무트 솔더(샘플 34)의 고상선 온도 및 열전도율은 납 솔더(샘플 33)보다 낮아서, 비스무트 솔더는, 포스트(post) 다이 부착 열 공정이 제한되고/되거나 높은 열전도율에 대한 요건이 없는, 저전력 장치 적용처에 사용되어야 하는 것으로 제안된다.
아연 솔더(샘플 35)는 납 솔더(샘플 33)보다 높은 고상선 온도 및 열전도율을 가져서, 아연 솔더가 고전력 및 고온 적용처에 사용될 수 있게 한다. 납 솔더(샘플 33)와 비교되는, 비스무트 솔더(샘플 34) 및 아연 솔더(샘플 35)의 저 연신율은 솔더 재료를 보다 덜 유연하게 해서, 다이 부착 이후 열 응력을 흡수 및 완화한다.
샘플 34 및 35의 열 분석을 도 3 및 4에 각각 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 샘플 34의 고상선 온도는 271℃였다. 온도가 700℃를 초과할 때까지 구리가 용융되지 않기 때문에, 360-400℃의 다이 부착 온도에서의 합금은 복합체 합금이다. 습윤 및 솔더링은 주로 샘플 34의 용융된 비스무트에 의해 보장될 수 있을 것이다. 또한, 다이 부착 온도에서의 마이크로미터 크기의 구리 입자는 다이 부착 동안 기판 상에 용융된 비스무트의 확산을 제어하는데 도움을 주고, 장치 구축 후에 필요한 열전도율을 제공할 수 있을 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 샘플 35의 고상선 온도는 337℃였다. 272℃에서의 저온 피크는 고형 반응물이며, 솔더 용융 특성에 영향을 주지 않는다.
다이 본드 테스트를 수행하고, 다양한 영역의 온도를 조정하여 균일한 습윤 다이 본드를 달성하였다. 공정 조건 및 결과를 표 11에 나타내며, 여기서 LF는 납 프레임을 나타내고, PH1은 예열 영역(1)의 온도이고, PH2/3는 예열 영역(2 및 3)의 온도이고, D/S/B는 분배 영역, 스팽크 영역 및 결합 영역의 온도이며, Cool은 냉각 영역의 온도이다.
다이 부착 공정 조건
샘플 LF PH1
(C)		 PH2/3 (C) D/S/B
(C)		 Cool (C) 비고
33-1 Cu 300 360 360 300 불균일 습윤, 다이 본드 없음
33-2 Cu 320 380 360 300 균일 습윤, 다이 본드 기준
34-1 Cu 320 400 360 320 불균일 습윤
34-2 Cu 330 400 370 320 불균일 습윤
34-3 Cu 340 400 380 320 30-2와 비교할 만한
균일 습윤, 다이 본드
34-4 Ni 340 400 380 320 불균일 습윤
34-5 Ni 340 400 390 320 불균일 습윤
34-6 Ni 340 400 400 320 30-2와 비교할 만한
균일 습윤, 다이 본드
35-1 Cu 320 380 360 320 불균일 습윤
35-2 Cu 320 400 380 320 30-2만큼 좋지는 않은
불균일 습윤, 다이 본드
35-3 Cu 340 400 400 340 불균일 습윤
35-4 Cu 340 400 380 320 불균일 습윤, 더블 Z-9 패턴
35-5 Cu 340 400 380 320 불균일 습윤, 50 um 스크럽 추가
35-6 Cu 340 400 380 320 불균일 습윤, 150 um 스크럽 추가
35-7 Ni 320 400 380 320 30-2와 비교할 만한
균일 습윤, 다이 본드
다이 본드 샘플에 대해 다이 전단을 테스트하였다. 결과를 표 12에 나타낸다.
다이 전단 결과
샘플 평균력(Mean Force) (Kgf) Stdev (Kgf) 고장 모드
(Failure Mode)
Cu에 대한 34 9.80 0.55 응집성
Ni에 대한 34 10.06 0.57 응집성
Cu에 대한 35 9.59 0.33 응집성
Ni에 대한 35 8.52 0.18 응집성
모든 샘플은 적절한 전단력 및 응집성 고장 모드를 나타내었다.
다이 본드 샘플에 대하여 기울기(tilt) 및 결합 라인 두께를 테스트하였다. 결과를 표 13에 나타낸다.
다이 기울기 및 결합 라인 두께 결과
샘플 다이 기울기 결합 라인 두께
평균 (mil) Stdev (mil) 평균 (mil) Stdev (mil)
Cu에 대한 34 0.73 0.26 1.49 0.34
Ni에 대한 34 0.66 0.15 1.28 0.27
Cu에 대한 35 0.56 0.31 1.71 0.51
Ni에 대한 35 0.53 0.32 1.70 0.27
모든 샘플은 일반적인 다이 부착 적용처에서 대응한 값을 나타내었다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형 및 추가가 논의된 예시적인 양태에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상술한 양태는 특정한 특성을 언급한 것이고, 본 발명의 범위는 또한 상술한 특성을 모두 포함하는 것은 아닌 양태 및 특성의 다른 조합을 갖는 양태를 포함한다.

Claims (20)

  1. 약 82중량% 내지 96중량%의 아연;
    약 3중량% 내지 약 15중량%의 알루미늄;
    약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 마그네슘; 및
    약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 갈륨을 포함하는, 솔더 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    약 0.75중량% 내지 약 1.25중량%의 마그네슘; 및
    약 0.75중량% 내지 약 1.25중량%의 갈륨을 포함하는, 솔더 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    약 1.0중량%의 마그네슘; 및
    약 1.0중량%의 갈륨을 포함하는, 솔더 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    약 0.1중량% 내지 약 2.0중량%의 주석을 더 포함하는, 솔더 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    약 0.001중량% 내지 약 0.5중량%의 양으로 존재하는 적어도 하나의 도펀트를 더 포함하는, 솔더 조성물
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도펀트는 인듐, 인, 게르마늄 또는 구리 중 하나 이상을 포함하는, 솔더 조성물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 도펀트는 주석 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성요소(member) 및 인을 포함하는, 솔더 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    약 10 ppm 내지 약 1000 ppm의 인; 및
    약 0.1중량% 내지 약 2중량%의 주석을 더 포함하는, 솔더 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    약 25 ppm 내지 약 300 ppm의 인; 및
    약 0.5중량% 내지 약 1.5중량%의 주석을 더 포함하는, 솔더 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    약 25 ppm 내지 약 300 ppm의 인; 및
    약 0.1중량% 내지 약 1중량%의 구리를 더 포함하는, 솔더 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    약 0.1중량% 미만의 납을 더 포함하는, 솔더 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    약 0.1중량% 미만의 주석을 더 포함하는, 솔더 조성물.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 조성물은 아연, 알루미늄, 갈륨, 및 마그네슘으로 구성된, 솔더 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 조성물은 아연, 알루미늄, 갈륨, 마그네슘, 주석 및 인으로 구성된, 솔더 조성물.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 조성물은 아연, 알루미늄, 갈륨, 마그네슘 및 적어도 하나의 도펀트로 구성된, 솔더 조성물.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 조성물 솔더 와이어인, 솔더 조성물.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 솔더 와이어는 약 1 밀리미터 미만의 직경을 갖는, 솔더 조성물.
  18. 인 도핑된 솔더(phosphorous doped solder)를 형성하는 방법으로서,
    양압(positive pressure) 하에서 불활성 가스로 용융물을 제조하는 단계; 및
    상기 용융물을 빌렛(billet)으로 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 형성하는 단계에서, 상기 용융물은 솔더 재료 및 약 10 ppm 내지 약 5000 ppm의 양의 인을 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 솔더 재료는 아연, 알루미늄, 비스무트, 주석, 구리 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성요소(member)를 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제조하는 단계와 상기 형성하는 단계 사이에, 상기 용융물을 통해 불활성 가스를 버블링하는 추가 단계를 더 포함하는, 방법.
KR1020147006835A 2011-08-17 2012-08-17 무연 솔더 조성물 KR20140050728A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161524610P 2011-08-17 2011-08-17
US61/524,610 2011-08-17
US13/586,074 US20130045131A1 (en) 2011-08-17 2012-08-15 Lead-Free Solder Compositions
US13/586,074 2012-08-15
PCT/US2012/051343 WO2013025990A2 (en) 2011-08-17 2012-08-17 Lead-free solder compositions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140050728A true KR20140050728A (ko) 2014-04-29

Family

ID=47712785

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147006835A KR20140050728A (ko) 2011-08-17 2012-08-17 무연 솔더 조성물

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20130045131A1 (ko)
KR (1) KR20140050728A (ko)
CN (1) CN104169041A (ko)
TW (1) TW201313376A (ko)
WO (1) WO2013025990A2 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014151364A (ja) * 2013-02-13 2014-08-25 Toyota Industries Corp はんだ及びダイボンド構造
KR20160003078A (ko) 2013-05-03 2016-01-08 허니웰 인터내셔날 인코포레이티드 무연 솔더 접속을 위한 리드 프레임 구조체
US20150151387A1 (en) 2013-12-04 2015-06-04 Honeywell International Inc. Zinc-based lead-free solder compositions
KR20160121562A (ko) * 2014-02-20 2016-10-19 허니웰 인터내셔날 인코포레이티드 무연 솔더 조성물
TWI561639B (en) 2014-04-17 2016-12-11 Heraeus Materials Singapore Pte Ltd Lead-free eutectic solder alloy comprising zinc as the main component and aluminum as an alloying metal
HUE045443T2 (hu) * 2014-08-27 2019-12-30 Heraeus Deutschland Gmbh & Co Kg Forrasztópaszta és eljárás kohéziós kapcsolat kialakítására
CN106660176B (zh) * 2014-08-27 2020-11-10 贺利氏德国有限两合公司 用于制造焊接接头的方法
JP2019107700A (ja) * 2019-02-18 2019-07-04 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッドＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ． 鉛フリーはんだ組成物
CN111168273B (zh) * 2020-02-12 2021-04-23 郑州大学 一种不锈钢焊接用药芯焊条
CN111250896B (zh) * 2020-03-26 2021-05-18 郑州机械研究所有限公司 一种高强、耐蚀、低熔的铝合金蜂窝板用钎料及制备方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3793161A (en) * 1972-08-11 1974-02-19 Alpha Metals Methods for electroplating solder
AT340620B (de) * 1975-02-25 1977-12-27 Voest Ag Einrichtung zur behandlung von metallschmelzen wahrend des stranggiessens mit spulgas
US5509598A (en) * 1994-05-31 1996-04-23 The Boc Group, Inc. Wave soldering apparatus and process
US7771547B2 (en) * 1998-07-13 2010-08-10 Board Of Trustees Operating Michigan State University Methods for producing lead-free in-situ composite solder alloys
JP3945915B2 (ja) * 1998-08-25 2007-07-18 住友金属鉱山株式会社 はんだ用Ｚｎ合金
AU2002227489A1 (en) * 2000-07-31 2002-02-13 Honeywell International Inc. Lead-free alloys with improved wetting properties
JP3800977B2 (ja) * 2001-04-11 2006-07-26 株式会社日立製作所 Ｚｎ−Ａｌ系はんだを用いた製品
JP3878978B2 (ja) * 2002-10-24 2007-02-07 コーア株式会社 鉛非含有はんだ、および鉛非含有の継手
JP2004358539A (ja) * 2003-06-06 2004-12-24 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 高温ろう材
WO2005027198A2 (en) * 2003-09-08 2005-03-24 Honeywell International Inc. Doped alloys for electrical interconnects, methods of production and uses thereof
US20060113683A1 (en) * 2004-09-07 2006-06-01 Nancy Dean Doped alloys for electrical interconnects, methods of production and uses thereof
JP4772320B2 (ja) * 2004-12-15 2011-09-14 富士通株式会社 亜鉛−アルミニウムはんだ合金
JP4818641B2 (ja) * 2005-05-18 2011-11-16 内橋エステック株式会社 ヒューズ素子
JP5305323B2 (ja) * 2008-02-29 2013-10-02 Ｄｏｗａメタルマイン株式会社 ダイカスト用Ｚｎ合金およびダイカスト用Ｚｎ合金を用いたダイカスト部材の製造方法
JP2010069502A (ja) * 2008-09-18 2010-04-02 Tokyo Bureizu Kk マイクロ合金はんだ
US9735126B2 (en) * 2011-06-07 2017-08-15 Infineon Technologies Ag Solder alloys and arrangements

Also Published As

Publication number Publication date
US20130045131A1 (en) 2013-02-21
US20150004427A1 (en) 2015-01-01
TW201313376A (zh) 2013-04-01
WO2013025990A3 (en) 2013-04-25
WO2013025990A2 (en) 2013-02-21
CN104169041A (zh) 2014-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20140050728A (ko) 무연 솔더 조성물
EP3077151B1 (en) Zinc-based lead-free and tin-free solder compositions
KR20180006928A (ko) 가혹한 환경의 전자장치 적용을 위한 고신뢰성 무연 땜납 합금
EP3131696B1 (en) Lead-free eutectic solder alloy comprising zinc as the main component and aluminum as an alloying metal
JP5861559B2 (ja) ＰｂフリーＩｎ系はんだ合金
EP2698225B1 (en) Lead-free solder alloy
US11772204B2 (en) Preform solder and method of manufacturing the same, and method of manufacturing solder joint
EP1429884B1 (en) Improved compositions, methods and devices for high temperature lead-free solder
JP5962461B2 (ja) Ａｕ−Ｇｅ−Ｓｎ系はんだ合金
US10661393B2 (en) Lead-free solder compositions
US20160234945A1 (en) Bi-BASED SOLDER ALLOY, METHOD OF BONDING ELECTRONIC COMPONENT USING THE SAME, AND ELECTRONIC COMPONENT-MOUNTED BOARD
TWI784761B (zh) 無鉛且無銻之焊料合金、焊球、及焊料接頭
TWI781050B (zh) 無鉛且無銻之焊料合金、焊球，及焊料接頭
JP7386826B2 (ja) 成形はんだ及び成形はんだの製造方法
JP6887183B1 (ja) はんだ合金および成形はんだ
JP2013052433A (ja) ＰｂフリーＺｎ系はんだ合金
JP5646230B2 (ja) 鉛フリー接合材料およびその製造方法
CN103586596A (zh) 无铅焊料组合物
JPH081372A (ja) 複合半田材料及びその製造方法
TW201706421A (zh) Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系焊膏以及使用此Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系焊膏接合或密封之電子元件
JP2014200794A (ja) Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金
JP2017136627A (ja) ＰｂフリーＩｎ系はんだ合金
JP2018149554A (ja) ＰｂフリーＢｉ系はんだ合金、該はんだ合金を用いた電子部品、および電子部品実装基板
JPS6216748B2 (ko)

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid