KR20150075692A - 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지 - Google Patents

무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지에 관한 것이다. 본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물은 주석, 은, 구리 외에 인듐을 최적 조성으로 포함함으로써 종래 사용되는 주석, 은, 구리 합금 조성물에 비해 접합 모재와 우수한 접합특성을 가짐으로써 합금의 기계적 강도, 열적 강도 및 가속 충격 성능을 현저히 향상시킬 수 있도록 한다. 이에 따라 본 발명의 무연 솔더 합금을 전자기기 및 인쇄회로기판, 특히 Ni/Au로 처리된 기판과 Ni/Au로 처리된 인쇄회로기판, Cu/OSP 처리된 기판과 Cu/OSP 처리된 인쇄회로기판에 적용함으로써 열 충격 성능과 가속 충격 성능을 동시에 해결할 수 있다.

Description

무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지{Composite for lead-free solder alloy, lead-free solder paste including the same and semiconductor package including the same}
본 발명은 무연 합금 솔더 조성물, 이를 포함하는 무연 솔더 페이스트 및 반도체 패키지에 관한 것이다.
솔더(solder)는 전자부품을 기판 상에 접합시키기 위해 사용하는 것으로서, 이전에는 주석(Sn)-납(Pb) 2원계 합금 솔더가 널리 사용되었다. 이는 주석-납계 솔더의 고상선 온도(Solidus Temperature)와 액상선 온도(Liquidus Temperature)가 183 ℃로 동일하여 냉각시 크랙 발생이 적고, 용융온도가 낮아 전자부품에 대한 열 손상이 적기 때문이다.
공정 솔더 합금으로는 납을 포함하고 있는 합금(Eutectic Solder Alloy: 63Sn37Pb)이 주를 이루었으나, 최근에는 환경규제 물질 사용의 억제로 인한 납(Pb)을 포함한 6대 중금속의 사용을 전 세계적으로 금하고, 그 대체물을 강구하기에 이르렀다.
대표적인 무연 솔더 조성으로는 주석(Sn)-은(Ag) 2원계 합금, 주석(Sn)-은(Ag)-구리(Cu) 3원계 합금 등을 들 수 있는데, 이러한 대체물인 무연 솔더 합금은 주로 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu)를 기본 조성으로 하는 3원계 합금이 대부분이며, 일반적으로 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu)의 3원계 합금에서 은(Ag) 함량이 높아질수록 가속 충격 성능이 낮아지나, 열 충격 특성(Thermal Shock Properties)은 좋아지는 경향을 가진다. 반대로 은(Ag) 함량이 감소할수록 가속 충격 성능은 향상되는 경향을 보이나 열 충격 성능은 저하되는 경향을 보인다.
이에 대한 대안으로 가속 충격 성능이 비교적 좋은 낮은 은 함량을 가진 합금이 대두 되고 있지만, 비교적 낮은 Ag 함량으로 인해 주석이 상대적으로 많아져 금속간화합물층을 형성할 확률이 증가하게 되며, 금속간화합물층의 성장이 솔더 접속 신뢰성, 열 피로 수명, 인장강도, 그리고 파괴인성 등을 감소시키는 요인으로 여전히 남게 된다.
또한, 종래의 합금에서 볼 수 없었던 외관상에 나타난 수지상 조직의 조대화에 따라 수지상 조직 간의 미세 주름의 생성률이 매우 높아지게 되며, 이러한 미세 주름에 눈에 보이지 않는 이물질 등으로 인한 오염과 리플로우시 발생 할 수 있는 미세 기공 등으로 인해 기판(PCB)과 솔더와의 접합부에서 젖음성 및 결합성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다
이에 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu)와 함께 비스무스(Bi), 니켈(Ni), 코발트(Co), 아연(Zn) 등을 더 포함하는 다원계 합금 솔더 등이 제안되었으나, 솔더의 용융온도가 높고, 젖음성(Wettability)이 떨어지며, 충분한 접합성(Bondability)을 확보할 수 없는 등의 문제점이 여전히 존재한다.
대한민국 등록특허 제 10-0833113 호
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 납을 포함하지 않으면서도, 이전의 주석(Sn)-납(Pb) 2원계 합금, 주석(Sn)-은(Ag)-구리(Cu)의 3원계 합금을 사용하는 솔더와 비교하여 동등하거나 더 낮은 융점을 가지면서도 젖음성이 우수하여 높은 작업 신뢰도를 나타낼 수 있는 무연 솔더 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 은(Ag) 1~3 중량%와, 구리(Cu) 0.1~0.8 중량%와, 인듐(In) 0.01~0.7 중량%와, 나머지 잔부는 주석(Sn) 95.5~98.8999 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Pb를 함유하지 않은 무연 합금 솔더 조성물을 제공한다.
본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물은 은(Ag) 2.3 중량%와, 구리(Cu) 0.5 중량%와, 인듐(In) 0.3 중량%, 및 나머지 잔부는 주석(Sn)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물은 은(Ag) 1.7 중량%와, 구리(Cu) 0.5 중량%와, 인듐(In) 0.5 중량%, 및 나머지 잔부는 주석(Sn)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물은 솔더 페이스트, 폴리머 솔더, 솔더 계열 배합물 또는 그 조합을 형성하는데 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물; 및 플럭스(Flux)를 포함하는 무연 솔더 페이스트(Solder Paste)를 제공한다.
솔더 페이스트는, 땜납 분말을 소량의 플럭스와 혼합하여 페이스트상으로 한 것으로, 리플로우 납땜법에 의한 프린트 기판에 대한 전자 부품의 실장에 널리 이용되고 있다. 솔더 페이스트에 사용하는 플럭스는, 수용성 플럭스와 비수용성 플럭스 중 어느 것이어도 되는데, 전형적으로는, 적당한 활성제, 용제, 틱소제를 함유하는 로진 베이스의 비수용성 플럭스인 로진계 플럭스이다.
본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금을 사용한 프린트 기판의 납땜은, 플로우법과 리플로우법 중 어느 방법을 이용하여 실시할 수도 있다. 모두, 통상적인 방법에 따라 실시하면 된다. 납땜은 일반적으로 땜납 합금의 고상선 온도보다 수 ℃ ∼ 20 ℃ 높은 온도에서 실시된다. 본 발명에 관련된 땜납 합금은, 전형적으로는 고상선 온도가 188 ∼ 203 ℃, 액상선 온도는 219 ∼ 223 ℃ 의 범위 내이고, 일반적인 Sn-3 Ag-0.5 Cu 납프리 땜납과 동일한 납땜 조건을 이용하여 동일하게 납땜을 실시할 수 있다.
본 발명에 의한 무연 솔더 페이스트에 있어서, 상기 플럭스(Flux)는 로진(Rosin) 계열 플럭스, 레진(Resin) 계열 플럭스, 및 유기산 계열 플럭스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한,
패드 및 회로 패턴을 포함하는 인쇄회로기판,
상기 패드 위에 적어도 1층을 포함하는 금속층,
상기 금속층 위에 부착되며, 제 1 항의 무연 합금 솔더 조성물을 포함하는 무연 솔더, 및
상기 무연 솔더를 통해 상기 인쇄회로기판에 실장되는 적어도 하나의 반도체 소자를 포함하는 반도체 패키지를 제공한다.
본 발명에 의한 무연 합금 솔더 조성물은 주석, 은, 구리 외에 인듐을 최적 조성으로 포함함으로써 종래 사용되는 주석, 은, 구리 합금 조성물에 비해 접합 모재와 우수한 접합특성을 가짐으로써 합금의 기계적 강도, 열적 강도 및 가속충격 성능을 현저히 향상시킬 수 있도록 한다.
이에 따라 본 발명의 무연 솔더 합금을 전자기기 및 인쇄회로기판, 특히 Ni/Au로 처리된 기판과 Ni/Au로 처리된 인쇄회로기판, Cu/OSP 처리된 기판과 Cu/OSP 처리된 인쇄회로기판에 적용함으로써 열충격 성능과 가속충격 성능을 동시에 해결할 수 있다.
도 1은 상기 실시예 및 비교예의 조성물로 제조된 솔더볼의 외관을 측정한 결과를 나타낸다.
도 2는 상기 실시예 및 비교예의 조성물로 제조된 솔더의 젖음성 평가 결과를 나타낸다.
도 3은 리플로우 피크 온도(Pick Temp.)에 따른 접합 강도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 ENIG 기판에 대해 multi reflow 횟수별로 접합 강도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 ENIG 기판에 대해 IMC(Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정한 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 OSP 기판에 대해 multi reflow 횟수별로 접합 강도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 및 도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 ENIG 기판에 대해 열충격 성능을 측정한 결과 및 열충격 성능 측정 후 생성된 IMC 두께를 측정한 결과값을 나타낸다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 OSP 기판에 대해 열충격 성능을 측정한 결과 및 열충격 성능 측정 후 IMC 두께를 측정한 결과값과 에칭을 통한 IMC 성장 현상을 나타낸다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 OSP 기판에 대해 열충격 성능을 측정한 후 생성된 IMC의 성분 분석 결과를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 ENIG 기판에 대해 가속충격 성능을 측정한 결과를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 실시예 및 비교예의 솔더로 접합된 OSP 기판에 대해 가속충격 성능을 측정한 결과를 나타낸다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 > 무연 솔더 합금의 제조
아래 표 1(여기서, 각 성분의 함량은 중량%)에 나타낸 바와 같은 조성으로 sample number 1 내지 11의 실시예 및 비교예의 혼합물을 제조하였다.
Sample No. 구분 Sn Ag Cu In Ni
1 실시예 1 bal. 1 0.3 0.5 　
2 실시예 2 bal. 2.3 0.5 0.3 　
3 실시예 3 bal. 1 0.3 2 　
4 실시예 4 bal. 2.5 0.3 2 　
5 실시예 5 bal. 1 0.8 0.5 　
6 실시예 6 bal. 2.5 0.8 0.5 　
7 실시예 7 bal. 1 0.8 2 　
8 실시예 8 bal. 2.5 0.8 2 　
9 비교예 1
(SAC1205)		 bal. 1.2 0.5 　 0.05
10 비교예 2
(SAC305)		 bal. 3 0.5 　 　
11 실시예 9 bal. 1.7 0.5 0.5 　
< 실험예 > SEM 에 의한 외관 측정
PAP(Pulsated Automization Process) 공법을 사용하여 상기 실시예 및 비교예의 합금 1000 g을 지름 0.2 ㎜인 노즐을 사용하여 분사시켜 지름 0.45 ± 0.004 ㎜인 솔더볼을 제조하였다. 상기 실시예 및 비교예의 조성물로 제조된 솔더볼의 외관을 측정하고 도 1에 나타내었다.
< 실험예 > 온도 변화에 따른 열 흐름 측정
실시예 및 비교예에 따른 각각의 솔더 조성물에 대하여 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 온도 변화에 따른 열흐름(Heat Flow)을 측정하였고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
Sample No. 구분 DSC
1 실시예 1 208.5 ℃
2 실시예 2 215.1 ℃
3 실시예 3 208.1 ℃
4 실시예 4 208.2 ℃
5 실시예 5 214.8 ℃
6 실시예 6 216.1 ℃
7 실시예 7 208.1 ℃
8 실시예 8 210.8 ℃
9 비교예 1
(SAC1205)		 217 ℃
10 비교예 2
(SAC305)		 217 ℃
11 실시예 9 212 ℃
< 실험예 > 젖음력 ( Wetting Balance ) 평가
실시예 1 내지 9 및 비교예 1, 2 에서 제조된 무연 합금 솔더의 솔더 접합부 신뢰도를 평가하기 위하여 젖음성을 아래 방법으로 측정하였다.
젖음성 시험은 메니스코그래프(Meniscograph)법을 이용하여 젖음 시간에 따른 젖음력을 측정한 것으로서, 245 ± 5 ℃로 가열된 용융 솔더 용기(Bath) 중으로 시험편을 일정 속도로 일정 깊이까지 담가 시험편에 가해지는 부력과 젖음력(젖음 개시 후의 표면장력에 의해 시험편에 작용하는 힘)을 측정하고, 그 작용력과 시간곡선을 해석하여 평가하고 계산하였다.
이때 젖음시간(T0)은 용융 솔더가 시험편에 적셔지면서 시험편과 솔더표면에 수평으로 되는 시간을 나타내며, 이는 부력과 용융솔더의 표면장력이 평형상태가 되는 것으로 젖음성을 결정하는 중요한 요소이다.
젖음성은 규격이 3 x 10 x 0.3 ㎜인 Cu Plate 시편(순도 99.99%)을 사용하여, JSTD-002B 규정에 의거하여 용탕 온도 245 ± 5 ℃, 수용성 플럭스를 사용하여 총 10 회 측정하고, 그 값들의 평균값을 구하였고 그 결과를 아래 표 3 및 도 2에 나타내었다.
Sample No. 구분 T0(s) Fmax(mN)
1 실시예 1 0.59 2.03
2 실시예 2 0.48 2.2
3 실시예 3 0.53 2.11
4 실시예 4 0.49 2.08
5 실시예 5 0.58 2.08
6 실시예 6 0.53 2.14
7 실시예 7 0.52 2.1
8 실시예 8 0.42 2.15
9 비교예 1
(SAC1205)		 0.49 2.07
10 비교예 2
(SAC305)		 0.52 2.18
11 실시예 9 0.47 2.15
< 실험예 > 리플로우 피크 온도( Pick Temp .)에 따른 접합 강도
두께 1.6 ㎜ 의 프린트 기판에 소정 패턴으로 배치된 각 납땜부(1.6 × 1.2 ㎜) 에 3.2 × 1.6 × 0.6 ㎜ 의 칩 저항을 납땜하였다. 납땜은, 각 땜납 합금의 분말과 로진계 플럭스로부터 제조한 솔더 페이스트를 납땜부에 150 ㎛의 두께로 인쇄 도포하고, 피크 온도가 240 ℃, 245 ℃, 250 ℃인 리플로우 로에서 가열하는 리플로우법에 의해 실시하였다. 이렇게 하여 각 납땜부에 동일한 칩 저항이 실장된 프린트 기판을, -55 ℃ 와 +125 ℃ 에 각각 30 분씩의 온도 사이클로 1000 사이클 노출하여 시험 시료(온도 사이클에 노출한 칩 저항)를 얻었다. 이 시험 시료를, 접합 강도 시험기로 가로 방향으로 힘을 가함으로써 박리시키고, 그 때의 강도(N:뉴턴)를 측정하여 접합 강도로 하였다. 측정한 칩 저항(시험 시료)의 수는 각 땜납 합금에 대해 20 개씩으로 하고, 피크 온도가 240 ℃, 245 ℃, 250 ℃ 인 경우 얻어진 접합 강도를 도 3에 나타내었다.
< 실험예 > Multi Reflow Test ( MRT )
기판(Substrate) 및 인쇄회로기판(PCB)으로서 표면을 니켈(Ni)/금(Au) 처리한 것(Electroless Nickel / Immersion Gold (ENIG))을 사용하여 본 발명의 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 솔더 조성물을 이용하여 반도체 패키지를 제조하였다.
제조된 반도체 패키지에 대해 multi reflow test(MRT)를 실시하고, multi reflow 횟수별로 접합 강도를 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 또한, 솔더 접합부에 대해 IMC(Inter Metallic Compound) 두께 및 단면의 IMC 형성 패턴을 측정하고 각각 도 5 및 도 6 에 나타내었다.
< 실험예 > Multi Reflow Test(MRT)
기판(Substrate) 및 인쇄회로기판(PCB)으로서 구리 기저 패드 위에 OSP(Organic Solderability Preservative) 처리한 것을 사용하여 본 발명의 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 솔더 조성물을 이용하여 반도체 패키지를 제조한 후, 제조된 반도체 패키지에 대해 multi reflow test(MRT)를 실시하고 측정 결과를 도 7에 나타내었다.
<실험예 > 열충격 성능 평가
니켈(Ni)/금(Au)으로 표면 처리된 기판 및 인쇄회로기판을 사용한 반도체 패키지에 대해 열충격 시험기를 사용하여 -50 내지 150 ℃의 온도 범위에서 250회 내지 1000회 실시간 저항을 측정하여 파괴 유무를 검사하고, 그 결과를 도 8에 나타내었으며, 열충격 성능 시험 후 생성된 IMC의 두께를 도 9에 나타내었다.
또한, 구리(Cu)/오에스피(OSP)로 표면 처리된 기판 및 인쇄회로기판을 사용한 반도체 패키지에 대해 상기와 동일한 방법으로 열충격 성능을 평가하고 그 결과를 도 10에 나타내었으며, 열충격 성능 시험 후 생성된 IMC의 두께, 에칭을 통항 ICM 성장 현상, 및 IMC 성분 분석 결과를 도 11 내지 도 14에 나타내었다.
< 실험예 > 가속충격 성능 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 무연 합금 솔더의 가속충격 성능을 하기의 방법으로 평가하였다.
가속충격 시험기를 사용하여 JESD22-B111 규정에 의거하여 측정하였으며, 측정 시 가해지는 중력가속도(G)를 1500 ± 150 G로 0.5 msec 단위로 측정하였다. 충격 횟수는 최대 300회로 한정하였으며, 평가에 사용된 기판(Substrate) 및 인쇄회로기판(PCB)은 표면을 니켈(Ni)/금(Au) 처리한 것과 구리(Cu)/오에스피(OSP) 처리한 것을 각각 사용하여 도 15 및 도 16에 나타내었다.
기판 및 인쇄회로기판을 구리(Cu)/오에스피(OSP)로 표면 처리하는 경우에는 Cu6Sn5 조성의 금속간화합물을 생성하게 되며, 이때, Cu6Sn5 조성의 금속간화합물층과 벌크 솔더 사이의 열팽창계수 차이로 인해 벌크 솔더에 압축응력이 작용하지만, 니켈(Ni)/금(Au)으로 표면 처리한 것과 비교하여 상대적으로 구리(Cu)의 함량이 풍족하기 때문에 니켈(Ni)/금(Au)으로 표면 처리한 것과 달리 금속간화합물의 형상이 가리비 형상(scallop)의 구조로 형성된다.

Claims (7)

  1. 은(Ag) 1~3 중량%와, 구리(Cu) 0.1~0.8 중량%와, 인듐(In) 0.01~0.7 중량%와, 나머지 잔부는 주석(Sn) 95.5~98.8999 중량%로 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Pb를 함유하지 않은 무연 합금 솔더 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    은(Ag) 2.3 중량%와, 구리(Cu) 0.5 중량%와, 인듐(In) 0.3 중량%, 및 나머지 잔부는 주석(Sn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 Pb를 함유하지 않은 무연 합금 솔더 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    은(Ag) 1.7 중량%와, 구리(Cu) 0.5 중량%와, 인듐(In) 0.5 중량%, 및 나머지 잔부는 주석(Sn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 Pb를 함유하지 않은 무연 합금 솔더 조성물.
  4. 솔더 페이스트, 폴리머 솔더, 솔더 계열 배합물 또는 그 조합을 형성하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 제 1 항의 무연 합금 솔더 조성물.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 조성물; 및 플럭스(flux)를 포함하는 무연 솔더 페이스트(Solder Paste).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플럭스(Flux)는 로진(Rosin) 계열 플럭스, 레진(Resin) 계열 플럭스, 및 유기산 계열 플럭스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 무연 솔더 페이스트(Solder Paste).
  7. 패드 및 회로 패턴을 포함하는 인쇄회로기판,
    상기 패드 위에 적어도 1층을 포함하는 금속층,
    상기 금속층 위에 부착되며, 제 1 항의 무연 합금 솔더 조성물을 포함하는 무연 솔더, 및
    상기 무연 솔더를 통해 상기 인쇄회로기판에 실장되는 적어도 하나의 반도체 소자를 포함하는 반도체 패키지.
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