KR20160121562A - 무연 솔더 조성물 - Google Patents

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KR20160121562A
KR20160121562A KR1020167025082A KR20167025082A KR20160121562A KR 20160121562 A KR20160121562 A KR 20160121562A KR 1020167025082 A KR1020167025082 A KR 1020167025082A KR 20167025082 A KR20167025082 A KR 20167025082A KR 20160121562 A KR20160121562 A KR 20160121562A
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wire
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rti
bismuth
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KR1020167025082A
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지안싱 리
마이클 알 핀터
비키 엘 존슨
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허니웰 인터내셔날 인코포레이티드
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    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon

Abstract

본 발명의 솔더 와이어 조성물은 85 중량% 내지 95 중량%의 비스무트, 및 5 중량% 이상의 구리를 포함할 수 있다. 상기 솔더 와이어 조성물은 직경이 약 1 밀리미터 미만이고 파단 연신율이 20% 이상일 수 있다.

Description

무연 솔더 조성물{LEAD-FREE SOLDER COMPOSITIONS}
관련 출원 상호 참조
본 출원은, 2012년 8월 15일 출원된 미국 특허 출원 13/586,074, 및 2012년 8월 17일 출원된 PCT 출원 PCT/US2012/051343과 관련되며, 이들은 각각 2011년 8월 17일 출원된 미국 가특허 출원 61/524,610의 우선권을 주장한다. 식별된 출원들 각각은 본원에 그 전체가 참조 인용된다.
기술분야
본 출원은 솔더 재료, 보다 구체적으로 무연 또는 실질적으로 무연인 솔더 재료에 관한 것이다.
솔더 재료는 다양한 전기기계 및 전자 디바이스의 제조 및 조립에 사용된다. 과거에는, 솔더 재료가 일반적으로 상당한 양의 납을 포함하여 솔더 재료에 용융점, 습윤성, 연성 및 열전도성과 같은 바람직한 특성을 제공하였다. 일부 주석계 솔더가 또한 개발되어왔다. 보다 최근에는, 원하는 성능을 제공하는 무연 및 무주석 솔더 재료를 제조하려는 시도가 있었다.
일부 실시양태에서, 솔더 와이어 조성물은 85 중량% 내지 95 중량%의 비스무트, 및 5 중량%의 이상 구리를 포함할 수 있다. 상기 솔더 와이어 조성물은 직경이 약 1 밀리미터 미만이고 파단 연신율이 20% 이상일 수 있다.
일부 실시양태에서, 솔더 와이어를 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 빌렛(billet)을 압출하여 직경이 약 1 밀리미터 미만인 솔더 와이어를 형성하는 단계, 압출 와이어를 약 93℃ 내지 약 121℃의 온도에서 가열 처리하는 단계; 및 가열 처리된 압출 와이어의 온도를 이의 고상선 온도(solidus temperature)보다 높게 하면서 상기 압출 와이어를 스풀(spool) 상에 권취하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 솔더 조성물은 약 85 중량% 내지 95 중량%의 비스무트, 약 8 중량% 내지 12 중량%의 구리, 및 약 0.001 중량% 내지 0.1 중량%의 갈륨을 포함할 수 있다.
여러 실시양태들이 개시되어 있지만, 본 발명의 예시적인 실시양태를 나타내고 설명하는, 이하의 구체적인 내용으로부터 본 발명의 또 다른 실시양태가 당업자에게 명백해질 것이다. 이에 따라, 구체적인 내용은 본질적으로 예시적이며 제한적이 아닌 것으로 간주되어야 한다.
도 1은 와이어 압출 공정의 한 실시양태의 블록 다이어그램 선도이다.
도 2는 와이어 압출에 대한 실험적 선도를 나타낸다.
솔더 조성물은 두 개의 기판 또는 워크피스를 접합하는 데 사용되는 가용성 금속 및 금속 합금이며, 워크피스의 용융점보다 용융점이 낮다. 반도체 산업 중 다이 접착 분야에 사용되는 것과 같은 솔더 조성물은, 벌크 솔더 제품, 솔더 페이스트 및 솔더 와이어를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다수의 상이한 형태로 제공될 수 있다.
솔더 페이스트는 예를 들어 주사기를 이용하여 인쇄 및 분배하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 방법을 사용하여 기판에 적용될 수 있는 유체 또는 퍼티 유사(putty-like) 물질일 수 있다. 예시적인 솔더 페이스트 조성물은 분말 금속 솔더를 임시 접착제로서 작용하는 점성 매체인 플럭스와 혼합함으로써 형성될 수 있다. 플럭스는 솔더링 공정이 분말 솔더를 용융시키기까지 솔더 페이스트의 성분을 함께 보유할 수 있다. 솔더 페이스트에 대한 적합한 점도는 솔더 페이스트가 기판에 어떻게 적용되는가에 따라 달라질 수 있다. 솔더 페이스트에 대한 적합한 점도는 300,000-700,000 센티푸아즈(cps)를 포함한다.
다른 실시양태에서, 솔더 조성물은 솔더 와이어로서 제공될 수 있다. 솔더 와이어를 다이를 통해 솔더 재료를 인발함으로써 형성시켜 스풀 상에 얇은 솔더 와이어를 제공할 수 있다. 적합한 솔더 와이어의 직경은 약 1 밀리미터(mm) 미만일 수 있다. 일부 실시양태에서, 솔더 와이어는 직경이 작게는 0.1 mm, 0.25 mm 또는 0.63 mm 또는 크게는 0.75 mm, 0.8 mm 또는 1 mm이거나 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서 솔더 와이어는 직경이 약 0.25 mm 내지 약 0.8 mm, 보다 구체적으로 약 0.63 mm 내지 약 0.75 mm일 수 있다. 일부 실시양태에서, 솔더 와이어를 2 이상의 조각으로 파단시키지 않고 스풀 상에 압연 또는 코일링할 수 있다.
형태에 관계 없이, 솔더 조성물은 적합한 물리적 특성, 예컨대 그의 고상선 온도, 용융 온도 범위, 습윤 특성, 연성, 및 열전도율에 기초하여 평가될 수 있다. 고상선 온도는 솔더 재료가 용융되기 시작하는 온도를 정량화한다. 고상선 온도 미만에서, 상기 솔더 재료는 완전히 고체이다. 일부 실시양태에서, 고상선 온도는 스텝 솔더링 작업을 허용하고 최종 사용 디바이스에서 열 응력을 최소화하기 위해 300℃ 부근일 수 있다.
솔더 조성물의 용융 온도 범위는 고상선 온도 및 액상선 온도(liquidus temperature)에 의해 정의된다. 액상선 온도는 솔더 재료가 완전 용융된 온도를 초과하는 온도를 정량화한다. 액상선 온도는 결정(예를 들어, 고상 물질)이 용융물(예를 들어, 액상 물질)과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 초과에서, 솔더 재료는 균질한 용융물 또는 액체이다. 일부 실시양태에서, 좁은 용융 온도 범위를 가져 솔더가 두가지 상으로 존재하는 범위를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다.
습윤성은 기판 또는 워크피스의 표면을 흘러 습윤시키는 솔더의 능력을 지칭한다. 보다 큰 습윤성은 일반적으로 워크피스들 사이의 증가된 결합 강도를 제공할 것이다. 습윤성은 도트 습윤 테스트(dot wet test)를 이용하여 측정될 수 있다.
연신율은 인장 시험에서 측정된 와이어의 연성의 척도이다. 보다 높은 연신율은 보다 높은 연성을 나타낸다. 솔더 와이어의 연신율은 ASTM E8(제목: "금속 물질의 인장 시험에 관한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)")에 따라 실온에서 Instron 4465 기계를 이용하여 측정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 솔더 와이어의 연신율은 적어도 약 20%, 25%, 30% 또는 35%이다.
탄성계수는 가해진 힘에 반응하여 탄성적으로(예를 들어 비영구적으로) 변형되는 솔더 와이어의 경향성의 수학적 서술이다. 일부 실시양태에서, 솔더 와이어의 탄성계수는 약 15 GPa 미만, 약 12 GPa 미만, 또는 약 10 GPa 미만이다.
모든 솔더 접합부는 최종 디바이스에서 디바이스 수명에 걸쳐 솔더 접합 강도가 감소하게 된다. 연성이 증가된 솔더는 디바이스 수명을 연장시킬 것이며 보다 바람직하다. 연성 솔더는 또한 솔더 와이어가 스풀 상에 코일링 또는 압연될 수 있게 하여 본원에서 추가로 상세히 기재된 바와 같이 솔더 와이어의 제작에 바람직할 수 있다.
높은 열전도율은 또한 디바이스 성능에 바람직할 수 있다. 일부 실시양태에서, 솔더 재료는 다이를 납 프레임에 연결할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 납 프레임에 열을 전도하는 솔더가 바람직할 수 있다. 일부 예시에서, 높은 열전도율은 특히 고전력 적용처에 특히 바람직하다. 특정 실시양태에서, 적합한 솔더 재료는 열전도율이 20 W/m-K(와트/미터캘빈)보다 높을 수 있다. 다른 실시양태에서, 적합한 솔더 재료는 열전도율이 10 W/m-K보다 높거나 10 W/m-K 내지 약 25 W/m-K일 수 있다. 다른 추가 실시양태에서, 적합한 솔더 재료는 열전도율이 작게는 10 W/m-K, 12 W/m-K, 14 W/m-K 또는 크게는 15 W/m-K, 18 W/m-K, 20 W/m-K 또는 25 W/m-K이거나 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내일 수 있다.
솔더 재료, 예를 들어 현재의 비스무트/구리 솔더는 무연일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "무연"은 0.1 중량% 미만의 납을 포함하는 솔더 재료를 지칭한다. 특정 실시양태에서, 솔더 재료, 예를 들어 현재의 비스무트/구리 솔더는 무주석일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "무주석"은 0.1 중량% 미만의 주석을 포함하는 솔더 재료를 지칭한다.
일부 실시양태에서, 비스무트/구리계 솔더 재료는 비스무트를 작게는 85 중량%, 88 중량% 또는 90 중량% 또는 크게는 92 중량%, 93 중량% 또는 95 중량% 또는 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내의 양으로, 및 구리를 작게는 5 중량%, 8 중량% 또는 10 중량% 또는 크게는 11 중량%, 12 중량% 또는 15 중량% 또는 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내의 양으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 비스무트/구리계 솔더 재료는 약 85 중량% 내지 약 95 중량%의 비스무트 및 약 5 중량% 내지 약 15 중량%의 구리, 보다 구체적으로, 약 88 중량% 내지 약 92 중량%의 비스무트 및 약 8 중량% 내지 약 12 중량%의 구리를 포함할 수 있다. 도판트, 예컨대 갈륨, 인듐, 인 및/또는 게르마늄은 작게는 0.001 중량%, 0.01 중량%, 0.05 중량%, 또는 0.075 중량%의 양으로 또는 크게는 0.1 중량%, 0.25 중량%, 0.5 중량%, 0.75 중량%, 또는 1 중량%의 양으로 존재할 수 있거나 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내로 존재할 수 있다. 적합한 비스무트/구리 솔더 재료는 약 10 중량% 이상의 구리 및 나머지의 비스무트 및 도판트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비스무트/구리계 솔더는 약 89 중량% 내지 90 중량%의 비스무트, 약 10 중량%의 구리 및 도판트를 포함할 수 있다. 솔더 조성물은 단 하나의 도판트 물질을 포함할 수 있거나, 또는 2 이상의 도판트 물질의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 비스무트/구리계 솔더 재료는 약 10 중량%의 구리, 약 0.1 중량%의 도판트, 및 잔부의 비스무트로 이루어질 수 있다. 도판트는 상기 기재된 물질 중 단일 물질일 수 있거나, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시양태에서, 도판트는 갈륨일 수 있다.
비스무트/구리계 솔더 재료는 보다 낮은 용융 온도 및 열전도율을 나타낼 수 있으며, 따라서 다른 솔더 재료, 예컨대 아연/알루미늄계 솔더 재료보다 저전력 분야에 적합할 수 있다.
다량의 구리를 포함하는 비스무트/구리계 솔더, 예컨대 5 중량% 이상의 구리를 포함하는 솔더는, 통상적으로 기존 와이어 압출 및 스풀링 기법을 이용하여 와이어를 형성하기에는 너무 취성이 높다. 상기 기술된 취성을 극복한 시스템(100)이 도 1에 나타나 있다. 시스템(100)은 다이(112), 가열 구역(114), 및 스풀(116)을 갖는 압출기(110)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 적합한 솔더 재료, 예컨대 상기 기술된 조성을 갖는 솔더 재료는, 빌렛으로서 형성되고 압출기(110) 및 다이(112)를 이용하여 솔더 와이어(118)로 압출된다. 압출 후, 와이어(118)는 가열 구역(114)으로 입구(114a)에서 들어가고 출구(114b)로 나온다. 이후 압출 및 가열 처리된 와이어(118)는 스풀(116) 상에 권취된다.
적합한 솔더 재료는 용융 솔더 재료를 캐스팅함으로써 빌렛으로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 캐스트 빌렛(cast billet)은 압출기(110)를 이용한 작업 용도에 적합한 임의 크기일 수 있으나, 캐스트 빌렛은 직경이 약 25 mm(1 인치)이고 길이가 약 102 mm(4 인치)일 수 있다.
압출기(110)를 충분한 압력 및 온도에서 작동시켜 다이(112)를 통해 빌렛을 가압할 수 있다. 일부 실시양태에서, 압출기(110)는 솔더 빌렛을 용융시키지 않지만 연화시키기에 충분히 높은 온도에서 작동된다. 예를 들어, 압출기(110)는 솔더 재료의 고상선 온도 초과이자 액상선 온도 미만인 온도에서 작동될 수 있다. 예를 들어, 상기 기술된 조성물로 형성되고 용융 온도가 약 270℃인 솔더 빌렛은, 낮게는 약 210℃, 220℃ 또는 230℃의 온도 또는 높게는 230℃, 240℃ 또는 250℃의 온도에서 또는 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내의 온도에서 작동되는 압출기(110)에서 압출될 수 있다.
일부 실시양태에서, 압출기(110)는 11,721 KPa(1700 psi) 초과의 압력에서 작동될 수 있다. 예를 들어, 압출기(110)는 작게는 11,721 KPa(1700 psi), 12,066 KPa(1750 psi), 12,410 KPa(1800 psi) 또는 12,755 KPa(1850 psi) 또는 크게는 12,755 KPa(1850 psi), 13,100 KPa(1900 psi) 또는 13,445 KPa(1950 psi)의 압력에서 작동될 수 있거나 또는 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고압(예를 들어, 11,721 KPa(1700 psi) 초과의 압력)은 와이어(118)의 강도를 증가시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 솔더 재료는 약 220℃ 내지 약 250℃의 온도 및 약 12,410 KPa(1800 psi) 내지 약 13,445 KPa(1950 psi)의 압력에서 압출될 수 있다.
압출 와이어(118)의 직경은 캐스트 빌렛의 직경보다 작다. 적합한 솔더 와이어의 직경은 약 1 밀리미터(mm) 미만일 수 있다. 일부 실시양태에서, 솔더 와이어는 직경이 작게는 0.1 mm, 0.25 mm 또는 0.63 mm 또는 크게는 0.75 mm, 0.8 mm 또는 1 mm이거나 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서 솔더 와이어는 직경이 약 0.25 mm 내지 약 0.8 mm, 보다 구체적으로 약 0.63 mm 내지 약 0.75 mm일 수 있다.
압출은 와이어(118)에 압출 응력을 야기할 수 있으며, 이는, 일부 실시양태에서, 결과로 얻어진 와이어(118)가 스풀(116) 상에 코일링되기에 너무 취성이 되게 할 수 있다. 가열 구역(114)은 와이어(118)를 열처리 또는 어닐링하는 데 사용된다. 가열 구역(114)은 와이어(118)를 가열하기에 충분한 임의의 가열 디바이스 또는 방법일 수 있다. 예를 들어, 가열 구역(114)은 노(furnace), 예컨대 튜브 노, 또는 강제 공기(forced air) 또는 복사열을 이용하는 임의 기타 디바이스일 수 있다. 일부 실시양태에서, 강제 공기 가열은 공급원으로부터 와이어(118)에 직접 적용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 와이어(118)는 가열 공기가 통과하도록 강제된 튜브에 의해 둘러싸이고 이를 통과할 수 있다.
가열 구역(114)의 가열 처리 공정의 길이 및 온도는 와이어(118)에서의 응력, 예를 들어 압출 응력을 감소시키거나 제거하기에 충분하다. 일부 실시양태에서, 가열 구역(114)은 약 93℃ 내지 121℃(200℉ 내지 250℉)에서 작동되고 와이어는 작게는 8초, 10초 또는 15초 또는 크게는 15초, 30초 또는 60초 동안 또는 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내의 기간 동안의 가열 처리에 노출된다. 즉, 와이어(118)가 가열 구역(114)의 입구(114a)로부터 가열 구역(114)의 출구(114b)로 지나가기까지 짧게는 5초, 10초 또는 15초 또는 길게는 15초, 30초 또는 60초 또는 상기 값의 임의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내의 기간이 걸릴 수 있다. 한 실시예에서, 가열 구역(114)은 길이가 약 305 mm(1 피트)(예를 들어, 입구(114a)로부터 출구(114b)까지 1 피트)이고, 와이어(118)는 약 4~8 피트/분의 속도로 가열 구역(114)을 통과한다.
가열 구역(114)을 통과한 후, 와이어(118)는 스풀(116) 상에 권취된다. 일부 실시양태에서, 스풀(116)은 내측 허브 직경이 51 mm(2 인치)이고 102 mm(4 인치) 직경을 갖는 두 외측 플랜지(flange)를 가질 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 와이어가 스풀(116) 상에 권취됨에 따라, 내측 허브에 가장 가까운 와이어의 일부는 약 51 mm의 유효 직경으로 권취된다. 추가 와이어가 스풀 상에 권취됨에 따라, 기저 와이어로 인해 스풀의 유효 직경은 감소하며 복수의 와이어의 코일이 내측 허브 상에 형성된 후의 스풀의 유효 직경은 51 mm(스풀의 허브의 직경)보다 102 mm(플랜지의 직경)에 가까울 수 있다. 성공적으로 압출된 와이어(118)는 2 이상의 조각으로 파단되지 않고 스풀(116) 상에 압연될 수 있어야 한다.
와이어(118)의 작은 직경으로 인해, 와이어(118)는 가열 구역(114) 이후 빠르게 냉각될 수 있다. 일부 실시양태에서, 가열 구역(114)은, 와이어(118)가 스풀(116) 상에 권취됨에 따라 연화 상태이도록 상기 와이어를 충분히 가열할 수 있다. 예를 들어, 와이어(118)는 스풀(116) 상에서 권취될 때 이의 고상선 온도 초과이자 액상선 온도 미만인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 가열 구역(114) 및 스풀(116)은 와이어(118)가 가열 구역(114)을 나와 스풀(116) 상에 코일링 될 때까지 10초 이하가 경과하도록 간격지어질 수 있다. 다른 실시양태에서, 와이어(118)가 가열 구역(114)을 나와 스풀(116) 상에 코일링 될 때까지 30초 이하가 경과한다.
본원에 기술된 바와 같이, 시스템(10)은 와이어 연성이 향상된 솔더 와이어를 제공한다. 상기 시스템(10)은 또한 와이어의 생산 가능성(manufacturability)을 향상시킨다.
실시예 1:
I. 비스무트/구리 솔더 합금 빌렛의 형성
비스무트/구리 솔더 합금은, 비스무트, 구리 및 갈륨을 질소 분위기에서 1 인치 직경 빌렛 내로 캐스팅하여 형성하였다.
II. 시험 절차
도 2에서는 예시적인 실험용 와이어 압출 및 권취 장치가 예시되어 있다. 솔더 합금 빌렛(202)을 220-250℃ 및 12,410 KPa(1800 psi) 내지 13,445 KPa(1950 psi)의 압력에서 다이(212)를 지닌 압출기(212)에서 압출하여 직경이 약 0.762 mm(0.030 인치)인 솔더 와이어(218)를 형성시켰다. 압출 후, 솔더 와이어(218)를 가열 구역으로 공급하였다. 가열 구역은 튜브 또는 터널(214)을 통해 축 방향으로 솔더 와이어(218)를 공급함으로써 형성시켰다. 튜브의 단부(214a 및 214b)는 솔더 와이어((218)가 들어오고 나갈 수 있도록 개방되었다. 히트건(220)으로부터의 고온의 공기는 튜브(214) 중의 공기가 약 93~121℃(200~250℉)에서 유지되도록 튜브(214)를 통해 유도되었다.
솔더 와이어를 내측 허브 직경이 51 mm(2 인치)이고 102 mm(4 인치) 직경을 갖는 두 외측 플랜지를 갖는 스풀(216) 상에 권취하였다. 성공적으로 압출된 와이어를 2 이상의 조각으로 파단시키지 않고 스풀 상에 압연시킬 수 있었다.
솔더 와이어는 시스템을 통해(예를 들어, 압출기로부터 스풀로) 약 1.2~2.4 미터/초(4~8 피트/초)의 속도로 이동하였다. 다이(212)와 가열 튜브(214)의 입구(214a) 사이의 거리 d1은 약 303 mm(1 피트)였다. 튜브(214)의 길이는 약 303 mm (1 피트)였다. 즉, d2는 약 305 mm였다. 튜브(214)의 출구(214b)와 스풀(216) 사이의 거리 d3은, 와이어(218)를 출구(214b)로부터 스풀(216)로 이동시키는 데 10초 이하가 걸리도록 간격지어졌다.
솔더 와이어의 용융 특성은 Perkin Elmer DSC7 기계를 이용하여 시차주사 열량측정법("DSC")에 의해 측정된다. 용융 온도는 물질이 용용되기 시작한 온도로서 측정된다.
NETZSCH LFA 447 NanoFlash® 기기를 이용하여 ASTM E1461 표준에 따른 열전도율을 시험하였다. 수직(through-plane) 전도율을 시험하기 위해, 샘플 크기는 10 X 10 X 0.8 mm이었고 표준 10 X 10 mm 정사각 샘플 홀드를 이용하였다.
열팽창은 Perkin Elmer TMA 7 열 기계 분석기(TMA)를 이용하여 측정하였다.
솔더 재료의 전기 저항은 전기 측정기를 이용하여 주어진 길이 범위에서 주어진 전압 하의 샘플 저항을 측정함으로써 결정하였다. 저향률은 저항 및 샘플 단면적을 이용하여 계산하였다.
탄성계수는 실온에서 Instron 4465 기계를 이용하여 캐스트 빌렛 또는 압출 와이어를 시험함으로써 측정하였다.
인장 강도는 실온에서 Instron 4465 기계를 이용하여 캐스트 빌렛 또는 압출 와이어를 시험함으로써 측정하였다.
솔더 와이어의 연신율은 ASTM E8(제목: "금속 물질의 인장 시험에 관한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)")에 따라 실온에서 Instron 4465 기계를 이용하여 측정하였다.
III. 결과
빌렛을 다이를 통해 압출시켜 0.030 인치 직경 와이어를 형성하고 스풀 상에 압연하였다. 하기 표 1에서는 도 2의 실험 설정에 따라 압출된 10 중량%의 구리, 0.1 중량%의 갈륨 및 나머지의 비스무트를 함유하는 솔더 와이어의 특성을 나타낸다.
Bi10Cu0.1Ga 솔더 와이어의 특성
Bi10Cu0.1Ga
용융 온도 (℃) 272
밀도 (g/cm3) 9.8
열용량(J/g-K) 0.20
수직 열전도율(W/m-K) 18.2
열팽창(ppm/℃) 12.5
전기 저항(μΩ.cm) 56.4
탄성계수(GPa) 10.1
인장 강도(MPa) 56.8
파단 연신율(%) 41.3
실시예 2:
비스무트/구리 솔더 빌렛을 실시예 1에 대하여 상기 기술된 바와 같이 형성시켰다. 상기 솔더 합금 빌렛을 250-300℃ 및 1500-1800 파운드/제곱인치(psi)에서 다이를 이용하여 압출하여 2.1-3.0 미터/분(7-10 피트/분)의 압출 속도로 직경이 약 0.762 mm(0.030 인치)인 솔더 와이어를 형성하였다. 압출 솔더 와이어는 압출 공정 후 열 처리 공정으로 처리하지 않았다. 10 중량%의 구리, 0.1 중량%의 갈륨 및 나머지의 비스무트를 함유하는 솔더 와이어는 내측 허브 직경이 51 mm(2 인치)이고 102 mm(4 인치) 직경을 갖는 두 외측 플랜지를 갖는 스풀 상에 성공적으로 권취할 수 없었다. 보다 구체적으로, 솔더 와이어는 이를 스풀 상에 압연하려고 시도할 때 2 이상의 조각으로 파단되었다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형 및 추가가 논의된 예시적인 실시양태에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 기술된 실시양태는 특정한 특성을 언급한 것이며, 본 발명의 범위는 또한 상기 기술한 특성을 모두 포함하는 것은 아닌 실시양태 및 특성의 다른 조합을 갖는 실시양태를 포함한다.

Claims (20)

  1. 약 85 중량% 내지 95 중량%의 비스무트; 및
    5 중량% 이상의 구리
    를 포함하는 솔더 와이어 조성물로서,
    솔더 와이어의 직경은 약 1 밀리미터 미만이고,
    솔더 와이어의 파단 연신율은 20% 이상인 솔더 와이어 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    약 5 중량% 내지 15 중량%의 구리; 및
    약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%의 갈륨
    을 포함하는 것인 솔더 와이어 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    약 5 중량% 내지 15 중량%의 구리; 및
    약 0.01 중량% 내지 약 0.1 중량%의 갈륨
    을 포함하는 것인 솔더 와이어 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    약 8 중량% 내지 10 중량%의 구리; 및
    약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 갈륨
    을 포함하는 것인 솔더 와이어 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    약 10 중량%의 구리; 및
    약 0.1 중량%의 갈륨
    을 포함하는 것인 솔더 와이어 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    약 0.1 중량% 미만의 납
    을 추가로 포함하는 것인 솔더 와이어 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    약 0.1 중량% 미만의 주석
    을 추가로 포함하는 것인 솔더 와이어 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 비스무트, 구리 및 1 중량% 미만의 갈륨으로 이루어진 것인 솔더 와이어 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 솔더 와이어는 탄성계수가 15 GPa 미만인 솔더 와이어 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 솔더 와이어는 열전도율이 10 W/m-K 초과인 솔더 와이어 조성물.
  11. 솔더 와이어의 형성 방법으로서,
    빌렛(billet)을 압출하여 직경이 약 1 밀리미터 미만인 솔더 와이어를 형성하는 단계;
    압출 와이어를 약 93℃ 내지 약 121℃의 온도에서 가열 처리하는 단계; 및
    가열 처리된 압출 와이어의 온도를 이의 고상선 온도(solidus temperature)보다 높게 하면서 상기 압출 와이어를 스풀(spool) 상에 권취하는 단계
    를 포함하는 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 압출 와이어를 적어도 10초 동안 상기 가열 처리 단계로 처리하는 것인 형성 방법.
  13. 제11항에 있어서, 솔더 와이어를 상기 가열 처리 단계 후 10초 내에 스풀 상에 권취하는 것인 형성 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 압출 단계에서, 와이어를 약 220℃ 내지 약 250℃의 온도에서 압출하는 것인 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 압출 단계에서, 와이어를 약 1800 psi 내지 약 1950 psi의 압력에서 압출하는 것인 형성 방법.
  16. 제11항에 있어서, 솔더 와이어는
    약 85 중량% 내지 95 중량%의 비스무트; 및
    5 중량% 이상의 구리
    를 포함하는 것인 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 솔더 와이어는 비스무트, 구리 및 약 1 중량% 이하의 갈륨으로 이루어진 것인 형성 방법.
  18. 약 85 중량% 내지 95 중량%의 비스무트;
    약 8 중량% 내지 12 중량%의 구리; 및
    약 0.001 중량% 내지 0.1 중량%의 갈륨
    을 포함하는 솔더 조성물.
  19. 제18항에 있어서, 비스무트, 구리 및 갈륨으로 이루어진 것인 솔더 조성물.
  20. 제18항에 있어서, 약 10 중량%의 구리를 포함하는 것인 솔더 조성물.
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