KR20200005651A - 확산 솔더링용 무연 솔더 포일 및 무연 솔더 포일의 제조 방법 - Google Patents

확산 솔더링용 무연 솔더 포일 및 무연 솔더 포일의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 금속 부품들 및/또는 금속화/금속 코팅 부품들을, 특히 인접한 부품들의 금속 표면층들을 상호 간에 결합할 수 있는데 이용되는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일 및 그 무연 솔더 포일의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 과제는, 연질 솔더링을 위해 전형적인 공정 온도 범위에서, 즉 약 240℃에서 5분 미만의 솔더링 시간에, 후속하는 열처리 없이, 그리고 솔더링 동안 압축력을 인가하지 않으면서, 400℃보다 높은 재용융 온도를 갖는 금속간 상의 형태로 고용융 결합 구역의 연속 층이 생성되는 방식으로 솔더링할 부품들의 표면층들을 상호 간에 결합할 수 있는데 이용되면서 경제적이고 환경 친화적이며 건강에 무해한, 확산 솔더링을 위한 무연 솔더 포일을 제공하는 것이다. 확산 솔더링을 위한 본 발명에 따른 무연 솔더 포일(1)은 복합 솔더 재료(4)를 함유하며, 이 복합 솔더 재료는 압연 피복을 통해 제조되고, 그런 다음 연질 솔더 지지대(5)의 무연 연질 솔더 환경에서 고용융 금속 성분(7)의 압축 입자들(6)이 무연 연질 솔더(8)에 의해 완전하게 둘러싸이도록 구성되며, 고용융 금속 성분(7)의 분산된 입자들(6)은 포일 두께의 방향으로 3㎛ 내지 20㎛의 두께를 가지고, 연질 솔더 지지대(5) 내에서 입자들(6) 상호 간의 이격 간격은 1㎛ 내지 10㎛이며, 고용융 금속 성분(7)의 입자들 각자는 전면적으로 무연 연질 솔더(8)의 1㎛ 내지 10㎛ 두께의 층에 의해 둘러싸이며, 솔더 포일(1)은 접합할 부품들(2)의 금속 표면층들(3)에 인접하는 외부 피복층(10)을 포함하고, 이 외부 피복층의 층 두께는 2㎛ 내지 10㎛이며, 외부 피복층 자체는 연질 솔더(8)로 구성된다.

Description

확산 솔더링용 무연 솔더 포일 및 무연 솔더 포일의 제조 방법
본 발명은, 금속 부품들 및/또는 금속화(metallization)/금속 코팅(metal-coated) 부품들을, 다시 말하면 인접한 부품들의 금속 표면층들을 상호 간에 결합할 수 있는데 이용되는 확산 솔더링(diffusion soldering)용 무연 솔더 포일(lead-free solder foil), 그리고 이 무연 솔더 포일의 제조 방법에 관한 것이다.
전자 시스템에서, 그리고 이 경우 특히 전력 전자 시스템(power electronic system)에서 솔더링 이음들(soldering joint)의 신뢰성은 오늘날 솔더 재료들뿐만 아니라 이 솔더 재료들에 의해 생성되는 결합 구역들(connection zone)의 매우 우수한 기계적, 전기적 및 열적 특성들을 요구하며, 이런 특성들의 내구성(endurance)은 현재 점점 더 높아지고 있는 온도 범위들로 확대되어야 한다.
이와 동시에, 국제적 동향은, 환경 보호 및 건강 무해성을 이유로, 환경 친화적이면서 건강에 무해한 무연 솔더 재료의 사용으로 향하고 있다.
무연 솔더로 전환하는 과정에서, 대부분 주석을 기반으로 하는 수많은 변종의 솔더가 개발되었으며, 이들 변종의 솔더는 납 함유 합금들에 비해 비록 우수한 기계적, 전기적 및 열적 특성들을 포함하기는 하지만, 그러나 약 214℃ 내지 250℃의 범위에서 용융되며, 그런 까닭에 변종 솔더들의 우수한 특성들의 내구성은 약 150℃까지의 사용 범위로 제한된다.
현재, 상대적으로 더 높은 작동/사용 온도를 위해, 필요한 신뢰성 및 경제성과, 전력 전자 시스템 내에서 요구되는 특성들의 온도 내구성을 통합하는 무연 솔더는 존재하지 않는다.
그러므로 고온 적용 분야에서, 다시 말하면 특히 250℃를 초과하는 사용 온도에서, 한편으로 솔더링 공정 동안 결합할 어셈블리들을 손상시키지 않기 위해, 그리고 다른 한편으로는 경제성의 관점에서도 인접한 부품들 간의 결합 구역들의 높은 열적 신뢰성을 보장하는 고온 내구성 솔더 이음(solder joint)을 달성하기 위해, 전력 전자 시스템에서 요구되는 온도 조절에 대한 요건들에 부응하면서 비용 효과적으로 이용할 혁신적인 무연 솔더 포일을 개발할 필요성이 존재한다.
현재, 전자 시스템 및 관련 산업 분야에서는 부분적으로 280℃의 용융 온도를 갖는 비용 집약적인 공융성(eutectic) Au80Sn20 솔더가 사용되고 있다.
그러나 예컨대 전력 전자 스위치들에서 Si 반도체 회로들을 솔더링하기 위한 것과 같은 상기 Au80Sn20 솔더의 폭넓은 적용은 솔더 재료에 대한 높은 비용을 이유로 불가능하다.
이와 관련하여, US 7659614 B2호에는, 주석 함유 금 또는 인듐 솔더들을 이용하면서, 금 및/또는 은으로 코팅된 기판들과 전자 부품들의 접합 역시도 기술되어 있다. 상기 재료들을 사용할 경우, 금속화 층들에서 기인하는 금 및/또는 은은 주석 및/또는 인듐과 함께, 원래 사용되는 솔더보다 더 높은 용융 온도를 갖는 결합 구역들을 형성한다. 접합 공정(joining process)은 최소한 250℃에서 실행되고 10분 내지 30분 동안 지속되지만, 그러나 이와 동시에 항상 약간의 압축력이 필요한데, 이는 그렇지만 솔더링 공정을 더 복잡하게 형성한다.
그러므로 미국 특허 US 7659614 B2호에 개시된 상기 교시의 사용은, 코팅층 및 솔더를 위한 기술적 복잡성 및 높은 재료 비용으로 인해, 대규모 기술 적용의 경우 강하게 제한된다.
산업에서 종래 금 함유 합금들에 대해 기술적 및 경제적으로 대체할 수 있는 무연성 대안들은 가용하지 않았기 때문에, 환경 친화적이고 건강에 무해한 무연 솔더 재료들에 대한 국제적인 요구에도 불구하고 예외 규정들이 공표되었으며, 이 예외 규정들에 준하여 납은 고용융 솔더들(다시 말해 최소한 85%의 납의 질량분율을 함유하는 납 기반 솔더링 합금들)에서 오늘날까지 여전히 허용되고 있고 그로 인해 실제로 건강상의 우려 및 환경 보호 관점에서의 우려에도 불구하고 여전히 빈번하게 적용되고 있다.
그러나 자체 사용 온도가 200℃를 넘어서까지 상승할 수 있는, 예컨대 SiC 또는 GaN 소재와 같은 폭넓은 밴드갭(band gap)을 갖는 반도체들(와이드 밴드갭 반도체들)의 사용이 증가함에 따라, 고온 적용 분야의 범위에서, 다시 말하면 150℃ 내지 400℃ 범위의 사용 온도에서 기술 요건들에 부응하는 솔더 이음들에 대한 수요가 강하게 발생하고 있다.
상기 문제의 해결을 위해 특히 소결 기술이 개발되었으며, 이런 소결 기술에 의해 대개 은 함유 페이스트들(silver-containing paste)은 전자 부품들을 접합하기 위해 사용된다. 그러나 상기 접합 방법의 경우, 솔더링과 달리, 부득이하게 압축력이 요구된다. 그러나 상기 추가적인 기술적 성분인 "압축력"은, 소결 기술이 지금까지 면적이 넓은 경우 채용될 수 없었던 것에 대한 주요한 이유이기도 하다.
또 다른 대안은 반응 솔더(reaction solder)의 사용과 함께 개시된다. 이는, 2가지 이상의 재료들의 수 나노미터 두께의 층들로 구성되는 반응성 다층 시스템이다. 활성화 후에, 층들 사이에서는, 빠르게 발열 반응(exothermic reaction)으로 전개되는 확산(diffusion)이 시작된다. 상기 확산은 솔더를 용융하기 위해 필요한 열을 공급한다. 이를 위해, 2개의 적합한 금속의 매우 얇은(분명히 1㎛보다 얇은) 층들은, 전체적으로 40㎛ 내지 150㎛의 총 두께를 보유한 포일들이 구성되도록 여러 번 교호적으로 상호 간에 겹쳐 증착되어야 하지만, 그러나 상기 포일들의 외부 층들은 솔더로 구성된다. 이런 적층된 포일들로부터 솔더 프리폼들(solder preform)이 개별화될 수 있다. 그 대안으로, 상기 금속들은 솔더링할 부품 상에 교호적으로 증착될 수도 있으며, 외부 층은 다시금 솔더이어야 한다. 접합 공정은 반응성 층들을 점화(ignition)시키는 것을 통해 시작되며, 속도 및 열량은 단지 층 구성(layer composition)을 통해서만 제어될 수 있으며, 다시 말하면 이미 솔더링할 부품들의 프리폼들 또는 코팅층의 제조 시에 생각해낼 수 있는 각자의 솔더링 과제에 대해 개별적으로 결정되며, 이는 상기 기술의 폭넓은 범용 적용의 경우 큰 장애를 의미한다.
연질 솔더링의 폭넓게 적용되는 기술의 일 변형예는 확산 솔더링이지만, 그러나 이 확산 솔더링은, 종래 기술의 사용 시, 외부 압축력 또는 후속되는 열처리의 적용과 같은 다양한 기술 단계들의 추가 하에, 또는 상대적으로 더 긴 솔더링 프로파일들을 통해 실현된다. 상기 방법의 결과로, 솔더링 공정 동안, 연질 솔더의 원래 조상과 다르고 접합할 부품들을 고정 결합하는 물질이 발생하는데, 이런 물질의 용융 온도는 사용되는 솔더 재료의 용융 온도보다 더 높다. 상기 신규 물질, 즉 고용융 금속간 상(intermetallic phase)의 형성을 위해, 예컨대 주석처럼 솔더 재료에서 종래의 저용융 금속 외에도, 예컨대 구리와 같은 또 다른 고용융 금속이 요구되는데, 이들에 기인하여 서로 뒤섞인 확산을 통해 그 용융점이 저용융 금속의 용융점보다 더 높은 것인 금속간 상들이 형성된다.
DE 10 2007 010242 A1호로부터는, 확산 솔더링 공정을 이용하여 2개의 금속 층을 결합하기 위한 방법이 공지되어 있다. DE 10 2007 010242 A1호에서 개시되는 상기 해결책은, 각자의 금속층이 처음에 이미 특별한 방식으로 구조화되고 2개의 금속 층 중 최소한 하나에 추가로 솔더 층이 구비되어야만 하는 점을 전제로 한다. 이처럼 각각 접합할 컴포넌트들에 매칭되는 매우 특별한 층들의 형성만이, 솔더링 공정 동안 다시금 추가적인 압축력이 인가될 필요 없이, 상기 금속간 상으로 구성되는 조밀하면서도 적합하게 배열된 결합 구역의 형성을 보장한다. 그러므로 DE 10 2007 010242 A1호에 개시된 상기 해결책은 단지 예컨대 웨이퍼 상에서 칩들의 솔더링과 같은 매우 특별한 적용 분야로만 제한된다.
US 8348139 B2호로부터는 확산 솔더링을 위한 다층 솔더 포일들 역시도 공지되어 있으며, 솔더 포일들은 금속 코어로 구성되며, 금속 코어는 280℃보다 더 높은 용융점을 갖는 순수 금속들 또는 이들의 합금들로 구성되며, 그리고 금속 코어는 양면에서 주석 또는 인듐 기반 솔더들로 구성되는 동일한 유형 또는 다양한 층들과 결합되며, 사용되는 솔더 층들의 두께는 최소한 5㎛이다.
US 8348139 B2호에 따른 상기 다층 솔더 포일들의 경우, 확산 솔더링 공정은 300℃ 내지 380℃에서 5분 내지 8분 이내에 실행된다. 그러나 그에 후속하여, 금속간 상들의 연속 층을 보장하기 위해, 여전히 접합된 컴포넌트들의 열처리가 실행되어야 한다. 이런 해결책의 경우, 열처리 후에, 여전히, 금속 코어 재료의 더 상세하게 정의되지 않은 층 두께가 수득된다.
또한, US 2006 186550 A1호로부터도 확산 솔더링을 위한 다층 솔더 포일들이 공지되어 있으며, 이런 솔더 포일들은 Ag, Au, CU 또는 Ni로 이루어질 수 있는 금속 코어로 구성되어, 주석, 인듐 또는 비스무트 기반 솔더들로 구성된 양면 층들 상에 적층된다. 확산 솔더링 공정 동안, 두 연질 솔더 층은 용융되며, 그리고 전면 코어 재료(full-faced core material)와 반응한다. US 2006186550 A1호에 따른 해결책에 따라서, 솔더링 공정의 타당한 기간(240℃에서 약 10분) 이내에, 후속 공정 단계에서 260℃에서 솔더링된 컴포넌트들의 점착이 보장된 상태로 유지되는 정도로 액상에서부터 금속간 상으로의 변환이 실현되도록 하기 위해, 적층된 층들의 두께는 1㎛ 내지 최대 20㎛이다.
확산 솔더링 공정 자체뿐만 아니라 생성되는 결합층의 신뢰성 역시도 간행물들에서, 특히 N. Oeschler 및 C. Ehrhardt에 의해 분석되었다[연질 솔더링(2013년), DVS 학술 보고문, 290호, 55 ~ 61쪽에 실린 N. Oeschler 등의 논문: "고신뢰성 칩 기판 결합을 위한 확산 솔더링 기술(Diffusion soldering technology for high-reliable chip substrate connections)", 및 연질 솔더링(2013년) DVS 학술 보고문 290호 43 ~ 51쪽에 실린 C. Ehrhardt 등의 논문: "전력 전자 모듈들의 결합 기술의 시험 방법(Test method of the connection technology of power electronic modules)"]. 상기 간행물들에 기술된 결과들은 단지 구리/주석으로 코팅된 반도체 기판 결합만을 위한 것이고 역시 압축력의 적용 하에서만 달성되었다.
US 9620434 B1호에는 마찬가지로 확산 솔더링을 이용한 전력 전자 부품들의 접합이 기술되어 있으며, 상기 접합은 250℃를 초과하는 사용 온도를 위해 적합하다. 이를 위해, 결합할 컴포넌트들 상에 배열되는 고용융 금속층과 저용융 금속층으로 각각 구성되는 2개의 층 시스템이 사용된다. 경우에 따라, 전체 시스템은 금속층 사이에 고용융 및 저용융 금속 입자들을 첨가하는 조건에서 구성되고 그에 후속하여 가열된다. 이런 해결책의 단점은, 솔더 재료의 액상에서부터 금속간 결합부들/금속간 상들로의 완전한 변환이 단지 종래 솔더링 시간의 분명한 연장을 통해서만 가능하며, 다시 말하면 US 9620434 B1호에 따른 해결책의 사용 시 반드시 30분을 초과하는 공정 기간이 요구된다.
US 2017/0080662 A1호에 따르면, 금속 기질(metal matrix)과 기판들의 결합을 위해, 여기서는 상기 금속 기질과, 특히 250℃를 초과하는 사용 온도를 갖는 열적 주기들에 노출되는, 전력 전자 시스템의 부품들의 연결을 위해, 내부 결합 영역(inner binding region)과, 이 내부 결합 영역의 둘레에 포지셔닝되는 외부 결합 영역(outer binding region)을 포함하는 복합 결합층(composite connection layer)이 사용되며, 내부 결합 영역의 재료는 외부 결합 영역의 재료보다 더 큰 탄성 계수를 보유하며, 금속 기질의 일부분은 외부 결합 영역 내에 포지셔닝되고, 금속 기질의 일부분은 내부 결합 영역 내에 포지셔닝되며, 금속 기질의 탄성 계수는 연질 재료 요소들(soft material element)의 탄성 계수보다 더 크지만, 그러나 경질 재료 요소(hard material element)의 탄성 계수보다는 더 작다. US 2017/0080662 A1호에서 제안되는 상기 해결책의 초점은 상이한 열 팽창 계수들을 갖는 재료들 간의 응력의 보상에 있다.
복합 이음층(composite joint layer)으로서 지칭되는 특별한 경우의 상기 기판은 확산 솔더 이음 역시도 포함한다. 그러나 전술한 발명의 명세서에는 접합 공정 및 접합 기간 그리고 달성된 이음 위치에 대한 정보가 제시되어 있지 않기 때문에, 상기 해결책에서도 종래 기술에서 통상적인 솔더링 공정 기간, 다시 말하면 종래 기술에 따라서 액상 솔더 재료에서부터 금속간 상들로의 완전한 변환을 달성하기 위해 요구되는 30분을 초과하는 솔더링 공정 기간이 상정된다.
또 다른 간행물, 즉 A. Syed-Khaja의 간행물[CIPS(2016년, 187 ~ 193쪽에 실린 A. Syed-Khaja 등의 논문 "고온 전력 전자 장치의 효율적이면서 경제적인 생산을 위한 전이액상솔더링(TLPS)에서 공정 최적화(Process optimization in transient liquid phase soldering (TLPS) for an efficient and economical production of high temperature power electronics)"]로부터는, 반도체 소자와 기판들의 확산 솔더링을 위한 종래 솔더 합금들로 구성된 각각의 개별 솔더 재료의 사용이 공지되어 있다. 상기 간행물에는, 압축력의 적용 없이, 단지 3%의 구리만을 함유하는 종래 SnCu 솔더의 얇은 솔더 프리폼들(25㎛)의 사용은, 고용융 금속간 결합 구역의 완전한 형성을 달성하지만, 그러나 이를 위해 다소 더 긴 솔더링 시간과, 구리로 금속화되어 매칭되는 거칠기를 갖는 적어도 하나의 부품이 필요하다고 설명되어 있다. 그러나 양면에 순수 주석으로 피복(cladding)된 구리로 구성되는 솔더 프리폼들(Sn20㎛/Cu35㎛/Sn20㎛)의 사용 시, 단지 고용융 상으로의 부분적인 변환만이 달성되었는데, 다시 말하면 그에 상응하게 낮은 용융 온도를 갖는 연질 솔더 성분은 결합 구역에 잔존하였다. 단지 구리로 금속화된 부품들을 이용할 때에만, 상기 변환이 완전하게 진행되었다. 모든 결과는 매칭되는 순도를 갖는 부품들을 이용하여 260℃의 온도에서 22분의 솔더링 시간 후에만 달성되엇다.
간행물, 연질 솔더링(2013년), DVS 학술 보고문, 290호, 43 ~ 51쪽에 실린 "전력 전자 모듈들의 결합 기술의 시험 방법(Test method of the connection technology of power electronic modules)"에서, C. Ehrhardt 등은, 예컨대 SnAgCu와 같은 종래 무연 솔더 페이스트들이, 추가로, 예컨대 구리와 같은 고용융 분말들과 균일하게 혼합되어야 한다고 기술하고 있다. 이런 경우, 무연 솔더 페이스트의 용융된 주석 기반 솔더가 구리 분말을 용해하고, 금속간 상인 Cu6Sn5 및 Cu3Sn이 형성될 수 있었다. 고용융 분말들과 혼합된 상기 무연 솔더 페이스트들의 이용하에, 액상은 확산 솔더링 공정에서 압축력의 적용 하에 완전하게 금속간 상으로 변환되었다. 이렇게 형성된 두 상의 용융점은 각각 415℃ 및 676℃이다. 그러나 상기 상들의 기공이 없는 형성은, 솔더링 공정 동안 압축력 외에도, 요구되는 두 성분, 즉 솔더 페이스트와 분말의 매우 균일한 혼합에 결부된다.
특허 공보 EP 1337376 B1호에는, 솔더링 재료로서 사용되는 솔더링 페이스트가 기술되어 있다. 상기 솔더링 페이스트는, 솔더 재료에 추가로, 높은 용융 온도를 보유하여 금속에 의해 코팅된 절연 코어들을 함유한다. EP 1337376 B1호에 따른 해결책에 따르면, 솔더 금속은 솔더링 공정 동안 코어들의 금속화부와 완전하게 반응하며, 그리고 확산 솔더링 공정을 기반으로 금속간 상들을 형성하며, 그런 다음 금속간 상들은 고용융 코어들을 에워싼다. 발생하는 솔더링된 시임(soldered seam)은 전체적으로 불균일 조직(heterogeneous structure)을 포함하며, 이는 상기 해결책으로 달성된 결합 구역의 열전도도에 부정적으로 작용한다.
WO 96/19314호에는, 솔더 금속이 고용융 금속 성분과 저용융 금속 성분으로 구성되는 것인 분말 혼합물이 기술되며, 금속 성분들의 입자 또는 판(plate)형 충전 성분들(filling component)은 첨가물로서 첨가 혼합된다. 일반적으로, 금속 분말 또는 금속 입상 역시도 제조 시 매우 고가이며, 그 외에도 치수에서 큰 산란 범위를 가지며, 그런 까닭에 추가로 분류 공정이 중간에 개재되어야 하며, 더 나아가 금속 분말의 균일한 완전 혼합도 문제가 없지 않으며 그로 인해 매우 복잡하다. 이런 경우, 분말 혼합물 자체는, WO 96/19314에 따르면, 바람직하게는 액상 유기 용매를 함유한 현탁액(suspension)으로서, 또는 페이스트로서 사용되어야 한다. 이 경우, 이와 관련하여 적용되는 충전 성분은, 확산 솔더링 동안 형성된 금속간 상들의 두께를 수 ㎛로 제한하는 기능을 갖는다. 그러므로 충전 성분은 각각의 습윤성에 따라서 결합을 촉진하거나 제지하는 상응하는 보호층들을 구비해야 하며, 그리고 금속 성분들과 매우 균일하게 혼합되어야 한다. 특별한 실시형태들/특별한 구조 형상들에서, WO 96/19314호에 따르면, 분말들로 구성되는 전술한 솔더 금속은 포일들로도 압축될 수 있으며, 이 포일들에서 솔더 프리폼들이 천공되며, 그리고 솔더 프리폼들은 결합할 객체들 사이에 배열된다. 사용되는 분말이 균일하게 분포된 상기 유형의 포일들의 제조, 다시 말하면 분말 야금은 매우 복잡하고 비용 집약적이며, 압축 동안, 다시 말해 분말 야금 방법에서, 이론상 밀도는 전혀 달성될 수 없거나, 또는 매우 어렵게만, 다시 말하면 높은 원가 비용으로만 달성될 수 있다. WO 96/19314에 따른 상기 해결책의 모든 실시형태의 단점은, 의도하는 금속간 상들을 달성하기 위해, 앞서 기술한 두 금속 성분에 추가로 충전 성분이 요구된다는 점에 있다. 또한, 상기 해결책을 위한 명세서에 따르면, 상기 해결책에서도, 액상 솔더에서부터 금속간 상들로의 완전한 변환을 달성하기 위해 30분을 초과하는 솔더링 공정 기간이 필요하거나, 또는 그 대안으로 후속되는 템퍼링 공정이 필요하다.
또한, 표면들의 더 나은 습윤화를 위해, 솔더링 공정 동안, 용융제의 첨가가 바람직한 것으로서 간주된다. 그러나 상기 용융제는, 작업 안전성 및 건강 보호의 관점에서, WO 96/19314호에서의 명세서에 따라, 솔더링 공정에 이어서 추가 작업 단계에서 강제적으로 제거되어야만 하는 유기산이 발생한다는 단점이 있다.
그러므로 요약하면, 현재 전력 전자 시스템에서, 그리고 다른 사용 분야를 위해 사용되고 비용 효과적인 무연 연질 솔더는 단지 약 150℃까지의 사용 온도 범위만을 충족할 수 있는 것으로 확인된다. 150℃보다 높은 솔더링된 구조부재들의 사용 온도 범위를 위해, 금 함유 솔더 합금들과 관련하여, 지금까지, 대체할 수 있는 경제성으로, 다시 말하면 짧은 솔더링 시간, 다시 말하면 연질 솔더링을 위해 전형적인 솔더링 시간 이내에, 그리고 예컨대 추가적인 압축력 또는 추가적인 후속 열처리와 같은 추가적인 공정 매개변수들 없이, 필요한 신뢰성과 전력 전자 시스템에서 요구되는 온도 내구성을 통합하면서 기술적으로, 그리고 경제적으로 대체할 수 있는 무연 솔더 대안은 존재하지 않았다. 그러므로 이와 관련하여, 최대한 솔더 포일로서, 그럼으로써 솔더 포일이 솔더 프리폼의 형태로 비용 효과적이고 기술적으로 사용될 수 있는 혁신적인 무연 솔더를 제공할 필요성이 존재한다.
본 발명의 과제는, 연질 솔더링을 위해 전형적인 솔더링 프로파일을 이용하여, 다시 말하면 긴 솔더링 시간을 방지할 뿐만 아니라, 후속되는 열처리 없이, 그리고 솔더링 동안 압축력을 가하지 않고, 그와 동시에 기공들(pore)의 형성을 방지하면서, 400℃보다 더 높은 재용융 온도를 갖는 고용융 결합 구역이 형성되도록, 솔더링할 부품들의 금속/금속화 표면층들을 상호 간에 결합하는, 경제적으로 대체할 수 있고 환경 친화적이면서 건강에 무해한, 확산 솔더링을 위한 무연 솔더 포일 및 이 무연 솔더 포일의 제조 방법을 개발하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 과제는, 개발할 무연 솔더 포일을 이용하여, 결합 영역 내의 전기 전도성 스트립들 자체도 코팅될 수 있게 함으로써, 스트립들의 결합 영역에서 솔더링 공정 후에 형성되는 고용융 결합 구역의 재용융 온도가 400℃보다 더 높게 하며, 그리고 그에 추가로 특별한 적용 분야를 위해, 특별한 구조 형상에서, 솔더링을 통해 유입될 뿐만 아니라 부품 사용 동안에도 발생하는 열 응력을 흡수하고 그와 동시에 솔더링 공정 후에 형성되는 결합 구역의 기계적 유연성을 높이기 위해, 무연 솔더 포일에는 그에 기인하고 매칭되는 열 팽창 계수가 부여되도록 하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 금속 부품들(2) 및/또는 금속화/금속 코팅 부품들(2)을, 다시 말해 인접한 부품들(2)의 금속 표면층들(3)을 상호 간에 결합할 수 있는데 이용되는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일(1) 및 이 무연 솔더 포일의 제조 방법에 있어서, 무연 솔더 포일(1)은, 연질 솔더 지지대(5)(soft solder matrix)의 무연 연질 솔더 환경에서, 종래의 연질 솔더링 공정에서 연질 솔더 지지대(5)의 연질 솔더(8)로부터 400℃보다 더 높은 용융 온도를 보유하는 금속간 상들(9)로의 완전한 변환을 실현하기 위해, 입자들(6) 각자가 무연 연질 솔더(8)에 의해 완전하게 둘러싸이도록, 고용융 금속 성분(7), 즉 경질 솔더 성분의 입자들(6)이 분산되는 방식으로 배열되도록 조밀하게 복합 솔더 재료(4)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 무연 솔더 포일 및 상기 무연 솔더 포일의 제조 방법을 통해 해결된다.
본 발명에 따라 조밀하며 고형 복합체(solid composite)로서 제조되는 무연 솔더 포일(1)은 고용융 금속간 상의 구성을 위해 필요한 모든 재료를 함유하되, 고용융 금속간 상의 구성을 위해 요구되는 본 발명에 따른 분포 및 솔더 포일(1)로서의 본 발명에 따른 조밀한 형성은, 함께, 약 240℃의 온도에서 무연 연질 솔더링 공정에서 400℃를 초과하는 재용융 온도를 갖는 고용융 금속간 결합 구역(16)의 매우 신속하면서도 기공 없는 형성이 달성되게 한다.
이와 관련하여, 본 발명의 핵심은, 연질 솔더 지지대(5) 내에서 분산되는, 고용융 금속 성분(7)의 입자들(6)이 포일 두께의 방향으로 3㎛ 내지 20㎛의 두께를 보유하되, 연질 솔더 지지대(5) 내에서 입자들(6) 상호 간의 이격 간격은 1㎛ 내지 10㎛이며, 그리고 고용융 금속 성분(7)의 입자들(6) 각자는 전면(full-face)적으로 무연 연질 솔더(8)의 1㎛ 내지 10㎛ 두께의 층에 의해 둘러싸인다는 점에 있다.
경질 솔더에서 기인하는 입자들(6)(경질 솔더 입자들)의 분산 및 이와 동시에 연질 솔더 지지대(5) 내에서 상기 입자들의 조밀한 매립과 함께, 연질 솔더 지지대(5), 즉 연질 솔더 환경에서 배열되는 상기 입자들(6)을 포함하는 본 발명에 따른 조밀한 무연 솔더 포일(1)에 의해, 솔더링 시간이 길지 않을 뿐만 아니라 후속되는 열처리도 없으면서 압축력을 인가하지 않는, 무연 연질 솔더링을 위해 전형적인 공정 범위에서, 확산 솔더링이 실현되되, 이런 확산 솔더링은 동시에 기공들의 형성을 방지하며, 그리고 접합할 부품들(2) 사이에 자체의 재용융 온도가 400℃를 초과하는 것인 금속간 상(9)의 형태로 고용융 결합 구역(16)의 연속 무기공 층(continuous non-porous layer)이 형성되도록, 솔더링할 부품들(2)의 금속/금속화 표면층들(3)을 상호 간에 결합한다.
이 경우, 특징은, 연질 솔더 비율, 즉 연질 솔더 지지대(5)가, 고용융 금속 성분(7)의 비율에 비해, 구성될 금속간 상들(9) 내에서 필요한 것보다 더 높지 않다는 점에 있다. 입자들(6)을 둘러싸는 무연 연질 솔더 지지대(5)의 연질 솔더(8)의 백분율 대비 복합 솔더 재료(4) 내에 배열되는, 고용융 금속 성분들(7)의 입자들(6)의 백분율의 상기 비율은, 각각의 출발 재료들로 형성될 금속간 상들(9)의 화학량론적 화학식에 따라서, 항상 무연 연질 솔더 지지대(5)의 모든 연질 솔더(8)가 각각 구성될 금속간 상들(9)로 변환되도록 산출된다.
따라서, 연질 솔더 지지대(5) 내에서 고용융 금속 성분(7)의 입자들(6)의 비율 대비 연질 솔더 비율의 비율은 각각 형성될 금속간 상(9)의 화학량론적 화학식에 따라서 결정된다. 예컨대 이는 50%의 Sn을 함유한 Sn/Cu 조합물을 사용할 경우 CuSn3 및 Cu6Sn5일 수 있다.
400℃보다 더 높은 재용융 온도에 대해 결정적인 사항은, 항상 전체 연질 솔더 지지대(5)가 변환된다는 점에 있으며, 그렇지 않으면 일반적으로 결합 구역(16) 내에 상대적으로 더 낮은 용융 온도를 갖는 영역들이 존재할 수도 있으며, 이는 본원의 과제에 따라서 바람직하지 못하다.
또 다른 조합물의 경우, 예컨대 43%의 Sn을 함유한 Sn/Ni 조합물을 사용할 경우, 금속간 상들로서 Ni3Sn4가 형성된다. 그러나 이와 관련하여, 솔더링 공정 후에 여전히 고용융 금속 성분의 입자들(6)이 결합 구역(16) 내에 잔존할 수 있고 그럼에도 재용융 온도가 400℃보다 더 높은 상태로 유지되는 점 역시도 확인된다.
이처럼 상대적으로 더 높은 비율의 입자들(6)을 통해, 다시 말하면 솔더링 공정 후에 금속간 상(9) 내에서 예컨대 구리로 이루어진 아일랜드(island)로서 축적된 고용융 잔여 금속에 의해, 대개 솔더링 공정 후에 달성된 결합 구역(16)의 기계적, 전기적 및 열 전도성 특성들에 영향을 미칠 수 있다.
그러므로 본 발명에 따른 교시에 따르면, 결정적인 사항은, 솔더링 공정 후에 400℃보다 더 높은 재용융 온도를 보장하기 위해, 모든 연질 솔더 성분이 솔더링 공정에서 사용되면서 금속간 상들(9)로 변환되어야 한다는 점일 뿐이다.
예컨대 400℃보다 높은 재용융 온도의 달성을 위해 In/Ag 조합물을 이용할 경우, 매우 높은 은 비율이 필요할 수도 있다. 그러나 본 발명의 과제는 확산 솔더링을 위해 경제적으로 대체할 수 있는 무연 솔더 포일을 개발하는 것에 있으므로, 상기 조합물은 더 상세하게 고려되지 않는다.
또한, 핵심은, 무연 솔더 포일(1)의 총 두께는 결합 구역(16)의 기술적 기본 조건들/의도되는 특성들에 상응하게 20㎛ 내지 0.5㎜이다.
또한, 특징은, 솔더 포일(1), 즉 복합 솔더 재료(4)는 접합할 부품들(2)의 금속 표면층들(3)에 인접하는 외부 피복층(10)(outer cladding layer)을 포함하며, 이 외부 피복층의 층 두께는 2㎛ 내지 10㎛이며, 그리고 외부 피복층은 연질 솔더(8)로 구성된다.
연질 솔더(8)로 구성되는 상기 피복층(10)은, 솔더링 공정 동안, 인접한 부품들(2)의 접합할 표면들/표면층들(3)을 완전하게 습윤화하여 접합할 부품들(2)의 표면들의 상기 금속화부들(예: Cu, Ni, Ni(P), Ni(Ag))로 금속간 상들(9)을 형성하기 위해 이용된다.
확산 솔더링을 위한 상기 무연 솔더 포일(1)은, 무연 연질 솔더링을 위해 전형적인 솔더 프로파일을 이용하여, 예컨대 30㎛ 내지 250㎛의 두께를 보유한 솔더 포일들을 이용할 경우, 약 240℃의 솔더링 온도에서 5분 미만의 솔더링 시간 동안 각각의 후속되는 열처리 없이, 그리고 솔더링 동안 압축력을 인가하지 않고 그와 동시에 기공들의 형성을 방지하면서, 400℃보다 더 높은 재용융 온도를 보유하는 금속간 상(9)의 형태로 고용융 결합 구역(16)의 연속 층이 형성되도록, 솔더링할 부품들(2)의 금속/금속화 표면층들(3)이 상호 간에 결합될 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 핵심은, 확산 솔더링을 위한 무연 솔더 포일(1)이 특별한 공학적 또는 기술적 요건들에 상응하게, 그리고 경제적인 이유에서 다층 솔더 포일(11)로서 구성되되, 다층 솔더 포일(11)의 개별 층들은 앞서 기술한 복합 솔더 재료(4)와, 고용융 금속 성분(7)의 2㎛ 내지 100㎛ 두께의 층들, 즉 중간층(23)으로 교호적으로 구성되며, 다층 솔더 포일(11) 역시도 다시금 접합할 부품들(2)의 금속 표면층들(3)에 인접하고 2㎛ 내지 10㎛의 층 두께를 보유하며 연질 솔더(8)로 구성되는 외부 피복층(10)을 포함하며, 그리고 다층 솔더 포일(11)의 총 두께는 40㎛ 내지 1.0㎜라는 점에 있다.
상기 특별한 구조 형상, 즉 다층 솔더 포일(11)에 의해, 솔더링을 통해 유입될 뿐만 아니라 부품 사용 동안에도 발생하는 열 응력을 흡수하고 그와 동시에 솔더링 공정 후에 형성되는 결합 구역의 기계적 유연성을 높이기 위해, 무연 솔더 포일(1)에는 그에 기인하고 매칭되는 열 팽창 계수가 부여될 수 있다.
또한, 핵심은, 확산 솔더링을 위한 무연 솔더 포일(1)뿐만 아니라 복합 솔더 재료(4), 그리고 다층 솔더 포일(11) 역시도, 무연 연질 솔더링 공정에서 금속 표면들/표면층들(3) 사이에서 확산 솔더로서 기능하기 위해, 그리고 재용융 온도가 400℃보다 더 높도록 인접한 부품들(2)을 상호 간에 결합하기 위해, 솔더 프리폼(12)의 구조 형상으로 사용될 수 있다는 점에 있다.
솔더 프리폼들(12)은 솔더 포일(1)에서 절단 또는 천공 또는 천공-벤딩 공정을 통해 의도되는 프리폼 기하구조로 가공되며, 그리고 그에 따라 오직 복합 솔더 재료(4)(복합 재료)의 분포된 입자들(6)의 이용을 통해서만 확산 솔더링 공정이 되는 많은 종래의 연질 솔더링 공정에서 범용으로 사용될 수 있다. 이런 방식으로, 결합 구역들의 재용융 온도는 통상적으로 연질 솔더에 의해 솔더링되는 부품들에 비해 실질적으로 상승된다. 고용융 금속 성분으로서 구리와 주석 연질 솔더 성분을 사용할 때, 복합 솔더 재료(4)로 구성된 솔더 프리폼들(12)에 의해 솔더링된 구조부재들(2)이 400℃까지의 사용 온도 범위를 위해 사용될 수 있으며, 전력 전자 시스템에서 요구되는 특성들의 온도 내구성은 필요한 신뢰성 및 경제성과 통합된다.
또한, 특징은, 연질 솔더링 공정 후에 부분적으로 코팅된 리드 프레임(13)(lead frame)이, 연질 솔더링 공정 후에 코팅된 리드 프레임(13)과 이 리드 프레임과 결합될 부품들(2) 사이에 400℃보다 더 높은 재용융 온도를 보유하는 결합 구역(16)이 형성되도록, 인접한 부품들(2)을 상호 간에 결합하게 하기 위해, 접합할 제품(14) 내에서 전기 도체로서 이용되는 금속 리드 프레임(13)이 무연 솔더 포일(1)을 포함한 이음 위치들(15)에서, 그리고 복합 솔더 재료(4)로서의 실시형태에서뿐만 아니라 다층 솔더 포일(11)로서의 실시형태에서도 부분적으로 코팅된다는 점에 있다.
이런 경우, 본 발명에 따르고 확산 솔더링을 위해 제조되는 무연 솔더 포일(1)은 일측에서 부분 피복(partial cladding)을 통해 예컨대 구리 또는 알루미늄처럼 전기 전도성이 우수한 재료 상에 적층된다. 그런 다음, 부분적으로 피복된 상기 재료에서, 예컨대 종래의 본딩 와이어 대신, 전력 모듈들의 구성을 위해 이용될 수 있는 리드 프레임들(13)이 제조될 수 있다.
확산 솔더링을 위한 본 발명에 따른 무연 솔더 포일(1)은 본 발명에 따라서 하기에 기술되는 것처럼 압연 피복(roll cladding)을 통해 제조된다.
제공/의도되는 백분율 조성에 상응하게, 연질 솔더 및 금속 성분들은 압연 피복에 의해 교호적으로 접합되어 층 복합체를 형성하며, 금속 성분은 양면에 연질 솔더 성분에 의해 피복된다.
피복은, 전체적으로 후속 솔더링 공정에서 연질 솔더 비율이 본 발명에 따라서 완전하게 금속간 상 내로 삽입되는 정도로 성분들의 사용될 층 두께들이 상호 간에 비례하도록 시작된다.
그에 이어서, 각각 피복된 재료가 그 자체로 피복됨으로써 재료 내 층들의 개수는 증가되지만, 그러나 층들의 두께는 그와 동시에 감소하게 되는 또 다른 압연 피복 단계들이 수행된다. 본 발명에 따른 완성된 복합 솔더 재료(4)에 이를 때까지 필요한 피복 단계들의 개수는 연질 및 경질 솔더 성분으로 구성되는 선택된 재료 조합물, 및 솔더 프리폼들에 대해 의도되는 총 두께에 따라서 결정된다. 층 복합체를 본 발명에 따라 여러 번 반복해서 피복하는 것을 통해, 두 성분 중 일측 성분의 층들의 파열에 의해 그 파편들이 타측 성분, 즉 상대적으로 더 연질인 성분 내에서 분산되는 방식으로, 고형 상태에서 개별 성분들의 완전한 혼합이 수행된다.
이처럼 본 발명에 따라 형성되어 입자들 간 이격 간격이 10㎛보다 작거나 같은 구조는 본 발명에 따라 달성할 짧은 확산 경로(diffusion path)를 보장하며, 이런 짧은 확산 경로는, 추후 무연 연질 솔더링 공정에서, 본 발명에 따라 제조되는 솔더 포일의 하기에서 계속 설명되는 또 다른 특징들과 함께, 단시간에, 연질 솔더 성분을 금속간 상으로 완전하게 변환시키며, 그리고 조밀하면서도 기공이 없는 고용융 결합 구역이 형성되게 한다.
본 발명에 따라 달성된 짧은 확산 경로는, 본 발명에 따른 솔더 포일의 하기에서 계속 설명되는 또 다른 장점들/특징들과 함께, 심지어는 그 자체의 특유의 짧은 솔더링 시간을 갖는 종래의 연질 솔더 프로파일들의 적용성 역시도 허용한다.
이 경우, 본 발명에 따라서, 금속간 상들(9)은, 각각 자신들의 화학량론적 화학식에 상응하는 질량분율들로 사용되는 저용융 연질 솔더 성분 및 고용융 금속 성분/경질 솔더 성분으로 형성된다. 성분들은, 자신들의 금속간 상의 용융점이 사용되는 두 성분의 용융점들 사이에 위치하도록 선택된다.
연질 솔더 성분의 용융 온도는 베이스로서 주석을 이용할 경우 240℃인 반면, 금속간 상들(9)의 용융 온도는 고용융 금속 성분으로서 구리를 이용할 경우 400℃를 초과한다.
수 회의 성형 공정을 통해 형성되는 복합 솔더 재료(4)는 필요한 경우 또 다른 피복 단계들에서도 고용융 금속 베이스 재료 상에 적층될 수 있으며, 그럼으로써 복합 솔더 재료(4)의 층들과 의도되는 특별한 기계적 특성들을 갖는 금속 중간층들(23)이 교호적으로 배열되고 그렇게 하여 다층 솔더 포일(11)이 구성되게 되지만, 그러나 연질 솔더 성분이 외부 피복층(10)으로서 항상 두 외부 층을 형성한다.
이런 경우, 상기 다층 솔더 포일(11)은 예컨대 그에 기인하고 매칭되는 열 팽창 계수로 솔더링을 통해 유입될 뿐만 아니라 부품 사용 동안에도 발생하는 열 응력을 흡수할 수 있다.
이 경우, 복합 솔더 재료(4)로서의 실시형태에서 솔더 포일(1)의 두께는 두 성분의 출발 두께, 피복 단계들의 개수, 및 최종적인 압연 단계들을 통해 항상 솔더 포일(1), 내지 이 솔더 포일로 제조될 솔더 프리폼(12)의 정확한 두께로 설정될 수 있다.
다층 솔더 포일(11)로서의 실시형태에서 솔더 포일(1)의 두께 역시도 금속 중간층 및 복합 솔더 재료(4)의 층들의 출발 두께, 피복 단계들의 개수 및 최종 압연 단계들을 통해 솔더 포일(1), 내지 이 솔더 포일로 제조되는 솔더 프리폼들(12)의 각각 의도되는 정확한 정도로 설정될 수 있다. 본 발명에 따라서, 고용융 금속 성분/경질 솔더 성분은, 입자들 간 이격 간격이 10㎛보다 작거나 같은 상태로, 연질 솔더 성분 내에서 분산된다.
본 발명에 따른 무연 솔더 포일의 외부 층들은 본 발명에 따라서, 이미 설명한 것처럼, 연질 솔더 성분에 의해 항상 연속해서 형성된다.
또한, 압연 피복 공정의 범주에서 무연 솔더 포일의 본 발명에 따른 제조를 통해, 용융물 내로 입자들의 유입 시에, 특히 균일한 분포의 달성 시 발생하는 단점들 역시도 방지된다. 비록 교반하는 공정에서 균일한 분포가 보장되기는 하지만, 그러나 이는 응고 동안 더 이상 보장되지 않는다.
이렇게, 최종 형태로 주조할 때, 입자들의 균일한 분포는 더 이상 보장되지 않는데, 다시 말하면 입자들이 어딘가로 "이동하게" 된다.
또한, 예컨대 용융물 내로 입자들의 유입 시, 부득이하게 요구되는 (높은) 온도로 인해, 이미 부분적인 확산이 일어난다.
용융물 내로 입자들을 유입할 때 발생하는 상기 문제들 역시도, 본 발명에 따라 적용되는 압연 피복의 공정을 통해, 즉 비교적 낮은 온도에서 수행되는 빠르고 효율적이며 공정에 안전하게 통제되는 방법(다시 말하면 압연 피복은 압연롤들이 인위적으로 가열되지 않는 냉각 압연 방법이다.)에 의해 방지되며, 그럼으로써 본 발명에 따른 제조 공정 자체를 통해 재료들의 의도되지 않는 확산은 배제될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 확산 솔더링 공정의 범주에서 액상 솔더 재료로부터 금속간 상들로 추후의 완전한 변환을 위해 형성되는 입자들의 크기 및 분포뿐만 아니라 개별 층 두께들은 압연 피복 공정을 통해 본 발명에 따라서 앞서 기술한 것처럼 정확하게 통제된다.
압연 피복의 과정에서, 본 발명에 따라 피복할 상대요소들(partner) 간의 재료 결합식 결합은 최적으로 형성될 수 있다.
이렇게, 본 발명에 따라, 이미 연질 솔더의 용융 전에 확산 공정을 위한 이상적인 출발 상태가 형성된다.
또한, 압연 피복 방법을 통한 본 발명에 따른 재료 복합체의 제조는 비교적 매우 비용 효과적이다.
다양한 재료들은 본 발명에 따라서 압연 피복 방법의 경우 하나의 공정 단계에서 상호 간에 결합되고, 그런 다음 본 발명에 따라서 각각 의도되는 적용에 상응하게, 본 발명에 따라 의도되는 개별 성분의 체적 및 두께의 관점에서, "수정되며", 다시 말하면 분쇄되며, 이와 동시에 "둘러싸이며" 그리고 그와 동시에 하기에서 섦여되는 것처럼 활성화(energization)된다.
이렇게 본 발명에 따라 제조되는 복합 솔더 재료의 장점은, 특히 기계적 에너지의 높은 입력과 함께, 압연 피복의 작업 공정 동안 그렇게 제조되는 본 발명에 따른 복합 솔더 재료의 모든 구성성분들의 결합성 역시도 분명하게 개선되며, 그럼으로써 본원에서 제안되는 본 발명에 따른 솔더의 다른 특징들과 함께, 확산 솔더링 공정의 범주에서, 액상 솔더 재료로부터 금속간 상들의 완전한 변환이 통상적인 솔더링 공정의 솔더링 시간에 필적하는 매우 짧은 솔더링 공정 시간 이내에 가능하다는 점에 있다.
하기에서는 이제 본 발명에 따른 해결책은 5개의 도면과 함께 일 실시예에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1에는, 반도체 전원 스위치의 개략적 구성이 도시되어 있다. 칩/반도체 소자(21)는, 세라믹 소재의 전기 절연 층(DCB), 즉 세라믹 기판(20)에 의해 지지되는 스트립 도체, 다시 말하면 금속 표면층(3) 상에 솔더링된다. 칩/반도체 소자의 상부 면은 마찬가지로 기판 상에 위치하는 다른 스트립 도체/금속 표면층(3)과 연결되며, 이는 보통 알루미늄 또는 구리 와이어들/리드 프레임들(13)과의 본딩 공정에서 실현된다. 세라믹 기판(20)은, 히트싱크/냉각 요소(17) 상에 실장되는 베이스판(19)(base plate) 상에 솔더링된다. 모든 결합할 표면/표면층(3)은 금속이어야 하며, 결합 구역들(16) 자체는 히트싱크 쪽으로 최대한 효과적인 열 흐름을 보장해야 한다.
하기에서, 본 발명에 따른 솔더 포일(1)의 사용은 접합 공정, 즉 도 1에 도시된 반도체 전원 스위치의 구성을 위한 확산 솔더링 공정과 함께 더 상세하게 설명된다.
이 경우, 본 발명에 따른 무연 솔더 포일(1)은, 복합 솔더 재료(4)의 구조 형상으로, 한편으로 리드 프레임(13)과 반도체 소자(21)의 전원 연결을 달성하기 위해, 그리고 다른 한편으로는 DCB, 즉 세라믹 기판(20) 상에 반도체 소자(21)를 솔더링하기 위해서도 솔더 프리폼(12)으로서 사용된다.
도 2에는, 동일하거나 상이한 유형의 금속 표면들/표면층들(3)을 포함하는 접합 상대요소들의 결합할 금속 표면층들(3) 사이에 복합 솔더 재료(4)로서의 실시형태로 솔더 포일(1)이 배열된 상태가 단면도로 도시되어 있다. 복합 솔더 재료(4) 내에는, 구리 소재의 입자들(6)이 무연 Sn 연질 솔더 지지대(5) 내에 분산되어 분포되어 있으며, 입자들(6) 간의 이격 간격은 10㎛보다 작거나 같으며, 그리고 최상부 층 및 최하부 층, 즉 피복층들(10)은 각각 연질 솔더(8)에 의해 형성된다.
도 3에는, 솔더링 공정 후 도 2에 따른 배열 상태가 개략적으로 도시되어 있다. Sn 연질 솔더(8)는 완전하게 400℃보다 더 높은 용융점을 갖는 금속간 결합부들/금속간 상들(9)로 변환되어 있으며, 그 내에는 Cu 소재의 고용융 금속 입자들(6)의 잔여물(잔여 금속(22))이 분산되어 있다. 그렇게 하여, 전체 결합 구역(16)은 400℃를 초과하는 온도에서 비로소 용융되고 그에 추가로 높은 전기 전도도와 더불어 매우 우수한 열 전도도를 보장하는 점이 보장된다.
하기에서는, 본 발명에 따른 무연 솔더 포일은 다층 솔더 포일(11)로서의 구조 형상으로 시스템 솔더링을 위해, 다시 말하면 여기서는 DCB, 즉 세라믹 기판(20)과 베이스판(19) 간의 솔더 이음의 달성을 위해 사용된다.
도 4에는, 접합 상대요소들과 관련한 위치에, 다시 말하면 접합할 부품들의 동일하거나 상이한 유형의 결합할 금속 표면층들(3) 사이에, 솔더 프리폼들(12)의 형태로, 다층 솔더 포일(11)로서의 가능한 실시형태에서의 솔더 포일(1)의 배열 상태가 개략적 단면도로 도시되어 있다.
상기 다층 솔더 포일(11) 내에서는, 예컨대 Cu와 같은 고용융 금속 성분(7)의 2개의 층과 중간층들(23)이 복합 솔더 재료(4)의 3개의 층 사이에 배열된다. 복합 솔더 재료(4)에서는 Cu 입자들(6)이 무연 Sn 연질 솔더 지지대(5) 내에 분산되어 분포되며, 입자들(6) 사이의 이격 간격은 10보다 작거나 같으며, 다층 솔더 포일(11)의 최상부 층 및 최하부 층, 즉 피복층들(10)은 다시 각각 연질 솔더(8)에 의해 형성된다.
도 5에는, 이제, 솔더링 공정 후에 도 4에 따른 배열 상태가 개략적으로 도시되어 있다. 복합 솔더 재료(4)로 이루어진 재료층들 내에서, Sn 연질 솔더(8)는 완전하게 400℃보다 높은 용융점을 갖는 금속간 결합부들/금속간 상들(9)로 변환되어 있으며, 그 내에는 Cu 소재의 고용융 금속 입자들(6)의 잔여물 역시도 분산되어 있다.
금속간 상들(9)을 통해 결합되는 그 사이에는, 예컨대 Cu와 같은 고용융 금속 성분(7)으로 이루어진 중간층들(23)의 잔여 금속(22)이 존재하며, 그럼으로써 모든 결합 구역(16)은 400℃를 초과하는 온도에서 비로소 용융되며, 상기 결합 구역의 매우 우수한 열 전도도뿐만 아니라 그에 기인하고 매칭되는 그 열 팽창 역시도 보장된다.
하기에서는, 이제, 본 발명에 다른 무연 솔더 포일(1)로 이루어진 도 3 및 도 5에 도시된 결합 구역들(16)의 제조를 위한 솔더링 공정이 더 상세하게 설명된다.
칩 솔더링을 위해, 예컨대 Si 칩, SiC 칩 또는 IGBT 모듈과 같은 반도체 소자들(21)은 DCB, 즉 세라믹 기판(20)과 솔더링된다. 이 경우, 반도체 소자들(21)은 통상 Ni 또는 Ni(Ag)로 코팅되며, DCB, 즉 세라믹 기판(20)은 Cu 소재의 표면층(3)으로 코팅되고 보통 추가로 여전히 Ni로도 코팅된다. 지금까지 칩 솔더링을 위해 통상적으로 높은 납 함유 솔더 합금들이 이용되었는데, 그 이유는 그 솔더 합금들의 용융 온도가 290℃ 내지 305℃이고 이렇게 제공되는 솔더 이음은 양산 중에 통상적인 스텝 솔더링(step soldering)으로 인해 240℃를 초과하는 온도에서 시스템 솔더링을 위한 제2 솔더링 공정에서 다시 용융되지 않아야 하기 때문이다. 통상적으로, 양산 중에, 제1 단계에서 칩 솔더링이 실행되며, 그리고 제2 단계에서 무연 솔더를 이용한 시스템 솔더링이 수행된다. 높은 납 함유 솔더는 무연 솔더보다 더 높은 용융 온도를 보유하기 때문에, 기술한 순서로 상기 스텝 솔더링을 통해, 칩 솔더 이음이 시스템 솔더링 동안 용융되는 점이 방지된다.
본 발명에 따라서는, 칩 솔더링을 위해, Sn 연질 솔더 지지대(5)와 이 지지대 내에 분산된 구리 입자들(6)을 포함하는 복합 솔더 재료(4)로 이루어진 솔더 프리폼(12)이 이용되며, 복합 솔더 재료(4)는 접합할 부품들(2)의 금속 표면층들(3)에 인접하는, 연질 솔더(8)로 이루어진 외부 피복층(10)을 포함하며, 이 외부 피복층은 한편으로 칩/반도체 소자(21)의 금속 표면(3) 상에 안착되고, 복합 솔더 재료(4)의 다른 한편으로는 DCB/세라믹 기판(20)의 금속 표면/표면층들(3) 상에 안착되며, 다시 말하면 상기 금속 표면/표면층들과 접촉한다.
높은 납 함유 솔더와 함께 실행되는 칩 솔더링 방법에 비해, 본 발명에 따른 해결책의 적용 시, 훨씬 더 낮은 공정 온도가 가능하며, 그럼으로써 여기서는 무연 연질 솔더링 공정에서 통상적인 240℃까지의 가열만으로도 충분하게 된다.
Sn 연질 솔더(8)는 약 220℃에서 용융하고, 액상은 인접한 부품들(2)의 금속 표면들/표면층(3)과 반응하며, 그리고 2분 이내에, 액상이 완전하게 고형 금속간 상들(9)로, 다시 말하면 CuSn3 및 Cu6Sn5로 변환될 정도로 분산되는 구리를 용해한다.
이렇게 자체의 용융 온도가 400℃를 초과하는 무기공 결합 구역(16)이 형성된다.
시스템 솔더링을 위해, 이제 이미 칩/반도체 소자(21)를 지지하는 DCB, 즉 세라믹 기판(20)은 베이스판(19)과 솔더링된다. 이 경우, 베이스판(19)은 통상 Cu, Ni, Ni(P) 또는 Ni(Ag)로 이루어진 표면층(3)으로 코팅되며, DCB/세라믹 기판(20)은 Cu, Ni, Ni(P) 또는 Ni(AG)로 이루어진 표면층(3)으로 코팅된다.
본 발명에 따라서, 시스템 솔더링을 위해, 다층 솔더 포일(11)에서부터 솔더 프리폼(12)이 무연 연질 솔더링 공정에서 가공된다. 다층 솔더 포일(11)의 사용은, 다층 솔더 포일(11)의 층 구성에 걸쳐서 솔더링 공정 후에 형성되는 결합 구역(16)의 기계적 유연성을 증가시키는 가능성을 제공한다. 본 실시예에서, 솔더 프리폼(12)은, Sn 연질 솔더 지지대(5) 및 이 Sn 연질 솔더 지지대(5) 내에 분산되어 분포되는 구리 금속 성분(7)의 입자들(6)을 포함하는 복합 솔더 재료(4)의 층들로 구성되며, 상기 층들은 예컨대 구리와 같은 고용융 금속 성분(7)의 층들과 교호적으로 배열되며, 복합 솔더 재료(4)의 외부 층들, 즉 피복층들(10)은 단지 Sn 연질 솔더(8)로만 구성된다. 복합 솔더 재료(4)의 상기 외부 층들은 기판(20) 및 베이스판(19), 다시 말해 부품들(2)의 금속 표면들/표면층들(3)과 접촉한다.
Sn 연질 솔더(8)는 다시금 약 220℃에서 용융된다. 이제 액상인 피복층(10)은 기판(20) 및 베이스판(19)의 금속화부들과 함께 금속간 상들(9)(CuSn3 및 Cu6Sn5)을 형성한다.
그와 동시에, 다층 솔더 포일(11) 안쪽에서는, 이제 마찬가지로 액상인 연질 솔더(8)가 2분 이내에, 상기 연질 솔더가 완전하게 고형 금속간 상들(CuSn3 및 Cu6Sn5)로 변환될 정도로 분산되는 구리[금속 성분(7)의 입자들(6)]를 용해한다. 상기 동일한 상들은 그 외에도 고용융 금속 성분(7)의 중간층들(23)과의 경계면에 형성된다. 이렇게, 원래 배열된 다층 솔더 포일(11)의 영역에는, 솔더링 공정 후에, 무기공 결합 구역(16)이 형성되며, 이 결합 구역의 용융 온도는 400℃를 초과하며, 그리고 결합 구역은, 잔존하는 금속 잔여 층들(22)로 인해, 그에 기인하고 매칭되는 열 팽창 계수를 보유한다.
종래 기술에서는, 칩 상면이 통상적으로 초음파 용접 공정에서 미세한 알루미늄 또는 구리 와이어들을 통해 기판 상의 스트립 도체와 연결된다(본딩된다). 이런 접합 방법은 본 발명에 따른 솔더 포일에 의해 마찬가지로, 전술한 솔더링 공정과 유사하게 진행되는 확산 솔더링 공정으로 대체될 수 있다.
본 발명에 따라서, 칩을 접촉하기 위해, 알루미늄 또는 구리와 같은 전기 도체로 이루어진 리드 프레임(13)이 사용되며, 이 리드 프레임의 접합할 두 단자면들(terminal surface) 상에는, Sn 연질 솔더(8)로 구성되는 복합 솔더 재료의 외부 층이 한편으로 칩/반도체 소자(21)의 금속 표면층(3)과 접촉하고 다른 한편으로는 DCB/기판의 금속 표면층(3)과 접촉하는 방식으로, 앞서 복합 솔더 재료(4)가 적층되었다. 무연 연질 솔더링 공정의 상응하는 온도로 가열할 때, 복합 솔더 재료(4)의 연질 솔더(8)는 용융된다.
복합 솔더 재료(4)의 안쪽에서는, 이제 액상인 연질 솔더(8)가, 2분 이내에, 연질 솔더가 완전하게 고형 금속간 상들(CuSn3 및 Cu6Sn5)로 변환될 정도로 분산되는 구리[금속 성분(7)의 입자들(6)]를 용해한다. 칩 상면 및 기판의 금속화부[금속 표면층들(3)]에 대한 경계면 상에서는 마찬가지로 금속간 상들(CuSn3 및 Cu6Sn5)이 형성된다. 따라서, 여기서도 칩 및 시스템 솔더링에 대등한 결합 구역(16)이 형성된다.
1: 솔더 포일
2: 부품
3: 표면층
4: 복합 솔더 재료
5: 연질 솔더 지지대
6: 입자
7: 금속 성분
8: 연질 솔더
9: 금속간 상
10: 피복층
11: 다층 솔더 포일
12: 솔더 프리폼
13: 리드 프레임
14: 제품
15: 이음 위치
16: 결합 구역
17: 냉각 요소
18: 열 경계면 재료(thermal interface material)
19: 베이스판
20: 세라믹 기판(DCB)
21: 반도체 소자(칩)
22: 잔여 금속(고용융)
23: 중간층(고용융)

Claims (6)

  1. 금속 부품들(2) 및/또는 금속화/금속 코팅 부품들(2), 특히 인접한 부품들(2)의 금속 표면층들(3)을 상호 결합하기 위한 확산 솔더링용 무연 솔더 포일(Lead-free solder foil)(1)에 있어서,
    - 상기 무연 솔더 포일(1)은, 연질 솔더 지지대(5)의 무연 연질 솔더 환경에서, 종래의 연질 솔더링 공정에서 상기 연질 솔더 지지대(5)의 연질 솔더(8)로부터 400℃보다 높은 용융 온도를 가지는 금속간 상들(9)로의 완전한 변환을 실현하기 위해, 입자들(6) 각각이가 무연 연질 솔더(8)에 의해 완전히 둘러싸이도록, 고용융 금속 성분(7), 즉 경질 솔더 성분의 입자들(6)이 분산되는 방식으로 배열되도록 조밀하게 복합 솔더 재료(4)로 구성되며,
    - 상기 연질 솔더 지지대(5) 내에서 분산되는, 상기 고용융 금속 성분(7)의 입자들(6)은 포일 두께의 방향으로 3㎛ 내지 20㎛의 두께를 가지고, 상기 연질 솔더 지지대(5) 내에서 상기 입자들(6) 상호 이격 간격은 1㎛ 내지 10㎛이며, 상기 고용융 금속 성분(7)의 입자들(6) 각각은 전면적으로 상기 무연 연질 솔더(8)의 1㎛ 내지 10㎛ 두께의 층에 의해 둘러싸이며,
    - 연질 솔더 함량, 즉 상기 연질 솔더 지지대(5)는, 고용융 금속 성분(7)의 함량에 비해, 구성될 금속간 상들(9) 내에서 필요한 것보다 더 높지 않으며, 상기 입자들(6)을 둘러싸는 상기 무연 연질 솔더 지지대(5)의 연질 솔더(8)의 백분율 대비 상기 복합 솔더 재료(4) 내에 배열되는, 상기 고용융 금속 성분들(7)의 입자들(6)의 백분율의 비율은, 각각의 출발 재료들로 형성될 금속간 상들(9)의 화학량론적 화학식에 따라서, 항상 상기 무연 연질 솔더 지지대(5)의 모든 연질 솔더(8)가 각각 구성될 금속간 상들(9)로 변환되도록 산출되며,
    - 상기 무연 솔더 포일(1)의 총 두께는 20㎛ 내지 0.5㎜이며,
    - 상기 솔더 포일(1), 즉 상기 복합 솔더 재료(4)는 접합할 부품들(2)의 금속 표면층들(3)에 인접하는 외부 피복층(10)을 포함하고, 상기 외부 피복층(10)의 층 두께는 2㎛ 내지 10㎛이고 연질 솔더(8)로 구성되는 것을 특징으로 하는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일.
  2. 금속 부품들(2) 및/또는 금속화/금속 코팅 부품들(2)을, 특히 인접한 부품들(2)의 금속 표면층들(3)을 상호 결합하기 위한 확산 솔더링용 무연 솔더 포일(1)의 제조 방법에 있어서,
    - 상기 솔더 포일(1) 내에 함유되는 복합 솔더 재료(4)의 제조를 위해 압연 피복 방법이 사용되고, 상기 복합 솔더 재료(4)의 제조를 위해, 먼저 연질 솔더 성분 및 금속 성분이 제공/의도되는 백분율 조성에 상응하게 금속 성분이 항상 양면에서 연질 솔더 성분과 결합되도록 교대로 접합되어 층 복합체를 형성하고, 성분들의 접합될 층 두께들이, 전체적으로 후속 솔더링 공정에서 연질 솔더 함량이 완전하게 금속간 상 내로 삽입될 정도로 상호 비례한다면, 피복 공정이 시작되며,
    - 한번 피복된 층 복합체에 의해, 후속하여, 각각 피복된 재료가 그 자체로 피복됨으로써 재료 내 층들의 개수는 증가되지만, 층들의 두께는 동시에 감소하게 되는, 또 다른 압연 피복 단계들이 수행되며,
    - 압연 피복 단계들은, 연질 및 경질 솔더 성분으로 구성되는 선택된 재료 조합물, 및 솔더 프리폼들에 대해 의도되는 총 두께에 따라서, 완성된 복합 솔더 재료(4)에 이를 때까지 수회 반복되며,
    - 상기 층 복합체의 수회의 피복 동안, 고형 상태에서 개별 성분들의 완전한 혼합이 수행되며,
    - 이 경우, 두 성분 중 일측 성분의 층들의 파열에 의해 그 파편들이 타측 성분, 즉 상대적으로 더 연질인 성분 내에서 분산되어, 압연 피복을 통해 미립자 이격 간격들이 10㎛보다 작거나 같은 구조가 형성되게 되는 것을 특징으로 하는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    - 상기 솔더 포일(1)은 다층 솔더 포일(11)로서 구성되고,
    - 상기 다층 솔더 포일(11)의 개별 층들은 상기 복합 솔더 재료(4)와, 고용융 금속 성분(7)의 2㎛ 내지 10㎛ 두께의 층들인 중간층(23)이 교대로 구성되며,
    - 상기 다층 솔더 포일(11)은, 접합될 부품들(2)의 금속 표면층들(3)에 인접하게 2㎛ 내지 10㎛의 층 두께를 가지고 연질 솔더(8)로 구성되는 외부 피복층(10)을 포함하며,
    - 상기 다층 솔더 포일(11)의 총 두께는 40㎛ 내지 1.0㎜인 것을 특징으로 하는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일(1).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 솔더 포일(1)은 다층 솔더 포일(11)로서도 구성될 수 있으고, 상기 다층 솔더 포일의 개별 층들은 압연 피복에 의해 상호 결합되며, 상기 다층 솔더 포일(11)의 개별 층들은 제1항 및 제2항에 기술된 복합 솔더 재료(4)와, 고용융 금속 성분(7)의 층들인 중간층(23)으로 구성되며, 상기 다층 솔더 포일(11)은 접합될 부품들(2)의 금속 표면층들(3)에 인접하게 연질 솔더(8)로 구성되는 외부 피복층(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 무연 솔더 포일(1)은 무연 연질 솔더링 공정에서 솔더 프리폼(12)으로서 사용되고, 상기 인접한 부품들(2)은, 상기 결합 구역(16)이 솔더링 공정 후에 400℃보다 높은 재용융 온도를 가지도록 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일(1).
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 무연 솔더 포일(1)에 의해, 접합될 제품(14) 내에서 전기 도체로서 이용되는 금속 리드 프레임(13)의 이음 위치들(15)이 부분적으로 코팅되어, 상기 이음 위치들(15)에서 부분적으로 코팅된 상기 리드 프레임(13)은, 무연 연질 솔더링 공정 후에, 상기 결합 구역(16)이 400℃보다 높은 재용융 온도를 가지도록, 상기 이음 위치들(15)에서, 상기 리드 프레임(13)과 결합될 부품들(2)을 상호 결합하는 것을 특징으로 하는 확산 솔더링용 무연 솔더 포일(1).
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