KR20200082107A - 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 용도 - Google Patents
고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 용도 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Sn-(0.1~20)wt%Ag-(0.1~50)wt%Sb-(0.01~10)wt%Cu, Sn-(0.1~20)wt%Ag-(0.1~50)wt%Sb 및 Sn-(0.1~50)wt%Sb 중에서 선택된 어느 하나의 합금 조성물에 세라믹 분말이 첨가되어 이루어지는 비독성의 조성을 가지고 있으며, 고온에서 고신뢰성이 확보 가능한 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다.
Description
본 발명은 무연 솔더 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 납(Pb)에 의해 발생되는 환경 문제를 해결함과 동시에, 150℃ 정도의 고온 환경에서도 고신뢰성 확보가 가능하여 내구성이 우수한 특성을 나타내는 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다.
반도체는 에너지효율 향상을 위하여 그 요구 특성이 고도화하는 동시에, 사용 환경도 더욱 가혹해지고 있다. 종래에는 반도체 소자 재료로서 Si가 사용되어 오고 있지만 (이하, 'Si 반도체 소자'라고도 함) 요구특성 및 사용환경에 만족하도록 고전압 고전류에 적용가능한 소재인 SiC, GaAs, GaN 등으로 반도체 소자(이하, 각각, 'SiC 반도체 소자', 'GaAs 반도체 소자', 'GaN 반도체 소자'라고도 함)가 개발되고 있다. SiC 반도체 소자, GaAs 반도체 소자, GaN 반도체 소자는 내압성이 뛰어나고 열전도율이 높아 동작 온도의 상승을 도모할 수 있는 등 우수한 특성을 갖추고 있어 파워 트랜지스터(power transistor)나 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED) 등의 광학 디바이스에 적용할 수 있다.
그러나 SiC 반도체 소자, GaAs 반도체 소자, GaN 반도체 소자는 신뢰성이 정확히 확보되지 않았고, 이러한 소재를 접합할 수 있는 접합소재에 대한 개발 및 그 신뢰성 확보도 되어 있지 않아 바로 적용하기 어려운 점이 있다. 따라서, 기존의 Si 반도체 소자를 보다 효율적으로 활용할 수 있도록 개선되고 있다. 다만, 성능 향상과 더불어 사용 작동 온도가 기존의 Si 반도체 소자보다 약 25 ~ 50℃이상 높은 발열특성을 가지게 되므로, 높은 온도에도 접합 수명을 보증할 수 있는 솔더소재가 요구된다.
종래부터 고온용 솔더(solder)은 몇 가지 이미 알려져 있으며, 그러한 종래의 고온 무연 솔더 합금으로서는, Au-Sn 공정(共晶) 조성 합금인 Au-20Sn 솔더 합금이 알려져 있다. Au-20Sn 솔더 합금은 공정 온도가 280℃이기 때문에 250℃ 이상 280℃ 미만에서 사용할 수 있지만, 매우 고가의 재료이다.
보다 저비용인 고온 무연 솔더 합금의 예로서 Sn-Sb계 솔더 합금, Bi계 솔더 합금, Zn계 솔더 합금, Ag 함유 소결체 합금을 들 수 있다. 그 중에서도, Sn-Sb계 솔더 합금은 열전도율, 내식성, 접합 강도의 관점에서, Bi계, Zn계의 각 솔더 합금이나 Ag 함유 소결체분 소결체의 솔더보다 우수하다.
이러한 고온 무연 솔더 합금에 대해 종래기술로서 일본 특허공개 제2005-340267호(특허문헌 1)와 일본 특허공표 제2007-152385호(특허문헌 2)에서는, 250~280℃의 온도 범위에서도 사용 가능한 고온 솔더 합금으로서 Sn-Sb 솔더 합금에 Ag 및 Cu를 첨가한 Sn-Sb-Ag-Cu 솔더 합금이 개시되고 있다.
즉, 특허문헌 1에서는, Sn와 Sb의 함유비에 주목함으로써, 고상선(固相線) 온도가 300℃를 넘는 Sn-Sb-Ag-Cu 솔더 합금이 개시되고 있으며, 특허문헌 2에도 상기 특허문헌 1과 같이 고상선 온도가 300℃를 넘는 Sn-Sb-Ag-Cu 솔더 합금이 개시되고 있다. 그러나, 상기 특허문헌 1과 특허문헌 2의 Sn-Sb계 솔더 합금은 Sb의 함량이 40%이상으로 매우 높아 안티몬(Sb) 원소의 취성에 의하여 고온 환경에서 쉽게 크랙(crack)이 발생하며, 초기 크랙부를 따라 크랙이 진전되어 솔더이음의 파단 우려가 있다.
또한, 대부분의 합금 설계가 석출강화형으로 설계됨에 따라 온도가 높아질수록 강도 저하율이 커지는 문제점이 있다.
등록특허 제10-1671062호에서는 기존의 Sn-Ag-Cu계열의 합금에 분산강화를 통하여 기계강도, 젖음성, 퍼짐성을 향상 시켜 신뢰성을 확보하는 내용이 포함되어 있다. 그러나 Sn-Ag-Cu계열은 고내열 특성을 필요로 하는 SiC 반도체 소자에 적용하기에는 신뢰성이 부족하다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 파우더 형태의 에폭시 바인더(epoxy binder)를 적용하였으나, 이 경우 섬유의 적층 단계에서만 직물 결속이 가능하고, 섬유 재단 등 취급에 의한 직물 손상 발생하고 에폭시 바인더 도포 불균일로 인해 직물의 주름이 발생되는 문제가 있다.
기존 Sn-Sb계 솔더 합금은 안티몬(Sb)의 함량이 40%이상으로 매우 높아 안티모티(Sb) 원소의 취성에 의하여 고온 환경에서 쉽게 크랙(crack)이 발생하며, 초기 크랙부를 따라 크랙이 진전되어 솔더이음의 파단 우려가 있다.
또한, 대부분의 합금 설계가 석출강화형으로 설계됨에 따라 온도가 높아질수록 강도 저하율이 커지면서 접합신뢰성 측면에서 문제점이 있다.
따라서 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 Sn-Ag-Sb-Cu계, Sn-Ag-Sb계, Sn-Sb계 합금계 조성물에 나노 입자 크기의 세라믹 분말을 첨가 및 분산하여 솔더 합금의 기지조직과 금속간 화합물(IMC)을 미세화 함으로써 인성(toughness)를 증가시켜 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 상기와 같은 무연 솔더 합금 조성물을 이용하여 솔더 페이스트, 시트(sheet) 형태로 구성된 솔더 프리폼, 솔더 볼(ball), 솔더 와이어(wire), 솔더 바(bar), 솔더 소재 등의 다양한 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물은, Sn-(0.1~20)wt%Ag-(0.1~50)wt%Sb-(0.01~10)wt%Cu, Sn-(0.1~20)wt% Ag-(0.1~50)wt%Sb 및 Sn-(0.1~50)wt%Sb 중에서 선택되는 어느 하나의 합금 조성물에 세라믹 분말이 첨가한 것이다.
구체적으로 상기와 같은 Sn-(0.1~20)wt%Ag-(0.1~50)wt%Sb-(0.01~10)wt%Cu, Sn-(0.1~20)wt% Ag-(0.1~50)wt%Sb 및 Sn-(0.1~50)wt%Sb 중에서 선택되는 어느 하나의 무연 솔더 합금 조성물에 나노 입자 크기의 세라믹 분말을 분산시켜 분산강화형으로 구성함에 따라, 안티몬(Sb)의 취성을 최소화하고 합금의 조직을 미세화하며 인성(Toughness)이 증가하어 고온에서의 강도저하율을 감소시킴으로써 접합신뢰성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 세라믹 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)원소가 산화물 또는 질화물 또는 탄화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 상기 나노 입자 크기의 세라믹 분말의 함량은 0.01~2.0wt%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 세라믹 분말의 크기는 10 ㎛이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해 상기 본 발명의 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물을 이용하여, 솔더 페이스트(solder paste), 시트(sheet)형태로 구성된 솔더 프리폼, 구 형태로 구성된 솔더 볼(solder ball), 솔더 와이어(solder wire), 바(bar) 형태로 구성된 솔더 바(solder bar)로 이용할 수 있다.
상기 제시된 다양한 형태의 무연 솔더 합금 조성물을 이용하여 파워 반도체 디바이스에서 파워 반도체와 금속도체를 접합된 파워반도체 장치를 구성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 무연 솔더 합금 조성물의 물성 및 효과는 이하에서 살펴볼 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 단순히 종래의 Sn-Ag-Sb-Cu, Sn-Ag-Sb, Sn-Sb계 무연 솔더(lead-free solder)에 비하여 고온환경에서 강도저하가 적고 열충격평가 시 내구특성에서 우수한 효과가 있다.
본 발명의 무연 솔더 합금 조성물은 Sn-Ag-Sb-Cu, Sn-Ag-Sb, Sn-Sb 합금 조성물을 기초로 하며, 이에 나노 입자 크기의 세라믹 분말을 첨가 및 분산하여 무연 솔더 합금의 기지조직과 Ag3Sn, Sb2Sn3, Cu6Sn5 등의 금속간 화합물(IMC)을 미세화하는 효과가 있으며 이러한 조직 미세화에 따라 기지조직의 강도를 증가시키는 역할로 인성(toughness)이 증가되는 효과가 있다.
이와 같은 본 발명의 무연 솔더 합금 조성물의 조직 미세화는 기지조직의 결정립 크기가 작아질수록 전위밀도가 증가해서 크랙의 전파를 방해하여 접합강도 저하율이 감소될 수 있도록 한다.
그리고 인성(toughness)이 상승수록 파괴될 때까지의 에너지흡수력이 커지기 때문에 열충격 시 솔더에 전달되는 응력에 대한 저항이 큰 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1d는 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되지 않은 솔더와 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가된 솔더의 미세조직 사진이다.
도 2는 재료강도학에 의한 석출강화와 분산강화의 온도에 따른 강도 저하율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 전자제품 또는 자동차 전장품에 사용되는 파워반도체의 단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 무연 솔더 합금 조성물의 열충격 전과 열충격 후의 접합강도 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 무연 솔더 합금 조성물의 열충격 전과 열충격 후의 인성(toughness) 결과 그래프이다.
도 2는 재료강도학에 의한 석출강화와 분산강화의 온도에 따른 강도 저하율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 전자제품 또는 자동차 전장품에 사용되는 파워반도체의 단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 무연 솔더 합금 조성물의 열충격 전과 열충격 후의 접합강도 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 무연 솔더 합금 조성물의 열충격 전과 열충격 후의 인성(toughness) 결과 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다”, “포함한다” 또는 “첨가된다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들은 포함되지 않을 수도 있고, 또한 추가적인 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 무연 솔더 합금 조성물은 무연 솔더 Sn-(0.1~20)wt%Ag-(0.1~50)wt%Sb-(0.01~10)wt%Cu, Sn-(0.1~20)wt%Ag-(0.1~50)wt%Sb 및 Sn-(0.1~50)wt%Sb 중에서 선택되는 어느 하나의 무연 솔더 합금 조성물에 세라믹 분말이 첨가된다. 상기 합금 중 Ag의 함량이 0.1wt%보다 적으면 강도향상 및 신뢰성의 효과가 나타나지 않고 20wt%보다 많으면 금속화합물인 Ag3Sn이 많아져 나노 입자 크기의 세라믹 분말을 첨가하여도 금속화합물의 조대화를 막을 수 없어 열충격 시 Ag3Sn의 취성에 의한 크랙 및 박리로 오히려 열충격 내구특성이 저하된다. 또한 상기 합금 중 Sb의 함량이 0.1wt%보다 작으면 융점 상승에 대한 효과가 없어 고온에서의 신뢰성을 확보할 수 없고, 50wt%보다 높으면 합금의 용융온도가 현저히 높아져 주변 재료에 손상이 갈수 있어 솔더링이 현실적으로 불가능하다. 또한 50wt%보다 높으면 공극(Void) 발생이 급격히 증가하여 불량이 증가한다. 상기 합금 중 Cu는 합금의 융점을 억제하는 효과를 가지며 함량이 0.01wt보다 작으면 Cu를 첨가하는 효과를 발휘할 수 없고 10wt%보다 크면 응고 초기 단계에서 Cu2Sb상을 만들어 저융점상이 생성되기 쉽고 땜납 합금의 액상선 온도가 높아져 솔더링이 불가능하다.
상기 무연 솔더 합금 조성물에 첨가하는 세라믹 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)원소가 산화물 또는 질화물 또는 탄화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 0.01~2wt%로 구성되어 있다. 세라믹 분말이 0.01wt% 보다 적을 때는 종래의 Sn-Ag-Sb-Cu, Sn-Ag-Sb, Sn-Sb 합금 대비 특성이 나타나지 않으며, 반면에 2.0wt%을 초과하면 나노 입자 크기의 세라믹 분말에 의하여 솔더링성이 저하되고 젖음 불량인 디웨팅(dewetting) 현상이 발생한다.
그리고 상기 세라믹 분말의 크기는 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 만약 세라믹 분말의 크기가 10㎛보다 크면 합금 내에서 불순물로 작용하여 본 발명의 효과가 나타나지 않는다.
상기 나노 입자 크기의 세라믹 분말은 아래 표 1에 기재된 바와 같은 분자식을 갖는다. 각 원소의 산화물, 질화물, 탄화물은 대표적인 분자식을 기입한 것이며, 이 외의 분자식을 가진 산화물, 질화물, 탄화물로도 첨가 가능하다.
| 원소 | B | Ti | Al | V | Cr | Mn |
| 산화물 | B2O3 | TiO2 | Al2O3 | V2O3 | Cr2O3 | MnO2 |
| 질화물 | BN | TiN | AlN | VN | CrN | MnN |
| 탄화물 | B4C | TiC | Al4C3 | VC | Cr3C2 | Mn3C |
| 원소 | Fe | Co | Ni | Zr | Nb | Mo |
| 산화물 | Fe2O3 | CoO | NiO | ZrO2 | Nb2O5 | NoO3 |
| 질화물 | Fe2N | CoN2 | Ni3N | ZrN | NbN | Mo2N |
| 탄화물 | Fe3C | CoC | Ni3C | ZrC | NbC | MoC |
| 원소 | Y | La | Sn | Si | Ag | Bi |
| 산화물 | Y2O3 | La2O3 | SnO2 | SiO2 | Ag2O | Bi2O3 |
| 질화물 | YN | LaN | Sn3N4 | Si3N4 | Ag3N | BiN |
| 탄화물 | YC2 | LaC2 | SnC | SiC | Ag2C2 | BiC |
| 원소 | Cu | Au | Mg | Pd | Pt | Zn |
| 산화물 | CuO | AuO | MgO | PdO | PtO2 | ZnO |
| 질화물 | Cu3N | - | Mg3N2 | - | PtN | Zn3N2 |
| 탄화물 | CuC2 | Au2C2 | MgC2 | PdC | PtC | ZnC |
도 1a와 같이 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되지 않은 솔더 합금 조성은 평균 결정립이 약 14.46㎛로 관찰되었고, 도 1b와 같이 나노 입자 크기의 세라믹 분말 중 SiC가 첨가된 솔더 합금 조성은 평균 결정립이 약 8.57㎛로 관찰되어 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되지 않은 솔더합금 대비 평균 결정립도가 약 40% 감소한다.
또한, 도 1c에서와 같이 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되지 않은 솔더 합금 조성의 평균 금속간 화합물(Inter Metallic Compound) 두께는 약 2.56㎛로 관찰되었고, 도 1d와 같이 나노 입자 크기의 세라믹 분말 중 SiC가 첨가된 솔더 합금 조성의 평균 금속간 화합물의 두께는 약 1.76㎛로 관찰되어 나노입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되지 않은 솔더 합금 대비 평균 금속간 화합물 두께가 약 30% 감소하였다.
즉, 나노 입자 크기의 세라믹 분말의 첨가에 따라 솔더의 결정립이 미세화되고, 금속간 화합물 역시 크기가 감소한다. 특히 취성이 강한 Ag3Sn 등의 금속간 화합물은 반복적인 열충격 및 피로 시험 시 크랙(crack) 및 박리를 유발하나, 이러한 금속간 화합물의 크기가 감소함에 따라 고온 환경에서 크랙(crack) 및 박리를 제어할 수 있다. 또한 일반적으로 금속의 결정립이 미세화되면 Hall-Petch식에 의하여 항복강도와 인장강도가 증가한다.
도 2와 같이 석출강화는 온도가 상승함에 따라 합금 내 석출상이 지속적으로 성장하고 결정립이 조대화된다. 지속성장한 석출상은 취성을 가지고 있어 크랙의 초기점이 될 가능성이 크며 조대화된 결정립을 따라 크랙이 진전되기 쉬워 강도값의 변화가 크다. 하지만 분산강화는, 온도가 상승해도 변화가 없는 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 분산되어 있어 합금의 결정립 및 금속화합물이 조대화 되는 것을 지속적으로 억제할 수 있다. 따라서 온도가 상승해도 초기의 미세화된 결정립 및 금속간 화합물에 의한 크랙 전파의 방해 효과를 지속할 수 있어 내구에 의한 강도값의 변화가 적다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 무연 솔더 합금 조성물의 효과를 확인하기 위하여 아래와 같이 실험을 실시하였으며, 하기 표 2에 기재된 조성과 함량으로 비교예 및 실시예에 대한 무연 솔더 조성물을 제조하였다.
| 구분 | 합금 조성 | 세라믹 분말 | 제품 형태 |
| 비교예1 | Sn-10wt%Sb | - | 솔더 페이스트 |
| 비교예2 | Sn-35wt%Sb | - | 솔더 페이스트 |
| 비교예3 | Sn-10wt%Ag-8 wt%Sb | - | 솔더 페이스트 |
| 비교예4 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb | - | 솔더 페이스트 |
| 비교예5 | Sn-8wt%Ag-35wt%Sb-8wt%Cu | - | 솔더 프리폼 |
| 비교예6 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb-8wt%Cu | - | 솔더 프리폼 |
| 실시예1 | Sn-10wt%Sb | 0.05La2O3 | 솔더 페이스트 |
| 실시예2 | Sn-35wt%Sb | 0.05La2O3 | 솔더 페이스트 |
| 실시예3 | Sn-10wt%Ag-8wt%Sb | 0.5SiC | 솔더 페이스트 |
| 실시예4 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb | 0.5SiC | 솔더 페이스트 |
| 실시예5 | Sn-8wt%Ag-35wt%Sb-8wt%Cu | 0.2AlN | 솔더 프리폼 |
| 실시예6 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb-8wt%Cu | 0.2AlN | 솔더 프리폼 |
표 1의 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 포함된 합금 조성과 활성효과를 갖는 플럭스(flux)와 89wt%: 11wt%의 비율로 혼합하여 솔더페이스트를 제조하였다.
또한, 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 포함된 합금 조성을 압연을 통하여 시트(sheet) 형태의 0.1mm 두께의 솔더 프리폼으로 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 무연 솔더 합금 조성물에 대한 물성 평가를 위해 다음과 같은 항목의 물성을 평가하였다.
여기서 물성 측정 시편은 파워반도체용 Si3N4 기판 상단에 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 페이스트 도포 또는 프리폼 실장하여 제조하였다.
접합강도 및 인성(toughness)으로 온도변화에 따라 솔더에 가해지는 반복적인 응력에 의한 솔더의 접합강도와 인성(toughness)의 변화를 측정하기 위하여 열충격 테스트를 실시하였다. 고온환경을 모사하기 위하여 최대 온도는 기존 125℃에서 25℃ 상승된 150℃로 설정하여 평가하였다. 이와 같은 열충격 테스트는 엘리베이터식 열충격 테스터를 사용하였으며 -40℃에서 10분 유지후 150℃에서 10분 유지를 1cycle로 하여 500cycle, 1000cycle 일때의 강도변화를 측정하고 인성(toughness)을 계산하였다. 접합강도는 전단강도 측정기를 이용하여 shear height 60㎛, test speed 300㎛/s, Land speed 100㎛/s로 측정하였으며 5개의 시편을 측정하고 그 평균 및 표준편차를 측정하였고, 인성(toughness)은 Stress-Strain curve에서 면적값을 적분을 통하여 계산하였다.
그 결과, 도 4와 같이 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되지 않은 경우에는 시편 간 편차가 크게 발생하였으며, 열충격이 진행됨에 따라 Cu 칩의 가장자리에서부터 크랙(crack) 및 박리가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 열충격이 진행될수록 급격하게 물성이 저하되는 것을 확인하였다.
그와 비교하여 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가된 경우에는 초기 접합강도는 비교예와 비슷하거나 약간 높은 수준이나 열충격테스트가 진행될수록 물성의 저하율이 현저하게 작은 것을 확인하였다. 이러한 효과가 발생한 원인은 상기 도 1a 내지 도 1d에서와 같이 결정립크기(Grain size), 금속간 화합물(IMC) 크기를 미세 구조를 관찰한 결과, 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 합금 내에 분산되어 조직을 미세화시키고 인성(toughness)을 향상시켰으며, 이로 인하여 열충격에 대한 크랙 전파를 방해하고 충격에 대한 에너지 흡수가 높아져 솔더의 접합강도저하를 저지시킨 것으로 판단된다.
도 5는 인성(toughness)를 계산한 그래프이며, 접합강도의 경우와 유사한 경향을 확인 할 수 있다. 솔더 합금에 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되지 않은 합금 대비 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가되된 합금의 경우에 인성이 향상되어 열충격에 의해 발생되는 응력에 대한 저항 능력이 높아진 것으로 판단된다.
퍼짐성 실험은 JIS-Z-3197 규격에 따라 실시했다. 우선 30 mm × 30 mm × 0.3 mm 구리조각을 연마한 뒤 알코올로 세척한다. 건조 후, 균일한 산화막을 생성하기 위해 150℃의 온도에서 1시간 동안 가열한다. 0.3g의 솔더 분말을 0.03g의 플럭스와 혼합하고, 구리조각의 중앙에 놓는다. 그 조각을 260℃로 가열된 핫플레이트에 놓는다. 잠시 후, 구리조각 중앙에 위치한 솔더 분말이 녹기 시작한다. 구리 조각을 260℃ 용융된 솔더 조에 30초 동안 유지하여 솔더 분말이 완전히 녹아서 퍼지면, 구리 조각을 솔더 조에서 꺼내고 상온에서 냉각시킨다. 냉각된 구리판 상에 퍼진 솔더를 사용하여 퍼짐성 실험을 하고, 그 퍼짐율을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
| 구분 | 합금 조성 | 세라믹 분말 | 제품 형태 | 퍼짐율(%) |
| 비교예1 | Sn-10wt%Sb | - | 솔더 페이스트 | 77 |
| 비교예2 | Sn-3wt%5Sb | - | 솔더 페이스트 | 75 |
| 비교예3 | Sn-10wt%Ag-8wt%Sb | - | 솔더 페이스트 | 76 |
| 비교예4 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb | - | 솔더 페이스트 | 74 |
| 실시예1 | Sn-10wt%Sb | 0.05La2O3 | 솔더 페이스트 | 80 |
| 실시예2 | Sn-35wt%Sb | 0.05La2O3 | 솔더 페이스트 | 78 |
| 실시예3 | Sn-10wt%Ag-8wt%Sb | 0.5SiC | 솔더 페이스트 | 82 |
| 실시예4 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb | 0.5SiC | 솔더 페이스트 | 80 |
공극율(Void) 평가 시험은 솔더링 직후 반도체 하부 솔더가 형성된 층의 공극 크기를 X-Ray 장비를 통해 측정한다. 전체면적 대비 공극이 차지하는 면적을 비율로 계산하여 결과를 기록한다. 여기서 공극 면적이 클수록 솔더 접합 면적이 작다는 의미이며, 이는 전기 저항이 증가하고, 열 방출 성능역시 떨어져 성능에 악영향을 주는 것으로 해석될 수 있으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
| 구분 | 합금 조성 | 세라믹 분말 | Void(%) |
| 비교예1 | Sn-10wt%Sb | - | 8 |
| 비교예2 | Sn-35wt%Sb | - | 10 |
| 비교예3 | Sn-10wt%Ag-8wt%Sb | - | 16 |
| 비교예4 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb | - | 6 |
| 비교예5 | Sn-8wt%Ag-35wt%Sb-8wt%Cu | - | 14 |
| 실시예1 | Sn-10wt%Sb | 0.05La2O3 | 6 |
| 실시예2 | Sn-35wt%Sb | 0.05La2O3 | 8 |
| 실시예3 | Sn-10wt%Ag-8wt%Sb | 0.5SiC | 14 |
| 실시예4 | Sn-10wt%Ag-35wt%Sb | 0.5SiC | 4 |
| 실시예5 | Sn-8wt%Ag-35wt%Sb-8wt%Cu | 0.2AlN | 12 |
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 비교예보다 나노 입자 크기의 세라믹 분말을 첨가한 실시예의 공극율 특성이 우수한 것을 확인하였다. 이는 나노 입자 크기의 세라믹 분말이 첨가됨에 따라 합금의 유동성이 좋아져 공극율 감소에 영향을 준다.
또한, 안티몬 함량을 증가시키면 융점이 상승하여 고온 특성은 좋아질 수 있으나, 안티몬 증가에 따라 공극율 역시 같이 증가함으로 Sb 함량은 50wt%이하로 한정할 필요성이 있다.
본 발명은 땜납재로써 실시예에 설명된 솔더 페이스트 뿐만 아니라 분산강화 및 조직의 미세화가 가능한 솔더 볼, 솔더 바(bar), 솔더 와이어, 솔더 프리폼 등으로도 제조될 수 있다. 상기의 제품형태로 제조된 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물은 전자제품 또는 자동차 전장품 등의 파워반도체 디바이스에서 파워반도체와 금속 도체 사이에 접합용으로서 이용할 수 있다.
도 3은 전자제품 또는 자동차 전장품에 사용되는 파워반도체의 단면 모식도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이 Cu, Ni, Ni/Au, Ag 등의 금속 도체(31)와 세라믹층(32)로 형성된 기판(3)이 있으며 이 중 금속 도체와 파워반도체인 Si 반도체 소자(1) 사이에 본 발명의 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물(2)을 적용하여 땜납 필렛을 형성한다.
이상과 같이 본 발명의 구성은 상기의 실시예를 통해 그 우수성이 입증되었지만 상기의 구성에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변형이 가능하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
1 : Si 반도체 소자
2 : 무연 솔더 합금 조성물
3 : 기판
31 : 금속 도체
32 : 세라믹층
2 : 무연 솔더 합금 조성물
3 : 기판
31 : 금속 도체
32 : 세라믹층
Claims (9)
- Sn-(0.1~20)wt%Ag-(0.1~50)wt%Sb-(0.01~10)wt%Cu, Sn-(0.1~20)wt% Ag-(0.1~50)wt%Sb 및 Sn-(0.1~50)wt%Sb 중에서 선택되는 어느 하나의 솔더 합금 조성물에 세라믹 분말이 첨가된 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)원소가 산화물 또는 질화물 또는 탄화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말의 함량은 0.01~2.0wt%인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말의 크기는 10 ㎛이하인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금 조성물. - 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 무연 솔더 합금 조성물로 이루어진 솔더 페이스트.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 무연 솔더 합금 조성물로 이루어진 시트(sheet)형태로 구성된 솔더 프리폼.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 무연 솔더 합금 조성물로 이루어진 구 형태로 구성된 솔더 볼.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 무연 솔더 합금 조성물로 이루어진 선 형태로 구성된 솔더 와이어.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 무연 솔더 합금 조성물로 이루어진 바(bar) 형태로 구성된 솔더 바.
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|---|---|---|---|
| KR1020180172351A KR20200082107A (ko) | 2018-12-28 | 2018-12-28 | 고온 환경에 적합한 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 용도 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022210271A1 (ja) * | 2021-03-30 | 2022-10-06 | 株式会社タムラ製作所 | はんだ合金 |
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2018
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