KR20210104144A - 무연 땜납 조성물 - Google Patents

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알파 어셈블리 솔루션스 인크.
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Abstract

1 내지 9 중량%의 구리와, 0 중량% 초과 내지 1 중량%의 니켈, 0 중량% 초과 내지 10 중량%의 게르마늄, 0 중량% 초과 내지 1 중량%의 망간, 0 중량% 초과 내지 10 중량%의 알루미늄, 0 중량% 초과 내지 10 중량%의 규소, 0 중량% 초과 내지 9 중량%의 비스무트, 0 중량% 초과 내지 5 중량%의 인듐, 0 중량% 초과 내지 1 중량%의 티타늄, 0 중량% 초과 내지 2 중량%의 란타넘, 0 중량% 초과 내지 2 중량%의 네오디뮴 중 적어도 하나, 선택적으로 1 중량% 이하의 크롬, 1 중량% 이하의 갈륨, 1 중량% 이하의 코발트, 1 중량% 이하의 철, 1 중량% 이하의 인, 1 중량% 이하의 금, 1 중량% 이하의 텔루륨, 1 중량% 이하의 셀레늄, 1 중량% 이하의 칼슘, 1 중량% 이하의 바나듐, 1 중량% 이하의 몰리브덴, 1 중량% 이하의 백금, 1 중량% 이하의 마그네슘, 5 중량% 이하의 은, 1 중량% 이하의 아연, 2 중량% 이하의, 란타넘 및 네오디뮴을 제외한 희토류 금속 중 하나 이상, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물을 포함하는, 무연 땜납 합금.

Description

무연 땜납 조성물
본 발명은 일반적으로 야금 분야에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 땜납 합금에 관한 것이다.
땜납 합금은, 배타적이지는 않지만, 특히 웨이브 납땜(wave soldering), 표면 실장 기술, 핫 에어 레벨링(hot air leveling) 및 볼 그리드 어레이(ball grid array), 랜드 그리드 어레이(land grid array), 하부 종단 패키지(bottom terminated package), LED 및 칩 스케일 패키지(chip scale package)와 같은 전자 납땜 응용에 사용하기에 적합하다.
LED 또는 임의의 다른 반도체 디바이스의 전형적인 패키징/조립 공정은 일련의 여러 단계를 포함한다. 이들 단계의 각각에서, 몇몇 종류의 전기적/열적 상호접속 재료가 사용된다. 상호접속부에 사용되는 가장 일반적인 재료는 전도성 접착제, 소결 재료, 납땜 합금, 에폭시 및 중합체이다. 이들 중에서, 전도성 접착제, 소결 재료, 에폭시 및 중합체는 접점 형성 공정 동안 비가역적 공정 상전이를 거친다. 그러나, 땜납은 처리 동안 의사-물리적(quasi-physical)이고 대부분 가역적인 상전이를 거친다. 땜납은 전자장치 조립체에 사용되는 가장 일반적인 재료이다. 상호접속부의 형성에 관련되는 한, 땜납의 융점이 고정되고 재현가능한 것이 유리하다. 그러나, 조립 공정이 동일한 땜납을 사용하는 다수의 단계를 수반하는 경우, 땜납의 특성이 동일하다는 것은 문제가 된다. 제1 조립 공정에 사용되는 땜납은 2차, 3차 및 그 이상의 공정 단계 동안 반복적인 용융 및 냉동 사이클을 거칠 것이다. 다수의 용융/냉동 사이클을 거치는 상호접속부의 품질은 열화되어 최종 제품의 수명을 감소시키거나 제품의 신뢰성을 저하시킬 것이다. 따라서, 상이한 용융/냉동 온도를 갖는 납땜 재료에 대한 필요성이 존재한다.
전자장치 산업이 무연(Pb-free) 땜납으로 전환되기 전에는, 상이한 조성의 SnPb 땜납이 납땜 온도 계층 구조를 생성하기 위해 사용되고 있었다. 예를 들어, 10Sn90Pb 또는 05Sn95Pb 또는 약간의 Ag가 첨가된 그의 변형 중 일부가 높은 용융 온도(10Sn90Pb의 경우 299℃ 및 05Sn95Pb의 경우 310℃)로 인해 다이 부착 재료(LED 패키징 및 조립 용어에서 레벨 I 상호접속으로도 칭해짐)로서 사용되었다. 63Sn37Pb 또는 약 183℃의 용융 온도를 갖는 그의 변형 중 일부가 회로 기판 조립체(LED 산업에서 레벨 II 내지 레벨 V로도 칭해짐)에 사용되었다. 땜납 내의 Pb의 제한 후에, 가장 일반적으로 사용되는 무연 땜납은 용융 온도가 217 내지 228℃의 범위인 SnAg 또는 SnAgCu(SAC) 땜납이었다. 고-Pb 땜납을 대체하기 위한 고온 무연 땜납에 대한 유일한 실행가능한 옵션은 80Au20Sn이었다. 80% 금의 경우, Au20Sn이 가장 고가의 땜납 중 하나이다. 또한, AuSn은 높은 응력을 갖는 상호접속부를 생성하는 높은 모듈러스(modulus)의 비교적 취성인 재료이다. 유사한 재료 세트들이 다른 반도체 패키징 및 전자 조립체에도 또한 사용되고 있다. 높은 열전도도 및 높은 신뢰성과 같은 일부 특성이 전력 다이오드, MOSFET 및 IGBT 등과 같은 고전력 전자장치 부품의 패키징 및 조립에 훨씬 더 중요하다.
다중 레벨(multilevel) 상호접속을 위해 전자장치 산업에서 현재 사용되고 있는 무연 합금 조합 중 하나는 공융 Sn-Cu 합금(Sn-0.7Cu) 및 Sn-Ag-Cu 합금(SAC305) 시스템이다. 그러나, 몇몇 단점이 상기의 합금 조합과 본질적으로 관련된다. 전형적인 제2 리플로(reflow) 온도는 대략 240 내지 250℃이며, 이는 Sn-0.7Cu 시스템의 용융 피크(즉, 232℃) 초과이다. Sn-0.7Cu 땜납 접합부(solder joint)는 제2 리플로 동안 액상선 상태에 있기 때문에, 제1 레벨 상호접속부의 신뢰성에 관한 신뢰성 문제를 야기할 수 있다. 또한, 이러한 경우, 또한 2차 리플로 동안에 또는 땜납 접합부의 재작업(rework) 처리 동안에 다이 틸트(tilt) 또는 이동이 일어날 수 있다. 따라서, 상기에 언급된 모든 결점을 잠재적으로 극복할 수 있고 신뢰성 위험성을 부분적으로 또는 완전히 경감시킬 수 있는 합금에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 종래 기술과 관련된 문제들 중 적어도 일부를 해결하거나 상업적으로 허용가능한 대안을 제공하는 것을 목표로 한다.
따라서, 제1 태양에서, 본 발명은 무연 땜납 합금을 제공하며, 무연 땜납 합금은
1 내지 9 중량%의 구리;
0 중량% 초과 내지 1 중량%의 니켈,
0 중량% 초과 내지 10 중량%의 게르마늄,
0 중량% 초과 내지 1 중량%의 망간,
0 중량% 초과 내지 10 중량%의 알루미늄,
0 중량% 초과 내지 10 중량%의 규소,
0 중량% 초과 내지 9 중량%의 비스무트,
0 중량% 초과 내지 5 중량%의 인듐,
0 중량% 초과 내지 1 중량%의 티타늄,
0 중량% 초과 내지 2 중량%의 란타넘,
0 중량% 초과 내지 2 중량%의 네오디뮴
중 적어도 하나:
선택적으로
1 중량% 이하의 크롬,
1 중량% 이하의 갈륨,
1 중량% 이하의 코발트,
1 중량% 이하의 철,
1 중량% 이하의 인,
1 중량% 이하의 금,
1 중량% 이하의 텔루륨,
1 중량% 이하의 셀레늄,
1 중량% 이하의 칼슘,
1 중량% 이하의 바나듐,
1 중량% 이하의 몰리브덴,
1 중량% 이하의 백금,
1 중량% 이하의 마그네슘,
5 중량% 이하의 은,
1 중량% 이하의 아연,
2 중량% 이하의, 란타넘 및 네오디뮴을 제외한 희토류 금속
중 하나 이상; 및
잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물을 포함한다.
이제 본 발명을 추가로 설명할 것이다. 하기의 구절에서, 본 발명의 상이한 태양들이 더욱 상세히 정의된다. 그렇게 정의된 각각의 태양은 반대로 명백하게 지시되지 않는 한 임의의 다른 태양 또는 태양들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 표시된 임의의 특징은 바람직하거나 유리한 것으로 표시된 임의의 다른 특징 또는 특징들과 조합될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 용어 "땜납 합금"은 융점이 90 내지 400℃의 범위인 융합성 금속 합금을 포함한다. 합금은 무연이며, 이는 납이 의도적으로 첨가되지는 않음을 의미한다. 따라서, 납 함량은 0이거나 또는 우발적인 불순물 수준 이하이다. 합금은 또한 전형적으로 무-안티몬이며, 이는 안티몬이 의도적으로 첨가되지는 않음을 의미한다. 따라서, 안티몬 함량은 전형적으로 0이거나 또는 우발적인 불순물 수준 이하이다.
땜납 합금은 232℃ 이상에서 용융 피크를 가질 수 있으며, 강건한 제1 레벨 상호접속부(다이 부착)를 형성할 수 있고, 2차 리플로 동안 다이 틸트 또는 이동의 위험을 감소시킬 수 있다.
땜납 합금은 다중 레벨, 다단계 전자장치 조립체에서 무연 납땜 계층구조에 적합하게 사용될 수 있다. 합금은 제1 리플로 합금 또는 I 레벨 상호접속 합금으로서 리플로하기에 적합할 수 있으며, Sn-Cu, SAC 또는 SnAg 공융 합금에 대한 더 우수한 대안일 수 있다. 다이 부착 공정에서, 땜납 합금은 2차 리플로 처리 온도에서의 유동성의 감소로 인해 반도체 다이-부착 층에 안정성을 제공할 수 있다.
이론에 의해 구애됨이 없이, 최적 부피 분율의 상이한 유형의 금속간 화합물 및 다른 합금화 첨가물의 존재는, 레벨 I 다이 부착 공정 동안 납땜성을 손상시키지 않고서, 인쇄 회로 기판(PCB)의 레벨 II 리플로 처리 동안 땜납 용융물의 점도를 향상시키는 것으로 생각된다. 그 결과, 다이 틸트가 감소될 수 있다.
유리하게는, 땜납 합금은 225℃ 내지 260℃의 온도 범위에서 용융되어, 전형적인 전자 조립 공정에서 리플로에 적합하게 될 수 있다.
땜납 합금은, 예를 들어 SnCu, SAC 및 SnAg와 같은 통상적인 무연 땜납 합금과 비교하여 유사하거나 개선된 열-기계적 신뢰성을 나타낼 수 있다. 땜납 합금은, 예를 들어 SnCu, SAC 및 SnAg와 같은 통상적인 무연 땜납 합금과 비교하여 유사하거나 개선된 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
땜납 합금은 유리한 습윤화 특성, 예를 들어 통상적인 땜납 합금, 예를 들어 SAC 땜납 합금 및 Sn0.7Cu 땜납 합금과 실질적으로 유사하거나 그보다 우수한 습윤화 특성을 나타낼 수 있다.
땜납은 1 내지 9 중량%의 구리를 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 1.2 내지 7 중량%의 구리, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 3.5 중량%의 구리, 더욱 더 바람직하게는 2 내지 3 중량%의 구리를 포함한다. 특히 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 약 2.5 중량%의 구리를 포함한다. 주석 중의 구리의 용해성은 제한된다. Sn-0.7 중량% Cu는 공융상을 형성한다. 0.7 중량%의 구리를 넘어서는 임의의 추가적인 첨가는, 예를 들어 Cu3Sn 및 Cu6Sn5와 같은 금속간 화합물의 부피 분율을 증가시킬 것이다. 이러한 금속간 화합물은 주어진 온도에서 합금의 점도를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 이러한 금속간 화합물은 또한 합금의 기계적 및 열적 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 1 중량%의 니켈(예를 들어, 0.001 내지 1 중량%의 니켈)을 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 0.001 내지 0.2 중량%의 니켈, 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.02 중량%의 니켈, 더욱 더 바람직하게는 0.01 내지 0.02 중량% 미만의 니켈을 포함한다. 니켈은 주석과 함께 고용체를 형성하지 않는다. 그러나, 이는 금속간 화합물을 형성하는데, 금속간 화합물은 합금의 기계적 특성을 개선할 수 있으며 주어진 온도에서 합금의 점도를 증가시킬 수 있다. 니켈은 구리 용해를 감소시키는 역할을 할 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 10 중량%의 게르마늄(예를 들어, 0.0005 내지 10 중량%의 게르마늄)을 포함한다. 바람직하게는, 합금은 0.0005 내지 5 중량%의 게르마늄, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 4.5 중량%의 게르마늄, 더욱 더 바람직하게는 0.001 내지 0.005 중량%의 게르마늄, 훨씬 더욱 더 바람직하게는 0.002 내지 0.005 중량% 미만의 게르마늄을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 합금은 0.02 내지 0.08 중량%의 게르마늄을 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 합금은 3.5 내지 4.5 중량%의 게르마늄을 포함한다. 게르마늄은 탈산소제로서 기능할 수 있으며, 또한 습윤성을 개선할 수 있다. 게르마늄은 또한 반도체 다이와의 접합 특성이 양호하다. 바람직한 실시 형태에서, 합금은 니켈 및 게르마늄 둘 모두를 포함한다. 그러한 합금은 높은 점도, 낮은 구리 용해 및 양호한 습윤성의 유리한 조합을 제공할 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 1 중량%의 망간(예를 들어, 0.001 내지 1 중량%의 망간)을 포함한다. 바람직하게는, 합금은 0.005 내지 0.5 중량%의 망간, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.3 중량%의 망간, 더욱 더 바람직하게는 0.05 내지 0.1 중량%의 망간을 포함한다. 망간은 주석 및 구리 중에서 제한된 용해성을 갖는다. 망간은, 오직 주석의 존재 하에서, 예를 들어 Mn3Sn, Mn2Sn 및 MnSn2와 같은 금속간 화합물을 형성한다. 구리 및 주석 둘 모두의 존재 하에서, 망간은 또한 예를 들어 MnCu5Sn2, MnCu2Sn 및 MnCu4Sn과 같은 금속간 화합물을 형성할 수 있다. 이러한 금속간 화합물은 주어진 온도에서 Sn-Cu 합금의 점도를 증가시킬 수 있다. 이러한 금속간 화합물은 또한 합금의 기계적 및 열적 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 10 중량%의 알루미늄(예를 들어, 0.005 내지 10 중량%의 알루미늄)을 포함한다. 바람직하게는 땜납 합금은 0.01 내지 5 중량%의 알루미늄, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 2 중량%의 알루미늄을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 합금은 0.005 내지 0.015 중량%의 알루미늄을 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 합금은 0.02 내지 0.08 중량%의 알루미늄을 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 합금은 0.8 내지 1.2 중량%의 알루미늄을 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 합금은 3.5 내지 4.5 중량%의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄은 탈산소제로서 기능할 수 있으며, 또한 습윤성을 개선할 수 있다. 알루미늄은 또한 반도체 다이와의 접합 특성이 양호하다. 합금은 바람직하게는 게르마늄 및 알루미늄 둘 모두를 함유한다. 알루미늄 및 게르마늄 둘 모두는 주석 중에서 매우 제한된 용해성을 갖지만, 알루미늄과 게르마늄은 상호 용해성이 양호하며 28.4 원자%(약 51.6 중량%)의 게르마늄에서 공융 혼합물을 형성한다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 10 중량%의 규소(예를 들어, 0.005 내지 10 중량%의 규소)를 포함한다. 바람직하게는 땜납 합금은 0.01 내지 8 중량%의 규소, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 6 중량%의 규소를 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 합금은 0.02 내지 0.08 중량%의 규소를 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 합금은 3.5 내지 4.5 중량%의 규소를 포함한다. 규소는 탈산소제로서 기능할 수 있으며, 또한 습윤성을 개선할 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 9 중량%의 비스무트(예를 들어, 0.005 내지 9 중량%의 비스무트)를 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 0.01 내지 7 중량%의 비스무트, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 6 중량%의 비스무트를 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 0.07 내지 0.13 중량%의 비스무트를 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 2 내지 5 중량%의 비스무트, 바람직하게는 3.5 내지 4.5 중량%의 비스무트를 포함한다. 비스무트는 주석 중에서 약간의 용해성을 가지며, 고용체 강화를 통해 개선된 기계적 특성을 제공할 수 있다. 비스무트는 또한 내크리프성을 개선하도록 작용할 수 있다. 비스무트는 또한 습윤 및 확산을 개선할 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 5 중량%의 인듐을 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 0.2 내지 3 중량%의 인듐, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5 중량%의 인듐, 더욱 더 바람직하게는 1.8 내지 2.2 중량%의 인듐을 포함한다. 인듐은 주석 중에서 약간의 용해성을 가지며, 고용체 강화를 통해 기계적 특성을 개선할 기회를 제공할 수 있다. 또한, 인듐은 땜납 합금의 액상선 온도를 감소시키는 역할을 할 수 있으며, 이에 의해 합금이 베이스 합금보다 낮은 온도에서 리플로되게 한다. 그러나, 더 많은 양의 인듐은 땜납 합금의 유리한 특성, 예를 들어 그의 기계적 강도, 납땜성 및 장기 열-기계적 안정성을 감소시킬 수 있다. 또한, 더 많은 양의 인듐은 땜납 합금이 불리하게 산화되기 쉽게 만들 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 1 중량%의 티타늄(예를 들어, 0.01 내지 1 중량%의 티타늄)을 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 0.015 내지 0.5 중량%의 티타늄, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.08 중량%의 티타늄을 포함한다. 티타늄은 주석 중에서 제한된 용해성을 가지며 금속간 화합물을 형성할 수 있는데, 이는 리플로 처리 동안 땜납 용융물의 유동성을 추가로 감소시킬 수 있다. 티타늄은 강도 및 계면 반응을 개선할 수 있다. 티타늄은 또한 기재/땜납 계면에서 구리 확산을 제어함으로써 낙하 충격 성능을 개선할 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 2 중량%의 란타넘(예를 들어, 0.01 내지 2 중량%의 란타넘)을 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 0.05 내지 1 중량%의 란타넘, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량%의 란타넘을 포함한다. 란타넘은 확산 및 습윤성을 개선하도록 작용할 수 있다.
땜납 합금은 선택적으로 (그리고 바람직하게는) 0 중량% 초과 내지 2 중량%의 네오디뮴(예를 들어, 0.01 내지 2 중량%의 네오디뮴)을 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 0.05 내지 1 중량%의 네오디뮴, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량%의 네오디뮴을 포함한다. 네오디뮴은 확산 및 습윤성을 개선하도록 작용할 수 있다.
땜납 합금은 니켈, 게르마늄, 망간, 알루미늄, 실리콘, 비스무트, 인듐, 티타늄, 란타넘, 네오디뮴 중 적어도 하나를 포함한다. 바람직하게는, 땜납 합금은 이러한 원소들 중 2개 이상을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 이러한 원소들 중 2개를 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 이러한 원소들 중 3개를 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 이러한 원소들 중 4개를 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 니켈 및 게르마늄을 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 니켈, 망간 및 인을 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 알루미늄, 게르마늄, 니켈 및 비스무트를 포함한다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 인듐, 티타늄, 란타넘 및 니켈을 포함한다.
땜납 합금은 선택적으로 1 중량% 이하의 크롬(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 크롬), 1 중량% 이하의 갈륨(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 갈륨), 1 중량% 이하의 코발트(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 코발트), 1 중량% 이하의 철(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 철), 1 중량% 이하의 인(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 인), 1 중량% 이하의 금(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 금, 1 중량% 이하의 텔루륨(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 텔루륨), 1 중량% 이하의 셀레늄(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 셀레늄), 1 중량% 이하의 칼슘(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 칼슘), 1 중량% 이하의 바나듐(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 바나듐), 1 중량% 이하의 몰리브덴(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 몰리브덴), 1 중량% 이하의 백금(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 백금), 1 중량% 이하의 마그네슘(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 마그네슘), 5 중량% 이하의 은(예컨대, 0.01 내지 5 중량%의 은), 1 중량% 이하의 아연(예컨대, 0.01 내지 1 중량%의 아연), 및 2 중량% 이하의, 란타넘 및 네오디뮴을 제외한 희토류(예컨대, 0.01 내지 2 중량%의 희토류 금속) 중 하나 이상을 포함한다. 갈륨 및 아연은 주석 중에서 약간의 용해성을 가지며, 이는 고체 용액 강화에 대한 기회를 제공할 수 있다. 그러나, 더 높은 수준의 아연은 땜납 합금의 납땜성을 감소시킬 수 있다. 코발트는 구리 용해를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 칼슘, 마그네슘, 인, 및 바나듐이 습윤성을 개선하기 위해 또한 사용될 수 있는 가능한 탈산소제이다. 금, 크롬, 철, 몰리브덴, 백금, 셀레늄 및 텔루륨은 개선된 강도 및 계면 반응을 위해 사용될 수 있다. 은 및 희토류는 확산 및 습윤성을 개선할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 희토류 원소는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 지칭한다. 은은 더 유리한 기계적 특성을 제공하는 역할을 할 수 있고, 금속간 화합물의 형성을 통해 주어진 온도에서의 땜납 합금의 점도를 증가시킬 수 있다.
합금은 전형적으로 80 중량% 이상의 주석, 더욱 전형적으로 85 중량% 이상의 주석, 더욱 더 전형적으로 90 중량% 이상의 주석, 더욱 더 전형적으로 95 중량% 이상의 주석을 포함할 것이다. 합금은 전형적으로 98 중량% 이하의 주석, 더욱 전형적으로 97 중량% 이하의 주석을 포함할 것이다.
본 명세서에 기재된 합금은 불가피한 불순물을 함유할 수 있지만, 전체적으로, 이들 불순물은 조성의 1 중량%를 초과할 가능성이 낮음이 이해될 것이다. 바람직하게는, 땜납 합금은 조성의 0.5 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 조성의 0.3 중량% 이하, 더욱 더 바람직하게는 조성의 0.1 중량% 이하, 더욱 더 바람직하게는 조성의 0.05 중량% 이하, 그리고 가장 바람직하게는 조성의 0.02 중량% 이하의 양으로 불가피한 불순물을 함유한다.
본 명세서에 기재된 땜납 합금은 언급된 원소들로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 본 명세서에 기재된 땜납 합금은 언급된 원소들로 본질적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 조성물의 본질적인 특징이 그들의 존재에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다면, 필수적인 원소(즉, 주석, 구리, 그리고 니켈, 게르마늄, 망간, 알루미늄, 규소, 비스무트, 인듐, 티타늄, 란타넘 및 네오디뮴 중 적어도 하나)에 더하여, 다른 명시되지 않은 원소가 조성물에 존재할 수 있음이 이해될 것이다.
특히 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 2 내지 3 중량%의 구리, 0.005 내지 0.02 중량%의 니켈, 0.001 내지 0.005 중량%의 게르마늄, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어진다. 통상적인 SAC305 및 Sn0.7Cu 땜납 합금과 비교하여, 그러한 땜납 합금은 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 최소 다이 틸트, 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 공극 백분율 감소, 증가된 다이 전단 강도 및 개선된 열-사이클링 거동을 나타낸다.
특히 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 1 내지 7 중량%의 구리, 0.1 내지 1 중량%의 니켈, 0.05 내지 0.5 중량%의 망간, 및 0.05 내지 0.1 중량%의 인, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어진다. 그러한 땜납 합금은 유리하게 232℃에서 용융 피크를 갖는다. 통상적인 SAC305 및 Sn0.7Cu 땜납 합금과 비교하여, 그러한 땜납 합금은 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 최소 다이 틸트, 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 공극 백분율 감소, 증가된 다이 전단 강도 및 개선된 열-사이클링 거동을 나타낸다.
특히 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 3 내지 7 중량%의 구리, 0.1 내지 1 중량%의 알루미늄, 0.1 내지 1 중량%의 게르마늄, 0.05 내지 0.1 중량%의 니켈, 2 내지 5 중량%의 비스무트, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어진다. 그러한 땜납 합금은 유리하게 232℃에서 용융 피크를 갖는다. 통상적인 SAC305 및 Sn0.7Cu 땜납 합금과 비교하여, 그러한 땜납 합금은 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 최소 다이 틸트, 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 공극 백분율 감소, 증가된 다이 전단 강도 및 개선된 열-사이클링 거동을 나타낸다.
특히 바람직한 실시 형태에서, 땜납 합금은 4 내지 7 중량%의 구리, 0.1 내지 2 중량%의 인듐, 0.1 내지 0.5 중량%의 티타늄, 0.1 내지 0.5 중량%의 란타넘, 0.1 내지 0.2 중량%의 니켈, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어진다. 그러한 땜납 합금은 유리하게 232℃에서 용융 피크를 갖는다. 통상적인 SAC305 및 Sn0.7Cu 땜납 합금과 비교하여, 그러한 땜납 합금은 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 최소 다이 틸트, 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 공극 백분율 감소, 증가된 다이 전단 강도 및 개선된 열-사이클링 거동을 나타낸다.
땜납 합금은 바(bar), 로드(rod), 용제(flux)를 갖거나 갖지 않는 중실 와이어, 포일(foil) 또는 스트립(strip), 필름, 예비성형품(preform), 또는 분말 또는 페이스트(분말+용제 블렌드), 또는 볼 그리드 어레이 접합부에 사용하기 위한 땜납 구체, 또는 예비성형된 땜납편(pre-formed solder piece) 또는 리플로되거나 고화된 땜납 접합부의 형태일 수 있거나, 또는 광기전 응용을 위한 구리 리본과 같은 임의의 납땜가능한 재료 상에 사전-적용될 수 있다.
추가의 태양에서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 땜납 합금을 포함하는 납땜된 접합부를 제공한다.
추가의 태양에서, 본 발명은 땜납 페이스트를 제공하며, 땜납 페이스트는
본 명세서에 기재된 땜납 합금, 및
땜납 용제를 포함한다.
추가의 태양에서, 본 발명은 땜납 접합부를 형성하는 방법을 제공하며, 이 방법은
(i) 접합될 2개 이상의 공작물을 제공하는 단계;
(ii) 본 명세서에 기재된 바와 같은 땜납 합금을 제공하는 단계; 및
(iii) 접합될 공작물 부근에서 땜납 합금을 가열하는 단계를 포함한다.
공작물은 기재 및 다이와 같은 인쇄 회로 기판의 구성요소일 수 있다.
추가의 태양에서, 본 발명은 납땜 방법에서의 본 명세서에 기재된 바와 같은 땜납 합금의 용도를 제공한다. 바람직하게는, 납땜 방법은 표면 실장 기술(SMT) 납땜, 다이 부착 납땜, 열 계면 납땜, 손 납땜, 레이저 및 RF 유도 납땜, 및 재작업 납땜으로부터 선택된다.
추가의 태양에서, 본 발명은 하기를 포함하는 땜납 합금 또는 땜납 접합부를 제공한다:
(a) 1 내지 9 중량%의 구리
(b)
0 내지 1 중량%의 니켈
0 내지 1 중량%의 망간 중 하나 이상
(c) 선택적으로 하기 원소들:
1 중량% 이하의 티타늄
2 중량% 이하의 하나 이상의 희토류, 세륨, 란타넘,
네오디뮴
1 중량% 이하의 크롬
10 중량% 이하의 게르마늄
1 중량% 이하의 갈륨
1 중량% 이하의 코발트
1 중량% 이하의 철
10 중량% 이하의 알루미늄
1 중량% 이하의 인
1 중량% 이하의 금
1 중량% 이하의 텔루륨
1 중량% 이하의 셀레늄
1 중량% 이하의 칼슘
1 중량% 이하의 바나듐
1 중량% 이하의 몰리브덴
1 중량% 이하의 백금
1 중량% 이하의 마그네슘
10 중량% 이하의 규소
9 중량% 이하의 비스무트
5 중량% 이하의 은
5 중량% 이하의 인듐 중 하나 이상
(d) 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물.
제1 태양의 이점 및 바람직한 특징은 이 태양에 동일하게 적용된다.
추가의 태양에서, 본 발명은 하기를 포함하는 땜납 합금 또는 땜납 접합부를 제공한다:
(a) 1 내지 9 중량%의 구리
(b)
0 내지 10 중량%의 알루미늄
0 내지 10 중량%의 게르마늄
0 내지 10 중량%의 규소
0 내지 9 중량%의 비스무트 중 하나 이상
(c) 선택적으로 하기 원소들:
1 중량% 이하의 니켈
1 중량% 이하의 티타늄
2 중량% 이하의 희토류, 예컨대 세륨, 란타넘, 네오디뮴
1 중량% 이하의 크롬
1 중량% 이하의 망간
1 중량% 이하의 갈륨
1 중량% 이하의 코발트
1 중량% 이하의 철
1 중량% 이하의 인
1 중량% 이하의 금
1 중량% 이하의 텔루륨
1 중량% 이하의 셀레늄
1 중량% 이하의 칼슘
1 중량% 이하의 바나듐
1 중량% 이하의 몰리브덴
1 중량% 이하의 백금
1 중량% 이하의 마그네슘
5 중량% 이하의 은
5 중량% 이하의 인듐 중 하나 이상
(d) 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물.
제1 태양의 이점 및 바람직한 특징은 이 태양에 동일하게 적용된다.
추가의 태양에서, 본 발명은 하기를 포함하는 땜납 합금 또는 땜납 접합부를 제공한다:
(a) 1 내지 9 중량% 이하의 구리
(b)
0 내지 1 중량%의 니켈
0 내지 5 중량%의 인듐
0 내지 1 중량%의 티타늄
0 내지 2 중량%의 란타넘
0 내지 2 중량%의 네오디뮴 중 하나 이상
(c) 선택적으로 하기 원소들:
2 중량% 이하의 희토류, 세륨
1 중량% 이하의 크롬
1 중량% 이하의 망간
1 중량% 이하의 갈륨
1 중량% 이하의 코발트
1 중량% 이하의 철
1 중량% 이하의 인
1 중량% 이하의 금
1 중량% 이하의 텔루륨
1 중량% 이하의 셀레늄
1 중량% 이하의 칼슘
1 중량% 이하의 바나듐
1 중량% 이하의 몰리브덴
1 중량% 이하의 백금
1 중량% 이하의 마그네슘
10 중량% 이하의 규소
10 중량% 이하의 게르마늄
9 중량% 이하의 비스무트
5 중량% 이하의 은
10 중량% 이하의 알루미늄 중 하나 이상
(d) 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물.
제1 태양의 이점 및 바람직한 특징은 이 태양에 동일하게 적용된다.
본 발명은 이제 하기의 도면을 참조하여, 이들 합금의 몇몇 비제한적인 예 및 그의 성능의 요약에 의해 추가로 설명될 것이다.
도 1은 통상적인 땜납 SAC305에 대하여 리플로에 따른 다이 틸트(μm) 대 디바이스 #의 플롯을 도시한다.
도 2는 실시예 3 SnCuNiGe의 땜납 합금에 대하여 리플로에 따른 다이 틸트(μm) 대 디바이스 #의 플롯을 도시한다.
도 3은 통상적인 땜납 SAC305에 대하여 리플로에 따른 BLT(μm) 대 디바이스 #의 플롯을 도시한다.
도 4는 실시예 3 SnCuNiGe의 땜납 합금에 대하여 리플로에 따른 BLT(μm) 대 디바이스 #의 플롯을 도시한다.
도 5는 통상적인 땜납 SAC305(좌측) 및 실시예 3 SnCuNiGe의 땜납 합금(우측)에 대한 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 공극 변화율(%)의 플롯을 도시한다.
도 6은 FR4 보드 상의 통상적인 땜납 합금 SAC305(좌측), 통상적인 땜납 합금 SnCu0.7(중간) 및 실시예 3 SnCuNiGe의 땜납 합금(우측)에 대한 전단력(kgf) 대 사이클의 박스플롯(boxplot)을 도시한다.
도 7은 금속 보드 상의 통상적인 땜납 합금 SAC305(좌측), 통상적인 땜납 합금 SnCu0.7(중간) 및 실시예 3 SnCuNiGe의 땜납 합금(우측)에 대한 전단력(kgf) 대 사이클의 박스플롯을 도시한다.
실시예 1
하기 조성을 갖는 합금을 제조하였다:
합금 ID - HC1:
Cu: 1 내지 7 중량%,
Ni: 0.1 내지 1 중량%,
Mn: 0.05 내지 0.5 중량%,
P: 0.05 내지 0.1 중량%,
잔부: Sn과 함께 임의의 불가피한 불순물.
그러한 땜납 합금은 유리하게 232℃에서 용융 피크를 갖는다.
합금 ID - HC2:
Cu: 3 내지 7 중량%,
Al: 0.1 내지 1 중량%,
Ge: 0.1 내지 1 중량%,
Ni: 0.05 내지 0.1 중량%,
Bi: 2 내지 5 중량%,
잔부: Sn과 함께 임의의 불가피한 불순물.
그러한 땜납 합금은 유리하게 232℃에서 용융 피크를 갖는다.
합금 ID - HC3:
Cu: 4 내지 7 중량%,
In: 0.1 내지 2 중량%,
Ti: 0.1 내지 0.5 중량%,
La: 0.1 내지 0.5 중량%,
Ni: 0.1 내지 0.2 중량%,
잔부: Sn과 함께 임의의 불가피한 불순물.
그러한 땜납 합금은 유리하게 232℃에서 용융 피크를 갖는다.
실시예 2
하기 표 1에 제시된 조성을 갖는 합금을 제조하였다.
[표 1]
Figure pct00001
225 내지 280℃에서, 표 1의 합금은 액체 분율이 50% 이상이다. 액체 분율은 이론적으로 액체 분율(%) = 100 - 고체 분율(%)로서 계산된다.
실시예 3
하기 조성을 갖는 합금을 제조하였다:
Cu: 2.5 중량%
Ni: 0.05 중량% 미만
Ge: 0.005 중량% 미만
잔부: Sn과 함께 임의의 불가피한 불순물.
다이 틸트 분석:
합금을 통상적인 SAC305 땜납 합금과 비교하여 다이 틸트 분석을 수행하였다. 결과가 도 1 및 도 2에 나타나 있다. SnCuNiGe는 제1 리플로(원형)와 제4 리플로(삼각형) 사이에서 다이 틸트의 최소 변화를 나타내는 반면, SAC305는 상당한 변동을 나타낸다.
공극 분석:
합금을 통상적인 SAC305 땜납 합금과 비교하여 공극 분석을 수행하였다. 결과가 도 3, 도 4 및 도 5에 나타나 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, SAC305와는 대조적으로, SnCuNiGe는 제1 리플로와 제4 리플로 사이에서 최소 공극 변화율(%)을 나타낸다. 도 5는 SnCuNiGe의 경우 제1 리플로와 제4 리플로 사이의 공극 변화율이 SAC305보다 덜 현저함을 보여준다.
전단 및 열 시험:
하기 시험 및 조건을 이용하였다:
Figure pct00002
땜납 페이스트의 광학, 열 및 전단 성능을 직접 비교하기 위해 선택된 미드-파워 루미레즈(Mid-power Lumileds) 3535L LED
Figure pct00003
ENIG 마감을 갖는 접촉 패드를 갖는, 선택된 LED용으로 설계된 동일한 Al-MCPCB 및 FR4-PCB 보드
Figure pct00004
전단 시험: 1833회의 열 사이클
도 6 및 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, SnCuNiGe는 MCPCB 및 FR4 조립체 둘 모두에서, 열 사이클 증가에 따라, 가장 안정한 전단 강도 값을 나타내었다.
전술한 상세한 설명은 설명 및 예시로서 제공되었으며, 첨부된 청구범위의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 예시된 본 발명의 바람직한 실시 형태에서 다수의 변형이 당업자에게 명백할 것이며, 첨부된 청구범위 및 그의 균등물의 범위 내에 있다.

Claims (20)

  1. 무연 땜납 합금으로서,
    1 내지 9 중량%의 구리;
    0 중량% 초과 내지 1 중량%의 니켈,
    0 중량% 초과 내지 10 중량%의 게르마늄,
    0 중량% 초과 내지 1 중량%의 망간,
    0 중량% 초과 내지 10 중량%의 알루미늄,
    0 중량% 초과 내지 10 중량%의 규소,
    0 중량% 초과 내지 9 중량%의 비스무트,
    0 중량% 초과 내지 5 중량%의 인듐,
    0 중량% 초과 내지 1 중량%의 티타늄,
    0 중량% 초과 내지 2 중량%의 란타넘,
    0 중량% 초과 내지 2 중량%의 네오디뮴
    중 적어도 하나;
    선택적으로
    1 중량% 이하의 크롬,
    1 중량% 이하의 갈륨,
    1 중량% 이하의 코발트,
    1 중량% 이하의 철,
    1 중량% 이하의 인,
    1 중량% 이하의 금,
    1 중량% 이하의 텔루륨,
    1 중량% 이하의 셀레늄,
    1 중량% 이하의 칼슘,
    1 중량% 이하의 바나듐,
    1 중량% 이하의 몰리브덴,
    1 중량% 이하의 백금,
    1 중량% 이하의 마그네슘,
    5 중량% 이하의 은,
    1 중량% 이하의 아연,
    2 중량% 이하의, 란타넘 및 네오디뮴을 제외한 희토류 금속
    중 하나 이상; 및
    잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물을 포함하는, 땜납 합금.
  2. 제1항에 있어서, 1.2 내지 7 중량%의 구리, 바람직하게는 1.5 내지 3.5 중량%의 구리, 더욱 바람직하게는 2 내지 3 중량%의 구리를 포함하는, 땜납 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 0.001 내지 0.2 중량%의 니켈, 바람직하게는 0.005 내지 0.02 중량%의 니켈, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.02 중량%의 니켈을 포함하는, 땜납 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 0.0005 내지 5 중량%의 게르마늄, 바람직하게는 0.001 내지 4.5 중량%의 게르마늄, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.005 중량%의 게르마늄, 더욱 더 바람직하게는 0.002 중량% 내지 0.005 중량% 미만의 게르마늄을 포함하는, 땜납 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 0.005 내지 0.5 중량%의 망간, 바람직하게는 0.01 내지 0.3 중량%의 망간, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.1 중량%의 망간을 포함하는, 땜납 합금.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 0.01 내지 5 중량%의 알루미늄, 바람직하게는 0.05 내지 2 중량%의 알루미늄을 포함하는, 땜납 합금.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 0.01 내지 8 중량%의 규소, 바람직하게는 0.02 내지 6 중량%의 규소를 포함하는, 땜납 합금.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 0.01 내지 7 중량%의 비스무트, 바람직하게는 0.05 내지 6 중량%의 비스무트를 포함하는, 땜납 합금.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 0.2 내지 3 중량%의 인듐, 바람직하게는 1.5 내지 2.5 중량%의 인듐, 더욱 더 바람직하게는 1.8 내지 2.2 중량%의 인듐을 포함하는, 땜납 합금.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 0.015 내지 0.5 중량%의 티타늄, 바람직하게는 0.02 내지 0.08 중량%의 티타늄을 포함하는, 땜납 합금.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 0.05 내지 1 중량%의 란타넘, 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량%의 란타넘을 포함하는, 땜납 합금.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 0.05 내지 1 중량%의 네오디뮴, 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량%의 네오디뮴을 포함하는, 땜납 합금.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 2 내지 3 중량%의 구리, 0.005 내지 0.02 중량%의 니켈, 0.001 내지 0.005 중량%의 게르마늄, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어지는, 땜납 합금.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 1 내지 7 중량%의 구리, 0.1 내지 1 중량%의 니켈, 0.05 내지 0.5 중량%의 망간, 0.05 내지 0.1 중량%의 인, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어지는, 땜납 합금.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 3 내지 7 중량%의 구리, 0.1 내지 1 중량%의 알루미늄, 0.1 내지 1 중량%의 게르마늄, 0.05 내지 0.1 중량%의 니켈, 2 내지 5 중량%의 비스무트, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어지는, 땜납 합금.
  16. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 4 내지 7 중량%의 구리, 0.1 내지 2 중량%의 인듐, 0.1 내지 0.5 중량%의 티타늄, 0.1 내지 0.5 중량%의 란타넘, 0.1 내지 0.2 중량%의 니켈, 및 잔부의 주석과 함께 임의의 불가피한 불순물로 이루어지는, 땜납 합금.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 바(bar), 로드(rod), 용제(flux)를 갖거나 갖지 않는 중실 와이어, 포일(foil) 또는 스트립(strip), 필름, 예비성형품(preform), 또는 분말 또는 페이스트(분말+용제 블렌드), 또는 볼 그리드 어레이 접합부(ball grid array joint)에 사용하기 위한 땜납 구체, 또는 예비성형된 땜납편(pre-formed solder piece) 또는 리플로(reflowed)되거나 고화된 땜납 접합부(solder joint)의 형태이거나, 또는 광기전 응용을 위한 구리 리본과 같은 임의의 납땜가능한 재료 상에 사전-적용된 것인, 땜납 합금.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 땜납 합금을 포함하는, 납땜된 접합부.
  19. 땜납 접합부를 형성하는 방법으로서,
    (i) 접합될 2개 이상의 공작물을 제공하는 단계;
    (ii) 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은 땜납 합금을 제공하는 단계; 및
    (iii) 상기 접합될 공작물 부근에서 상기 땜납 합금을 가열하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  20. 납땜 방법에서의 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 땜납 합금의 용도로서, 바람직하게는 상기 납땜 방법은 표면 실장 기술(SMT) 납땜, 다이 부착 납땜, 열 계면 납땜, 손 납땜, 레이저 및 RF 유도 납땜, 및 재작업(rework) 납땜으로부터 선택되는, 용도.
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