KR20220143112A - 땜납 합금, 땜납 볼 및 땜납 조인트 - Google Patents

Abstract

핀 콘택트성이 우수하고, 높은 접합 강도를 나타내는 땜납 합금, 땜납 볼 및 땜납 조인트를 제공한다. 땜납 합금은, 질량％로, Ag: 0.8 내지 1.5％, Cu: 0.1 내지 1.0％, Ni: 0.01 내지 0.10％, P: 0.006％ 내지 0.009％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는다. 바람직하게는, 합금 조성은 (1) 식 및 (2) 식을 충족시킨다.

상기 (1) 식 및 (2) 식 중, Ag, Cu, Ni, P 및 Sn은, 각각 합금 조성의 함유량(질량％)이다.

Description

땜납 합금, 땜납 볼 및 땜납 조인트

본 발명은, 땜납 합금, 땜납 볼 및 땜납 조인트에 관한 것이다.

근년, 전자 기기는 고집적화, 경박단소 등이 요구되고 있다. 이에 수반하여, 전자 기기에 탑재되는 전자 부품도 소형화, 박형화가 요구되고 있다. 이들 요구를 만족시키는 반도체 패키지로서는, 예를 들어 에어리어 어레이형의 표면 실장형 패키지인 BGA(Ball Grid Array)가 주류이다. BGA는, 패키지의 실장 기판에 땜납 볼을 등간격으로 격자 형상으로 배열한 외부 전극 단자를 갖는다. 땜납 볼은, 전극에 적재된 후에 실장 기판마다 리플로우로에서 가열되어, 용융됨으로써 땜납 범프를 형성한다.

그런데, 종래의 BGA에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu로 대표되는 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금이 사용되어 왔다. 그러나, 이 땜납 합금은 종전에 사용되고 있던 Sn-Pb계 땜납 합금보다 습윤성이 떨어지기 때문에, 낙하 등의 충격에 의해 전극과 땜납 합금의 계면에서 박리가 발생하는 경우가 있었다.

그래서, 특허문헌 1에는, Sn-Ag-Cu계 땜납 합금에 Ni 및 P을 소정량 첨가함으로써 내낙하 충격성이 향상되고, 변색도 억제하는 땜납 합금이 개시되어 있다. Sn-Ag-Cu계 땜납 합금에 Ni을 첨가하면, 계면에 형성되는 Cu₆Sn₅의 Cu 원자 사이트를 Ni로 치환함으로써 Cu₆Sn₅의 응력이 완화되어, 내충격성이 향상되는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 2에는, 내충격성이나 황변 억제 효과에 더하여 높은 내히트 사이클 특성도 만족시키는 땜납 합금으로서, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에, P, Ge, Al, Si의 어느 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 또한 선택지의 1종으로서 Ni을 함유하는 땜납 합금이 개시되어 있다.

특허문헌 3에도, 내히트 사이클 특성, 내충격성, 황변 억제를 만족시키는 땜납 합금으로서, Sn-Sb-Ni 땜납 합금에 Ag 또는 Cu, 그리고 P, Ge, Ga 및 Co 중 적어도 1종을 소정량 함유하는 땜납 합금이 개시되어 있다.

특허문헌 4에는, 내낙하 충격성을 개선함과 함께 미융합 및 변색을 억제하기 위해, Sn-Ag-Cu-Ni 땜납 합금에, Bi, In, Sb, P, Ge으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 땜납 합금이 개시되어 있다. 동 문헌에는, Cu₆Sn₅의 금속간 화합물층을 얇게 하여 내낙하 충격성의 향상을 도모하고, Cu와 Ni의 금속간 화합물의 석출을 억제하여 땜납 볼과 솔더 페이스트의 미융합을 억제하는 것이 기재되어 있다. 또한, P, Ge 등을 첨가함으로써 변색이 억제되는 것도 기재되어 있다.

일본 특허 제5030442호 공보 일본 특허 제4144415호 공보 일본 특허 공개 제2004-141910호 공보 일본 특허 제5633837호 공보

상술한 바와 같이, 특허문헌 1 내지 4에 개시된 땜납 합금은, 높은 내충격성 및 내변색성을 나타내는 것으로 되어 있다. 특히, 특허문헌 2 및 3에 개시된 땜납 합금은, 이것들에 더하여 우수한 내히트 사이클 특성도 나타내고, 특허문헌 4에 개시된 땜납 합금은, 이것들에 더하여 미융합도 억제할 수 있는 우수한 발명이다.

특허문헌 2 내지 4에 개시되어 있는 땜납 합금은 파단되기 어려운 땜납 조인트를 형성할 수 있다고 생각할 수 있지만, 땜납 조인트가 통전되는지 여부를 확인하기 위해서는, 예를 들어 프로브 선단의 핀을, 땜납 조인트를 구성하는 땜납 합금에 직접 삽입하여 도통 테스트를 행할 필요가 있다. 핀을 땜납 합금에 잘 찌를 수 없는 경우, 그 피검사 대상은 도통되어 있음에도 도통 불량이라고 판단되어, 수율이 불필요하게 악화되는 등의 문제가 발생하는 경우가 있다.

또한, 특허문헌 1 내지 4에 기재된 땜납 합금은, 내충격성, 내변색성, 내히트 사이클 특성에 관하여 검토되어 있지만, 땜납 조인트에 있어서 가장 중요한 특성의 하나로서 접합 강도를 들 수 있다. 전자 부품을 실장 기판에 탑재할 때는, 실장 기판과 전자 부품 모두 리플로우로에서 가열되게 되지만, 실장 기판, 전자 부품 및 땜납 합금의 선팽창 계수는 각각 다르다. 이 때문에, 용융 땜납이 냉각에 의해 응고되면 땜납 조인트에 응력이 집중한다. 땜납 조인트의 접합 강도가 약하면, 땜납 조인트가 파단되어 버린다.

이와 같이, 땜납 조인트를 형성하기 위한 땜납 합금은, 땜납 조인트의 전기적 특성을 확인하기 위한 핀 콘택트성에 더하여, 기계적 특성으로서 접합 강도를 동시에 만족시킬 필요가 있다.

특허문헌 1 내지 4에 기재된 땜납 합금은 각각의 목적을 달성하기 위해 최적화되어 있다고 생각할 수 있지만, 땜납 조인트에는 다양한 특성을 만족시킬 필요가 있기 때문에, 목적에 따라 땜납 합금의 함유량을 최적화해야 한다. 이 때문에, 상술한 문제를 해결하기 위해서는, 특허문헌 1 내지 4에 기재되어 있는 땜납 합금의 합금 조성을 상세하게 다시 검토하지 않으면 안된다.

본 발명의 과제는, 핀 콘택트성이 우수한 것에 의해 수율이 높고, 높은 접합 강도를 나타내는 땜납 합금, 땜납 볼 및 땜납 조인트를 제공하는 것이다.

제품화 전의 도통 테스트에서는, 프린트 기판 상의 수천 내지 수만이라는 접합부의 도통 확인을 행할 필요가 있다. 종래부터 행해지고 있는 도통 테스트에서는, 예를 들어 프로브 선단의 핀을, 땜납 조인트를 구성하는 땜납 합금에 삽입하는 핀 콘택트 시험이 행해진다. 핀을 땜납 합금에 찌르기 어려운 경우에는 도통 불량이라고 판단되어 검사의 수율이 악화된다. 이 때문에, 원래 도통되어 있는 땜납 조인트가 도통되어 있지 않다고 판단되지 않도록 해야 한다. 본 발명의 과제는, 전술한 바와 같이, 도통 불량이라고 판단되기 어려운 것에 더하여, 접합 강도가 높은 접합부가 얻어지는 땜납 합금을 제공하는 것이다. 본 발명자들은, 본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단의 하나로서, 「핀을 땜납 합금에 찌르기 쉬워진다」는 것에 착안하여, 땜납 합금의 야금학적 지견에 기초하여 검토를 행하였다.

핀의 찌르기 쉬움은, 땜납 합금의 합금 조성에 따라 바뀌기 때문에, 프로브 핀이나 측정 장치를 개선했다고 해도 개선되지 않는다. 이 때문에, 현 상황에서는, 어떻게든 땜납 합금의 합금 조성에 의해 개선해야 한다.

본 발명자들은, 우선은 핀 콘택트성을 향상시키기 위해, 땜납 합금을 구성하는 결정상의 입경이 영향을 미치는 것에 착안했다. 결정 입경이 크면 각 결정상이 탄성 변형되기 쉬워져, 핀을 땜납 합금에 찌르기 쉬워진다고 추정된다. 그리고, Sn-Ag-Cu-Ni-P 땜납 합금에 있어서 Sn의 결정 입경을 크게 하기 위해서는, 땜납 합금의 응고 개시 온도를 높게 할 필요가 있는 것에 착안했다. 상세하게는, 땜납 합금의 응고 개시 온도인 액상선 온도가 높을수록, 응고 종료 온도인 고상선 온도에 이르기까지의 온도역이 넓어져, 초상인 Sn이 응고 시에 성장하는 것에 착안했다.

또한, 결정 입경을 크게 하기 위해서는 응고 시에 있어서의 과냉각을 억제할 필요가 있고, 이것을 위해서는 응고 핵으로서 작용하는 원소를 소정량 함유하는 합금 조성이 검토되어야 한다고 생각했다. 단, 액상선 온도가 너무 높으면 통상의 리플로우 온도에서 땜납 합금이 용융되기 어려워진다. 이들의 관점에서, 본 발명자들은, 응고 핵으로서 작용하는 원소로서, 종래에는 땜납 합금 표면의 변색 억제 원소로서 함유되어 있던 P을 굳이 선택한 후, 액상선 온도가 너무 높아지지 않도록 각 구성 원소의 함유량과의 관계를 상세하게 조사했다. 이때, 접합 강도를 개선하기 위해서는 접합 계면에 형성되는 금속간 화합물을 미세하게 하는 것이 필요한 것도 함께 검토했다. 본 검토에서는, 특허문헌 1 내지 4에 개시되어 있는 Sn-Ag-Cu-Ni-P 땜납 합금의 핀 콘택트성 및 접합 강도를 개선하기 위해, 각 구성 원소의 함유량이 상세하게 검토되었다.

특허문헌 1에 개시되어 있는 땜납 합금에서는, P의 함유량이 적정이 아니기 때문에 핀 콘택트성 또는 접합 강도가 떨어진다는 지견이 얻어졌다. 특허문헌 2에 개시되어 있는 땜납 합금은, Ag 또는 P의 함유량이 적정이 아니기 때문에, 핀 콘택트성 또는 접합 강도를 개선할 여지가 있다는 지견이 얻어졌다. 특허문헌 3에 개시되어 있는 땜납 합금에서는, Sb이 필수 원소이기 때문에 핀 콘택트성을 개선할 여지가 있다는 지견이 얻어졌다. 특허문헌 4에 개시되어 있는 땜납 합금은, Ag 및 P의 함유량이 적정이 아니기 때문에, 핀 콘택트성 및 접합 강도를 개선할 여지가 있다는 지견이 얻어졌다.

또한, 이들 문헌에 있어서 P과 등가의 원소로서 취급되고 있는 Ge, Al, Si 및 Sb은, P과 같이 응고 핵으로서 작용하지 않고, 습윤성이 열화된다는 지견도 얻어졌다.

그래서, 본 발명자들은, 첨가 원소로서 Ag, Cu, Ni 및 P만을 선택하여, Ag 및 P의 함유량의 최적화를 도모하면서, Cu 및 Ni의 함유량도 동시에 최적인 범위를 조사했다. 그 결과, 각 구성 원소가 소정의 범위 내에 있어서, 핀 콘택트성 및 접합 강도의 양 특성이 우수하다는 지견이 얻어져, 본 발명이 완성되는 데 이르렀다.

이들 지견에 의해 얻어진 본 발명은 다음과 같다.

(1) 질량％로, Ag: 0.8 내지 1.5％, Cu: 0.1 내지 1.0％, Ni: 0.01 내지 0.10％, P: 0.006％ 내지 0.009％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.

(2) 합금 조성은 하기 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는, 상기 (1)에 기재된 땜납 합금.

상기 (1) 식 및 (2) 식 중, Ag, Cu, Ni, P 및 Sn은, 각각 합금 조성의 함유량(질량％)이다.

(3) 상기 합금 조성은 하기 (3) 식을 충족시키는, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금.

상기 (3) 식 중, Ag, Cu, Ni 및 P은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.

(4) 질량％로, Ag: 0.8 내지 1.5％, Cu: 0.1 내지 1.0％, Ni: 0.01 내지 0.10％, P: 0.005％ 내지 0.009％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 상기 합금 조성은 하기 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.

상기 (1) 식 및 (2) 식 중, Ag, Cu, Ni, P 및 Sn은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.

(5) 상기 합금 조성은 하기 (3) 식을 충족시키는, 상기 (4)에 기재된 땜납 합금.

상기 (3) 식 중, Ag, Cu, Ni 및 P은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.

(6) 상기 (1) 내지 상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 볼.

(7) 상기 (1) 내지 상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 조인트.

도 1은 본 발명에 있어서의 응고 온도를 설명하기 위한 DSC 모식 곡선을 도시하는 도면이다.

본 발명을 이하에 더 상세하게 설명한다. 본 명세서에 있어서, 땜납 합금 조성에 관한 「％」는, 특별히 지정하지 않는 한 「질량％」이다.

1. 합금 조성

(1) Ag: 0.8 내지 1.5％

Ag은 땜납 합금의 융점을 저하시킴과 함께 습윤성을 향상시키는 원소이다. Ag 함유량이 0.8％ 미만이면 Sn과의 화합물이 충분히 생성되지 않아, 접합 계면에서 남은 Sn과 Cu의 화합물이 다량으로 형성되어 버려, 접합 강도가 열화된다. 또한, 융점이 너무 상승하여 땜납 합금이 용융되기 어려워진다. 나아가, 습윤성이 저하되는 것에 의해 접합 강도가 저하된다. Ag 함유량의 하한은 0.8％ 이상이고, 바람직하게는 1.0％ 이상이고, 보다 바람직하게는 1.1％ 이상이고, 특히 바람직하게는 1.2％ 이상이다. 한편, Ag 함유량이 너무 많으면, 땜납 합금의 강도가 너무 높아 핀을 찌르기 어려워져, 핀 콘택트성이 열화된다. Ag 함유량의 상한은 1.5％ 이하이고, 바람직하게는 1.4％ 이하이고, 보다 바람직하게는 1.3％ 이하이다.

(2) Cu: 0.1 내지 1.0％

Cu는, 접합 계면에서 적량의 CuSn 화합물을 형성함으로써 접합 강도를 향상시키는 원소이다. 또한, Cu 함유량이 상기 범위이면 땜납 합금이 적절하게 변형되기 때문에, 높은 핀 콘택트성을 유지할 수 있다. Cu 함유량이 0.1％ 미만이면, CuSn 화합물의 석출량이 적어 접합 강도가 향상되지 않는다. Cu 함유량의 하한은 0.1％ 이상이고, 바람직하게는 0.3％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.4％ 이상이고, 특히 바람직하게는 0.5％ 이상이다. 한편, Cu 함유량이 1.0％를 초과하면 CuSn 화합물의 석출량이 너무 많아지기 때문에 오히려 접합 강도 및 핀 콘택트성이 저하된다. 또한, 융점이 상승하여 땜납 합금의 액상선 온도가 높아 용융되기 어렵다. Cu 함유량의 상한은 1.0％ 이하이고, 바람직하게는 0.8％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.7％ 이하이고, 특히 바람직하게는 0.6％ 이하이다.

(3) Ni: 0.01 내지 0.10％

Ni은, 접합 계면에 형성되는 CuSn 화합물을 미세하게 하고, 또한 접합 신뢰성을 향상시키는 원소이다. 또한, Ni 함유량이 상기 범위이면 땜납 합금이 적절하게 변형되기 때문에, 높은 핀 콘택트성을 유지할 수 있다. Ni 함유량이 0.01％ 미만이면 CuSn 화합물의 미세화가 불충분해져 접합 강도가 열화된다. Ni 함유량의 하한은 0.01％ 이상이고, 바람직하게는 0.02％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.03％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.04％ 이상이고, 특히 바람직하게는 0.05％ 이상이다. 한편, Ni 함유량이 0.10％를 초과하면 NiSn 화합물이 석출되어 오히려 접합 강도 및 핀 콘택트성이 저하된다. 또한, 융점이 상승됨과 함께, 습윤성이 저하되는 것에 의해 접합 강도가 저하된다. 또한, 땜납 합금의 액상선 온도가 높아 용융되기 어렵다. Ni 함유량의 상한은 0.10％ 이하이고, 바람직하게는 0.07％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.06％ 이하이다.

(4) P: 0.006％ 내지 0.009％

P은, 용융 땜납의 냉각 시에 있어서의 초상인 Sn의 응고 핵으로서 작용하여, 고응고점화를 촉진함으로써 Sn 결정상의 조대화에 기여하는 원소이다. 과냉각은 평형 상태에 있어서 응고되는 온도에서 응고되지 않는 상태를 나타내고, 원래 초상으로서 석출되기 시작하는 Sn상이 석출되지 않는 상태로 될 수 있다. 그래서, 종래에는 땜납 합금의 산화 억제나 변색을 억제하기 위해 땜납 합금의 표면에서 기능하는 원소로서 사용되고 있는 P을, 본 발명에서는 굳이 응고 핵으로서 기능시키는 데 착안했다. 그 결과, P은 용융 땜납 중에 분산하는 것에 의해 응고 핵으로서 기능하여 과냉각이 억제되어, 초상인 Sn이 응고 시에 석출되고, Sn 결정상의 결정 입경이 커진다고 추정된다.

P 함유량이 0.006％ 미만이면 응고 핵이 적고, 원래 결정상이 석출되기 시작하는 온도까지 냉각해도 결정상이 석출되지 않고, 과냉각 현상이 발생한다. 이 때문에, 어떤 온도보다 낮아졌을 때 급속하게 응고가 발생하여, 초상의 Sn이 커지는 일이 생기지 않고, Sn의 결정 입경이 작아진다. 이 결과, 핀 콘택트성이 저하된다. P 함유량의 하한은 0.006％ 이상이다. 한편, P 함유량이 너무 많으면 P 산화물이 땜납 합금의 표면에 다량으로 형성되기 때문에 접합 강도가 저하된다. 또한, 융점이 상승됨과 함께, 습윤성이 저하되는 것에 의해 접합 강도가 저하된다. P 함유량의 상한은 0.009％ 이하이고, 바람직하게는 0.008％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.007％ 이하이다.

(5) 잔부: Sn

본 발명에 관한 땜납 합금의 잔부는 Sn이다. 전술한 원소 외에 불가피적 불순물이 함유되어도 된다. 불가피적 불순물을 함유하는 경우라도, 전술한 효과에 영향을 미치는 일은 없다. 또한, 본 발명에서는 후술하는 함유하지 않는 편이 좋은 원소를 불가피적 불순물로서 함유했다고 해도, 본 발명의 효과를 손상시키는 일은 없다. Sb, Ge, Al, Si는, 본 발명에 있어서는, P과 같이 응고 핵으로서 작용하지 않고, 또한 습윤성의 저하를 초래하여 정상적인 습윤을 저해하여 접합 강도를 저하시키기 때문에, 함유하지 않는 편이 좋다.

(6) (1) 식, (2) 식

본 발명은, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는 것이 바람직하다.

상기 (1) 식 및 (2) 식 중, Ag, Cu, Ni, P 및 Sn은, 각각 합금 조성의 함유량(질량％)이다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, (1) 식을 충족시키는 것이 바람직하다. (1) 식을 충족시킴으로써, Ag, Cu, Ni 및 P 함유량의 밸런스가 최적화되어 있기 때문에, 핀 콘택트성 및 접합 강도가 더 향상된다. (1) 식에 있어서, P가 Sn 결정상의 응고 핵으로서 기능하고, Ag, Cu 및 Ni이 Sn과의 화합물 형성 원소이기 때문에, Ag, Cu 및 Ni과 P의 함유비가 적정하면 본 발명에 있어서의 양 효과가 더 향상된다.

(1) 식의 하한은 바람직하게는 2.0 이상이고, 보다 바람직하게는 3.3 이상이고, 더욱 바람직하게는 4.0 이상이고, 특히 바람직하게는 5.0 이상이다. (1) 식의 상한은 바람직하게는 25 이하이고, 보다 바람직하게는 20 이하이고, 더욱 바람직하게는 15 이하이고, 특히 바람직하게는 10 이하이고, 가장 바람직하게는 6.25 이하이다.

또한, (2) 식에 있어서, P은 Sn의 결정 입경을 크게 하는 것에 기여하는 점에서, Sn 함유량과 P 함유량의 밸런스가 적정하면, 특히 핀 콘택트성이 향상된다. 또한, Sn 함유량에 대하여 P 함유량이 적량이면, 딱딱한 SnP 화합물이 땜납 합금의 표면에 형성되는 것이 억제되어, 높은 핀 콘택트성이 발휘된다.

(2) 식의 하한은 바람직하게는 0.500 이상이고, 보다 바람직하게는 0.520 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.530 이상이고, 보다 더욱 바람직하게는 0.550 이상이고, 특히 바람직하게는 0.584 이상이고, 가장 바람직하게는 0.589 이상이다. (1) 식의 상한은 바람직하게는 0.778 이하이고, 보다 바람직하게는 0.750 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.700 이하이고, 특히 바람직하게는 0.650 이하이고, 가장 바람직하게는 0.592 이하이다.

전술한 바와 같이, Ag, Cu 및 Ni과 P의 함유비가 (1) 식 및 (2) 식을 충족시킴으로써 적정화가 도모되면, 본 발명에 있어서의 양 효과가 더 향상된다. 이 경우, P 함유량은 0.005％ 내지 0.009％여도 된다.

(7) (3) 식

본 발명은, 하기 (3) 식을 충족시키는 것이 바람직하다.

상기 (3) 식 중, Ag, Cu, Ni 및 P은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, (3) 식을 충족시키는 것이 바람직하다. (3) 식은, Ag, Cu, Ni의 총 함유량과 P 함유량의 밸런스를 나타낸다. 본 발명에 관한 땜납 합금에 있어서, Ag, Cu, Ni은 Sn과의 화합물을 형성할 수 있는 원소이고, P은 Sn상의 석출에 기여하는 원소이다. (3) 식을 충족시키면, Sn 화합물과 Sn상이 밸런스 좋게 석출되기 때문에, 핀 콘택트성 및 접합 강도가 더 향상된다.

(3) 식의 하한은 바람직하게는 221 이상이고, 보다 바람직하게는 225 이상이고, 더욱 바람직하게는 258 이상이고, 보다 더욱 바람직하게는 275 이상이고, 특히 바람직하게는 286 이상이고, 가장 바람직하게는 288 이상이고, 290 이상이어도 된다. (1) 식의 상한은 바람직하게는 309 이하이고, 보다 바람직하게는 308 이하이고, 더욱 바람직하게는 300 이하이고, 보다 더욱 바람직하게는 293 이하이고, 특히 바람직하게는 292 이하이고, 가장 바람직하게는 291 이하이다.

(8) 땜납 합금의 응고 온도(액상선 온도)

본 발명에 관한 땜납 합금은, 응고 개시 온도를 나타내는 응고 온도인 액상선 온도가 200℃ 이상인 것이 바람직하다. 본 발명에 관한 Sn-Ag-Cu-Ni-P 땜납 합금에 있어서, 액상선 온도가 200℃ 이상이면, 용융 땜납의 응고 시에 있어서 Sn 결정상이 충분히 성장되기 때문에, 양호한 핀 콘택트성이 얻어진다. 본 발명에 있어서 액상선 온도는, 바람직하게는 205℃ 이상이고, 특히 바람직하게는 210℃ 이상이다.

2. 땜납 볼

본 발명에 관한 땜납 합금은, 땜납 볼로서 사용할 수 있다. 본 발명에 관한 땜납 볼은, BGA(볼 그리드 어레이) 등의 반도체 패키지의 전극이나 기판의 범프 형성에 사용된다. 본 발명에 관한 땜납 볼의 직경은 1 내지 1000㎛의 범위 내가 바람직하다. 땜납 볼은, 일반적인 땜납 볼의 제조법에 의해 제조할 수 있다.

3. 땜납 조인트

본 발명에 관한 땜납 조인트는, 반도체 패키지에 있어서의 IC 칩과 그 기판(인터포저)의 접속, 혹은 반도체 패키지와 프린트 배선판을 접합하여 접속한다. 즉, 본 발명에 관한 땜납 조인트는 전극의 접속부를 말하고, 일반적인 납땜 조건을 사용하여 형성할 수 있다.

4. 핀 콘택트 시험

본 발명에 있어서의 핀 콘택트성은, 땜납 조인트에 핀을 찌르는 핀 콘택트 시험에 의해 평가된다. 핀 콘택트에 의해 기판의 전기 검사를 행하는 ICT(In-circuit Test)는, 제품이 양품인지 여부를 판정하는 것을 목적으로 하고 있다. 이 때문에, 핀 콘택트 시험은, BGA 부품이나 칩 부품에 한정되지 않고, 전기적인 접속을 확인할 수 있는 접점이라면 어디에서든 실시되는 범용적인 시험이라고 할 수 있다. ICT 장치는 기판 실장에서는 일반적인 장치이고, BGA에 한정되지 않고 프린트 배선 기판 상의 다양한 부품의 도통 확인에 사용되고 있다.

또한, 제작한 시료에 대하여 미리 테스터에서 도통을 확인할 수 있는 경우라도, 핀 콘택트성의 평가는 필요하다. 핀 콘택트 시험은 땜납 조인트가 도통하는 것을 확인하기 위한 시험이고, 프로브 핀의 찌르기 쉬움에 의한 수율에 대한 영향이 있다. 따라서, 프로브 핀의 찌르기 쉬움에 의한 영향을 평가하기 위해서는, 핀 콘택트 시험 이외에 도통하는 것을 미리 확인해 둘 필요가 있다.

가령 도통을 확인하고 있지 않은 땜납 범프의 핀 콘택트성의 평가가 행해져, 도통 불량이 발생한 경우, 도통 불량의 원인이 핀 콘택트 시험에서의 도통 불량인지 여부를 알 수 없게 된다. 이 때문에, 미리 테스터 등에서 도통 불량이 없는 것이 확인되지 않으면, 핀 콘택트 시험의 신뢰성이 손상되어 버린다. 따라서, 핀 콘택트 시험을 행하기 위해서는, 전기 저항을 측정하는 테스터 등을 사용하여, 전체 땜납 범프에 대하여 도통을 확인할 필요가 있다.

여기서, 테스터에서 도통의 확인을 행할 수 있는 것이라면, 핀 콘택트성의 평가는 불필요할지도 모른다. 그러나, 땜납 조인트의 도통 평가에 대해서는, 현재, 핀 콘택트 시험이 주류이기 때문에, 전자 부품 업계에 있어서는, 핀 콘택트 시험에서의 도통 불량이 적은 땜납 합금이 요구되고 있다. 더 상세하게는, 전자 부품의 도통 시험에서는, 수천 내지 수만이라는 매우 많은 땜납 조인트의 도통을 확인할 필요가 있지만, 통상의 테스터에 의한 도통 확인에서는 땜납 조인트의 표면에 접촉할 뿐이므로, 측정 수율이 매우 낮은 것이 문제였다. 근년에는 플라잉 프로브 테스터 등에 의한 자동 검사가 일반적이지만, 이들 자동 검사에 있어서, 핀 콘택트 시험이 사용되고 있다. 따라서, 제작한 시료에 대하여 미리 테스터로 도통을 확인할 수 있는 경우라도, 핀 콘택트성의 평가가 필요하다.

5. 기타

본 발명에 관한 땜납 합금을 사용한 접합 방법은, 예를 들어 리플로우법을 사용하여 통상법에 따라 행하면 된다. 가열 온도는 칩의 내열성이나 땜납 합금의 액상선 온도에 따라 적절히 조정해도 된다. 칩의 열적 손상을 낮게 억제하는 관점에서, 땜납 합금의 용융 온도는 대략 액상선 온도로부터 20℃ 정도 높은 온도여도 된다. 또한, 본 발명에 관한 땜납 합금을 사용하여 접합하는 경우에는, 응고 시의 냉각 속도를 고려한 쪽이 조직을 더 미세하게 할 수 있다. 예를 들어, 2 내지 3℃/s 이상의 냉각 속도로 땜납 조인트가 냉각되어도 된다. 그 밖의 접합 조건은, 땜납 합금의 합금 조성에 따라 적절히 조정할 수 있다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, 그 원재료로서 저α선량재를 사용함으로써 저α선량 합금을 제조할 수 있다. 이러한 저α선량 합금은, 메모리 주변의 땜납 범프 형성에 사용되면 소프트 에러를 억제하는 것이 가능하게 된다.

실시예

표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 땜납 합금에 대하여, 응고 온도, 핀 콘택트성 및 접합 강도가 이하와 같이 평가되었다. 또한, 인장 강도도 평가했다.

(1) 응고 온도

표 1의 각 땜납 합금을 제작하여, 용융 땜납의 응고 온도(액상선 온도)가 측정되었다. 측정 방법은, DSC(Q2000: TA Instruments사) 장치를 사용하여, 300℃로 승온 후 100℃까지 24℃/min의 냉각 속도로 냉각했다. 응고 시에는 발열 반응을 수반하기 때문에, DSC 곡선에서는 도 1에 나타낸 바와 같이 발열 피크가 보인다. 본 실시예에서 측정하는 응고 온도인 응고 개시 온도(응고 시의 액상선 온도)는 발열 개시 온도이고, 도 1의 A점으로 했다.

응고 온도가 200℃ 이상인 경우에는 「○」로 하고, 200℃ 미만인 경우에는 「×」로 했다.

(2) 핀 콘택트성

표 1에 나타내는 땜납 합금으로부터 직경 0.6㎜의 땜납 볼이 제작되었다. 제작한 땜납 볼을, 두께가 1.2㎜이고 전극의 크기가 직경 0.5㎜(Cu-OSP)인 기판에 납땜을 행하였다. 납땜을 행하는 개수는 60개로 했다. 납땜 조건은, 플럭스(센쥬 긴조쿠 고교 가부시키가이샤제: WF-6400)를 전극 상에 도포하고, 피크 온도가 245℃이고, 냉각 속도가 2℃/s인 리플로우 프로파일로 하고, 리플로우 장치(센쥬 긴조쿠 고교 가부시키가이샤제: SNR-615)를 사용하여 납땜을 행하였다.

작성한 시료가 모두 도통하는 것을 확인한 후, HIOKI사제, IN-CIRCUIT HITESTER(형식 번호:1220)을 사용하여, 핀 압입량을 2㎜로 하여 땜납 범프에 핀의 선단을 접촉시켜, 도통하는 것을 확인할 수 있는지 여부를 각 범프에 대하여 검사를 행하였다.

통전한 땜납 범프의 비율이 95％ 이상인 경우를 「◎」로 하고, 95％ 미만 90％ 이상인 경우를 「○」로 하고, 90％ 미만인 경우를 「×」로 했다.

(3) 접합 강도

표 1에 나타내는 땜납 합금으로부터 직경 0.6㎜의 땜납 볼이 제작되었다. 제작한 땜납 볼을, 두께가 1.2㎜이고 전극의 크기가 직경 0.5㎜(Cu-OSP)인 기판에 납땜을 행하였다. 납땜을 행하는 개수는 5개로 했다. 납땜 조건은, 플럭스(센쥬 긴조쿠 고교 가부시키가이샤제: WF-6400)를 전극 상에 도포하고, 피크 온도 245℃, 냉각 속도 2℃/s의 리플로우 프로파일로 하고, 리플로우 장치(센쥬 긴조쿠 고교 가부시키가이샤제: SNR-615)를 사용하여 납땜을 행하였다.

제작한 시료를, 전단 강도 측정 장치(Nordson Dage사제: SERIES 4000HS)에 의해 전단 속도 1000㎜/s의 조건에서 전단 강도 시험이 행해졌다.

5개의 평균 접합 강도가 4.6N 이상인 경우에는 「◎」로 하고, 3.2N 이상 4.6N 미만인 경우에는 「○」로 하고, 3.2N 미만인 경우에는 「×」로 하고, 본 실시예에서는 「◎」 및 「○」가 실용상 문제 없는 접합 강도라고 평가했다.

결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 25에서는, 어떤 합금 조성에 있어서도 각 구성 원소의 함유량이 조정되어 있기 때문에, 응고 온도가 높고 핀 콘택트성이 우수하고, 접합 강도도 우수한 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 1 내지 5, 9, 10 및 15 내지 22는, (1) 식 내지 (3) 식을 충족시키기 때문에, 핀 콘택트성 및 접합 강도의 양 특성이 매우 우수한 것을 알 수 있었다.

한편, 비교예 1 및 비교예 9는, Ag의 함유량이 많기 때문에 핀 콘택트성이 떨어졌다. 비교예 2는 Ag 함유량이 적고, 비교예 3은 Cu 함유량이 많고, 비교예 4는 Cu 함유량이 적고, 비교예 5는 Ni 함유량이 많고, 비교예 6은 Ni 함유량이 적고, 비교예 7은 P 함유량이 많기 때문에, 접합 강도가 떨어졌다. 비교예 8은 P 함유량이 적기 때문에 핀 콘택트성이 떨어졌다.

비교예 10은 Sb를 함유하기 때문에, 핀 콘택트성이 떨어졌다. 비교예 11 내지 13은 P을 함유하지 않고, 또한 각각 Ge, Al, Si를 함유하기 때문에, 핀 콘택트성 및 접합 강도의 양 특성이 떨어졌다.

Claims (7)

1. 질량％로, Ag: 0.8 내지 1.5％, Cu: 0.1 내지 1.0％, Ni: 0.01 내지 0.10％, P: 0.006％ 내지 0.009％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.
2. 제1항에 있어서, 상기 합금 조성은 하기 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는, 땜납 합금.
   

   

   
   상기 (1) 식 및 (2) 식 중, Ag, Cu, Ni, P 및 Sn은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금 조성은 하기 (3) 식을 충족시키는, 땜납 합금.
   

   

   
   상기 (3) 식 중, Ag, Cu, Ni 및 P은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.
4. 질량％로, Ag: 0.8 내지 1.5％, Cu: 0.1 내지 1.0％, Ni: 0.01 내지 0.10％, P: 0.005％ 내지 0.009％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 상기 합금 조성은 하기 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.
   

   

   
   상기 (1) 식 및 (2) 식 중, Ag, Cu, Ni, P 및 Sn은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.
5. 제4항에 있어서, 상기 합금 조성은 하기 (3) 식을 충족시키는, 땜납 합금.
   

   

   
   상기 (3) 식 중, Ag, Cu, Ni 및 P은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)이다.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 볼.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 조인트.

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