KR20230015361A - 고온 응용 분야를 위한 혼합 땜납 분말을 함유한 무연 땜납 페이스트 - Google Patents

고온 응용 분야를 위한 혼합 땜납 분말을 함유한 무연 땜납 페이스트 Download PDF

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solder alloy
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홍웬 장
사무엘 리트와이넥
화광 왕
지에 겅
프란시스 엠. 무투쿠
닝-청 리
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인듐 코포레이션
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    • H01L2924/15747—Copper [Cu] as principal constituent

Abstract

본 개시내용의 일부 구현예는 다중 보드-레벨 리플로우 작업을 포함하는 고온 납땜 적용에 특히 적합한 혼합 땜납 분말을 갖는 무연 땜납 페이스트에 관한 것이다. 일 구현예에서, 땜납 페이스트는 10wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말로서, 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAg 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제1 땜납 합금 분말; 10wt% 내지 90wt%의 제2 땜납 합금 분말로서, 적어도 80wt%의 Sn을 포함하는 Sn 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제2 땜납 합금 분말; 및 잔부의 플럭스로 이루어진다,

Description

고온 응용 분야를 위한 혼합 땜납 분말을 함유한 무연 땜납 페이스트
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 제63/017,469호(출원일: 2020년 4월 29일, 발명의 명칭 "Lead-free Solder Paste with Mixed Solder Powders For High Temperature Applications")의 이익을 주장하며, 상기 기초출원은 이의 전문이 본 명세서에 참조에 의해 원용된다.
기술분야
본 개시내용은 무연 땜납 페이스트(lead-free solder paste)에 관한 것이다.
전자 조립품의 폐기에 의해 생성된 납(Pb)은 환경 및 인간 건강에 유해한 것으로 간주된다. 전자 상호연결 및 전자 패키징 산업에서 Pb-기반 땜납의 사용을 금지하는 규정이 점점 더 많아지고 있다. 2006년 7월 1일자 유해 물질 사용 제한 지침(Restriction of Hazardous Substances Directed: RoHS)에 따라 SnPb 땜납 합금이 Pb-무함유 땜납 합금으로 성공적으로 대체되었다. SnAg, SnCu 및 SAC(SnAgCu) 기반 땜납은 반도체 및 전자 산업에서 상호연결을 형성하는 데 널리 사용되는 땜납이 되었다. 그러나 기존의 고연(high lead) 땜납(예를 들어, Pb-5Sn 및 Pb-5Sn-2.5Ag)를 대체하기 위한 고온 용융 무-Pb 땜납의 개발은 아직 초기 단계에 있다.
용융 온도가 높은 땜납의 일반적인 용도는 칩이 리드(lead) 사이에 또는 리드 프레임(lead frame) 상에 결합될 반도체 표면 장착 디바이스/성분용 다이-부착이다. 그런 다음 이러한 표면 장착 성분/디바이스는 하나 이상의 후속 보드-수준 납땜 공정에서 사용된다. 예를 들어, 규소 다이는 높은 용융 온도 땜납을 사용하여 리드-프레임 상에 납땜되어 조립품을 형성한다. 그 후, 디바이스(캡슐화 여부에 관계없이)는 보드-수준 리플로우(board-level reflow)에 의해 인쇄 배선 기판(printed wiring board: PWB)에 부착된다. 동일한 보드가 여러 리플로우에 노출될 수 있다. 전체 공정 동안, 규소 다이와 리드-프레임 사이의 내부 연결이 잘 유지되어야 한다. 이를 위해서는 높은 용융 온도 땜납이 어떠한 기능 장애도 일으키지 않고 다중 리플로우 납땜 공정을 견뎌야 한다.
일시적 액상 결합(Transient Liquid Phase Bonding: TLPB) 기술은 낮은 용융 온도 합금과 높은 용융 온도 합금 사이에 금속간 화합물(intermetallic compound: IMC)의 형성을 통해 땜납 연결부의 더 높은 재용융 온도를 달성하는 것을 목표로 한다. TLPB 설계에서 낮은 용융 단계는 높은 용융 온도 목표에 도달하기 위해 리플로우 중에 대부분 또는 심지어 완전히 소비된다. 고온 용융 합금 표면의 표면 상의 IMC 형성 및 지속적인 IMC 성장은 리플로우 동안 저온 용융 합금과 고온 용융 합금 둘 다를 희생시킨다.
본 개시내용의 일부 구현예는 다중 보드-수준 리플로우 작업을 포함하는 고온 납땜 적용에 특히 적합한 혼합 땜납 분말을 갖는 무연 땜납 페이스트에 관한 것이다.
일 실시형태에서, 땜납 페이스트는 10wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말로서, 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAg 땜납 합금으로 이루어진, 제1 땜납 합금 분말; 10wt% 내지 90wt%의 제2 땜납 합금 분말로서, 적어도 80wt%의 Sn을 포함하는 Sn 땜납 합금으로 이루어진, 제2 땜납 합금 분말; 및 잔부의 플럭스(a remainder of flux)로 이루어진다.
일부 구현예에서, 땜납 페이스트는 50wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말, 10wt% 내지 50wt%의 제2 땜납 합금 분말 및 잔부의 플럭스로 이루어진다. 일부 구현예에서, 땜납 페이스트는 75wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말, 10wt% 내지 25wt%의 제2 땜납 합금 분말 및 잔부의 플럭스로 이루어진다.
일부 구현예에서, 땜납 페이스트는 50wt% 미만의 제1 땜납 합금 분말, 50wt% 초과의 제2 땜납 합금 분말 및 잔부의 플럭스로 이루어진다.
일부 구현예에서, 제1 땜납 합금 분말의 고상선 온도(solidus temperature)는 300℃ 내지 360℃이고, 제2 땜납 합금 분말의 고상선 온도는 200℃ 내지 250℃이다. 일부 구현예에서, 제2 땜납 합금 분말의 고상선 온도는 215℃ 내지 245℃이다. 일부 구현예에서, 제1 땜납 합금 분말의 액상선 온도는 360℃ 이하이다. 일부 구현예에서, 제2 땜납 합금 분말의 액상선 온도는 250℃ 이하이다. 일부 구현예에서, 제2 땜납 합금 분말의 액상선 온도는 245℃ 이하이다.
일부 구현예에서, 제1 땜납 합금 분말은 4wt% 내지 10wt%의 Cu; 4wt% 내지 20wt%의 Ag; 선택적으로, 0.5wt% 이하의 Bi, Co, In, Ge, Ni, P 또는 Zn; 및 잔부의 0.75 내지 1.1의 비율의 Sn 및 Sb로 이루어진다.
일부 구현예에서, 제2 땜납 합금 분말은 SnAg, SnCu, SnAgCu, SnSb, SnAgCuSb, SnAgY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn), SnCuY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn), SnAgCuY (Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn) 또는 SnAgCuSbY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn)이다.
일부 구현예에서, 제2 땜납 합금 분말은 0.1 내지 4 wt%의 Ag, 0.1 내지 1 wt%의 Cu 또는 0.1 내지 11wt%의 Sb를 포함한다. 일부 구현예에서, 제2 땜납 합금 분말은 0.1 내지 4 wt%의 Ag, 0.1 내지 1 wt%의 Cu 및 0.1 내지 11wt%의 Sb를 포함한다.
일부 구현예에서, 제2 땜납 합금 분말은 Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn으로 도핑된다.
일부 구현예에서, 땜납 페이스트의 제1 용융 피크로부터의 열 흡수 대 땜납 페이스트의 제2 용융 피크로부터의 열 흡수의 비율은 0.15 이하이다.
일 실시형태에서, 방법은 기판과 디바이스 사이에 땜납 페이스트를 도포하여 조립품을 형성하는 단계로서, 땜납 페이스트는 10wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말로서, 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAg 땜납 합금으로 이루어진, 제1 땜납 합금 분말; 10wt% 내지 90wt%의 제2 땜납 합금 분말로서, 적어도 80wt%의 Sn을 포함하는 Sn 땜납으로 이루어진, 제2 Sn 땜납 합금; 및 잔부의 플럭스로 이루어진, 조립품을 형성하는 단계; 320℃를 초과하는 최고 온도에서 조립품을 사용하여 제1 리플로우 납땜 공정(reflow soldering process)을 수행하여 땜납 페이스트로부터 땜납 연결부를 형성하는 단계; 및 땜납 연결부를 형성한 후, 230℃ 내지 270℃의 최고 온도에서 조립품을 사용하여 제2 리플로우 납땜 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 디바이스는 규소 다이이고, 기판은 Cu 리드 프레임을 포함하고, 땜납 페이스트는 Cu 리드 프레임과 규소 다이 사이에 도포된다. 일부 구현예에서, 땜납 연결부는 제2 리플로우 납땜 공정 동안 10㎫ 이상의 결합 전단 강도를 유지한다.
일 실시형태에서, 땜납 연결부는 땜납 페이스트를 기판과 디바이스 사이에 도포하여 조립품을 형성하는 단계; 및 조립품을 리플로우 납땜시켜 땜납 연결부를 형성하는 단계의 방법에 의해서 형성되고; 땜납 페이스트는 10wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말로서, 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAg 땜납 합금으로 이루어진, 제1 땜납 합금 분말; 10wt% 내지 90wt%의 제2 땜납 합금 분말로서, 적어도 80wt%의 Sn을 포함하는 Sn 땜납 합금으로 이루어진, 제2 땜납 합금 분말; 및 잔부의 플럭스로 이루어진다.
본 개시내용의 다른 특징 및 양상은 다양한 실시형태에 따른 특징을 예로서 예시하는 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 요약은 본 명세서에 첨부된 청구범위에 의해서만 정의되는 본 발명의 범주를 제한하려는 것이 아니다.
하나 이상의 다양한 실시형태에 따른 본 명세서에 개시된 기술은 포함된 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 도면은 단지 설명의 목적으로 제공되며 단지 예시적인 구현을 묘사할 뿐이다.
도 1은 몇몇 무연 결합 재료 및 납-고함량 땜납에 대한 온도의 함수로서 ㎫ 단위의 결합 전단 강도를 도시한 차트.
도 2는 SnSb의 상태 다이어그램을 도시한 도면.
도 3은 5개의 상이한 땜납 페이스트에 대한 상이한 시험 온도(℃)에 대한 ㎫ 단위의 결합 전단 강도를 도시한 차트 플롯.
도 4는 도 3에 도시된 5개의 땜납 페이스트에 대해 TA Q2000 DSC로 수행한 시차 주사 열량계(DSC) 가열 곡선을 도시한 도면.
도면은 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 변형 및 변경되어 실시될 수 있으며 개시된 기술은 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다는 것을 이해해야 한다.
전자 산업에서 사용되는 땜납 리플로우 프로파일과 호환되기 위해, 고온 땜납의 일부 중요한 특징은 하기를 포함할 수 있다: (i) (전형적인 SMT 땜납 리플로우 프로파일에 따른) 대략 260℃ 이상의 고상선 온도, (ii) 우수한 내열피로성(thermal fatigue resistance), (iii) 높은 열/전기 전도성 및/또는 (iv) 저비용. 현재까지 납 함량이 높은 땜납은 여전히 전력 이산 시장(power discrete market)에서 다이-부착 응용 분야에서 지배적이다.
본 개시내용의 구현예는 다중 보드-수준 리플로우 작업을 포함하는 고온 납땜 분야에 특히 적합한 혼합 땜납 분말을 갖는 무연 땜납 페이스트에 관한 것이다. 땜납 페이스트는 2종의 땜납 분말 및 플럭스를 포함한다. 땜납 분말 중 하나는 나머지 땜납 분말보다 용융 온도가 실질적으로 더 높다. 예를 들어, 땜납 분말 중 하나는 300 내지 360℃인 제1 땜납 합금의 고상선 온도를 가질 수 있고, 다른 땜납 분말은 200 내지 250℃인 제2 땜납 합금의 고상선 온도를 가질 수 있다. 더 높은 고상선 온도(더 높은 온도) 땜납 분말은 약 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb 중량비를 갖는 SnSb-기반 땜납 합금이다. 더 낮은 고상선 온도(더 낮은 온도) 땜납 분말은 Sn 함량이 80중량%를 초과하는 Sn이 풍부한 땜납 또는 땜납 합금이다.
고온 땜납 분말은 땜납 페이스트의 50wt% 내지 90wt%를 차지하고, 저온 땜납 분말은 땜납 페이스트의 10wt% 내지 50wt%를 차지하며, 플럭스는 땜납 페이스트의 9wt% 내지 20wt%를 차지한다. 하기에서 추가로 설명하는 바와 같이, 이러한 조성으로 인해, 고온 땜납 분말은 용융 및 열-기계적 거동을 포함하여 최종 결합 연결부의 고온 성능을 지배할 수 있다. 연성의 Sn이 풍부한 땜납 분말은 리플로우 동안 습윤을 개선하고 최종 연결부의 연성을 향상시킬 수 있다. 또한 페이스트 내부의 Sn이 풍부한 땜납의 존재는 비교적 낮은 리플로우 온도를 허용할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에 따르면, 하기에 더 설명되는 바와 같이, 땜납 페이스트에서 저온 땜납 분말 및 고온 용융 온도의 땜납 분말의 선택은 다음 특성 중 하나 이상을 만족하도록 이루어질 수 있다: (1) 땜납 분말은 리플로우 공정 동안 서로에 완전히 또는 부분적으로 용해됨; (2) 리플로우 납땜 후, 최종 연결부에 남아 있는 저온 용융 단계는 양적으로 최적화되고, 고온 용융 SnSb 매트릭스에 의해 격리되어 270℃ 초과의 온도에서 원하는 연결부 기계적 성능을 유지함; 및 (3) 땜납 연결부는 전형적인 다이 부착 응용 분야에 대한 온도 주기 시험을 견딜 수 있음. 실제로 두 땜납 합금 분말은 리플로우 동안 서로에 완전히 또는 부분적으로 용해될 수 있다. 이를 통해 고온 땜납 합금 분말이 액체 용액으로 지속적으로 용해되고, 분말 표면에 계면 IMC가 형성되지 않아서 용해 속도가 느려지지 않는다. 설계 시에, 저온 합금 분말 및 고온 합금 분말의 비율은 고온 합금 분말이 최종 연결부의 고온 성능을 지배하고 저 용융 상이 고 용융 상 매트릭스 내부에 격리되도록 최적화될 수 있다.
본 명세서에 기재된 땜납 페이스트는 성분 디바이스의 다이 부착 및 표면 장착을 포함하는 다양한 고온 납땜 응용 분야에 사용될 수 있다.
도 1은 몇몇 무연 결합 재료 및 납-고함량 땜납으로부터 형성된 연결부에 대한 온도의 함수로서 메가파스칼(㎫) 단위의 접합 전단 강도를 도시한 차트이다. 도시된 바와 같이, 대부분의 무연 땜납은 납 함량이 높은 땜납보다 결합 전단 강도가 더 높다. Sn이 풍부한 땜납은 땜납의 용융 온도(SnAgCu의 경우 약 217℃, Sn10Sb의 경우 243℃)에 가까워지면 결합 전단 강도가 크게 떨어진다. 용융 온도에 도달한 후, Sn이 풍부한 땜납의 결합 전단 강도는 용융되면서 0에 가깝게 떨어진다. 이와 같이 Sn이 풍부한 땜납의 낮은 용융 온도로 인해서, 이것은 높은 용융 온도에서 어떠한 결합 전단 강도도 유지할 수 없다. 이에 비해, 납 고함량 땜납은 250℃에서 대략 10㎫의 접합 전단 강도를 갖고, 결합 전단 강도는 더 높은 온도에서 훨씬 더 낮게 떨어진다. 다이 부착 재료로서의 납 고함량 땜납을 사용하는 표면 장착 장치는 최대 260℃의 최고 온도에서 후속 SMT 리플로우를 견디는 것으로 입증되었다. 따라서, 본 명세서 기재된 새로운 땜납 페이스트는 다음 SMT 공정을 견디기 위해 270℃ 이상의 온도에서도 10㎫ 초과의 결합 전단 강도를 유지하도록 설계되며, 이는 납 고함량 대응물보다 우수하다.
약 0.75 내지 1.1인 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAgX(X = Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Zn 또는 일부 다른 도펀트) 합금은 약 300℃ 내지 360℃의 고상선/액상선 온도를 갖는 고온 땜납 함금의 군이다. 도 1에 도시된 바와 같이, SnSbCuAgX 합금은 최대 약 280℃의 온도에서 고온 결합 전단 강도를 양호하게 유지할 수 있다. 그러나, SnSbCuAgX 합금은 단단하고 부서지기 쉽다. Cu 다이-부착 시험에서 Si의 경우, SnSbCuAgX 땜납은 Si와 Cu 사이의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 발생하는 변형을 수용하기에는 너무 단단하기 때문에 온도 주기 시험 동안 또는 심지어는 리플로우 직후에 Si 다이를 파괴할 것이다. 따라서 SnSbCuAgX 땜납 합금 자체는 다이 부착 응용 분야의 다이 부착에 적합하지 않다.
SnSbScuAgX 땜납 합금 및 Sn이 풍부한 땜납 합금은 개별적으로 고온 납땜 응용 분야에 적합하지 않을 수 있지만, 두 땜납 합금의 이점을 조합하면서 이들 각각의 약점을 최소화하거나 제거할 수 있다면, 이러한 조합은 납-기반 땜납 합금에 대한 적합한 무연 대체품이 될 수 있다. 본 개시내용에 따르면, 두 땜납 합금의 이점은 Sn이 풍부한 땜납 합금 분말, SnSbCuAgX 땜납 합금 분말 및 플럭스의 조합물인 땜납 페이스트를 형성함으로써 달성될 수 있다.
본 명세서에 기재된 땜납 페이스트를 리플로우시켜 땜납 연결부를 형성할 수 있다. 리플로우된 땜납 연결부는 Sn이 풍부한 합금의 연성과 SnSbCuAgX 땜납 연결부 합금의 고온 성능이라는 두 땜납 연결부 합금의 이점을 입증할 수 있다. 이러한 이점을 달성하기 위해, Sn이 풍부한 분말 대 SnSbCuAgX 분말의 비율은 최종 접합부가 (1) 270℃ 이상에서 양호한 기계적 강도(10㎫ 초과)를 나타내고; (2) Si 다이와 Cu 사이의 CTE 불일치로 인해 발생하는 변형을 수용하기 위한 양호한 연성을 나타내도록 선택될 수 있다. 이러한 이점을 달성하기 위해, 복합 재료와 유사하게, 저온 땜납 합금의 Sn이 풍부한 상이 고온 땜납 합금의 SnSb 매트릭스에 매립되는 형태로 땜납 연결부가 형성될 수 있다. SnSb 매트릭스 내부에 격리된 Sn이 풍부한 상은 대부분의 땜납 연결부가 SnSb 매트릭스 및 강화된 Cu-함유 및 Ag-함유 입자이기 때문에 땜납 연결부의 고온 강도에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 동시에, 연성인 Sn이 풍부한 상은 적어도 부분적으로는 Si 다이와 Cu 리드 프레임 사이의 CTE 불일치로 인한 변형을 수용하기 위해 크리프를 통해 쉽게 변형될 수 있다.
상기에 논의된 바와 같이, 땜납 페이스트의 대부분(50wt% 초과)인고 고온 땜납 합금은 약 270℃ 이상에서 높은 용융 온도 성능을 지배할 수 있다. 이러한 이점을 달성하기 위해, 고온 땜납 합금에서 Sn과 Sb 사이의 비율은 약 0.75 내지 1.1로 유지될 수 있으며, 여기서 Sn3Sb2 금속간 화합물 및 SnSb 고용체(β)가 형성되고, 약 323℃ 내지 360℃의 용융 온도를 갖는다. 이것은 도 2의 상 SnSb 상 다이어그램에 의해 도시된다. 연성을 증가시키기 위해, Cu와 Ag는 SnSb 합금에 합금되어 Sn3Sb2 입자와 함께 Ag3Sn 및 Cu6Sn5 입자가 SnSb 매트릭스 내부에 침전되어 전위 이동 및 그에 따른 균열 핵 생성 및 성장을 둔화시킨다. 그러나, 첨가되는 Cu 및 Ag의 양에 따라, 땜납 합금의 고상선 온도는 함량에 따라 대략 300℃를 유지할 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 높은 용융 온도 땜납 합금은 약 4wt% 내지 10wt%의 Cu 및 약 4wt% 내지 20wt%의 Ag를 갖는 것이 바람직하다.
하기 표 1은 본 개시내용의 구현예에 따라 고온 땜납 합금에 사용될 수 있는 SnSbCuAg 합금의 예를 나타낸다. 일부 구현예에서, 0.5% 미만의 도펀트, 예컨대, Bi, Co, In, Ge, Ni, P 또는 Zn이 침전물 및 계면 IMC를 안정화하기 위해 SnSbCuAg 땜납 합금에 첨가될 수 있다.
Figure pct00001
상기에 논의된 바와 같이, 낮은 용융 온도 땜납 합금은 Sn이 풍부한 땜납 합금(Sn 80wt% 초과)일 수 있다. 예를 들어, 합금은 SnAg, SnCu, SnAgCu, SnSb, SnAgY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 일부 다른 도펀트), SnCuY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 일부 다른 도펀트) 또는 SnAgCuY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb, Zn 또는 일부 다른 도펀트)일 수 있다. 저온 땜납 합금의 고상선 온도는 약 200℃ 내지 250℃의 범위일 수 있다. 하기 표 2는 본 개시내용의 구현예에 따라서 저온 땜납 합금에 사용될 수 있는 Sn이 풍부한 합금의 예를 나타낸다. 일부 구현예에서, 연성을 향상시키거나 습윤 성능을 개선시키기 위해서 Bi, In 및/또는 Ni의 첨가제가 땜납 합금에 포함될 수 있다.
Figure pct00002
일부 구현예에서, 고온 땜납 분말은 10wt% 내지 90wt%의 땜납 페이스트를 포함할 수 있고, 저온 땜납 분말은 10wt% 내지 90wt%의 땜납 페이스트를 포함한다. 최종 땜납 연결부의 고온 성능 및 연성을 유지시키기 위해서, 제1 땜납 합금 및 제2 땜납 합금의 비율이 변경될 수 있다. 제2 땜납 합금에 대한 제1 땜납 합금의 wt%가 불충분하면, 최종 땜납 연결부는 고온 성능을 유지할 수 없다. 다른 한편, 제2 땜납 합금에 대한 제1 땜납 합금의 wt%가 충분한 양보다 많으면, 땜납 연결부가 너무 단단하여 Si 다이에 손상을 줄 수 있다. 따라서, 페이스트에서 제1 땜납 합금과 제2 땜납 합금의 상대적 비율은 고온 성능 및 충분한 연성 둘 다를 만족할 수 있도록 선택될 수 있다. 이를 위해, 일부 구현예에서, 보다 바람직하게는 고온 땜납 분말이 땜납 페이스트의 50wt% 내지 90wt%를 차지할 수 있고, 저온 땜납 분말이 땜납 페이스트의 10wt% 내지 50wt%를 차지할 수 있다. 일부 구현예에서, 더 바람직하게는 고온 땜납 분말은 땜납 페이스트의 75wt% 내지 90wt%를 차지할 수 있고, 저온 땜납 분말은 땜납 페이스트의 10wt% 내지 25wt%를 차지할 수 있다. 일부 구현예에서, 저온 땜납 분말은 땜납 페이스트의 50wt% 초과를 차지할 수 있다. 땜납 페이스트의 이러한 구현은 반드시 고온 강도를 요구하는 것은 아닌 전력 모듈 응용 분야에 특히 적합할 수 있다.
표 3은 본 개시내용에 따른 땜납 페이스트의 땜납 합금 원소 조성(wt% 단위) 및 리플로우 납땜된 연결부 땜납 원소 조성(단위 wt%)을 나타낸다. 땜납 페이스트는 HTLF(고온 무연) 다이 부착 응용 분야 또는 다른 적합한 고온 납땜 응용 분야에 활용될 수 있다. 이들 예에 도시된 바와 같이, 제1 땜납 합금 대 제2 땜납 합금의 비율은 약 9:1 내지 5:5 범위일 수 있다.
Figure pct00003
전력 이산 디바이스/응용 분야에서 땜납 페이스트의 사용을 포함하는 일부 구현예에서, 땜납 페이스트로부터 형성된 땜납 연결부에서 Sn:Sb의 비율은 약 1:1 내지 1.3:1일 수 있다. 전력 모듈 디바이스/응용 분야에서 땜납 페이스트의 사용을 포함하는 일부 구현예에서, 땜납 페이스트로부터 형성된 땜납 연결부에서 Sn:Sb의 비율은 약 1:1에서 1.8:1일 수 있다.
도 3은 5개의 상이한 땜납 페이스트로부터 형성된 땜납 연결부에 대한 상이한 시험 온도(℃)에 대한 접착 전단 강도(㎫)를 도시한 차트 플롯이다. 구체적으로, 도 3은 표 3의 처음 5개의 땜납 페이스트에 대한 결합 전단 강도를 도시하며, 여기서 874-33-1은 표 1의 제1 땜납 페이스트를 나타내고, 847-33-2는 표 3의 제2 땜납 페이스트를 나타내고, 그 등등이다. 도시된 바와 같이, 5개의 땜납 페이스트 중 3개(874-33-1, 874-33-2 및 874-33-3)는 270℃ 이상에서 적어도 10㎫의 결합 전단 강도를 유지했다.
도 4는 도 3에 도시된 5개의 땜납 페이스트에 대해 TA Q2000 DSC로 측정된 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter: DSC) 가열 곡선을 도시한다. 도시된 바와 같이, 양호한 고온 기계적 강도를 유지한 3개의 땜납 페이스트(874-33-1, 874-33-2 및 874-33-3)에 대해, H1/H2의 비율(H1: DSC의 제1 피크로부터의 열 흡수 및 H2: 제2 피크로부터의 열 흡수)은 .09 미만인 반면, 나머지 2개의 땜납 페이스트(874-33-4 및 874-33-5)에 대한 H1/H2의 비율은 .10 초과이다. 하기 표 4는 DSC 곡선의 특징을 나타낸다.
Figure pct00004
본 발명에 따라 땜납 페이스트로 수행된 DSC 시험에 기초하여, 땜납 페이스트의 제1 용융 피크로부터의 흡열 대 땜납 페이스트의 제2 용융 피크로부터의 열 흡수의 보다 바람직한 비율은 약 0.15 이하인 것을 발견하였다. 이러한 비율에서 땜납 페이스트로부터 형성된 접합부는 충분한 고온 전단 강도(280℃에서도 15㎫ 초과)(예를 들어, 충분한 양의 높은 용융 온도 땜납 분말을 갖는 것으로부터) 및 양호한 내구성(예를 들어, 충분한 양의 Sn이 풍부한 분말을 갖는 것으로부터)을 유지할 수 있다는 것을 발견하였다. 구현예에서, 땜납 분말의 선택 및 땜납 분말의 상대 wt.%는 H1/H2 비율에 기초할 수 있다.
TLPB 기술과 대조적으로, 본 명세서에 기재된 구현예는 저온 용융 합금을 소비함으로써 고온 용융 합금의 표면 상에 IMC를 형성하여 합금 연결부의 용융 온도를 증가시키는 것에 의존하지 않는다. TLPB 설계에서, IMC는 리플로우 동안 저온 용융 합금을 희생시키면서 고온 용융 금속/합금 분말의 표면 상에서 형성되고 성장한다. IMC 층 두께가 증가함에 따라, 성장 속도가 상당히 느려진다. 대조적으로, 본 명세서에 기재된 땜납 페이스트에 의해 형성된 땜납 연결부는 고온 성능을 달성하기 위해 리플로우 동안 IMC의 형성에 의존하지 않는다. 오히려, 최종 접합부에서 고온 용융 상의 적절한 백분율을 선택하고, 고화 후 저온 용융 상을 고온 용융 상으로 제한함으로써 고온 성능을 얻을 수 있다.
개시된 기술의 다양한 실시형태가 상기에 기재되어 있지만, 그것은 단지 예로써 제시된 것이고, 제한하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 마찬가지로, 개시된 기술에 대해 다양한 다이어그램이 일례의 구조체 또는 다른 구성을 묘사할 수 있으며, 이는 개시된 기술에 포함될 수 있는 특징 및 기능의 이해를 돕도록 한다. 예시된 실시형태 및 이들의 다양한 대안은 예시된 예에 국한되지 않고 구현될 수 있다. 또한, 흐름도, 작동 설명 및 방법 청구범위와 관련하여, 단계가 본 명세서에 제시된 순서는 그 문맥이 달리 지시하지 않는 한 다양한 실시형태가 인용된 기능을 동일한 순서로 수행하도록 구현되도록 요구하지 않는다.
개시된 기술이 다양한 예시적 실시형태 및 구현예와 관련하여 상기에 기재되어 있지만, 하나 이상의 개별 실시형태에 기재된 다양한 특징, 양상 및 기능은 그의 응용성에 있어서 이들이 기재된 특정 실시형태로 제한되지 않지만, 대신에, 그러한 실시형태가 기재되어 있는지의 여부에 관계 없이, 그리고 그러한 특징이 기재된 실시형태의 일부인 것으로 제시되어 있는지의 여부에 관계 없이, 본 발명의 하나 이상의 다른 실시형태에 단독으로 또는 다양한 조합으로 적용될 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 폭 및 범주는 임의의 상기에 기재된 예시적인 실시형태로 제한되어서는 안 된다.
본 문헌에서 사용된 용어 및 문구, 및 이의 변형은, 달리 명시되지 않는 한, 제한이 아닌 개방적인 것으로서 해석되어야 한다. 상기의 일례로서, 용어 "포함하는"은 "제한 없이 포함하는" 등을 의미하는 것으로서 독해되어야 하고; 용어 "예"는 논의되는 항목의 예시적 경우를 제공하기 위해 사용되고, 그의 총괄적 또는 제한적 열거가 아니며; 단수 표현은 "적어도 하나", "하나 이상" 등을 의미하는 것으로서 독해되어야 하고; "종래의", "종래적인", "전통적인", "보통", "표준", "공지된"과 같은 형용사 및 유사한 의미의 용어는 기재된 항목을 지정된 기간으로 또는 지정된 시점에서 이용 가능한 항목으로 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 되지만, 대신에, 현재 또는 미래의 임의의 시점에서 이용 가능하거나 공지될 수 있는 종래의, 전통적인, 보통의 또는 표준 기술을 포괄하는 것으로 독해되어야 한다. 마찬가지로, 본 문헌이 당업자에게 명백하거나 공지된 기술을 언급하는 경우, 이러한 기술은 현재 또는 미래의 임의의 시점에서 당업자에게 명백하거나 공지된 것을 포괄한다.
일부 경우에서 "하나 이상", "적어도", "이에 제한되지는 않지만" 등의 문구와 같은 광범위한 단어 및 어구의 존재는, 그러한 광범위한 문구가 부재할 수 있는 경우에 더 좁은 경우가 의도되거나 요구되는 것을 의미하는 것으로 독해되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 땜납 페이스트(solder paste)로서,
    10wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말로서, 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAg 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제1 땜납 합금 분말;
    10wt% 내지 90wt%의 제2 땜납 합금 분말로서, 적어도 80wt%의 Sn을 포함하는 Sn 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제2 땜납 합금 분말; 및
    잔부의 플럭스
    로 이루어진, 땜납 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 땜납 페이스트는 50wt% 내지 90wt%의 상기 제1 땜납 합금 분말, 10wt% 내지 50wt%의 상기 제2 땜납 합금 분말 및 잔부의 상기 플럭스로 이루어진, 땜납 페이스트.
  3. 제2항에 있어서, 상기 땜납 페이스트는 75wt% 내지 90wt%의 상기 제1 땜납 합금 분말, 10wt% 내지 25wt%의 상기 제2 땜납 합금 분말 및 잔부의 상기 플럭스로 이루어진, 땜납 페이스트.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 땜납 합금 분말의 고상선 온도(solidus temperature)는 300℃ 내지 360℃이고, 상기 제2 땜납 합금 분말의 고상선 온도는 200℃ 내지 250℃인, 땜납 페이스트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 땜납 합금 분말의 고상선 온도는 215℃ 내지 245℃인, 땜납 페이스트.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 땜납 합금 분말의 액상선 온도는 360℃ 이하인, 땜납 페이스트.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제2 땜납 합금 분말의 액상선 온도는 250℃ 이하인, 땜납 페이스트.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2 땜납 합금 분말의 액상선 온도는 245℃ 이하인, 땜납 페이스트.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 땜납 합금 분말은,
    4wt% 내지 10wt%의 Cu;
    4wt% 내지 20wt%의 Ag;
    선택적으로, 0.5wt% 이하의 Bi, Co, In, Ge, Ni, P 또는 Zn; 및
    잔부의 0.75 내지 1.1의 비율의 Sn 및 Sb
    로 이루어진, 땜납 페이스트.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 땜납 합금 분말은 SnAg, SnCu, SnAgCu, SnSb, SnAgCuSb, SnAgY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn), SnCuY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn), SnAgCuY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn) 또는 SnAgCuSbY(Y= Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn)인, 땜납 페이스트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 땜납 합금 분말은 0.1 내지 4 wt%의 Ag, 0.1 내지 1 wt%의 Cu 또는 0.1 내지 11wt%의 Sb를 포함하는, 땜납 페이스트.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 땜납 합금 분말은 0.1 내지 4 wt%의 Ag, 0.1 내지 1 wt%의 Cu 및 0.1 내지 11wt%의 Sb를 포함하는, 땜납 페이스트.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 땜납 합금 분말은 Bi, Co, Ge, In, Ni, P, Sb 또는 Zn으로 도핑된, 땜납 페이스트.
  14. 제1항에 있어서, 상기 땜납 페이스트의 제1 용융 피크로부터의 열 흡수 대 상기 땜납 페이스트의 제2 용융 피크로부터의 열 흡수 비율은 0.15 이하인, 땜납 페이스트.
  15. 제1항에 있어서, 상기 땜납 페이스트는 50wt% 미만의 상기 제1 땜납 합금 분말, 50wt% 초과의 상기 제2 땜납 합금 분말 및 잔부의 상기 플럭스로 이루어진, 땜납 페이스트.
  16. 방법으로서,
    기판과 디바이스 사이에 땜납 페이스트를 도포하여 조립품을 형성하는 단계로서, 상기 땜납 페이스트는 10wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말로서, 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAg 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제1 땜납 합금 분말; 10wt% 내지 90wt%의 제2 땜납 합금 분말로서, 적어도 80wt%의 Sn을 포함하는 Sn 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제2 Sn 땜납 합금; 및 잔부의 플럭스로 이루어진, 상기 조립품을 형성하는 단계;
    320℃를 초과하는 최고 온도에서 상기 조립품을 사용하여 제1 리플로우 납땜 공정(reflow soldering process)을 수행하여 상기 땜납 페이스트로부터 땜납 연결부를 형성하는 단계; 및
    상기 땜납 연결부를 형성한 후, 230℃ 내지 270℃의 최고 온도에서 상기 조립품을 사용하여 제2 리플로우 납땜 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 디바이스는 규소 다이이고, 상기 기판은 Cu 리드 프레임(lead frame)을 포함하고, 상기 땜납 페이스트는 상기 Cu 리드 프레임과 상기 규소 다이 사이에 도포되는, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 땜납 페이스트는 50wt% 내지 90wt%의 상기 제1 땜납 합금 분말, 10wt% 내지 50wt%의 상기 제2 땜납 합금 분말 및 잔부의 상기 플럭스로 이루어지고;
    상기 제1 땜납 합금 분말의 고상선 온도는 300℃ 내지 360℃이고;
    상기 제2 땜납 합금 분말의 고상선 온도는 200℃ 내지 250℃인, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제2 리플로우 납땜 공정 동안, 상기 땜납 연결부는 10㎫ 이상의 결합 전단 강도(bond shear strength)를 유지하는, 방법.
  20. 땜납 연결부로서,
    기판과 디바이스 사이에 땜납 페이스트를 도포하여 조립품을 형성하는 단계; 및
    상기 조립품을 리플로우 납땜시켜 상기 땜납 연결부를 형성하는 단계
    의 공정에 의해서 형성되되;
    상기 땜납 페이스트는,
    10wt% 내지 90wt%의 제1 땜납 합금 분말로서, 0.75 내지 1.1의 Sn:Sb의 wt% 비율을 갖는 SnSbCuAg 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제1 땜납 합금 분말;
    10wt% 내지 90wt%의 제2 땜납 합금 분말로서, 적어도 80wt%의 Sn을 포함하는 Sn 땜납 합금으로 이루어진, 상기 제2 땜납 합금 분말; 및
    잔부의 플럭스
    로 이루어진, 땜납 연결부.
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