KR20230047300A - 저융점 솔더볼 및 이를 이용하여 제조된 솔더 페이스트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Co(코발트)를 함유하는 Sn-Bi-In로 구성된 솔더볼 조성과 Rosin, 용제, 저온 조성용 활성제(Activator), 칙소제(Thixo agent)를 포함하는 플럭스 조성물을 포함하는 저융점 솔더 페이스트 조성물에 관한 것으로, 저온 공정을 필요로 하는 플렉서블 유연기판에 솔더 범프 형성 및 칩 본딩에 있어서 다양한 본딩 방식에 범용적으로 사용될 수 있으며, 본딩 공정의 여러 가지 프로세스를 통합하여 수행할 수 있도록 하는 저융점 페이스트 조성물을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 저융점 솔더볼 및 이를 이용하여 제조된 솔더 페이스트 조성물에 관한 것이다.
사물 인터넷(IoT:internet of Things)은 최근 세계 경제의 중요 트렌드로 자리 잡고 있어, 이제 일상 대부분의 기기들이 유무선 네트워크를 통하여 인터넷과 접속할 수 있는 시대가 도래했다.
이러한 IoT 영역에서 웨어러블 디바이스, 스마트가전, 스마트공장 등 모든 사물에 응용 가능한 플랫폼(반도체+센서+통신)형태의 반도체가 등장하고 있다.
그중 웨어러블 디바이스와 같은 플렉서블 IoT 기기들은 다수의 칩을 제품에 집적화 시켜야 하고, 디자인을 고려해야 하기 때문에 휘거나 곡면형태의 표면에 칩을 실장하는 기술 개발 요구가 급증하고 있다. 또한 기기의 소형화 및 고기능화에 따라 유연성이 우수한 저온 고분자 기판의 사용과 함께 저온 본딩 기반의 실장 기술이 요구된다.
플렉서블 IoT 모듈에 사용되는 이종 복합 센서 및 구동소자가 실장되는 유연기판은 내열성이 부족하고, 사용 가능 온도 범위가 대략 75℃ ~ 250℃ 인 PET/PEN/PI 등의 저온 고분자 기판이 사용될 것으로 전망된다.
따라서 기판 및 전자부품을 손상 입히지 않기 위해서는 솔더의 용융온도가 전자부품의 내열성 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 낮은 온도의 공정이 요구되는 제품군에 사용할 수 있는 저융점 솔더볼과 이를 이용한 솔더 페이스트 조성물을 제공하고자 한다.
특히 전자부품의 내열성 범위 내에서, 특히 저온의 접합 공정에서도 부품을 솔더링 할 수 있도록 저용융점을 갖는 솔더볼과 그에 적합한 페이스트의 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 솔더볼은,
50 내지 60 중량%의 비스무스;
15 내지 30 중량%의 인듐(In);
0.01 내지 0.1 중량%의 코발트(Co); 및
잔부의 주석(Sn)을 포함하고, 용융점이 75℃ 내지 110℃ 이다.
여기에서 상기 솔더볼은 CoSn2 화합물을 포함하는 것이 좋다.
상기 인듐(In)은 20 내지 30 중량% 포함되는 것이 좋다.
상기 주석(Sn)은 납(Pb), 철(Fe), 비스무스(Bi), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 불순물의 농도가 10ppm 이하로 포함되어 99.9% 내지 99.99% 순도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은 솔더 페이스트 조성물로서,
위의 조성물 중 어느 하나의 솔더볼; 및
용제, 활성제, 칙소제 및 로진(Rosin)을 포함하여 구성되는 플럭스 조성물을 포함한다.
상기 솔더볼은 85 내지 90 중량%, 상기 플럭스 조성물은 10 내지 15 중량% 포함되는 것이 좋다.
상기 활성제는 상기 플럭스 조성물의 5 내지 12 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 활성제는 프로피온산(Propanoic acid), 아디프산(Adipic Acid), 숙신산(Succinic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 테트라데칸산(Tetradecanoic Acid), 디메틸올프로피온산(dimethylol propionic acid) 및 글루타르산(Glutaric acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 것이 좋다.
상기 활성제는 프로피온산, 아디프산, 숙신산 및 디메틸올프로피온산, 글루타르산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또, 상기 활성제는 상기 글루타르산을 포함하고, 상기 글루타르산은 상기 플럭스 조성물의 1 내지 3 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
상기 용제는 상기 플럭스 조성물의 35 내지 45 중량%로 포함되고, 디에틸렌 글라이콜 모노헥실 에테르(eHDG), 트리에틸렌 글라이콜 모노부틸 에테르(BTG), 에틸 아세테이트, 헥산 디올, 글리세린으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 것이 좋다.
상기 로진은 상기 플럭스 조성물의 40 내지 50 중량%로 포함되고, 하이드로제네이티드 로진(Hydrogenated Rosin), 중합 로진(Polymerized Rosin), 로진 에스테르(Rosin ester), 안정화 로진 에스테르(Stabilized rosin ester) 을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 칙소제는 상기 플럭스 조성물의 5 내지 10 중량%로 포함되고, Wax류, Thixo ST, Glycol Powder, Powder Type의 분말로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 것이 좋다.
한편, 솔더 페이스트 조성물은 Cu-OSP(Organic solderability preservative)가 처리된 패드(Pad) 위에 상기 솔더 페이스트 조성물을 도포하고, 상기 조성물상에 반도체 칩(사이즈 : 1005)를 올린 후 예비가열 온도는 80도, 유지시간은 200초, 피크 온도(Peak Temperature)를 110도, 유지시간은 약 60초로 리플로우 하여 접합(Bonding)한 후 측정한 접합부의 전단강도가 800 내지 900g/f 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 저융점 솔더볼 및 이를 이용하여 제조된 솔더 페이스트 조성물은 저온 유연기판에 사용 가능한 접합 소재로, 저온 공정으로 기판에 적용 가능하고, 내열성이 높은 고가의 기판 소재를 사용하지 않아도 되기 때문에 반도체 패키지의 제조단가를 획기적으로 낮출 수 있다. 또한 웨어러블 디바이스 등 플렉서블 IoT 모듈에 적용 가능하여 향후 국내 패키징 산업에서 높은 경쟁력을 확보할 수 있으며, 파인 피치(Fine pitch) 구현 및 솔더 범프 디자인이 용이한 저융점 페이스트 조성물을 제공할 수 있다.
도 1는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 플럭스 조성물의 DSC 분석 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온 페이스트 조성물을 이용하여 JIS_Z_3284 기준 Solder 용융특성 실험 판정 결과 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온 페이스트 조성물을 이용하여 JIS_Z_3284 기준 Solder 용융특성 실험 판정 결과 사진을 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
또한, 이하 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어를 해석함에 있어서는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 반드시 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석할 것이 아니며, 본 명세서에서 기재하는 바에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석하여야 한다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
<본 발명의 제1측면>
본 발명의 제1측면에 따르면 비스무스(Bi), 인듐(In), 주석(Sn)을 포함하는 솔더볼이 제공된다.
솔더볼 전체 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 50 내지 60 중량%, 인듐(In)은 15 내지 30 중량% 포함되고, 잔부의 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이때, 솔더볼의 입경은 20 내지 38㎛인 것이 바람직하다.
비스무스(Bi)는 주석(Sn)을 주성분으로 하는 솔더 합금의 용융점을 하강시키는 역할을 한다. 또한 솔더 합금에 포함되어 전위 주변의 응력을 완화하기 위해 전위 아래쪽에 모이고, 전위의 이동도를 감소시켜 고용체합금의 강도를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 이는 고용강화 (Solid solution hardening)라고 하며, 솔더의 기계적 특성을 향상시킨다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼의 용융점은 75℃ 내지 110℃이고, 바람직하게는 78℃ 내지 105℃인 것이 좋으며, 더 바람직하게는 80℃ 내지 90℃인 것이 좋다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼은 바람직하게는 솔더볼 전체의 중량에 대하여 비스무스(Bi)는 50 내지 60 중량% 포함되는 것이 좋다. 상기 범위 미만인 경우 주석의 용융점을 효과적으로 하강시키지 못하고, 고상선의 온도를 높여서 원하는 용융점을 맞출 수 없는 문제점이 있고, 상기 범위 초과인 경우 솔더의 경도를 높여서 신뢰성 저하를 유발시키는 문제점이 있다.
인듐(In)은 열피로 저항성이 우수하고 솔더의 유동성을 증가시켜 납땜성을 향상시키는 역할을 하며, 솔더의 인장 강도를 증가시켜 비스무스의 취성을 보완하고, 저온 솔더링이 가능하도록 비스무스(Bi)와 함께 용융점을 낮추어 접합 모재가 되는 전자부품의 열충격으로 인한 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 인듐(In)은 솔더링으로 하여금 접합된 구조물 사이의 열팽창계수가 불일치할 경우 이를 수용할 수 있게 하는 척도가 되는 연성을 증가시켜 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼은 바람직하게는 솔더볼 전체의 중량에 대하여 인듐(In)이 15 내지 30 중량% 포함되는 것이 좋다.
상기 범위 미만인 경우 솔더의 접착 강도가 저하되고, 원하는 솔더의 용융점을 얻을 수 없으며, 상기 범위 초과인 경우 용융점과 젖음성이 급격히 감소하는 문제가 있을 수 있다.
주석(Sn)의 함량은 본 기술분야의 당업자가 주지하듯이 포함되는 구성성분들의 함량을 제외한 나머지가 되며, 분 발명의 실시예에 따른 솔더볼에는 전술한 성분 이외에도 제조상 불가피한 불순물이 더 포함될 수 있다.
한편, 주석(Sn)은 주석에 포함되어 있는 불순물이 필터링된 정제 주석을 사용하는 것이 좋다. 필터링을 통하여 99.9% 내지 99.99% 순도의 주석에 존재하는 납(Pb), 철(Fe), 비스무스(Bi), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 불순물들이 제거되어 불순물 각각의 농도가 10ppm 이하로 포함된 정제 주석을 제공할 수 있다.
주석의 필터링을 통해 용융 솔더볼 내에 미세 산화물이나 합금 제조 시 발생하는 미세 이물질을 제거하여 솔더볼 제조 시 작업성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이 미세 산화물 및 이물질 등이 솔더볼 내 존재하게 되면 리플로우(Reflow) 과정에서 기공 형성을 야기하는 원동력으로 작용하게 된다. 이렇게 형성된 미세 기공들은 표면 에너지를 감소시키려 하기 때문에 하나의 기공으로 성장한다. 성장된 기공들에 의해 인쇄회로기판과의 결합면적이 감소하기 때문에 솔더볼의 신뢰성에 악영향을 주게 된다. 또한, 솔더볼에 가해지는 기계적 열적 에너지의 저장소 역할을 하게 되며 이 저장된 에너지는 재료의 파괴에 결정적인 역할을 하게 된다.
또한 정제 주석은 정제되지 않은 주석에 비하여 머시 영역(Mushy Region)을 최소화시킬 수 있다. 머시 영역은 액상과 고상이 동시에 존재하는 영역으로서, 각각의 원소들은 하나의 상으로 존재하며, 액상에서 고상으로 바뀔때 Pb, Fe 등 불순물이 있을 경우 이런 불순물들이 핵생성 사이트를 만들어 응고되는 시간을 늘려 머시영역이 늘어나게 된다. 솔더볼 접합 시 빠른 반응이 일어나야 하는데, 머시영역이 클 경우에는 반응시간이 길어져 접합반응을 느리게 하므로 머시영역은 최소화 되어야 한다.
또 다른 한편, 주석(Sn)은 진공정련을 통해 정제되어 저알파 방사선을 방출하는 주석을 사용할 수 있다. 각 원소들의 증기압의 차이를 이용하여 주석으로부터 납(Pb) 및 비스무스(Bi)와 같은 불순물을 PPB(Parts PerBillion) 레벨 이하 또는 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS, Inductively Coupled Plasma MassSpectrometry)로 검출할 수 없는 수준으로 제거하여 알파 방사선의 방출을 최대한 억제함으로써 전자제품의 소프트 에러 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 솔더볼은 취약한 강도의 보완을 위해 코발트(Co)를 0.01 내지 0.1 중량% 더 함유하는 것이 바람직하다.
코발트(Co)는 주석(Sn)과 4방정계 구조의 CoSn2 화합물을 형성하여 솔더 전체에 고루 분포할 수 있다. 이때, CoSn2 화합물은 내부 계면에너지를 감소시키기 때문에 입계를 미세하게 하고, 이에 따른 기계적 강도와 열충격 성능을 높이는데 효과가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼의 제조방법은 상기 솔더볼에 포함되는 성분을 상기 함량의 무게비로 칭량하여 고주파진공유도로(High frequency vacuum electric induction furnace)에 투입하고, 불활성 분위기하에서 승온 프로파일에 따라 합금으로 제조하는 것이다.
더욱 구체적으로, 50 내지 60 중량%의 비스무스(Bi), 15 내지 30 중량%의 인듐(In), 0.01 내지 0.1 중량%의 코발트(Co) 및 잔부의 주석(Sn)을 고주파진공유도로에 투입하고, 진공도를 3.0ㅧ10-2 내지 6.0ㅧ10-2 torr의 압력으로 유지한 후, 750 내지 760 torr로 불활성가스로 퍼징(purging)하여 불활성 분위기를 유지한다.
진공도가 10-1 torr으로 떨어지면 산소가 주석과 반응하여 주석산화물이 다량 형성되게 된다. 고주파진공유도로에서 합금을 제조하는 경우에는 주석이 산소와 반응하여 주석산화물(SnO2)을 형성하는 불필요한 반응이 억제되면서 상대적으로 다른 원소의 함량 변화가 적어 편석률을 감소시킨다.
또한 고주파진공유도로의 전기적 와류에 의한 교반력은 종래 전기로를 이용하는 방법의 기계적인 교반력보다 우수하며, 대기 중에서 작업하는 것이 아니라 불활성 분위기 하에서 작업이 이루어지게 됨으로써, 편석을 더욱 억제한다.
또한 상기 퍼징(purging)은 고주파진공유도로 내부의 합금을 화학적 또는 물리적 반응을 일으키지 않는 불활성 기체로 중화 처리하는 것을 의미하며, 퍼징 후 5분 내지 15분 간 유지하는 것이 바람직하다.
승온 프로파일은 1차 승온 후 유지 단계 및 2차 승온 후 유지 단계를 포함한다. 1차 승온 온도는 600 내지 800℃인 것이 바람직하고, 2차 승온 온도는 1000 내지 1200℃인 것이 바람직하다. 1차 승온 및 2차 승온은 5분 내지 15분간 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 1차 승온 후, 2차 승온 후에 각각 유지 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 1차 승온 후에는 5 내지 15분간, 2차 승온 후에는 50 내지 70분간 유지하는 것이 바람직하다.
즉, 퍼징 후 600 내지 800℃로 5 내지 15분간 승온 후, 5 내지 15분간 유지하고, 다시 1000 내지 1200℃로 5 내지 15분간 승온 후 50 내지 70분간 유지하는 승온 프로파일을 통해 솔더 합금을 제조한다. 2차 승온 후 50 내지 70분간 유지함으로써 비중이 서로 다른 구성 원소들을 균질하게 합금화 시킬 수 있다.
<본 발명의 제2측면>
본 발명의 제2측면은 솔더 페이스트 조성물이 제공된다. 상기 솔더 페이스트 조성물은 솔더볼과 플럭스 조성물을 포함하여 이루어진다.
상기 솔더볼은 전술한 제1측면의 솔더볼과 동일하므로 자세한 설명을 생략한다.
솔더 페이스트 조성물 전체 중량에 대하여 솔더볼은 85 내지 90 중량% 포함되고, 플럭스 조성물은 10 내지 15 중량% 포함된다.
본 발명의 플럭스 조성물은 솔더링 공정에서 사용하는 공지의 다양한 플럭스에서 선택될 수 있는데, 대표적으로는 용제, 활성제, 칙조제를 함유하는 로진(Rosin) 베이스의 로진계 플럭스를 사용할 수 있다.
용제(Solvent)는 Reflow의 Pre-heating 구간에서 일부 휘발되어 인쇄된 형상을 유지하며, 12~24시간 인쇄함에 있어 증점으로 인한 인쇄성을 유지 할 수 있는 역할로서, 디에틸렌 글라이콜 모노헥실 에테르(eHDG), 트리에틸렌 글라이콜 모노부틸 에테르(BTG), 에틸 아세테이트, 헥산 디올, 글리세린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다.
용제는 상기 플럭스 조성물 전체 중량에 대하여 35 내지 45 중량%로 포함된다. 용제 함량이 35 중량부 미만인 경우 점도가 높아 인쇄 시 롤링, 빠짐성이 부족하여 접합 특성이 약한 문제점이 있고, 50 중량부를 초과할 경우는 점도가 낮아 인쇄시 Bridge 발생으로 부품간의 Short가 발생하는 문제점이 있기 때문이다.
로진(Rosin)은 저융점 솔더 페이스트의 Rheology 특성 중 점도, 칙소를 부여하여 인쇄 및 빠짐성을 용이롭게 하는 역할로서 하이드로제네이티드 로진(Hydrogenated Rosin), 중합 로진(Polymerized Rosin), 로진 에스테르(Rosin ester), 안정화 로진 에스테르(Stabilized rosin ester) 을 포함하는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다.
로진은 상기 플럭스 조성물 전체 중량에 대하여 40 내지 50 중량%로 포함된다. 로진 함량이 상기 범위 미만인 경우 점도 및 점착성이 낮아 인쇄시 롤링, 빠짐성이 부족하여 접합 특성이 약한 문제점이 있고, 상기 범위를 초과할 경우는 점도 및 점착성이 높아 인쇄시 스퀴지나 메탈 마스크에 들러 붙음으로 인해 인쇄서 불량이 발생하는 문제점이 있다.
활성제(Activator)는 조성물에 포함되어 기판 패드의 오염물 및 솔더의 산화물 제거를 용이하게 하여 금속 접합이 용이롭게하는 역할로서 프로피온산(Propanoic acid), 아디프산(Adipic Acid), 숙신산(Succinic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 테트라데칸산(Tetradecanoic Acid), 디메틸올프로피온산(dimethylol propionic acid) 및 글루타르산(Glutaric acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다. 바람직하게는 프로피온산, 아디프산, 숙신산 및 디메틸올프로피온산, 글루타르산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 글루타르산을 반드시 사용하는 것이 좋다.
활성제는 상기 플럭스 조성물 전체 중량에 대하여 5 내지 12 중량%로 포함된다. 상기 범위 미만인 경우 산화막 제거가 용이하지 않아 솔더링성이 떨어지는 문제점이 있고, 상기 범위를 초과할 경우는 페이스트 경시변화의 문제점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 저융점 솔더 페이스트 조성물은 칙소제(Thixotropic)를 더 포함하여 조성물의 점도를 조절한다. 상기 칙소제는 Wax류, Thixo ST, Glycol Powder, Powder Type의 분말로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상일 수 있다.
칙소제는 상기 플럭스 조성물 전체 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함된다. 칙소제의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 인쇄(Printing) 작업 이후 플럭스(Flux)가 퍼짐으로 인한 공정상의 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 인쇄(Printing) 작업 시 들러붙음으로 인한 빠짐성 및 열을 가했을 때 칩(Chip) 내부에 퍼져서 면적을 채움에 있어 문제점 발생할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 저융점 솔더 페이스트 조성물은 활성 촉진제, 분산제 및 소포제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 저융점 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 솔더 범프를 이용한 칩 본딩 공정을 수행하는 경우, 다양한 본딩 방식에 범용적으로 사용될 수 있으며, 본딩 공정의 여러 가지 프로세스를 통합하여 수행할 수 있다. 구성하는 솔더의 입자 사이즈를 자유롭게 조절 할 수 있어 파인 피치(Fine pitch) 구현 및 솔더 범프 디자인이 용이한 효과를 제공한다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 저융점 페이스트 조성물을 이용한 본딩 공정은 도 1에 나타낸 것과 같이 Sn-Bi-In 각 3개의 금속의 함량에 따라 원하는 용융점과 Tight한 Mushy zone을 형성하여 저온에서 솔더볼을 구성하고, 저온에서 솔더가 용융 할 수 있도록 돕는 역할의 Flux로 구성된 페이스트를 인쇄(Printing)하여, 저융점 페이스트 조성물을 PCB 기판 상에 도포한다. 솔더 범프가 형성된 반도체 칩을 저융점 솔더 페이스트 조성물이 도포된 PCB 기판 상에 위치시킨 후 본딩 영역 전극과 솔더를 접촉시킨다.
이때, 열풍방식의 Reflow의 예비가열 온도는 25도 내지 110도로 시간은 120초 내지 240초, Peak Temperature를 110 내지 130℃ 온도로 가열하고, 유지하는 시간은 60초 내지 120초에 상기 반도체 칩을 본딩(Bonding) 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 저융점 솔더 페이스트를 이용한 본딩 방법은 낮은 온도의 공정에서 부품을 실장 할 수 있어 열로 인한 다른 부품의 데미지를 최소화 할 수 있으며, 플렉서블한 기판의 휨(Warpage)를 줄일 수 있어 제품 불량에 대한 비용이나 본딩 공정에 필요한 장비, 비용 및 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
이하 본 발명의 제조예, 실시예 및 비교예들을 살펴본다.
제조예
<제조예 1 : 플럭스 조성물 제조>
표 1의 성분 및 배합비로 4종의 활성제를 사용하여 플럭스 조성물을 제조하였다.
용제인 디에틸렌 글라이콜 모노헥실 에테르(eHDG) 41g와 로진 Hydrogenated rosin 30g, Stabilized rosin ester 14g을 혼합하여 180도 온도에 30분간 가열 믹싱후, 4종의 활성제 프로피온산 1g, 아디프산 2g, 숙신산 2g, 글루타르산 2g을 넣고 1분간 믹싱을 한다. 이후 130도 온도까지 하강 후 칙소제인 Castor wax 7g을 첨가하여 3분간 믹싱을 한다. 합성이 완료된 Flux는 20℃ 냉각판에서 1시간 냉각 및 안정화를 하여 플럭스 조성물을 제조하였다.
<제조예 2 내지 4 : 플럭스 조성물 제조>
표 1의 성분 및 배합비로 제조예1과 같은 방법을 사용하여, 제조예 2 내지 4의 플럭스 조성물을 제조하였다.
| 플럭스 조성물 | 플럭스 조성물 중량 (g) | ||||
| 제조예 1 | 제조예 2 | 제조예 3 | 제조예 4 | ||
| 용제 | eHDG | 41 | 41 | 41 | 41 |
| 로진 | Hydrogenated rosin | 30 | 30 | 30 | 30 |
| Stabilized rosin ester | 14 | 14 | 14 | 14 | |
| 활성제 | 프로피온 산 | 1 | 2 | 2 | 4 |
| 아디프 산 | 2 | 2 | 2 | 2 | |
| 숙신 산 | 2 | 3 | 4 | 2 | |
| 글루타르 산 | 3 | 1 | 0 | 0 | |
| 칙소제 | Castor wax | 7 | |||
실시예 및 비교예
<실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2 : 저융점 솔더볼 제조>
상기 제1측면의 솔더볼 제조방법에 의하여 하기 표 2의 성분 및 배합비로 혼합하여 솔더볼을 제조하였다.
| No. | Composition(wt%) | |||
| Sn | Bi | In | Co | |
| 실시예1 | Remain | 55 | 28 | 0.02 |
| 실시예2 | Remain | 56 | 18 | 0.1 |
| 실시예3 | Remain | 51 | 30 | 0.03 |
| 실시예4 | Remain | 60 | 19 | 0.03 |
| 비교예1 | Remain | 55 | 28 | 0 |
| 비교예2 | Remain | 56 | 18 | 0 |
| 비교예3 | Remain | 35 | 45 | 0.1 |
<실시예 3, 비교예 4 내지 7: 솔더 페이스트 조성물 제조>
실시예 1 내지 2의 솔더볼과 제조예들의 플럭스 조성물을 사용하여 아래 표 3의 성분 및 배합비로 솔더 페이스트 조성물을 제조하였다.
이때 저융점 솔더 페이스트에 대해 실시예 및 비교예들의 솔더볼의 함유량은 88 중량%, 제조예의 플럭스 조성물의 함유량은 12 중량%로 구성을 하여, 동중량비로 planetary Mixer 장비에 투입을 하고 15rpm의 교반속도로 30분간 교반하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
| 솔더 페이스트 조성물 | ||
| 솔더볼 (88 wt%) | 플럭스 조성물 (12 wt%) | |
| 실시예 5 | 실시예 1 | 제조예 1 |
| 실시예 6 | 실시예 1 | 제조예 2 |
| 실시예 7 | 실시예 2 | 제조예 1 |
| 실시예 8 | 실시예 2 | 제조예 2 |
| 비교예 4 | 비교예 1 | 제조예 1 |
| 비교예 5 | 비교예 2 | 제조예 2 |
| 비교예 6 | 비교예 3 | 제조예 3 |
| 비교예 7 | 실시예 1 | 제조예 4 |
실험예
<실험예 1: 용융점측정>
상기 실시예 1 내지 2와 비교예 1 내지 3 에 따라 제조된 솔더볼에 대하여 시차주사 열량측정법 (differential scanning calorimetry, DSC)으로 분석하였고, 고상선(Solidus Line)과 액상선(Liquidus Line)의 온도를 하기 표 4에 나타내었다.
용융점은 DSC 분석을 통해 확인되는 솔더가 용융되는 On-set(녹기 시작하는 온도)값과 End(완전히 녹은 온도값)을 기준으로 확인되었다.
표 4에 나타나는 것과 같이 실시예 1 내지 2의 솔더볼의 용융점 범위가 79.7℃ 내지 105℃로서, 기존의 Sn-Bi계 합금의 용융점과 유사하게 저융점인 것을 확인할 수 있었다.
| No. | Composition(wt%) | Sol. (℃) |
Liq. (℃) |
|||
| Sn | Bi | In | Co | |||
| 실시예1 | Remain | 55 | 28 | 0.02 | 80.1 | 88.3 |
| 실시예2 | Remain | 56 | 18 | 0.1 | 79.7 | 105 |
| 비교예1 | Remain | 55 | 28 | 0 | 80.4 | 84.5 |
| 비교예2 | Remain | 56 | 18 | 0 | 79.3 | 106 |
| 비교예3 | Remain | 35 | 45 | 0.1 | 76 | 78 |
<실험예 2: 솔더볼 판정>JIS_Z_3284 기준 Solder 용융 시험 방법으로 솔더 조성의 액상선 온도보다 50도가 높은 126도의 온도에서 1분 가열을 하여, 실시예 5 내지 8, 비교예 4 내지 7의 솔더 페이스트 조성물을 평가 하였다.
도 3 참고 시 하나의 덩어리로 용융 되었을 때를 OK, 하나의 덩어리 형태가 아닌 여러 개로 용융이 되거나 녹지 않은 Powder가 있을 경우 NG로 판정 하였으며, 실험 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
| 솔더볼 판정 | |
| 실시예 5 | OK |
| 실시예 6 | OK |
| 실시예 7 | OK |
| 실시예 8 | OK |
| 비교예 4 | NG |
| 비교예 5 | NG |
| 비교예 6 | NG |
| 비교예 7 | NG |
<실험예 3: 전단강도>실시예 3과 비교예 4의 솔더 페이스트 조성물을 경화시켰을때 상대적인 전단강도 특성 비교를 하였다.
접합 시 열전달 방식은 열풍방식의 Reflow를 사용하여 예비가열 온도는 80도로 시간은 200초, Peak Temperature를 110도로 가열하고, 유지하는 시간은 약 60초로 진행하며, 기판의 Pad Finish는 Cu-OSP가 처리된 Pad 위에 반도체 칩(사이즈 : 1005)을 위 온도 가열 조건으로 본딩(Bonding)을 한다.
접합된 부품의 전단강도 평가는 Dage4000 전단 평가용 설비를 이용하여 실시한다. 제작된 기판의 바닥면을 기준으로 20㎛ 띄운후 5kg/f로 200mm/min 속도로 수평으로 밀었을 때 작용되는 힘의 에너지를 확인하여 접합된 전단강도 실험 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
| 전단강도(g/f) | |
| 실시예 5 | 891 |
| 실시예 6 | 878 |
| 실시예 7 | 862 |
| 실시예 8 | 857 |
| 비교예 4 | 798 |
| 비교예 5 | 653 |
상기 측정된 전단강도 실험 결과 값에 의해서, Co를 0.01 중량%이상 함유한 솔더볼을 사용하는 경우 800 내지 900g/f의 양호한 전단강도를 가지는 것을 알 수 있고, Co를 포함하지 않는 솔더볼을 사용하는 것과 비교하여 전단강도가 7% 이상 향상되어 강도가 우수한 것을 확인하였다.전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 50 내지 60 중량%의 비스무스;
15 내지 30 중량%의 인듐(In);
0.01 내지 0.1 중량%의 코발트(Co); 및
잔부의 주석(Sn)을 포함하고, 용융점이 75℃ 내지 110℃ 인 솔더볼. - 제1항에 있어서,
상기 솔더볼은 CoSn2 화합물을 포함하는 솔더볼. - 제2항에 있어서,
상기 인듐(In)은 20 내지 30 중량% 포함되는 솔더볼. - 제3항에 있어서,
상기 주석(Sn)은 납(Pb), 철(Fe), 비스무스(Bi), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 불순물의 농도가 10ppm 이하로 포함되어 99.9% 내지 99.99% 순도를 갖는 것인 솔더볼. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 솔더볼; 및
용제, 활성제, 칙소제 및 로진(Rosin)을 포함하여 구성되는 플럭스 조성물을 포함하고,
상기 솔더볼은 85 내지 90 중량%, 상기 플럭스 조성물은 10 내지 15 중량% 포함되는 솔더 페이스트 조성물. - 제5항에 있어서,
상기 활성제는 상기 플럭스 조성물의 5 내지 12 중량%로 포함되는 솔더 페이스트 조성물. - 제6항에 있어서,
상기 활성제는 프로피온산(Propanoic acid), 아디프산(Adipic Acid), 숙신산(Succinic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 테트라데칸산(Tetradecanoic Acid), 디메틸올프로피온산(dimethylol propionic acid) 및 글루타르산(Glutaric acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 솔더 페이스트 조성물. - 제7항에 있어서,
상기 활성제는 프로피온산, 아디프산, 숙신산 및 디메틸올프로피온산, 글루타르산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 솔더 페이스트 조성물. - 제8항에 있어서,
상기 활성제는 상기 글루타르산을 포함하고, 상기 글루타르산은 상기 플럭스 조성물의 1 내지 3 중량%로 포함되는 솔더 페이스트 조성물. - 제9항에 있어서,
상기 용제는 상기 플럭스 조성물의 35 내지 45 중량%로 포함되고, 디에틸렌 글라이콜 모노헥실 에테르(eHDG), 트리에틸렌 글라이콜 모노부틸 에테르(BTG), 에틸 아세테이트, 헥산 디올, 글리세린으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 솔더 페이스트 조성물. - 제10항에 있어서,
상기 로진은 상기 플럭스 조성물의 40 내지 50 중량%로 포함되고, 하이드로제네이티드 로진(Hydrogenated Rosin), 중합 로진(Polymerized Rosin), 로진 에스테르(Rosin ester), 안정화 로진 에스테르(Stabilized rosin ester) 을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 솔더 페이스트 조성물. - 제11항에 있어서,
상기 칙소제는 상기 플럭스 조성물의 5 내지 10 중량%로 포함되고, Wax류, Thixo ST, Glycol Powder, Powder Type의 분말로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 솔더 페이스트 조성물. - 제12항에 있어서,
Cu-OSP(Organic solderability preservative)가 처리된 패드(Pad) 위에 상기 솔더 페이스트 조성물을 도포하고, 상기 조성물상에 반도체 칩(사이즈 : 1005)를 올린 후 예비가열 온도는 80도, 유지시간은 200초, 피크 온도(Peak Temperature)를 110도, 유지시간은 약 60초로 리플로우 하여 접합(Bonding)한 후 측정한 접합부의 전단강도가 800 내지 900g/f 인 솔더 페이스트 조성물.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210130435A KR20230047300A (ko) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 저융점 솔더볼 및 이를 이용하여 제조된 솔더 페이스트 조성물 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR (1) | KR20230047300A (ko) |
-
2021
- 2021-09-30 KR KR1020210130435A patent/KR20230047300A/ko unknown
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