KR900000168B1 - 반도체 기구용 리이드 재료(半導體 機構用 lead 材料) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

반도체 기구용 리이드 재료(半導體 機構用 lead 材料)

본 발명은 반도체 기구에 관한 것으로, 더욱 상세히 말하자면 트랜지스터, 집적회로 등과 같은 반도체 기구용의 리이드 재료에 관한 것이다.

본 기술분야에 잘 공지되어 있는 바와 같이, 반도체 기구용 리이드 재료로서는 소자와 세라믹 재료의(팽창)계수에 근사한 선팽창계수를 갖는 Fe-42%Ni을 사용하는 것이 일상적인 실시기술이다.

이와 같은 Fe-42%Ni합금은 Ni함량이 대단히 높기 때문에 이것은 동합금보다 경제성이 빈약하다.

집적회로의 제작에 있어서는 경제성이 높아야 하는 것이 필수적이다. 따라서 저렴한 동합금(銅合金)이 Fe-42%Ni에 대한 대체물로서 연구 및 개발되어 왔다. 실제로 소자와 리이드 사이의 선팽창계수 차이에 기인하는 열응력의 문제점은 쿳셔닝 매체로서 텅스텐이나 몰리브덴 박막을 삽입하거나 땜납이나 전도성 수지 접착제를 사용하는 등의 기술에 의하여 이제는 해결되었다. 또한 종래에는 고가의 세라믹이 접착제로서 사용되어 유리와 밀봉되었으나, 이들은 이제 원가절감을 위하여 저렴한 수지로 대체되었다. 수지는 동합금의 계수에 근사한 선팽창계수를 갖고 합금에 대한 양호한 치화력을 갖는 다는 점에서 이로운 것이다.

집적도가 증가함에 따라, 소자에 발생된 주울열(Joul heat)을 분산시키기 위한 방열판이 마련되도록, Fe-42wt%Ni을 설계하여야 한다.

상기한 바로부터 알 수 있는 바와 같이 동합금을 종래의 Fe-42wt%Ni대신에 반도체 기구용 리이드 재료로서 사용하는 경우 큰 이점을 갖게 된다. 그러나 Fe-42wt%Ni는 높은 강도와 큰 신도 및 양호한 내열성을 갖는다는 점에서 유리하다는 것을 유의하여야 한다.

일반적으로 반도체 기구용 리이드 재료는, 강도가 높고, 리이드 굴곡 피로성이 양호하고, 경도가 높고, 열전도성과 전기전도성이 좋으며, 내부식성이 양호하고, 응력부식 균열에 대한 저항성이 양호하며, 납부착도가 양호하고, 도금된 주석과 땜납 박리에 대한 저항성이 양호하며, 금이나 은의 도금성이 양호하고, 각인성이 양호하고, 가격이 저렴하여야 한다는 요건을 만족시켜야 한다.

반도체 기구용 리이드 재료로서 적당한 동합금증 Cu-Ni-Si합금은 Fe-42wt%Ni과 거의 동일한 기계적 성질과 내열성을 갖는다고 생각된다. 그러나 이 합금은 고온가공성이 빈약하며, 150℃온도에 유지하는 경우 수일내에 도금된 주석과 땜납이 박리되고 금이나 은의 도금성이 더욱 악화된다는 점에서 역시 불리하다.

본 발명의 목적은 공지된 Fe-42wt%Ni 보다 더욱 경제적이며 공지된 합금에 비견되는 특성을 갖는, 반도체 기구용 동합금 리이드 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 양호한 고온가공성과, 주석과 땜납의 박리에 대한 높은 저항성과 양호한 납부착성 및 금, 은 등의 양호한 도금성을 갖는 동합금 리이드 재료를 제공하는 것이다.

상기의 목적은 본 발명에 따르는 반도체 기구용 리이드 재료에 의하여 수행되는 바, 이것은 0.4 내지 4.0중량%의 Ni와, 0.1 내지 1.0중량%의 Si와, 0.05 내지 1.0중량%의 Zn과, 0.01 내지 1.0중량%의 Mn과, 0.001 내지 0.01중량%미만의 Mg와, 0.001 내지 0.01중량%미만의 Cr과, 0.003중량%까지의 S와, 그 나머지 양의 Cu 및 불가피한 불순물을 포함한다. 재료내의 S는 Mg와의 화합물형인 것이 바람직하며 대표적인 것은 MgS이다. 이 물질은 5ppm까지의 수소와 5ppm까지의 산소를 더 함유한다.

본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르는 리이드 물질에 함유된 그의 성분과 양을 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ni는 기계적 강도를 개량시킬 수 있는 원소이다. Ni의 함량이 0.4중량%이하이면, Si가 0.1 내지 1.0중량% 범위로 함유되어 있더라도 개량을 기대할 수 없다.

한편, 함량이 4.0중량%를 초과하면 가공성이 빈약하게 되고, 기계적 강도의 증진을 그만큼 기대할 수 없다. 따라서 Ni의 함량은 0.4 내지 4.0중량%이다.

Si는 기계적 강도를 개량시키는 원소이다. 그 양은 0.1중량%이하이면 부적당하다. 왜냐하면 Ni가 0.4 내지 4.0중량%양으로 사용되더라도 강도의 개량을 기대할 수 없기 때문이다.

또한 높은 전기전도성도 부여될 수 없다. 함량이 1.0중량%를 초과하면 가공성과 전기전도성이 납부착성의 하강과 함께 감소한다. 따라서 Si의 함량은 0.1 내지 1.0중량% 범위이다.

Zn은 주석과 땜납의 박리저항을 증진시키는데 필수적이다. 이 효과는 그 함량이 0.05중량%미만인 경우 나타나지 않는다. 함량이 1.0중량%를 초과하면 납부착성이 감소한다. 따라서 Zn의 함량은 0.05 내지 1.0중량% 범위이다.

Mn은 용융금속의 청정능을 가져와 고온가공성을 증진시킬 수 있는 원소이다. 그러나 그 함량이 0.01중량%미만인 경우 고온가공성은 증진될 수 없다. 1.0중량%를 초과하면 전기전도성과 납부착성이 상당히 감소된다. 따라서 Mn의 함량은 0.01 내지 1.0중량% 범위이다.

Mg은 S를 매트릭스(matrix phase)내의 안정된 Mg화합물로 고정시킴으로써 우수한 고온가공성을 확보하는데 필수적이다. 0.001중량%나 그 이하의 양은 부적당하다. 왜냐하면 S는 안정한 MgS로 전환되지 않으나 S는 그대로 또는 MnS의 형태로 존재하기 때문이다. S나 MnS는 고온압연을 위한 가열중, 또는 고온 압연과정중 조직경계로 이동하는 경향이 있어서 균열이 생기게 한다.

한편 함량이 0.01중량%를 초과하면 Cu+MgCu₂의 공비혼합물 (722℃의 융점을 갖는다)이 주괴(鑄塊)내에 형성된다. 주괴가 722℃이상으로 가열되면 균열이 발생하고, 용융금속이 산화되어, 용융금속의 유동성이 상당히 감소되고 이에 따라 주괴는 온전하지 못하게 된다. 따라서 Mg의 함량은 0.001 내지 0.01중량%미만이다.

Cr은 양호한 고온가공성을 확보함에 필수적이다. 그 함량이 0.001중량%미만이면 고온가공성이 개량될 수 없다.

0.01중량%를 초과하면 용융금속이 산화되어 용융금속의 유동성이 감소된다. 따라서 주괴가 온전하게 되지 않는다.

S는 노의 도관과 같은 내화재료와 연료 및 분위기 가스와 같이 여러 급원으로부터 용융금속에 포함된다. S는 용융금속내에 그대로 또는 MnS의 형태로 존재하며, 이것은 가열이나 고온가공에 의한 균열을 유발하는 주인자이다. 더우기 유황은 귀금속의 도금성과 땜납의 습윤성을 하강시키는 역할을 한다. 그 함량이 0.003중량%를 초과하면 열을 가하기만 하여도 조직내 균열이 생긴다. S의 함량이 0.0033중량%이하이면 Mg가 0.001 내지 0.01중량%미만의 양으로 사용되었기 때문에 S와 MnS는 가장 안정한 MgS로 전환될 수 있다. 따라서 S의 함량은 0.003중량%까지 이어야 한다.

본 발명의 리이드 재료는 수소와 산소를 더 함유할 수 있다.

그러나 수소가 5ppm이상의 양으로 함유되면 미세기포가 최종제품에 형성되며, 따라서 수소의 함량은 5ppm이나 그 이하까지 제한된다. 산소의 양이 5ppm을 초과하면 귀금속의 도금성이 감소되며 따라서 소자를 함께 결합시키기가 곤란하게 된다. 그러므로 산소의 함량은 5ppm 또는 그 이하이다.

본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

표 1에 개지된 성분과 백분율 함량을 갖는 합금을 각각 공기중 크립틀 노(kryptle furnace)에서 용융시키고, 한편 목탄으로 피복시켜서 두께 60mm, 폭 60mm, 길이 180mm를 갖는 주괴를 얻었다.

다음에 본 발명의 합금과 주괴형태의 비교합금으로부터 미세시료를 취한 후 X-선 미량분석기로 미세한 이물질(異物質)을 정성 분석하였다. 이물질이나 그 주위의 S의 존재와, S와 공존하는 원소의 형을 검사하였다.

또한 압연방향에 평행하는 방향으로 시료를 취하고, ASTM에 기술된 an E8시험편을 사용하여 인장강도와 신도를 측정하였다. 납부착도는 다음과 같이 평가하였다 : 시험편은 수직침지법에 의하여 약 활성유속(알파 611)에 침지시키고, 230℃ 온도의 Sn60-Pb40 땜납욕에 5초간 더 침지한 다음 땜납의 습윤상태를 육안으로 관찰하였다.

땜납의 가열 박리성 시험은 다음과 같이 수행하였다 : 땜납된 시료를 150℃의 노에 500시간동안 유지시킨 다음 90℃로 굴곡시켜 땜납의 부착을 측정하였다. 판의 부착은 다음과 같이 수행하였다 : 3μm 두께의 Ag층을 시료상에 직접 도금하고 450℃의 온도로 5분간 가열한 다음 표면상의 기포수를 10배 확대경으로 관찰하였다.

본 발명 합금과 비교합금의 시험결과가 다음 표 2에 기재되어 있다.

[표 1]

[표 2]

표 2로부터 명확한 바와 같이 본 발명 합금은 만족스러운 인장강도와, 땜납의 가열박리에 대한 저항성과, 도금부착성과, 기포저항성을 갖는다. S가 모두 실질적으로 MgS로 구성되는 화합물로 전환된 주괴의 고온가공성은 S이 함량이 0.003중량%이하인 경우에 양호하다.

본 발명합금 즉 합금 No.4와 비교합금 사이의 차이를 상세히 설명하기로 한다.

비교합금 6은 0.0035중량%의 S를 함유하나 Mg는 함유하지 않으며, 따라서 MnS와 S가 부적당하게 존재하고, 고온압연이 불가능하며 납부착도는 불량하다. 또한 Zn의 함량은 0.01중량%정도로 적기 때문에 시료를 150℃의 온도에서 48시간동안 유지시키는 경우 땜납은 벗겨지고 도금된 은에는 기포가 생긴다. 비교합금 7은 Mn과 Cr을 함유하지 않기 때문에 고온압연이 불가능하다.

수소가 8ppm의 양으로 함유되어 있기 때문에 최종생성물의 표면상에는 참깨-형의 기포가 다수 관찰 되었다. 함량은 1.21중량%정도로 높기 때문에 납부착도는 불량하다. 또한 도금된 은은 가열후에 기포가 발생한다. 이것은 산소함량이 6ppm정도로 높기 때문이다.

비교합금 8의 Mg함량은 0.013중량%로 높기 때문에 박리성이 빈약하다. 고온가공성은 불가능하다. Mn이 1.21중량%의 양으로 함유되어 있으므로 납부착도는 양호하지 못하다.

비교합금 9는 S함량이 0.0034중량%이고 Mg가 없기 때문에 MnS와 S가 주괴내에 존재한다. 따라서 고온가공성은 불가능하고 냉가공법으로 제조된 쉬이트의 납부착도는 빈약하다. Zn함량이 0.03중량%정도로 적고, 그 결과 땜납이 단기간내에 박리된다. 한편 수소함량이 7ppm정도로 크기 때문에 재료자체에 기포가 있다. 산소함량이 대단히 높으므로 도금된 은이 기포를 갖는다.

비교합금 10의 S함량은 0.0036중량%이나 Mg의 함량은 0.003중량%로 적기 때문에 MgS, S 및 MnS가 모두 합금내에 존재한다. MnS와 S가 다량으로 함유되어 있으므로 MnS가 0.17중량%의 양으로 함유되어 있는 사실에도 불구하고 고온가공성이 불가능하다. 수소의 함량이 8ppm으로 높으므로 주괴는 기포를 함유한다.

Claims (3)

1. 0.4 내지 4.0중량%의 Ni와, 0.1 내지 1.0중량%의 Si와, 0.05 내지 1.0중량%의 Zn과, 0.01 내지 1.0중량%의 Mn과, 0.001 내지 0.01중량%미만의 Mg와, 0.001 내지 0.01중량%미만의 Cr과, 0.003중량%까지의 S 및 그 나머지 양의 Cu와 불가피한 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는, 반도체 기구용 리이드 재료.
2. 제1항에 있어서, S가 실질적으로 MgS의 형인 것을 특징으로 하는 리이드 재료.
3. 제1 또는 제2항에 있어서, 5ppm까지의 수소와 5ppm까지의 산소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 리이드 재료.