KR920007121B1 - 전자회로 장치 - Google Patents

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KR920007121B1
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료헤이 사또오
가즈오 히로따
다까지 다께나까
히데끼 와따나베
도시노리 아메야
도시히꼬 오오따
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가부시끼가이샤 히다찌세이사꾸쇼
미따 가쓰시게
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Abstract

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Description

전자회로 장치
제1도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 전자회로 장치를 나타내는 부분절취개략사시도.
제2도는 본 발명의 일실시예에서 사용한 Au-Ge솔더재의 2원계 상태도.
제3도는 본 발명의 일실시예에 있어서 전자회로 장치의 리드핀 접합부분를 나타내는 단면도.
제4도는 본 발명 및 비교예에 있어서의 전자회로 장치의 리드핀 접합부분 및 그 근방에 있어서의 열응력 분포를 나타내는 도, 및
제5도는 본 발병의 전자회로 장치에 있어서의 리드핀 접합부분의 일반예를 나타내는 단면도이다
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 소자 2 : 세라믹기관(부도체)
3 : 냉각 수단 4 : 캡
6 : 리드핀 7 : 배선보드
8, 9, 10, 11, 14 : 솔더재 13 : 12와 14의 경계
본 발명은 리드핀을 갖는 세라믹 기관을 구비한 전자회로 장치에 관한것이고, 특히 리드핀 접합패드 단부에서 세라믹의 파괴를 방지함에 적당한 전자회로 장치에 관한것이다.
종래, 알루미나 세라믹기판을 사용한 회로의 입출력 리드핀의 접합은 고강도를 확보하기 위하여, Ag솔더(solder) (JIS (Japan Industrial Standards)Z 3261-1976)가 사용되고 있다.
이 Ag 솔더에 관해서는 제1표에 나타낸 JIS Z 3261-1976 B Ag-1내지 B Ag-8A의 10종류(융점 약600 내지 약 800℃)가 알려져 있지만, 입출력 리드핀을 접합후 600 내지 800℃에서 실온으로 냉각하는 과정에서, 솔더재의 열수축응력에 기인하여 접합패드의 단부에서 세라믹이 파괴되거나, 파괴되지 않는다할지라도 커다란 잔류응력을 남기게됨에 의해, 사용중의 신뢰성에 문제가 있었다. 이것은 Ag솔더가 굳기때문에열응력이 적당하게 완화될 수 없다는데 그 한가지 원인이 있다. 이것을 해결하는 하나의 방법으로서 280 내지 300℃ 융점을 갖는 Au-Sn-Ag 계의 솔더재로 접합하는 방법이 제안되어 있다. (예를들면, 특개소 61-236148호 공보). 그러나, 이 솔더재는 전자회로의
[표 1]
Figure kpo00001
다른 접합에 사용된 연솔더재(soft solder) (거의 183℃ 내지 320℃의 융점을 갖는)으로 이루는 Pb-Sn계와의 접합 온도 계층(hierarchy), 즉, 조립공정에서 다른 솔더재등을 용해시키지 않고 작업하는 조건을 만족시킬수 없다고하는 문제가 있다.
따라서, 상기 종래기술은, 일반적으로(1)세라믹기판 위의 메탈라이제이션(metallizstion)패드단부에서 세라믹의 파괴 방지. (2) 솔더재의 잔류응력의 저감, 그리고 (3) Pb-Sn 계 솔더재에 의한 접합온도계층을 유지함의 세개의 요구를 동시에 만족할 수 없다고 문제를 갖는다.
본 발명의 목적은, 상기 종래기술의 난점을 해소하고, 양호한 접합온도계층을 갖고 또한 리드핀 접합패드단부에시 세라믹이 리드핀 접합시의 열응력에 기인한 손상때 위와 같은 악영향을 받지않는 전자회로 장치를 제공하는데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전자회로 장치에서 리드핀을 세라믹기판위에 메탈라이제이션 패드를 사이에두고 세라믹기판에 접합하는 솔더재가, 356℃ 내지 450℃의 융점을 가짐과 동시에, 이 솔더재를 융점으로부터 냉각하는 과정에서 생기는 열수축응력을 낮게하고 또한 그 기판의 파손을 야기하지않는 정도로 낮은 인장강도를 갖는다는 것이다.
일반적으로, Pb-Sn계 솔더재의 접합온도는, 최고 340℃정도가 될수 있음으로, 리드핀과 세라믹 기판과의 접합에 사용하는 상기 솔더재의 융점이 356℃ 미만이면, 접합온도계층이 성립되지 않을 우려가 있다. 또, 리드핀과 세라믹 기판과의 접합에 사용하는 상기 솔더재의 융점이 450℃를 초과하면 기판상의 예를들면 폴리이미드수지 박막과 같은 고분자수지 박막을 손상할 위험이 높아진다. 따라서, 본 발명에 있어서 쓰이는 상기 솔더재익 융점이 상기 온도범위외임은 바람직하지 않다.
또한 본 발명에서 쓰이는 상기 솔더재의 적절한 인장강도는 간단한 실험에 의하여 각 합금계마다 세라믹기판에 갈라짐등의 손상이 생기지 않는 범위를 구하고 이것을 적절한 인장강도 범위로 할수가 있다. Au-Ge2 원계 합금을 솔더재에 사용한 경우, 솔더재의 적절한 인장강도 범위는 약 18 내지 21㎏/㎟이다.
본 발명자들은, 10내지 15wt%의 Ge를 함유하는 Au-Ge합금이 상기 요건을 만족하고, 본 발명의 전자회로 장치에 적당함을 발견했다.
상술과같이, 본 발명의 상기 목적은 세라믹 기판에 드리핀을 접합하기에 적합한 솔더재를 선정함으로서 달성된다.
상기, 본 발명에 사용할 수 있는 Au-Ge 합금 솔더재의 Ge량을 10내지 15wt%로 한정한 이유는 다음과 같다.
제2도는 Au-Ge 2원계 상태도(M. Hansen ; Constitution of Binary Alloys, 1958. publishe by McGraw-Hill, Inc.)를 나타내고 있다. 이 상태도에서 알수 있는 바와같이, Au-12wt% Ge은 공정조성(eutectic composition)이다. 이 조성은 융점이 356℃로 일정하게 됨으로 작업성의 관점에서 가장 우수하다 이 조성을 경계로하여 Ge이 많은 축과 적은 측의 양측에서, 액상선온도(liquidus temperature)가 급격히 상승하고, 액고상 공존영역(liquid and solid phase region)이 넓어짐으로, 작업성이 저하함과 동시에 솔더링후의 냉각과정에서 초정(Prlmary crystal)의 발생 및 응고시의 쉬린키지 캐비티(shrikage cavity)의 발생으로 조직이 불균일하게되고 인성 저하가 보이고, 또한 적정하고 원활한 필릿 (fillet)을 갖는 접합형성이 저지된다. Au의 농도를 90중량 % 이하로 한정한 것은, 초정 Au발생에 기인하여 적정 필릿 형상의 형성이 어렵게 되는것과, 액상온도가 공정온도보다 약 100℃높아져서 작업성이 저하하기 때문이다. 한편, Ge의 농도를 15중량% 이하로 한정한 것은, Au농도와 동일한 이유때문이며 더불어 초정 Ge가 5 체적 %를 초과하여 급격히 인성이 저하하기 때문이다.
10 내지 15 중량 % Ge로 이루는 Au-Ge 술더재는, 최종응고온도가 약 356℃로 낮고, Ag솔더보다 저인 장강도 때문에, 접합프로세스에 있어서 356℃의 융점으로부터 실온으로 냉각하는 과정에서 발생하는 열수축 응력은 작으므로, 세라믹기판을 파괴하지 아니하고, 충분한 솔더링 강화를 확보할 수 있다.
이 Au-Ce 솔더재의 유효성은, 이하의 역학적 검토에서도 쉽게 이해될 수 있다 제4도는 솔더링후, 실온까지의 냉각과정에서 기판표면 A-A'선에 발생하는 열응력을 유한요소법 시뮬레이션의 열탄소성 해석(termal elastic and plastic analysis)에 의하여 추정하여 나타내고 있다. 그 결과, 특원소 63-283573호에 나타내지는 메탈라이제이션 패드(패드의 주변이 세라믹으로 덮이고, 또한 패드표면이 기판면에서 외축으로 돌출)을 예로하여, 그 단부(13)의 세라미 기판이 열응력을 추정한 결과, Ag솔더에서는 알느미나계, 물라이트계 세라믹기판 및 우리기판의 어느것에 있어서도 그 기판의 파괴강도를 초과하는 따위의 응력이 발생하고 있지만, Au-12wt% Ge 솔더에서는 모든면에 있어서 기판의 파괴강도 이하의 응력에 안정되어 있다. 따라서 Au-Ge솔더는 기판 파괴를 방지하여 접합할 수 있는 솔더재로서의 역할을 하고 있다.
메탈라이제이션 패드가 제5도와 같은 통상의 형상이라할지라도 동일 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 실시예를 도면 및 표를 사용하여 설명한다.
제1도는, 본 실시예에 있어서의 Au-Ge를 사용하여 구성한 입출력 리드를 갖는 전자회로 장치의 개략을 냐타낸 것이고, 제3도는 본 실시예의 전자회로 장치에 있어서의 입출력리드 접합부의 부분단면을 나타낸 것이고, 제2표는 본 실시예화 참고예 1의 각종 솔더재를 세라믹 기관에의 입출력리드 붙임에 사용한 경우의 이 솔더재의 솔더링 특성을 비교하여 나타낸 것이다.
우선, 제1도를 사용하여, 본 실시예를조립순서에 따라서 설명한다.
다층배선이된 세라믹기판(2)의 이면에 입출력리드핀(6)을 Au-12wt% Ge, Au-15wt% Ge 솔더의 각각을 사용하여 각각 약 400℃, 460℃, 440℃로 가결응용하여 접속한 후, 동세라믹 기판(2)의 표면에, 다수의 반도체 LSI 칩(1)을, 융점이 약 314℃의 5wt%의 Sn를 함유하고, 잔부가 Pb로 구성되는 Pb-Sn계의 미소한 땜납(8) (본 실시예에서는 작은볼상으로하여 사용한)에 의하여, 상기 Au-12wt% Ge솔더등을 녹이지 않는 온도, 약 325℃까지 가열응융하여 접속했다. 그후 열전도 중계부재(5)를 구비한 캡(4)을 더욱 저융점의 땜납합금(9)으로 동세라믹 기판(2)에 접합한후, 더욱 저융점이 땜납합금(10)으로, 캡(4)과 냉각판(3)을 접합하고, 다시 저융점의 땜납합금(11)에서 베선보드(7)에 리드핀(6)을 접합하여, 전자회로를 구성하고 있다.
이와같이 전자회로를 구성하기에는, 후 공정에 있어서, 전공정의 접속을 녹이지 않고 조립되는 바와같이, 소위 접합온도의 계층구조가 지켜짐이 필요하다. 그래서, 전자회로에 많이 사용되는 Pb-Sn합금에서의 접합온도이상의 융점을 갖는 Au-Ge 합금등의 솔더재는 리드핀의 접합에 필요하다.
다음에 제3도를 사용하여, 제1도의 전자회로 장치에 있어서 Au-Ge 접합부에 국한하여 설명한다.
제3도에 있어서, 1은 반도체, LSI 칩 또는 반도체 소자, 14는 본 발명에 의거한 솔더재, 12는 메탈라이제이션 패드, 6은 리드핀, 8은 다른 솔더재, 2는 세라믹 혹은 유리 배선기판이다.
여기에서, Au-Ge 솔더재(14)에 의한 입출력 리드핀(6)의 접합예를 설명한다. 세라믹 배선기판(2)은 물라이트, 알루미나 및 유리를 사용했다. 이 물라이트는 특개소 61-230204호에 나타내어지는 Al2O3: 57wt%, SiO2: 42wt%, MgO : 1wt%의 조성이다. 이를 형성공정은 세라믹 기판(2)상에 텅스텐을 달구어 붙이고 그 위에 Ni, Au로 순자 도금을 실시하여 형성한 메탈라이제이션 패드(12)의 위에, 리프핀(6)과 Au-Ge솔더재를 장착한 카아본재 지그(jig)를 위치맞춤하고, 질소 : 수소=1 : 1의 혼합 분위기중에서 약 360°내지 500℃의 범위의 어느한 온도까지 가열하여 솔더재(14)를 응용하고, 솔더재(14)를 메탈라이제이션 패드(12)에 웨트(wet)시킨후, 실온끼지 약 0.5℃/sec의 냉각속도로 온도를 내리면 기판 파괴가 없이 리드를 붙이는 것이 가능하다. 솔더재(14)는 박 및 볼상으로 형성된 것, 사전에 리드핀(6) 혹은 기판(2)의 메탈라이제이션 패드(12)에 응착 혹은 증착, 도금으로 공급한것 등을 사용한다.
또한, 이 리드 부착후, 융점이 약 320℃이하의 연솔더재(Pb-Sn 계, Au-Sn 계 등) (8)를 사용하여, 약 325℃까지 가열하여 Au-Ge 솔더재(14)를 녹임없이 반도체 LSI칩(1)을 접합하고, 제3도에 나타내는 전자회로 장치를 얻을 수 있다.
상기와 같이 메탈라이제이션 패드(12)의 표면은 도금된 Au 박막으로 이루어지지만, 솔더재(14)에 의하여 리드핀(6)를 접합할때에, 이 Au 박막은 용해되어있는 솔더재(14)에 녹여넣이고 리드부착 완료후는 솔더재(14)는 메탈라이제이션 패드(12)의 Ni 박막과 결합되어 있다. 또한, 메탈라이제이션 패드(12)의 Au 박막은 Ni 박막의 산화를 방지하고, 이것을 보호하기 위하여 설치 되어있다.
본 실시예에 있어서의 솔더재(14)의 가열온도는, Au-12wt% Ge 합금이 400℃(융점보다 44℃ 높은온도)에서 Au-10wt% Ge 및 Au-15wt% Ge 합금에서는 액상선온도보다 10℃ 높은 온도, 즉, 각각 460℃ 및440℃로 했다.
또, 본 실시예에서는, 솔더링 후의 냉각속도를 0.5℃/sec로 했지만, 솔더링이 시료의 노내 이동에 의한가열 온도내림에 의하여 행해지는 경우는, 0.3℃/sec 내지 3.5℃C/sec의 냉간속도가 만족스럽다.
상기와 길이 형성된 접합부의 강도를 솔더재에서 파단 발새을 갖느냐에 의해 조사한 결과, 동일한 방법으로 형성된 종래의 Ag솔더에 비해서, 충분한 강도를 나타냈다. 그래서 다시 솔더재 및 배선 기판도 포함하여, 리드핀의 접합에 필요한 특성에 대해서 나타낸 것이 제2표이다. 솔더재로서 필요한 특성은 인장특성, 젖음성(wettability) 및 접합의 강도 (세라믹 기판의 크랙발생이 유무)이다. 제2표에 있어서, 솔더재 번호 5, 6, 7이 본 실시예이고, 다른것은 참고예이다. 제2표의 솔더재 3 내지 9에 있어서의 조성의 수자는 wt%를 나타내고, *표가 있는 융점은 상단이 액상선온도이고 하단이 고상선 온도이다.
젖음섬은, 상기 메탈라이제이션 패드에 직경 0.3㎜의 솔더재를 올려놓고 소정의 온도에서 응용하고, 그 솔더재의 퍼짐성(spreadability)를 평가함으로서 실시했다. 솔더재 응용의 분위기는 N2와 H2를 등량으로 혼합한 가스이고, 플럭스(flux)사용하지 않았다. 솔더재의 퍼짐성은 솔더재를 소정온도에서 응용한때 솔더재가 패드위를 퍼지는 정도로 판단했다. 패드위에 퍼진 솔더재의 평균직경을 d로 하고, 100d/0.3을 퍼짐성을 나타내는 측정치(%)로 했다. 제2표에 있어서는 150%를 초과하는 퍼짐을 표 ○로 나타내고, 약 150%의 퍼짐을 표 △, 150%미만을 표 ×로 나타냈다. 퍼짐성이 표 ×로 나타내어지는 경우는 젖음성이 불량하고, 표 ○, △으로 나타내지는 경우는 양호하고, 특히 표 ○로 나타내지는 경우는 젖음성이 우수하다.
젖음성은 Au-Si 공정(eutectic) 합금(솔더재 번호 4)이외는 전부 양호하고, 특히 Au-12wt% Ge 공정(솔더재 번호 5)이 우수하다. 한편 접합강도에 관하여, 크랙의 유무를 조사한 결과, JIS의 B Ag-8에 나타내는 Ag 솔더재 번호 1은 온갖 기판에 있어서 크랙이 발생, JIS의 B Ag-7에 나타내어지는 Ag 솔더(솔더재 번호2) 및 Ag-30wt%, Cu-10wt% 솔더재 번호 3은 물라이트, 유리기판에 있어서 크랙이 발생하고, 그 이외는 크랙의 발생이 보여지지 않았다. 그래서 다시, 인장 강도를 조사한 결과, 크랙의 발생되지 않은 조합인 Au-Si 공정(솔더재 번호 1)/물라이트 기판, Au-Si 공정/유리기판에서, 인장시험기의 척킹(chucking)작업중에 접함이 쉽게 결손되는 케이스가 있었다.
[표 2]
Figure kpo00002
이상의 결과, 온갖 특성을 만족하는 솔더재는 Au-12wt%Ge(솔더재 번호 5), Au-10wt% Ge(솔더재 번호6), Au-15wt% Ge(솔더재 번호 7), Au-20wt% Ge(솔더재 번호 9)이다. 단, Au-20wt% Sn은 280℃인 저 융점을 갖기 때문에 전자회로를 형성하기에는 온도계층이 성립하지 않음으로, Pb-Sn 계 모든 솔더재의 온도계층에 적합하는 것은 Au-12wt% Ge 공정, Au-10wt% Ge 합금, Au-15wt% Ge 합금이다.
한편, Au-Ge계 합급외의 조성에 관하여 동일하게 조사한 결과 Ge가 15 중량 %를 초과하면, Ge의 거친 초정이 접합과정에서 발생하고, 조직이 불균일하게 되기 때문에 솔더재의 인장강도가 올라가고 부서지기 쉽게되는 문제가 생겼다. 따라서, 작업성도 고려하여 Au-10 내지 15wt% Ge의 범위가 적정 조정이다.
상기 실시예에 있어서는 제3도 및 제4도에 나타내어지는 형상의 메탈라이제이션 패드를 사용했지만, 제5도에 나타내는 형상의 메탈라이제이션 패드를 사용한 경우에도, 상기 실시예와 동일한 효과가 얻어졌다.
상기 각 도면에 있어서, 동일인용 참조번호는 실질적으로 동일부분을 나타내고 있다.
이상 설명한 사실로 명백하듯이, 본 발명에 의하면 세라믹 및 유리기판을 사용한 전자회로장치에 있어서, 접합강도 및 젖음성등의 접합특성이 대폭 향상과 계층온도접속 양방이 동시에 실현될 수 있다고 하는 효과가 있고, 다시 점점대규모, 고밀도화하는 전자 회로장치를 신뢰성 좋게 실현하는데에 크게기여하는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 리드핀(6)이 세라믹 기판(2)위의 메탈라이제이션 패드(12)를 사이에 두고 상기 세라믹 기판(2)에 솔더재(14)에 의하여 접합되어 있는 전자회로 장치에 있어서 상기 솔더재(14) 가 356℃ 내지 450℃의 융점을 갖음과 동시에, 상기 솔더재(14)를 융점으로부터 냉각하는 과정에서 생기는 열수축 응력을 낮게하고, 또한 상기 세라믹 기판(2)의 파괴를 발생시키지 않는 범위로 낮은 인장강도를 갖는 재료인 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 솔더재(14)가 금과 게르마늄으로 이루고, 게르마늄량이 10 내지 15 중량 %인 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판(2)이 물라이트게 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판(2)이 알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판(2)이 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  6. 배선보도(7)와, 상기 배선보드(7)와 리드핀(6)을 사이에 두고 전기적으로 접속된 배선기판(2)과, 상기 배선기판(2)상에 탑재된 반도체 소자(1)와, 상기 반도체 소자(1)의 주위를 봉하여 막는 캡(4)과, 상기 캡(4)위에 설치된 냉각수단(3)를 갖는 전자회로 장치에 있어서 ; 상기 리드핀(6)과 상기 배선기판(2)를 접합하는 솔더재(14)가 350℃에서 450℃의 융점을 갖음과 동시에, 상기 융점으로부터 상기 솔더재(14)를 융점에서 냉각하는 과정에서 생기는 열수축응력을 낮게하고, 상기 기판(2)의 파괴를 야기시키지 않는 정도로 낮은 인장강도를 갖는 재료인 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 솔더재(14)가 금과 게르마늄으로 이루어지고, 게르마늄량이 10 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 기판(2)이 물라이트계 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 기판(2)이, 알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 기판(2)이, 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
  11. 제6힝L에 있어서, 상기 리드핀(6)과 상기 배선기판(2)를 접합하는 솔더재(4)와, 상기 반도체 소자(1)와 상기 배선기판(2)를 접합하는 솔더재(8)와, 상기 캡(4)과 상기 배선기판(2)를 접합하는 솔더재(9)와, 상기 캡과 상기 냉각수단을 접합하는 솔더재(10)와, 상기 리드판(6)과 상기 배선보드(7)를 접합하는 솔더재(11)와의 관계가, 조립공정순으로 융점이 낮은 솔더재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로 장치.
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