KR940010455B1 - 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금 및 그 제조방법 - Google Patents

고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금 및 그 제조방법
제 1 도는 열연화 저항성을 나타낸 그래프.
제 2 도는 종래 합금의 굽힘 시험을 나타낸 전자현미경 사진.
제 3 도는 또 다른 종래 합금(CDA 19400)의 굽힘 시험을 나타낸 전자현미경 사진.
제 4 도는 본 발명의 굽힘 시험을 나타낸 전자현미경 사진.
제 5 도는 원소의 결합상태를 나타낸 것으로, (a)는 종래의 결합상태도, (b)는 본 발명의 결합상태도.
본 발명은 전자, 전기 부품용 동합금에 관한 것으로, 특히, 반도체 리드프레임을 비롯한 콘넥터 등의 재료로서 열적 안정성과 양호한 전기전도도 및 우수한 기계적 성질을 갖는 고성능 동합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 동(Cu)을 기본으로 하는 동합금은 반도체, IC, LSI등과 같은 전자부품용 리드프레임 및 고강도 전기 재료로서 높은 전기전도도와 기계적 강도에 요구되는 전자 및 전기부품에 널리 사용되고 있다.
반도체 리드프레임 설계 및 재료에 관한 일반적인 특성은 다음의 문헌에 상세히 기술되어 있다(Microelectronics Packagins Handbooked. by R. Tummala, Van Nostrand, 1989, New York와 Product Application Report of DESIGNING AN ADVANCED COPPER ALLOY LEADFRAME MATERIAL by Y. G. Kim in SEMICONDUCTOR INTERNATIONAL, April 1985, A CAHNERS PUBLICATION, Denver CO 80206).
반도체 리드프레임은 집적회로의 패키징(packaging)에 있어서 중추적인 역할을 하는 소재로서, 일련의 얇은 판재로부터 스탬핑(stamping) 또는 화학적 에칭(etching)법에 의해 제조되며, 어셈블리(assembly)과 정중 각 전자소자들의 형태를 유지시키며, 몰딩후 집적회로의 한부분이 된다.
이와 같은 몰딩 과정후 리드프레임의 다리부분은 표면 안정성(surface stablity)을 제공하기 위하여 주석/납으로 전기도금(electoplating)을 하게 된다. 최근 첨단 반도체 부품의 일부는 100℃를 넘은 고온에서 사용되므로 도금층의 열적 안정성은 매우 중요한 관심사로 등장하고 있다.
따라서 고온에서 사용하는 동안 동(Cu)합금들과 전기도금된 주석/납층 사이의 해로운 계면반응을 제거해야될 필요가 있다.
즉, 기저 금속과 도금층사이의 계면에 취성을 갖는 금속간 화합물이 생성되는 경우, 도금된 층은 기저금속 또는 도금층으로부터 떨어지게 되고, 그로 인해 소자 작동중 균열을 발생하게 된다.
이러한 해로운 취성을 갖는 금속간 화합물의 생성은 온도가 증가함에 따라 금속원소의 격자내로의 확산이 용이해지기 때문에 그 양이 증가하게 된다.
따라서, 도금층의 열적안정성은 중요하게 되고 소재의 선택에 있어서 중요한 고려대상이 되어야 한다.
주어진 도금재료에 대해서, 계면에서의 취약한 금속간상의 생성은 동(Cu)합금 기지(matrix)의 화학조성 즉 합금원소에 주로 의존한다.
이렇게 리드프레임 특성을 저하시키는 금속간 화합물의 생성을 제거하기 위해서는, 기저금속과 도금층의 계면에서 금속간 화합물을 생성시키기 쉬운 합금원소들의 이동을 억제하거나 최소화 시키는 것이 필요하게 된다. 취약한 금속간 상들의 생성은 주로 합금원소의 확산에 의해 주로 조절되지만, 그 생성은 또한 냉간 압연시 생기는 잔류 응력의 양이 높을 때 크게 증가하게 된다. 그래서 최종 냉간 압연 단계후에 소둔 열처리를 함으로써 잔류 응력을 제거하거나 최소화하는 것이 필요하다.
반도체 리드프레임에서 요구되는 특성으로서는 높은 전기 및 열전도도와 우수한 내열연화성(Thermal sorening resistance), 양호한 전기도금성과 납땜성(solderability)을 들 수 있으며 특히, 반도체 패키징 과정이 자동화됨에 따라 소재의 고강도화에 대한 요구가 점점 증가하고 있다.
그러나 일반적으로 소재의 강도가 증가함에 따라 전기전도도는 떨어지고, 연신율 또한 감소하는 특성을 나타내게 된다. 높은 전기전도도는 소자의 작동시 열의 발산(heat dissipation)을 높이기 위해서 중요한데, 리드프레임의 각 소자(chip)로부터 보드(board)로 열을 발산할 수 있는 능력은 리드프레임 소재의 열전도도와 관련이 있다. 높은 인장 연신율(연성)은 성형성을 증가시키고 다리(lead)의 굽힘 피로파단(Bend fatigue failure)의 저항성을 향상시키기 위해 필요하다.
이러한 특성을 얻기 위한 종래의 반도체 리드프레임 소재로 개발되어 사용되고 있는 합금으로는 동(Cu)계 합금과 철계합금이 있다.
동계 합금으로는 미국 OLIN 사에서 개발한 CDA 19400, CDA 19500과 본 발명의 발명자가 이미 개발한 합금 US Pat. No. 4,466,939(이하 "선행기술"이라 함)등이 있다. 이 중 CDA 19400은 선행기술에 비해 강도가 열등한다는 단점이 있으며, CDA 19500은 고가 원소인 코발트(Co)를 0.8% 정도 함유하기 때문에 가격이 비싸며, 연신율이 나쁘다는 단점이 있다.
철계 합금으로는 Fe-42Ni 합금이 사용되고 있으나, Fe-42Ni계 합금은 강도는 높지만 전기전도도가 IACS 2-3% 정도로 동계 합금에 비해 1/20 정도의 낮은 값을 나타내기 때문에 열 방산(heat dissipation)이 나쁜 단점을 가지고 있다.
또한, 몇몇의 동합금들은 이러한 단점을 개선하기 위해 U, S, Pat. No. 4,594, 221과 U, S, Pat No. 4,728,372로 특허를 획득한바 있다.
그러나 이런 특허 합금들은 전기전도도와 인장강도 및 연신율을 동시에 모두 만족시키지 못하고 있다.
따라서 새로운 리드프레임 합금의 개발에 있어서는 약 55% IACS 또는 그 이상의 전기전도도를 유지하면서 약 80ksi(57kg/㎟)의 인장강도와 약 8% 정도 또는 그 이상의 인장 연신율을 가지며 고온에 노출시 주석/납 도금에 대해 열적 안정성이 우수한 소재의 개발이 크게 요구되고 있다.
또, 최근의 반도체 IC의 패키징(packaging)의 혁신적인 제조방법인 베어 본딩(Bare Bonding) 기술에서는 고온 약 400℃에서도 강도가 저하되지 않는 열연화 저항(Thermal softening resistance)을 요구하고 있다.
즉 상온에서도 강도가 높아야 하지만 온도가 올라가도 고온 강도가 저하되지 않은 특성이 요구되고 있다. 또한 좋은 전기전도도와 같은 연신율은 최근 개발된 새로운 표면 마운팅(surface mounting) 기술에 요구되는 성질이기도 하다. 표면 마운팅 기술에서, 리드(lead)의 배열은 여러번의 반복적인 굽힘이 필요하게 된다.
따라서 연신율이 충분히 높지않는 경우, 급혀진 부분에서 균열이 발생한다.
이와 같은 일반적으로 동합금의 인장강도는 Fe-42Ni 합금에 비해 뒤떨어지나, 동합금은 Fe-42Ni 합금에 비해 매우 높은 전기전도도를 갖기 때문에 다량 생상되는 plastic molded 집적회로 패키징에 널리 사용되고 있다.
한편 본 발명의 발명자는 상기의 단점을 개선한 동합금으로 이미 상업화된 U.S.Pat. No. 4,466,939 British Pat. No. 2,158,095 및 Korea Pat, No. 18.126등의 "선행기술"을 발명한 바 있다.
상기 선행기술은 중량%로서, 0.05-3.0%의 Ni, 0.1-1.0%의 Si, 0.01-0.1%의 P이고, 나머지는 동(Cu)으로 조성된 것으로서 기계적, 물리적 성질을 어느 정도 만족시키고 있으며, 리드표면의 주석/납 도금층은 상온에서는 안정하기에 상온용 반도체 산업에 실용화되고 있다.
이와 같은 선행기술은 석출강화와 열기계적(thermomechanical) 처리 과정중 냉간 압연에 의한 가공경화에 의해 강화되고 있으며, 동(Cu)기지중에 생성되는 석출물은 Ni2Si과 Ni3P 형태이며 동(Cu)기지중에 정확한 양의 Ni, Si, P를 갖게하는 것이 이상적이다.
그러나, 기지중에 Si, P등이 과도하게 존재할 경우, Ni2Si와 Ni3P 석출물이 생성된 후 기지내에 원소상태의 Si과 P등이 남게된다.
따라서 Si과 P등이 동(Cu) 합금 기지와 주석 또는 주석/납 도금층 사이의 계면에 확산해 들어가며, 온도가 올라감에 따라, 이러한 확산 과정은 가속되어 계면에 Si, P, Sn, Pb등으로 구성된 금속간 화합물을 형성하게 된다.
그 결과 고온에서 사용시 주석 또는 주석/납층은 동(Cu)기지로부터 떨어져나가 굽은 영역에 균열을 발생시킨다.
게다가, 기저 기지로부터 코팅층이 분리되거나 떨어져나가는 현상은 제조공정중 최종 냉간 압연에 의해 생기는 잔류 응력에 영향을 받게된다.
그래서 소둔 열처리에 의해 잔류응력을 제거하는 것이 필요하게 된다. 따라서 동(Cu)을 기본으로 하는 리드프레임 합금에서 주석/납 도금층의 열적 안정성을 유지시키기 위해서는 동(Cu)기지내에 존재하는 원소형태의 Si, P등이 계면에서 금속간 화합물을 생성시키지 않도록 제거해야만 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 초기에 정량적인(stoichimetric) 비율의 Ni, Si, P를 정확히 첨가시키는 것으로 이 방법은 용해 및 주조과정을 거칠 경우 실제적으로 불가능하다.
즉, 합금 원소의 일부분은 항상 용해 및 주조시 감소할 수 있기 때문에 원하는 정량(stoichiometric)비의 정확한 양을 조절한다는 것은 거의 불가능한 것이다. 이에 본 발명은 상기한 선행기술을 개선하기 위해 안출한 것으로, 동(Cu)기지에서 석출물을 형성시킨후 남은 Si 및 P와 결합할 수 있는 다른 금속원소를 첨가시켜 전기전도도를 해치지 않으면서 기계적 성질 및 열적안정성을 향상시키고자 하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명은 중량%로서, Ni : 0.5-2.5%, Si : 0.1-0.5%, P : 0.02-0.5%, Mg : 0.02-0.2%이고, 나머지는 Cu로 구성된 전자,전기 부품용 동(Cu) 합금이다. 또한 본 발명은 용해 및 정련 과정중 탈산제 역활을 하게 되는 Zn을 1중량% 이하 첨가할 수 있다.
또한 필요에 따라 Ni을 일부 대체하는 Fe을 1.0중량% 이하 첨가할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 동(Cu)을 기본으로 하는 리드프레임 합금에서 주석/납 도금층의 열적 안정성을 유지시키기 위해서 동(Cu)기지내에 존재하는 Si, P가 계면에서 금속간 화합물을 생성시키지 않도록 한 것이다.
즉, 동(Cu)기지에서 석출물을 형성시킨후 남은 Si, P와 결합할 수 있는 Mg 원소를 첨가시킴에 따라 도금층이 고온에 노출되더라도 금속간 화합물이 형성되지 않게한 것이다.
그러나 Mg을 첨가시켜 석출강화를 일으키고, 양호한 전기전도도(최소 55% IACS)와 좋은 성형성을 나타내기 위한 인장, 연신율(최소 8%) 등을 함께 소유하면서 주석/납 도금층의 열적 안정성을 위해 동(Cu)기지내에 잔존하는 Si, P와 결합하여야 하므로, Ni, Si, P, Mg의 석출 경화용 합금원소의 최적의 양을 첨가시켜야 한다.
본 발명에서 주된 강화 석출물은 Ni2Si와 Ni3P이므로 Ni : Si=2 : 1, Ni : P=3 : 1의 원자비로 구성되게 하여 동(Cu)기지내에 원소상태의 Si 또는 P가 없도록 하여야 한다.
그러나 실질적으로 용해와 주조 과정중에 있어서 정확한 NI : Si, Ni : P의 정량비를 맞추는 것이 용이하지 않으므로 기지내에 잔존하는 Si 또는 P가 전기전도도를 저하시키고, 또 도금층의 열적 불안정을 가져온다.
따라서 본 발명에서는 Ni의 최대 상한치는 전기전도도가 55% IACS 이상이 되도록 2.5중량%로 제한하였고, Si와 P도 각각 최대 상한치를 0.5중량%와 0.5중량%로 제한하였다.
P는 구리합금에서 탈산제 역할과 석출강화 역할등의 기능을 발휘하는 중요 원소로서 P는 용해시 Cu-15% P의 모합금 형태로 장입하여 시효시 Ni3P 형태의 안정한 석출물을 형성시킨다(Journal of Materials Science, Vol 21. 1986. pp 1357-1362), 본 발명에서 Mg은 상한치로서 0.15중량% 첨가하여 Mg이 고온에서 노출시 동(Cu)기지내에 잔존하는 Si, P와 반응하여 제 5 도와 같이 Mg2Si, Mg3P2, MgP4형태의 화합물을 형성시키므로서 더욱 강력한 강화효과를 일으키게 함과 함께 동(Cu)합금기지에 Si과 P를 제거함으로 동(Cu)합금기판 표면에 도금된 주석/납층의 열적 안정성을 크게 향상시킨다.
그러나 Mg를 과도하게 첨가하면 전기전도도와 연성을 감소시킨다.
따라서 Mg량을 0.2중량% 이내로 하였다. Zn의 경우는 동(Cu)의 전기전도도를 크게 감소시키지 않기 때문에 1중량%까지 첨가시켜 용해 및 정련 과정중 탈산제 역할을 할 수 있다.
또한, Fe를 첨가시킴에 따라 석출물인 Fe3P 생성에 따라 전기전도율을 다소 증가시킬 수 있어 Fe를 중량 1% 이하로 Ni 대신 일부분 첨가할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 합금에 대해 고온에서 사용 가능한 주석/납 도금층의 열적 안정성을 더욱 개선하기 위해 최종 냉간 압연 과정에서 야기되는 잔류 응력을 없애거나 최소화시키는 것이 필요하다.
따라서 최종 냉간 압연후 인장-소둔 열처리 또는 인장 레벨링(levelling)(압연된 판재를 반복적으로 인장-압축, 굽힘 처리하여 잔류 응력의 양을 감소시키는 공정) 처리에 의해 열적 안정성을 증대시킨다.
다음은 본 발명의 제조공정에 대하여 설명한다.
상기 조성비가 되게 용해와 구조 과정을 거쳐 주괴를 얻는다. 상기 주괴를 750-950℃ 온도에서 열연하여 소정 두께로 만든다음 급냉한다. 그후 60-80%의 압하율로 원하는 두께가 되도록 냉간압연한다. 이어서 중간 소둔을 450-520℃에서 0.5-2시간 처리한후 공냉한다.
그후 이러한 과정을 다음과 같이 반복시행한다.
즉, 50-70%의 압하율로 냉간 압연하고 400-500℃에서 0.2-2시간 동안 소둔후 공냉한다.
그리고 30-70%의 압하율로 냉간 압연하고 300-550℃에서 0.5-2시간 동안 소둔하고 최종 냉간 압연한다. 즉 최종 냉간압연전의 냉간압연-소둔-공냉을 원하는 두께에 따라 2회 또는 3회등으로 반복한다.
그리고 본 발명 합금을 고온에서 사용 가능하도록 열적으로 안정한 주석/납도금층을 위해 상기의 최종 냉간압연에 이어서, 특히 300-600℃에서 5-30분동안 인장-소둔 처리를 행하는 것이 중요하다.
이와 같이 인장-소둔 처리중 남게되는 약간의 인장응력은 동(Cu) 판재의 평면성을 향상시킨다.
또한 이와 같은 인장-소둔 처리 대신에 인장-레벨링 처리를 상온에서 처리함으로서 최종 냉간 압연 과정중에 남게되는 잔류 응력을 제거할 수 있는데 이는 반도체 리드프레임 소재로서 응용할 수 있는 0.3mm 두께의 최종 제품인 냉간압연 판재의 평면성도 개선할 수 있다.
이하 실시예에 따라 설명한다.
[실시예 1]
(표 1)의 조성합금이 되게 용해한후 주조하여 주괴를 얻었다. 이 주괴를 950℃에서 열연하여 두께를 8mm로 감소시킨 다음 공냉하였다. 그리고 두께가 2mm에 이르도록 냉간압연하였으며, 그후 480℃에서 소둔한후 냉간압연하여 두께를 다시 약 65% 감소시켰다.
이 판재를 500℃에서 다시 소둔후 0.3mm의 두께가 되도록 냉간압연하였다. 냉간압연을 마친 시편을 이동속도가 1m/min인 소둔로에서 인장-소둔 열처리 550℃로 행하였다.
그 결과 기계적 성질과 전기전도도는 (표 2)와 같이 나타났다.
[표 1]
[표 2]
본 실시예에서는 열연화 저항성을 측정하기 위해 (표 1)의 합금을 여러 온도구간(250℃, 350℃, 400℃, 450℃, 500℃, 550℃)에서 1시간 가열하고 상온까지 공냉하여 상온에서 인장 시험을 하였다.
그 결과 제 1 도에 나타난 바와 같이 본 발명 합금은 비교 합금(선행기술 : U.S.Pat. No. 4,446,939) (표 1의 시료번호 7) 및 CDA 19400 합금에 비해 동일한 냉간압하율(60%)에 대해 강도 및 열연화 저항성(인장강도)이 우수하게 나타났다.
즉, 선행기술의 합금보다 강도는 약 15%나 증가되었고 열연화 저항온도도 약 100℃ 이상 증가되었다.
본 발명 합금의 우수한 열연화 저항특성은 최근 개발중인 베어 본딩(Bare Bonding) 기술이 크게 도움이 된다.
또 선행기술 합금에 비해 강도도 높지만 연신율도 더 높아 성형성이 좋고, 피로파괴 저항도 높은 특징을 나타낸다.
따라서 리드프레임 소재뿐만 아니라 콘넥터등의 전기, 전자 부품등에 널리 사용할 수 있다.
[실시예 2]
본 발명 합금의 주석/납 도금층의 열적안정성을 측정하기 위해 0.3mm 두께를 냉간 압연후 인장-소둔(Tension-annealing)을 거친 판래를 0.01mm의 두께로 전기도금하였으며, 도금층은 주석/납=80/20의 비율을 갖도록 하였다.
도금한 판재는 145℃로 가열하였고, 이때 가열시간을 120시간까지 변화시켰다.
이와 같이 가열한 판재는 반경 0.25mm로 90°굽힘 시험을 행하였던바(표 3)과 같이 나타났으며, 이때 굽혀진 부분에서의 주석/납으로 도금된 표면을 주사현미경으로 관찰하여 취약한 금속한 화합물의 형성으로 인한 균열을 검사하였다.
[표 3]
상기 (표 3)에 나타난 바와 같이 종래 발명(선행기술)(U.S.Pat, No. 4,466,939)(시료 7)은 145℃에서 48시간 가열후 굽힘 시험을 하였던바 제 2 도의 주사 전자현미경 사진과 같이 균열이 모두 형성되었다.
또한 종래 합금인 CDA 19400에 대하여 145℃에서 120시간까지 가열시험을 하였던바 제 3 도의 주사현미경 사진에서와 같이 CDA 19400 합금의 주석/납 도금층은 72시간 미만의 가열시간에서도 90°굽힘 시험시 여러개의 균열이 관찰되었다(시료 8).
한편 제 4 도는 (표 3)의 본 발명(시료 1-6)에 대한 주사 현미경 사진으로서, 145℃에서 120시간 동안 가열한 경우 안정한 주석/납 도금층의 전형적인 미세조직을 보여주는등 균열이 전혀 발생하지 않았다. 이 특성은 본 발명 합금이 100℃ 이상의 고온에서도 안정하게 사용할 수 있는 장점이다.
즉, 선행기술 합금이나 CDA 19400 합금은 145℃에서 주석/납 도금층이 깨어지거나 버껴져 사용할 수 없지만, 본 발명 합금을 상온은 물론 약 145℃에서 사용할 수 있다.
또한 본 발명은 (표 2)의 결과처럼 인장연신율(최소 8%)과 높은 전기전도도(최소 56% IACS)를 가짐과 동시에 고강도를 얻을 수 있다.
따라서 본 발명은 표면 마운팅 기술과 같은 첨단 반도체 리드프레임을 비롯한 콘넥터등과 같은 각종 전자 및 고강도 전기부품 소재로서 널리 이용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 중량%로서 니켈(Ni) 0.5-2.4%, 실리콘(Si) 0.1-0.5%, 인(P) 0.02-0.16%, 마그네슘(Mg) 0.02-0.2%이고 나머지는 동(Cu)으로 이루어짐을 특징으로 하는 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금.
  2. 제 1 항에 있어서, 동(Cu)합금은 반도체 리드프레임 소재임을 특징으로 하는 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물에 아연(Zn)을 1중량% 이하 첨가하여 이루어짐을 특징으로 하는 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금.
  4. 제 1 항에 있어서, Ni의 일부를 1.0중량% 이하의 철(Fe)로 대체하여 첨가함을 특징으로 하는 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금.
  5. 중량%로서, 니켈(Ni), 0.5-2.4%, 실리콘(Si) 0.1-0.5%, 인(P) 0.02-0.16%, 마그네슘(Mg) 0.02-0.2%이고 나머지는 동(Cu)으로 조성되게 용해, 주조하여 주괴를 얻고, 이 주괴를 750-950℃ 온도에서 열연하고 급냉한후, 원하는 두께에 따라 냉간압연과 소둔 및 공냉을 반복적으로 처리하고 최종 냉간압연 후 300-600℃에서 5-30분간 인장-소둔처리함을 특징으로 하는 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 열연하고 급냉한후 60-80% 압하율로 냉간압연하고 400-550℃에서 0.5-2시간 소둔후 공냉하고, 다시 50-70% 압하율로 냉간압연에 이어서 400-550℃에서 0.5-2시간 소둔후 공냉하고, 또 다시 30-70% 압하율로 냉간압연하고, 300-550℃에서 0.5-2시간 소둔에 이어서 냉간압연함을 특징으로 하는 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적안정성을 갖는 동(Cu)합금의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 동(Cu)합금은 콘넥터 소재임을 특징으로 하는 고강도, 우수한 전기전도도 및 열적 안정성을 갖는 동(Cu)합금.
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