KR970010891B1 - 고온의 무연 주석 기재 납땜 조성물 - Google Patents

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Abstract

내용없음.

Description

고온의 무연 주석 기재 납땜 조성물
본 발명은 특히 극소전자공학 분야에서 유용한 무연성분의 저독성 납땜 합금에 관한 것이다. 본 발명의 납땜 합금은 (1) 90중량% 이상의 Sn과 효과적인 양의 Ag 및 Bi를 포함하고 임의성분으로 Sb 또는, Sb 및cu를 포함하거나, (2) 90중량% 이상의 Sn과 효과적인 양의 Ag 및 Sb를 포함하고 임의성분으로 Bi를 포함한다. 이러한 합금은 집적회로 칩을 인쇄 회로판으로 사용되는 칩 캐리어 및 기판에 결합시키고, 칩 캐리어를 기판에 결합시키며, 회로화 랜드(circuitization lands) 및 패드를 다층 인쇄 회로 판에 결합시키는데 특히 이용된다.
납땜은 통상적으로 가역적인" 저온의 연금술적 결합 공정이다. 저온 및 가역적 사용되는 물질과 재작업및 엔지니어링 변화에 필수적이기 때문에 극소전자공학 분야에서는 특히 중요하다.
납땜 결합은 화학 반응을 수반하는 적심 공정(wetting prcess)이다. 용융 납땜은 선택적 적심성(wettability)을 갖는다. 납땜의 선택적 적심성으로 인하여 원하는 자리에만 용융 납땜을 할 수 있게 된다. 이러한 특성은 플립 칩(flip chip) 결합시 및 납땜 마스크를 사용하여 작업할 때 특히 중요하다.
납땜 공정은 적셔지는 즉시, 예를 들어 수초내에 완료될 수 있다. 이러한 특성으로 인하여 납땜은 특히자동 고속 대량처리공정에 특히 바람직하다.
적심성은 접합될 재료와 함수 관계에 있을데 Cu, Ni, Au 및 Pd와, 이들 금속의 1종 이상이 풍부하게 함유된 합금이 납땜에 특히 적합하다.
적심을 수반하는 화학반응은 용융 납땜과 적합되는 금속 사이에서 일어나 계면에서 금속간 물질상(inter metallic phase) 영역을 형성한다. 전자 팩키지에 있어서 납땝으로 형성돤 금속간 물질상은 통상적으로 화학양론적인 2상 화합물이며, 만일 Sn이 납땝 합금내의 존재한다면 전형적으로 Sn을 포함한다. 베이스(base), 패드(pad) 또는 랜드(land)가 Cu이고 납땜 합금에 Sn이 풍부할 경우, 납땜 과정중 제조되는 금속간 물질은 Cu-Sn이다. Cu-Sn 2상계의 예로는 Cu3Sn 및 Cu6S5가 포함된다.
납땜 합금은 조성물의 주요 특성인 용융온도로 특징지어진다. 순수 금속이 단일의 불변하는 용융온도로 특징지어지는 반면 합금의 어는점 및 융점은 복잡하다. 합금의 어는점은 액상선으로 결정된다. 액상선위로는 오직 액상(들)이 존재할 수 있다. 합금의 융점은 고상선으로 결정된다. 고상선 아래로는 오직 고상(들)만이 존재할 수 있다. 두 상선 사이의 영역, 즉 액상선과 고상선 사이에서는 고체와 액체가 공존할 수 있다.
바람직한 납땜 합금은 공융 특성을 갖는 것 즉, 공융점을 갖는 것이다. 공융점이란 액상선과 고상선이 만나는 점이다. 공융점으로부터의 어느 방향으로의 농도 변화이뎐지 액상선 온도의 상승을 초래한다.
조성물 및 냉각율도 또한 생성된 납땜 결합부의 미세구조 및 역학적 성질을 결정한다. 그러므로, 납땜조성물의 선택 및 납땜 결합부의 열적 노출을 주의하여 조절하는 것이 필수적이다.
극소 전자공학 제품 제조에 사용되는 납땜 조성물은 납땜 합금으로서 적심성을 가져야 하며, 패드 또는랜드 금속과 전기 전도성이 있고 열에 안정하고 쉽게 깨지지 않는 성질을 갖는 가소성 금속간 물질을 형성할 수 있는 최소한 한가지 성분을 포함하여야 한다. 상기와 같은 이유로, 대부분의 통상적인 납땜 합금은Sn-Pb 합금과 같은 납을 기재로 하는 합금이다.
이전까지는 Pb/Sn 납땜이 극소전자공학에 이용되어 왔다. Pb>Sn 합금이 광범위하게 사용되어온 데에는 역사적인 이유가 있다. 즉, Pb/Sn 납땜 합금의 저 고상선 온도, Pb/Sn 합금 및 생성된 Cu/Sn 금속간 물질(합금/Cu 접촉부에 형성됨)의 광범위한 온도에서의 작업성, Pb/Sn 합금에서 얻어진 Cu/Sn 금속간 물질의 Cu 랜드 및 패드에 대한 접착성, 및 상업적으로 용이하게 구입가능한 공정기구, 예를 들어 Pb/Sn 합금용의수지, 플럭스 및 납땜 마스크 같은 저가의 부속물을 사용한다는 것이 그 이유이다.
Pb/Sn 납땜 합금 공정에 요구되는 상대적으로 저온인 조건은 전자 팩키지 제조에 폴리머 절연체가 사용될 경우 특히 중요하다. 이러한 폴리머들은 고온에서의 조립 조작시 분해될 수 있다. 상대적으로 저온에서 용융되는 납땜 합금은 이러한 폴리머 기판을 수용할 수 있다.
이외에, 반도체 칩은 승온에서 열 확산되어 구조적으로 변형된다. 저온 용융 합금에서는 이러한 문제점이 없다.
납 기재 납땜에서 특히 중요한 성질은 ''연성" 또는 가소성이다. 이러한 연성 또는 가소성으로 인하여, 납땜은 접합된 구조물 사이의 열 팽창 계수가 불일치할 경우, 예를 들면 세라믹 절연체와 폴리머 절연체사이, 또는 반도체 칩과 세라믹 또는 폴리머 칩 캐리어 또는 기판 사이의 열팽창계수가 불일치할 경우 이를 조절할 수 있다.
그러나, 납은 비교적 높은 증기압을 갖는 독성 중금속이다. 이러한 납의 사용은 바람직하지 못하며 대체되어야 할 필요가 있다.
여러가지 무연 납땜 합금이 하기 문헌들에 기재되어 있다.
199l년 문헌 [J.Environ. Sci. Health , Vo1. A26, No.6, pp.991-929]에 기재된 수브라마니안(K S. Subramanian)등에 의한 논문 "Leaching of Antimony, Cadmium, Copper, Lead, Silver, Tin, and Zinc from Copper Piping With Non-lead-Based Soldered Joints"에는 다수의 합금으로부터, Ag, Cd, Pb, Sb, Sn, 및Zn을 여과하는 테스트에 대하여 상술하고 있다. 상기와 같은 방법으로 테스트된 합금된 Sn/Ag 96/4, Sn/Ag 94/6 및 Sn/Cu/Ag 95.5/4/0.5이 포함된다.
호와드 미주하라(Howard Mizuhara)의 미합중국 특허 제4,643,875호 및 제4,667,871호의 "TIN BASED DUCTlLE BRAZING ALLOWS"에서는 Sn 35-95%, Ag 0.5-70%, Cu 0.5-20%, 효과적인 양의 Ti, V 및 Zr 중 하나 또는 그 이상, 및 임의 성분으로 Ni, 및 Cr을 함유하는 고온의 땜질용 합금에 대하여 서술하고 있다. 상기의 땜질용 합금은 우수한 결합을 위해서는 모두 적어도 550℃(의 온도를 필요로 한다.
루브라노(Lubrano)등의 미합중국 특허 제4,778,733호의 "LOW TOXICITY, CORROSION RESISTANTSOLDER"에서는 연(鉛)공사재료로, Sb 92-99%, Cu 0.7-6% 및 Ag 0.05-3%를 함유하는 제조물을 기술하고 있다.
보엠(Boehm)등의 미합중국 특허 제4,797,328호의 "SOFT-SOLDER ALLOY FOR BONDING CERAMIC ARTICLES"에서는 전금속화(Premetallization) 과정없이 세라믹 부품을 결합시킬 수 있는 연납땜 합금이 기재되어 있다. 알루미나 부품을 구리 부품에 결합시키는데 유용한 것으로 개시된 상기 합금은 Sn 86-99%, Ag 및/또는 Cu 0-13%, In 0-10% 및 Ti1-10%를 함유한다.
스탠리 툴만(Stanley Tulman)의 미합중국 특허 제4,806,309호의 ''TIN BASE LEAD-FREE SOLDER COMPOSITION CONTAINING BISMUTH, SILVER, AND ANTIMONY"에서는 Sn 90-95%, Sb 3-5%,Bi 1-4.5% 및 Ag 0.1-0.5%를 함유하는 납땜 조성물이 기재되어 있다. 상기 특허에서는 Bi를 사용하여상기 조성물의 융점을 약 425°F(218℃) 이하로 낮추었다.
터커(K. L. Tucker)와 마(U. Ma)의 미합중국 특허 제4,929,423호의 "LOW TOXICITY ALLOY COMPOSITIONS FOR JOINING AND SEALING"에서는 연공사재료로 유용한, Bi 0.08-20%, Cu 0.02-1.5%, Ag0.01-1.5%, P 약 0.10% 이하, 회토류 약 0.20% 이하, 및 Sn 잔여량(대략 80%)를 함유하는 무연 납땜 합금이 기재되어 있다.
본 발명의 주요 목적은 무연 납땜을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 특히 기판 및 납땜 마스크와 같은 유기 재료를 적시지 않으면서. Cu, Au, Ag및 Pd와 같이 통상적으로 극소전자공학 조립분야에 사용되는 결합금속을 적시어 이들과 화학적 및 열적으로 안정한 금속간 물질을 형성하는 무연 납땜을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 충분히 낮은 온도에서 유동성을 가져 전자 재료에 손상을 주지 않는 무연 납땜을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적 및 종래 기술의 단점들은 본 발명에 따른 무연의, 고 고상선 온도 및 고 사용온도를 갖는 고강도 다성분 납땜 합금에 의하여 극복된다.
본 발명의 한 실시태양에 따른 합금은 Sn 약 90중량% 이상과 열안정성 및 강도에 효과적인 양의 Ag및 Bi를 포함한다. 본 발명의 또다른 실시태양에 따른 합금은 Sb를 포함하는 것이며, Sb 및 Cu를 포함하는 합금도 본 발명의 또다른 실시태양이라 할 수 있다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따른 합금은 고 고상선 온도 및 고 사용온도를 갖는 고강도 다성분 납땜 합금이다. 상기 합금은 약 90% 이상의 Sn과 효과적인 양의 Ag 및 Sb를 포함한다. 이외에 소량의 비스무스를 포함할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적 및 종래 기술의 단점들은 본 발명에 따른 무연의, 고 고상선 온도 및 고 사용온도를 갖는 고강도 다성분 납땜 합금에 의하여 극복된다.
본 발명의 한 실시태양에 따른 합금은 Sn 약 90중량% 이상과 열안정성 및 강도에 유효한 량의 Ag 및Bi를 포함한다. 이러한 합금은 Sn 약 95.0-95.5중량%, Ag 약 2.5-3.0중량% 및 Bi 약 2.0중량%를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따른 합금은 Sb을 포함하는 것으로 예를 들어 Sn 약 93.5-94.0중량%, Ag 약 2.5-3.0중량%, Bi 약 1.0-2.0중량% 및 Sb 약 l.0-2.0중량%를 포함한다.
Sb 및 Cu를 포함하는 합금도 역시 본 발명의 또다른 실시태양이 되며, 특히 바람직한 Sn-Ag-BI-Sb-Cu 합금은 Sn 약 93.5-94.0중량%, Ag 약 2.5-3.0중량%, Bi 약 1.0-2.0중량%, Sb 약 1.0-2.0중량% 및Cu 약 1.0중량%를 포함하는 것이다.
본 발명에 따른 또다른 실시태양은 고 고상선 온도 및 고 사용온도를 갖는 고강도 다성분 납땝 합금이다. 상기 합금은 Sn 약 90중량% 이상과 유효량의 Ag 및 Sb를 포함한다. 이러한 Sn을 고함량 포함하는 합금은 Sn 약 94.0-95.0중량%, Ag 약 2.5-3.5중량% 및 Sb 약 2.0중량%를 포함한다.
이외에, 소량의 비스무스가 합금내에 포함될 수도 있다. 이러한 Sn을 고함량 포함하는 합금은 Sn 약 93.5-94.0중량%, Ag 약 2.5-3.0중량%, Bi 약 1.0-2.0중량% 및 Sb 약 1.0-2.0중량%를 포함한다.
본 발명에 따른 납땜 합금 조성물은 하기 표를 요약된다.
본 발명의 바람직한 한 실시태양에 따라 직접 회로 칩을 회로화된 기판에 전기적으로 접속하는 방법을제공한다. 이러한 접속빕은 약 90중량% 이상의 Sn과, (1) Sb를 임의 성분으로 포함하며 효과적인 양의 Ag및 Bi(예를 들어, Sn 약 95.0-95.5중량%, Ag 약 2.5-3.0중량% 및 Bi 약 2.0중량%) 및 또한 Cu를 임의 성분으로 더 포함하거나 또는 (2) Bi를 임의 성분으로 포함하며 효과적인 양의 Ag 및 Sb(예를 들어, Sn 약94.0-95.0중량%, Ag 약 2.5-3.5중량% 및 Sb 약 2.0중량%)을 함유하는 납땜 합금을 집적 회로 칩의 전기접촉부상에 부착시키는 단계를 포함한다. 납땜 합금은 웨이브 납땜 부착법, 전착법에 의해 적용되거나, 또는 납땜 페이스트서 적용될 수 있다.
이어서, 회로화된 기판의 전기 리드를 집적 회로 칩의 전기 접촉부상에서 납땜 합금과 접촉시킨다. 칩이''플립칩"형으로 적재될 경우 회로화된 기판의 전류 리드는 기판상의 패드이며, 납땜 합금 부착부는 패드와 접촉하게 된다. 또는, 집적 회로 칩이 바로 측면 상부에 적재될 경우 전류 리드는 와이어 리드이며, 탭 내부 리드 접속부로 되어 있으며, 집적 회로 칩의 최상층 표면상에서 납땜 합금 접촉부와 접촉하게 된다.
기판의 전류 리드 및 납땜 부착부를 납땜 합금과 접촉한 상태로 유지시키면서 가열하면 상기 납땜 합금이 적셔지고, 상기 회로화된 기판의 전기 리드에 결합하게 된다. 가열은 증가상 재유동, 적외선 재유동, 레이저 재유동과 같은 방법을 이용할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 극소전자공학 회로 팩키지는 회로화된 칩 캐리어 즉, 기판, 반도체 집적 회로 칩,및 약 90중량% 이상의 누과 (1) Sb를 임의 성분으로 포함하며 효과적인 양의 Ag 및 Bi(예를 들어, Sn 약95.0-95.5중량%, Ag 약 2.5-3.0중량% 및 Bi 약 2.0중량%) 및 또한 Cu를 임의 성분으로 더 포함하거나 또는 (2) Bi를 임의 성분으로 포함하며 효과적인 양의 Ag 및 Sb(예를 들어, Sn 약 94.0-95.0중량%, Ag약 2.5-3.5중량% 및 Sb 약 2.0중량%)을 함유하는 납땜 합금으로 제조된, 반도체 집적 회로 칩과 회로화된칩 캐리어간의 전기적 납땜 결합부를 갖는 집적 회로 칩 모듈이다.
본 발명은 하기 실시예를 참고로 더욱 상세히 이해될 수 있다.
[실시예1]
5개의 합금 샘플이 제조, 적용 및 테스트되었다. 상기 합금의 조성은 하기 표와 같았다.
[실시예2]
Sn 95중량%-Ag 3중량%-Sb 2중량%로 된 일련의 납땜 합금을 제조하여 여러가지 납땜 특성을 테스트 하 였 다.
또 다른 테스트에서는, 상기 합금의 크립특성을 테스트하였다. 상기 합금의 인장강도는 23℃,250psi에서 70일의 파열시간을 나타내었다.
인장강도는 59(100lbs/in2)이었으며, 항복강도는 31(100lbs/in2)이 었고 신율은 35%이 었다.
상기 합금의 융점은 218-255℃이었다.
[실시예3]
Sn 95중량%-Ag 3중량%-Sb 2중량%-Cu 2중량%로 된 일련의 납땜 합금을 제조하여 여러가지 납땜특성을 테스트하였다.
또 다른 테스트에서는, 상기 합금의 크립특성을 데스트하였다. 상기 합금의 인장강도는 23℃,2500psi에서 70일의 파열시간을 나타내었다.
상기 합금은 23℃,43% 편향에서 분당 5회마다 피로순환도를 테스트하였다. 60번 반복한 후 파괴되었다.
상기 합금의 200-224℃이었다.
본 발명이 바람직한 실시태양 및 실시예로 서술되기는 하였으나 본 발명의 범위는 특허청구 범위에 의하여 한정될 뿐 상기 바람직한 실시태양 및 실시예에 의하여 한정되지는 않는다.

Claims (1)

  1. 93.5 내지 94.0중량%의 Sn 2.5 내지 3.0중량%의 Ag l.0 내지 2.0중량%의 Bi 1.0 내지 2.0중량%의 Sb및 1.0중량%의 Cu로 이루어진 고 고상선 온도 및 고 사용온도를 갖는 고강도 다성분 납땜 합금.
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