WO2014073716A1 - 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지 - Google Patents

주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지 Download PDF

Info

Publication number
WO2014073716A1
WO2014073716A1 PCT/KR2012/009317 KR2012009317W WO2014073716A1 WO 2014073716 A1 WO2014073716 A1 WO 2014073716A1 KR 2012009317 W KR2012009317 W KR 2012009317W WO 2014073716 A1 WO2014073716 A1 WO 2014073716A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tin
solder ball
based solder
bismuth
content
Prior art date
Application number
PCT/KR2012/009317
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이재홍
김일호
홍성재
문정탁
Original Assignee
엠케이전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엠케이전자 주식회사 filed Critical 엠케이전자 주식회사
Priority to US13/818,034 priority Critical patent/US20140284794A1/en
Priority to CN201280003149.4A priority patent/CN103958120A/zh
Priority to PCT/KR2012/009317 priority patent/WO2014073716A1/ko
Publication of WO2014073716A1 publication Critical patent/WO2014073716A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
    • H01L23/49816—Spherical bumps on the substrate for external connection, e.g. ball grid arrays [BGA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/40—Semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13111—Tin [Sn] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13639—Silver [Ag] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13647—Copper [Cu] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/16227—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/014—Solder alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151—Die mounting substrate
    • H01L2924/153—Connection portion
    • H01L2924/1531—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15311—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof
    • H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process

Definitions

  • the technical idea of the present invention relates to a tin-based solder ball, and more particularly, to a tin-based solder ball and a semiconductor package including the same.
  • solder balls are used for miniaturization of the package.
  • the solder ball may bond the substrate and the package and may also transmit a signal of a chip in the package to the substrate.
  • solder balls containing no lead (Pb) have been proposed.
  • Pb lead
  • tin-silver-copper ternary lead-free solder alloys have been proposed to be used in solder balls, but have low thermal cycle characteristics, are vulnerable to oxidation, poor solder spread and wettability, poor workability and impact resistance.
  • the technical problem of the present invention is to provide an alloyed tin-based solder ball having the properties required for the solder ball to be suitable for use in electronic products and the like.
  • Another technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a semiconductor package including the above-described tin-based solder ball.
  • Tin-based solder ball according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem, silver (Ag) in the range of 0.3 wt% to 3.0 wt%; Copper (Cu) in the range of 0.4 wt% to 0.8 wt%; Nickel (Ni) in the range of 0.01 wt% to 0.09 wt%; And bismuth (Bi) in the range of 0.1 wt% to 0.5 wt%; the balance consists of tin (Sn) and unavoidable impurities.
  • the bismuth may range from 0.1 wt% to 0.3 wt%.
  • the bismuth may be 0.2 wt% ( ⁇ 0.02 wt%).
  • the nickel may be 0.05 wt% ( ⁇ 0.01 wt%).
  • the silver may be 2.5 wt%
  • the copper may be 0.8 wt%
  • the nickel may be 0.05 wt%
  • the bismuth may be 0.2 wt%.
  • Tin-based solder ball includes silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), and bismuth (Bi), the balance is tin (Sn) and It consists of inevitable impurities, and phosphorus (P) is removed.
  • the semiconductor package according to the technical idea of the present invention for achieving the other technical problem the tin-based solder ball, the tin-based solder ball, silver (Ag) in the range of 0.3 wt% to 3.0 wt%; Copper (Cu) in the range of 0.4 wt% to 0.8 wt%; Nickel (Ni) in the range of 0.01 wt% to 0.09 wt%; And bismuth (Bi) in the range of 0.1 wt% to 0.5 wt%; the balance consists of tin (Sn) and unavoidable impurities.
  • the tin-based solder ball according to the technical spirit of the present invention provides a tin-based solder ball including silver, copper, nickel, and bismuth.
  • the tin-based solder ball may provide excellent cold cycle characteristics, drop durability characteristics, and durability characteristics, depending on the content range of the additive elements.
  • Figure 1 schematically shows a tin-based solder ball according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 to 4 schematically show a semiconductor package including a tin-based solder ball according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 illustrates a tin-based solder ball 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the tin-based solder ball 10 may have a spherical shape.
  • this shape of the tin-based solder ball 10 is an example, the case of the tin-based solder ball 10 is also included in the technical spirit of the present invention when having a shape of a cylinder or a polygonal pillar.
  • the tin-based solder ball 10 may be made of a tin-based alloy.
  • the tin-based solder ball 10 may include silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), and bismuth (Bi), and the balance may include tin (Sn) and inevitable impurities.
  • tin-based solder balls 10 may comprise silver (Ag) in the range of 0.3 wt% to 3.0 wt%; Copper (Cu) in the range of 0.4 wt% to 0.8 wt%; Nickel (Ni) in the range of 0.01 wt% to 0.09 wt%; And bismuth (Bi) in the range of 0.1 wt% to 0.5 wt%, and the balance may be composed of tin (Sn) and unavoidable impurities.
  • the tin-based solder ball 10 may include tin in the range of 95.61 wt% to 98.99 wt%, and the tin may include inevitable impurities.
  • the tin-based solder ball 10 may include bismuth in the range of 0.1 wt% to 0.3 wt%.
  • the tin-based solder ball 10 may include 0.2 wt% ( ⁇ 0.02 wt%) of bismuth.
  • the tin-based solder ball 10 may include 0.05 ( ⁇ 0.01 wt%) of nickel.
  • phosphorus (P) is removed from the tin-based solder ball 10. That is, the tin-based solder ball 10 may include phosphorus in a range of unavoidable impurities.
  • tin-based solder ball 10 may comprise less than 0.003 wt% (or 30 ppm) of phosphorus, for example, less than 0.001 wt% (or 10 ppm) of phosphorus.
  • Tin-based solder ball 10 may be configured based on tin.
  • lead which has been used in solder balls, has been banned due to environmental pollution regulations, attempts to replace tin with solder balls have increased.
  • Tin is an element belonging to 5 cycles of group 14 of the periodic table, with an atomic weight of 118.7 g / mol and a melting point of 231.93 ° C.
  • lead is an element belonging to Group 14 Group 14, Period 6, atomic weight 207.2 g / mol, melting point 327.5 ° C., and tin has physical properties similar to lead.
  • Tin has the advantage of excellent malleability, ductility, corrosion resistance, and castability.
  • solder balls in order to satisfy the characteristics required by solder balls such as thermal cycle characteristics, drop durability characteristics, or wettability characteristics, tin is alloyed with other metals rather than forming solder balls only with tin. It is desirable to.
  • the technical idea of the present invention is to provide a solder ball with a tin-based alloy obtained by alloying silver, copper, nickel, and bismuth with tin in order to satisfy such a demand.
  • Tin-based solder ball 10 may include silver (Ag).
  • Silver lowers the electrical resistance of the solder balls, speeds up the diffusion of the solder balls into the joints, and increases corrosion resistance. If the content of silver in the solder ball is less than 0.1 wt%, it is difficult to sufficiently secure the electrical conductivity and thermal conductivity of the solder ball, it is difficult to accelerate the diffusion speed of the solder ball. In addition, when the content of silver in the solder ball is more than 5 wt%, it is difficult to control the melting temperature of the solder ball. Thus, the content of silver in the solder balls may range from 0.1 wt% to 5 wt%, in particular from 0.3 wt% to 3 wt%.
  • Tin-based solder ball 10 may include copper (Cu). Copper (Cu) may affect the tensile strength of the solder ball. If the copper content in the solder ball is less than 0.1 wt%, it is difficult to increase the tensile strength of the solder ball as desired. In addition, if the content of copper in the solder ball is greater than 1 wt%, the solder may be hardened to easily cause tissue breakage and reduce workability. Thus, in this embodiment, the content of copper in the solder balls may range from 0.1 wt% to 1 wt%, in particular from 0.4 wt% to 0.8 wt%. In particular, as the copper content in the solder ball is increased (eg, 0.6 wt% to 0.8 wt%), it is possible to suppress the generation of Cu 3 Sn, which is a weak intermetallic compound.
  • Cu copper
  • Tin-based solder ball 10 may include nickel (Ni).
  • Nickel (Ni) may improve flow characteristics during melting, increase cold cycle characteristics and drop characteristics, and may include, for example, nickel in the range of 0.01 wt% to 0.09 wt%. If it is less than 0.01 wt%, the effect of nickel does not appear well, and if it is more than 0.09 wt%, a melting point rises, wettability deteriorates, and fluidity falls at the time of melting.
  • Tin-based solder ball 10 may include bismuth (Bi).
  • Bismuth (Bi) is an element belonging to 6 cycles of group 15 of a periodic table, atomic weight is 208.98g / mol, and melting
  • Bismuth can reduce the melting point of the solder ball, improve wettability, increase mechanical strength, and increase shear stress.
  • the solder ball contains about 0.1 wt% or more of bismuth (Bi)
  • the intermetallic compound Ag 3 Sn may be uniformly distributed, and the crystal grains may be refined to improve the cold heat cycle characteristics.
  • the solder ball contains bismuth (Bi) in excess of 0.5 wt%, the precipitated phase of Bi-rich is precipitated, resulting in large brittleness.
  • the tin-based solder ball 10 may not contain phosphorus (P) or may include at least an unavoidable impurity level, for example, phosphorus less than 0.003 wt% (or 30 ppm). And may comprise, for example, less than 0.001 wt% (or 10 ppm) of phosphorus. Phosphorus may form a phosphorylated film on the surface of the solder ball, and wettability may deteriorate.
  • the characteristic change of the tin-based solder ball 10 according to the composition range of the components of the tin-based solder ball 10 according to the technical idea of the present invention will be examined based on the experimental data.
  • the cold cycle cycle characteristics, drop durability characteristics, and the wettability characteristics of the tin-based solder ball 10 was tested.
  • the solder ball used in the experiment was 300 ⁇ m in size.
  • the substrate used for the cold cycle and drop endurance properties was a padded organic solderability preservative (COS-OSP).
  • COS-OSP organic solderability preservative
  • Wetting properties applied flux on the face polished copper plate and doubled the reflow belt speed.
  • the cycle of cold heat the number of cycles of initial breakdown was measured by maintaining 30 minutes at ⁇ 45 ° C. and rapidly changing to 125 ° C. for 30 minutes.
  • Drop endurance characteristics were performed according to the JEDEC standard (JESD22-B104). The impact rate of 900G was applied to the solder ball-bonded package, and the number of initial breakdowns and final breakdowns were measured.
  • Wetting was performed using a SAT-5000 Solder Checker on RESCA.
  • Table 1 and Table 2 show the change of the characteristics of the tin-based solder ball in the case of changing the silver content of the tin-based solder ball.
  • Table 1 shows the case of changing the content of silver from 0.3 wt% to 3 wt% in the solder ball of Ag-Cu-Sn alloy, the content of copper is 0.8 wt%, and the balance is composed of tin and inevitable impurities.
  • Table 2 shows the case of changing the range of silver content in the solder ball of Ag-Cu-Ni-Bi-Sn alloy, the copper content is 0.8 wt%, the nickel content is 0.05 wt%, and the bismuth content is 0.2 wt% and the balance consists of tin and unavoidable impurities.
  • Table 3 and Table 4 show the change of the characteristics of the tin-based solder ball in the case of changing the copper content of the tin-based solder ball.
  • Table 3 shows the case of changing the copper content in the solder ball of Ag-Cu-Sn alloy from 0.4 wt% to 1 wt%, the silver content is 2.5 wt%, and the balance is composed of tin and inevitable impurities.
  • Table 4 shows the case of changing the copper content in the solder ball of Ag-Cu-Ni-Bi-Sn alloy, the content of silver is 2.5 wt%, the content of nickel is 0.05 wt%, and the content of bismuth is 0.2 wt% and the balance consists of tin and unavoidable impurities.
  • the copper content shows the maximum number of cold cycle cycles at 0.8 wt%, and the number of cold cycle cycles decreases when the copper content decreases or increases from 0.8 wt%.
  • Drop durability did not vary significantly with changes in copper content for both initial and final failure. Wetting did not change significantly.
  • both the number of cold heat cycles and the drop durability increased. Considering the change in cycle number and the drop durability, the copper content may be about 0.8 wt%.
  • Table 5 is a table showing the change of the characteristics of the tin-based solder ball in the case of changing the bismuth content of the tin-based solder ball.
  • Table 5 shows the case of changing the content of bismuth from 0 wt% to 1 wt% in the solder ball of Ag-Cu-Ni-Bi-Sn alloy, the content of silver is 2.5 wt%, and the content of copper is 0.8 wt %, The nickel content is 0.05 wt%, and the balance is composed of tin and inevitable impurities.
  • the bismuth content shows the maximum number of cold cycle cycles at 0.2 wt%, while the bismuth content tends to decrease as the bismuth content decreases or increases from 0.2 wt%.
  • Drop durability also tends to decrease when the bismuth content peaks at 0.2 wt% for both initial and final breakdown and decreases or increases from 0.2 wt%. Wetting did not change significantly.
  • the bismuth content may be about 0.2 wt%.
  • Table 6 is a table showing the change of the characteristics of the tin-based solder ball in the case of containing nickel and bismuth in the tin-based solder ball.
  • the reference alloy is Ag (2.5 wt%)-Cu (0.8 wt%)-Sn.
  • the amount of nickel added is 0.05 wt% and bismuth is 0.2 wt%.
  • nickel is included in the reference alloy, all properties are improved, including a 6% increase in the number of cold cycles, a 26% increase in the initial failure of drop durability, and an 18% increase in the final failure of drop durability.
  • nickel and bismuth are included with respect to the reference alloy, all the characteristics are further improved, such as 100% increase in the number of cold cycles, 46% increase in the initial failure of drop durability, and 30% increase in the final failure of drop durability. It became.
  • Table 7 shows the case where the Ag-Cu-Ni-Bi-Sn alloy further contains phosphorus (P) in the tin-based solder ball, the content of silver is 2.5 wt%, the content of copper is 0.8 wt%, and the content of nickel Is 0.05 wt%, the content of bismuth is 0.2, and the balance is composed of tin and unavoidable impurities.
  • P phosphorus
  • the tin-based solder ball 10 according to the present invention may not contain phosphorus or may be included as an unavoidable impurity level.
  • FIG. 2 to 4 schematically illustrate semiconductor packages 100, 200, and 300 including tin-based solder balls 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor package 100 includes the tin-based solder ball 10 as described above according to the technical spirit of the present invention.
  • the semiconductor package 100 includes a printed circuit board 20, a bonding wire 40 electrically connecting the printed circuit board 20, the semiconductor chip 30 positioned on the printed circuit board 20, and the semiconductor chip 30 to the printed circuit board 20. And a sealing material 50 for sealing the semiconductor chip 30 and the bonding wire 40.
  • the tin-based solder ball 10 is attached on the lower side of the printed circuit board 20 and electrically connected to the semiconductor chip 30 through the printed circuit board 20.
  • the semiconductor package 100 is illustrated as including one semiconductor chip 30, the case of including a plurality of semiconductor chips is also included in the technical idea of the present invention.
  • the semiconductor package 200 includes the tin-based solder ball 10 as described above according to the technical spirit of the present invention.
  • the semiconductor package 100 includes a printed circuit board 20, an internal solder ball 10a electrically connecting the semiconductor chip 30 located on the printed circuit board 20 and the semiconductor chip 30 to the printed circuit board 20. And a sealing material 50 for sealing the semiconductor chip 30.
  • the tin-based solder ball 10 is attached on the lower side of the printed circuit board 20 and electrically connected to the semiconductor chip 30 through the printed circuit board 20.
  • the inner solder ball 10a may include materials having the same content as the tin-based solder ball 10.
  • the inner solder ball 10a may be smaller in size than the tin-based solder ball 10.
  • the semiconductor package 200 is illustrated as including one semiconductor chip 30, but the case of including a plurality of semiconductor chips is also included in the technical idea of the present invention.
  • the semiconductor package 300 includes the tin-based solder ball 10 as described above according to the spirit of the present invention.
  • the semiconductor package 300 includes a semiconductor chip 30 and a tin-based solder ball 10 attached to and electrically connected to the lower side of the semiconductor chip 30.
  • the semiconductor chip 30 may be a system on chip (SOC) or a system in package (SIP).
  • SOC system on chip
  • SIP system in package
  • the semiconductor package 300 is illustrated as including one semiconductor chip 30, the case of including a plurality of semiconductor chips is also included in the technical idea of the present invention.
  • the bonding wire according to the spirit of the present invention is a silver (Ag) in the range of 0.3 wt% to 3.0 wt%; Copper (Cu) in the range of 0.4 wt% to 0.8 wt%; Nickel (Ni) in the range of 0.01 wt% to 0.09 wt%; And bismuth (Bi) in the range of 0.1 wt% to 0.5 wt%, and the balance may be composed of tin (Sn) and unavoidable impurities.
  • the present invention relates to a tin-based solder ball and a semiconductor package including the same, it can provide excellent cold cycle characteristics, drop durability characteristics and durability characteristics.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

본 발명의 기술적 사상은 전자 제품 등에 사용하기에 적합하도록 솔더볼에 요구되는 특성들을 가지는 합금된 주석계 솔더볼을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 주석계 솔더볼은, 0.3 wt% 내지 3.0 wt% 범위의 은(Ag); 0.4 wt% 내지 0.8 wt% 범위의 구리(Cu); 0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈(Ni); 및 0.1 wt% 내지 0.5 wt% 범위의 비스무트(Bi);을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물으로 구성된다.

Description

주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지
본 발명의 기술적 사상은 주석계 솔더볼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지에 관한 것이다.
전자 장치의 고성능화 및 소형화 추세에 맞추어, 이러한 전자 장치 자체의 어셈블리 단계에서 패키지의 소형화도 요구되고 있다. 이에 따라, 종래의 리드 프레임 대신에, 솔더볼이 패키지의 소형화를 위해서 사용되고 있다. 솔더볼은 기판과 패키지를 접합시키며 또한 패키지 내의 칩의 신호를 기판으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
환경 오염 문제를 줄이기 위해서, 납(Pb)을 포함하지 않는 솔더볼이 제안되고 있다. 예를 들어, 주석-은-구리의 3원계 무연 솔더 합금이 솔더볼에 사용되도록 제안되고 있으나, 열싸이클 특성이 낮고 산화에 취약하고 솔더의 퍼짐성과 젖음성이 떨어져 작업성이 좋지 않고 충격에 대한 저항력이 취약하여 휴대용 전자 제품 등에 사용하기 부적합하다는 단점이 있다. 따라서, 주석-은-구리에 다른 원소를 더 첨가하여 특성을 증가시키는 시도가 있으나, 원소의 종류 및 원소의 함유량에 따라 솔더볼의 특성이 크게 변하는 한계가 있다.
<선행기술문헌>
1. 일본등록특허 제3602529호 (2004.10.1. 등록)
2. 일본등록특허 제4392020호 (2009.10.16. 등록)
3. 일본공개특허 제2004-188453호 (2004.7.8. 공개)
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자 제품 등에 사용하기에 적합하도록 솔더볼에 요구되는 특성들을 가지는 합금된 주석계 솔더볼을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상술한 주석계 솔더볼을 포함하는 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼은, 0.3 wt% 내지 3.0 wt% 범위의 은(Ag); 0.4 wt% 내지 0.8 wt% 범위의 구리(Cu); 0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈(Ni); 및 0.1 wt% 내지 0.5 wt% 범위의 비스무트(Bi);을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물으로 구성된다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 비스무트는 0.1 wt% 내지 0.3 wt% 범위일 수 있다. 상기 비스무트는 0.2 wt%(±0.02 wt%)일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 니켈은 0.05 wt%(±0.01 wt%) 일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 은은 2.5 wt% 일 수 있고, 상기 구리는 0.8 wt% 일 수 있고, 상기 니켈은 0.05 wt% 일 수 있고, 상기 비스무트는 0.2 wt% 일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼은, 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 비스무트(Bi)을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 구성되고, 인(P)이 제거되어 있다.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 패키지는 주석계 솔더볼을 포함하고, 상기 주석계 솔더볼은, 0.3 wt% 내지 3.0 wt% 범위의 은(Ag); 0.4 wt% 내지 0.8 wt% 범위의 구리(Cu); 0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈(Ni); 및 0.1 wt% 내지 0.5 wt% 범위의 비스무트(Bi);을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물으로 구성된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼은, 은, 구리, 니켈, 및 비스무트를 포함하는 주석계 솔더볼을 제공한다. 상기 주석계 솔더볼은 첨가 원소들의 함량 범위에 따라서, 우수한 냉열 싸이클 특성, 드롭 내구성 특성 및 내구성 특성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주석계 솔더볼을 개략적으로 도시한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주석계 솔더볼을 포함하는 반도체 패키지를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들에서, wt%(중량%)는 전체 합금의 중량에서 해당 성분이 차지하는 중량을 백분율로 표시한 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 주석계 솔더볼(10)을 도시한다.
도 1을 참조하면, 주석계 솔더볼(10)은 구형의 형상을 가질 수 있다. 그러나 주석계 솔더볼(10)의 이러한 형상은 예시적이며, 주석계 솔더볼(10)은 원기둥 또는 다각 기둥의 형상을 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
주석계 솔더볼(10)은 주석계(Tin-Based) 합금으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 주석계 솔더볼(10)은 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 비스무트(Bi)을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있다. 예를 들어, 주석계 솔더볼(10)은 0.3 wt% 내지 3.0 wt% 범위의 은(Ag); 0.4 wt% 내지 0.8 wt% 범위의 구리(Cu); 0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈(Ni); 및 0.1 wt% 내지 0.5 wt% 범위의 비스무트(Bi);을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 주석계 솔더볼(10)은 95.61 wt% 내지 98.99 wt% 범위의 주석을 포함할 수 있으며, 상기 주석의 범위에는 불가피한 불순물이 포함될 수 된다.
주석계 솔더볼(10)은 0.1 wt% 내지 0.3 wt% 범위의 비스무트를 포함할 수 있다. 주석계 솔더볼(10)은 0.2 wt%(±0.02 wt%)의 비스무트를 포함할 수 있다. 주석계 솔더볼(10)은 0.05(±0.01 wt%)의 니켈을 포함할 수 있다. 또한, 주석계 솔더볼(10)은 인(P)이 제거되어 있다. 즉, 주석계 솔더볼(10)은 불가피한 불순물의 범위로의 인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주석계 솔더볼(10)은 0.003 wt%(또는 30 ppm) 미만의 인을 포함할 수 있고, 예를 들어 0.001 wt%(또는 10 ppm) 미만의 인을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼(10)은 주석을 기초로 구성될 수 있다. 기존에 솔더볼에서 사용되어 왔던 납이 환경오염에 따른 규제에 의하여 사용이 금지됨에 따라, 납을 대체하여 주석을 솔더볼에 사용하려는 시도가 증가되고 있다. 주석은 주기율표 14족 5주기에 속하는 원소이며, 원자량이 118.7g/mol 이고, 녹는점이 231.93℃이다. 비교로서, 납은 주기율표 14족 6주기에 속하는 원소이고, 원자량이 207.2g/mol이고, 녹는점이 327.5℃로서, 주석은 납과 유사한 물리적 특성을 가진다. 주석은 전성, 연성, 내식성, 및 주조성이 우수한 장점이 있다. 그러나, 냉열 싸이클(thermal cycle) 특성, 드롭(Drop) 내구성 특성, 또는 젖음성(wettability) 특성 등과 같은 솔더볼이 요구하는 특성을 만족하기 위하여, 주석 만으로 솔더볼을 형성하기 보다는 주석을 다른 금속과 합금하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 기술적 사상은 이러한 요구를 만족하기 위하여, 주석에 은, 구리, 니켈, 및 비스무트를 합금화한 주석계 합금을 솔더볼에 이용하는 것을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼(10)은 은(Ag)을 포함할 수 있다. 은(Ag)은 솔더볼의 전기 저항을 낮추고, 솔더볼의 접합부 속으로의 확산 속도를 빠르게 한며, 내식성을 증가시킨다. 솔더볼 내의 은의 함량이 0.1 wt% 보다 적은 경우 솔더볼의 전기 전도도 및 열 전도도를 충분히 확보하기 어렵고, 솔더볼의 확산 속도를 빠르게 하기도 어렵다. 또한, 솔더볼 내의 은의 함량이 5 wt% 보다 많으면 솔더볼의 용융 온도를 조절하기 어렵다. 따라서, 솔더볼 내의 은의 함량은 0.1 wt% 내지 5 wt% 범위일 수 있고, 특히 0.3 wt% 내지 3 wt% 일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼(10)은 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 구리(Cu)는 솔더볼의 인장 강도에 영향을 줄 수 있다. 솔더볼 내의 구리의 함량이 0.1 wt%보다 적은 경우, 솔더볼의 인장 강도를 원하는 만큼 증가시키기 어렵다. 또한, 솔더볼 내의 구리의 함량이 1 wt%보다 많으면, 솔더가 경화되어 조직 파손이 쉽게 일어날 수 있고, 가공성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 이 실시예에서, 솔더볼 내의 구리의 함량은 0.1 wt% 내지 1 wt% 범위일 수 있고, 특히 0.4 wt% 내지 0.8 wt% 일 수 있다. 특히, 솔더볼 내의 구리 함량이 증가될 수록(예를 들어, 0.6 wt% 내지 0.8 wt%), 취약한 금속간화합물인 Cu3Sn의 생성을 억제할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼(10)은 니켈(Ni)를 포함할 수 있다. 니켈(Ni)은 융해 시의 유동 특성을 개선하고, 냉열 싸이클 특성과 드롭 특성을 증가시킬 수 있고, 예를 들어, 0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈을 포함할 수 있다. 0.01 wt% 미만에서는 니켈의 효과가 잘 나타나지 않고, 0.09 wt% 초과에서는 녹는점이 상승하고, 젖음성이 열화되고, 융해 시에 유동성이 저하된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼(10)은 비스무트(Bi)를 포함할 수 있다. 비스무트(Bi)는, 주기율표 15족의 6주기에 속하는 원소이며, 원자량이 208.98g/mol 이고, 녹는점이 271.5℃이다. 비스무트는 솔더볼의 녹는점을 감소시킬 수 있으며, 젖음성을 향상시켜 기계적 강도를 증가시킬 수 있고, 전단 응력을 증가시킬 수 있다. 솔더볼이 약 0.1wt% 또는 그 이상의 비스무트(Bi)를 함유하면, 금속간화합물 Ag3Sn를 균일하게 분포시킬 수 있고, 결정립을 미세화시켜 냉열 싸이클 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 솔더볼이 비스무트(Bi)를 0.5wt%를 초과하여 함유하면, Bi-rich의 석출상을 석출하여 취성(brittleness)이 커진다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼(10)은 인(P)을 포함하지 않거나, 또는 적어도 불가피한 불순물 수준으로 포함할 수 있고, 예를 들어 0.003 wt%(또는 30 ppm) 미만의 인을 포함할 수 있고, 예를 들어 0.001 wt%(또는 10 ppm) 미만의 인을 포함할 수 있다. 인은 솔더볼의 표면 상에 인산화막을 형성할 수 있고, 젖음성이 열화될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 주석계 솔더볼(10)의 구성 성분의 조성 범위에 따른 주석계 솔더볼(10)의 특성 변화를 실험 데이터를 기초로 하여 검토하기로 한다. 상기 주석계 솔더볼(10)의 특성 변화를 검토하기 위하여, 주석계 솔더볼(10)의 냉열 싸이클 특성, 드롭 내구성 특성, 및 젖음성 특성에 대하여 실험하였다.
실험에 사용된 솔더볼의 크기는 300 ㎛이었다. 냉열 싸이클 특성과 드롭 내구성 특성에 사용된 기판은 패드가 갖추어진 Cu-OSP(organic solderability preservative)이었다. 젖음성 특성은 격면 연마된 동판 위에 플럭스(flux)를 도포하고 리플로우 벨트 속도를 2배로 증가시켰다. 냉열 싸이클 특성은 -45℃에서 30분을 유지한 후 125℃로 급격하게 변화시켜 30분 유지하는 것을 하나의 싸이클로 하여, 초기 파괴가 발생하는 싸이클의 횟수를 측정하였다. 드롭 내구성 특성은 JEDEC 표준(JESD22-B104) 규격에 따라서 수행되었으며, 구제적으로 솔더볼이 접착된 패키지에 대하여 900G의 충격량을 인가시켜 초기 파괴가 일어나는 횟수와 최종 파괴가 일어나는 횟수를 측정하였다. 젖음성은 레스카(RESCA)상의 SAT-5000 솔더 체커(Solder Checker)를 이용하여 수행되었다.
표 1 및 표 2는 주석계 솔더볼의 은의 함량을 변화시키는 경우의 주석계 솔더볼의 특성들의 변화를 나타낸 표이다.
표 1은 Ag-Cu-Sn 합금의 솔더볼에서, 은의 함량의 범위를 0.3 wt% 내지 3 wt%로 변화시키는 경우이며, 구리의 함량은 0.8 wt%이고, 잔부는 주석과 불가피한 불순물로 구성된다. 표 2는 Ag-Cu-Ni-Bi-Sn 합금의 솔더볼에서, 은의 함량의 범위를 변화시키는 경우이며, 구리의 함량은 0.8 wt%이고, 니켈의 함량은 0.05 wt%이고, 비스무트의 함량은 0.2 wt%이며, 잔부는 주석과 불가피한 불순물로 구성된다.
표 1과 표 2를 참조하면, 은의 함량이 증가됨에 따라 냉열 싸이클 횟수가 증가되는 경향을 보였다. 그러나, 드롭 내구성은 최초 파괴와 최종 파괴에 대하여 모두 감소하는 경향을 보였다. 젖음성은 크게 변화하지 않았다. 또한, 니켈과 비스무트를 함유하지 않은 경우(표 1)에 비하여, 니켈과 비스무트를 함유한 경우(표 2)에서, 냉열 싸이클 횟수와 드롭 내구성이 모두 증가하였다. 싸이클 횟수와 드롭 내구성의 상반되는 변화 경향을 고려하면, 은의 함량은 2 wt% 내지 2.5 wt%가 바람직할 수 있다.
표 1
Ag(x wt%)-Cu(0.8 wt%)-Sn
은(x) 냉열싸이클(싸이클 횟수) 드롭 내구성 (최초파괴횟수) 드롭 내구성 (최종파괴횟수) 젖음성
0.3 900 17 93 0.6
1 1100 18 91 0.6
2 1200 18 90 0.6
2.5 1600 15 83 0.6
3 1500 11 78 0.6
표 2
Ag(x wt%)-Cu(0.8 wt%)-Ni(0.05 wt%)-Bi(0.2 wt%)-Sn
은(x) 냉열싸이클(싸이클 횟수) 드롭 내구성 (최초파괴횟수) 드롭 내구성 (최종파괴횟수) 젖음성
0.3 1700 25 118 0.55
1 1800 23 111 0.55
2 2500 23 115 0.6
2.5 3200 22 108 0.6
3 3400 16 93 0.6
표 3 및 표 4는 주석계 솔더볼의 구리의 함량을 변화시키는 경우의 주석계 솔더볼의 특성들의 변화를 나타낸 표이다.
표 3은 Ag-Cu-Sn 합금의 솔더볼에서, 구리의 함량의 범위를 0.4 wt% 내지 1 wt%로 변화시키는 경우이며, 은의 함량은 2.5 wt%이고, 잔부는 주석과 불가피한 불순물로 구성된다. 표 4는 Ag-Cu-Ni-Bi-Sn 합금의 솔더볼에서, 구리의 함량의 범위를 변화시키는 경우이며, 은의 함량은 2.5 wt%이고, 니켈의 함량은 0.05 wt%이고, 비스무트의 함량은 0.2 wt%이며, 잔부는 주석과 불가피한 불순물로 구성된다.
표 3과 표 4를 참조하면, 구리의 함량은 0.8 wt%에서 냉열 싸이클 횟수가 최대값을 보이고, 구리의 함량이 0.8 wt%로부터 감소되거나 증가되면 냉열 싸이클 횟수가 감소되는 경향을 보인다. 드롭 내구성은 최초 파괴와 최종 파괴에 모두 대하여 구리의 함량의 변화에 대하여 크게 달라지지 않았다. 젖음성은 크게 변화하지 않았다. 또한, 니켈과 비스무트를 함유하지 않은 경우(표 3)에 비하여, 니켈과 비스무트를 함유한 경우(표 4)에서, 냉열 싸이클 횟수와 드롭 내구성이 모두 증가하였다. 싸이클 횟수와 드롭 내구성의 변화 경향을 고려하면, 구리의 함량은 약 0.8 wt% 정도가 바람직할 수 있다.
표 3
Ag(2.5 wt%)-Cu(y wt%)-Sn
구리(y) 냉열싸이클(싸이클 횟수) 드롭 내구성 (최초파괴횟수) 드롭 내구성 (최종파괴횟수) 젖음성
0.4 1400 16 85 0.6
0.5 1300 15 86 0.6
0.8 1600 15 83 0.6
1 1400 14 85 0.6
표 4
Ag(2.5 wt%)-Cu(y wt%)-Ni(0.05 wt%)-Bi(0.2 wt%)-Sn
구리(y) 냉열싸이클(싸이클 횟수) 드롭 내구성 (최초파괴횟수) 드롭 내구성 (최종파괴횟수) 젖음성
0.4 3000 20 103 0.55
0.5 3000 20 105 0.55
0.8 3200 22 108 0.6
1 2800 20 104 0.6
표 5는 주석계 솔더볼의 비스무트의 함량을 변화시키는 경우의 주석계 솔더볼의 특성들의 변화를 나타낸 표이다.
표 5는 Ag-Cu-Ni-Bi-Sn 합금의 솔더볼에서, 비스무트의 함량의 범위를 0 wt% 내지 1 wt%로 변화시키는 경우이며, 은의 함량은 2.5 wt%이고, 구리의 함량은 0.8 wt%이고, 니켈의 함량은 0.05 wt%이며, 잔부는 주석과 불가피한 불순물로 구성된다.
표 5를 참조하면, 비스무트의 함량은 0.2 wt%에서 냉열 싸이클 횟수가 최대값을 보이면서, 비스무트의 함량이 0.2 wt%로부터 감소되거나 증가되면 냉열 싸이클 횟수가 감소되는 경향을 보인다. 드롭 내구성 또한 최초 파괴와 최종 파괴에 모두 대하여 비스무트의 함량이 0.2 wt%에서 최대값을 보이고, 비스무트의 함량이 0.2 wt%로부터 감소되거나 증가되면 감소되는 경향을 보인다. 젖음성은 크게 변화하지 않았다. 싸이클 횟수와 드롭 내구성의 변화 경향을 고려하면, 비스무트의 함량은 약 0.2 wt% 정도가 바람직할 수 있다.
표 5
Ag(2.5 wt%)-Cu(0.8 wt%)-Ni(0.05 wt%)-Bi(z wt%)-Sn
비스무트(z) 냉열싸이클(싸이클 횟수) 드롭 내구성 (최초파괴횟수) 드롭 내구성 (최종파괴횟수) 젖음성
0 1700 19 98 0.6
0.05 2200 18 101 0.6
0.1 2600 20 103 0.6
0.2 3200 22 108 0.6
0.3 2400 16 97 0.6
0.4 2100 17 95 0.6
0.5 2000 19 93 0.6
1.0 1800 16 90 0.6
표 6은 주석계 솔더볼에서 니켈과 비스무트를 포함시키는 경우의 주석계 솔더볼의 특성들의 변화를 나타낸 표이다. 표 6에서, 기준 합금은 Ag(2.5 wt%)-Cu(0.8 wt%)-Sn이다. 더해지는 니켈의 함량은 0.05 wt%이고, 비스무트는 0.2 wt%이다. 기준 합금에 대하여 니켈이 포함되는 경우에는, 냉열 싸이클 횟수는 6% 증가, 드롭 내구성의 최초 파괴는 26% 증가, 드롭 내구성의 최종 파괴는 18% 증가하는 등 모든 특성이 개선되었다. 또한, 기준 합금에 대하여 니켈과 비스무트가 함께 포함되는 경우에는, 냉열 싸이클 횟수는 100% 증가, 드롭 내구성의 최초 파괴는 46% 증가, 드롭 내구성의 최종 파괴는 30% 증가하는 등 모든 특성이 더 개선되었다.
표 6
구분 냉열싸이클(싸이클 횟수) 드롭 내구성 (최초파괴횟수) 드롭 내구성 (최종파괴횟수) 젖음성
기준합금 1600 15 83 0.6
기준합금+Ni 1700(6% 증가) 19(26% 증가) 98(18% 증가) 0.6(증가없음)
기준합금+Ni+Bi 3200(100% 증가) 22(46% 증가) 108(30% 증가) 0.6(증가없음)
표 7은 주석계 솔더볼에서, Ag-Cu-Ni-Bi-Sn 합금에 인(P)을 더 포함하는 경우이며, 은의 함량은 2.5 wt%이고, 구리의 함량은 0.8 wt%이고, 니켈의 함량은 0.05 wt%이고, 비스무트의 함량은 0.2이며, 잔부는 주석과 불가피한 불순물로 구성된다.
표 7을 참조하면, 인을 0.005 wt% (50 ppm)을 포함하면, 모든 특성이 저하되었다. 구체적으로, 냉열 싸이클 횟수는 50% 감소, 드롭 내구성의 최초 파괴는 45% 감소, 드롭 내구성의 최종 파괴는 18% 감소, 젖음성은 45% 감소되었다. 따라서, 솔더볼 내에서 인의 함량을 극도로 제한할 필요가 있음을 발견하였다. 따라서, 본 발명에 따른 주석계 솔더볼(10)은 인을 포함하지 않거나 또는 불가피한 불순물 수준으로서 포함할 수 있다.
표 7
Ag(2.5 wt%)-Cu(0.8 wt%)-Ni(0.05 wt%)-Bi(0.2 wt%)-P(q wt%)-Sn
인(q) 냉열싸이클(싸이클 횟수) 드롭 내구성 (최초파괴횟수) 드롭 내구성 (최종파괴횟수) 젖음성
0 3200 22 108 0.6
0.005 1600(50% 감소) 12(45% 감소) 89(18% 감소) 0.33(45% 감소)
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주석계 솔더볼(10)을 포함하는 반도체 패키지(100, 200, 300)를 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 반도체 패키지(100)는 본 발명의 기술적 사상에 따라 상술한 바와 같은 주석계 솔더볼(10)을 포함한다. 반도체 패키지(100)는 인쇄회로기판(20), 인쇄회로기판(20) 상측에 위치한 반도체 칩(30), 반도체 칩(30)을 인쇄회로기판(20)과 전기적으로 연결하는 본딩 와이어(40), 반도체 칩(30)과 본딩 와이어(40)를 밀봉하는 밀봉재(50)를 포함한다. 주석계 솔더볼(10)은 인쇄회로기판(20)의 하측 상에 부착되고, 인쇄회로기판(20)을 통하여 반도체 칩(30)과 전기적으로 연결된다. 여기에서, 반도체 패키지(100)는 하나의 반도체 칩(30)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 복수의 반도체 칩들을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 3을 참조하면, 반도체 패키지(200)는 본 발명의 기술적 사상에 따라 상술한 바와 같은 주석계 솔더볼(10)을 포함한다. 반도체 패키지(100)는 인쇄회로기판(20), 인쇄회로기판(20) 상측에 위치한 반도체 칩(30), 반도체 칩(30)을 인쇄회로기판(20)과 전기적으로 연결하는 내부 솔더볼(10a), 반도체 칩(30)을 밀봉하는 밀봉재(50)를 포함한다. 주석계 솔더볼(10)은 인쇄회로기판(20)의 하측 상에 부착되고, 인쇄회로기판(20)을 통하여 반도체 칩(30)과 전기적으로 연결된다. 내부 솔더볼(10a)은 주석계 솔더볼(10)과 같은 함량의 물질들을 포함할 수 있다. 내부 솔더볼(10a)은 주석계 솔더볼(10)에 비하여 작은 크기일 수 있다. 여기에서, 반도체 패키지(200)는 하나의 반도체 칩(30)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 복수의 반도체 칩들을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 4를 참조하면, 반도체 패키지(300)는 본 발명의 기술적 사상에 따라 상술한 바와 같은 주석계 솔더볼(10)을 포함한다. 반도체 패키지(300)는 반도체 칩(30)과 반도체 칩(30)의 하측에 부착되고 전기적으로 연결된 주석계 솔더볼(10)을 포함한다. 이러한 반도체 칩(30)은 SOC(system on chip) 또는 SIP(system in package)일 수 있다. 여기에서, 반도체 패키지(300)는 하나의 반도체 칩(30)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 복수의 반도체 칩들을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
본 명세서에서는 주석계 솔더볼에 대하여 설명하였으나, 본딩 와이어에 대하여 적용되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 즉, 본 발명의 기술적 사상에 따른 본딩 와이어는 0.3 wt% 내지 3.0 wt% 범위의 은(Ag); 0.4 wt% 내지 0.8 wt% 범위의 구리(Cu); 0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈(Ni); 및 0.1 wt% 내지 0.5 wt% 범위의 비스무트(Bi);을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물으로 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명은 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지에 관한 것으로, 우수한 냉열 싸이클 특성, 드롭 내구성 특성 및 내구성 특성을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 0.3 wt% 내지 3.0 wt% 범위의 은(Ag);
    0.4 wt% 내지 0.8 wt% 범위의 구리(Cu);
    0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈(Ni); 및
    0.1 wt% 내지 0.5 wt% 범위의 비스무트(Bi);을 포함하고,
    잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물으로 구성된 주석계 솔더볼.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비스무트는 0.1 wt% 내지 0.3 wt% 범위인 것을 특징으로 하는 주석계 솔더볼.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비스무트는 0.2 wt%(±0.02 wt%)인 것을 특징으로 하는 주석계 솔더볼.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 니켈은 0.05(±0.01 wt%)인 것을 특징으로 하는 주석계 솔더볼.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 은은 2.5 wt% 이고,
    상기 구리는 0.8 wt%이고,
    상기 니켈은 0.05 wt%이고,
    상기 비스무트는 0.2 wt%인 것을 특징으로 하는 주석계 솔더볼.
  6. 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 비스무트(Bi)을 포함하고, 잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물로 구성되고, 인(P)이 제거된 주석계 솔더볼.
  7. 주석계 솔더볼을 포함하는 반도체 패키지로서, 상기 주석계 솔더볼은,
    0.3 wt% 내지 3.0 wt% 범위의 은(Ag);
    0.4 wt% 내지 0.8 wt% 범위의 구리(Cu);
    0.01 wt% 내지 0.09 wt% 범위의 니켈(Ni); 및
    0.1 wt% 내지 0.5 wt% 범위의 비스무트(Bi);을 포함하고,
    잔부는 주석(Sn) 및 불가피한 불순물으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
PCT/KR2012/009317 2012-11-07 2012-11-07 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지 WO2014073716A1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/818,034 US20140284794A1 (en) 2012-11-07 2012-11-07 Tin-based solder ball and semiconductor package including the same
CN201280003149.4A CN103958120A (zh) 2012-11-07 2012-11-07 锡基焊球和包含它的半导体封装
PCT/KR2012/009317 WO2014073716A1 (ko) 2012-11-07 2012-11-07 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2012/009317 WO2014073716A1 (ko) 2012-11-07 2012-11-07 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014073716A1 true WO2014073716A1 (ko) 2014-05-15

Family

ID=50684802

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2012/009317 WO2014073716A1 (ko) 2012-11-07 2012-11-07 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20140284794A1 (ko)
CN (1) CN103958120A (ko)
WO (1) WO2014073716A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11134598B2 (en) * 2009-07-20 2021-09-28 Set North America, Llc 3D packaging with low-force thermocompression bonding of oxidizable materials
KR20170067942A (ko) * 2015-12-08 2017-06-19 삼성전자주식회사 솔더 조성물 및 이를 포함하는 반도체 패키지
JP6755546B2 (ja) * 2016-08-09 2020-09-16 株式会社日本スペリア社 接合方法
CN106312358A (zh) * 2016-09-30 2017-01-11 河南科技大学 一种自动切丝式钎焊球的制取设备及方法
TWI602929B (zh) * 2017-05-17 2017-10-21 Solder composition
CN117020592B (zh) * 2023-10-09 2024-02-02 中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司 一种自钎复合焊锡球、制备方法、电子器件

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020015660A1 (en) * 1995-09-29 2002-02-07 Toshikazu Murata Lead-free solder alloys
US20080292492A1 (en) * 2004-12-01 2008-11-27 Alpha Fry Limited Solder Alloy
KR20100043228A (ko) * 2007-07-13 2010-04-28 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤 차재 실장용 무납 땜납과 차재 전자 회로
US20110120769A1 (en) * 2009-04-20 2011-05-26 Shigeaki Sakatani Soldering material and electronic component assembly
KR101142814B1 (ko) * 2010-10-29 2012-05-08 하리마 카세이 가부시키가이샤 저은 땜납 합금 및 땜납 페이스트 조성물

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6517602B2 (en) * 2000-03-14 2003-02-11 Hitachi Metals, Ltd Solder ball and method for producing same
US20030021718A1 (en) * 2001-06-28 2003-01-30 Osamu Munekata Lead-free solder alloy

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020015660A1 (en) * 1995-09-29 2002-02-07 Toshikazu Murata Lead-free solder alloys
US20080292492A1 (en) * 2004-12-01 2008-11-27 Alpha Fry Limited Solder Alloy
KR20100043228A (ko) * 2007-07-13 2010-04-28 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤 차재 실장용 무납 땜납과 차재 전자 회로
US20110120769A1 (en) * 2009-04-20 2011-05-26 Shigeaki Sakatani Soldering material and electronic component assembly
KR101142814B1 (ko) * 2010-10-29 2012-05-08 하리마 카세이 가부시키가이샤 저은 땜납 합금 및 땜납 페이스트 조성물

Also Published As

Publication number Publication date
CN103958120A (zh) 2014-07-30
US20140284794A1 (en) 2014-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014073716A1 (ko) 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지
US7422721B2 (en) Lead-free solder and soldered article
US8691143B2 (en) Lead-free solder alloy
JP3866503B2 (ja) 半導体装置
US11241760B2 (en) Solder alloy, solder paste, solder ball, resin flux-cored solder and solder joint
US20030015575A1 (en) Solder material and electric or electronic device in which the same is used
CN103972115B (zh) 半导体器件以及制造半导体器件的方法
US7785500B2 (en) Electrically conductive adhesive
JP2505481B2 (ja) フレキシブル回路基板用銅合金箔
US6457233B1 (en) Solder bonding method, and process of making electronic device
JP2001520585A (ja) 無鉛ハンダ
US20070243405A1 (en) Electronic device with lead-free metal thin film formed on the surface thereof
KR101513494B1 (ko) 무연 솔더, 솔더 페이스트 및 반도체 장치
US8716860B2 (en) Tin-based solder ball and semiconductor package including the same
KR101275302B1 (ko) 주석계 솔더볼 및 이를 포함하는 반도체 패키지
GB2175008A (en) Copper alloy lead material for leads of a semiconductor device
WO2021033936A1 (ko) 솔더링용 저융점 고연성 무연합금 및 이의 용도
KR20200085350A (ko) Cu 볼, OSP 처리 Cu 볼, Cu 핵 볼, 납땜 조인트, 땜납 페이스트, 폼 땜납, 및 Cu 볼의 제조 방법
KR20010051912A (ko) 주석-비스무쓰계 무연 솔더
JP6370458B1 (ja) 鉛フリーはんだ合金、及び、電子回路基板
JPS6267144A (ja) リ−ドフレ−ム用銅合金
JPH03255637A (ja) ダイボンディング用半田
JP2910527B2 (ja) 高温はんだ
JP7488504B1 (ja) はんだ合金、はんだペースト、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだ継手、車載電子回路、ｅｃｕ電子回路、車載電子回路装置、およびｅｃｕ電子回路装置
JP7421157B1 (ja) はんだ合金、はんだペースト及びはんだ継手

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13818034

Country of ref document: US

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12887948

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12887948

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1