KR20230050125A

KR20230050125A - 무연 솔더 합금 및 이를 이용한 전자 장치 제조 방법

Info

Publication number: KR20230050125A
Application number: KR1020210133446A
Authority: KR
Inventors: 이영우; 이슬기; 김휘중; 손재열; 송재헌; 문정탁
Original assignee: 엠케이전자 주식회사
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2023-04-14
Also published as: US12030140B2; US20230111798A1; TW202315955A

Abstract

비스무트(Bi) 56 wt% 이상 57.5 wt% 이하; 인듐(In) 0.05 wt% 이상 1.0 wt% 이하; 및 잔부 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 은(Ag)을 포함하지 않는 무연 솔더 합금이 제공된다. 본 발명의 무연 솔더 합금은 Sn-58Bi 합금에 비하여 융점 변화가 크지 않으면서도 연성 특성 및 열충격 신뢰성이 향상된 본딩을 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

무연 솔더 합금 및 이를 이용한 전자 장치 제조 방법 {Lead-free solder alloy and method of fabricating electronic device using the same}

본 발명은 무연 솔더 합금 및 이를 이용한 전자 장치 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 Sn-58Bi 합금에 비하여 융점 변화가 크지 않으면서도 연성 특성 및 열충격 신뢰성이 향상된 무연 솔더 합금 및 이를 이용한 전자 장치 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 제품이 고성능화됨에 따라 표면 실장 기술이 널리 이용되고 있으며, 본딩 공정의 리플로우 공정이 200℃ 이하의 온도에서 수행되면 수율 향상을 기대할 수 있다.

이러한 표면 실장 기술을 적용할 때 리플로우 온도를 200℃ 이하로 하기 위해서는 다양한 합금 조성이 제안되어 왔으나 연성 특성 및 열충격 신뢰성 측면에서 더욱 개선될 여지가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 Sn-58Bi 합금에 비하여 융점 변화가 크지 않으면서도 연성 특성 및 열충격 신뢰성이 향상된 무연 솔더 합금을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 무연 솔더 합금을 이용하는 전자 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 비스무트(Bi) 56 wt% 이상 57.5 wt% 이하; 인듐(In) 0.05 wt% 이상 1.0 wt% 이하; 및 잔부 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 은(Ag)을 포함하지 않는 무연 솔더 합금을 제공한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금은 니켈(Ni)을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금에서 Bi와 In의 함량의 합은 약 57 wt% 내지 약 58.2 wt%일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금에서 Bi와 In의 함량의 합은 약 57.8 wt% 내지 약 58.2 wt%일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금에서 Bi의 함량(wt%)(X₁)에 대한 In의 함량(wt%)(X₂)의 비율(즉, X₂/X₁)이 1.0x10^-3 내지 1.8x10^-2일 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금은 게르마늄(Ge), 인(P), 및 갈륨(Ga)으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하고, 게르마늄, 인, 및 갈륨으로부터 선택된 1종 이상의 총 함량이 중량 기준으로 5 ppm 이상 500 ppm 이하일 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금의 융점은 약 134℃ 내지 약 140℃이다.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 상기 무연 솔더 합금을 포함하는 솔더볼이 부착된 제 1 기판을 제공하는 단계; 제 2 기판의 본딩 패드 상에 솔더 페이스트를 제공하는 단계; 및 상기 솔더볼을 상기 솔더 페이스트와 접촉시킨 후 리플로우 시킴으로써 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 결합하는 단계를 포함하고, 상기 솔더 페이스트는 비스무트(Bi) 57 wt% 이상 58 wt% 이하; 및 잔부 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 전자 장치 제조 방법을 제공한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 페이스트는 은(Ag)을 포함하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 페이스트는 은(Ag)을 0.005 wt% 이상 1.0 wt% 이하로 더 함유할 수 있다.

본 발명의 무연 솔더 합금은 Sn-58Bi 합금에 비하여 융점 변화가 크지 않으면서도 연성 특성 및 열충격 신뢰성이 향상된 본딩을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 무연 솔더 합금을 이용하여 전자 장치를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 무연 솔더 합금을 이용하여 전자 장치를 제조하는 방법을 나타낸 측면도들이다.
도 3은 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2의 무연 솔더 합금에 대하여 수행한 볼 전단 강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 2 내지 실시예 4, 및 비교예 3 내지 비교예 11의 접합된 구조물들에 대하여 열충격 특성 시험을 수행한 결과를 솔더 페이스트 조성을 중심으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4의 실시예 3 내지 실시예 4, 및 비교예 6 내지 비교예 11의 접합된 구조물들에 대하여 열충격 특성 시험을 수행한 결과를 솔더볼 조성을 중심으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 2의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용하여 본딩한 단면을 나타낸 이미지들이다.
도 7은 실시예 3의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용하여 본딩한 단면을 나타낸 이미지들이다.
도 8은 조성 C를 갖는 솔더볼을 이용하여 본딩된 단면의 열충격 시험 이전과 이후의 주사전자현미경 이미지, 결정방위 분포 이미지, EDS 분석을 통해 얻은 In 분포 및 Ag 분포의 이미지들이다.
도 9는 비교예 7과 실시예 3의 본딩 단면에서 크랙이 일어난 부분에 대한 EBSD 분석 결과를 나타낸 이미지들이다.
도 10은 열충격 시험 이후의 실시예 3과 실시예 4의 본딩 단면의 모폴로지를 나타낸 단면 이미지들이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "갖는다" 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.

첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 여기에 사용되는 모든 용어 "및/또는"은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "기판"은 기판 그 자체, 또는 기판과 그 표면에 형성된 소정의 층 또는 막 등을 포함하는 적층 구조체를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "기판의 표면"이라 함은 기판 그 자체의 노출 표면, 또는 기판 위에 형성된 소정의 층 또는 막 등의 외측 표면을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 비스무트(Bi) 약 56 wt% 이상 약 57.5 wt% 이하, 인듐(In) 약 0.05 wt% 이상 약 1.0 wt% 이하, 그리고 잔부 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무연 솔더 합금이 제공된다.

여기서 '불가피한 불순물'은 의도적으로 첨가하지 않았으며 제조 공정에서 의도치 않게 첨가된 불순물을 의미하며, 중량 기준으로 약 0.1 wt% 미만의 불순물을 의미할 수 있다.

상기 무연 솔더 합금은 은(Ag)을 불포함할 수 있다. 여기서 상기 무연 솔더 합금이 Ag을 불포함한다는 것은 불가피한 불순물로서의 Ag까지 불포함한다는 의미는 아니다. 따라서, 상기 무연 솔더 합금은 불가피한 불순물로서 함유되는 Ag을 포함할 수 있다.

상기 무연 솔더 합금에서 Bi의 함량이 상기 범위를 벗어나면 상기 무연 솔더 합금의 융점이 과도하게 상승할 수 있다. 또 상기 무연 솔더 합금에서 In의 함량이 상기 범위를 벗어나면 상기 무연 솔더 합금의 융점이 과도하게 저하될 수 있다.

상기 무연 솔더 합금 중의 Bi의 함량은 약 56.0 wt%, 약 56.1 wt%, 약 56.2 wt%, 약 56.3 wt%, 약 56.4 wt%, 약 56.5 wt%, 약 56.6 wt%, 약 56.7 wt%, 약 56.8 wt%, 약 56.9 wt%, 약 57.0 wt%, 약 57.1 wt%, 약 57.2 wt%, 약 57.3 wt%, 약 57.4 wt%, 약 57.5 wt%, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다. 예를 들면, 상기 무연 솔더 합금 중의 Bi의 함량은 약 56.0 wt% 내지 약 57.5 wt%, 약 56.1 wt% 내지 약 57.4 wt%, 약 56.2 wt% 내지 약 57.3 wt%, 약 56.3 wt% 내지 약 57.2 wt%, 약 56.4 wt% 내지 약 57.1 wt%, 약 56.5 wt% 내지 약 57.0 wt%, 약 56.6 wt% 내지 약 56.9 wt%, 약 56.7 wt% 내지 약 56.8 wt%, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다.

상기 무연 솔더 합금 중의 In의 함량은 약 0.05 wt%, 약 0.08 wt%, 약 0.10 wt%, 약 0.15 wt%, 약 0.20 wt%, 약 0.25 wt%, 약 0.30 wt%, 약 0.35 wt%, 약 0.40 wt%, 약 0.45 wt%, 약 0.50 wt%, 약 0.55 wt%, 약 0.60 wt%, 약 0.65 wt%, 약 0.70 wt%, 약 0.75 wt%, 약 0.80 wt%, 약 0.85 wt%, 약 0.90 wt%, 약 0.95 wt%, 약 1.0 wt%, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다. 예를 들면, 상기 무연 솔더 합금 중의 In의 함량은 약 0.05 wt% 내지 약 1.0 wt%, 약 0.08 wt% 내지 약 0.95 wt%, 약 0.10 wt% 내지 약 0.90 wt%, 약 0.15 wt% 내지 약 0.85 wt%, 약 0.20 wt% 내지 약 0.80 wt%, 약 0.25 wt% 내지 약 0.75 wt%, 약 0.30 wt% 내지 약 0.70 wt%, 약 0.35 wt% 내지 약 0.65 wt%, 약 0.40 wt% 내지 약 0.60 wt%, 약 0.45 wt% 내지 약 0.55 wt%, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 Bi와 In의 함량의 합은 약 57.0 wt% 내지 약 58.5 wt%, 약 57.2 wt% 내지 약 58.4 wt%, 약 57.4 wt% 내지 약 58.3 wt%, 약 57.6 wt% 내지 약 58.2 wt%, 약 57.8 wt% 내지 약 58.2 wt%, 약 57.8 wt% 내지 약 58.0 wt%, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다. 만일 상기 Bi와 In의 함량의 합이 상기 범위를 벗어나면 상기 무연 솔더 합금의 융점이 과도하게 상승할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, Bi의 함량(wt%)(X₁)에 대한 In의 함량(wt%)(X₂)의 비율(즉, X₂/X₁)은 약 1.0x10^-3 내지 약 1.8x10^-2 일 수 있다. In과 Bi의 상대적인 함량비가 상기 범위를 벗어나면 열충격 신뢰성이 저하될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금은 니켈(Ni)을 불포함할 수 있다. 여기서 상기 무연 솔더 합금이 Ni을 불포함한다는 것은 불가피한 불순물로서의 Ni까지 불포함한다는 의미는 아니다. 따라서, 상기 무연 솔더 합금은 불가피한 불순물로서 함유되는 Ni을 포함할 수 있다.

상기 무연 솔더 합금의 융점은 약 134℃ 내지 약 140℃일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금의 융점은 약 134℃ 내지 약 140℃, 약 134.5℃ 내지 약 138℃, 약 135.0℃ 내지 약 137.5℃, 약 135.3℃ 내지 약 137℃, 약 135.5℃ 내지 약 136.5℃, 약 135.7℃ 내지 약 136.0℃, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다. 만일 상기 무연 솔더 합금의 융점이 상기 범위를 벗어나면 다른 솔더 본딩 조건이 크게 변화하게 되어 경제적으로 불리하다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금의 융점은 (58 wt% Bi)-(잔부Sn)인 솔더 합금의 융점 사이의 차의 절대값은 약 3℃ 이하일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금의 융점에서 상기 (58 wt% Bi)-(잔부Sn)인 솔더 합금의 융점을 뺀 값은 1.0℃ 내지 2.7℃, 1.3℃ 내지 2.5℃, 1.5℃ 내지 2.3℃, 1.8℃ 내지 2.3℃, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 무연 솔더 합금은 게르마늄(Ge), 인(P), 및 갈륨(Ga)으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 무연 솔더 합금에서 상기 게르마늄, 인, 및 갈륨으로부터 선택된 1종 이상의 총 함량은 중량 기준으로 약 5 ppm 내지 약 500 ppm일 수 있다.

상기 무연 솔더 합금에서, 상기 게르마늄, 인, 및 갈륨으로부터 선택된 1종 이상의 총 함량이 너무 적으면 주석 성분의 산화를 방지하는 효과가 미흡할 수 있다. 상기 게르마늄, 인, 및 갈륨으로부터 선택된 1종 이상의 총 함량이 너무 많으면 패드에 대한 웨팅(wetting) 성능이 저하될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 게르마늄, 인, 및 갈륨으로부터 선택된 1종 이상의 총 함량은 약 5 ppm 내지 약 500 ppm, 약 10 ppm 내지 약 400 ppm, 약 20 ppm 내지 약 300 ppm, 약 50 ppm 내지 약 200 ppm, 또는 이 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다.

도 1은 본 발명의 무연 솔더 합금을 이용하여 전자 장치를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 무연 솔더 합금을 이용하여 전자 장치(100)를 제조하는 방법을 나타낸 측면도들이다.

도 1 및 도 2a를 참조하면, 위에서 설명한 무연 솔더 합금을 포함하는 솔더볼(114)이 부착된 제 1 기판(110)이 제공된다(S110).

일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 기판(110)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 기판(110)은 저머늄(Ge, germanium)과 같은 반도체 원소, 또는 SiC (silicon carbide), GaAs(gallium arsenide), InAs (indium arsenide), 및 InP (indium phosphide)와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다.

상기 제 1 기판(110)의 일면 상에는 제 1 본딩 패드(112)가 제공될 수 있다. 상기 제 1 본딩 패드(112)는 Al, Cu, Ta, Ti, W, Ni, 및 Au 중의 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 제 1 본딩 패드(112) 상에는 위에서 설명한 무연 솔더 합금을 포함하는 솔더볼(114)이 부착될 수 있다.

도 1 및 도 2b를 참조하면, 제 2 기판(120)의 제 2 본딩 패드(122) 상에 솔더 페이스트(124)를 제공한다(S120).

일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 기판(120)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 기판(110)은 저머늄(Ge, germanium)과 같은 반도체 원소, 또는 SiC (silicon carbide), GaAs(gallium arsenide), InAs (indium arsenide), 및 InP (indium phosphide)와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다.

다른 실시예들에 있어서, 상기 제 2 기판(120)은 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)일 수 있다.

상기 제 2 기판(120)의 일면 상에는 제 2 본딩 패드(122)가 제공될 수 있다. 상기 제 2 본딩 패드(122)는 Al, Cu, Ta, Ti, W, Ni, 및 Au 중의 1종 이상을 포함할 수 있다.

특히, 상기 제 2 본딩 패드(122) 상에는 솔더 페이스트(124)가 제공될 수 있다. 상기 솔더 페이스트(124)는 비스무트(Bi) 약 57 wt% 이상 약 58 wt% 이하, 그리고 잔부 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 페이스트(124)는 은(Ag)을 약 0.005 wt% 내지 1.5 wt% 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 페이스트(124)에 포함된 Ag의 함량은 약 0.005 wt% 내지 1.5 wt%, 약 0.01 wt% 내지 1.4 wt%, 약 0.02 wt% 내지 1.3 wt%, 약 0.05 wt% 내지 1.2 wt%, 약 0.1 wt% 내지 1.1 wt%, 약 0.2 wt% 내지 1.0 wt%, 약 0.3 wt% 내지 0.9 wt%, 약 0.5 wt% 내지 0.8 wt%, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위일 수 있다.

만일 Ag의 함량이 상기 범위를 벗어나서 과도하게 많이 함유되면 열충격 신뢰성이 저하될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 페이스트(124)는 Ag를 포함하지 않을 수 있다. 여기서 상기 솔더 페이스트(124)가 Ag을 불포함한다는 것은 불가피한 불순물로서의 Ag까지 불포함한다는 의미는 아니다. 따라서, 상기 솔더 페이스트(124)는 불가피한 불순물로서 함유되는 Ag을 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2c를 참조하면, 제 1 기판(110)과 제 2 기판(120)을 결합시킬 수 있다(S130). 상기 제 1 기판(110)의 솔더볼(114)을 상기 솔더 페이스트(124)(도 2b 참조)가 도포된 제 2 본딩 패드(122)와 접촉시킨 후 상기 솔더볼(114)을 리플로우 및 경화시킴으로써 제 1 기판(110)과 제 2 기판(120)이 결합될 수 있다.

상기 리플로우는 예를 들면 약 170℃ 내지 약 200℃의 온도에서 약 10초 내지 약 60초 동안 수행될 수 있다.

이후 필요에 따라 상기 제 1 기판(110)과 상기 제 2 기판(120) 사이에 언더필을 형성하거나 및/또는 상기 제 1 기판(110)을 둘러싸는 몰딩부를 더 형성할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

우선 하기 표 1과 같은 조성의 무연 솔더 합금을 조제하여 융점을 조사하였다.

<표 1>

조성 A는 저융점의 솔더볼로서 널리 사용되는 조성이다. 표 1에서 보는 바와 같이 조성 B 내지 조성 D의 각 융점은 조성 A의 융점과 비교할 때 3℃ 이내의 비교적 작은 차이를 갖는다. 반면, 조성 E의 융점은 조성 A의 융점과 비교할 때 4.5℃보다 더 큰 차이를 가지며, 이러한 정도의 융점 차이는 반도체 장치 자체의 특성 변화 및 반도체 장치 제조의 여러 스펙의 변화를 요구하기 때문에 수용 불가능한 것일 수 있다.

볼 전단 강도 시험

조성 A (비교예 1), 조성 B (실시예 1), 및 조성 C (비교예 2)의 무연 솔더 합금을 각각 조제한 후 100 ㎛의 직경을 갖는 솔더볼을 제조하였다. 이들을 기판 상에 부착하고 볼 전단 강도(ball shear strength)를 측정하였다. 전단 팁 속도는 100 ㎛/초로 하고, 전단 팁 높이는 10 ㎛로 설정되었으며 측정 결과를 도 3에 도시하였다.

도 3에서 보는 바와 같이, 비교예 1의 솔더볼에 비하여 인듐(In)을 더 포함하는 실시예 1의 솔더볼은 현저히 향상된 볼 전단 강도를 보였다. 한편, 실시예 1에 비하여 은(Ag)을 더 포함하는 비교예 2의 솔더볼은 실시예 1의 솔더볼에 비하여 볼 전단 강도가 더 열화되는 것이 확인되었다.

열충격 시험

조성 A 내지 조성 C 및 조성 F를 갖는 솔더볼을 준비하고, 이들 각각에 대하여 다양한 솔더 페이스트를 적용하여 열충격 시험을 수행하였다.

구체적으로, 조성 F는 은 4.0 wt%, 구리 0.5 wt%, 및 잔부 주석으로 이루어지고, 조성 A 내지 조성 C는 표 1에 정리된 바와 같다. 솔더 페이스트의 조성은 하기 표 2에 정리된 바와 같으며, 표 2에서 "SAC305"는 은 3.0 wt%, 구리 0.5 wt%, 및 잔부 주석으로 이루어진 조성을 의미하고, "Sn-58Bi"는 비스무트 58 wt% 및 잔부 주석으로 이루어진 조성을 의미하고, "Sn-58Bi-1Ag"는 비스무트 57 wt%, 은 1 wt%, 및 잔부 주석으로 이루어진 조성을 의미한다.

표 2에 정리된 바와 같은 솔더볼과 솔더 페이스트를 이용하여 접합된 구조물들을 -40℃에서 30분 동안 유지한 후 온도를 100℃로 급격하게 상승시켜 30분 동안 유지하는 사이클을 반복 수행하였다. 이러한 열충격 특성 시험의 결과를 도 4에 도시하였다. 또한 각 실시예 및 비교예들에 있어서 최초로 불량이 발생한 사이클 횟수와 불량이 발생하는 평균적인 사이클 횟수를 표 2에 정리하였다.

<표 2>

도 4 및 표 2를 참조하면, 조성 B의 솔더볼은 SAC 305의 솔더 페이스트와 매칭되었을 때(실시예 2) 비교적 양호한 열충격 특성을 보였다.

한편, 조성 B의 솔더볼은 Sn-58Bi의 조성을 갖는 솔더 페이스트 및 Sn-57Bi-1Ag의 조성을 갖는 솔더 페이스트와 함께 사용되었을 때 조성 A, 조성 C, 및 조성 F의 솔더볼에 비하여 현저히 개선된 열충격 특성을 보였다. 특히, 솔더볼 쪽에서 은 1.0%를 포함하는지의 여부에 따른 차이가 있는 실시예 3과 비교예 8을 비교하면 은을 함유하지 않는 쪽(실시예 3)의 열충격 특성이 은을 함유하는 쪽(비교예 8)에 비하여 현저히 우수한 열충격 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 실시예 2와 비교예 5, 및 실시예 4와 비교예 11을 대조하여도 동일하게 확인된다.

한편, 특정 조성의 솔더볼에 대하여 솔더 페이스트가 은을 함유하는지 여부에 따른 차이를 비교하기 위하여 도 4 및 표 2의 데이터로부터 도 5의 그래프를 얻을 수 있다. 도 5 및 표 2를 참조하면, 솔더볼의 조성이 동일함에도 불구하고 솔더 페이스트가 비스무트를 함유하는 쪽(실시예 3 및 4)이 비스무트를 함유하지 않는 쪽(실시예 2)에 비하여 열충격 특성이 더 우수하다.

도 6은 실시예 2의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용하여 본딩한 단면을 나타낸 이미지들이다. 도 6의 (a)는 본딩 패드와 솔더 범프가 모두 보이는 이미지로서 상부의 본딩 패드는 Ni/Au 패드이고, 하부의 본딩 패드는 Cu-OSP 패드이다. 도 6의 (b)는 상부의 본딩 패드와 솔더 범프 사이의 계면을 확대한 이미지이고, (c)는 하부의 본딩 패드와 솔더 범프 사이의 계면을 확대한 이미지이다. 솔더 범프 영역에서 상대적으로 밝은 부분은 Bi 결정립이고 상대적으로 어두운 부분은 베타상의 주석 결정립이다. 도 6에서 보는 바와 같이 미세한 크기의 Bi 결정립이 조밀하게 분포하며 이는 Ag의 영향인 것으로 추정된다. 또한 솔더 범프와 본딩 패드 사이의 계면에서 비교적 두꺼운 Ag3Sn의 금속간 화합물의 층이 존재하는 것이 관찰되었다.

도 7은 실시예 3의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용하여 본딩한 단면을 나타낸 이미지들이다. 도 7의 (a)는 본딩 패드와 솔더 범프가 모두 보이는 이미지로서 상부의 본딩 패드는 Ni/Au 패드이고, 하부의 본딩 패드는 Cu-OSP 패드이다. 도 7의 (b)는 상부의 본딩 패드와 솔더 범프 사이의 계면을 확대한 이미지이고, (c)는 하부의 본딩 패드와 솔더 범프 사이의 계면을 확대한 이미지이다. 도 7을 참조하면, 상대적으로 Bi 결정립의 크기가 더 크고 금속간 화합물의 층이 더 얇은 두께로 형성된 것이 관찰되었다. Ag3Sn의 금속간 화합물은 취성 증가의 원인이 될 수 있으며 실시예 3에서는 금속간 화합물의 층이 더 얇기 때문에 실시예 2에 비하여 상대적으로 열충격 특성이 더 우수한 것으로 추정된다.

특히 도 7의 Bi 결정립은 도 6의 Bi 결정립보다 더 큰 평균 결정립 크기를 가질 수 있다. 도 6에 나타낸 실시예 2의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용한 본딩 단면에서의 Bi 결정립의 수는 50㎛ x 20㎛의 단면적에 대하여 169개(도 6(b)) 및 206개(도 6(c))로 계수(count)되었다. 또, 도 7에 나타낸 실시예 3의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용한 본딩 단면에서의 Bi 결정립의 수는 50㎛ x 20㎛의 단면적에 대하여 14개(도 7(b)) 및 54개(도 7(c))로 계수되었다.

즉, 실시예 3의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용한 본딩 단면에서는 50㎛ x 20㎛의 단면적에 대하여 Bi 결정립의 수가 대략 100개 이하, 예컨대 약 5개 내지 약 80개, 약 10개 내지 약 70개, 약 13개 내지 약 60개, 또는 이들 수치들 사이의 임의의 범위의 개수를 가질 수 있다. 상기 Bi 결정립의 수밀도(number density)가 상기 범위에 있음으로써, 즉 비교적 큰 크기의 Bi 결정립이 적은 수로 분포함으로써 취성이 억제되고 및/또는 연신 특성이 개선될 수 있다.

또한, 솔더 페이스트가 비스무트를 함유하는 경우에 있어서도, 은을 더 함유하는 쪽(실시예 4)의 열충격 특성이 은을 함유하지 않는 쪽(실시예 3)에 비하여 현저히 우수한 열충격 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 앞서 위에서 살펴본, 솔더볼이 은을 함유하는지의 여부와는 크게 대조적인 결과이다.

본 발명이 특정 이론에 의하여 한정되는 것은 아니나, 솔더볼이 은을 함유하지 않는 실시예 3이 은을 함유하는 비교예 8에 비하여 현저히 우수한 열충격 특성을 갖는 것은 비교예 8의 경우에 있어서 열충격 시험 중 Ag₃Sn 화합물이 과성장되는 점 및 In이 Ag에 고용되어 충분한 특성 강화 효과를 발휘하지 못한 점에 기인한 것으로 추정된다. 이러한 관계는 실시예 2와 비교예 5 사이의 관계 및 실시예 4와 비교예 11 사이의 관계에서도 확인된다.

도 8은 비교예 8의 솔더볼 및 솔더 페이스트를 이용하여 본딩된 단면의 열충격 시험 이전과 이후의 주사전자현미경 이미지, 결정방위 분포 이미지, EDS 분석을 통해 얻은 In 분포 및 Ag 분포의 이미지들이다.

도 8을 참조하면, 열충격 시험 이후 대체로 결정립 크기가 커진 것을 알 수 있으며, 특히 열충격 시험 이전에 비하여 열충격 시험 이후에 Ag의 분포가 일부 지역에 집중된 것이 관찰된다. 또한 Ag가 집중된 지역에 In이 함께 집중된 것이 관찰된다. 따라서, 추측컨대 과성장된 Ag₃Sn 화합물에서 초기 크랙이 생성되었을 확률이 높을 것으로 보인다.

도 9는 비교예 7과 실시예 3의 본딩 단면에서 크랙이 일어난 부분에 대한 EBSD 분석 결과를 나타낸 이미지들이다.

도 9를 참조하면, 실시예 3의 이미지에서는 변형이 비교적 균일하면서 적게 발생한 것이 관찰되고, 비교예 7의 이미지에서는 국지적으로 변형이 집중된 것이 관찰되었다.

도 10은 열충격 시험 이후의 실시예 3과 실시예 4의 본딩 단면의 모폴로지를 나타낸 단면 이미지들이다.

도 10을 참조하면, 실시예 4의 경우 실시예 3에 비하여 상대적으로 Bi 결정립의 트윈 구조 발생이 지연됨에 따라 더 우수한 본딩 특성이 관찰된 것으로 추정된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims

비스무트(Bi) 56 wt% 이상 57.5 wt% 이하;
인듐(In) 0.05 wt% 이상 1.0 wt% 이하; 및
잔부 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물;
을 포함하고,
은(Ag)을 포함하지 않는 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서,
니켈(Ni)을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서,
Bi와 In의 함량의 합이 57 wt% 내지 58.2 wt%인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금.
제 3 항에 있어서,
Bi와 In의 함량의 합이 57.8 wt% 내지 58.2 wt%인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서,
Bi의 함량(wt%)(X₁)에 대한 In의 함량(wt%)(X₂)의 비율(즉, X₂/X₁)이 1.0x10^-3 내지 1.8x10^-2인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서,
게르마늄(Ge), 인(P), 및 갈륨(Ga)으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하고,
게르마늄, 인, 및 갈륨으로부터 선택된 1종 이상의 총 함량이 중량 기준으로 5 ppm 이상 500 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서,
융점이 약 134℃ 내지 약 140℃인 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금.
제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 따른 무연 솔더 합금을 포함하는 솔더볼이 부착된 제 1 기판을 제공하는 단계;
제 2 기판의 본딩 패드 상에 솔더 페이스트를 제공하는 단계; 및
상기 솔더볼을 상기 솔더 페이스트와 접촉시킨 후 리플로우 시킴으로써 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 결합하는 단계;
를 포함하고,
상기 솔더 페이스트는:
비스무트(Bi) 57 wt% 이상 58 wt% 이하; 및
잔부 주석(Sn) 및 기타 불가피한 불순물;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치 제조 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 솔더 페이스트는 은(Ag)을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 전자 장치 제조 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 솔더 페이스트는 은(Ag)을 0.005 wt% 이상 1.0 wt% 이하로 더 함유하는 것을 특징으로 하는 전자 장치 제조 방법.