KR20160093026A - 아연계 무연 솔더 조성물 - Google Patents

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지안징 리
데이빗 이. 스틸
리차드 지. 타운센드
케빈 비. 알바우
크시아오단 우
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허니웰 인터내셔날 인코포레이티드
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Abstract

무연 솔더를 갖는 전자 패키징 배열이 개시된다. 특히, 무연 솔더 조성물 및 이와 함께 사용하기 위한 리드 프레임 구조물이 개시된다. 무연 솔더 조성물은 아연계일 수 있고 주성분으로서 아연, 알루미늄, 및 게르마늄을 그리고 미량 성분으로서 갈륨 및 마그네슘을 포함할 수 있다. 무연, 아연계 솔더 조성물은 예를 들면 원하는 용융 성질, 기계적 성질, 및 습윤 성질을 나타낼 수 있다.

Description

아연계 무연 솔더 조성물{ZINC-BASED LEAD-FREE SOLDER COMPOSITIONS}
본 개시는 무연 솔더를 갖는 전자 기기 패키징 배열에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 무연 솔더 조성물 및 이와 함께 사용하기 위한 리드 프레임 구조물에 관한 것이다.
솔더는 다양한 전기기계 및 전자 디바이스의 제조 및 조립에 사용된다. 전자 기기 제조 산업에서, 예를 들어, 솔더는 칩과 리드 프레임 간의 솔더링된 연결부를 만들기 위해 사용된다. 과거에, 솔더 조성물은 일반적으로 원하는 성질 예컨대 용융 성질, 기계적 성질, 습윤 성질, 및 열적 성질을 가진 솔더 조성물을 제공하기 위해 상당량의 납을 포함해 왔다. 일부 주석계 솔더 조성물이 또한 개발되었다.
보다 최근에는, 원하는 성능을 제공하는 무연 및 무주석 솔더 조성물을 제조하는 시도가 있어왔다. 일 부류의 무연 솔더는 아연계 솔더이며, 이는 다른 합금화 원소 예컨대 알루미늄 및/또는 추가 원소들과 함께 주성분으로서 아연을 포함하는 합금이며, 예를 들면, "무연 솔더 조성물"이라는 표제하에 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 출원 제13/586,074호(미국 특허 출원 공보 제2013/0045131호)에서 논의되고 있으며, 이 문헌은 전체 개시내용이 본원에 명시적으로 참고적으로 도입된다.
본 개시는 무연 솔더를 가진 전자 패키징 배열(arrangements)을 제공한다. 특히, 본 개시는 무연 솔더 조성물 및 이와 함께 사용하기 위한 리드 프레임 구조물을 제공한다.
무연 솔더 조성물은 아연계일 수 있다. 솔더 조성물은 주성분으로서 아연, 알루미늄, 및 게르마늄을 그리고 미량 성분으로서 갈륨 및 마그네슘을 포함할 수 있다. 무연, 아연계 솔더 조성물은 예를 들면 원하는 용융 성질, 기계적 성질, 및 습윤 성질을 나타낼 수 있다.
리드 프레임 구조물은 금속성(metallic) 리드 프레임, 리드 프레임의 산화를 방지하기 위한 금속성 장벽층, 및 칩을 리드 프레임에 접속하는 다이-커넥트 공정 동안 솔더, 예컨대 무연, 아연계 솔더의 균일한 습윤화를 촉진하기 위한, 리드 프레임 상의 비교적 얇은 습윤화 촉진층을 포함할 수 있다. 리드 프레임 및 습윤화 촉진층은 예를 들면 구리로 구성될 수 있고, 장벽층은 니켈로 구성될 수 있다. 구리/아연 금속간(intermetallic) 층이 솔더의 유동 및 응고 동안 형성된다. 구리층에서 실질적으로 모든 구리가 구리/아연 금속간 층의 형성 동안 소비되고, 금속간 층은 전자 기기 패키징 배열의 제조 및 후속 사용 동안 내부 균열 파괴(cracking failure)를 견딜 정도로 충분히 얇다.
이의 일 형태에서, 본 개시는 제1 주성분으로서 아연, 제2 주성분으로서 알루미늄, 제3 주성분으로서 게르마늄, 제1 미량 성분으로서 갈륨, 및 제2 미량 성분으로서 마그네슘을 포함하는 솔더 조성물을 제공하며, 여기서 각각의 미량 성분은 각각의 주성분보다 더 적은 양으로 솔더 조성물에 존재한다.
이의 또 다른 형태에서, 본 개시는 약 77 내지 약 93 중량% 아연, 약 3 내지 약 15 중량% 알루미늄, 약 3 내지 약 7 중량% 게르마늄, 약 0.25 내지 약 0.75 중량% 갈륨, 및 약 0.125 내지 약 0.375 중량% 마그네슘을 포함하는 솔더 조성물을 제공한다.
이의 또 다른 형태에서, 본 개시는 무연, 아연계 솔더 조성물을 포함하는 솔더 와이어를 제공한다.
이의 또 다른 형태에서, 본 개시는 칩 및 칩에 커플링된 리드 프레임 구조물을 포함하는 전자 기기 패키징 배열을 제공하며, 리드 프레임 구조물은 금속성 리드 프레임, 금속성 리드 프레임 상의 금속성 장벽층, 및 금속성 장벽층 상에 존재하고 칩에 커플링되는 금속간 층을 포함하고, 금속간 층은 금속성 장벽층 상의 습윤화 촉진층 및 무연, 아연계 솔더 조성물로 형성된다.
본 개시의 앞서 언급된 특징들 및 다른 특징들과 이점들, 및 이들을 얻는 방식은 첨부 도면과 함께 본 발명의 실시양태들의 하기 상세한 설명을 참조하여 보다 분명해질 것이고 본 발명 자체가 보다 잘 이해될 것이다:
도 1A는 리드 프레임에 연결된 칩을 포함하는 예시적인 전자 기기 패키징 배열의 개략적인 단면도이다.
도 1B는 도 1A의 일부의 부분적인 도이다.
도 2A는 도 1A 및 1B의 전자 기기 패키징 배열에 사용되는 예시적인 리드 프레임 구조물의 개략적인 단면도이다.
도 2B는 도 2A의 일부의 부분적인 도이다.
도 3은 실시예 1의 고각도 파단속도 시험(high angle breakage rate test)에 대한 실험적 셋업을 도시한다.
도 4 및 5는 실시예 2에 해당하며, 여기서:
도 4는 2 ㎛의 두께를 갖는 구리층을 가진 리드 프레임 구조물의 단면 광학 현미경 이미지이고;
도 5는 8 ㎛의 두께를 갖는 구리층을 가진 리드 프레임 구조물의 단면 광학 현미경 이미지이다.
도 6-8은 실시예 3에 해당하며, 여기서:
도 6은 도 4의 리드 프레임 상에 습윤화된 아연계 솔더의 이미지이고;
도 7은 도 5의 리드 프레임 상에 습윤화된 아연계 솔더의 이미지이며;
도 8은 니켈 장벽층을 포함하지만 구리층을 결여하는 대조군 리드 프레임 상에 습윤화된 아연계 솔더의 이미지이다.
도 9-12는 실시예 4에 해당하며, 여기서:
도 9는 도 6의 리드 프레임 상에 응고된 아연계 솔더의 주사 전자 현미경(SEM) 단면 이미지이고;
도 10은 도 9의 X-선 라인 스캔 원소 분석에 해당하는 일련의 플롯이며;
도 11은 도 7의 리드 프레임 상에 응고된 아연계 솔더의 주사 전자 현미경(SEM) 단면 이미지이고;
도 12는 도 11의 X-선 라인 스캔 원소 분석에 해당하는 일련의 플롯이다.
솔더 조성물은 2 이상의 기판(substrates) 또는 워크피스(workpieces)를 접합하기 위해 사용되는 가용(fusible) 금속 및 금속 합금이며 워크피스의 것들 아래의 융점을 갖는다. 반도체 제조 산업에서, 예를 들면, 솔더 조성물은 칩과 리드 프레임 간에 솔더링된 연결부를 제조하기 위해 다이-커넥트 적용에 사용된다.
I. 솔더 조성물
무연 또는 실질적으로 무연인 솔더 조성물이 본원에 개시된다. 무연 솔더 조성물은 이하에서 더욱 상세히 기재된 바와 같이 아연계 솔더 조성물일 수 있다.
솔더 조성물은 이하에서 더욱 상세히 논의되고 있는 바와 같이 벌크 솔더 생성물, 솔더 페이스트, 및 솔더 와이어를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 다양한 형태로 제공될 수 있다.
솔더 페이스트 형태의 솔더 조성물은 프린팅 및 분배(이에 한정되지 않음)를 포함한 다양한 방법을 사용하여, 예컨대 시린지를 사용하여 기판에 적용될 수 있는 유체 또는 퍼티(putty)-유사 재료일 수 있다. 예시적인 솔더 페이스트 제제가 분말화된 금속 솔더 조성물을 플럭스와 혼합함으로써 형성될 수 있으며, 여기서 플럭스는 임시 접착제로 작용하는 두꺼운 매체이다. 플럭스는 솔더링 공정이 분말화된 솔더 조성물을 용융시킬 때까지 솔더 페이스트의 성분들을 함께 유지할 수 있다. 솔더 페이스트에 대한 적합한 점도는 솔더 페이스트가 기판에 적용되는 방법에 따라 달라질 수 있다. 솔더 페이스트에 대한 적합한 점도는 300,000-700,000 센티포아즈(cP)를 포함한다.
솔더 와이어 형태의 솔더 조성물은 얇은 솔더 와이어를 제공하기 위해 솔더 조성물을 다이를 통해 드로잉함으로써 형성될 수 있다. 적합한 솔더 와이어는 약 1 밀리미터(mm) 미만, 예를 들면, 약 0.3 내지 약 0.8 mm의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시양태들에서, 솔더 와이어는 2 이상의 피스(pieces)로 분해됨이 없이 스풀 상에 롤링되거나 코일링될 수 있다. 예를 들면, 솔더 와이어는 102 mm의 직경을 가진 2개의 외부 플랜지 사이에 위치하는 51 mm의 내부 허브 직경을 가진 스풀 상에 롤링될 수 있다. 솔더 와이어가 초기에 스풀 상에 롤링됨에 따라, 내부 허브에 가장 가까운 솔더 와이어의 부분이 대략 51 mm의 유효 직경을 가진 스풀 내에 코일링된다. 추가 솔더 와이어가 스풀 상에 롤링됨에 따라, 내부 허브 상의 솔더 와이어의 하부층으로 인해 스풀의 유효 직경이 102 mm 가까이 증가한다.
형태에 관계없이, 솔더 조성물은 예를 들면 이의 용융 성질, 기계적 성질, 및 습윤 성질에 기초하여 평가될 수 있다. 이들 성질은 이하에서 보다 상세히 논의되어진다.
솔더 조성물은 이의 고상선(solidus) 온도, 액상선(liquidus) 온도, 및 액상선 온도와 고상선 온도 간의 용융 온도 범위를 포함한 이의 용융 성질에 기초하여 평가될 수 있다. 솔더 조성물의 고상선 온도는 솔더 조성물이 용융되기 시작하는 온도를 정량화한다. 고상선 온도 아래에서, 솔더 조성물은 완전히 고체이다. 일부 실시양태들에서, 고상선 온도는 스텝 솔더링 작업을 허용하고 최종 사용 디바이스에서 열응력을 최소화하기 위해 대략 300℃ 이상일 수 있다. 솔더 조성물의 액상선 온도는 그보다 높은 온도에서 솔더 조성물이 완전히 용해되는 그러한 온도를 정량화한다. 액상선 온도는 결정(예를 들면, 고체 재료)이 용융물(예를 들면, 액체 재료)와 함께 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 위에서, 솔더 조성물은 균질한 용융물 또는 액체이다. 솔더 조성물의 용융 온도 범위는 액상선 온도와 고상선 온도 사이에서 정해진다. 일부 실시양태들에서는, 솔더 조성물이 2개 상으로 존재하는 범위를 최소화하기 위해 좁은 용융 온도 범위를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
솔더 조성물은 또한 이의 기계적 성질, 예컨대 연신율 및 연성에 기초하여 평가될 수 있다. 솔더 조성물의 연성은 솔더 조성물이 인장 응력 하에 변형하는 능력을 지칭한다. 솔더 이음은 최종 디바이스에서 디바이스의 수명에 걸쳐 감소된 솔더 이음 강도를 경험한다. 연성 솔더 조성물은 디바이스의 수명을 연장시킬 수 있으며 이에 따라 바람직하다. 연성 솔더 조성물은 또한 솔더 와이어가 스풀 상에 코일링되거나 롤링될 수 있도록 하기 위해 본원에서 보다 상세히 기재되고 있는 바와 같이 솔더 와이어의 제작에 바람직할 수 있다. 연성은 고각도 (90°초과) 연성 측정치를 결정하기 위해 스풀 벤드(bend) 시험기를 사용하여 측정될 수 있다. 스풀 벤드 시험기는 저각도 (90°미만) 연성 측정치를 결정하기 위해서도 사용될 수 있다. 적합한 연성 값은 솔더 조성물의 최종 용도에 의존한다. 일부 실시양태들에서, 적합한 솔더 조성물은 예를 들면 0%의 고각도 파단속도 및 50% 미만, 40% 미만, 또는 30% 미만의 저각도 파단속도를 가질 수 있다.
솔더 조성물은 또한 솔더 조성물이 기판 또는 워크피스의 표면을 흐르고 이를 습윤화시키는 능력을 지칭하는 이의 습윤 성질에 기초하여 평가될 수 있다. 증가된 습윤화는 일반적으로 워크피스들 간에 증가된 결합 강도를 제공한다. 습윤화는 예를 들면 도트 젖음 시험을 이용하여 측정될 수 있다.
본 개시의 예시적인 솔더 조성물은 다수 또는 주요 성분으로서 아연(Zn)을 하나 이상의 다른 원소와 함께 또는 이와 합금화된 것을 포함하는 아연계 솔더 조성물이다. 아연 이외에, 솔더 조성물의 다른 주요 성분은 알루미늄(Al) 및 게르마늄(Ge)을 포함할 수 있다. 솔더 조성물의 미량 성분은 갈륨(Ga) 및 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있으며, 각각의 미량 성분은 각각의 주요 성분보다 더 적은 양으로 솔더 조성물에 존재한다. 성분 또는 요소는 하기의 상대적 양으로 솔더 조성물에 존재할 수 있다: 아연 > 알루미늄 > 게르마늄 >> 갈륨 > 마그네슘.
아연은 솔더 조성물에 약 77 내지 약 93 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 아연은 솔더 조성물에 약 77, 79, 81, 83, 또는 85 중량% 만큼 적은 양으로 또는 약 87, 89, 91, 또는 93 중량% 만큼 많은 양으로, 또는 상기 값들의 임의의 쌍에 의해 정해지는 임의 범위 내의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 아연은 솔더 조성물에 약 79 내지 약 91 중량%의 양으로; 약 81 내지 약 89 중량%의 양으로; 또는 약 79 내지 약 89 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 특정 실시양태에서, 아연은 솔더 조성물에 약 88.25 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 아연은 솔더 조성물의 밸런스를 구성할 수 있다.
알루미늄은 솔더 조성물에 약 3 내지 약 15 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 알루미늄은 약 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 중량% 만큼 적은 양으로 또는 약 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5, 9, 11, 13, 또는 15 중량% 만큼 많은 양으로, 또는 상기 값들의 임의 쌍에 의해 정해진 임의 범위 내의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄은 솔더 조성물에 약 3.5 내지 약 13 중량%; 약 4 내지 약 11 중량%; 약 4.5 내지 약 9 중량%; 약 5 내지 약 8.5 중량%; 약 5.5 내지 약 8 중량%; 약 5.5 내지 약 7.5 중량%; 약 5.5 내지 약 7 중량%; 또는 약 5.5 내지 약 6.5 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 특정 실시양태에서, 알루미늄은 솔더 조성물에 약 6 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
게르마늄은 솔더 조성물에 약 3 내지 약 7 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 게르마늄은 약 3, 3.5, 4, 4.5, 또는 5 중량% 만큼 적은 양으로 또는 약 5.5, 6, 6.5 또는 7 중량% 만큼 많은 양으로, 또는 상기 값들의 임의 쌍에 의해 정해진 임의 범위의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 게르마늄은 솔더 조성물에 약 3.5 내지 약 6.5 중량%; 약 4 내지 약 6 중량%; 또는 약 4.5 내지 약 5.5 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 특정 실시양태에서, 게르마늄은 솔더 조성물에 약 5 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
갈륨은 솔더 조성물에 약 0.25 내지 약 0.75 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 갈륨은 약 0.25, 0.275, 0.30, 0.325, 0.35, 0.375, 0.40, 0.425, 0.45, 0.475, 또는 0.50 중량% 만큼 적은 양으로 또는 약 0.525, 0.55, 0.575, 0.60, 0.625, 0.65, 0.675, 0.70, 0.725, 또는 0.75 중량% 만큼 많은 양으로, 또는 상기 값들의 임의 쌍에 의해 정해진 임의 범위 내의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 갈륨은 솔더 조성물에 약 0.25 내지 약 0.725 중량%; 약 0.275 내지 약 0.725 중량%; 약 0.30 내지 약 0.70 중량%; 약 0.325 내지 약 0.675 중량%; 약 0.35 내지 약 0.65 중량%; 약 0.375 내지 약 0.625 중량%; 약 0.40 내지 약 0.60 중량%; 약 0.425 내지 약 0.575 중량%; 약 0.45 내지 약 0.55 중량%; 또는 약 0.475 내지 약 0.525 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 특정 실시양태에서, 갈륨은 솔더 조성물에 약 0.5 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
마그네슘은 솔더 조성물에 약 0.125 내지 약 0.375 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 마그네슘은 약 0.125, 0.15, 0.175, 0.20, 또는 0.225 중량% 만큼 적은 양으로 또는 약 0.275, 0.30, 0.325, 0.35, 또는 0.375 중량% 만큼 많은 양으로, 또는 상기 값들의 임의 쌍에 의해 정해진 임의 범위 내의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 마그네슘은 솔더 조성물에 약 0.15 내지 약 0.35 중량%; 약 0.175 내지 약 0.325 중량%; 약 0.20 내지 약 0.30 중량%; 또는 약 0.225 내지 약 0.275 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 특정 실시양태에서, 마그네슘은 솔더 조성물에 약 0.25 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
솔더 조성물은 또한 하나 이상의 임의적인 도펀트, 예컨대 인듐, 주석, 구리, 은, 금, 니켈, 백금, 팔라듐, 바나듐, 및/또는 몰리브덴을 함유할 수 있다. 일부 실시양태들에서, 적합한 도펀트는 네오디뮴, 란탄 계열의 멤버(란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬), 주기율표의 IIA족의 멤버(칼슘, 스트론튬, 바륨), 주기율표의 IIIB족의 멤버(스칸듐, 이트륨), 주기율표의 IVB족의 멤버(티타늄, 지르코늄, 하프늄), 또는 이들의 임의 조합을 포함하며, 여기서 족(group) 번호 시스템은 CAS 족 번호 시스템이다. 총괄하여, 도펀트는 솔더 조성물에 최대 약 2.5 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 도펀트는 약 0.001, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 또는 0.5 중량% 만큼 적은 양으로 또는 약 1.0, 1.5, 2.0, 또는 2.5 중량% 만큼 많은 양으로, 또는 상기 값들의 임의 쌍에 의해 정해진 임의 범위 내의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 도펀트는 0.001 내지 약 2.5 중량%; 약 0.005 내지 약 2 중량%; 약 0.01 내지 약 1.5 중량%; 약 0.05 내지 약 1.5 중량%; 약 0.1 내지 약 1.5 중량%; 약 0.5 내지 약 1.5 중량%; 약 0.05 내지 약 1 중량%; 약 0.1 내지 약 1 중량%; 또는 약 0.5 내지 약 1 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
일부 실시양태들에서, 도펀트는 높은 산소 친화도를 가질 수 있고 다이 결합 공정 동안 낮은 산화 용융 성분을 제공하고/거나 탈산제로서 작용할 수 있다. 일부 실시양태들에서, 도펀트는 솔더의 습윤화를 개선할 수 있다. 즉, 일부 실시양태들에서 도펀트는 솔더가 기판 또는 워크피스의 표면을 흐르고 이를 습윤화시키는 능력을 개선할 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 증가된 또는 개선된 습윤화는 일반적으로 워크피스들 간에 증가된 결합 강도를 제공한다.
솔더 조성물이 하나 이상의 도펀트를 함유하는 실시양태들에서, 성분들은 하기 표 1에 제시된 양으로 존재할 수 있다.
성분 예 A
양
( 중량% ) 		예 B
양
( 중량% ) 		예 C
양
( 중량% ) 		예 D
양
( 중량% )
Zn 밸런스 밸런스 밸런스 밸런스
Al 3-15 3-15 4-11 5-8.5
Ge 3-7 3-7 3.5-6.5 4.5-5.5
Ga 0.25-0.75 0.25-0.725 0.275-0.725 0.375-0.625
Mg 0.125-0.375 0.125-0.375 0.15-0.35 0.175-0.325
도펀트(들) 0.001-2.5 0.001-2.5 0.01-1.5 0.05-1
합계 100 100 100 100
솔더 조성물이 어떠한 도펀트없이 아연, 알루미늄, 게르마늄, 갈륨, 및 마그네슘으로 이루어지거나 실질적으로 이루어지는 실시양태들에서, 성분들은 하기 표 2에 제시된 양으로 존재할 수 있다.
성분 예 E
양
( 중량% ) 		예 F
양
( 중량% ) 		예 G
양
( 중량% ) 		예 H
양
( 중량% )
Zn 밸런스 밸런스 밸런스 밸런스
Al 3-15 3-15 4-11 5-8.5
Ge 3-7 3-7 3.5-6.5 4.5-5.5
Ga 0.25-0.75 0.25-0.725 0.275-0.725 0.375-0.625
Mg 0.125-0.375 0.125-0.375 0.15-0.35 0.175-0.325
합계 100 100 100 100
특정 실시양태에서, 성분들은 하기 표 3에 제시된 양으로 존재할 수 있다.
성분 양
(중량 % )
Zn 88.25
Al 6
Ge 5
Ga 0.5
Mg 0.25
합계 100
또 다른 특정 실시양태에서, 성분들은 하기 표 4에 제시된 양으로 존재할 수 있다.
성분 양
(중량 % )
Zn 88.15
Al 6
Ge 5
Ga 0.5
Mg 0.25
Nd 0.1
합계 100
또 다른 특정 실시양태에서, 성분들은 하기 표 5에 제시된 양으로 존재할 수 있다.
성분 양
(중량 % )
Zn 87.25
Al 6
Ge 5
Ga 0.5
Mg 0.25
Nd 1
합계 100
솔더 조성물은 무연 및/또는 무주석일 수 있다. 본원에서 사용시, "무연(lead free)"은 0.1 중량% 미만의 납을 가진 솔더 조성물을 지칭하고, "무주석(tin free)"은 0.1 중량% 미만의 주석을 가진 솔더 조성물을 지칭한다.
본원에 기재되거나 청구된 임의의 솔더 조성물의 경우, 모든 성분들의 중량 퍼센티지의 합은 100%이다.
II. 리드 프레임 구조물
리드 프레임 구조물이 또한 앞서 기재된 무연, 아연계 솔더 조성물과 함께 사용을 위해 본원에 개시된다.
도 1A 및 1B를 참조하면, 이하에 기재되는 유형의 다층 솔더링된 연결부를 통해 리드 프레임(14)에 연결되는 칩(12)(즉, 집적 회로 및/또는 마이크로프로세서)을 포함하는 본 개시에 따른 예시적인 전자 기기 패키징 배열(10)의 개략적인 단면도가 도시된다.
칩(12)을 솔더링된 연결부를 통해 리드 프레임 구조물(16)에 연결되어 도 1A에 도시된 전자 기기 패키징 배열(10)을 형성하는 다이-커넥트 공정에서의 사용 이전의 본 개시에 따른 리드 프레임 구조물(16)이 도 2A 및 2B에 도시되어 있다. 리드 프레임 구조물(16)은 하나 이상의 칩(예를 들면, 도 1A의 칩(12))이 부착될 수 있는 금속성, 전기 전도성 기판 형태의 리드 프레임(14)을 포함하고, 리드 프레임(14) 및/또는 부착되는 칩은 또한 여기에 연결되는 전기적 리드 또는 다른 구성요소(미도시)를 포함할 수 있다. 리드 프레임(14)은 전형적으로 순수한 구리 또는 구리 합금으로 제조된다.
그러나, 리드 프레임(14)이 순수한 구리 또는 구리 합금으로 제조되는 경우, 리드 프레임(14)의 구리의 표면이 대기 중 산소와 접촉시 자동적으로 산화구리로 산화되는 경향을 나타내어, 산화구리층을 형성할 것이다. 산화구리는 전기적으로 절연성이며, 이는 리드 프레임(14)의 전기 전도성을 떨어뜨릴 수 있고, 형성되는 임의의 산화구리층은 또한 다이-커넥트 공정 동안 액체 솔더가 리드 프레임(14)의 표면을 습윤화시키는 능력을 방해할 수 있고/거나 리드 프레임(14)과 칩(12) 간의 결과적인 연결의 온전성을 떨어뜨릴 수 있다.
리드 프레임(14)은 적용에 따라, 리드 프레임(14)의 적어도 하나의 표면 상에, 그리고 경우에 따라, 리드 프레임(14)의 대향 표면들 각각 상에 금속성 장벽층(18)이 제공되어, 하부 리드 프레임(14)의 금속의 산화를 방지한다. 장벽층(18)은 리드 프레임(14)의 금속과 비교하여 산화에 대해 감소된 경향을 갖는 금속으로 제조될 수 있다. 일 실시양태에서, 장벽층(18)은 순수한 니켈 또는 니켈 합금으로 제조된다. 따라서, 장벽층(18)은 리드 프레임(14)의 표면을 덮고 리드 프레임(14)의 금속이 주변 환경과 접촉하고 산소에 의해 자발적으로 산화되는 것을 방지한다. 나아가, 이하에서 논의된 바와 같이, 장벽층(18)은 또한, 리드 프레임(14)의 금속과 솔더의 금속(들) 간에 금속간 화합물의 형성을 유도하는, 다이-커넥트 공정 동안 리드 프레임(14)에 칩(12)을 고정시키기 위해 사용되는 솔더와 리드 프레임(14)의 금속이 접촉하는 것을 방지하는 기능을 한다.
장벽층(18)은 도금 공정에 의해, 예컨대 전기도금 또는 무전해 도금을 통해 리드 프레임(14) 상에 형성될 수 있다. 나아가, 장벽층(18)은 연속 또는 블랭킷 방식으로 리드 프레임(14)의 전체 표면에 걸쳐 형성될 수 있거나 또는 대안으로 리드 프레임(14)의 표면의 다이 패드 영역 및/또는 다른 선택 영역에 걸쳐 선택적으로 형성될 수 있다.
전기도금 공정에서, 리드 프레임(14)은 침착될 용존 금속의 용액의 전기도금욕에서 캐소드이다. 침착될 금속은 전형적으로 애노드이다. 전류 인가시, 욕 내의 용존 금속 이온이 감소되고 리드 프레임 캐소드 상에 침착되어 장벽층(18)을 형성한다.
일 실시양태에서, 설파메이트 전해질욕이 용존 니켈을 함유할 수 있고, 전기도금욕이 또한 예를 들어, 전형적으로 광택제의 형태로 존재하는 유기 첨가제를 결여할 수 있다. 상기 욕의 사용은 다소 거칠거나 "매트한(matte)" 마무리를 갖는 침착된 금속 표면을 야기할 수 있다.
대안으로는, 용액으로부터 침착되는 금속의 이온을 감소시키고 리드 프레임(14)의 표면 상에 금속을 침착시키기 위해, 인가된 전류의 존재 하에 수행되기 보다는 오히려 환원제, 예컨대 수화된 나트륨 하이포포스파이트(NaPO2H2·H2O)를 사용하는 자가-촉매 반응인 무전해 침착 공정이 사용될 수 있다. 이러한 공정에 따라 리드 프레임 상에 도금된 니켈의 장벽층은 "무전해 니켈"층으로서 지칭될 수 있고, 전형적으로는 예를 들어 약 2-4 중량%의 인과 합금화된 니켈을 포함하는 니켈 합금일 것이다.
전형적으로, 장벽층(18)의 두께는 최대 10 미크론(㎛), 예컨대 1㎛ 내지 10㎛ 이다. 일 실시양태에서, 장벽층(18)의 두께는 예를 들어, 1, 2, 또는 3㎛ 만큼 작을 수 있고 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 ㎛ 만큼 클수 있거나, 또는 상기 값들의 임의 쌍 간에 정해진 임의의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 장벽층(18)의 두께는 약 2 내지 약 9 ㎛; 약 2 내지 약 8 ㎛; 약 2 내지 약 7 ㎛; 약 2 내지 약 6 ㎛; 약 2 내지 약 5 ㎛; 약 3 내지 약 9 ㎛; 약 3 내지 약 8 ㎛; 약 3 내지 약 7 ㎛; 약 3 내지 약 6 ㎛; 또는 3 내지 약 5 ㎛일 수 있다.
도 2A 및 2B를 참조하면, 리드 프레임 구조물(16)은 습윤화 촉진층(20)을 포함하며, 대신에 습윤화 촉진 "플래시(flash)"로서 지칭될 수 있고, 이하에서 논의되는 이유로 인해 장벽층(18)과 비교하여 상대적으로 얇을 수 있다. 습윤화 촉진층(20)은 액체 솔더가 다이-커넥트 공정 동안 리드 프레임(14) 상으로 유동할 때 리드 프레임(14)의 위에서 액체 솔더의 균일한 방식의 습윤화를 돕기 위해 장벽층(18) 상에 형성된다.
습윤화 촉진층(20)은 구리 또는 구리 합금 층일 수 있지만, 대안으로 아연, 비스무트, 주석, 또는 인듐뿐만 아니라 상기 것들의 합금 층일 수 있다. 특히, 특정의 솔더 조성물, 특히, 앞서 개시된 유형의 아연계 솔더 조성물이 구리 또는 구리 합금 표면 위에서 매우 균일하게 그리고 효과적으로 습윤화되는 것이 확인되었다. 원한다면, 리드 프레임 구조물(16)은 습윤화 촉진층(20)의 산화를 방지하기 위해 다이-커넥트 공정에서의 사용 이전에 불활성 분위기에서 패키징될 수 있다. 솔더 습윤화의 촉진 이외에 내산화성이 원해진다면, 층(20)은 대안으로 금, 백금, 팔라듐, 루테늄, 또는 은 층일 수 있다.
습윤화 촉진층(20)은 최대 10 미크론(㎛), 예컨대 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 구리층(16)의 두께는 예를 들어, 1, 2, 또는 3 ㎛ 만큼 작을 수 있고 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 ㎛ 만큼 클 수 있거나, 또는 상기 값들의 임의 쌍 간에 정해진 임의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 습윤화 촉진층(20)의 두께는 약 2 ㎛ 내지 약 9 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 7 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 6 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 5 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 9 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 7 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 6 ㎛; 또는 약 3 ㎛ 내지 약 5 ㎛일 수 있다.
장벽층(18)이 리드 프레임(14) 상에 형성되는 방식과 유사하게, 습윤화 촉진층(20)이 예를 들어, 전해 또는 무전해 도금 공정을 통해 장벽층(18) 상에 침착될 수 있고, 또한 전체 리드 프레임 및/또는 장벽층 위에 연속 또는 블랭킷 방식으로 침착될 수 있거나 대안으로 리드 프레임 및/또는 장벽층의 표면의 다이 패드 영역 및/또는 다른 선택 영역 위에만 침착될 수 있다.
도 1A 및 1B를 참조하면, 앞서 개시된 유형의 무연, 아연계 솔더 조성물이 칩(12)을 리드 프레임(14)에 연결하기 위해 사용되는 솔더층(22)을 위한 본 발명 패키징 배열에 유리하게 사용될 수 있다. 솔더층(22)에 사용하기 위한 다른 적합한 아연계 솔더 조성물이 앞서 인용된 미국 특허 출원 제13/586,074호에 개시된다.
본 발명자들은 액체 아연계 솔더의 구리 리드 프레임으로의 직접 적용의 단점이, 비록 아연계 솔더가 다이-커넥트 공정 동안 구리 리드 프레임의 표면을 균일하게 습윤화시키지만, 아연계 솔더의 경우 전형적으로 330℃를 초과하는 액체, 유동성 아연계 솔더의 상승된 액상선 온도가, 아연계 솔더의 응고시 구리 리드 프레임과 아연계 솔더 간에 구리/아연(Cu/Zn) 금속간 층 또는 계면의 형성에서 전형적으로 나타나고 비교적 취약한 Cu/Zn 금속간 화합물의 형성을 초래한다는 데 있는 점을 밝혀내었다. 이러한 금속간 층은 액체 아연계 솔더가 구리 리드 프레임에 직접 적용될 때 비교적 두꺼울 수 있다.
부가적으로, 패키징 배열의 제조 후 및 전자 기기 패키징 배열이 고온, 예컨대 약 150℃ 초과의 고온에 노출되는 서비스 적용에 패키징 배열의 사용 동안, 추가 Cu/Zn 금속간 화합물이 형성될 수 있고, 이러한 방식으로, Cu/Zn 금속간 층 또는 계면의 두께가 시간에 따라 증가할 수 있다. 다수의 전자 기기 패키징 구성에서, 특히 예를 들어 25 ㎟를 초과하는 칩-리드 프레임 연결부를 가진 "대형 프레임" 적용에서, Cu/Zn 금속간 층의 두께는 원치않은 두께를 가질 수 있거나, 또는 결국 사용 동안 원치않은 두께로 증가할 수 있으며, 이에 따라 잠재적으로 비교적 취약한 금속간 층에 걸쳐 칩과 리드 프레임 간의 연결이 실패하는 다이 크랙 이벤트를 초래한다. 부가적으로, 아연계 솔더의 비교적 높은 모듈러스는 상기 연결부에 대한 응력 제거를 거의 제공하지 못하는 경향이 있다.
부가적으로, 아연계 솔더는 앞서 논의된 바와 같이 하부 리드 프레임을 산화로부터 보호하기 위해 제공되는 니켈과 같은 금속성 장벽층 상에 오히려 불량하게 습윤화되는 경향이 있다.
그러나, 본원에 개시된 본 발명의 패키징 배열(10)에서 제공되는 습윤화 촉진층(20)은 비교적 얇고, 하기에 논의되는 이유로 인해, 습윤화 유도 희생층으로서 간주될 수 있다. 예를 들어, 구리 또는 구리 합금으로 제조되는 경우, 습윤화 촉진층(20)은 다이-커넥트 공정 동안 유동 적용시 아연계 솔더의 균일한 습윤화를 촉진하기 위해 노출된 구리 층 또는 표면을 초기에 제공하고, 아연계 솔더에서의 아연과 실질적으로 완전히 반응하여 도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이, 장벽층(18)과 솔더층(22) 사이에 얇은, 전용(dedicated) Cu/Zn 금속간 층(24) 또는 계면을 형성한다. 전용 Cu/Zn 금속간 층(24)은 구리 습윤화 촉진층(20)에 초기에 존재하는 실질적으로 모든 구리의 소비로 인한 것이며, 이에 의해 Cu/Zn 금속간 층(24)을 형성하며 이는 비교적 얇고, 구리 습윤화 촉진층(20)에서의 실질적으로 모든 구리가 솔더층(22)의 아연과 조합되어 다이-커넥트 공정에서 솔더 흐름 동안 금속간 층(24)을 형성한다는 사실로 인해 전자 기기 패키징 배열의 사용 동안 증가할 가능성은 없다. 또한, 전용 Cu/Zn 금속간 층(24)은 충분히 얇아 이러한 층 내에서 균열 파괴의 가능성이 실질적으로 감소되고, 이는 패키징 구조물(10)에 대한 선호적인 내구 특성을 유도한다.
전용 Cu/Zn 금속간 층(24)은 최대 10 미크론(㎛), 예컨대 3 ㎛ 내지 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 구리층(16)의 두께는 예를 들어, 3, 4, 또는 5 ㎛ 만큼 작고 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 ㎛ 만큼 클 수 있거나, 또는 상기 값들의 임의 쌍 간에 정해진 임의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 구리층(16)의 두께는 약 4 ㎛ 내지 약 9 ㎛; 약 4 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 약 4 ㎛ 내지 약 7 ㎛; 약 4 ㎛ 내지 약 6 ㎛; 약 4 ㎛ 내지 약 5 ㎛; 약 5 ㎛ 내지 약 9 ㎛; 약 5 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 약 5 ㎛ 내지 약 7 ㎛; 또는 약 5 ㎛ 내지 약 6 ㎛일 수 있다.
본 발명은 바람직한 디자인을 가진 형태로 기재되어 있지만, 본 발명은 본 개시의 취지 및 범위 내에서 추가로 변형될 수 있다. 따라서 본 출원은 이의 일반 원리를 이용하여 본 발명의 임의의 변경, 사용, 또는 응용을 커버하는 것으로 의도된다. 나아가, 본 출원은 본 발명이 속한 업계에서 공지되거나 일반적인 프랙티스 내이면서 첨부된 청구범위 내에 속하는 본 개시로부터의 그러한 변경을 커버하는 것으로 의도된다.
실시예
하기 비제한적인 실시예는 본 발명의 다양한 특징 및 특성을 설명하며, 이에 제한되는 것으로 해석되지 않는다.
실시예 1
솔더 조성물의 제조 및 분석
I. 샘플 제조
본 실시예에서, 다양한 양의 아연(Zn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 및 마그네슘(Mg)을 함유하는 복수의 솔더 합금 샘플을 하기 표 6에 따라 제조했다. 각 샘플은 재료를 410℃의 온도로 가열하여 용융물을 형성함으로써 제조되었다. 이후, 각 용융물을 질소 분위기에서 캐스팅시켜 1 인치 직경 빌릿(billet)을 형성했다.
샘플 공칭(Nominal) 양
(중량%) 		분석 양
(중량%)
Zn Al Ge Ga Mg Zn Al Ge Ga Mg
1 밸런스 6 5 0.5 0.25 밸런스 5.90 5.00 0.52 0.20
2 밸런스 6 5 1 0.25 밸런스 5.90 5.00 1.00 0.22
3 밸런스 6 5 0.75 0.25 밸런스 5.90 5.00 0.77 0.22
4 밸런스 6 5 0.25 0.25 밸런스 5.90 5.00 0.26 0.24
5 밸런스 6 5 0.05 0.25 밸런스 5.90 5.10 0.05 0.23
6 밸런스 6 5 0.5 0.5 밸런스 5.90 5.00 0.53 0.48
7 밸런스 6 5 0.5 0.38 밸런스 6.00 5.10 0.52 0.37
8 밸런스 6 5 0.5 0.12 밸런스 5.90 6.00 0.51 0.12
9 밸런스 6 5 0.5 0.05 밸런스 5.90 5.00 0.52 0.05
10 밸런스 6 5 1 1 밸런스 5.90 4.90 1.00 1.00
11 밸런스 6 5 0.05 0.05 밸런스 6.00 5.10 0.06 0.05
12 밸런스 6 8 0.5 0.25 밸런스 6.00 8.10 0.52 0.23
13 밸런스 6 2 0.5 0.25 밸런스 6.00 2.10 0.53 0.24
14 밸런스 4.5 0 1 1 밸런스 4.50 0.00 1.00 1.10
15 밸런스 4.5 5 1 1 밸런스 4.50 5.10 1.00 1.10
16 밸런스 4 2 3 1 밸런스 4.00 2.10 2.60 1.10
17 밸런스 7 3 0 3 밸런스 6.90 2.90 0.00 2.90
18 밸런스 5.8 5.1 3 0 밸런스 5.70 5.30 3.10 0.00
II. 압출
솔더 빌릿을 200-300℃ 및 10,342-13,790 킬로파스칼(1500-2000 파운드/인치2 (psi))에서 다이를 사용하여 압출시켜 약 0.762 mm (0.030 인치)의 직경을 가진 솔더 와이어를 형성했다. 이후, 솔더 와이어를 51 mm(2 인치)의 내부 허브 직경을 가진 스풀 및 102 mm(4 인치)의 직경을 가진 2개의 외부 플랜지 상에 와인딩시켰다.
압출 결과가 하기 표 7에 제시된다. "합격"으로 표시된 샘플은 와이어로 성공적으로 압출되었고 2 이상의 피스로 분해됨이 없이 스풀 상에 코일링되었다. "불합격"으로 표시된 샘플은 너무 취약하여 코일링된 와이어로 성형되지 못했다.
샘플 압출
1 합격
2 합격
3 합격
4 합격
5 합격
6 합격
7 합격
8 합격
9 합격
10 불합격
11 합격
12 합격
13 합격
14 합격
15 불합격
16 불합격
17 불합격
18 불합격
III. 용융 성질
샘플 솔더 와이어의 용융 성질은 Perkin Elmer DSC7 기기를 이용하여 시차 주사 열량계(DSC)로 결정했다. 고상선 온도 및 액상선 온도를 상기 기기를 사용하여 측정했다. 용융 온도 범위를 액상선 온도와 고상선 온도 간의 차이로서 계산했다. 샘플 솔더 와이어의 용융 성질은 하기 표 8에 제시된다.
샘플 고상선 온도
(℃) 		액상선 온도
(℃) 		용융 범위
(℃)
1 352.5 366.3 13.8
2 346.1 365.9 19.8
3 347.9 366.7 18.8
4 351.8 368.6 16.8
5 353.9 369.3 15.4
6 349.1 372.2 23.1
7 349.9 370.3 20.4
8 354.3 362.4 8.1
9 354.7 361.7 7.0
10 364.7 375.4 10.7
11 355.8 363.5 7.7
12 353.8 361.6 7.8
13 370.3 377.4 7.1
14 332.8 368.8 36.0
15 363.2 381.5 18.3
16 351.7 370.3 18.6
17 343.5 365.4 21.9
18 339.4 353.9 14.5
IV. 기계적 성질
샘플 솔더 와이어의 연신율이 "금속성 재료의 장력 시험을 위한 표준 시험법"이라는 표제하에 ASTM E8에 따라 실온에서 Instron 4465 기기를 작동시킴으로써 평가되었다.
샘플 솔더 와이어의 연성은 실온에서 벤드 고각도 파단속도(Bend BR-HA) 시험을 실시함으로써 결정되었다. 도 3은 Bend BR-HA 연성 시험을 위한 실험적 셋업을 도시한다. 도시된 바와 같이, 스풀(110)은 평행 플랜지(112), 내부 허브(114), 및 슬롯(116)을 포함한다. 내부 허브(114)는 평행 플랜지(112)들 사이에 위치하며, 이에 그 사이에 공간을 만든다. 내부 허브(114)는 51 mm의 직경을 가지고 플랜지(112)는 102 mm의 직경을 갖는다. 슬롯(116)은 내부 허브(114) 내에 형성된다. 와이어(118)의 일 단부가 슬롯(116) 안으로 삽입되고 와이어(118)는 내부 허브(114) 상으로 와인딩된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 홀(166)에서 와이어(118)의 단부는 내부 허브(114) 내에 와인딩된 와이어(118)와 각(A)을 형성하며, 여기서 각(A)은 90°보다 더 크다. 이 시험은 각 와이어(118)가 파단없이 성공적으로 벤딩되어 정각에 엠프티 스풀(110)의 허브(114) 주위에 와인딩될 수 있는지를 평가했다. 각 샘플에 대해, Bend BR-HA 연성 시험을 10회 실시했다.
샘플 솔더 와이어의 기계적 성질이 하기 표 9에 제시된다. Bend BR-HA 연성 시험과 관련해서, "합격"으로 표시된 샘플은 10회 시험 중 적어도 7회 시험 동안 파단없이 성공적으로 벤딩 및 와인딩된 반면에, "불합격"으로 표시된 샘플은 10회 시험 중 적어도 4회 동안 파단되었다.
샘플 연신율
(%) 		Bend BR-HA
연성
1 24.5 합격
2 6.9 불합격
3 27.6 불합격
4 35.4 합격
5 52.2 합격
6 15.9 불합격
7 14.9 합격
8 20.2 합격
9 63.4 합격
10 N/A 불합격
11 46.9 합격
12 25.8 합격
13 53.9 합격
14 14.3 불합격
15 N/A 불합격
16 N/A 불합격
17 N/A 불합격
18 N/A 불합격
V. 습윤 성질
샘플 솔더 와이어의 습윤 성질은 95 부피% 질소 및 5 부피% 수소를 함유하는 포밍 가스를 이용하여 410℃에서 ASM SD890A 다이 본더(die bonder)를 작동시켜 결정되었다. 솔더 와이어를 고온 구리 리드 프레임에 공급하여, 솔더 와이어를 용융시키고 리드 프레임 상에 도트(dot)를 형성했다.
"도트 크기"를 평가하기 위해, 각 도트의 사이즈를 스케일 1-5로 평가했으며, 여기서 1은 작은 도트를 나타내고 (즉, 낮은 습윤화) 및 5는 대형 도트를 나타낸다 (즉, 높은 습윤화).
"습윤화 패턴"을 평가하기 위해, 각 도트를 무게가 약 100 그램인 프레스 하에 두었다. 각각의 프레싱된 도트의 크기를 스케일 1-5로 평가했으며, 여기서 1은 작은 분포를 나타내고(즉, 낮은 습윤화) 5는 큰 분포를 나타낸다(즉, 높은 습윤화).
샘플 솔더 와이어의 습윤 성질은 하기 표 10에 제시된다.
샘플 습윤화 패턴 도트 크기
1 5 5
2 3 5
3 2 4
4 2 3
5 1 3
6 1 1
7 2 1
8 4 1
9 3 3
10 4 N/A
11 4 3
12 3 3
13 3 3
14 4 1
15 N/A N/A
16 N/A N/A
17 N/A N/A
18 N/A N/A
VI. 분석
샘플 1은 최상의 전체 성능 - 우수한 압출 성질(표 7), 연신율과 연성을 포함한 우수한 기계적 성질(표 9), 및 우수한 습윤 성질(표 10)을 나타내었다.
높은 수준의 마그네슘은 샘플 1과 비교하여 습윤화를 개선함이 없이 압출 및 연성에 부정적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 샘플 1은 0.25 중량% 마그네슘을 함유했다. 1 중량% 이상의 마그네슘을 함유한 샘플 10 및 15-17은 너무 취약하여 압출된 와이어를 형성하지 못했다 (표 7). 0.5 중량% 이상의 마그네슘을 함유한 샘플 6 및 14는 성공적으로 압출되었지만 (표 7) Bend BR-HA 연성 시험에 불합격이다 (표 9). 샘플 6, 10, 및 14-17은 어느 것도 샘플 1과 비교하여 개선된 습윤화를 나타내지 못했다 (표 10).
낮은 수준의 마그네슘 또한 샘플 1과 비교하여 습윤화를 개선시키지 못했다. 다시 한번, 샘플 1은 0.25 중량% 마그네슘을 함유했다. 0.12 중량% 이하의 마그네슘을 함유한 샘플 8, 9, 및 11은 샘플 1보다 더 적은 습윤화를 나타내었다 (표 10).
높은 수준의 갈륨은 샘플 1과 비교하여 습윤화를 개선함이 없이 압출 및 연성에 부정적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 샘플 1은 0.5 중량% 갈륨을 함유했다. 1 중량% 이상의 갈륨을 함유한 샘플 10, 15, 16, 및 18은 너무 취약하여 압출된 와이어를 형성하지 못했다 (표 7). 1 중량% 이상의 갈륨을 함유한 샘플 2 및 14는 성공적으로 압출되었지만 (표 7) Bend BR-HA 연성 시험에 불합격이다 (표 9). 샘플 2, 10, 14-16, 및 18은 어느 것도 샘플 1과 비교하여 개선된 습윤화를 나타내지 못했다 (표 10).
낮은 수준의 갈륨이 또한 샘플 1과 비교하여 습윤화를 개선하는데 실패했다. 다시 한번, 샘플 1은 0.5 중량% 갈륨을 함유했다. 0.05 중량% 갈륨을 함유한 샘플 5 및 11은 샘플 1보다 더 적은 습윤화를 나타내었다 (표 10).
높은 그리고 낮은 수준의 게르마늄이 또한 샘플 1과 비교하여 습윤화를 개선하는데 실패했다. 샘플 1은 5 중량% 게르마늄을 함유했다. 8, 2, 및 0 중량% 게르마늄을 각각 함유한 샘플 12, 13, 및 14는 샘플 1보다 더 적은 습윤화를 나타내었다 (표 10).
실시예 2
리드 프레임 구조물의 제조
본 실시예에서는, 본 개시에 따른 리드 프레임 구조물을 제조했다. 순수한 구리 리드 프레임이 얻어졌으며, 무전해 도금 공정을 사용하여 순수한 니켈을 6 ㎛의 두께로 도금했다.
전기도금 공정을 통해 비교적 얇은 구리층을 니켈층 상에 침착시켰다.
도 4는 2 ㎛ 두께의 구리층을 가진 제1 리드 프레임 구조물의 SEM 단면 이미지이고, 도 5는 8 ㎛ 두께의 구리층을 가진 제2 리드 프레임 구조물의 SEM 단면 이미지이다. 각 리드 프레임 구조물은 구리 리드 프레임(200), 니켈 도금(202), 및 구리 플래시 또는 구리층(204)을 포함한다.
실시예 3
솔더 습윤화 연구
아연계 솔더 조성물을 이의 액상선 온도를 넘어 가열하고 ASM 890 다이 본더를 사용하여 도 4 및 5의 리드 프레임 상에 습윤화시켰으며, 결과가 각각 도 6 및 7의 이미지에 도시된다. 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 아연계 솔더는 2 ㎛(도 6) 및 8 ㎛(도 7) 구리층을 가진 두 리드 프레임 상에서 광범위한 커버리지로 리드 프레임의 구리층을 가로질러 균일하게 습윤화되었다.
비교예에서, 동일한 아연계 솔더 조성물이 니켈 장벽층을 포함하지만 상부 구리층을 포함하지 않은 대조군 리드 프레임 상에 습윤화되었다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 솔더 습윤화는 균일하지 않고, 오히려, 솔더 흐름 동안 주된 솔더 필드로부터 분리된 솔더의 볼륨을 나타내는 솔더 볼과 함께, 상당 영역의 탈습윤화된 솔더가 관찰되었다.
실시예 4
Cu/Zn 금속간 층의 분석
도 9 및 11은 리드 프레임 상으로 아연계 솔더의 유동 및 응고 후 도 6 및 7 각각의 리드 프레임에서 취해진 SEM 단면 이미지이다. 도 10 및 12는 재료 리드 프레임의 단면 전반에 걸쳐 다양한 깊이에서 취해진 X-선 라인 스캔 원소 분석이다.
도 9 및 10을 참조하면, 리드 프레임 구조물은 구리 리드 프레임(300), 니켈층(302), 구리층(304), 구리/아연 금속간 층(306) 및 2 ㎛ 구리층을 가진 리드 프레임을 위한 아연계 솔더(308)를 포함하고, 층 내의 실질적으로 모든 구리가 아연계 솔더의 아연과 반응하여 약 2 ㎛의 두께를 가진 Cu/Zn 금속간 층을 형성했고, 실질적으로, 층의 어떠한 구리도 반응하지 않은 순수한 구리로서 남아 있지 않았다. 도 10을 참조하면, Cu/Zn 금속간 층뿐만 아니라 별개의 순수한 니켈 층이 형성되었음을 알 수 있다.
도 11 및 12를 참조하면, 8 ㎛ 구리층을 가진 리드 프레임의 경우, 구리층 내의 약 4 ㎛의 깊이에 이르는 구리가 아연계 솔더의 아연과 반응하여 약 4 ㎛의 두께를 가진 Cu/Zn 금속간 층을 형성했으며, 여기서 오리지널 구리층의 약 4 ㎛의 순수한 구리가 순수하게 반응하지 않고 남아있었다. 도 12를 참조하면, Cu/Zn 금속간 층뿐만 아니라 별개의 순수한 니켈 및 순수한 구리 층들이 형성되었음을 알 수 있다.
다양한 변형 및 부가가 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 논의된 예시적인 실시양태들에 대해 행해질 수 있다.　 예를 들면, 앞서 기재된 실시양태들이 특정의 특징들을 언급하고 있지만, 본 발명의 범위는 또한 특징들의 다양한 조합을 가진 실시양태들 및 기재된 특징들 전부를 포함하는 것은 아닌 실시양태들을 포함한다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구 범위 내에 속하는 그러한 모든 변경, 변형 및 변화를 이들의 모든 균등물과 함께 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 약 77 내지 약 93 중량% 아연;
    약 3 내지 약 15 중량% 알루미늄;
    약 3 내지 약 7 중량% 게르마늄;
    약 0.25 내지 약 0.75 중량% 갈륨; 및
    약 0.125 내지 약 0.375 중량% 마그네슘
    을 포함하는 솔더(solder) 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 약 0.275 내지 약 0.725 중량% 갈륨을 포함하는 솔더 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 약 0.15 내지 약 0.35 중량% 마그네슘을 포함하는 솔더 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    약 6 중량% 알루미늄; 및
    약 5 중량% 게르마늄
    을 포함하는 솔더 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 약 0.001 내지 약 2.5 중량% 네오디뮴을 포함하는 솔더 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 아연, 알루미늄, 게르마늄, 갈륨, 및 마그네슘으로 이루어지는 솔더 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    88.25 중량% 아연;
    6 중량% 알루미늄;
    5 중량% 게르마늄
    0.5 중량% 갈륨; 및
    0.25 중량% 마그네슘
    으로 이루어지는 솔더 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 솔더 조성물은 마그네슘보다 더 많은 갈륨을 함유하는 것인 솔더 조성물.
  9. 제1항의 솔더 조성물을 포함하는 솔더 와이어.
  10. 제9항에 있어서, 솔더 와이어는 약 1 밀리미터 미만의 직경을 갖는 것인 솔더 와이어.
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