KR20210138614A - 가혹한 서비스 조건을 위한 고 신뢰성의 무연 땜납 합금 - Google Patents

가혹한 서비스 조건을 위한 고 신뢰성의 무연 땜납 합금 Download PDF

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Abstract

가혹한 서비스 조건을 위한 고 신뢰성 무연 땜납 합금이 개시된다. 일부 실시형태에서, 땜납 합금은 2.5 내지 4.0wt%의 Ag; 0.4 내지 0.8wt% Cu; 5.0 내지 9.0wt%의 Sb; 1.5 내지 3.5wt%의 Bi; 0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및 잔부의 Sn을 포함한다. 일부 실시형태에서, 장치는 세라믹 본체 및 상부에 전극 및 열 패드가 배치된 측면을 포함하는 성분; 구리 기판; 및 상기 성분과 상기 구리 기판을 전기적으로 커플링시키는 땜납 합금을 포함하되, 상기 땜납 합금은 2.5 내지 4.0wt%의 Ag; 0.4 내지 0.8wt% Cu; 5.0 내지 9.0wt%의 Sb; 1.5 내지 3.5wt%의 Bi; 0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및 잔부의 Sn을 포함한다. 일부 실시형태에서, 장치는 발광 다이오드(LED) 성분; 금속 코어 인쇄 회로 기판(MCPCB); 및 상기 LED 부품과 상기 MCPCB를 전기적으로 커플링시키는 땜납 합금을 포함하되, 상기 땜납 합금은 2.5 내지 4.0wt%의 Ag; 0.4 내지 0.8wt% Cu; 5.0 내지 9.0wt%의 Sb; 1.5 내지 3.5wt%의 Bi; 0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및 잔부의 Sn을 포함한다.

Description

가혹한 서비스 조건을 위한 고 신뢰성의 무연 땜납 합금
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국 가특허 출원 제62/810,619호(출원일: 2019년 2월 26일, 발명의 명칭: "High Reliability Leadfree Solder Alloys for Harsh Service Conditions")에 대한 우선권을 주장하며, 이의 개시내용은 전문이 본 명세서에 참조에 의해 원용된다.
관련 출원의 설명
개시된 기술은 일반적으로 땜납 합금(solder alloy)에 관한 것이고, 보다 특별하게는 일부 실시형태는 무연 땜납 합금(leadfree solder alloy)에 관한 것이다.
본 개시내용은 하나 이상의 다양한 실시형태에 따라서 하기 도면을 참고로 보다 상세하게 기재된다. 도면은 단지 예시의 목적을 위해서 제공되며, 전형적인 또는 예시적인 실시형태만을 도시한다.
도 1 내지 도 3은 개시된 기술의 실시형태에 따른 땜납에 의해서 금속 코어 인쇄 회로 기판(Metal Core Printed Circuit Board: MCPCB)에 전기적으로 커플링된 LED를 포함하는 LED 모듈(module)의 조립체를 도시한다.
도 1은 LED의 하부면을 도시한 도면.
도 2는 MCPCB의 상부면을 도시한 도면.
도 3은 완성된 LED 모듈을 도시한 도면.
도 4는 전력 사이클링 신뢰성 시험에 따라서 상이한 땜납 합금을 사용하여 조립되는 경우 LED 모듈을 시험하기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 5는 몇몇 땜납 합금에 대한 시험 동안 수집된 데이터의 박스플롯을 도시한 도면.
도 6은 실패한 LED 모듈의 백분율 대 실패에 대한 사이클의 수를 도시한 플롯.
도 7은 전력 사이클링 신뢰성 시험 이전의 LED 모듈의 단면을 도시한 도면.
도 8은 전력 사이클링 신뢰성 시험 동안 실패 후 합금 20 땜납 페이스트를 사용한 LED 모듈의 단면을 도시한 도면.
도 9는 합금 11에 대한 유사한 영상을 도시한 도면.
도 10은 다양한 개시된 땜납 합금 및 비교의 신규한 땜납 합금의 화학 조성 및 용융 거동을 도시한 도면.
도 11 내지 도 13은 각각 -40℃ 내지 +150℃에서의 열 사이클링 시험 동안 합금 25 및 합금 6의 2개의 샘플의 단면을 도시한 도면.
도 11은 1839 사이클에서의 합금을 도시한 도면.
도 12는 2565 사이클에서의 합금을 도시한 도면.
도 13은 3012 사이클에서의 합금을 도시한 도면.
도 14는 3000 사이클의 열 사이클링(-40℃ 내지 +150℃) 후 실패한 칩 레지스터의 통계 데이터를 도시한 도면.
도 15는 6000 사이클의 열 사이클링(-40℃ 내지 +150℃) 후 실패한 칩 레지스터의 통계 데이터를 도시한 도면.
도면은 완전하지 않으며, 본 개시내용을 개시된 정확한 형태로 제한하지 않는다.
본 명세서에 개시된 실시형태는 가혹한 서비스 환경 하에서 전자기기(electronics) 응용을 위한 혁신적인 Sn-Ag-Cu-Sb 기반 무연 땜납 합금을 제공한다. 땜납 합금은 예를 들어, 성분 땜납 상호 연결을 위한 인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB) 레벨 조립체, Cu, Al 또는 기타 기판 및 금속 코어 PCB 상에 접합하는 고휘도 발광 다이오드(light-emitting diode: LED) 칩 및 전력 모듈용 반도체 다이-부착과 같은 응용에서 사용될 수 있다. 1.0 내지 3.5wt%의 Bi 및/또는 0.1 내지 1.0wt%의 In으로부터 선택된 첨가제가 땜납 합금에 포함될 수 있다. 또한, 땜납 합금은 0.05 내지 0.35 중량%의 Ni를 함유할 수 있다.
무연 땜납 합금은 유럽 연합에서 유해 물질에 대한 규제(Restrictions on Hazardous Substances: RoHS)가 시행된 2006년 7월 이후로 전자기기 산업에서 널리 채택되어 왔다. 지난 10년 동안, 무연 SnAgCu("SAC") 땜납 합금, 예컨대, Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305) 및 Sn3.8Ag0.7Cu(SAC387)는 125℃ 이하의 작업 온도 범위에서 작동하는 휴대용, 컴퓨팅 및 모바일 전자기기에서 널리 사용되어 왔다. 새로운 자동차 전자기기는 후드 하부에서 사용되는 디바이스에 대해 대략 150℃의 서비스 온도를 요구하지만, 승객 구획 내의 디바이스 대해서는 125℃ 이하 요건이 유지될 가능성이 높을 것이다. 최대 서비스 온도 외에도, 자동차 전자기기는 최소 -40℃ 내지 +150℃ 또는 심지어는 더 넓은 광범위한 온도 범위에서 작동할 필요가 있다.
이러한 가혹한 전자기기 환경의 경우, 전통적인 2원 또는 3원 무연 Sn-풍부 땜납 합금은 유지되기에 충분히 신뢰할 수 없다. 대부분의 Sn-풍부 땜납의 용융 온도와 관련하여, 150℃에서의 상동 온도(homologous temperature)는 SnAgCu-3Bi의 경우 0.876, SnAgCu의 경우 0.863, Sn-3.5Ag의 경우 0.856, Sn-0.7Cu의 경우 0.846과 동일한데, 이는 원자 확산이 미세구조 진화를 상당히 촉진하고, 접합부 분해를 가속화할 것이라는 것을 나타낸다. 작동 온도가 높을수록, 미세구조가 더 빨리 거칠어지고, 접합부 열화가 발생할 것이다. 더 높은 서비스 온도 응용을 위한 개시된 고 신뢰성 땜납은 접합부 땜납 본체의 미세구조 진화 및 열 이동 하에서 원자 확산에서 기인하는 계면 금속간 화합물(interfacial intermetallic compound: IMC) 성장을 둔화시키기 위한 야금학적 설계에 대한 고려를 반영한다.
온도에 더하여, 자동차 전자기기는 차량 이동 및 제동 동안 연속적인 진동 또는 기계적 충격을 견뎌 낼 필요가 있다. 개선된 진동/충격 저항으로 인해서 연성 접합부가 바람직하다. 그러나, 계면 IMC 성장 및 미세구조 거칠어짐은 특히 고온에서 접합부를 더 취성이 되게 할 것이다. 따라서, 접합부를 연성으로 설계할 뿐만 아니라, 야금학적 관점에서 가혹한 조건에서의 작동 동안 접합부 연성을 유지하는 것이 바람직하다.
자동차 전자기기의 가혹한 서비스 환경을 넘어, 고온 및 고 신뢰성 Sn-풍부 땜납은 후속 보드 레벨 리플로우(board-level reflow)가 필요 없는 경우 전력 반도체 모듈에서 다이 부착 및 고휘도(HB) LED 칩 부품 조립에 사용될 수 있다. 전력 반도체 모듈의 경우, 부하 전류로부터 발생된 줄(joule) 열은 모듈 설계에 따라 접합부 접합 온도를 150℃ 또는 심지어는 더 높게 증가시킬 것이다. 열 발산 방법이 동일하게 유지된다고 가정할 때 전류 밀도가 높을수록 접합 온도가 높아질 것이다. HB-LED에 대한 높은 전류 밀도는 전류 및 냉각 패드 설계에 따라, 전력 반도체 모듈과 유사하게, 접합 접합부(애노드 접합부 및 캐소드 접합부 둘 다뿐만 아니라 두 전극 사이의 열 패드 접합부)를 최대 150℃ 또는 심지어는 더 높게 가열할 것이다. 그러나 HB-LED와 전력 모듈 둘 다를 포함하는 고전력 디바이스는 높은 접합부 온도뿐만 아니라 높은 전류 밀도로 결합 접합부에 스트레스를 줄 수 있다. 따라서, 전력 응용을 위한 고 신뢰성 땜납 설계의 실시형태는 전자 이동 하에서 원자 확산을 감소시킬 뿐만 아니라 열 이동 하에서 원자 확산을 제어할 수 있다.
자동차 산업 및 전력 반도체 응용 분야 둘 다를 위한 땜납 재료에 대한 요구를 해결하기 위해서, 고 신뢰성 무연 땜납의 실시형태에 대해 개시된 신규 야금 설계는 열 조건 및 전류 스트레스 조건 둘 다 하에서 미세구조 진화를 안정화하고, 계면 IMC 성장을 둔화시키는 데 중점을 둔다.
본 명세서에 개시된 실시형태는 2.5 내지 4.0wt%의 Ag; 0.4 내지 0.8wt% Cu; 5.0 내지 9.0wt%의 Sb; 1.5 내지 3.5wt%의 Bi; 0.1 내지 3.0wt%의 In; 0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및 잔부(remainder)의 Sn을 포함하는 무연 땜납 합금을 포함한다. 이러한 개시된 땜납 합금은 150℃ 이상의 작동 온도에서 고 신뢰성이 요구되는 가혹한 서비스 환경에서 우수한 열 피로 저항성을 갖는다. 청구된 범위의 땜납은 보드-레벨 자동차 응용 및 전력 반도체 모듈 응용의 HB-LED 칩 결합 및 다이 부착을 위한 전통적인 이원, 삼원 Sn-풍부 땜납보다 특징 수명 시간이 더 길다. 본 발명의 땜납 합금은, 예를 들어, 땜납 프리폼, 땜납 볼, 땜납 분말, 땜납 페이스트(땜납 분말과 플럭스의 혼합물) 등의 형태로 땜납 접합부를 제조하는데 특히 적합하지만 이에 제한되지 않는다.
도 10은 다양한 개시된 땜납 합금(합금 번호 1 내지 16) 및 비교 땜납 합금(합금 번호 17 내지 25)의 화학 조성 및 용융 거동을 나타낸다. 땜납 합금의 용융 거동은 20℃/분의 동일한 가열 및 냉각 속도로 시차 주사 열량계(Differential Scanning calorimetry: DSC)를 사용하여 분석하였다. DSC 시험은 실온에서 280℃까지 스캔하는 TA Q2000 시차 주사 열량계에서 수행하였다. 각각의 합금의 경우, 샘플을 먼저 주변 온도에서 최대 280℃까지 스캔한 다음, 25℃로 냉각하고, 그 다음 최대 280℃까지 다시 스캔하였다. 두 번째 가열 열그래프를 사용하여 합금의 용융 거동을 나타내었다. DSC 분석에서 얻은 땜납 합금의 고상선(solidus) 및 액상선(liquidus) 온도를 도 10에 열거한다.
일부 실시형태에서, Sb는 가혹한 열 사이클링 또는 열 충격 조건에서 땜납 접합부의 열 피로 저항성을 개선시키는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 실시형태에서, 미세한 SnSb 금속간 화합물(IMC) 입자의 최적화된 부피 분율을 유지시키기 위해서 5.0wt% 내지 9.0wt%의 Sb가 첨가된다. 미세한 SnSb IMC 입자는 리플로우 동안 땜납 고화 후 핵화되고, 성장한다(특정 화학량론적 비의 상이한 원자의 클러스터). 이러한 SnSb 입자는 Sn 매트릭스에 다시 역용해되어 온도가 상승함에 따라 고용체(solidsolution)를 형성하고, 온도가 떨어지면서 침전된다. 합금에 고용체 및 침전 강화를 제공함으로써 땜납 합금을 경화시키기에 충분한 양의 Sb가 중요하다. Sb의 양이 3.0wt% 미만으로 감소되는 경우, SnSb 미세 입자가 Sn 매트릭스에 완전히 다시 용해되어 (SnSb) 고용체를 형성하고 150℃ 이상에서 제공되는 경우 SnSb 미세 입자가 남지 않아 합금을 강화시킨다. 합금의 강화는 전위 운동을 방해하는 것과 관련이 있다. 합금 매트릭스에 매립된 미세 입자 및 고용체 중의 용질 원자 둘 다는 바람직한 격자 방향을 따라 전위 슬라이드를 차단하는 장애물로 작용한다. 고온(상동 온도 > 0.6)에서, 원자 확산은 전위 이동을 돕는 데 중요한 역할을 한다. 용질 원자와 같은 작은 장애물의 경우, 원자 확산은 전위가 장애물을 우회하거나 위로 올라갈 수 있도록 쉽게 도울 수 있다. 침전물과 같은 큰 장애물의 경우, 전위가 장애물을 우회하거나 위로 올라갈 수 있도록 더 많은 원자 확산 단계가 필요하다. 따라서 침전물은 전위 이동을 방해함으로써 고온 강도를 유지하는 데 더 가치가 있다. 본 발명에서, 5wt% 이상의 Sb는 150℃ 이상에서도 충분한 침전물 강화를 가능하게 한다. 그러나, Sb 첨가가 10wt%를 초과하면, 고화 동안 땜납에 거칠고 취성인 1차 Sn3Sb2 상이 형성되어, 땜납 합금을 훨씬 더 취성으로 만든다. Sn3Sb2 상의 취성은 가혹한 열 사이클링 또는 열 충격 조건에서 땜납 접합부가 조기에 파손되게 하는 경향이 있다. 따라서, 일부 실시형태에서 균형 잡힌 강화 효과를 유지하기 위해서, Sb 함량은 5.0 내지 9.0wt%(최적으로는 5.0 내지 6.5wt%) 범위인 것이 보다 바람직하다.
Ag는 분산 강화 상으로 작용하는 Ag3Sn 금속간 입자를 형성함으로써 합금에서 주요 강화 원소로 작용한다. Ag는 또한 땜납 합금의 습윤성을 향상시킨다. 용융, 습윤, 기계적 특성 및 열 사이클링 신뢰성을 포함한 종합적인 성능을 고려할 때, Ag 함량은 2.5 내지 4.5wt%의 범위인 것이 바람직하다. Ag가 2.5wt% 미만인 경우, 불충분한 Ag3Sn 입자로 인해서 땜납 접합부의 기계적 특성 및 열 사이클링 신뢰성 성능이 가혹한 환경의 전자기기 응용에 충분하지 않을 수 있다. Ag가 4.5wt%를 초과하는 경우, 합금의 액상선 온도가 상당히 증가하고, 입자 대신 Ag3Sn 판의 형성이 땜납 접합부 연성을 감소시킬 수 있다. 또한, Ag 함량이 높을수록 비용이 증가하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 일부 실시형태에서, Ag 함량은 바람직하게는 3.0 내지 4.0wt%의 범위이다.
주요 구성성분 원소 중 하나로서, Cu는 땜납 매트릭스 내부에 Cu6Sn5 금속간 입자를 형성함으로써 땜납의 기계적 성질을 개선시킨다. 용융된 땜납 내부에 Cu가 충분하면 Cu 기판 금속 또는 Cu 패드에서 Cu 침출이 크게 감소한다. 또한, 땜납 중의 더 높은 Cu 함량은 Ni 금속화 표면에 취성 Ni3Sn4 대신 연성 (Cu,Ni)6Sn5를 형성함으로써 계면 금속간 층을 안정화시킬 수 있다. 땜납 중의 더 높은 Cu 함량은 Ni 금속화 표면 상에 이중 IMC 층, 즉, (Cu,Ni)6Sn5 아래에 형성된 (Cu,Ni)3Sn4의 형성을 방지할 수도 있다. 일반적으로 이중 IMC 층은 실제로 결합 계면을 약화시킨다. 그러나, Cu가 2.0wt%를 초과하는 경우, 페이스트 범위가 너무 넓어지는데, 이것은 땜납 습윤, 공동 형성(voiding) 및 신뢰성에 영향을 미친다. 따라서, 일부 실시형태에서, Cu 함량은 바람직하게는 0.4 내지 1.0 중량% 범위이다.
SnAgCuSb 합금에 대한 첨가제로서, Bi는 합금의 고상선 및 액상선 온도를 감소시킬 수 있으며, 따라서 이것은 리플로우 피크 온도를 이에 따라서 크게 감소시킬 수 있다. Bi는 또한 용융됨 땜납의 표면 장력을 감소시켜 습윤성을 개선시킨다. Bi는 Ag, Cu, Sb 및 Sn과 함께 IMC 침전물을 형성하지 않는다. Bi는 저온에서 Bi 입자를 통해 땜납 몸체를 강화하고, 고온에서 고용체 형성을 통해 땜납 몸체를 경화시킨다. Bi는 취성이므로 Bi를 4wt%를 초과하게 첨가하면 강도는 계속 증가하지만 연성은 크게 감소한다. 이러한 취성은 열 피로 저항성을 상당히 악화시킨다. Bi는 땜납의 함량이 증가함에 따라 용융 온도를 지속적으로 낮추고, 심지어 고온 고 신뢰성 응용에 바람직하지 않은 저온 용융 Bi-Sn 상을 형성한다. 일부 실시형태에서, 1.5 내지 3.5 중량%의 Bi 첨가는 가혹한 서비스 환경의 전자기기 응용분야를 위해 바람직하다.
Bi와 유사하게, In은 또한 땜납의 고상선 및 액상선 온도를 감소시킨다. In은 Bi 및 Sb보다 훨씬 더 연성이기 때문에, 이것은 연성을 증가시키고, Bi 및 Sb의 첨가로 도입된 취성을 감소시키는 데 도움이 된다. 개시된 실시형태에서, 땜납 합금의 습윤 및 강도를 개선하기 위해 1.5 내지 3.5wt%의 Bi 및 5 내지 9wt%의 Sb 첨가하고, 동시에 충분한 In을 채택함으로써 Bi 및 Sb의 첨가에 의해 도입되는 취성을 최소화한다. In은 Sn, 즉, Ag3(SnIn), Cu6(SnIn)5, Ni3(SnIn)4 및 심지어는 (CuNi)6(SnIn)5 등과 유사한 IMC 형성에 관여하기 쉽다. 복잡한 IMC 구조는 승온 하에서 (성장을 지원하기 위해 IMC 쪽으로 확산하기 위해 더 많은 원자를 필요로 하는) IMC 거칠어짐 및 농후화를 느리게 한다. 이것은 IMC를 안정화시키고, 그 후 침전 강화에 유용하고, IMC 성장 및 관련 접합부 취성을 완화시킨다. 그러나 In은 Bi보다 산화되기가 더 쉬운데, 이는 땜납에 4.5wt% 초과의 In을 첨가하는 경우 리플로우 동안 습윤을 크게 감소시키고, 공동 형성을 증가시킨다. 따라서, 일부 실시형태에서, 4.5wt%이하의 첨가가 바람직하다. 합금의 바람직한 In 함량은 또한 Sb 함량에 좌우된다. 또한 용융 온도를 극적으로 낮춘다. 접합부의 고온 성능을 유지하기 위해서, 합금 중의 이러한 낮은 초기 용융상의 형성을 피하기 위해서 In 첨가는 3.0wt% 미만이 바람직하다.
일부 실시형태에서, 합금의 기계적 특성 및 땜납 접합부 신뢰성 성능을 추가로 개선시키기 위해서 0.05 내지 0.35wt%의 Ni가 첨가된다. 땜납 동안, Cu6Sn5 대신 (CuNi)6Sn5를 형성하기 위해서 특히 Cu 금속화에서 계면 IMC 형성에 충분한 Ni가 포함된다. (CuNi)6Sn5 층 내부에 Ni의 존재는 리플로우 및 리플로우 후 서비스 동안 IMC 성장을 늦추며, 이는 계면 안정성과 접합부 연성을 유지하는 데 중요하다. Ni는 Sn 중에서 매우 제한된 용해도를 갖는다. Ni가 0.4wt% 초과인 경우, 땜납의 액상선 온도가 극적으로 증가된다. 산화에 대한 Ni의 반응성과 함께, 특히 미세 분말 땜납 페이스트의 경우 0.4wt% 초과의 Ni가 인지되는 경우 습윤 및 땜납에 대한 부정적인 영향이 나타난다. 따라서, Ni 첨가에 대한 상한은 다양한 실시형태에서 바람직하게는 0.35 중량%이다. 한편, 계면 IMC 안정화는 계면 반응에 Ni가 불충분하게 관여하기 때문에 Ni 함량이 0.05wt% 미만인 경우 미미하다. 따라서, 일부 실시형태에서, 0.05 내지 0.35wt%의 Ni가 바람직하다.
개시된 기술 내에서 설계된 합금을 보드-레벨 조립체, HB-LED 응용 및 전력 반도체 모듈 응용을 위해 시험하였다. 종래의 Sn-Ag, Sn-Cu 및 Sn-Ag-Cu 합금과 비교하여 상당한 개선이 달성되었다. 예를 들어, HB-LED 전력 사이클링 시험은, 전통적인 SAC305(합금 25)에 비해 특징 시간이 3893에서 11960 사이클(합금 13)로 최대 3배 증가하였다는 것을 나타내었다.
도 1 내지 도 3은 개시된 기술의 실시형태에 따른 땜납에 의해서 금속 코어 인쇄 회로 기판(MCPCB)에 전기적으로 커플링된 LED를 포함하는 LED 모듈의 조립체를 도시한다. 도 1은 LED(100)의 하부면을 도시한다. 하부면은 3개의 땜납 패드를 포함한다. 땜납 패드 중 하나는 열 패드(104)인 반면, 나머지 2개의 패드(106)는 LED(100)의 전극용이다. 도 2는 MCPCB(200)의 상부면을 도시한다. 금속화를 갖는 3개의 땜납 패드(206)가 MCPCB(200)의 상부면 상에 배치되어 있다. 이러한 땜납 패드(206)는 LED(100)의 땜납 패드(104)에 해당한다. 도 3은 완성된 LED 모듈(300)을 도시하는데, 이것은 MCPCB(200)에 연결된 LED(100)를 갖고, MCPCB(200)에 연결된 와이어(302)를 갖는다.
도 4는 전력 사이클링 신뢰성 시험에 따라서 상이한 땜납 합금을 사용하여 조립될 때 LED 모듈(300)을 시험하기 위한 시스템(400)을 도시한다. 시스템(400)은 LED 모듈(300)의 와이어(302)에 연결된 직류(DC) 전력 공급원(402) 및 시험을 위한 데이터를 수집하기 위한 데이터 수집 유닛(404)을 포함한다. 시험 동안, 각각의 LED 모듈을 실패 시까지 전력 사이클링시켰다. 각각의 사이클은 8초 동안 전력을 인가하는 단계, 그 다음 20초 동안 전력을 중단하는 단계를 포함하였다. 도 5는 몇몇 땜납 합금에 대한 시험 동안 수집된 데이터의 박스플롯(500)을 도시한다. 도 6은 실패한 LED 모듈의 백분율 대 실패까지의 사이클의 수를 도시한 플롯을 도시한다. 도 5 및 도 6으로부터, 합금 4, 11 및 12가 다른 합금, 특히, Ni가 첨가되지 않은 합금 18 내지 21보다 더 긴 특징 수명을 갖는다는 것이 인지될 수 있다. 이러한 결과는, 땜납 합금에 Ni를 첨가하는 것이 LED 디바이스의 수명을 개선시키는 데 유익하다는 것을 나타낸다.
도 7은 전력 사이클링 신뢰성 시험 전 LED 모듈(700)의 단면을 도시한다. LED 모듈(700)의 전극을 (706a,b)에 도시한다. 열 패드를 (704)에 도시한다. MCPCB를 (710)에 도시한다. 땜납 페이스트를 (708)에 도시한다.
도 8은 전력 사이클링 신뢰성 시험 동안 실패 후 합금(20) 땜납 페이스트를 사용한 LED 모듈(800)의 단면을 도시한다. 도 8을 참고하면, 상당한 균열(crack)뿐만 아니라 Cu6Sn5의 실질적인 성장이 인지된다. 상부도 방사선 촬영 영상을 도 8의 하단 중심에 도시한다. 도 9는 합금(11)에 대한 유사한 영상을 도시한다. 이러한 방사선 촬영 영상은 LED 디바이스에서 원형 공동(void)(백색 색상)을 나타낸다.
가혹한 서비스 환경 하에서 보드-레벨 신뢰성을 또한 이러한 합금에 대해서 평가하였다. 땜납 페이스트를 도 10에 도시된 땜납 합금 분말을 사용하여 플럭스와 혼합하였다. 그 후, 땜납 페이스트를 -40℃ 내지 +150℃의 가혹한 열 사이클링 조건 하에서 칩 레지스터 및 볼 그리드 어레이(ball grid array: BGA) 조립체 둘 다에 대해서 시험하였다.
도 11 내지 도 13은 각각 -40℃ 내지 +150℃의 열 사이클링 시험 동안 합금 25 및 합금 6의 두 샘플의 단면도를 도시한다. 도 11은 1839 사이클에서의 합금을 도시한다. 도 12는 2565 사이클에서의 합금을 도시한다. 도 13은 3012 사이클에서의 합금을 도시한다. 이들 영상으로부터, 개시된 합금 6이 종래의 합금 25(SAC305)보다 훨씬 개선된 내균열성을 나타낸다는 것이 인지될 수 있다.
도 14는 3000 사이클의 열 사이클링(-40℃ 내지 +150℃) 후 실패한 칩 레지스터의 통계 데이터를 도시한다. 도 15는 6000 사이클의 열 사이클링(-40℃ 내지 +150℃) 후 실패한 칩 레지스터의 통계 데이터를 도시한다. 이러한 표에서의 각각의 열은 60개의 레지스터의 시험을 나타낸다. "플럭스" 행의 플럭스는 Indium8.9HF를 A로 표시하고, Indium10.1HF를 B로 표시하고, Indium3.2HF를 C로 표시하며, 이들 모두는 상업적으로 입수 가능하다. "칩 레지스터 유형" 행의 레지스터는 패키지 유형 번호를 나타낸다.
개시된 합금 6 및 합금 11은 비교 합금(예를 들어, 합금 21, 합금 24 및 합금 25)보다 더 우수하게 기능하였다는 것이 입증되었다. 데이터는 또한 플럭스의 선택이 땜납 접합부의 신뢰성에 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
실시형태를 또한 전력 모듈 패키지에 대해서 시험하였는데, 여기서 Si 다이가 세라믹 기판에 결합되어 있다. -40℃ 내지 175℃ 열 사이클링 하에서의 패키지의 특징 수명은 전통적인 SAC305 합금에 비해서 결합 접합부 강도의 훨씬 더 느린 열화를 나타낸다.
개시된 기술의 다양한 실시형태가 상기에 기재되어 있지만, 그것은 단지 예로서 제시된 것이고, 제한하고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다. 개시된 기술은 다양한 예시적인 실시형태 및 구현예와 관련하여 기재되어 있지만, 하나 이상의 개별 실시형태에 기재된 다양한 특징, 양상 및 기능은 그의 응용성에 있어서 이들이 기재된 특정 실시형태로 제한되지는 않지만, 그러한 실시형태가 기재되어 있는지의 여부에 관계 없이 그리고 그러한 특징이 기재된 실시형태의 일부인 것으로 제시되어 있는지의 여부에 관계 없이, 개시된 기술의 하나 이상의 다른 실시형태에 단독으로 또는 다양한 조합으로 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 기술의 범위 및 범주는 상기 예시적인 실시형태 중 어느 하나에 의해 제한되어서는 안 된다.
본 문서에서 사용된 용어 및 어구, 및 이의 변형은, 달리 명시되지 않는 한, 제한이 아닌 개방적인 것으로서 해석되어야 한다. 상기의 일례로서, 용어 "포함하는"은 "제한 없이 포함하는" 등을 의미하는 것으로서 독해되어야 하고; 용어 "예"는 이의 총괄적 또는 제한적 열거가 아닌, 논의되는 항목의 예시적 경우를 제공하기 위해 사용되며; 단수 표현 용어는 "적어도 하나", "하나 이상" 등을 의미하는 것으로서 독해되어야 하고; "종래의", "전통적인", "보통의", "표준", "공지된"과 같은 형용사 및 유사한 의미의 용어는 기재된 항목을 주어진 기간으로 또는 주어진 시점에서 이용 가능한 항목으로 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 되지만, 현재 또는 미래의 임의의 시점에서 이용 가능하거나 공지될 수 있는 종래의, 전통적인, 보통의 또는 표준 기술을 포괄하는 것으로 독해되어야 한다. 마찬가지로, 본 문서가 당업자에게 명백하거나 공지된 기술을 언급하는 경우, 그러한 기술은 현재 또는 미래의 임의의 시점에서 당업자에게 명백하거나 공지된 것을 포괄한다.
일부 경우에서 "하나 이상", "적어도", "이에 제한되지는 않지만" 등과 같은 광범위한 단어 및 어구의 존재는, 그러한 광범위한 어구가 부재할 수 있는 경우에 더 좁은 경우가 의도되거나 요구되는 것을 의미하는 것으로 독해되어서는 안 된다. 용어 "모듈"의 사용은 모듈의 일부로서 기재 또는 청구된 성분 또는 기능이 공통 패키지에 모두 구성되는 것을 내포하는 것은 아니다. 사실상, 제어 논리이든지 다른 성분이든지, 모듈의 다양한 성분 중 어느 하나 또는 모두는 단일 패키지로 조합될 수 있거나 또는 별도로 유지될 수 있고, 다중 그룹화 또는 패키지에 또는 다수의 위치에 걸쳐 추가로 분포될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이 용어 "또는"은 포괄적 또는 배타적 의미로 해석될 수 있다. 또한, 단수의 자원, 작업 또는 구조의 설명은 복수를 배제하도록 독해되어서는 안 된다. 특별히 달리 명시되거나, 사용되는 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 특히 "할 수 있다(can, may)" 및 "할 수 있었다(could, might)"와 같은 조건부 언어는 일반적으로 특정 실시형태는 포함하지만, 다른 실시형태는 특정 특징부, 요소 및/또는 단계를 포함하지 않는 것을 전달하도록 의도된다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "최적화시키다", "최적" 등의 용어는 성능을 가능한 한 효과적이거나 완벽하게 만들거나 달성하는 것을 의미하는 데 사용될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 이 문헌을 읽는 당업자가 인식할 바와 같이, 완벽함이 항상 달성될 수 있는 것은 아니다. 따라서, 이러한 용어는 또한 주어진 상황에서 가능한 한 우수하거나 효과적인 성능을 만들거나 달성하는 것 또는 다른 설정 또는 파라미터로 달성될 수 있는 것보다 우수한 성능을 만들거나 달성하는 것을 포함할 수 있다.
추가로, 본 명세서에 제시된 다양한 실시형태는 예시적인 블록 다이어그램, 흐름도 및 다른 예시와 관련하여 기재되어 있다. 본 문서를 읽은 후 당업자에게 명백할 바와 같이, 예시된 실시형태 및 그의 다양한 대안은 예시된 예에 얽매이지 않고 구현될 수 있다. 예를 들어, 블록 다이어그램 및 이의 첨부된 설명은 특정 구조 또는 구성을 의도하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (17)

  1. 땜납 합금(solder alloy)으로서,
    2.5 내지 4.0wt%의 Ag;
    0.4 내지 0.8wt%의 Cu;
    5.0 내지 9.0wt%의 Sb;
    1.5 내지 3.5wt%의 Bi;
    0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및
    잔부(remainder)의 Sn
    을 포함하는 땜납 합금.
  2. 제1항에 있어서, 0.1 내지 3.0wt%의 In을 더 포함하는, 땜납 합금.
  3. 제1항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 땜납 합금.
  4. 제2항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.3 내지 0.6wt%의 In, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 땜납 합금.
  5. 땜납 페이스트로서,
    플럭스(flux); 및
    2.5 내지 4.0wt%의 Ag;
    0.4 내지 0.8wt% Cu;
    5.0 내지 9.0wt%의 Sb;
    2.8 내지 5.0wt%의 Bi;
    0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및
    잔부의 Sn
    을 포함하는 땜납 합금 분말
    을 포함하는, 땜납 페이스트.
  6. 제5항에 있어서, 상기 땜납 합금은 0.1 내지 3.0wt%의 In을 더 포함하는, 땜납 페이스트.
  7. 제5항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 땜납 페이스트.
  8. 제5항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.3 내지 0.6wt%의 In, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 땜납 페이스트.
  9. 장치로서,
    세라믹 본체 및
    상부에 전극 및 열 패드가 배치된 측면
    을 포함하는 성분;
    구리 기판; 및
    상기 성분과 상기 구리 기판을 전기적으로 커플링시키는 땜납 합금
    을 포함하되, 상기 땜납 합금은,
    2.5 내지 4.0wt%의 Ag;
    0.4 내지 0.8wt% Cu;
    5.0 내지 9.0wt%의 Sb;
    1.5 내지 3.5wt%의 Bi;
    0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및
    잔부의 Sn
    을 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 땜납 합금은 0.1 내지 3.0wt%의 In을 더 포함하는, 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.3 내지 0.6wt%의 In, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 장치.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 땜납 합금을 사용하여 LED 부품이 조립된 LED 모듈(module).
  14. 장치로서,
    발광 다이오드(light-emitting diode: LED) 부품;
    금속 코어 인쇄 회로 기판(Metal Core Printed Circuit Board: MCPCB); 및
    상기 LED 부품과 상기 MCPCB를 전기적으로 커플링시키는 땜납 합금
    을 포함하되, 상기 땝납 합금은,
    2.5 내지 4.0wt%의 Ag;
    0.4 내지 0.8wt% Cu;
    5.0 내지 9.0wt%의 Sb;
    1.5 내지 3.5wt%의 Bi;
    0.05 내지 0.35wt%의 Ni; 및
    잔부의 Sn
    을 포함하는, 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 땜납 합금은 0.1 내지 3.0wt%의 In을 더 포함하는, 장치.
  16. 제9항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 장치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 땜납 합금은 3.0 내지 4.0wt%의 Ag, 0.5 내지 0.7wt%의 Cu, 5.0 내지 6.0wt%의 Sb, 2.5 내지 3.5wt%의 Bi, 0.3 내지 0.6wt%의 In, 0.1 내지 0.2wt%의 Ni 및 잔부의 Sn으로 본질적으로 이루어진, 장치.
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