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반도체 조립에서 신뢰성 있는 금의 상호연결에 사용되는 인듐-납(In/Pb) 솔더 합금

Wednesday, April 4, 2012

Indium 사의 반도체 및 고급 조립 재질 담당 새로운 테크니컬 스페셜리스트인 Maria Durham 은 인듐-납(In/Pb) 솔더 합금에 관한 연구를 수행해왔습니다. 이번 주에 그녀의 연구 결과에 대해 같이 얘기를 나눌 수 있었습니다.

[Andy C. Mackie: ACM] 어떤 인듐/납 솔더 합금들이 가장 보편적이고 또 그들의 특질은 무엇입니까?

[Maria Durham: MD] 우선, 일부 솔더링 어플리케이션에서 납(Pb-)이 함유된 솔더를 사용하는 것은 지역의 환경 및 RoHS 준수규정에 따라 제한되기는 하지만 아직도 허용되는 많은 어플리케이션들이 있습니다. 차량과 관련된 많은 어플리케이션들은 물론, 다수의 군사, 항공우주, 그리고 공업용 장비에서의 사용은 예외입니다. 아래 테이블은 가장 흔한 인듐/납(In/Pb) 합금(핑크색)과 그들의 특질을 보여 주는 것으로, 이들은 액화 온도에 의해 분류되어 있습니다; 비공융 합금에서 더 높은 2개의 용해 온도(고화 및 액화)를 보여 줍니다. 청색으로 된 것은 3개의 비교용 재질입니다.

Indalloy 205 가 가장 보편적으로 사용되는데, 그것은 아마도 주석/납 공융온도 (183°C), 63Sn/37Pb (Indalloy 106)에 가장 근접한 액화온도를 갖고 있기 때문일 것입니다. 이것은 표준 Sn/Pb 공융 프로필을 사용해서 환류될 수 있는 것을 의미합니다. 그 다음으로 가장 널리 사용되는 합금은 Indalloy7, 204, 및 206 입니다. 용해 범위 외에도, 인듐은 표준 재질에 상응하는 열 및 전기 전도성을 갖고 있습니다.

[ACM] 왜 인듐-납(In/Pb) 솔더가 그렇게 인기있고, 또 왜 최근 들어서 그 사용이 다시 늘어나고 있나요?

[MD] 귀금속의 표면에 인듐/납(In/Pb) 솔더 합금을 사용하는 것의 주된 이점은, 주석이 함유된 솔더와는 달리, 이들이 금을 용해하지 않는다는 것입니다. 다시 말하면, 금은 고려할 정도로 이들 속으로 녹아들지 않는 것을 의미합니다. 2011년의 Semicon West 에서 있었던 토론에서 캘리포니아주의 한 고객은, Indalloy 205를 사용한 8번의 환류 시뮬레이션을 통한 금 표면의 접촉에서도 조인트의 접합력이 떨어지지 않았고 조인트가 부서지는 사태도 없었다고 보고한 바 있습니다. 이것은 아주 인상적인 결과입니다. 부서짐은 종종 금-금속간의 형성에서 비롯되는 것에 주목하시기 바랍니다. 또한, 심지어 250°C에서도 50In/50Pb 는 Au 를 63Sn/37Pb 보다 13배나 더 늦은 비율로 용해시키는 것을 주목해야 합니다. 물론 이것은 용해성 한계가 아닌 동역학 조사이기는 하지만 말입니다.

Table 1 InPb copyright Indium Corporation 2012(C) 높은 온도에서 용해되는 Indalloy 164 (92.5Pb/5In/2.5Ag)는 모든 In/Pb 솔더 중에서 가장 낮은 열확장 계수(CTE)를 보이며, 단계별 솔더링 유형의 어플리케이션(매우 높은 온도에서 용해되는 솔더는 첫 번째 조인트의 형성에 사용되고, 이어서 다음으로 낮은 용해 합금이 사용되는 등)의 높은 온도 편위에도 견뎌낼 수 있습니다. 이것은 첫 단계의 솔더를 솔더 페이스트, 와이어, 또는 사전성형품으로 단단하게 부착할 때 종종 사용되는, 동력 전자기기 조립과 같은 어플리케이션에서 볼 수 있습니다. 높은 용해 온도는 솔더가 후드 아래 위치한 전자기기에서 작동 온도를 견뎌낼 수 있게 하며, Indalloy 151 (92.5Pb/5Sn/2.5Ag) 또는 Indalloy 163 (95.5Pb/2Sn/2.5Ag)이 가장 보편적으로 사용되고 있는 엔진 콘트롤 모듈과 같은 어플리케이션에서 도움이 됩니다. In/Pb 솔더는 세라믹과 금속, 또는 세라믹과 세라믹을 부착하는 것과 같은 아주 단단한 구조에서 뛰어난 성능을 보입니다. 바람직한 고체화/액화 온도의 범위는 인듐:납의 비율을 바꿔서 특정한 환류 공정에 대한 합금 “다이얼 인”을 아주 쉽게 만들어 조정할 수 있습니다.

In/Pb 솔더를 사용하는데 따른 또 다른 이점은 -55°C 에서 125°C에 이르는 열 사이클에서도 계속 좋은 성능을 보이는 것입니다. 테스트 결과, 50In50Pb 솔더 조인트의 피로 수명은 63Sn/37Pb 보다 100배 이상 정도에 이릅니다.

[ACM] 이들 어플리케이션에는 어떤 용매제가 사용되고 어떻게 다른 구성을 보이나요?

[MD] 인듐이 함유된 솔더의 낮은 용해온도(<200°C)와 가장 잘 부합되는 용매제는 NC-SMQ-80 (솔더 페이스트) 또는 끈기가 덜한 TacFlux® 012 (와이어, 사전성형품, 그리고 구형에 사용하기 적합)입니다. 이들은 낮은 온도의 환류에서 사용할 수 있도록 특별히 조제된 비세척 용매제입니다. 적절한 저온 환류 공정에서, 이들 용매제는 세척할 필요가 없는(“비세척” 용매제) 양성의 잔재물을 남기지만, 실제 대부분의 어플리케이션에서는 용매제 스패터가 없는 신뢰성있는 와이어본드를 위해 가끔 세척을 하기도 합니다.