인듐, 비스무트 및/또는 카드뮴을 포함한 저온 활성 땜납을사용하여 제조된 전자 패키지 document_id A220623031382

본 출원은 2004년 5월 4일자로 출원된 "인듐, 비스무트 및/또는 카드뮴을 포함한 저온 활성 땜납(Low-Temerature Active Solder Including Indium, Bismuth, And/Or Cadmium)" 제하의 미국 가특허출원 제60/568,037호 및 2005년 1월 13일자로 출원된 "전자 패키징에서 활성 땜납 조성물의 용도(Use of Active Solder Compositions in Electronic Packaging)" 제하의 미국 가특허출원 제60,643,640호에 대한 우선권의 이익을 향유하며, 상기 내용은 본 출원에서 참고문헌으로 인용된다. 납땜 방법은 가장 광범위하게 사용되는 접합 기술중 하나이다. 통상적인 납땜 방법에 내재한 여러 제한이 없다면 작업편 접합용 납땜의 보다 넓은 용도가 가능할 것이다. 전형적으로 통상적인 납땜 방법은, 단지 (1) 땜납과 작업편 표면간의 양호한 접촉을 확보하기 위하여 땜납 적용이전에 접합시킬 작업편의 표면을 세척하여 임의의 산화물, 질화물 또는 기타 안정한 화합물 층이 존재하지 않는 경우, (2) 땜납과 동시에 플럭스에 의한 예비코팅이 이용되는 경우, 또는 (3) 작업편 표면이 세척되고 플럭스에 의한 예비코팅이 이용되는 경우에만 성공적으로 이용될 수 있다. 이러한 한계는 납땜되어야 할 작업편 표면이 복잡한 전처리를 필요로 함을 의미하거나, 첨가되는 플럭스의 이용으로 인해 납땜 작업이 보다 복잡하게 됨을 의미하거나, 이들 둘다를 의미한다. 또한, 납땜 공정 이후에 플럭스 잔류물이 납땜된 작업편 표면에 남아있을 위험이 존재한다. 잔류하는 플럭스는 추가의 가공 단계에 문제를 일으키거나 또는 납땜된 접합부의 장기 내구성을 손상시킬 수 있다. 기타 통상적인 납땜 방법은 가열시에 안정한 산화물 또는 화합물을 형성하지 않는 금속(예컨대, Au)으로 도금하거나 플럭스에 의해 쉽게 제거되는 산화물을 형성하는 금속(예컨대, Cu 또는 Ni)으로 도금하는 것을 포함한다. 이들 방법은 납땜될 작업편 표면이 다단계 전처리 또는 도금될 것을 필요로 하거나, 납땜 작업이 도금, 플럭스, 또는 둘다를 추가로 이용하는 것을 포함하는 다단계 절차를 포함할 것을 필요로 한다. 이들 통상적인 납땜 방법의 일부는 건강, 환경 또는 둘다에 유해하다. 기타 상업용 납땜 방법은 주석 및/또는 납, 가능하게는 은을 포함하는 연질 땜납 합금을 이용하고, 약 180 내지 280℃의 공정 온도를 갖는다. 상기 방법은 많은 물질을 전혀 습윤시키지 못하거나 매우 불충분하게 습윤시키는 추가적인 한계를 갖는다. 따라서, 상기 방법은 습윤성이 불충분하거나 전혀 습윤될 수 없는 세라믹같은 물질로 제조된 작업편을 접합시키는데 사용될 수 없다. 일부 납땜 방법은 활성화된 연질 땜납을 사용하여 상기 한계를 극복하려고 한다. "활성" 금속으로서 티탄을 일정 비율로 함유한 활성화된 연질 땜납은 불충분하게 습윤가능한 표면의 습윤성도 크게 개선시킴을 나타낸다. 그러나, 활성 땜납을 사용하는 방법의 중요한 한계점은 상기 방법이 600 내지 900℃의 공정 온도를 필요로 하며, 높은 진공 또는 순수한 차폐 기체와 같은 보호 분위기를 필요로 한다는 점이다. 높은 공정 온도는 납땜할 수 있는 물질의 선택을 크게 제한한다. 또한, 진공 또는 차폐 기체의 필요성은 납땜 작업을 복잡하게 하며, 많은 경우에 있어 상기 방법의 적용을 완전히 불가능하게 한다. 최근 개발된 활성 땜납은 티탄(또는 원소주기율표의 IVa 및/또는 Va 아족의 기타 원소) 및 통상적인 땜납 금속(즉, 주석, 은, 인듐 등)과 함께 일정량의 반응성 원소, 희토류 또는 란탄족 원소(La, Ce, Ga 등)를 포함한다. 상기 땜납 합금은 개질되지 않은 땜납이 일반적으로 습윤 및 접착시키는 것보다 광범위한 물질을 습윤시키고 접착(bonding)시킨다. 이들 조성물은 알루미늄을 구리에, 티탄을 탄화규소에 접착시키는 것 같이 일반적으로 비슷하지 않은 물질을 접착시키는데 사용되거나, 텅스텐이나 티탄같이 접착시키기 어려운 물질을 접합시키는데 사용된다. 상기 물질은 또한 알루미나, 구리-텅스텐 합금, 구리-몰리브덴-구리 합금, 및 알루미늄 탄화규소와 같은 금속-세라믹 복합재와 같은 전자 패키징 물질에 규소를 접착시키는데 유용할 수도 있다. 최근 개발된 활성 땜납은 200℃보다 높은 융점(전형적인 Sn-Ti-Ag-Ce-Ga 합금의 경우 233℃)을 갖고, 250 내지 400℃에서 성공적으로 접합된다. 그러나, 상기 활성 땜납을 이용하는 납땜 방법은 접합 온도가 250℃보다 높아도 되는 접합 용도로 제한되어 있다. 180℃ 미만에서 접합시키는 땜납을 필요로 하는 마이크로전자; 센서기; 미세전자기계(MEM) 소자; 및 광학 소자, 중합체-코팅된 광학 소자 또는 금속-코팅된 중합체 소자에서 많은 새로운 용도가 나타난다. 반도체 소자의 통상적인 패키징은, 소자와 패키지 리드(lid) 사이에 열 경로를 형성하기 위해 충전된 유기 중합체, 충전된 실리콘 중합체 또는 충전된 그리스(grease) 물질을 사용한다. 상기 물질은 전형적으로 접합능 또는 접착능이 없으나, 상기 소자의 일상적인 사용내내 제 자리에 고정되어야 한다. 상기 유기물질을 땜납과 같은 금속으로 대체시키면 소자 외부로의 열 전이 속도를 실질적으로 개선시키고, 패키징 물질을 규소에 부착시키는 것을 보조할 수도 있다. 금속을 사용하는 경우에 알려진 열전도도의 약 10배 증가는 보다 빠른 속도에서 작업할 수 있게 하여, 트랜지스터 계수를 증가시키며 발생된 열이 덜 복잡한 시스템에 의해 제거될 수 있게 함으로써, 소자의 성능이 보다 잘 발휘되게 한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 기판 물질의 표면상에 본래 존재하는 산화물을 최소화하도록 표면이 전처리되기만 한다면, 통상적인 땜납 물질도 반도체 물질, 세라믹 및 금속에 접착된다. 가장 통상적인 처리는 표면상에 존재하는 산화물을 감소시키면서 땜납이 기판에 부착되는 것을 방해하지 않도록 고안된 화학제인 플럭스제를 사용하는 것이다. 오염이 그 작업에 치명적일 수 있는 반도체 소자에서 플럭스의 사용은 바람직하지 않다. 그 대신, 금층(gold layer)이 소자 뿐만 아니라 패지킹 물질의 표면에 종종 첨가된다. 이는 스퍼터링(sputtering) 또는 화학증착법과 같은 여러 통상적인 방법중 하나에 의해 실시된다. 금은 물질에 확산될 수 있고, 반도체 소자에 해를 입힐 수 있거나 일부 물질에 단단히 부착되는 것이 어려울 수 있으므로, 부착 및 장벽층도 금 코팅과 기판 표면 사이에 첨가된다. 통상적인 조합으로는, 소자 또는 기판에 직접 부착층으로서 니켈이 사용되고, 금이 기판에 확산되는 것을 방지하는 장벽층으로서 티탄 또는 팔라듐이 사용되며, 최종적으로 금층이 있다. 금층이 정확하게 가공되고 과량의 산화물 형성이 없도록 유지된다면, 일부 통상적인 땜납은 플럭스를 사용하지 않아도 금에 직접 접착된다. 안타깝게도, 추가적인 층의 형성은 생산방법에 다단계를 추가하여 비용을 증가시키고, 가공중에 부품 파괴의 위험을 증가시키며, 소자와 그 패키지 사이에 발생된 비교적 두꺼운 금속층으로 인해 전체 패키지의 열 성능을 개선시키지 못할 수도 있다. 몇몇 특수한 경우, 공융(eutectic) 구리 접착 방법이 사용될 수 있으며, 이 방법은 더 더욱 고가이고 복잡하다. 기존의 활성 땜납 합금 조성물 및 가공 방법의 단점으로 인해, 고-강도 접합을 위한 신규한 합금 조성물 및 가공방법이 필요하다. 이러한 필요성은 전자 패키징, 광학 패키징, 저온 평판 및 열 방출판(heat spreader) 분야에서 특히 심각하다. 따라서, 본 발명의 목적은, 연질 납땜 기술의 보다 광범위한 용도를 갖도록 하는, 작업편을 접합하기 위한 납땜 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 보다 구체적인 목적은 불활성 및 기타 보호 분위기에서 뿐만 아니라 예컨대 공기와 같은 산소-함유 분위기에서도 기능하고 비교적 낮은 가공 온도를 가지며 습윤성이 불량한 표면도 습윤시키는 납땜 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 플럭스를 필요로 하지 않는 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 저온(약 180℃ 미만) 활성 땜납 합금을 제공하는 것이다. 관련 목적은 상기 저온 활성 땜납을 사용하여 세라믹, 규소, 복합재 또는 내식성 금속을 접합시키는 방법을 소개하는 것이다. 또 다른 관련 목적은 상기 저온 활성 땜납이 사용되는 용도를 확립하는 것이다. 다른 활성 땜납과 같이, 본 발명의 조성물은 공기 중에서 가공될 수 있고, 세라믹, 규소, 복합재와 같이 그 자체로 습윤성이 불량한 표면, 또는 세라믹 층 표면을 갖는 금속을 습윤시킨다. 발명의 요약 상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여 그 목적을 위해 본 발명은, 구체적으로는 180℃ 미만에서 접합시키는 활성 연질-땜납의 보다 광범위한 용도를 가능하게 하는, 합금, 저온 활성 땜납 합금을 제공한다. 본 발명은, 인듐, 비스무트 또는 카드뮴을 현존하는 활성 땜납 조성물에 의해 고려되지 않는 수준까지 첨가한다. 본 발명의 한 이점은 고 농도의 인듐, 비스무트 또는 카드뮴이 하기에 명시된 바와 같은 기타 활성 원소와 조합되어 플럭스 또는 도금을 사용하지 않고도 세라믹 및 기타 세라믹류 표면 필름을 습윤 및 접합시킬 수 있다는 점이다. 본 발명의 또 다른 이점은 온도를 낮추는 상기 원소가 활성 땜납의 활성 특성을 유지시키며 원소 조합에 따라 40 내지 180℃의 완전히 새로운 활성 납땜 온도 범위를 제공한다는 점이다. 본 발명은 활성 땜납 합금, 전자 소자를 기판에 접착시킨 활성 땜납 합금을 포함한 전자 소자 패키지, 및 상기 땜납 합금을 사용하여 납땜함으로써 고-강도, 고-열전도성의 접합부를 형성하는 방법을 포함한다. 합금은 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀 및 탄탈로 이루어진 군으로부터 선택된 원소 또는 원소 혼합물 약 10중량% 이하; 란탄족(희토류) 군으로부터 선택된 원소 또는 원소 혼합물 약 0.1 내지 5중량%; 갈륨 약 0.01 내지 1중량%; 은 약 10중량% 이하; 마그네슘 약 2중량% 이하; 및 주석, 비스무트, 인듐, 카드뮴 또는 이들 원소중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 나머지를 함유한다. 합금은 비교적 좁은 용융 범위(약 10℃ 미만)내에서 저온(약 180℃ 미만) 납땜을 가능하게 한다. 전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 본 발명을 예시하기 위한 것이며 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다.