As customers need higher performance and smaller size for electronic devices, the improvements of electrical package technology are one of the key issues in the electrical industry. To achieve the needs, the electrical packages should satisfy the requirements, such as the lower inductance for faster devices, the high number of Input/Output(I/Os) for the integration circuits(IC) and the smaller footprint for the mobile applications. Solder-bump interconnection has been widely used from chip and module packages for several decades. Most of them contained lead(Pb) because of its outstanding beneficial, electrical and mechanical properties. But, the movements of restricting Pb which is harmful for human body and environment are spreading world-wide especially for electronic products and components. From this trend, substituting for lead element, lead-free solders have been researched, intensively. Despite numerous researches on lead-free solder, there are just several reports on the design and development for high-temperature lead-free solders.
High-temperature solders are needed for both the electronics and automobile industries. There are various applications not only as die-attachment solders but also, for example, as materials for automobile circuit boards , assembling optical components and circuit modules for step soldering. Even so, their broad applications, high lead solders are still widely in use and prevent the recycling of electronic components even though the circuit boards are connected with middle temperature lead free solders such as Sn-Ag-Cu. Thus, the development of high-temperature lead-free solders or other assembling technologies must be achieved, urgently.
The current choices for high-temperature solder have been Pb-Sn, Pb-Ag, Sn-Sb, Au-Sn, Bi-Ag and some other alloys. Excluding Pb solders, they have fatal drawbacks each other. Sn-Sb system alloys have too low melting temperature, around 240℃. Au-Sn alloys are extremely expensive. And Bi-Ag alloys exhibit quite small elongation and brittle nature.
This study proposes that Zn-Sn alloys adding the $3^{rd}$ element are improved their mechanical properties and Sn-Cu-Zn system alloys are new solder designs which withstand under 250℃(reflow termperature of middle-temperature solder, SAC). Compression tests revealed that they have stability at 180℃~230℃ and they maintained their shape at 250℃ for several minutes. And Sn-Cu-Zn-Sb system alloys have higher hardness and compression strength.
오늘날 전자산업은 소비자들의 소형화, 다기능화의 요구에 따라 집적도를 높혀 제품의 성능을 향상시키고 제품의 사이즈는 오히려 더욱 줄여야 하는 과제를 갖고 있다. 예를 들어 최근에 널리 사용되는 스마트폰의 경우 전화기 본래의 기능 외에도 고화질 카메라, MP3 플레이어, WiFi 인터넷접속기능, 게임기, DMB(Digital Media Broadcasting) TV 기능, 근거리 무선통신(Bluetooth) 기능 등 매우 다양한 기능을 수행하고 있다. 이렇듯 작은 크기에 다양한 기능을 수행하기 위해선 반도체칩 회로설계기술과 더불어 전자패키징 기술의 발전은 필수적이다. 그래서 지금까지 반도체 및 전자패키징 분야에서 Chip을 접속하는 기술로 기존에 사용된 와이어본딩(Wire-bonding)을 대체하기 위해 고안된 방법이 솔더 범프를 이용하여 고속의 신호처리가 가능하고, 더 많은 I/O를 형성할 수 있는 flip chip 기술이다. Flip chip이란 반도체 칩을 회로 기판에 부착시킬 때 금속리드(wire)와 같은 추가적인 연결구조 없이 칩아랫면의 전극패턴을 이용해 그대로 융착시키는 방식을 말한다. 이러한 기술을 발전시켜 나가기 위해서는 적절한 솔더의 조성과 하부 금속층에 관한 연구가 함께해야 한다. 전자 부품의 실장에 사용되는 솔더합금은 지금까지 지금까지 Sn-37Pb(183℃) 합금을 비롯한 Pb-Sn계 솔더합금이 가장 널리 사용되었다. 하지만 2006년 7월부터 EU의 전기전자기기의 특정 유해 물질 사용 구재 지령(RoHS; Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electric Equipment)이 실시되어 전자 패키징에 사용되는 유해물질에 대한 환경적 피해와 인체 유해성 문제가 대두되었다.[1-2] 이미, 이차실장에 사용되는 Sn-37Pb합금을 대체할 무연솔더합금의 개발은 세계적으로 활발한 연구가 진행되면서 가장 유망하게 주목받은 솔더합금 조성은 Sn-Ag계이며, 여기에 단점들을 보완하기 위해 제3의 원소를 첨가하여 만든 Sn-Ag-Cu합금계가 표준합금으로 자리잡았다.[3-7]
지금까지 이차실장에 사용되는 중융점 솔더 Sn-37Pb 합금을 대체하기 위한 많은 연구가 활발히 이루어진 것에 반해 고융점을 가지는 high Pb 솔더 즉, 95Pb-5Sn(308~312℃), 90Pb-10Sn(275~302℃)를 대체하기 위한 연구는 아직도 미비한 실정이다. 한편, 현재 주류를 이루고 있는 Sn-Ag-Cu 합금의 융점(216~225℃)이 기존의 Sn-37Pb의 융점(183℃)에 비해서 약 30℃ 이상 높아 리플로우(Reflow) 온도가 250℃ 정도로 높아지게 되면서 고융점, 고신뢰성 및 환경친화형 고온용 무연솔더에 대한 관심이 높아지고 있다. 고융점 솔더는 대표적으로 step soldering에 사용된다. 반도체 칩을 보호하고 효과적인 동작을 위해 패키징은 몇 단계의 공정으로 구분된다. 칩을 하나의 모듈(Module)로 패키징하는 1단계 패키징과 패키징된 모듈을 PCB(Printed Circuit Board)에 연결하는 2단계 패키징, 그리고 더 나아가 하나의 완성된 전자제품을 완성하기 위해서 연결하는 3단계 이상의 패키징이 그것이다.
이처럼 패키징은 각각의 단계로 이루어지는데 전 단계에 결합된 부분이 후속공정에서 안정적으로 기능 및 형태를 유지하기 위해서 녹는점이 다른 솔더를 사용하는 step soldering이 필요한 것이다. 나아가 자동차 산업에 있어서 첨단의 전자부품의 사용이 증가함에 따라 고온의 융점을 요구하는 차량용 솔더의 필요성 또한 부각되고 있다. High Pb 솔더를 대체하기 위해 가장 널리 연구되었고 사용되었던 Au-Sn계 합금은 경제성 측면에서 약점이 있으며 Bi계 솔더는 근본적인 취성을 지니고 있어 솔더로 사용되는데 한계가 있다.[8-13]
오사카 대학의 Suganuma 그룹에서는 Zn-Sn을 이용한 무연 고온솔더를 제안하고 그 특성에 관한 많은 실험 및 가능성에 대한 연구를 보고하고 있다.[14-22] 본 연구에서는 Zn-Sn계 솔더에 제 3의 원소 Ag, Cu, Ni, Sb을 첨가하여 각 조성별 녹는점 및 미세구조, 반응성, 경도, 압축강도, 결합강도를 조사하였으며 나아가 전혀 새로운 Sn-Cu-Zn계 솔더의 녹는점, 반응성, 경도, 압축강도, 결합경도 등을 조사하고 고온 솔더로의 발전가능성에 대한 평가를 하였다.
