JP2013107132A - Lead-free solder alloy and method for manufacturing the same - Google Patents

Lead-free solder alloy and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lead-free solder alloy which is excellent in acid resistance and flexibility, and a method for manufacturing the lead-free solder alloy.SOLUTION: One to five wt.% of Ag is add to an Sn-Zn based lead-free solder alloy and a fraction of a gamma (γ) phase and an epsilon (ε) phase, which are Ag-Zn alloy phases, is formed to be 5-20 vol.%, so that the acid resistance as well as the flexibility of the lead-free solder alloy is greatly improved.

Description

本発明は 鉛フリーはんだ合金及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a lead-free solder alloy and a manufacturing method thereof.

既存の半導体パッケージは、プリント基板への実装手段としてリードフレームを使って来た。このような既存の半導体パッケージは、チップを封止しているパッケージ胴体の外側にリードフレームのリードが伸びた構造を持ち、前記リードを基板上にソルダリングすることで実装がなされる。   Existing semiconductor packages have used lead frames as means for mounting on printed circuit boards. Such an existing semiconductor package has a structure in which the lead of the lead frame extends outside the package body sealing the chip, and is mounted by soldering the lead on the substrate.

ところで、表面実装技術によって実装される既存の半導体パッケージは広い実装面積を必要とする。すなわち、既存の半導体パッケージは、その自体の大きさに相当する面積の外にパッケージ胴体の外側に伸びたリードフレームの前記リードの長さだけの追加面積を実装面積として要求するため、パッケージのサイズ減少によって実装面積を減らしても実装面積の減少に限界を持つことになる。よって、半導体産業において技術開発の主な趨勢の一つは半導体素子のサイズを縮小することである。   By the way, the existing semiconductor package mounted by surface mounting technology requires a wide mounting area. That is, since the existing semiconductor package requires an additional area as the mounting area of the lead frame extending outside the package body in addition to the area corresponding to the size of the semiconductor package as the mounting area. Even if the mounting area is reduced by the reduction, there is a limit to the reduction of the mounting area. Thus, one of the main trends of technological development in the semiconductor industry is to reduce the size of semiconductor elements.

半導体パッケージの分野においても、小型コンピュータ及び携帯用電子機器などの需要急増によって小型のサイズを持ちながらも多数のピン(pin)を具現することができるファインピッチボールグリッドアレイ(Fine pitch Ball Grid Array:FBGA)パッケージまたはチップスケールパッケージ(Chip Scale Package:CSP)などの半導体パッケージが開発されている。この際、このような半導体パッケージはソルダーボールを介して各基板の間に電気的な連結がなされる。   Also in the field of semiconductor packages, a fine pitch ball grid array (Fine pitch Ball Grid Array) that can implement a large number of pins while having a small size due to a rapid increase in demand for small computers and portable electronic devices, etc .: Semiconductor packages such as FBGA) packages or chip scale packages (CSP) have been developed. At this time, such a semiconductor package is electrically connected between the substrates via solder balls.

一方、従来電子機器に内蔵される電子回路基板において、基板と電子部品を接合するためにスズ−鉛系ソルダー材料、特に63重量%のスズ(Sn)−37重量%の鉛(37Pb)など低融点(m.p.183℃)を持つ材料が一般的に使われて来たが、近年にはスズ−鉛系ソルダー材料に含まれる鉛が不適切な廃棄物処理によって環境汚染をもたらす可能性が高い関係で、鉛を含まない、いわゆる 鉛フリーはんだ(lead free solder)材料の開発が活発に進んでいる。   On the other hand, in an electronic circuit board built in a conventional electronic device, a tin-lead solder material, particularly 63 wt% tin (Sn) -37 wt% lead (37Pb), etc. Materials with a melting point (mp 183 ° C) have been commonly used, but in recent years, the lead contained in tin-lead solder materials can cause environmental pollution due to improper waste disposal Therefore, development of a so-called lead-free solder material that does not contain lead is actively progressing.

このような 鉛フリーはんだ材料として有望なものの一つがSn−Ag−Cuソルダー材料である。標準ソルダーSn−Ag−Cu合金の融点(216〜225℃)は既存のSn−37Pb共晶合金(eutectic alloy)の融点(183℃)に比べて約30℃以上高くなるとともに各種の部品及び基板の耐熱性の向上を要求して来た。   One of the promising lead-free solder materials is Sn-Ag-Cu solder material. The melting point (216-225 ° C.) of the standard solder Sn—Ag—Cu alloy is about 30 ° C. higher than the melting point (183 ° C.) of the existing Sn-37Pb eutectic alloy (183 ° C.). Has been demanding improved heat resistance.

したがって、既存に使われて来た部品及び基板の耐熱性向上のために、工程変更(process change)が不可避になった。このような工程変更の問題点を解決するために、既存のSn−37Pb共晶合金に似ている低融点の高信頼性ソルダー材料の確保のための多くの研究が進んで来た。   Therefore, in order to improve the heat resistance of components and substrates that have been used, process change is inevitable. In order to solve the problem of such a process change, many studies have been conducted for securing a high-reliability solder material having a low melting point similar to an existing Sn-37Pb eutectic alloy.

その中でも、Sn−9Zn共晶合金は、融点(199℃)が既存のSn−37Pb共晶合金と同等な融点を持つので、製造工程の変更なしに適用可能であるという利点を持っている。また、Sn−9Zn合金系は高い強度及びクリープ特性及び耐熱疲労性に優れて経済的である。しかし、酸素との反応性が高く、基板との湿潤性(wettability)が不良であるため、使用が制限されて来た。現在には雰囲気制御(真空(vacuum)、ガスパージング(gas purging)、酸素分圧(partial oxygen pressure)など)及びフラックス(flux)の開発で酸化を抑制することができる代案が提示されている。   Among them, the Sn-9Zn eutectic alloy has an advantage that the melting point (199 ° C.) has the same melting point as that of the existing Sn-37Pb eutectic alloy and can be applied without changing the manufacturing process. Further, the Sn-9Zn alloy system is economical because of its high strength, creep characteristics and heat fatigue resistance. However, its use has been limited due to its high reactivity with oxygen and poor wettability with the substrate. Presently, alternatives that can suppress oxidation by developing atmosphere control (vacuum, gas purging, partial oxygen pressure, etc.) and flux are proposed.

したがって、Sn−9Zn共晶合金の湿潤性及び界面信頼性を改善するために、第3元素(Ag、Al、Bi、In、Gaなど)の添加などによる研究開発が活発に進んでいる。特に、湿潤性の向上及び低融点を実現するために、Biの添加に対する研究が多く進んで来た。Sn−9Zn共晶合金へのBiの添加は合金の低融点実現は可能であるが、同じ高温及び高湿の下(85℃/85%RH)でSn−9Zn共晶合金に比べて酸化進行率が加速化することが報告されている。   Therefore, in order to improve the wettability and interface reliability of the Sn-9Zn eutectic alloy, research and development by addition of a third element (Ag, Al, Bi, In, Ga, etc.) is actively progressing. In particular, much research has been conducted on the addition of Bi in order to improve wettability and achieve a low melting point. Addition of Bi to Sn-9Zn eutectic alloy can realize a low melting point of the alloy, but oxidation progresses compared to Sn-9Zn eutectic alloy at the same high temperature and high humidity (85 ° C / 85% RH). The rate has been reported to accelerate.

一方、Sn−Zn−Ag共晶合金においては、特許文献1及び2にAgをそれぞれ0.1〜3.5重量%及び0.01〜2重量%含む共晶合金について開示しているが、これは前記合金の引張強度のような機械的特性及び耐食性向上のために添加されたもので、依然としてかかる合金は耐酸性が落ちる傾向がある。   On the other hand, in the Sn—Zn—Ag eutectic alloy, Patent Documents 1 and 2 disclose eutectic alloys containing 0.1 to 3.5 wt% and 0.01 to 2 wt% of Ag, respectively. This is added to improve mechanical properties such as tensile strength and corrosion resistance of the alloy, and such an alloy still tends to have poor acid resistance.

日本国特開平9−94687号公報Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-94687 大韓民国登録特許第10−690245号明細書Korean Registered Patent No. 10-690245 specification

それで、本発明は、既存のSn−Zn合金に最適の第3元素の添加及び最適組成によって酸化しやすいZn金属をAgと先に合金化させた後、Snと混合させることで、ソルダーの耐酸性及び軟性を強化することができ、本発明はこれに基づいて完成された。   Therefore, according to the present invention, the addition of the third element optimum for the existing Sn—Zn alloy and the Zn metal that is easily oxidized by the optimum composition are first alloyed with Ag, and then mixed with Sn to thereby prevent the acid resistance of the solder. The present invention has been completed based on this.

したがって、本発明の一目的は、耐酸性及び軟性に優れた 鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
本発明の他の目的は、耐酸性及び軟性に優れた 鉛フリーはんだ合金を製造する方法を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a lead-free solder alloy having excellent acid resistance and softness.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a lead-free solder alloy having excellent acid resistance and softness.

前記目的を達成するために、本発明による 鉛フリーはんだ合金は、1.0〜5.0重量%のAg、7〜10重量%のZn、及び残りのSnでなる合金であって、Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が10〜20体積%であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a lead-free solder alloy according to the present invention is an alloy composed of 1.0 to 5.0% by weight of Ag, 7 to 10% by weight of Zn, and the remaining Sn, Ag- The fraction of gamma (γ) and epsilon (ε) phases which are Zn alloy phases is 10 to 20% by volume.

本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記Agの含量が4〜5重量%であることができる。   In the lead-free solder alloy according to the present invention, the Ag content may be 4 to 5% by weight.

本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム(preform)の製造に適用されることができる。   In the lead-free solder alloy according to the present invention, the lead-free solder alloy may be applied to manufacture a solder preform.

本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記ソルダープリフォームが、ソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子(granule)、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ(washer)、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることができる。   In the lead-free solder alloy according to the present invention, the solder preform includes a solder paste, a solder ball, a solder bar, a solder wire, a solder bump, a solder thin plate, a solder powder, a solder pellet, a solder particle (granule), a solder ribbon, and a solder washer. (Washer), solder ring, and solder disk.

本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が16〜20体積%であることができる。   In the lead-free solder alloy according to the present invention, a fraction of gamma (γ) and epsilon (ε) phases, which are the Ag—Zn alloy phases, may be 16 to 20% by volume.

前記目的を達成するために、本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法は、1.0〜5.0重量%のAgと7〜10重量%のZnを溶融させて合金ボールを形成させる段階;残りのSnを溶融させて溶融Snを提供する段階;及び前記溶融されたSnにAg−Znの合金ボールを添加して溶融させてソルダー合金を形成させる段階;を含み、ここで、前記ソルダー合金において、Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が5〜20体積%であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a method for producing a lead-free solder alloy according to the present invention comprises the steps of melting 1.0 to 5.0 wt% Ag and 7 to 10 wt% Zn to form an alloy ball; Melting the remaining Sn to provide molten Sn; and adding an Ag—Zn alloy ball to the molten Sn to form a solder alloy, wherein the solder alloy In the present invention, the fraction of the gamma (γ) and epsilon (ε) phases which are Ag—Zn alloy phases is 5 to 20% by volume.

本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記Agの含量が4〜5重量%であることができる。   In the method for producing a lead-free solder alloy according to the present invention, the Ag content may be 4 to 5% by weight.

本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム(preform)の製造に適用されることができる。
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記ソルダープリフォームがソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子(granule)、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ(washer)、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることができる。
In the method for producing a lead-free solder alloy according to the present invention, the lead-free solder alloy may be applied to the production of a solder preform.
In the method for producing a lead-free solder alloy according to the present invention, the solder preform is a solder paste, solder ball, solder bar, solder wire, solder bump, solder thin plate, solder powder, solder pellet, solder particle (granule), solder ribbon, It can be selected from the group consisting of solder washers, solder rings and solder disks.

本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記合金ボールの直径が1〜20μmであることができる。   In the method for producing a lead-free solder alloy according to the present invention, the diameter of the alloy ball may be 1 to 20 μm.

本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記合金ボールはアトマイジングによって形成されることができる。   In the method for producing a lead-free solder alloy according to the present invention, the alloy ball may be formed by atomizing.

本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記ソルダー合金において、前記Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が16〜20体積%であることができる。   In the method for producing a lead-free solder alloy according to the present invention, the fraction of gamma (γ) and epsilon (ε) phases that are the Ag—Zn alloy phases in the solder alloy may be 16 to 20% by volume.

本発明は、Sn−Zn系 鉛フリーはんだ合金に、Agを1〜5重量%で添加させながらAg−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率を10〜20体積%に形成することで、前記 鉛フリーはんだ合金の機械的強度、例えば引張強度、軟性などを向上させるとともに前記合金の耐酸性を大幅に改善させる効果がある。   In the present invention, the Ag-Zn alloy phase gamma (γ) and epsilon (ε) phase fraction is added to 10 to 20 volumes while adding Ag to the Sn—Zn lead-free solder alloy at 1 to 5 wt%. In addition, the mechanical strength of the lead-free solder alloy, such as tensile strength and softness, is improved, and the acid resistance of the alloy is greatly improved.

Sn及びZnの組成比による一般的なSn−Zn相のダイアグラムである。It is a diagram of the general Sn-Zn phase by the composition ratio of Sn and Zn. 一般的なSn−9Znソルダー合金の微細構造を示す走査電子燎微鏡(Scanning electron microscope)写真である。3 is a scanning electron microscope photograph showing the microstructure of a general Sn-9Zn solder alloy. 従来のソルダー合金を85℃/85%RHで1000時間露出させた後、前記合金の微細構造の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、(a)はSn−9Znソルダー合金であり、(b)はSn−8Zn−3Biソルダー合金である。After exposing a conventional solder alloy at 85 ° C./85% RH for 1000 hours, a scanning electron micrograph showing changes in the microstructure of the alloy, (a) is a Sn-9Zn solder alloy, (b ) Is a Sn-8Zn-3Bi solder alloy. 本発明の一実施例よってSn−ZnソルダーにAgの添加によるZnの酸化調節概念を概略的に示す図面で、(a)は通常のSn−Znソルダー合金で、(b)は本発明によってAgが添加されたSn−Znソルダー合金である。1A and 1B are diagrams schematically illustrating a concept of controlling oxidation of Zn by adding Ag to a Sn—Zn solder according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is an ordinary Sn—Zn solder alloy, and FIG. Is a Sn—Zn solder alloy to which is added. 本発明の一実施例によってAg−Zn合金を形成させた後、前記合金をSnと混合させたソルダー合金のXRD(X−ray diffraction)分析グラフである。3 is an XRD (X-ray diffusion) analysis graph of a solder alloy obtained by forming an Ag—Zn alloy according to an embodiment of the present invention and then mixing the alloy with Sn. 本発明の一実施例によるSn−Zn−Agソルダー合金において、Agの含量変化によるAg−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、(a)はSn−9Zn−1Agソルダー合金、(b)はSn−9Zn−2Agソルダー合金である。In the Sn-Zn-Ag solder alloy according to an embodiment of the present invention, a scanning electron micrograph showing changes in the gamma (γ) and epsilon (ε) phases, which are Ag-Zn alloy phases, due to a change in Ag content, (A) is a Sn-9Zn-1Ag solder alloy, and (b) is a Sn-9Zn-2Ag solder alloy. 本発明の一実施例によるSn−Zn−Agソルダー合金において、Agの含量変化によるAg−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、(c)はSn−9Zn−4Agソルダー合金、(d)はSn−9Zn−5Agソルダー合金である。In the Sn-Zn-Ag solder alloy according to an embodiment of the present invention, a scanning electron micrograph showing changes in the gamma (γ) and epsilon (ε) phases, which are Ag-Zn alloy phases, due to a change in Ag content, (C) is a Sn-9Zn-4Ag solder alloy, and (d) is a Sn-9Zn-5Ag solder alloy. 本発明の一実施例によるSn−9Zn−xAgソルダー合金と従来のSn−9Znソルダー合金及びSn−8Zn−3Biソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。3 is a graph showing mechanical properties of a Sn-9Zn-xAg solder alloy, a conventional Sn-9Zn solder alloy, and a Sn-8Zn-3Bi solder alloy according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例によるSn−9Zn−xAgソルダー合金と従来のSn−9Znソルダー合金及びSn−8Zn−3Biソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。3 is a graph showing mechanical properties of a Sn-9Zn-xAg solder alloy, a conventional Sn-9Zn solder alloy, and a Sn-8Zn-3Bi solder alloy according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例によるSn−9Zn−xAgソルダー合金において、Agの含量変化による耐酸性変化を示す前記合金の断面の走査電子燎微鏡写真で、(a)はSn−9Zn−1Agソルダー合金、(b)はSn−9Zn−2Agソルダー合金である。1 is a scanning electron micrograph of a cross section of the alloy showing an acid resistance change due to a change in Ag content in a Sn-9Zn-xAg solder alloy according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a Sn-9Zn-1Ag solder alloy. (B) is a Sn-9Zn-2Ag solder alloy. 本発明の一実施例によるSn−9Zn−xAgソルダー合金において、Agの含量変化による耐酸性変化を示す前記合金の断面の走査電子燎微鏡写真で、(c)はSn−9Zn−4Agソルダー合金、(d)はSn−9Zn−5Agソルダー合金である。FIG. 2 is a scanning electron micrograph of a cross section of the alloy showing an acid resistance change due to a change in Ag content in a Sn-9Zn-xAg solder alloy according to an embodiment of the present invention, wherein (c) is a Sn-9Zn-4Ag solder alloy. , (D) is a Sn-9Zn-5Ag solder alloy.

本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者がその自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されなければならない。よって、本明細書に記載された実施例の構成は本発明の好適な一例に過ぎないもので、本発明の技術的思想を全部表すものではないので、本出願の時点でこれらを取り替えることができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。   Prior to the detailed description of the invention, the terms and words used in the specification and claims should not be construed in a normal and lexicographic sense, and the inventor will best explain his invention. In order to explain, the terminology must be interpreted into meanings and concepts that meet the technical idea of the present invention in accordance with the principle that the concept of terms can be appropriately defined. Therefore, the configuration of the embodiment described in this specification is merely a preferred example of the present invention and does not represent the entire technical idea of the present invention. Therefore, these may be replaced at the time of the present application. It should be understood that there are various equivalents and variations that can be made.

以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者が本発明を容易に実施することができるように、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can easily carry out the present invention.

前述したように、これまでSn−Zn共晶合金に第3元素を添加してパッドとの湿潤性及び界面信頼性向上のための多くの先行研究を行っているが、耐酸性改善のための研究は非常に少ない。このために、本発明においては、既存のSn−Zn合金に第3元素としてAgを選択し、これを酸化しやすいZn金属と先に合金化させた後、Snと混合させることでソルダー合金の耐酸性を強化した。一方、本発明に使用された合金の組成に関する用語の表現方式において、その代表的な例を挙げて説明すれば、“Sn−9Zn”において9Znは9重量%のZnを意味し、よって、残りの成分はSn、つまり91重量%のSnを意味する。以下、合金の組成に対して同一表現方式で記述する。   As described above, a number of previous studies have been conducted to improve the wettability with the pad and the interface reliability by adding a third element to the Sn—Zn eutectic alloy. There is very little research. For this reason, in the present invention, Ag is selected as the third element in the existing Sn—Zn alloy, alloyed with Zn metal that is easily oxidized, and then mixed with Sn to mix the solder alloy. Strengthened acid resistance. On the other hand, in terms of expression of terms relating to the composition of the alloy used in the present invention, a typical example will be described. In “Sn-9Zn”, 9Zn means 9% by weight of Zn, and the rest This component means Sn, that is, 91% by weight of Sn. Hereinafter, the composition of the alloy is described in the same expression system.

図1はSn及びZnの組成比による一般的なSn−Zn相のダイアグラム、図2は一般的なSn−9Znソルダー合金の微細構造を示す走査電子燎微鏡写真である。図1を参照すれば、SnにZnを添加することにより、Sn−Zn合金の溶融温度が低くなることが分かる。特に、Znを約7〜10重量%の範囲で添加する場合、現在業界で使っている汎用の融点範囲(約206〜224℃)内の約199〜220℃の溶融温度範囲を維持することができる。よって、本発明においては、さらに他の金属成分であるAgが融点を上昇させるために、前記Znの使用量は7〜10重量%の範囲で使用する。   FIG. 1 is a diagram of a general Sn—Zn phase according to the composition ratio of Sn and Zn, and FIG. 2 is a scanning electron micrograph showing the microstructure of a general Sn-9Zn solder alloy. Referring to FIG. 1, it can be seen that adding Zn to Sn lowers the melting temperature of the Sn—Zn alloy. In particular, when Zn is added in a range of about 7 to 10% by weight, it is possible to maintain a melting temperature range of about 199 to 220 ° C. within a general melting point range (about 206 to 224 ° C.) currently used in the industry. it can. Therefore, in the present invention, Ag, which is another metal component, increases the melting point, so that the amount of Zn used is in the range of 7 to 10% by weight.

一方、図2を参照すれば、Sn−9Znソルダー合金は、合金後にも基地金属のSnに針状構造のZnが互いに独立して分散された形態で存在するため、酸素との反応性が高いZnが酸素と容易に反応して耐酸性が落ちるものである。このような従来のソルダー合金に対する耐酸性測定のために、Sn−9Znソルダー合金及びSn−8Zn−3Biソルダー合金を85℃/85%RHで1000時間露出させた後、その結果を図3に示した。図3を参照すれば、(a)Sn−9Znのソルダー合金、及び(b)Sn−8Zn−3Biのソルダー合金の両方でZnOが多量生成されることを確認することができる。   On the other hand, referring to FIG. 2, the Sn-9Zn solder alloy is highly reactive with oxygen because the needle-like Zn is dispersed independently of the base metal Sn after the alloy. Zn easily reacts with oxygen to reduce acid resistance. In order to measure the acid resistance of such a conventional solder alloy, the Sn-9Zn solder alloy and the Sn-8Zn-3Bi solder alloy were exposed at 85 ° C./85% RH for 1000 hours, and the results are shown in FIG. It was. Referring to FIG. 3, it can be confirmed that a large amount of ZnO is produced in both (a) the Sn-9Zn solder alloy and (b) the Sn-8Zn-3Bi solder alloy.

本発明によれば、第3の金属原素としてAgを添加することで、Znの合金化によって耐酸化性を向上させることができた。一般に、ソルダー合金の製造方法は、種々の金属組成を同時に溶融してよく混合させる方法を使うが、本発明では基地金属(Base metal)であるSnにAg−Zn合金を混合させることを特徴とする。   According to the present invention, by adding Ag as the third metal element, it was possible to improve the oxidation resistance by alloying with Zn. Generally, a solder alloy manufacturing method uses a method in which various metal compositions are simultaneously melted and mixed well, but the present invention is characterized in that an Ag-Zn alloy is mixed with Sn which is a base metal. To do.

従来のソルダー合金であるSnPb、及びSn−3Ag−0.5CなどにAg金属を添加すれば、Sn基地金属の合金相を形成するが、本発明では、Sn−Znソルダーにおいて酸化力の高いZn金属をAgと優先的に溶融させてZn金属を合金化させる。すなわち、低価のSn−9Zn共晶合金において、Znに1〜5重量%のAg金属を添加して一緒に溶融させることで、酸化しやすいZn金属を先に合金化させ、Snと混合させることで、酸化を抑制することができた。   If Ag metal is added to SnPb and Sn-3Ag-0.5C, which are conventional solder alloys, an alloy phase of Sn base metal is formed. In the present invention, Zn having high oxidizing power in Sn-Zn solder is used. The metal is preferentially melted with Ag to alloy the Zn metal. That is, in a low-valent Sn-9Zn eutectic alloy, Zn metal which is easy to oxidize is first alloyed and mixed with Sn by adding 1-5 wt% Ag metal to Zn and melting together. Thus, oxidation could be suppressed.

本発明において、Agの使用量は1.0〜5.0重量%の範囲であるが、1重量%未満であれば耐酸性及び軟性などの向上のような添加効果がほとんどなく、5.0重量%を超えれば合金の溶融点が上昇する欠点がある。同時に、前記Agの含量は現在業界で使っている汎用の範囲である約206〜224℃を満足させながら軟性及び耐酸性を最大限高めることができる範囲は4〜5重量%である。   In the present invention, the amount of Ag used is in the range of 1.0 to 5.0% by weight, but if it is less than 1% by weight, there is almost no additive effect such as improvement in acid resistance and softness. If it exceeds wt%, there is a drawback that the melting point of the alloy rises. At the same time, the content of the Ag is 4 to 5% by weight in order to maximize the softness and acid resistance while satisfying the general range of about 206 to 224 ° C. currently used in the industry.

ただ、本発明では、Zn及びAgを単にSnに添加して溶融させるものではなく、Zn及びAgを先に合金させ、これを合金ボール状に形成して使用する。前記合金ボールの直径は1〜20μmが好ましく、1μm未満であればボールが凝集する傾向があり、20μmを超えれば合金の軟性が低くなる傾向がある。このように形成されたZn−Ag合金ボールを溶融されたSnに添加して一緒に溶融させれば、前記ソルダー合金において、前記Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が10〜20体積%、好ましくは16〜20体積%である 鉛フリーはんだ合金を得ることができる。前記分率が10体積%未満であれば合金の耐酸性向上が低下し、20体積%を超えれば耐酸性は向上するが、合金の溶融温度が上昇する傾向がある。   However, in the present invention, Zn and Ag are not simply added to Sn and melted, but Zn and Ag are first alloyed and formed into an alloy ball shape. The diameter of the alloy ball is preferably 1 to 20 μm, and if it is less than 1 μm, the ball tends to aggregate, and if it exceeds 20 μm, the softness of the alloy tends to be low. If the Zn—Ag alloy balls formed in this way are added to molten Sn and melted together, in the solder alloy, gamma (γ) and epsilon (ε) phases that are the Ag—Zn alloy phases. A lead-free solder alloy having a fraction of 10 to 20% by volume, preferably 16 to 20% by volume, can be obtained. If the said fraction is less than 10 volume%, the acid-proof improvement of an alloy will fall, and if it exceeds 20 volume%, acid resistance will improve, but there exists a tendency for the melting temperature of an alloy to rise.

図4は本発明の一実施例よってSn−Znソルダーに対するAgの添加によるZnの酸化調節の概念を概略的に示す図、(a)は通常のSn−Znソルダー合金、(b)は本発明によってAgが添加されたSn−Znソルダー合金である。図4の(b)場合において、針状構造のZnがAgと結合して基地金属のSnによく分散されているものである。   FIG. 4 is a view schematically showing the concept of Zn oxidation control by adding Ag to Sn—Zn solder according to one embodiment of the present invention, (a) is a normal Sn—Zn solder alloy, and (b) is the present invention. Is a Sn—Zn solder alloy to which Ag is added. In the case of FIG. 4B, the needle-shaped structure Zn is bonded to Ag and is well dispersed in the base metal Sn.

本発明によれば、前記合金ボールは当業者によく知られたアトマイジングによって形成できる。本発明で説明するアトマイジングとは、溶融合金をポット(pot)に入れた後、水または水が混合された高圧ガスが噴霧される領域に前記合金を流すことで、前記合金が前記水またはガスの運動エネルギーを受けて幾多の微細液滴に分割されるようにし、前記分割された微細液滴が表面エネルギーによって球形になったものを水または空気で冷却させて固相の球形ボールを得る工程を言う。   According to the present invention, the alloy balls can be formed by atomizing well known to those skilled in the art. The atomizing described in the present invention means that after pouring a molten alloy into a pot, the alloy is caused to flow in a region where water or a high-pressure gas mixed with water is sprayed, so that the alloy In response to the kinetic energy of the gas, it is divided into a large number of fine droplets, and the divided fine droplets formed into a spherical shape by surface energy are cooled with water or air to obtain a solid-state spherical ball. Say the process.

本発明の好適な一実施例によれば、金属原材料を合金ボールに形成するために、まず原材料を準備した後、準備した原材料を高周波誘導炉で溶融させる。周知のように、高周波誘導炉は高周波電気炉ともいうもので、被加熱物を溶解室に入れ、溶解室に巻き付けられたコイルに流れる高周波電流の誘導によって被加熱物に電流が流れるようにして被加熱物を溶解させる装置である。   According to a preferred embodiment of the present invention, in order to form a metal raw material into an alloy ball, the raw material is first prepared, and then the prepared raw material is melted in a high frequency induction furnace. As is well known, a high-frequency induction furnace is also called a high-frequency electric furnace, in which an object to be heated is placed in a melting chamber, and an electric current flows through the object to be heated by induction of a high-frequency current flowing in a coil wound around the melting chamber. It is an apparatus that dissolves an object to be heated.

その後、高周波誘導炉を通過した材料を水アトマイジング装置で粉末に形成する。この際、噴射器から噴射される水の圧力は100〜200MPaの圧力を有することが好ましく、特に150MPaの圧力を有することが好ましい。水アトマイジング器を通過した材料は乾燥器で乾燥させ、乾燥された材料をメッシュ方式の分離器で分離する。これにより金属粉末がサイズ別に分類される。   Thereafter, the material that has passed through the high-frequency induction furnace is formed into powder with a water atomizing device. Under the present circumstances, it is preferable that the pressure of the water injected from an injector has a pressure of 100-200 MPa, and it is preferable to have a pressure of 150 MPa especially. The material that has passed through the water atomizer is dried with a dryer, and the dried material is separated with a mesh-type separator. Thereby, metal powder is classified according to size.

一方、本発明の 鉛フリーはんだ合金はソルダープリフォーム(preform)の製造に適用でき、前記ソルダープリフォームはソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子(granule)、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ(washer)、ソルダーリングまたはソルダーディスクのようなものがあるが、これらに制限されない。
このように、本発明は、Sn−Zn−Ag合金においてAg−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率を10〜20体積%に形成することが重要である。これは前記原料金属を単純に混合しては得ることができなく、先にAg−Zn合金ボールを形成し、これをSnと溶融混合することで得ることができる。このように製造された本発明の 鉛フリーはんだ合金は軟性及び耐酸性が大幅に改善される効果がある。
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、下記例に本発明の範疇が限定されるものではない。
On the other hand, the lead-free solder alloy of the present invention can be applied to the manufacture of a solder preform, and the solder preform is a solder paste, solder ball, solder bar, solder wire, solder bump, solder thin plate, solder powder, solder pellet. , Such as, but not limited to, solder particles, solder ribbons, solder washers, solder rings or solder disks.
Thus, in the present invention, it is important to form the fraction of gamma (γ) and epsilon (ε) phases, which are Ag—Zn alloy phases, in the Sn—Zn—Ag alloy to 10 to 20% by volume. This cannot be obtained by simply mixing the raw metal, but can be obtained by first forming an Ag—Zn alloy ball and melt-mixing it with Sn. The lead-free solder alloy of the present invention thus produced has the effect of greatly improving softness and acid resistance.
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, the category of this invention is not limited to the following example.

[実施例1]
まず、9Zn−1〜5Agソルダー合金ボールを製造した。黒鉛原子炉にZn、Agをそれぞれの含量で混合した後、Arガスを注入しながら約700℃の温度で30分間溶融させた。誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ9kW、500Torrにした。このように得た溶融合金をアトマイジング器で噴射して微細直径のボール状の金属粉末を得、これを篩(sieve)で漉すことで、前記合金ボールの直径が1〜20μmの範囲にある合金ボールを得た。
[Example 1]
First, 9Zn-1-5Ag solder alloy balls were manufactured. After mixing Zn and Ag in the graphite reactor in respective contents, they were melted at a temperature of about 700 ° C. for 30 minutes while injecting Ar gas. The induction furnace power and gas pressure conditions were 9 kW and 500 Torr, respectively. The molten alloy thus obtained is sprayed with an atomizing device to obtain a ball metal powder having a fine diameter, and this is sieved with a sieve so that the diameter of the alloy ball is in the range of 1 to 20 μm. An alloy ball was obtained.

これとは別に、Snを黒鉛原子炉に入れた後、Arガスを注入しながら約420℃の温度で30分間溶融させることで溶融Snを得た。この時の誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ9kW、500Torrにした。Snの含量は100重量%からAg及びZn含量の和を差し引いた残量を意味する。   Separately, after putting Sn into a graphite reactor, molten Sn was obtained by melting at a temperature of about 420 ° C. for 30 minutes while injecting Ar gas. The induction furnace power and gas pressure conditions at this time were 9 kW and 500 Torr, respectively. The Sn content means the remaining amount obtained by subtracting the sum of the Ag and Zn contents from 100% by weight.

一方、黒鉛原子炉に前記得たSnとZn−Ag合金ボールを入れた後、Arガスを注入しながら約300℃の温度で30分間溶融させた。この時の誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ9kW、500Torrにした。   On the other hand, the obtained Sn and Zn—Ag alloy balls were put in a graphite reactor, and then melted at a temperature of about 300 ° C. for 30 minutes while injecting Ar gas. The induction furnace power and gas pressure conditions at this time were 9 kW and 500 Torr, respectively.

このように得たソルダー合金に対し、Agの添加によるZnの合金化変化を調べるためにXRD分析を実施し、その結果を図5に示した。その結果、AgとZnを先に反応させてAg−Zn合金を形成させることで、Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)、エプシロン(ε)相が約10%生成されることを確認した。   The solder alloy thus obtained was subjected to XRD analysis in order to investigate the alloying change of Zn due to the addition of Ag, and the results are shown in FIG. As a result, it was confirmed that approximately 10% of the gamma (γ) and epsilon (ε) phases, which are Ag—Zn alloy phases, were formed by forming Ag—Zn alloy by reacting Ag and Zn first. .

前述したように、Ag添加量が増加するにつれて合金の融点は次第に上昇させる効果があるが、Agを5重量%まで添加しても本発明による合金の融点範囲は現在業界で使っている汎用の範囲を持っている(206〜224℃)。これを下記の表1に示した。   As described above, the melting point of the alloy gradually increases as the amount of Ag added increases. However, even if Ag is added up to 5% by weight, the melting point range of the alloy according to the present invention is generally used in the industry. It has a range (206-224 ° C). This is shown in Table 1 below.

Figure 2013107132
Figure 2013107132

また、本発明の合金の組職学的特性を調べるために、SEM写真を観察し、その結果を図6に示した。図6を参照すれば、9ZnにAgの添加量が増加するにつれてZn元素がAgと反応する量が増えることを確認した。反対に、耐酸化性を阻害することができる全体Zn相は次第に減少する傾向を示し、図6bの(d)のSn−9Zn−5Ag組成ではZn相はほとんど観察されなかった。全体的にAg−Zn合金相(γ、ε)の分率は10〜20体積%を有することが確認された。   Further, in order to examine the compositional characteristics of the alloy of the present invention, SEM photographs were observed, and the results are shown in FIG. Referring to FIG. 6, it was confirmed that the amount of Zn reacting with Ag increases as the amount of Ag added to 9Zn increases. On the contrary, the total Zn phase that can inhibit the oxidation resistance tended to decrease gradually, and almost no Zn phase was observed in the Sn-9Zn-5Ag composition of FIG. Overall, it was confirmed that the fraction of the Ag—Zn alloy phase (γ, ε) has 10 to 20% by volume.

図7は本発明のSn−9Zn−xAgソルダー合金と従来のSn−9Znソルダー合金及びSn−8Zn−3Biソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。図7aから分かるように、最大引張強度はAg含有量が増加するにつれて増加する傾向を示し、4wt%からはSn−9Znと同等な最大引張強度値を示している。一方、図7bから分かるように、軟性の面ではAg添加が増加するにつれて軟性が増加する傾向を示している。   FIG. 7 is a graph showing mechanical properties of the Sn-9Zn-xAg solder alloy of the present invention, the conventional Sn-9Zn solder alloy, and the Sn-8Zn-3Bi solder alloy. As can be seen from FIG. 7a, the maximum tensile strength tends to increase as the Ag content increases, and the maximum tensile strength value equivalent to Sn-9Zn is shown from 4 wt%. On the other hand, as can be seen from FIG. 7b, the softness shows a tendency for the softness to increase as the Ag addition increases.

同時に、前記実施例1の合金に対する耐酸性の特性を調べるために、高温及び高湿テスト(85℃/85%RHで1000時間)を遂行した結果、全般的にSn−9Znに比べて優れた耐酸化特性を示す。図8aの(a)のSn−9Zn−2Ag組成の場合、少しの内部酸化が発生したが、残り合金組成では内部浸透酸化は発生しなかった。   At the same time, as a result of performing a high temperature and high humidity test (1000 hours at 85 ° C./85% RH) in order to investigate the acid resistance characteristics of the alloy of Example 1, it was generally superior to Sn-9Zn. Shows oxidation resistance. In the case of the Sn-9Zn-2Ag composition of FIG. 8a (a), a little internal oxidation occurred, but no internal permeation oxidation occurred in the remaining alloy composition.

このように、本発明による 鉛フリーはんだ合金は全体的に現在使われているリフロープロファイル(reflow profile)に対応可能な範囲の融点を有し、Sn−9Zn合金に比べ、同等あるいはそれよりすぐれた強度及び軟性の特性を示し、Sn−9Zn合金に比べてすぐれた耐酸化性特性を示す。   As described above, the lead-free solder alloy according to the present invention generally has a melting point in a range corresponding to the reflow profile currently used, and is equal to or better than the Sn-9Zn alloy. It exhibits strength and softness properties and superior oxidation resistance properties compared to Sn-9Zn alloys.

本発明は、既存のSn−Zn合金に最適の第3元素の添加及び最適組成によって酸化しやすいZn金属をAgと先に合金化させた後、Snと混合させることで、ソルダーの耐酸性及び軟性を強化する 鉛フリーはんだ合金及びその製造方法に適用可能である。   According to the present invention, the addition of the third element optimum to the existing Sn—Zn alloy and the Zn metal that is easily oxidized by the optimum composition are first alloyed with Ag, and then mixed with Sn, whereby the acid resistance of the solder and It can be applied to lead-free solder alloys that reinforce softness and their manufacturing methods.

Claims (12)

1.0〜5.0重量%のAg、7〜10重量%のZn、及び残りのSnでなる合金であって、Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が10〜20体積%であることを特徴とする、鉛フリーはんだ合金。   An alloy composed of 1.0 to 5.0% by weight of Ag, 7 to 10% by weight of Zn, and the remaining Sn, and is a component of the gamma (γ) and epsilon (ε) phases that are Ag-Zn alloy phases. Lead-free solder alloy, characterized in that the rate is 10-20% by volume. 前記Agの含量が4〜5重量%であることを特徴とする、請求項1に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 1, wherein the Ag content is 4 to 5 wt%. 前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム(preform)の製造に適用されることを特徴とする、請求項1に記載の 鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 1, wherein the lead-free solder alloy is applied to manufacture of a solder preform. 前記ソルダープリフォームが、ソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子(granule)、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ(washer)、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項3に記載の鉛フリーはんだ合金。   The solder preform includes solder paste, solder ball, solder bar, solder wire, solder bump, solder thin plate, solder powder, solder pellet, solder particle (granule), solder ribbon, solder washer, solder ring and solder disk. The lead-free solder alloy according to claim 3, wherein the lead-free solder alloy is selected from the group consisting of: 前記Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が16〜20体積%であることを特徴とする、請求項1に記載の鉛フリーはんだ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 1, wherein a fraction of gamma (γ) and epsilon (ε) phases, which are the Ag—Zn alloy phases, is 16 to 20% by volume. 1.0〜5.0重量%のAgと7〜10重量%のZnを溶融させて合金ボールを形成させる段階;
残りのSnを溶融させて溶融Snを提供する段階;及び
前記溶融されたSnにAg−Znの合金ボールを添加して溶融させてソルダー合金を形成させる段階;を含み、
ここで、前記ソルダー合金において、Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が5〜20体積%であることを特徴とする、鉛フリーはんだ合金の製造方法。
Melting 1.0 to 5.0 wt% Ag and 7 to 10 wt% Zn to form alloy balls;
Melting the remaining Sn to provide molten Sn; and adding an Ag-Zn alloy ball to the molten Sn to form a solder alloy; and
Here, in the solder alloy, the fraction of gamma (γ) and epsilon (ε) phases which are Ag—Zn alloy phases is 5 to 20% by volume, and the method for producing a lead-free solder alloy.
前記Agの含量が4〜5重量%であることを特徴とする、請求項6に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。   The method for producing a lead-free solder alloy according to claim 6, wherein the Ag content is 4 to 5% by weight. 前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム(preform)の製造に適用されることを特徴とする、請求項6に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。   The method of manufacturing a lead-free solder alloy according to claim 6, wherein the lead-free solder alloy is applied to manufacture of a solder preform. 前記ソルダープリフォームがソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子(granule)、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ(washer)、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項8に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。   The solder preform is composed of solder paste, solder ball, solder bar, solder wire, solder bump, solder thin plate, solder powder, solder pellet, solder particle (granule), solder ribbon, solder washer, solder ring and solder disk. The method for producing a lead-free solder alloy according to claim 8, wherein the lead-free solder alloy is selected from the group consisting of: 前記合金ボールの直径が1〜20μmであることを特徴とする、請求項6に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。   The method for producing a lead-free solder alloy according to claim 6, wherein a diameter of the alloy ball is 1 to 20 μm. 前記合金ボールはアトマイジングによって形成されることを特徴とする、請求項6に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。   The method for producing a lead-free solder alloy according to claim 6, wherein the alloy balls are formed by atomizing. 前記ソルダー合金において、前記Ag−Zn合金相であるガンマ(γ)及びエプシロン(ε)相の分率が16〜20体積%であることを特徴とする、請求項6に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。   The lead-free solder alloy according to claim 6, wherein a fraction of gamma (γ) and epsilon (ε) phases as the Ag-Zn alloy phase in the solder alloy is 16 to 20% by volume. Manufacturing method.
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