KR100255251B1

KR100255251B1 - 유기기판 상에 전자부품을 접속하기 위해 사용된 무연땜납 및 그것을 사용해서 제조한 전자제품

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Publication number: KR100255251B1
Application number: KR1019950034598A
Authority: KR
Inventors: 데쯔야 나가쯔까; 다사오 소가; 하나에 시모까와; 겐이찌 야마모또; 마사히데 하라다; 유지 오찌아이; 쯔네아끼 가메이
Original assignee: 가나이 쓰도무; 가부시키가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 1994-10-11
Filing date: 1995-10-10
Publication date: 2000-05-01
Also published as: CN1067929C; US5942185A; KR960016660A; JPH08164495A; JP3232963B2; CN1132673A; TW360578B

Abstract

유기기판 상에 LSI, 부품 등을 접속하기 위해 납땜 온도 220~230℃로 사용된 종래의 Pb-Sn 공정땜납에 대한 대체물로써 사용가능하고, 150℃의 고온에서도 기계적 강도에 있어서 충분한 신뢰성을 갖는 Pb가 없는 땜납 및 그것을 사용해서 제조한 전자제품에 관한 것으로서, Cu 도선과 Sn계 땜납으로 도금된 단자부분에 충분한 습윤성이 보장되고, 230℃ 이하로 저성능의 플럭스를 사용해서 플로우 또는 리플로를 실행할 수 있는 방식으로 Pb이 없고 Pb-Sn 공정땜납의 대체물로써 땜납을 사용해서 유리 에폭시 기판 등의 종래의 유기기판에 LSI, 부품 등의 전자부품을 고신뢰성으로 탑재하기 위해, 3-5％의 Zn, 10-23％의 Bi, 나머지가 Sn인 것을 포함하는 무연땜납을 마련하고, 이 무연땜납을 사용해서 유기기판에 전자부품을 탑재하는 것에 의해 전자제품을 제조한다.

이것에 의해, Sn-Zn-Bi 땜납을 Pb와는 다르게 환경에 해롭지 않고, 자원이 고갈되지 않고 낮은 비용으로 마련할 수 있다.

Description

유기기판 상에 전자부품을 접속하기 위해 사용된 무연땜납 및 그것을 사용해서 제조한 전자제품

제1도는 땜납의 용융점의 결정을 위해 사용되는 DSC 곡선.

제2도는 Sn-Zn-Bi 땜납의 액상온도를 도시한 공지된 상태도.

제3도는 3-5wt％의 Zn 및 10-25wt%의 Bi를 포함하는 Sn-Zn-Bi 땜납의 액상온도를 도시한 상태도.

제4도는 고상온도 및 3-5wt％의 Zn 및 10-25wt％의 Bi를 포함하는 Sn-Zn-Bi 땜납의 액상온도와 고상온도 사이의 온도차를 도시한 상태도.

제5도는 액상온도와 Bi의 함유량 사이의 관계 및 Zn의 함유량이 3wt％, 4wt％, 5wt％로 변화된 Sn-Zn-Bi 땜납에 있어서의 고상온도와 Bi의 함유량 사이의 관계를 도시한 그래프.

제6도는 Zn과 Bi의 함유량의 액상온도와 고상온도의 의존성을 도시한 그래프.

본 발명은 유기기판 상에 LSI, 리이드를 갖는 전자부품 등을 접속하기 위해 납땜 온도 220-230℃에서 사용된 종래의 Pb-Sn 공정(共晶)땜납에 대한 대체물로써 사용가능하고, 150℃의 고온에서도 기계적 강도에 있어서 충분한 신뢰성을 갖는 Pb(납)가 없는 땜납(무연땜납) 및 그것을 사용해서 제조한 전자제품에 관한 것이다.

프린트회로기판에 일반적으로 사용되는 대부분의 기판은 유리섬유 에폭시(이하, “유리 에폭시”라 한다)로 이루어져 있다. 리플로로(reflowing furnace)를 사용하는 경우, 유리 에폭시 기판의 최대 내열온도는 220~230℃이다. 기판 상에 리이드를 갖는 전자부품을 접속하기 위해 사용된 땜납은 Pb-63％Sn 공정땜납(용융점 : 183℃) 또는 이와 비슷한 공정 조성을 갖는 땜납이다. 이들 땜납의 용융점이 약 183℃이므로, 범용 유리 에폭시 기판의 내열온도(230℃) 보다 낮은 온도로 충분한 접속을 실행할 수 있다. 또, 고온에서의 기계적 강도의 신뢰성에 있어서, 최대 150℃까지 기계적 강도를 보장할 수 있다.

최근, 미국에서 전자부품에 사용된 프린트회로기판을 비바람에 노출시키고 땜납에 함유된 납(Pb)이 산과 쉽게 반응하고(산성비에 의해 촉진됨) 지하수에 용해되어 식수로 사용하면 인체에 악영향을 끼칠 수 있다고 보고되었다. 이러한 환경 하에서, Pb합금에 대체될 Pb가 없는 납땜 합금으로써, Sn, Zn, Bi 등의 합금이 환경에 영향을 거의 미치지 않고, 인체에도 독성이 적고, 자원고갈 문제도 적으며, 비용문제도 적은 적당한 합금으로 알려져 실제로 재료로써 사용되어 왔다. 2성분 땜납으로써, Sn-3.5％ Ag(용융점 : 221℃) 및 Sn-5％ Sb(용융점 : 240℃)이 실제로 Pb가 없는 땜납으로써 이미 사용되어 왔다. 그러나, 이들은 용융점이 너무 높아서 유리 에폭시 기판에 납땜하는데 사용될 수 없었다. Sn-9％ Zn(용융점 199℃의 공정)은 용융점이 낮지만, 표면이 산화에 매우 민감하고 Cu 또는 Ni의 습윤성에 있어서 Sn-Ag 및 Sn-Sb 합금에 비해 상당히 열등하다. 또, 220~230℃에서 일반적으로 사용되는 유리 에폭시 기판에 전자부품을 리플로할 수 있을 정도로 용융점이 낮은 것은 아니다. 실험 결과, 납땜 온도가 땜납의 용융점 보다 30-50℃ 더 높다고 알려져 있다. 예를 들면, Pb-63％Sn 공정납땜(용융점 : 183℃)의 경우, 로(furnace)에서의 표준 최대 리플로온도는 220℃이다. 용융점과 납땜온도 사이의 차이는 37℃이다. 단시간에 실행되는 웨이브 납땜의 경우, 표준 최대 온도는 235℃이다. 온도차이는 52℃이다. 습윤성이 낮으면, 이 온도차는 커진다. Sn-9％Zn 땜납이 사용되는 경우, 일반적으로 사용되는 로진플럭스(염소 함유량 : 0.2％)를 사용해도 230℃의 리플로온도에서는 거의 적셔지지 않는다는 것을 알 수 있다.

또, Sn-Bi계 땜납(대표적 조성 : Sn-58％ Bi ; , 용융점 : 138℃) 및 Sn-In계 땜납(대표적 조성 : Sn-52％ In ; , 용융점 : 117℃)이 있지만, 이들 땜납의 150℃에서의 고온 강도는 보장될 수 없다. 따라서, 이들 조성이 Pb-63％ Sn 공정땜납을 대체한다고 할 수 없고, 요구 사항을 만족시키는 새로운 조합의 새로운 납땜물질의 개발이 요구되어 왔다.

주성분으로서 Sn-Zn-Bi를 함유하는 3성분의 땜납이 용융점면에서 바람직하다. 이 Sn-Zn-Bi은 JP 57-11793(A) 및 59-189096(A)에 기재되어 있다.

JP 57-11793(A)는 5-10％의 Zn, 8-13％의 Bi, 나머지 Sn인 것을 포함하고, 내식성이 우수한 Al의 저용융점 땜납을 제안하고 있다. 이들은 저온에서 강도를 향상시키기 위한 땜납으로서, Cu도선을 갖는 프린트회로기판에 접속하기 위한 것은 아니다. 또, 그들이 Zn을 5％ 이상 포함하고 강한 산화막을 형성하도록 강력하게 산화되기 때문에, 산화막이 전자부품의 접속에 일반적으로 사용되는 저활성 플럭스(로진형)로 저감될 수 없다. 따라서, 유기산 또는 무기 또는 강한 활성제를 포함하는 플럭스를 사용해야 한다. 전자부품을 접속하기 위해 고성능 플럭스를 사용하면 남아 있는 플럭스에 의해 부식이 발생할 수 있다. 예를 들면, 커넥터 핀의 접속을 위해, 커넥터 내부로 유입되는 플럭스는 세정에 의해 제거될 수 없고, 잔류물로 남아 있어 도체부분에 부식이 발생하게 된다. 따라서, 패키지로써 염소를 0.2％까지 포함하는 플럭스를 일반적으로 사용해 왔다. 고성능의 플럭스를 사용하면, 세정후에도 남아 있는 플럭스로 인한 부식, 마이그레이션발생 및 전기적 절연특성의 저하 등의 문제점이 있어 현재는 그러한 플럭스를 사용하지 않는다.

JP 59-189096(A)에는 5-15％의 Zn, 3-20％의 Bi, 나머지가 Sn인 것을 포함하고, 와이어 접속시 강도를 향상시키는 땜납 합금이 제안되어 있다. 예로 사용된 합금은 높은 용융점을 갖고, 유리 에폭시 기판이 견딜 수 있는 230℃ 이하에서 리플로를 실행할 수 있는 땜납 조성을 갖는다고 할 수 있다. 또, Zn을 5％이상 포함하고 상당한 산화과정을 거쳐서 강한 산화막을 형성하므로, 전자부품의 접속에 일반적으로 사용되는 저성능 플럭스(로진형)로 산화막을 감소시킬 수 없다. 따라서, 고성능의 플럭스를 사용해야 한다. 그러나, 전자부품을 접속하기 위해 고성능의 플럭스를 사용하면, 남아있는 플럭스에 의한 부식, 전기적 절연특성의 저하 등의 문제가 발생하므로, 그러한 플럭스를 사용할 수 없다.

본 발명의 목적은 Cu도체와 Sn계 땜납으로 도금된 단자 부분에 충분한 습윤성을 보장할 수 있고, 230℃ 이하에서 저성능의 플럭스를 사용해서 플로우 또는 리플로를 실행할 수 있는 방식으로 Pb를 사용하지 않고 Pb-Sn 공정땜납의 대체물로써 땜납을 사용하는 유리 에폭시 기판 등의 종래의 유리기판에 LSI, 리이드를 갖는 부품 등의 전자부품을 고신뢰성으로 탑재하는 것이다. 따라서, 제1의 과제는 고상(高相)온도가 160℃이상, 바람직하게는 170℃ 이상(150℃의 고온에서의 사용을 견뎌야 함)이고, 액상(液相)온도가 195℃ 이하, 바람직하게는 190℃ 이하(액상 온도가 이 온도 보다 높으면, 납땜 온도가 상승해서 기판과 부품에 열적 영향을 준다)인 용융점을 갖는 땜납을 제공하는 것이다. 단자의 금속화에 의해 어느 정도는 습윤성을 보장할 수 있지만, 초당 땜납 특성에 따른 습윤성의 저하를 막기 위해서 재료의 습윤성이 열등한 Zn의 함유량을 최소로 유지해야 한다. 그러나, Zn을 첨가하지 않으면, 액상온도가 크게 저하되지 않으므로, 습윤성에 있어서 균형을 유지해서 조성을 결정해야 한다. 9％의 Zn이 Sn에 첨가되면, 최소 액상온도는 199℃이다. 상술한 바와 같이, 이 경우, 용융점은 여전히 높고, 습윤성은 매우 나쁘다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는 환경으로의 영향이 적고, 독성이 적으며, 자원고갈의 문제점이 없고, 용융점이 저하되며, 습윤성을 보장할 수 있는 Sn-Zn-Bi의 3성분 시스템을 포함하는 Pb가 없는 합금에 대한 실험을 실시했다. 3성분의 땜납의 상태도에 대한 상세한 것은 알 수 없고, 제2도에 도시한 바와 같이 용융점(액상온도)의 개요만 알 수 있다. 따라서, 용융점(고상온도, 액상온도)과 조성 사이의 관계, 조성과 습윤성, 물성 및 기계적 특성의 관계를 명확하게 할 필요가 있었다. 본 발명에 따라 유기기판에 접속하기 위한 땜납은 3-5％의 Zn, 10-23％의 Bi, 나머지가 Sn으로 이루어지는 Sn-Zn-Bi계 합금을 포함하고 습윤성과 기계적 특성을 향상시키기 위해, In, Ag, Sb 및 Cu 중 적어도 하나를 선택적으로 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무연땜납은 리이드를 갖는 전자부품, 그 위에 동배선이 형성된 유기기판 및 상기 전자부품의 리이드와 상기 유기기판상의 상기 동배선을 접속하는 땜납을 구비한 전자제품에 적용가능하다.

이하, 상술한 바와 같이 땜납의 조성을 제한하는 이유를 설명한다.

Zn의 함유량이 3％ 이하인 경우에는 액상 온도가 높으므로 230℃ 이하에서는 접속을 실행하는 것이 어렵다. 5％ 이상인 경우에는 땜납의 표면이 강하게 산화되므로, 전자부품을 납땜하기 위해 일반적으로 사용되는 플럭스를 사용한 것에서는 습윤성을 보장할 수 없다. 따라서, 본 발명자는 용융점을 저감할 수 있고, 환경문제, 자원, 실용성 및 비용에 있어서 만족스러운 제3의 요소로써 Bi를 첨가하는 것에 의해 용융점을 목표 온도범위에 가깝게 하려고 시도해 왔다. Sn-Zn의 2성분의 공정선에 있어서, Bi가 11-23％의 범위에 있는 경우, Zn은 4-5％의 범위에 있다. 2성분의 공정선(共晶線)에서 벗어나는 것은 액상과 고상의 큰 온도차를 나타내고, 이것은 접속을 위해 바람직한 상태가 아니다. Zn의 함유량이 3-5％의 범위에 있는 경우, 납땜은 Zn을 산화하는 것에 의해 그리 크게 영향을 받지 않고, 습윤성은 어느 정도 보장할 수 있다. 또, 전자부품이 유기기판에 탑재될 수 있는 용융점과 습윤성을 갖는 조성을 발견할 수 있다.

Bi의 함유량이 10％ 이하인 경우, 액상온도가 200℃ 이상이므로, 220-230℃에서 접속을 실행하는 것은 어렵다. Bi의 함유량이 23％ 이상인 경우, 고상온도는 150℃에 가깝게 낮아지고, 초당 땜납은 연성(延性)을 상실한다. 따라서, 고온에서 최소한의 신뢰성을 보장하기 어렵고, 기계적 특성도 저하된다. 땜납이 -55~150℃에서 가속화된 열사이클시험을 견딜 수 있도록 하기 위해서는 적어도 160℃의 고상온도가 필요하다.

액상온도를 190℃(190℃이하)로 하면 195℃(190℃이상 195℃이하)인 것에 비해 보다 저온에서 전자부품 등을 실장할 수 있다. 보다 저온에서 실장할 수 있으면, 전자부품에 대한 내열신뢰성의 기준이 낮아짐과 동시에 실장시의 불량을 저감할 수 있게 된다.

한편, 고상온도를 165℃(165℃이상)으로 하면 160℃(160℃이상 165℃미만)인 것에 비해 전자부품 등을 사용했을 때 발생하는 내열성이 우수하게 되고 사용할 때의 불량을 저감할 수 있다. 또, 액상온도와 고상온도의 차를 작게 하는 것에 의해 땜납이 응고할 때 생기는 현상(땜납의 응고시 표면에 구멍이나 도랑이 형성되는 현상)을 억제할 수 있으므로, 그것에 의한 불량도 저감할 수 있다.

따라서, 액상온도 190℃, 고상온도 165℃인 것은 액상온도 195℃, 고상온도 160℃인 것보다 신뢰성이 향상되게 된다.

이하, 실시예에 따라 본 발명을 더 상세히 설명한다.

표 1은 본 발명에 따라 조사된 Sn-Zn-Bi 땜납 조성의 고상온도와 액상온도를 나타낸 것이다. 2℃/min의 가열레이트로 DSC를 사용해서 용융점(액상온도, 고상온도)을 측정한다. 액상온도와 고상온도는 얻어진 DSC곡선의 정점에서 고온부와 저온부 쪽으로 그려진 접선이 제1도에 도시한 바와 같이 곡선의 평탄부의 연장선과 각각 교차하는 점의 온도이다.

[표 1]

제2도는 Sn-Zn-Bi 3성분 땜납의 공지된 상태도이다.[국제정수표, 2(1927), 418]. 용융점(액상온도)의 전체의 대강의 분포는 알 수 있지만, 상세한 분포와 명확한 온도는 현재 알 수 없다. 즉, 액상온도와 고상온도 사이의 관계가 명확하지 않다. 따라서, 필요한 용융점 영역으로 제한된 조성의 액상온도와 고상온도를 조사하고, 그 결과를 제3도 및 제4도에 도시한다. 제3도는 제2도의 범위를 확대해서 표 1의 액상 온도를 도시한 것이다. Bi 함유량이 11-23％의 범위일 때, Sn-Zn계의 2성분의 밸리(valley)(흐름은 굵은 점선으로 나타냄)가 Zn 함유량 4-5％의 범위를 통과한다는 것을 열분석 곡선에서 알 수 있다. Bi 함유량의 하한에 있어서는 10％ 이하일때 2성분 밸리의 액상온도가 195℃ 이상이고 유리 에폭시기판 상에서의 납땜이 어려우므로, 10％를 하한으로 한다. 제4도는 제3도와 동일한 조성의 표 1의 고상온도를 나타낸 것이다. 제4도에서의 괄호 안의 값은 액상온도(제3도)와 고상온도 사이의 온도차를 나타낸 것이다. 일반적으로, 온도차가 작은 것이 납땜에 바람직하다고 고려된다. 고상온도는 Bi 함유량이 작은 범위에서 바람직한 범위 내에 있지만, Bi 함유량이 23％ 이상인 경우에는 160℃ 이하라는 것을 알아내었다. 또, Bi 함유량이 24％ 이상이면 고상 온도가 130℃ 가까이로 저하되는 점이 있다는 것을 알아내었다. 이것은 Bi함유량이 24％ 이상인 경우에 용융점이 낮은 Sn-Zn-Bi 3성분의 공정 조성에 가까운 조성을 갖는 상태로 되기 때문이라고 생각된다. 따라서, Bi 함유량의 상한은 23％로 결정된다. 제2도, 제3도 및 제4도에서 알 수 있는 바와 같이, Zn 함유량의 변화에 의한 용융점의 변화가 현저하고, Zn 함유량이 3％ 이하일 때, Bi 함유량이 더 작은 범위(16％ 이하)에서의 액상온도가 200℃를 초과한다. 또, Zn 함유량이 3％ 이하인 경우, 액상온도와 고상온도 사이의 차이는 Bi의 함유량(제4도)에 관계없이 증가하고, 이것은 접속의 관점에서 바람직하지 않다. Zn 함유량이 3％일 때, Bi 함유량이 25％ 이하인 경우에도 액상온도가 187℃ 이하이고 용융점이 187℃ 이하이어야 하므로, Zn 함유량이 3％ 이상인 조건이 필요하게 된다. 한편, Zn 함유량이 5％ 이상일 때, 액상온도와 고상온도 사이의 차이가 증가하고, 이것은 접속의 관점에서 바람직하다. 그러나, Zn의 산화는 현저하게 되어 습윤성을 저하시키고, 납땜은 전자부품의 접속에 대해 실용적이지 않다. 또, 용융점의 관점에서, Zn 함유량이 5％ 이상일때 용융점이 2성분이 하한을 초과하므로, 액상온도는 상승중이고, 조성은 Zn을 3-5％ 포함하는 땜납보다 우수하다고 할 수 없다. 또, Cu의 합금층이 크게 신장해서 부서지기 쉬우므로, Zn의 함유량이 5％ 이하인 것이 바람직하다. 따라서, Zn 함유량의 바람직한 범위는 3~5％이다. 그러나, Zn의 함유량이 5％인 경우, 산화막이 형성되는 경향이 있어 바람직하지 않다. 용융점과 납땜 조건의 관점에서 조사한 결과는 상기와 같고, 습윤성의 관점에서 조사한 결과 습윤성도 산화의 정도에 따라 증가한다는 것을 알아내었다. 즉, Zn의 함유량의 증가와 함께 습윤성도 증가한다. 따라서, 습윤성에 있어서, Zn의 함유량이 적은 것이 바람직하다.

제5도는 세로축을 온도로 하고 가로축을 Bi 함유량(wt％)으로 해서 액상온도와 고상온도 사이의 관계를 도시한 그래프이다. 일반적으로, 액상온도와 고상온도 사이의 차이는 가능한한 작은 것이 바람직하다. 최대 납땜온도가 220~230℃로 결정되어 있으므로, 액상온도와 고상온도 사이의 차이가 감소함에 따라 고온에서의 최소한의 신뢰성이 증가한다. 제5도로부터 Zn 함유량이 3, 4, 5％인 경우의 액상온도와 고상온도 사이의 관계를 알 수 있다. 고상온도는 Bi 함유량이 23％에 가까워질 때까지는 Zn 함유량에 그다지 의존하지 않고, Bi 함유량이 증가함에 따라 고상온도가 저하한다는 것을 알 수 있다. 그러나, Bi 함유량이 23％를 초과할 때 고상온도가 갑자기 저하되는 경향이 있다. Zn 함유량이 3-5％의 범위인 경우, 고상온도가 160℃ 보다 낮지 않은 Bi 함유량은 23％ 이하의 범위로 된다. Bi 함유량이 증가함에 따라 액상온도는 감소하지만, Zn 함유량에 크게 의존하고, Zn 함유량이 3, 4, 5％로 증가함에 따라 액상온도는 저하되고, 액상온도와 고상온도 사이의 차이가 증가한다. 제5도에는 도시하지 않았지만, 2성분의 공정선의 직서부분이 Zn 함유량 4％와 5％ 사이를 통과하는 것이 열적분석에 의해 명확하게 되므로, Zn 함유량이 4％와 5％ 사이의 값(5％에 가깝게)일때, 액상 온도는 Zn 함유량이 3, 4, 5％일때 보다 낮아지고, 또 액상온도와 고상온도의 차이느 더욱 감소해서 접속의 관점에서 바람직한 조건이 된다. Zn 함유량이 작은 경우 결합력은 감소하지만, 실제로 전자부품의 결합의 신뢰성에 있어서는 강도의 향상이 반드시 필요한 것은 아니다[이에 대해서는 예를 들어 프린트회로 협회의 간행물 Vol. 7, No. 2(1992), 소가의 “Reliability of Soldered Joint”를 참조]. Sn-Zn-Bi계 땜납은 일반적으로 고온에서의 고강도(크리프(creep) 내성 등), 우수한 내열피로성, 우수한 편형성의 특성을 갖는다. 따라서, 표1의 No. 1, 10, 17, 25의 땜납은 본 발명의 범위를 벗어난다.

다음에, 프린트회로기판의 Cu단자의 땜납의 습윤성을 최대 220℃의 리플로 온도에서 평가했다. 사용된 플럭스는 0.2％의 염소를 함유하는 로진계이었다. 습윤성은 Zn의 함유량이 증가함에 따라 감소한는 것을 알 수 있었다. 마찬가지로, Bi 함유량의 습윤성에 대한 영향은 Bi 함유량의 증가와 함께 습윤성이 감소하는 것으로 평가되었지만, Zn 함유량의 변화에 있어서는 반드시 그러한 것은 아니었다. 따라서, 습윤성은 Zn함유량에 크게 의존하고, 접속하기 위해 필요한 습윤성은 5％ 이하의 Zn 함유량으로 얻을 수 있다는 결과가 얻어진다.

제6도에 있어서, Zn 함유량을 가로축으로 하고, Bi함유량을 세로축으로 하고, 액상(195℃ (a), 190℃ (b), 185℃ (c))과 고상(160℃ (d), 165℃ (e), 170℃ (f))은 파라미터이다. 이것은 액상온도와 고상온도의 등온선이 교차하는 특수한 경우로 고려된다. 교차점의 조성에서의 액상온도와 고상온도는 상단과 하단에 각각 도시된다. 220℃에서 납땜을 실행하므로, 액상온도는 최고 195℃로 해야 한다. 150℃의 고온에서 신뢰성을 보장하기 위해서는 고상온도를 최저 160℃로 해야한다. Zn 함유량이 큰 경우에는 습윤성이 저하되고, 산화가 강하게 발생한다. 따라서, Zn함유량은 5％ 이하이다. Bi 함유량이 23％ 이상이면, 135℃의 저온에서 새로운 고상이 나타나고 또 땜납이 부서져 신장을 저하시켜 접합에 그러한 땜납은 바람직하지 않다. 따라서, 상기한 함유량을 포함하는 A(85, 5, 10), B(72, 5, 23), C(76, 3, 21)로 둘러싸인 조성범위는 더 바람직한 범위로 결정된다.

AB(Zn : 5％)로 둘러싸인 영역, 액상(a) 및 고상(f)는 5％ 이하의 Zn 함유량의 범위에서 195℃ 이하의 액상온도와 160℃ 이상의 고상온도를 만족하는 조성을 제공한다. AB로 둘러싸인 영역, 액상(b) 및 고상(e)는 5％ 이하의 Zn 함유량의 범위에서 190℃ 이하의 액상온도와 165℃ 이상의 고상온도를 만족하는 조성을 제공한다. 마찬가지로, AB로 둘러싸인 영역, 액상(c) 및 고상(e)은 5％ 이하의 Zn 함유량의 범위에서 185℃ 이하의 액상온도와 165℃ 이상의 고상온도를 만족하는 조성을 제공한다. 이들 조성 중, 4.5Zn-76.5Sn-19Bi의 조성은 Bi 함유량이 적고 약 185℃의 액상온도와 165℃ 이상의 고상온도를 갖는 조성으로 고려할 수 있다. 습윤성과 강도에 대해서 이 조성을 평가하였다.

10㎛ 두께의 Sn 도금을 유리 에폭시 기판의 Cu패드에 실시하는 것에 의해 샘플을 마련한다. 상기와 같은 조성을 갖는 땜납은 약 50㎛의 직경의 볼에 형성된 후 페이스트되었다. 페이스트내의 고성능 플럭스를 사용해서 프린트하는 것에 의해 약 180㎛의 두께로 패드에 페이스트가 인가되었다. 거기에 QFP-LSI(피치 0.5㎜)를 탑재했다. LSI의 42합금 납에 8㎛의 Sn 도금을 실시했다. 230℃로 리플로와 습식 땜납 스프레드를 실행하는 것에 의해 Sn의 표면상의 산화막이 플럭스내의 염소에 의해 감소된다. Sn도금 대신 Sn-Bi 도금이 인가되면, 용융점은 낮아지고, 습식성과 스프레드는 촉진될 수 있다. 도금의 두께가 10㎛ 이하이므로, 전체 조성을 변화시키는 것에 의해 용융점은 거의 영향을 받지 않는다. 또, Cu패드와 42합금 납에 얇은 Ni-Au 도금을 실시한 경우, 표면이 쉽게 산화되지 않으므로, 땜납의 표면상에서 산화막을 분해하기만 하면 습석성과 스프레드가 우수한 구성을 얻을 수 있다.

76.5Sn-4.5Zn-19Bi의 조성(액상 온도 185℃, 고상 온도 165℃)을 갖는 땜납의 페이스트를 위한 볼(평균 직경 50㎛)에 2㎛의 Sn 도금(또는 Sn-Bi 도금)을 실시했다. 그러한 표면 처리를 실행하는 것에 의해, 내부의 땜납은 납땜하기 직전에 165℃에서 용융되기 시작하고, Sn도금은 내부의 땜납에 용해되기 시작한다. 185℃에서 땜납은 용융되고, 표면 Sn(또는 Sn-Bi)은 땜납으로 완전히 용해되며, 동시에 인접한 땜납볼도 용융된다. 이 때 Zn의 성분도 표면 상에 나타나지만, N₂분위기 때문에 Zn은 산화되지 않아 기판 패드와 플럭스의 단자부분상의 습윤성을 보장할 수 있다. 기판패드와 단자부분상의 Sn도금의 SnO₂막은 플럭스내의 염소에 의해 감소되고, 230℃의 최고 온도에서 리플로를 실행할 수 있었다. 기판과 단자부분상의 Sn의 양이 페이스트 내의 땜납에 비해 더 작으므로, Sn 함유량은 1％만 증가했다. 따라서, 최종 땜납 조성의 용융점은 페이스트 땜납과 거의 동일했다. 한편, 본 발명에서의 조성의 비교적 높은 액상온도와 고상온도를 갖는 84Sn-5Zn-11Bi 땜납에 3％의 In을 부가해서 액상온도와 고상온도를 저하시키고, 페이스트를 마련하기 위해 이것을 사용했다. In을 첨가하는 것에 의해 습윤성과 재료의 기계적 특성을 향상시켰다. In을 대량 첨가하면 부식되기 쉬워져 비용이 증가하게 된다. 따라서, In은 반드시 필요한 최소한의 량으로 첨가되었다.

다음에, Zn의 땜납의 표면 산화를 방지하기 위해, 평균 직경이 50㎛이고 2-5㎛의 두께로 Sn에 의해 도금된 땜납볼이 마련되어 페이스트된다. 플럭스는 0.2％의 염소를 포함하는 로진계이었다. 표면 Sn도금은 N₂분위기의 리플로 로내의 고상 온도를 초과하는 170℃에서 내부의 땜납에 용융되기 시작했고, 185℃에서 완전히 혼합되었다. Zn의 성분은 표면상에도 노출되었지만, N₂분위기로 인해 산화되지 않았고 최근 230℃에서 Cu단자과 단자부분상에서 땜납이 쉽게 적셔지고 스프레드된다는 것을 확인하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 Sn-Zn-Bi 땜납은 Pb와는 다르게 환경에 해롭지 않고, 자원이 고갈되지 않고 낮은 비용으로 마련될 수 있고, 종래에 사용한 것과 동일한 리플로 장치에 의해 종래의 Pb-Sn 공정땜납과 동일한 리플로 온도에서 종래에 사용한 유리 에폭시 기판상에 전자부품 등을 접속할 수 있다. 본 발명의 땜납은 고강도를 갖고, 특히 고온에서의 강도와 크리프강도가 우수하다. 또한, 접합부분으로써는 종래의 Pb-Sn 공정땜납과 동일한 열적피로강도를 갖는다.

상기 설명에서는 유리 에폭시 기판이 주로 사용되었지만, 본 발명은 유리 폴리이미드 기판, BT (유리섬유계 비스말레이미드 트리아진)기판 및 세라믹 기판 등의 다른 내열성 기판에서 적용할 수 있다. 또, 플로우 납땜에 있어서, 내열성이 낮은 페이퍼에폭시 기판, 페이퍼페놀 기판, 합성물 기판 등이 사용될 수도 있다.

Claims

유기기판 상에 전자부품을 접속하기 위한 무연땜납으로써, 3％이상이고 5％미만의 Zn, 10~23％ Bi, 나머지가 Sn으로 이루어지고, 액상온도가 195℃이하이고 고상온도가 160℃이상인 것을 특징으로 하는 무연땜납.
제1항에 있어서, 상기 땜납은 페이스트형인 것을 특징으로 하는 무연땜납.
유기기판 상에 전자부품을 접속하기 위한 무연땜납으로써, 등변삼각형의 정점에 각각 순수한 Sn, 순수한 Zn, 순수한 Bi를 배치하는 삼각좌표도의 A와 B, B와 C, C와 A를 각각 연결하는 선으로 둘러싸인 영역에서의 조성(Sn, Zn, Bi)으로 이루어지고, 여기에서 A, B, C는 각각 (85, 5, 10), (72, 5, 23), (76, 3, 21)이고, Zn이 5인 조성을 제외하고, 액상온도가 195℃이하이고 고상온도가 160℃ 이상인 것을 특징으로 하는 무연땜납.
제3항에 있어서, 상기 땜납은 페이스트형인 것을 특징으로 하는 무연땜납.
3％이상이고 5％미만의 Zn, 10~23％의 Bi, 나머지가 Sn으로 이루어지고, 액상온도가 195℃이하이고 고상온도가 160℃이상인 무연땜납을 사용해서 유기기판에 전자부품을 탑재하는 것에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 전자제품.
등변삼각형의 정점에 각각 순수한 Sn, 순수한 Zn, 순수한 Bi를 배치하는 삼각좌표도의 A와 B, B와 C, C와 A를 각각 연결하는 선으로 둘러싸인 영역에서의 조성(Sn, Zn, Bi)으로 이루어지고, 여기에서 A, B, C는 각각 (85, 5, 10), (72, 5, 23), (76, 3, 21)이고, Zn이 5인 조성을 제외하고, 액상온도가 195℃이하이고 고상온도가 160℃이상인 무연땜납을 사용해서 유기기판상에 전자부품을 탑재하는 것에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 전자제품.
제1항에 있어서, 상기 액상온도가 190℃이하이고, 상기 고상온도가 165℃이상인 것을 특징으로 하는 무연땜납.
제1항에 있어서, Sn, Zn, Bi만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연땜납.
제5항에 있어서, 상기 액상온도가 190℃이하이고, 상기 고상온도가 165℃이상인 것을 특징으로 하는 전자제품.
제5항에 있어서, 상기 무연땜납은 Sn, Zn, Bi만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자제품.
제5항에 있어서, 상기 유기기판은 유리에폭시기판, 페이퍼에폭시기판, 페이퍼페놀기판, 유리폴리이미드기판, 세라믹기판 및 유리섬유계 비스말레이미드 트리아진으로 이루어지는 군중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전자제품.
리이드를 갖는 전자부품, 그 위에 동배선이 형성된 유기기판 및 상기 전자부품의 리이드와 상기 유기기판상의 상기 동배선을 접속하는 땜납을 구비한 전자제품으로서, 상기 땜납은 3％이상이고 5％미만의 Zn, 10~23％의 Bi, 나머지가 Sn으로 이루어지고 또한 액상온도가 195℃이하이고 고상온도가 160℃이상이며 유기기판 상에 전자부품을 접속하기 위한 무연땜납인 것을 특징으로 하는 전자제품.