KR100272682B1 - 납땜 방법 - Google Patents

Abstract

주석(Sn)계 땜납 합금을 사용하여 구리(Cu) 기판상에 전자 부품을 납땜하는 납땜 방법이 개시되어 있다. 본 방법은 Sn 땜납 합금을 피착하기 전에 얇은 아연(Zn)층을 피착함으로써 Cu 기판을 전처리하는 단계를 포함한다. 본 방법에 따르면, 땜납 합금의 기계적 전기적 특성을 크게 개선하는 한편, 주석-비스무트(Sn-Bi)와 같은 납(Pb)을 함유하지 않는 합금을 사용할 수 있게 된다.

Description

납땜 방법

본 발명은 구리 기판상에 전자 부품을 납땜하는 방법에 관한 것이며, 또한 회로 보드 및 상기 회로 보드를 제조하는 방법에 관한 것이다.

주석계 땜납 합금(tin base solder alloys)은 전자 응용 분야, 특히 인쇄 회로 보드(Pointed circuit board)의 제조에 통상적으로 사용되어, 이러한 보드상에 부품을 기계적 전기적으로 접속하여 조립할 수 있도록 해준다. 이러한 주석계 땜납 합금은, 집적 회로 칩을 칩 캐리어(chip carriers) 및 기판에 결합시키고, 칩 캐리어를 기판에 결합시키며, 다층 인쇄 회로 보드의 회로화 영역(circuitization lands)과 패드(pads)를 결합시키는데 유응하다.

초소형 전자 패키지의 제조시, 예를 들어 납땜 접속을 이용하여 표면 장착을 행함으로써 인쇄 회로 보드 등에 부품을 부착시키는 것이 일반적이다. 이러한 목적을 위하여, 이 인쇄 회로 보드는 접속용 제1 표면을 구성하는 패드를 포함하는 회로 트레이스(circuit trace)를 특징부로 갖추고 있으며, 마찬가지로 인쇄 회로 보드에 부착된 부품은 예를 들어 접점(contact)과 같은 제2 표면을 포함하고 있다.

접속 방법은 Cu 기판, 통상적으로 인쇄 회로 보드에 포함되는 패드상에 땜납합금을 가하는 단계를 포함한다.

보드와 결합되는 전자 부품은 땜납층과 접촉하게 된다. 엄납 합금은 가열되어 용융 및 리플로(reflow)되며 , 기상 리플로(vapor phase reflow), 적외선 리플로(infrared ref1ow), 레이저 리플로(laser reflow)등에 의하여 가열이 이루어질 수 있다. 냉각시, 땜납 합금은 재응고되고 표면에 부착되어 접속을 완성시킨다. 납땜 접속은 부품을 보드에 물리적으로 부착시킬 뿐만 아니라, 보드상의 트레이스 및 부품의 접점을 전기적으로 접속시켜 전류를 처리용 부품에 흐르도록 한다.

주석-납(Sn-Pb) 합금이 대부분의 전자적 납땜을 행하는데 사용되었다. 이러한 합금은 기계적 강도, 비교적 저렴한 가격, 전기 전도성 및 우수한 습윤(wetting) 특성으로 인하여 선택되었으며 ; 습윤성(wettability)은 용융된 땜납이 고체 표면을 얼마나 완벽하고 신속하게 덮을 수 있는가를 나타내는 것이다. 그리고, Sn-Pb 합금은 낮은 온도에서 용융되는데, 많은 부품 및 인쇄 회로 보드가 제조 또는 조립시 고온에 노출됨으로써 쉽게 손상되는 재료를 사용하므로 이렇게 낮은 온도에서 용융된다는 점은 전자 응용 제품에서 중요하다.

그러나, 납은 건강에 유해하며 근로자 및 환경에 유독한 것으로 인식되어 왔다. 이에 따라 정부는, 최근 전자 산업체의 근로자가 납에 노출되는 것을 방지하고 환경에 반환되는 납 폐기물의 양을 감소시키기 위하여 납 대체물을 개발할 것을 전자 산업체에 요청하기 시작했다.

땜납 합금에 납이 존재하는 것은 최신의 C-MOS를 제조하는 것과 같은 응용의 경우 특히 치명적이며, 사실 이러한 종류의 인쇄 회로 보드에서는 그 세부가 대단히 얇으므로, 납에 존재하는 방사성 동위 원소로부터 방출되는 α 입자는 이러한 장치에 심각한 문제를 야기할 수 있다.

주석-비스무트(Sn-Bi) 땜납 합금이 Sn-Pb 땜납 합금의 대체물로서 연구되었다. 다른 전해물, 특히 알킬 술폰산염 전해조로부터의 이러한 Sn-Bi 합금의 전착방법은, 와이. 엔. 사다나, 알. 엔. 제다이, 에스. 알리에 의해 Surf & Coat. Tech 제27권, 151-166쪽, (1986)에 개시된 바와 같이 본 분야에 공지되어 있다. 알킬 술폰산염 전해물로 PCB상에 Sn-Bi 합금을 전착하는 기술은 US-B-5,039,576호에도 개시되어 있다.

초소형 전자 응용 제품을 위한 또 다른 납 미함유 땜납 합금이 EP-A94108684.5호에 개시되어 있다. 이 문헌에는 90 중량 퍼센트 이상의 주석(Sn), 및 실효량의 은(Ag)과 비스무트(Bi)를 함유하고 안티몬(Sb) 또는 Sb와 구리(Cu)를 선택적으로 함유하는 땜납 합금이 개시되어 있다. 또한, 이 문헌에는 전착(electrodeposition) 기술을 포함하는, 개시된 합금을 얻기 위한 여러가지 방법들이 언급되어 있다.

그러나, 종래의 납이 없는 땜납 합금은 몇 가지 문제점을 야기시킨다. 이들은 작은 필(peel) 강도 및 낮은 크리프(creep) 내성(resistance)의 열악한 납땜 및 야금 특성을 나타낸다. 특히, 이들은 초소형 전자 패키지에서 통상적으로 접하는 온도에서 열악한 기계적 특성을 나타내었다.

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하는 기술을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 주석(Sn) 땜납 합금을 사용하여 구리(Cu) 기판상에 전자 부품을 납땜하는 방법이 제공되는데, 이 방법은

- Cu 기판상에 아연(Zn)층을 피착하는 단계; 및

- Zn 층상에 Sn 땜납 합금을 피착하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 땜납 합금은 납(Pb)을 함유하지 않은, 예를 들어 주석-비스무트(Sn-Bi) 합금이다.

구리 기판의 전처리(pretreatment)는 주석계 땜납 합금의 특성을 실질적으로 향상시킨다는 점은 널리 인식되어 있다.

통상, Zn은 아주 적은 비율(0.3%이면 충분함)이라도 Sn 합금에 존재하면 납땜 처리에 해로운 영향을 주는 것으로 알려져 있다. Zn은 산소와의 반응성이 매우 좋고, 리플로시(during reflow) 전자 부품의 핀과 땜납 합금간의 접속을 손상시키며 땜납 합착(solder coalescence)을 방해하는 Zn 산화물을 발생시키기 때문에, 합금의 습윤성이 저하되는 결과를 초래한다.

그러나, 만일 땜납 합금을 피착하기 전에 Cu 기판상에 얇은 Zn층이 피착되면, 리플로시 산소와 접촉하지 않게 되어 산화되지 않는다. 대단히 얇은 Zn층은 그 보다 수 백배 더 두꺼운 땜납층의 기계적 전기적 특성을 현저히 향상시킬 수 있다. 실험 결과에 따르면, 0.5% 이하의 두께를 가진 Zn 층은 50 - 100μ 두께의 땜납층에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다. 본 명세서에 개시되는 바람직한 실시예에서는 Zn 층의 두께는 0.1μ 이하이다.

이러한 효과는 Cu 기판의 표면 근처에 형성되는 3원 합금(ternary alloy)인 CuZnSn에 주로 기인하는 것 같다. 열역학적 작용을 연구해 보면, Cu 원자에 대한 Sn 및 Zn의 친화도(attractive interaction)는 그들의 상호 척력(mutual repulsion)에 의하여 증가되고, 가전자대에 영향을 미치며, 일어날 수 있는 궤도 혼성(orbital hybridization)에 의하여, 3원 합금의 안정성을 증진시킴을 알 수 있다. 페르미 에너지 준위에서의 상태수의 증가는 계면 전기적 특성이 증진될 수 있음을 설명할 수 있다.

본 발명에 따라 Cu 기판을 Zn 전처리 하는데 따른 다른 중요한 효과는 코팅의 노화 작용에 관한 것이다. 인공 노화 실험에 따르면, 본 발명의 방법으로 얻어진 3원 합금인 CuZnSn은 피착 균일성이 높기 때문에 Pb를 함유하지 않는 기타의 땜납을 사용하는 납땜 방법에 비하여 우수한 작용을 나타내었다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, Cu 기판상에 Zn 층을 피착하는 것은 전착(electrodeposition) 공정에 의하여 수행된다. 그러나, Zn층을 피착하는 기타의 방법으로서, 화학 기상 증착(CVD) 또는 스퍼터링 공정과 같은 방법이 사용될 수 있다.

Cu 기판은 전해조(bath)에 함침되며, 적절한 역 전극(suitable counter electrode)(애노드)으로부터 이격되어 있다. 전류는 애노드에 인가되어 전해조의 염 (이 경우에는 Zn)을 그들 각각의 금속으로 환원시키며, 이에 의해 보드상에 원하는 땜납 합금을 피착한다. 전도성 기판을 충분한 시간 동안 함침 상태로 유지하여 기판상에 소정의 두께와 성분을 갖는 땜납 합금 코팅을 피착한다. 그 후, 기판을 전기 도금조(electroplating bath)로부터 꺼낸다. 도금된 전도성 기판은 그 후 가능한 신속하게 충분히 세정되어 오염을 최소화한다.

전착은 산성 또는 알칼리성 전해물을 사용하여 행해질 수 있다. 산성 전해물은 다음의 성분을 가질 수 있다.

다른 방법으로서, 알칼리성 Zn-Fe 조(bath)가 Zn층 적층용 전해물로서 사용될 수 있다. 이 알칼리성 Zn-Fe 조는 다음의 특성을 가질 수 있다.

그 후, Sn-Bi 땜납 합금이 Zn층상에 적층된다. 다시, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전착 공정에 의하여 피착을 수행하지만, 다른 방법을 사용할 수도 있다.

Sn-Bi 합금은 전해물로서 다음과 같은 성분 및 조작 조건의 메탄-술폰산염 전해조를 사용하여 전착될 수 있다.

50분간의 피착을 수행하여 약 42%의 Sn 및 58%의 Bi를 함유하는 균일하고 공융성인 조성물(uniform and near eutectic composition)로 된 50 - 100 micron 범위의 층을 얻을 수 있다. 공융 합금(eutectic alloy)은 모든 성분들의 액체 및 고체선(liquid and solid lines)이 만나는 공융점에 의하여 특정되며, 공융점으로부터의 각 방향의 농도 변화는 액체 온도의 상승을 야기한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 땜납 합금은 PCB의 부품을 손상시키거나 보드의 전도 특성을 해치는 것을 방지할 만큼 충분히 낮은 용융 온도를 가진다.

상술된 바람직한 실시예에 따라, Cu 기판상에 Zn층 및 땜납 합금을 피착하였다. 물론, 전자 부품의 접점이 Cu 표면을 제공하는 경우, 기판과 결합되는 부품상에 Zn층 및 땜납 합금을 피착하는 것도 동일하게 행해진다.

본 발명의 방법은 보드상에 부품을 조립하는 초소형 전자 응용 분야를 비롯하여, 일반적으로 전자 모듈을 제조하는데에 유용하다. 그러나, 전자 부품이 Cu 기판과 결합되어야 하는 경우에도 사용될 수 있다. 본 방법은 현재의 납땜 방법 및 재료를 바꾸지 않고도 이들과 병행하여 사용이 가능하며, 리플로 온도(reflow temperatures), 화학 처리제 또는 장치를 변화시키지 않고도, 전자 조립용으로 가장 널리 보급되어 있는 납을 함유한 땜납을 이용한 납땜 방법 대신에 이용될 수 있다.

Claims (9)

1. 주석(Sn) 땜납 합금을 사용하여 구리(Cu) 기판상에 전자 부품을 납땜하는 방법에 있어서, Cu 기판을 제공하는 단계; - 상기 Cu 기판상에 얇은 아연(Zn)층을 전착하는 단계; - 상기 Zn층상에 납(Pb)을 함유하지 않는 Sn 땜납 합금을 전착하는 단계; - 상기 Sn 땜납 합금상에 전기 부품을 위치시키는 단계; 및 - 상기 Sn 땜납 합금을 리플로우(reflow)시켜, 상기 전자 부품을 상기 Cu 기판 상에 물리적 및 전기적으로 접속시키는 단계를 포함하는 납땜 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 Pb를 함유하지 않는 Sn 땜납 합금은 주석 메탄 술폰산염(stannous methane sulphonate), 비스무트 메탄 술폰산염(bismuth methane sulphonate) 및 메탄 술폰산(methane sulfonic acid)을 포함하는 전해조 성분(bath composition)을 이용하여 피착 시간동안 전착된 주석-비스무트(Sn-Bi) 합금이고, 상기 전해조 성분은,

   

   를 포함하고, 20℃ 내지 40℃의 동작 온도를 가지며, 상기 전해조 성분을 이용하는 상기 피착 시간은 50분인 납땜 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 Zn층의 전착은 알칼리성 Zn-Fe 또는 산성 전착 전해조를 사용하여 수행되는 납땜 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 얇은 Zn층은 0.1μ 미만의 두께로 전착되는 납땜 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 전해조 성분으로부터 형성된 상기 Sn-Bi 땜납 합금은 42%의 Sn과 58%의 Bi를 포함하는 납땜 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 Sn 땜납 합금은 상기 얇은 Zn층의 100배까지의 두께로 피착되는 납땜 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 Sn 땜납 합금은 상기 얇은 Zn층의 100 내지 200배의 두께로 도금되는 납땜 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 얇은 Zn층은,

   

   를 포함하는 성분 및 전해조 성분 온도를 갖는 전해조로부터 피착 시간동안 전착되고, 상기 전해조 성분 온도는 실온이고, 상기 피착 시간은 10초 내지 1분인 납땜 방법.
9. 제1항에 있어서 상기 얇은 아연층은,

   

   를 포함하는 성분 및 전해조 성분 온도를 갖는 전해조로부터 피착 시간동안 전착되고, 상기 전해조 성분 온도는 35℃이고, 상기 피착 시간은 30초 내지 5분인 납땜 방법.