KR100346606B1

KR100346606B1 - 필수적으로납(Pb)을함유하지않은땜납조성물을포함하는제품

Info

Publication number: KR100346606B1
Application number: KR1019940009210A
Authority: KR
Inventors: 호소우첸; 진성호; 마크토마스맥코맥
Original assignee: 에이티 앤드 티 코포레이션
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 2002-12-11
Also published as: EP0622151A1; JP3221640B2; DE69423255T2; JPH06344181A; TW251249B; DE69423255D1; EP0622151B1; US5538686A

Abstract

본 발명은 Sn-In-Zn 시스템(전형적으로, 86:5:9중량%)을 주성분으로 하는 납이 없는 땜납 합금을 개시하고 있다. 조성물은 183℃±10℃ 범위의 융점을 가질 수 있어 통상적인 40 Pb/60 Sn 땜납을 대체할 수 있다. 또한 신규한 조성물은 40/60 Pb-Sn 조성물에 비해 보다 우수한 기계적 성질을 가질 수 있으며, 쉽게 구리를 습윤시킬 수 있다.

Description

필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품

본 발명은 납(Pb)이 없는 땜납 및 상기 땜납을 포함하는 제품에 관한 것이다.

땜납 결합은 전자 소자의 상호접속 및 팩키징(packaging)과 같은 많은 산업 공정에서 중요한 단계이다. 가장 널리 사용되고 있는 땜납은 유사한 공융 Pb-60중량%Sn 합금이다. 그러나, 납의 독성 때문에, 현재 납이 없는 대체 땜납 조성물에 상당한 관심을 갖고 있다. 이러한 조성물 일부가 공지되어 있다(예를들어 더블유. 비. 햄프셔(W. B. Hampshire)의 문헌[Electronic materials handbook Vol. 1, Packaging, ASM International, Metal Park, OH, 1989, p. 623]을 참조하시오).

그러나, 공지된 납이 없는 땜납 조성물의 융점은 표준 Pb-Sn 땜납의 융점과 상당히 달라, 예를들어 전자 팩키지에서 거의 사용되지 않고 있다. 전자 팩키지에서, 다양한 레벨의 팩키지를 상이한 융점을 가진 상이한 땜납으로 다양한 양의 팩키지를 납땜하는 것이 통상적이며, 땜납은 각각의 후속적인 레벨의 납땜이 미리 납땜된 레벨을 불리하게 녹이지 않도록 선택해야 한다. 따라서, 대체할 땜납의 융점과 거의 다른 융점을 가진 대체 땜납을 사용하면 팩키지 작업의 재설계를 필요로 하고(매우 비용이 많이 드는 제안) 또한 제조 순서, 효율 및/또는 수율에 문제점이 생길 수 있다. Pb-계 땜납을 사용하지 않으려는 이유를 고려하여, 표준 40/60 Pb-Sn 땜납의 융점과 유사한 융점(예: ± 10° 이내)을 가지며, 표준 Pb-계 땜납의 대체 땜납으로서 적합한 기타 특성(예: 강도, 습윤성, 크리이프 내성)을 가진, 납이 없는 땜납 조성물을 사용하는 것이 매우 바람직하다. 본 출원은 이러한 조성물을 개시하고 있다.

광범위한 태양에서, 본 발명은 통상적인 공융 또는 근사-공융 Pb-Sn 땜납의융점과 유사한 융점의 ± 10℃ 이내의 융점을 가진 필수적으로 납이 없는 땜납 조성물을 포함하는 제품을 구체화한 것이다. 본원에서, "융점"이란 용어는 액상선 온도를 뜻한다.

더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 납이 없는 조성물은 Sn (70 중량% 이상, 전형적으로는 80 중량%이상), Zn(6 내지 10 중량%) 및 소정량의 In을 포함한다. In의 포함량에 기인하여, 조성물은 인듐(In)이 없는 것을 제외하고는 동일한 조성물의 융점보다 5℃ 이상 낮은 융점을 갖는다. In의 포함량은 일반적으로 땜납 조성물의 약 3 내지 10중량%이다. In의 포함량은 땜납 조성물의 융점이 40/60 Pb-Sn 땜납의 융점(약 183℃)의 ± 10℃ 이내가 되도록 한다. 조성물의 나머지 부분중 주성분은 Sn 이다. 본 발명에 따른 조성물은 0 내지 10중량%(바람직하게는 5 중량% 이하)의 Bi 및 0 내지 5 중량% (바람직하게는 3 중량% 이하)의 Sb 를 함유한다.

본 발명에 따른 조성물은 바람직한 융점을 가질 수 있을 뿐만 아니라 매우 놀라울 정도로 양호한 습윤성 뿐만 아니라 높은 강도(실온 극한 인장 강도(ultimate tensile strength; UTS) 및/또는 실온 0.2% 옵셋 항복 강도(yield strength, YS)) 및 크리이프 내성을 가질 수도 있다. 보다 구체적으로, 바람직한 조성물은 40/60 Pb-Sn 보다 10% 이상 높은 UTS 및/또는 YS, 및 40/60 Pb-Sn 보다 100% 이상 높은 크리이프 내성을 가지며, 40/60 Pb-Sn 에 필적할만한 습윤성을 갖는다.

Bi 를 첨가하면 특정 합금 조성물에 따라 융점이 다소 낮아지는 반면에, Sb를 가하면 융점에 거의 영향을 주지 않거나 또는 융점이 다소 상승한다. 그러나,Bi 및/또는 Sb 를 첨가하면 다시정의된 합금 미세구조물이 얻어지며, 바람직하지 못한 보다 낮은 융점상이 형성되려는 경향이 줄어들 수 있음을 알아냈다.

임의로, 본 발명에 따른 합금은 여러 목적, 예를들면 땜납 강도를 증가시키거나 또는 특정표면에 대한 습윤 특성을 개선시키기 위해 첨가한 미량(전형적으로는 총 10중량% 이하)의 Ag, Au 또는 Cu 와 같은 원소를 포함할 수도 있다. 이러한 선택적인 구성성분들 각각의 바람직한 양은 0 내지 5 중량%, 바람직하게는 2 중량% 이하이다. 또한 본 기술분야에 숙련된 자에게 일반적으로 알려진 바와같이 미량의 기타 원소들을 여러가지 이유로 사용할 수 있다. 존재하는 선택적인 원소들의 전체량은 전형적으로 15 중량% 이하일 것이다.

본 발명에 따른 조성물을 많은 공지된 기술에 의해 제조할 수 있다. 예시적인 기술은 바람직하게는 불활성 대기중에서, 원소 또는 부분적으로 합금된 금속 혼합물의 용융, 전기도금, 무전해도금 및 전기영동과 같은 전기화학 공정에 의해 얇거나 또는 두꺼운 막의 전착, 화학증착, 증발 및 스퍼터링(sputtering)이다.

본 발명에 따른 조성물을 임의의 적당한 방법에 의해 와이어, 리본, 바(bar) 또는 예비성형체 형태의 제품으로 형상화할 수 있다. 또한 이들을 분말 형태로 땜납 페이스트 또는 크림내에 혼입시킬 수 있다. 본 발명에 따른 땜납을 침지 납땜 또는 레이저 납땜과 같은 공지된 기술을 이용하는 제조방법에 사용할 수 있다(예를들면, 회로기판이 장착된 표면 또는 장치하부에 결합된 레이저 칩 땜납). 달리, 땜납 페이스트의 재유동성 납땜 또는 부착되고 패턴화된 땜납 층을 또한 사용할 수 있다.

제조능력 향상 차원에서, 땜납이 약 2 초이내에 적당한 표면(예: 구리)을 습윤시키는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 바람직한 조성물은 이러한 능력을 갖고 있다.

불활성(예: N2) 또는 환원성(예: 기체 형성) 대기를 사용하거나 또는 오일(예: 프로필렌 글리콜) 블랭킷하에서 납땜함으로써 습윤공정을 일반적으로 개선시킬 수 있다.

실시예

실시예 1

Pb-60중량%Sn 이성분 합금은 고순도의 원소 Pb 및 Sn 으로 제조하였다. 상기 합금은 아르곤 대기하에 14mm의 내경을 가진 수정관 내에서 용융시키고, 8 시간동안 800℃로 유지시키고 연소로- 냉각시켰다. 생성된 주괴는 3.7mm 직경으로 형을 뜨고, 아르곤 대기중 300℃ 에서 5 분 동안 4 mm 내경의 수정관내에서 재용융시킨 후 실온으로 냉각시켰다. 이렇게 생성된 막대를 0.5in 의 게이지 길이 및 0.120in 게이지 직경을 가진 인장 시험편으로 가공하였다. 실온에서 1.67x10^-3sec^-1의 변형율로 인장시험을 하였다. 0.2% 편심 항복 간도(YS)는 약 4500psi 이었고, 극한 인장 강도(UTS)는 약 5000psi 이었다. 합금의 융점은 약 183℃ 이었다. Sn-9 중량% Zn-5중량%In 3성분 합금의 인장 시험편을 제조하여 상기 기재된 바와 거의 동일한 방식으로 시험하였다. 결과는 다음과 같다: YS는 약 8000 psi 이고, UTS는 약 9000psi 이고, 융점은 약 188℃ 이었다. 융점이 더욱 낮은 바람직하지 못한 상은검출가능한 양이 없었다.

실시예 2

실시예 1 에 기재된 바와 거의 동일한 방식으로 제조한 Sn-9중량% Zn-10.0중량%In 3성분 합금 시험편은 약 178℃ 의 융점을 갖는다.

실시예 1 및 실시예 2의 합금 조성물을, 1000 psi 압축부하 하에, 100℃에서 크리이프 시험을 하였다 제 1 도는 이러한 시험의 전형적인 결과를 나타내며, 수치(10) 및 (11)은 각각 실시예 1 및 2의 본 발명에 따른 조성물을 뜻하고, 수치(12)는 선행기술의 Pb-Sn 조성물을 뜻한다. 크리이프 내성은 뚜렷이 개선되었다.

제 2 도는 상업적으로 구입 가능한(런던 케미칼 캄파니, 일리노이즈 60106 벤센빌) 중성 유기산 플럭스(NF3000)를 사용하여 공기중 245℃ 에서 수득한, 구리에 대한 습윤력의 예시적인 데이타를 나타낸 것이다. 상기 데이타는 일반적으로 습윤 밸런스 시험으로서 지칭되는 표준 시험에 의해 수득하였다. 예를들어 문헌["A Scientific Guide to Surface Mount Technology", C. Lea, Electrochemical Publications, Ltd., (1988), pp. 353-361]을 참조하시오. 제 2 도에서, 참고 수치(20) 및 (21)은 각각 선행기술의 91/9중량%Sn-Zn 공융 합금 및 실시예 1 의 본 발명 조성물을 나타내며, 수치(22)는 선행 기술의 Pb-Sn 조성물을 나타낸다. 제 2 도로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물은 선행기술의 Pb-Sn 조성물과 실질적으로 동일하게 양호하고 선행 기술의 Sn-Zn 조성물보다는 실질적으로 더욱 우수하게 구리를 습윤시킨다. 보다 구체적으로, 바람직한 조성물은 2 초 이내에 최대 습윤력에 이르고, 최대 습윤력은 동일한 조건(불활성 또는 환원성 대기 및 통상적인 저고형 플럭스를 사용하거나 오일에 침지시킨다)에서 40/60 Pb-Sn 땜납의 최대 습윤력의 50% 이상이다.

제 1 도는 샘플 Pb-60%Sn, Sn-5%In-9%Zn 및 Sn-10%In-9%Zn 의 크리이프 변형율을 각각 비교한 것이고,

제 2 도는 습윤 밸런스 시험에 의해 측정한 납땜능 데이타를 나타낸 것이다.

Claims

(i) 6 내지 10중량%의 아연(Zn); (ii) 3 내지 10중량%의 인듐 (In); (iii) 10중량% 이하의 비스무쓰(Bi) 및 5중량% 이하의 안티몬(Sb)중 어느 하나 또는 둘 다; 및 (iv) 나머지 양의 주석(Sn)을 포함하고, 상기 인듐(In)의 양은 땜납 조성물의 융점이 183℃ ± 10℃가 되도록 선택된, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 1 항에 있어서,

상기 조성물이 Bi 또는 Sb을 함유하지 않은 것을 제외하고는 동일한 조성물과 비교해 볼 때 더욱 낮은 온도상을 형성하는 경향이 감소된, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 2 항에 있어서,

상기 조성물이 Sn, Zn, In 및 Bi으로 필수적으로 이루어진, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 2 항에 있어서,

상기 조성물이 Sn, Zn, In 및 Sb으로 필수적으로 이루어진, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 1 항에 있어서,

상기 조성물이 Cu, Ag 및 Au로 이루어진 그룹중 하나 이상의 원소를 추가로 포함하되, 상기 그룹의 원소들이 5중량% 이하의 개별적인 양으로 존재하고, Bi, Sb, Cu, Ag 및 Au의 총량이 상기 조성물의 15중량% 이하인, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 1 항에 있어서,

상기 조성물의 실온 극한인장강도(ultimate tensile strength; UTS), 실온 0.2% 옵셋 항복강도(yield strength; YS) 및 100℃에서 크리이프 변형률과 관련하여, UTS 및 YS중 하나 또는 둘다가 40/60 Pb-Sn 땜납 조성물의 UTS 및 YS보다 10%이상 더 큰, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 6 항에 있어서,

상기 크리이프 변형률이 상기 Pb-Sn 조성물의 상응하는 크리이프 변형률의 50% 이하인, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 1 항에 있어서,

상기 조성물의 구리상에서 공기중 245℃의 습윤력과 관련하여, 최대 습윤력이 2초 미만의 시간 안에 이루어지고 동일한 조건하에서 40/60 Pb-Sn 땜납 조성물에 대해 이루어진 최대 습윤력의 50% 이상인, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.
제 1 항에 있어서,

땜납 조성물이 예비성형체, 와이어, 리본, 땜납 페이스트 또는 크림인, 필수적으로 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 조성물을 포함하는 제품.