KR100431090B1 - 저융점 도금층을 이용한 무연솔더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고융점 솔더로 Sn에 Pb가 아닌 원소가 20wt%이내 함유된 합금을 사용하여 코어를 형성하고, 저융점 솔더로 Bi의 함량 5∼77wt%에 기타성분을 함유한 Sn-base 합금을 사용하여 상기 코어의 표피 도금층을 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 고융점 코어 솔더에 저융점 솔더를 도금하는 방법에 의해 종래의 무연솔더에서 발생하는 고융점의 문제점(전자부품의 열손상과 솔더링 작업상의 애로 발생)을 해결한다.

Description

저융점 도금층을 이용한 무연솔더{Lead free solder plated with low-melting-pointed alloy}

본 발명은 무연솔더에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기계적 신뢰성이 높은 코어층과 저융점의 도금층으로 구성되어 일반적인 무연솔더는 물론 Sn-37Pb 유연 솔더보다도 오히려 낮은 온도에서 솔더링이 가능한 저융점 도금층을 이용한 무연솔더에 관한 것이다.

본 방법은 접합기술 중 솔더링(soldering) 분야에 속한다. 솔더링이란 융점이 450℃이하이면서 모재의 고상선보다 낮은 솔더를 사용하여, 모재의 고상선보다 낮은 온도로 이를 가열해서 모재를 접합하는 일련의 용접공정을 의미한다.

이때, 통상적으로 전자부품이나 반도체의 솔더링시 사용되는 솔더는 주석(Sn)에 납(Pb)을 함유한 유연(有鉛) 솔더와 주석에 납을 함유하지 않고 은이나 구리 등을 함유한 무연(無鉛) 솔더로 구분된다.

유연 솔더는 오랜 옛날부터 사용되어 왔으며 대표적인 것으로 Sn-37%Pb가 있다. 유연 솔더는 납(Pb)을 함유하고 있기 때문에 인체에 유해하여 최근 국제적으로 규제하려고 하고 있다. 현재 사용중인 Sn-37Pb 유연솔더나, 사용이 예상되는 무연솔더(예:Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag-0.7Cu 등)는 솔더의 내부와 외부의 전체조성이 거시적으로 균일하여 솔더링 온도에서 솔더의 내부 및 표면이 동시에 용융된다. 은이나 구리 등을 함유한 일반적인 무연솔더의 경우 기존의 유연솔더보다 융점이 높으며, 이로 인해 솔더링 온도 또한 높다. 따라서, 전자제품의 솔더링시에 열손상에 의한 반도체나 전자부품의 파손을 유발하며, 솔더링 온도가 높아지기 때문에 현재의 솔더링 공정을 그대로 적용할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

Sn-Pb계 유연(有鉛) 솔더는 오랜 기간동안 전자기기의 가장 유효한 접합재료로 사용되어 왔으나, 솔더를 사용한 전자기기의 폐기 시에 산성비에 의해 솔더 중에 함유된 납(Pb) 성분이 용출되어 지하수를 오염시키고 이것이 인체에 흡수되면 지능저하, 생식기능저하 등 인체에 해를 미치는 환경오염 물질로 최근 지적되고 있다. 이러한 문제점으로 인해 1990년 미국에서 전기전자용 솔더 중에 함유된 납의 규제에 관한 검토를 발단으로 무연솔더에 관한 연구가 세계적으로 진행되었다.

대표적인 무연솔더로는 Sn-8.8Zn(융점 199℃), Sn-3.5Ag(융점 221℃), Sn-0.75Cu(융점 227℃) 등이 있다. 이들 합금 중Sn-8.8Zn계는 젖음성이 아주 나빠서 실용성이 떨어진다. 반면, Sn-3.5Ag와 Sn-0.7Cu 합금은 젖음성과 신뢰성은 무연솔더 중에서 우수하지만 융점이 종래의 대표적인 Sn-37Pb유연 솔더(융점: 183℃)보다 30∼40℃정도 높은 것이 가장 큰 단점이다.

그러나 주지하는 바와 같이 전자부품은 내열한계가 있기 때문에, 융점이 높은 솔더를 사용하면 솔더링 온도가 높아지고 이로 인해 전자 부품이 열손상을 입어서 사용이 곤란하다.

또한, 종래의 무연솔더는 융점이 높고 젖음성이 낮기 때문에 현재의 솔더링 생산장비로 전자제품을 솔더링하여 조립할 때 많은 문제점을 유발하며, 이로 인해 기존의 솔더링 장비를 무연솔더링용 장비로 교체해야 하기도 하므로 많은 비용이 들게 된다.

또, 전자 부품도 높아진 솔더링 온도에서 견딜 수 있도록 내열성을 증가시킨 부품을 개발해야 하는 등 융점이 높은 무연솔더의 사용은 전자산업 전반에 큰 비용 증가와 전자제품의 신뢰성에 심각한 문제점을 유발하고 있다.

최근, 무연솔더의 융점을 조금이라도 저하시키기 위해, Sn-3.5Ag-0.75Cu 삼원 공정을 중심으로 하는 무연솔더가 미국의 Iowa대학(US5,527,628, 출원일 1993.7.20)이나 일본의 센쥬금속(특개평5-50289, 출원일 1991, 7.8) 등에서 특허를출원, 획득하였다. 그러나, 이들 특허 조성의 솔더 역시 융점은 217℃ 부근으로 기존의 Sn-37Pb의 융점 183℃ 보다 여전히 30℃정도 높다.

그 외, 미국군(US Army)에서 Sn-Ag-Cu-In-Bi를 특허로 보유하고 있고, 한국의 삼성전기에서 Sn-Ag-In-Bi계의 특허를 보유하고 있다. 그러나 이들 조성의 융점도 Sn-37Pb에 비해 여전히 20∼30℃이상 높다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기계적 신뢰성이 높은 코어층과 저융점의 도금층으로 구성되어 일반적인 무연솔더는 물론 Sn-37Pb 유연 솔더보다도 오히려 낮은 온도에서도 솔더링이 가능한 저융점 도금층을 이용한 무연솔더를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 솔더 제조 과정의 일예를 나타내는 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 솔더 제조 과정의 다른예를 나타내는 예시도,

도 3은 본 발명에 따른 솔더의 접합전 단면을 확대한 사진,

도 4는 본 발명에 따른 함량비를 벗어난 경우의 솔더를 확대한 사진,

도 5는 본 발명에 따른 솔더를 이용한 작업 과정을 나타내는 예시도,

도 6은 본 발명에 따른 솔더에 의한 접합후의 단면을 확대한 사진,

도 7은 계면에서의 금속간 화합물의 성장을 나타내는 사진,

도 8 내지 도 12는 본 발명에 따른 솔더의 분석 결과를 나타내는 그래프, 사진 등의 자료이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 고융점 솔더로 Sn에 Pb가 아닌 원소 ,즉 Ag, Cu, Zn, Bi로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소가 20wt%이내 함유된 합금을 사용하여 코어를 형성하고, 저융점 솔더로 Bi의 함량 5∼77wt%에 기타성분을 함유한 Sn-base 합금을 사용하여 상기 코어의 표피 도금층을 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 코어는 Sn-3.5Ag(융점 약221℃)를 사용하고, 상기 표피 도금층은 Sn-58Bi(융점 약138℃) 또는 Sn-0.75Cu(융점 약227℃)를 택일적으로 사용한다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 표피 도금층의 두께는 모재두께의 50% 이내로 유지한다.

전술한 바와 같이 종래의 솔더링은 무연솔더든 유연솔더든 간에 솔더 내부와 외부의 솔더조성이 균일한 것을 사용하여 접합공정을 행하기 때문에 솔더링시에 내부의 솔더와 표면의 솔더가 거시적으로 볼 때 동시에 용융되는 특성을 보이는데, 특히 무연솔더를 사용할 경우 무연솔더가 고융점이기 때문에 솔더링 온도가 높아지게 되어 전자부품이 열손상을 입을 수 있을 뿐 아니라 종래의 Sn-37Pb 유연솔더에 적용하던 솔더링 장비 등 관련시설을 고융점의 무연솔더에 맞추어 변경해야 하는 단점이 있다. 이에 본 발명은 상기한 구성에 의해 이러한 단점을 극복하는 목적을 달성한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 솔더 제조 과정의 일예를 나타내는 예시도, 도 2는 본 발명에 따른 솔더 제조 과정의 다른예를 나타내는 예시도, 도 3은 본 발명에 따른 솔더의 접합전 단면을 확대한 사진, 도 4는 본 발명에 따른 함량비를 벗어난 경우의 솔더를 확대한 사진이다.

현재 전자제품에 사용되고 있는 Sn-37Pb 솔더의 융점은 183℃이고, 대체 합금으로 거론되고 있는 Sn-Ag계나 Sn-Cu계의 경우에는 융점이 210∼220℃정도로 Sn-37Pb보다 약 30∼40℃정도 높다. 또한 전자제품의 솔더링 온도는 일반적으로 솔더의 융점보다 약 50℃정도이기 때문에 Sn-Ag계나 Sn-Cu계와 같은 고융점 솔더를 적용할 때 반도체나 전자부품의 열손상과 솔더링 작업상의 애로가 발생한다.

전자제품을 솔더링 방법으로 접합할 때 반도체나 전자부품의 열손상을 줄이고 기존의 솔더링 생산 공정을 그대로 적용시키려면, 기존의 Sn-37Pb와 솔더링 작업온도가 비슷한 무연솔더의 개발이 필요하다.

본 발명은 이러한 이유에서 솔더링 온도가 Sn-37Pb 솔더와 비교하여 비슷하거나 오히려 낮으며 신뢰성이 높은 저융점 무연솔더를 개발하여 저융점의 표피 도금층과 기계적 신뢰성이 높은 코어층으로 구성된 2중구조의 솔더를 제안함에 따라, 종래에 사용되어 왔던 Sn-37Pb 유연솔더를 이용한 솔더링 공정을 그대로 무연솔더에 적용하거나, 종래의 Sn-37Pb 솔더링 온도 (보통 230∼250℃)보다 오히려 낮은 온도에서 솔더링을 가능하게 하도록 한다.

본 발명의 코어는 Sn에 Pb가 아닌 원소가 20wt% 이내로 함유된 합금이고, 표피 도금층은 Bi의 함량이 5∼77wt% 이며, 기타성분을 함유한 Sn-base 합금이다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 솔더의 코어는 신뢰성이 높은 무연솔더인 Sn-3.5Ag나 Sn-0.75Cu계와 같은 일반적인 공정솔더를 사용하며, 이때 Sn-3.5Ag는 융점이 약221℃, Sn-0.75Cu는 융점 약227℃를 사용한다. 저융점 도금층은 Bi를 함유한 Sn 무연솔더 합금(예: Sn-58Bi, Sn-20Bi)을 사용하며, 이때 Sn-58Bi는 융점이 약138℃이다.

코어층의 고융점 무연솔더는 도금층과 같은 테트라고널(tetragonal) 형의 β-Sn-base 합금이기 때문에 코어층과 도금층의 상호 확산이 매우 빠르게 진행되고, 침투 깊이도 매우 깊다는 장점을 갖고 있다.

코어 솔더로 Sn(융점 231.96℃)을 사용하고 도금층으로 Sn-3.5Ag-0.7Cu (융점 218℃) 솔더를 사용했을 경우 적은 융점차(13℃)로 인하여 코어솔더가 도금중도금액에 용출되는 현상이 나타난다. 따라서 도금층과 코어층의 융점차는 20℃ 이상이 적정한 것으로 판단된다.

또한, Bi의 함량이 많은 경우 Sn-80Bi의 경우 도 4처럼 파면이 취성(brittle)을 띠는 벽개파면의 형태를 보이며, 신뢰성에 악영향을 미치므로 Bi의 함량이 77% 이내의 도금층이 적정한 것으로 판단된다.

상기 코어와 표피 도금층의 확산은 상호 결정상이 같고, 격자상수가 같은 경우에 매우 빠르게 진행되며, 코어솔더의 조성이 변하여도 도금상태는 매우 양호한 것으로 판명된다.

도 1 및 도 2에서, 본 발명에서 제안되는 2중 솔더는 두가지 방법으로 제조될 수 있다. 융점이 낮은 솔더를 무전해도금, 용융도금, 전기도금 등의 방법을 통하여 도금하거나 상대적으로 융점이 낮은 솔더를 스퍼터링(sputtering)이나 증기(evaporation) 등의 증착방법을 통하여 도금한다. 도시에서 A는 코어, B는 표피 도금층을 나타낸다.

이때, 도금두께는 모재두께의 50% 이내로 유지하는 것이 바람직하다. 도금두께가 모재두께의 50%이상인 경우 Sn-Bi계가 주된 접합재로 사용되기 때문에 취성이 나타나므로 신뢰성에 문제가 발생한다.

도 3a에서, 본 발명의 방법으로 제조한 두께 약 90㎛의 판형 코어 솔더(Sn-3.5Ag)에 저융점 도금층 솔더(Sn-58Bi)를 양면에 각각 15㎛씩 도금한 단면사진을 보인 것이다. 코어층과 도금층 사이에 기공이나 결함이 없는 양호한 상태로 도금되었으며, 도금층은 전형적인 Sn-58Bi의 공정조직임을 알 수 있다.

도 3b 및 도 3c에서, 본 발명의 다른 방법으로 제조한 구형의 솔더볼(직경 0.76mm, Sn-4Ag-0.5Cu)에 용융도금법으로 저융점 솔더(Sn-57Bi)의 도금층을 형성한 사진이다. 도금층의 두께는 7㎛정도이며 코어층과 도금층사이에 결함이 발견되지 않은 양호한 접합상태를 이룬다. 또한 도금된 솔더볼의 형상도 볼(ball)의 형태를 이루고 있으며 용융도금에 의한 솔더볼의 형상변화가 없다.

도 5는 본 발명에 따른 솔더를 이용한 작업 과정을 나타내는 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 솔더에 의한 접합후의 단면을 확대한 사진이고, 도 7은 계면에서의 금속간 화합물의 성장을 나타내는 사진이다.

도 5에서, 저융점 솔더로 고융점 솔더를 도금한 후 피접합재(Cu) 사이에 올려놓고, 고융점 솔더와 저융점 솔더의 용융온도 사이인 202℃에서 솔더링을 행한다. 이에 따라, 저융점 솔더의 용융온도 이상인 솔더링 온도에서 저융점 솔더의 용융에 의해 도금층과 코어솔더 사이의 상호확산이 발생하고, 저융점 솔더와 피접합재 사이의 접합 과정에서 도금층과 코어솔더 사이의 상호확산이 진행되다가 냉각된다. 코어에 비하여 도금층이 얇을 경우 솔더링 후, 상호확산에 의해 도금층과 코어의 계면층이 소멸된다.

이어서, 코어 솔더와 도금층 솔더사이의 상호확산에 의한 새로운 조성의 솔더합금이 생성된다.

이와 같이 본 발명은 저융점의 도금층만 용융되고 코어는 용융되지 않는 특징을 이용하여 종래의 무연솔더가 갖고 있는 고융점의 문제를 해결한다. 또한 종래의 저융점 무연솔더(예 : Sn-58Bi 등)가 갖고 있는 고온에서의 강도 저하의 문제점을 도금층과 코어층의 상호확산에 의한 새로운 조성의 무연솔더 형성으로 방지한다. 즉, 솔더링 중에 도금된 저융점층은 용융되면서 동시에 코어층과 상호확산이 일어나고, 이 과정중에 솔더표면의 도금층이 소멸되면서 도금층과 내부의 코어층이 혼합된 새로운 조성의 솔더가 형성된다.

도 6은 본 발명의 저융점 솔더를 사용하여 동(Cu)을 202℃에서 솔더링 한 사진으로, 솔더링부는 아주 양호하게 접합된 것을 확인할 수 있다. 본 도금법을 이용한 저융점 솔더인 경우 솔더링 온도가 202℃로서, 이는 종래의 무연솔더의 일반적인 솔더링 온도 약 230∼260℃보다 약 30∼60℃정도 낮고 종래의 Sn-37Pb 유연솔더의 솔더링 온도 약 230∼250℃에 비해서도 약 30∼50℃ 낮다. 저융점 솔더는 모재(전자부품의 lead나 PCB기판의 pad재료)인 동(Cu)과 반응하여 접합을 이루며, 솔더링 과정중에 저융점 도금솔더와 코어솔더간에는 상호 확산이 일어난다.

도 7에서, 본 발명의 저융점 솔더를 사용하여 동(Cu)을 솔더링 한 경우, 동과 솔더간의 접합계면을 보인 것이다. 솔더링 온도는 202℃로서 접합계면에는 결함이 발견되지 않고 양호한 금속간 화합물의 성장 및 접합상태를 보여준다.

도 8은 Sn-57wt%Bi로 도금한 Sn-3.5wt%Ag 솔더의 DSC (Differential Scanning Calorimetry) 분석결과이다. DSC 분석결과 약 140℃ 및 196.15℃에서 두개의 피크가 나타났다. 첫 번째 피크는 도금층이 용융된 것으로 도금층인 Sn-57wt%Bi의 융점 138℃와 거의 일치된다. 두 번째 피크는 코어솔더가 용융된 것으로, 코어솔더인 Sn-3.5wt%Ag의 융점은 원래 221℃이지만, 가열중 도금층이 모재로 확산되면서 코어와 반응하여 융점이 약 196℃로 저하되는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명 솔더를 사용하면, 융점을 기존의 대표적인 무연솔더인 Sn-3.5wt%Ag 보다 약 25℃ 낮아지며, 현재의 무연솔더 중 융점이 Sn-37wt%Pb에 가장 근접한 것으로 알려진 Sn-8.8wt%Zn의 융점 198℃보다 2℃ 낮은 것이다. Sn-8.8wt%Zn은 융점은 낮지만 Zn이 지나치게 잘 산화되어 솔더링성이 나쁜 반면, 본 발명 솔더는 솔더링성도 양호하다.

도 9는 Sn-3.5wt%Ag 솔더를 코어층(융점 : 227℃)으로 하였을 때, Sn-Bi계 도금층에서의 Bi 함량변화에 따른 도금특성을 측정한 것이다. Sn-3wt%Bi(융점 : 227℃)와 Sn-80wt%Bi(융점 : 210℃)를 도금층으로 했을 때는 도금층의 융점이 높기 때문에 도금층과 코어층 간의 융점차가 적어서, 용융 도금중 코어층이 용융소실된다. 따라서, 이러한 조성의 도금층은 용융도금을 이용한 도금에는 적합하지 않다. 그러나 Sn-20wt%Bi와 Sn-57wt%Bi를 도금층으로 사용하였을 경우에는 양호한 도금특성을 나타낸다.

도 10은 Sn-3.5wt%Ag 솔더를 코어층으로 하였을 때, Sn-Bi계 도금층에서의 Bi 함량변화에 따른 솔더의 경도 및 접합부 전단강도 측정결과를 보인 것이다. 솔더의 경도는 Sn-57wt%Bi(Sn-3.5wt%Ag)가 가장 크고 Sn-20wt%Bi(Sn-3.5wt%Ag)와 Sn-37wt%Pb는 대체로 비슷하다. 일예로 1.3×3.1×1mm MLCC (multi-layer ceramic capacitor) 칩을 한쪽 면 솔더링한 후 칩과 기판 접합부의 전단강도를 측정한 결과 '도금층-Sn-57wt%Bi(코어,Sn-3.5wt%Ag)'가 가장 크고, 'Sn-20wt%Bi(Sn-3.5wt%Ag)'와 Sn-37wt%Pb가 대체로 비슷하다.

도 11과 도 12는 각각 Sn-0.7wt%Cu 솔더를 코어층(융점 : 227℃)으로 하여도금층에서의 Bi 함량변화에 따른 도금특성 및 접합특성을 측정한 것이다. Sn-3wt%Bi(융점 : 227℃)와 Sn-80wt%Bi(융점 : 210℃)를 도금층으로 했을 때는, Sn-3.5wt%Ag 코어솔더의 결과와 마찬가지로 도금층과 코어층 사이의 융점차가 적기 때문에 코어솔더가 녹아내려 용융도금을 이용한 도금에는 적합하지 않다. 그러나 Sn-20wt%Bi와 Sn-57wt%Bi를 도금층으로 사용하였을 경우에는 양호한 도금특성을 나타낸다.

또한, 도 12의 경도와 접합부 전단강도 측정결과에서는 Sn-37wt%Pb가 가장 높고, Sn-57wt%Bi(Sn0.7wt%Cu), Sn-20wt%Bi(Sn-0.7wt%Cu) 순으로 약간씩 낮아진다. 이것은 Sn-0.7wt%Cu의 경도 및 강도가 Sn-3.5wt%Ag에 비해 낮은 것에 기인한다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 고융점 코어 솔더에 저융점 솔더를 도금하는 방법에 의해 솔더링접합 강도가 우수하면서 종래의 무연솔더에서 발생하는 고융점의 문제점(전자부품의 열손상과 솔더링 작업상의 애로 발생)을 해결한다.

본 발명이 사용된다면, 솔더링 온도가 202℃ 정도까지 저하 될 수 있기 때문에(기존 무연솔더에 비해 30∼50℃ 저하), 반도체 및 전자부품의 솔더링 기술인 BGA(Ball Grid Array) 및 μBGA, 플립 칩(flip chip)의 분야에 현재의 솔더링 온도와 동등하거나 더 낮은 온도로 무연 솔더링이 가능하다.

또한, 본 방법의 특징은 솔더링 과정중에 저융점 도금층이 고융점 코어솔더로 완전히 확산하여 소멸되므로, 저융점층의 잔류시 발생할 수 있는 저융점 솔더 용융점 부근에서의 강도저하를 방지할 수 있어 종래의 생산장비를 이용하여 무연화가 가능할 뿐 아니라 열손상의 우려 없이 현재의 전자부품을 사용할 수 있어 경제적인 효과가 매우 클 것으로 판단된다.

본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

1. 고융점 솔더로, Sn을 주성분으로 하고 Ag, Cu, Bi, Zn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소 및 기타 불가피물을 20wt% 이내로 함유하는 무연 솔더링 합금을 사용하여 코어를 형성하고,

   상기 고융점 솔더보다 낮은 융점을 갖는 저융점 솔더로 Bi의 함량 5~77wt%에 기타성분을 함유한 Sn을 베이스로 하는 무연 솔더링 합금을 사용하여, 상기 코어의 표피 도금층을 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저융점 도금층을 이용한 무연솔더.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 코어는 Sn-3.5Ag(융점 약221℃)를 사용하고, 상기 표피 도금층은 Sn-58Bi(융점 약138℃) 또는 Sn-0.75Cu(융점 약227℃)를 택일적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 저융점 도금층을 이용한 무연솔더.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 표피 도금층의 두께는 모재두께의 50% 이내로 유지하는 것을 특징으로 하는 저융점 도금층을 이용한 무연솔더.