KR100678803B1 - 납 프리 땜납 합금과, 그것을 이용한 땜납 재료 및 땜납접합부 - Google Patents

Abstract

종래의 Sn-Zn(-Bi, -Al)계 납 프리 땜납은, Zn에 기인하는 고온 고습도하에서 Cu 전극과의 접합 강도가 저하한다고 하는 문제가 있었다.

Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금으로서, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가 3.0중량% < Zn < 5.0중량%, 0.1중량% ≤In ≤4.0중량%, 0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%이며, 나머지부가 Sn으로 구성되는 땜납 합금이다.

또한, 상기 땜납 합금과, 플럭스로 구성되는 납 프리 땜납 재료이다.

Description

납 프리 땜납 합금과, 그것을 이용한 땜납 재료 및 땜납 접합부{Pb-FREE SOLDER ALLOY, AND SOLDER MATERIAL AND SOLDER JOINT USING SAME}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 각 땜납의 땜납 접합부의 박리 강도를 도시한 도면,

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 Sn-3In-0.3Ag에 Zn을 2 내지 6중량% 첨가했을 때의 각 땜납 합금의 DSC 측정 결과를 도시한 도면,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 Sn-4Zn-3In에 Ag를 미량 첨가했을 때의 조직을 나타내는 모식도,

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 있어서의 Sn-4Zn-3In에 Ag를 미량 첨가했을 때의 부식 전위의 변화를 도시한 도면,

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 Sn-4Zn-3In에 Ag를 미량 첨가했을 때의 융점의 변화를 설명하기 위한 도면,

도 6은 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 Sn-4Zn-0.3Ag에 In을 0 내지 10중량% 첨가했을 때의 땜납 합금의 기계적 특성 변화를 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 제 8 실시예에 있어서의 땜납 합금의 기계적 특성변화를 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 제 8 실시예에 있어서의 별도의 땜납 합금의 기계적 특성 변화를 도시한 도면.

도 9는 종래의 Sn-6Zn-6In-1Ag 합금의 DSC 측정 결과를 도시한 도면,

본 발명은 납 프리 땜납 합금과, 그것을 이용한 땜납 재료 및 땜납 접합부에 관한 것이다.

최근, 납의 독성에 관한 문제로부터 환경으로의 납의 배출을 규제하는 움직임이 높아지고 있다. 그래서, 종래 사용되고 있었던 Sn-Pb 땜납에 대신하여, 전화제품의 부품 접합 재료로서, 납 프리 땜납으로 대체하는 움직임이 진행하고 있다.

땜납 재료의 합금으로서의 필요한 특성은, 용융 온도, 인장 강도, 신장 특성, 습윤성, 부품 접합부의 접합 강도 등을 들 수 있다.

땜납의 용융 온도는 200℃ 전후가 바람직하다. 땜납 융점이 지나치게 높으면, 기판 실장시에 부품의 내열 온도를 초과해버려, 현재의 납땜 공법으로는 부품을 손상시켜버릴 우려가 있다. 또한, 땜납 융점이 지나치게 낮으면, 사용 또는 보관 환경이 높은 경우에 부품의 낙하나 박리가 발생해버릴 가능성이 있다.

납을 사용한 기판 실장용 땜납은, Sn-37Pb 땜납 합금으로 대표된다. 이것을 대신하는 땜납으로서, 이하의 납 프리 땜납 합금이 검토되어 왔다. 예로서, Sn- Ag(-Cu)계, Sn-Cu(-Ni)계, Sn-Ag-Bi-Cu계, 또한 Sn-Zn(-Bi, -Al)계, Sn-In-Ag-Bi계 땜납 합금 등을 들 수 있다.

이들을 그룹 Ⅰ이라고 한다. 그 중에서, Sn-Ag(-Cu)계, Sn-Cu(-Ni)계, Sn-Bi-Cu계 땜납 합금은, 융점이 210 내지 230℃로 조정된 합금 조성으로 플로우 납땜이나 리플로우 납땜 공법 등에 사용되고 있다. 그러나, 이들 합금의 융점은, 지금까지 사용되어 온 Sn-Pb 땜납의 융점보다도 30 내지 40℃ 높다. 그 결과, 이들 합금계를 이용하여 실장하는 온도 조건에서는, 부품의 내열온도를 넘어버리는 경우가 있다. 상기 땜납으로 실장할 수 있는 온도까지, 해당 부품의 내열성을 높이는 것은, 기술적으로 어렵다. 한편, Sn-Zn(-Bi, -Al)계, Sn-In-Ag-Bi계 땜납 합금 등(그룹 Ⅱ라고 함)은, 주로 리플로우 납땜 공법을 채용하는 것을 전제로 한 전자 회로 기판 실장의 분야에서 이용되고 있다. 그러나, 그룹 II의 합금은, 대기중에 있어서의 용융 상태에서의 산화가 심하고, 플로우 납땜 공법으로의 채용은 현시점에서는 기술적으로 어렵다. 전술한 그룹 I의 합금보다도 땜납으로서의 특성은 단점이 많지만, 그룹 II의 합금을 사용하는 이점으로서는, 종래 사용되어 온 Sn-Pb 땜납과 동등한 온도 영역까지 융점을 조정하는 것이 가능한 이점이 있다. 그리고, 그룹 II의 합금계는, 융점이 180 내지 210℃ 정도가 되도록 조성을 조정하여 사용된다.

즉, Sn-Zn(-Bi, -Al)계 땜납 합금은, 융점이 190-200℃ 전후로 종래의 Sn-37Pb 땜납 합금의 융점에 가까워, 지금까지의 실장 조건을 그대로 사용할 수 있고, 또한 납 프리 땜납 중에서는 비용이 싸다는 장점이 있다. 그러나, 땜납의 접합 모재에 대한 습윤성이 나쁘다고 생각되고 있다. 땜납을 실장한 후에 대해서도, Cu 모 재에 납땜한 접합부를 고온 고습도하의 조건에 노출시키면 부품의 접합 강도가 급격히 저하하는 현상이 확인되어 있다.

또한, 땜납 중에 Zn을 사용하고 있기 때문에, 땜납 중의 Zn이 플럭스중에 용출하여 절연 저항의 저하나 마이그레이션의 발생을 일으킬 가능성이 있다.

Sn-In-Ag-Bi계 땜납 합금도, Sn-Zn계 땜납과 마찬가지로, 융점이 Sn-Pb땜납에 가깝다. 이 합금계는 Zn을 사용하지 않으므로, Cu 모재와의 접합시에 Cu-Zn 화합물을 형성하지 않는다. 그 때문에, 고온 고습도 분위기하에 있어서의 Cu와의 접합 계면에서, 접합 강도가 급격히 저하하는 현상은 발생하지 않는다.

한편으로, Ag 전극에 납땜을 한 경우, 접합 계면에 Ag-In 화합물이 형성된다. 시간에 따른 변화에 의해서, 이 화합물상이 크게 성장하여 이 부분이 무르게 되어, 계면 강도가 저하한다고 하는 현상이 확인되어 있다. 이 외에, 부품을 접합한 상태로 열싸이클을 걸면, 접합부의 땜납이 변형해 간다고 하는 현상이 보인다. 전자 회로 기판은 협소 피치의 기판 설계로 향하는 방향으로 진행하고 있고, 실장 기술도 보다 고도한 레벨이 요구되고 있다.

이러한 기술적 흐름에 있어서, 땜납의 변형이 전기적인 단락으로 이어질 가능성이 있다고 하는 불안요소를 안고 있다. 또한, 희소하고 고가인 In을 땜납 중에 많이 포함하여, 재료비용이 들고, 또한 공급면에서 장래적으로 불안을 남긴다.

이들 융점이 180 내지 210℃ 정도가 되는 땜납 합금은, 그 온도 특성상, 복수회의 납땜 공법(리플로우 납땜 후 플로우 납땜, 또는 리플로우 납땜 후 리플로우 납땜 등)에서 사용되는 요구가 적지 않다. 여기서, 문제가 되는 것은, 한번 납땜 된 곳이 2번째 이후의 납땜 공정에서 박리한다고 하는 현상이다. 이 박리는, 특히 대형 IC 부품 등에 있어서, 부품 리드가 땜납마다 기판으로부터 떠올라 버리는 것이다. 이 현상은, 두 번째 이후의 납땜시에, 그 이전의 납땜으로 형성된 접합부의 땜납이 부분적으로 용융해 버려, 접합 강도가 저하한 상태로 된다. 그 상태에서 기판의 휘어짐이나 부품의 변형 등에 의해서 접합부가 박리해 버리기 때문에 일어난다. 즉, 땜납 합금의 특성으로서는, 땜납 합금이 녹기 시작하는 온도(이하, 고상선 온도라고 부름)와 완전히 용융하는 온도(이하, 액상선 온도라고 부름)까지의 온도폭이 클수록, 접합부에서의 박리가 일어날 가능성이 높다.

종래의 기술에서는, 예컨대 특허 공보 제2599890호(특허문헌1)에서는, Sn-Ag계 땜납에 Zn을 첨가함으로써, 기계적 강도나 크리프 특성을 개선할 수 있다고 한다.

동시에, Zn 또는 In을 첨가함으로써 융점이 내려가는 것이 나타나 있다.

그러나, 특허문헌1에 기재되어 있는 Ag 농도는 1중량% 이상으로 높다. 예컨대, Sn-6Zn-6In-1Ag와 같은 높은 Ag 농도(1중량%)에서는, 도 9의 시차주사열량계(DSC) 측정 결과에 도시하는 바와 같이, 융점 200℃ 부근을 정점으로 하는 흡열 피크 부분이 많아진다. 그 결과, Sn-Pb 땜납의 경우와 동등한 실장 조건에서는, 땜납이 충분히 다 녹지 않을 가능성이 있다. 만약에 땜납이 충분히 다 녹지 않으면, 땜납의 유동성이 손상되어, 접합부가 충분히 형성되지 않는다. 그 경우, 땜납 중에 공극이 남아 접합 강도를 저하시키게 된다. 또한, 일본 특허 공개 공보 평성9-174278호(특허문헌2)에서는, Sn-Zn 공정 근방의 합금에 대하여, 융점의 저하와 부 품 금속화로의 습윤성 향상을 위해 In을 첨가하고 있다. 또한, 이 Sn-Zn-In 합금중의 Zn상 침형상 결정을 구형상화 및 미세 분산시키기 위해서, Ag를 첨가하고 있다. 그 때문에, Zn 농도는 6 내지 11%, Ag는 0.5 내지 3%로 하고 있다.

[특허문헌1] 특허 공보 제2599890호

[특허문헌2] 일본 특허 공개 공보 평성9-174278호

종래의 납 프리 땜납에 있어서는, Sn-Zn(-Bi, -Al)계 땜납이 갖는 Zn에 기인하는 습윤성의 나쁨 및 고온 고습도하에서 Cu 전극과의 접합 강도가 저하한다고 하는 문제가 있었다. 또한, Sn-In-Ag-Bi계 땜납 합금에서는, In이나 Ag 등, 희소한 금속을 사용한다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은, 용융 온도 특성이 Sn-Pb계 땜납과 동등한 조건을 만족시키면서, 상기 종래의 Sn-Zn(-Bi, -Al)계 땜납이나 Sn-In-Ag-Bi계 땜납 합금이 갖는 문제점을 해결하는 것이다.

특히, 고온 고습도하에 있어서의 땜납 접합부의 신뢰성을 개선하는 것이 중요한 목적이다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 땜납 합금은 Sn-Zn-In-Ag계 합금으로 이루어지고, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가, 3.0중량% < Zn < 5.0중량%, 0.1중량% ≤In ≤4.0중량%, 0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%이며, 나머지부가 Sn으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하에, 본 발명의 납 프리 땜납에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 땜납 합금은, 융점 210℃ 이하의 Sn-Zn-In계 땜납에, Cu 모재와 땜납과의 접합부를 고온 고습도하에 노출했을 때에 접합 계면의 강도 저하를 억제하는 Ag를 미량 첨가한 Sn-Zn-In-Ag 땜납이다.

이 땜납 합금으로서는, 용융 온도 및 접합 신뢰성의 면에서 각 원소의 비율이 이하의 비율이 바람직하다.

3.0중량%<Zn<5.0중량%

0.1중량% ≤In<20.0중량%

0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

이하, 이 조성 범위에 대하여 설명한다.

Zn의 조성범위는, 3.0중량%<Zn<5.0중량%로 한다. Zn의 조성비가 3.0중량% 이하에서는, 땜납의 융점을 200℃ 정도까지 저하시킬 수 없다. 또한, Zn의 조성비가 3.0중량% 이하에서는 In을 많게 하더라도 고상선 온도와 액상선 온도와의 차가 넓어져 버린다. 그 결과, 복수회의 납땜 공정에서, 부품 접합부에서의 박리가 발생하기 쉬워진다.

또한, Zn 조성비가 5.0중량% 이상이면, 고온 고습도하에서의 Cu박과의 접합부 계면 강도가 저하한다. 또한, Zn이 많아지면 땜납의 습윤성이 저하하여, 땜납의 산화나 접합부의 전기 절연성이 저하한다고 하는 문제도 발생한다.

In의 조성범위는, 0.1중량% ≤In ≤20.0중량%로 한다. 0.1중량% 미만에서는 융점 저하를 기대할 수 없다. In 조성비가 20중량% 이상이 되면, 땜납 융점에서의 고상선 온도가 지나치게 낮아져 버린다. Sn-20In에서는 고상선 온도가 153℃이며, 고상선 온도가 저하하면, 고온의 환경하에 노출되었을 때에는 땜납이 용융하여 박리해 버린다.

또한, 기기 사용에 의한 발열에 의해서도 동일한 불량이 일어날 가능성이 있다. 또한, Sn-20In 고상선 온도(153℃)와 액상선 온도(199℃)가 지나치게 떨어져있기 때문에, 2번째 이후의 납땜 공정에서 박리한다고 하는 현상이 일어날 수 있다.

Ag의 조성범위는, 0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%로 한다. 0.1중량% 미만에서는 납땜한 후, 고온 고습도하에 노출했을 때의 접합 강도 저하를 막는 효과를 얻을 수 없다.

Ag의 조성비가 0.4중량%을 넘으면, 땜납의 융점 온도 영역에 있어서의 고온측에서 용융하는 비율이 높아져, 실장 프로세스에 있어서 용융 땜납의 유동성이 저하한다.

또한, 각각의 조성비율은 이하의 범위가 보다 바람직하다.

3.0중량% < Zn < 5.0중량%

0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

땜납 합금중의 In 조성비가 높아지면, 땜납 합금의 신장 특성이 저하한다. 그리고, In 조성비가 4중량% 이하에서, 신장 특성은 30% 이상을 확보할 수 있다. 따라서, 열충격 등에 의해서 받는 응력에 대하여, 땜납이 변형하는 것에 의해서 응력을 완화시킬 수 있다. 반대로, 땜납에 신장 특성이 없으면, 기판이나 부품이 팽창 수축한 경우에, 땜납 접합부중에 크랙이 생기기 쉬워질 가능성이 있다.

또한, 본 발명에서 고온 고습도란, 85℃, 85%RH(상대 습도)의 환경을 의미한다.

(제 1 실시예)

본 실시예에서는, 고온 고습도하에 노출했을 때의 접합 강도 변화에 대하여, In을 3중량%로 하고, Zn을 0 내지 6중량%로 변화(나머지부는 Sn으로 함)시켰을 때의 접합부의 박리 강도를 측정한다.

우선, 목적으로 하는 조성으로 배합한 땜납 합금 약 1kg을 230℃로 유지했다. 다음에, 0.65mm피치, 100핀의 QFP(Quad Flat Package)부품을 동부착 유리 에폭시 기판에 접착제를 이용하여 고정했다. 이 시료에 플럭스를 도포한 후, 땜납 속에 담궈 납땜을 했다. 납땜 후의 시료는, 아세톤과 초음파 세정기를 이용하여 세정하여, 플럭스 잔류물을 제거했다. 세정후의 실장 기판 시료는, 85℃, 85%RH(상대 습도)의 항온 항습조 속에 투입한 후, 250시간마다 리드의 접합 강도인 박리 강도를 측정했다.

도 1은, In이 3중량%, Zn이 0 내지 6중량%, 나머지부가 Sn인 땜납으로, QFP 부품을 실장했을 때의 리드 접합 강도 변화를 나타낸다. 0Zn 내지 6Zn은 Zn의 조성비가 0 내지 6중량%인 것을 뜻하고 있다. 그리고, Zn의 조성비가 증가할수록, 고온 고습도의 분위기에 노출되었을 때의 접합 강도 저하가 급격한 것을 알 수 있다. 또한, Zn의 조성비가 6중량%에서는 노출 시간 500시간에서의 접합 강도가 1kgf 이하가 되어 버린다.

즉, 땜납 중의 Zn 농도가 높을수록, 고온 고습도하에서의 부품 접합 강도가 저하하기 쉽다고 하는 경향이 보인다. 고온 고습도 분위기중에서, 땜납 중의 Zn상이 접합 계면으로 확산하여 Cu 모재 반응하여, Cu-Zn 화합물층을 형성·성장시킨다. 이 과정에서 고습도 분위기의 영향에 의해 Zn이 산화하여, 접합 계면의 Cu-Zn 화합물층과 땜납과의 계면에서 접합 강도가 급격히 저하한다. 도 1로부터, Zn 함유량으로서는, 5중량% 미만이 바람직하다.

또한, 도 2a 내지 도 2e는 In이 3중량%, Zn이 2 내지 6중량%, Ag이 0.3중량%, 나머지부가 Sn인 각 땜납의 DSC 측정 결과를 나타내고 있다. 3중량% 이하에서는 금속 융점이 210℃를 넘어버린다. 따라서, Zn 함유량은 3중량%보다 큰 쪽이 바람직하다.

또한, Zn 함유량이 5중량% 이상이 되면, 고온 고습에 있어서의 접합 강도가 점차로 저하한다. 따라서, Zn 함유량은 5중량% 미만이 바람직하다.

(제 2 실시예)

본 실시예는, Sn-4Zn-3In에 Ag를 미량 첨가했을 때의 조직 관찰을 한 것이다. Zn을 4중량%, In을 3중량%, Ag을 0.1 내지 0.5중량%, 나머지부가 Sn으로 이루어지는 각 땜납 약 0.6g을, 세라믹판상에서 용융시켜 구형상으로 하고, 그대로 공 기속에서 냉각했다. 각각의 땜납 입자에 대하여 단면을 연마하고, SEM을 이용하여 관찰을 했다. 그 결과를 도 3a 내지 도 3c에 나타낸다.

도면에 도시하는 바와 같이, Ag 조성비가 증가함에 따라서, 침형상의 Zn 결정이 줄고, 도 3b, 도 3c부터 구형상의 Zn-Ag상이 증가해가는 것을 알 수 있다. 또한, 땜납 조직이 미세화하고 있는 것도 확인된다. Zn의 결정이 잘게 분산함으로써, Zn 결정끼리의 연결이 없어진다. 이것에 의해, 접합 강도의 저하의 원인이 되는 Zn의 산화가 땜납 내부를 향해서 진행하지 않고, 고온 고습도하에서의 접합 강도 저하를 막고 있다.

Ag가 0.1중량%인 경우에는, 도 3a에 도시하는 바와 같이 침형상의 Zn 결정이 아직 많이 보이지만, 확실하게 구형상 Zn-Ag층이 확인된다.

(제 3 실시예)

본 실시예에서는, Sn-4Zn-3In에 Ag를 미량 첨가했을 때의 부식 전위의 변화에 대하여 설명한다.

Zn을 4중량%, In을 3중량%, Ag을 0 내지 0.5중량%, 나머지부가 Sn으로 이루어지는 각 땜납을 단면 형상 5mm×5mm의 막대 형상으로 가공했다. 이 막대 형상 시료의 표면을 1200메쉬의 내수 연마지로 연마한 뒤, Al₂O₃ 현탁액을 이용하여 버프 연마를 했다. 이것을, 25℃의 3.5중량% NaCl 수용액중에 침지시켰다. 그리고, 은 염화은 전극과 포화 KCl 수용액을 사용한 표준 전극을 이용하여, 이 표준 전극의 Ag와, 땜납 시료와의 사이에서 발생하는 기전력차를 측정했다. 그 결과를 도 4에 도시한다. 또한, 참고예로서 Zn을 포함하지 않는 Sn-3In 땜납의 부식 전위를 나타낸다.

도 4에 있어서, 기전력값이 Sn-3In 땜납에 가까이 감으로써 땜납 중의 Zn이 산화되기 어려워지는 것이 도시된다. 즉, Ag을 0.1중량% 이상 첨가함으로써, 산화의 진행을 막는 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

(제 4 실시예)

본 실시예에서는, Sn-4Zn-3In-0.3Ag을 Cu판에 납땜했을 때의 접합 계면 관찰 결과를 설명한다. Sn-4Zn-3In-0.3Ag 땜납 0.3g을 Cu판상에 얹고, 플럭스를 도포했다. 이것을 230℃의 열판상에서 가열하여, 납땜을 했다. 이 시료를 수지속에 매립, 연마 및 증착을 한 뒤, 주사형 전자현미경(SEM)과 X선 마이크로 애널라이저(XMA)를 이용하여 접합 계면의 단면 관찰을 했다. SEM과 XMA에 의한 해석의 결과, 땜납과 Cu판과의 접합 계면에, Zn층 및 Ag층의 생성을 관찰할 수 있었다. 즉, Cu판과 땜납과의 접합 계면에는 Zn-Ag상이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 접합 계면에 Zn-Cu 화합물상이 형성되면, 땜납과 Zn-Cu 화합물과의 계면에서 산화가 진행하여 접합 강도가 저하한다. 즉, Zn-Cu 화합물층의 형성을 막는 것에 의해, 접합 강도의 저하를 회피할 수 있다.

(제 5 실시예)

본 실시예에서는, Sn-4Zn-3In에 Ag를 미량 첨가했을 때의 융점의 변화를 설명한다. 도 5a 내지 도 5e에, DSC를 이용하여 Zn을 4중량%, In을 3중량%, Ag을 0 내지 0.5중량%, 그리고 나머지부가 Sn으로 이루어지는 각 땜납의 융점을 측정한 결과를 나타낸다. 도면으로부터, Ag의 조성비가 증가함에 따라서, 205℃ 내지 210℃ 부근의 흡열량을 나타내는 피크가 커지고, 이 온도 영역에 있어서의 땜납의 용융량이 증가하는 것을 알 수 있다. Ag 첨가량이 0.5중량%가 되면, 이 205℃ 내지 210℃ 부근의 흡열 피크가 190℃ 부근의 흡열 피크와 동등한 정도까지 커져, 땜납으로서 사용했을 때에, 땜납이 녹기 어려워진다. 환언하면, 저온측(약 193℃)에서 일단 용융하고, 다시 고온측에서 용융하는 것이 된다. 또한, 용융땜납의 습윤성이나 유동 특성도 저하한다.

이상의 측정 결과로부터, Ag를 0.1중량% 이상 첨가하면 부식 전위가 개선된다. 한편, Ag를 0.5중량% 이상 첨가하면, 합금의 DSC 측정이 도시하는 바와 같이 고온측의 피크가 증대하여, 땜납이 녹기 어렵게 되어, 습윤성이나 유동 특성이 저하한다.

또한, Zn을 함유하는 땜납에 있어서 Ag를 첨가하면, 침형상의 Zn 결정이 감소하고, 구형상의 Zn-Ag상이 증가하여, 땜납 조직이 미세화하는 것을 조직 관찰에 의해 알 수 있다. Ag의 함유량이 0.1중량%에서는 침형상의 Zn 결정이 보이지만, Ag 0.1중량%의 첨가로도 전술한 바와 같이, 부식 전위가 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

또한 Ag을 첨가하면, Cu 상에 납땜했을 때의 접합 계면에 있어서, Zn-Ag 화합물상이 형성되기 때문에, Cu와 Zn의 반응을 억제하는 배리어층이 된다. 그 결과, 산화되기 쉬운 Zn-Cu 화합물층 형성을 저지할 수 있어, 접합 계면에서의 산화를 막아, 접합 강도의 저하를 방지할 수 있다.

(제 6 실시예)

Zn을 4중량%, In을 0 내지 10중량%, Ag을 0.3중량%, 나머지부가 Sn으로 이루어지는 각 땜납을, 땜납 액상선 온도보다 50℃ 높은 온도로 판형상으로 주조하여, 인장시험편을 제작했다.

시험편의 형상은, JIS4호 시험편으로 했다. 인장 시험의 조건은 인장 속도 5.0mm/min으로 했다.

그 결과를 도 6에 나타낸다. 도면으로부터 분명한 바와 같이, In의 비율이 4중량%까지의 범위에 있어서, 신장 특성이 30% 이상을 유지하고 있다.

(제 7 실시예)

Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금으로서, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가

3.0중량% < Zn < 5.0중량%

0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

이고, 나머지부가 Sn인 땜납 합금과, 플럭스로 구성된 납 프리 땜납 재료는, 실 땜납이나 크림 땜납으로서 바람직하다. 또, 플럭스는 공지의 것을 사용할 수 있다.

(제 8 실시예)

본 실시예에서는, Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금으로서, 또한 Ni, Ti, Mg, Al, Co로 이루어지는 그룹 중의 적어도 하나의 첨가 원소를 갖고, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가,

3.0중량% < Zn < 5.0중량%

0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

이며, 상기 첨가 원소의 첨가량이 0.001중량% 이상이고 0.05중량% 이하의 범위에 있고, 나머지부가 Sn인 땜납 합금을 이용한 땜납 접합 강도를 설명한다.

이하의 시료를 사용하여 고온 고습도 시험을 했다. 도 7은, 그 접합 강도 변화를 나타내는 것이다. 접합 강도의 측정 방법은 제 1 실시예와 마찬가지다. 각 첨가 원소를 포함하는 땜납 합금을 이용하여, 동박을 리플 로우 납땜하여 시료로 한다.

도면중의 F는 표준이 되는 본 발명의 납 프리 땜납 합금을 나타낸다. 그리고, 도면중의 A, B, C, D, E는 시료 F의 Sn을 제외하는 조성비에 대하여 각각 Ti를 0.004중량%, Ni를 0.01중량%, Mg을 0.01중량%, Al을 0.05중량%, Co를 0.05중량% 첨가하고, 그들의 잔량을 Sn으로 한 땜납 합금을 나타내고 있다. 고온 고습도에서의 1000시간의 노출 후의 접합 강도를 보면, 시료 A, B, C, E는 표준 F보다도 우수하다. 또한, 시료 D도 적어도 F와 동등한 접합 강도를 유지하고 있는 것을 알 수 있다.

도 8은, Sn-4Zn-3In-0.3Ag의 땜납 합금과, 또한 Ti를 0.003중량% 첨가한 땜납 합금과, 비교용의 Sn-8Zn-3Bi 땜납 합금을 이용한 3종의 땜납 접합부의 고온 고습도하의 접합 강도 변화를 나타내고 있다. 또, 땜납 접합부의 형성은 제 1 실시예와 동일하게 실행했다. 도면으로부터 1,500시간을 넘으면 Ti의 첨가 효과가 분명하다.

또한, 비교용의 Sn-8Zn-3Bi는 250시간을 넘으면, 접합 강도가 1kgf 이하로 되어있다. Ti에서 보인 효과는 다른 첨가 원소, Ni, Mg, Al, Co 이라도 마찬가지로 보인다.

(제 9 실시예)

본 실시예는, Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금으로서, 또한 Ni, Ti, Mg, Al, Co로 이루어지는 5그룹의 적어도 하나의 첨가 원소를 갖고, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가,

3.0중량% < Zn < 5.0중량%

0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

이며, 상기 첨가 원소의 첨가량이 0.001중량% 이상이고 0.05중량% 이하의 범위에 있어서, 나머지부가 Sn인 땜납 합금과, 플럭스로 구성된 납 프리 땜납 재료 는, 플럭스로 구성된 납 프리 땜납 재료는, 실땜납이나 크림 땜납으로서 바람직하다. 또, 플럭스는 공지의 것을 사용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 아연의 함유량을 3중량% < Zn < 5중량%의 범위로 한정함으로써 비로서, 고온 고습도 분위기하에 있어서의 땜납 접합부의 신뢰성을 개선할 수 있었던 것이다. 또한, 본 발명의 땜납 합금은, 막대땜납(용융땜납)으로 해도 바람직하며, 확산 접합에도 바람직한 납 프리 땜납 합금이다. 또한, 본 발명의 땜납 합금을 이용한 전기·전자기기의 땜납 접합부도 본 발명에 포함되는 것이다.

본 발명에 관한 땜납 합금을 이용한 납 프리 땜납은, 용융 온도가 종래의 Sn-Pb 땜납과 동등한 정도이다. 그 결과, 현행의 Sn-Pb 납땜 공법을 그대로 사용할 수 있다. 그리고, 부품 접합 강도가 우수한 땜납 특성을 갖는 납 프리 땜납 재료를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 땜납 합금은, 용융 온도가 현행의 Sn-Pb땜납과 같은 정도 로, 현행의 부품이나 생산 설비를 그대로 사용할 수 있다. 그리고, 액상선 온도와 고상선 온도와의 차이가 작아, 복수회의 실장 공정을 이용하는 경우에 있어서도, 부품 리드의 부유 발생을 거의 억제할 수 있다. 또한, 고온 고습도하에 노출되었을 때의 접합부 강도 저하를 막는다.

Claims (6)

1. Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금에 있어서, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가,

   3.0중량% < Zn < 5.0중량%

   0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

   0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

   이고, 나머지부가 Sn으로 구성되며, 침형상의 Zn 결정을 감소시키고 구형상의 Zn-Ag 층을 형성하여 Zn의 산화의 진행을 방지하고, 온도 85℃, 상대습도 85%의 분위기에 500시간 노출한 후의 접합강도가 1Kgf 이상인

   땜납 합금.
2. Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금에 있어서, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가,

   3.0중량% < Zn < 5.0중량%

   0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

   0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

   이고, 나머지부가 Sn으로 구성되며, 침형상의 Zn 결정을 감소시키고 구형상의 Zn-Ag 층을 형성하여 Zn의 산화의 진행을 방지하고, 온도 85℃, 상대습도 85%의 분위기에 500시간 노출한 후의 접합강도가 1Kgf 이상인 땜납 합금과, 플럭스로 이루어지는

   납 프리 땜납 재료.
3. Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금에 있어서, 또한 Ni, Ti, Mg, Co로 이루어지는 그룹 중의 적어도 하나의 첨가 원소를 갖고, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가,

   3.0중량% < Zn < 5.0중량%

   0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

   0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

   이며, 상기 첨가 원소의 첨가량이 0.001중량% 이상이고 0.05중량% 이하인 범위에 있고, 나머지부가 Sn으로 구성되며, 침형상의 Zn 결정을 감소시키고 구형상의 Zn-Ag 층을 형성하여 Zn의 산화의 진행을 방지하고, 온도 85℃, 상대습도 85%의 분위기에 500시간 노출한 후의 접합강도가 1Kgf 이상인

   땜납 합금.
4. Sn-Zn-In-Ag계 땜납 합금에 있어서, 또한 Ni, Ti, Mg, Co로 이루어지는 그룹 중의 적어도 하나의 첨가 원소를 갖고, Sn, Zn, In, Ag의 조성비가,

   3.0중량% < Zn < 5.0중량%

   0.1중량% ≤In ≤4.0중량%

   0.1중량% ≤Ag ≤0.4중량%

   이며, 상기 첨가 원소의 첨가량이 0.001중량% 이상이고 0.05중량% 이하인 범위에 있고, 나머지부가 Sn 으로 구성되며, 침형상의 Zn 결정을 감소시키고 구형상의 Zn-Ag 층을 형성하여 Zn의 산화의 진행을 방지하고, 온도 85℃, 상대습도 85%의 분위기에 500시간 노출한 후의 접합강도가 1Kgf 이상인 땜납 합금과, 플럭스로 이루어지는

   납 프리 땜납 재료.
5. 제 1 항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 전기·전자기기의

   땜납 접합부.
6. 제 3 항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 전기·전자기기의

   땜납 접합부.

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