KR101004589B1

KR101004589B1 - 기능 부품용 리드와 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101004589B1
Application number: KR1020097006095A
Authority: KR
Inventors: 리키야 가토; 미츠오 젠
Original assignee: 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2010-12-29
Also published as: JPWO2008026761A1; US20100291399A1; CN101529583B; KR20090046954A; WO2008026761A1; JP5045673B2; CN101529583A

Abstract

기능 부품의 패키지와 리드를 접합시키는 고상선 온도가 250 ℃ 이상인 고온 땜납을 대체하는 것으로서, 고상선 온도 400 ℃ 이상의 Cu 계 금속 분말과 Sn 계 땜납 분말을 혼합하여 얻은 솔더 페이스트를, 납땜성이 우수한 도금이 미리 실시된 난(難)땜납 재료의 리드에 도포·가열함으로써 얻어지는, 그 도금면에 Cu 계 금속 분말과 Cu₆Sn₅ 의 금속간 화합물과 무연 땜납으로 이루어지는 땜납층이다. 이러한 땜납층은 금속간 화합물이 난땜납 재료에 접합되어 있음과 함께 금속간 화합물끼리가 연결되어 있기 때문에, 고온 땜납으로서 기능함과 함께, 고온 땜납은 납땜성은 좋지 않지만, 본 발명에 의하면 그러한 문제는 회피할 수 있다.

기능 부품용 리드

Description

기능 부품용 리드와 그 제조 방법{LID FOR FUNCTIONAL PART AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 기능 부품, 특히 소자가 패키지 내에 수납된 기능 부품의 패키지를 기밀하게 밀봉하는 리드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

수정 진동자나 표면 탄성파 필터 (SAW Filter), 센서 등의 기능 부품은 소자가 패키지내에 수납되어 있고, 그 패키지를 리드로 덮어 기밀 상태로 되어 있다. 이 패키지를 리드에 의해 기밀 상태로 밀봉하기 위해서는, 접착제, 경납, 땜납을 사용하는데, 밀봉 작업의 용이성이나 재료의 경제성에서 땜납을 사용하는 것이 바람직하다. 패키지는, 알루미나, 질화알루미늄, 멀라이트, 유리 세라믹 등의 세라믹으로 제조되어 있어 그대로는 땜납에 의해 접합할 수 없다. 그러한 패키지와 리드를 접합시키기 위해서, 패키지의 접합부에는 텅스텐이나 몰리브덴 등을 메탈라이즈 (metallize) 처리한 후, 그 위에 납땜 가능한 Ag-Pt, Ni, Au 등의 도금을 실시한다.

한편, 리드는 코바르 (Fe-29Ni-17Co), 42 얼로이 (Fe-42Ni) 등의 Fe-Ni 계 합금으로 제조되어 있다. 이 Fe-Ni 계 합금을 판상으로 한 리드 재료판을 패키지의 형상·치수에 맞춰 성형하여 리드로 한다. Fe-Ni 계 합금을 리드로서 사 용하는 것은, 이들 Fe-Ni 합금은 열팽창률이 세라믹에 가깝기 때문이다. 요컨대, 패키지에 리드를 납땜할 때, 및 기능 부품을 프린트 기판에 남땜할 때에, 각각 가열하는데, 패키지와 리드의 열팽창차가 크면 양자간에 변형이 일어나, 취약한 패키지가 파괴되거나 균열이 일어난다.

패키지와 리드를 땜납으로 접합시켜 제조된 기능 부품은 프린트 기판에 실장 (mounting) 된다. 기능 부품의 프린트 기판에 대한 실장은 땜납으로 실시하는데, 이 실장시의 납땜에 있어서, 먼저 납땜한 패키지와 리드의 땜납 접합부가 용융되어 버리면, 리드가 패키지로부터 박리되거나, 어긋나거나 하여 문제가 된다. 그래서 패키지와 리드를 접합시키는 땜납으로는, 기능 부품의 실장에 사용하는 땜납의 납땜 온도에서 용융되지 않는 고온 땜납을 사용한다.

종래, 기능 부품의 실장에 사용하는 땜납은 Pb-63Sn 의 Pb 계 공정 땜납이었다. 일반적으로 납땜 온도는 땜납의 액상선 온도 + 30 ∼ 50 ℃ 가 적당한 것으로 되어 있고, Pb 계 공정 땜납은 액상선 온도가 183 ℃ 이기 때문에, 이 공정 땜납을 사용한 납땜 온도는 210 ∼ 230 ℃ 가 된다. 따라서, 기능 부품을 Pb 계 공정 땜납으로 실장하는 경우, 상기 고온 땜납은 고상선 온도가 240 ℃ 이상이면 기능 부품의 실장시에 고온 땜납이 용융되지 않아, 패키지와 리드가 박리되는 경우가 없다. 그래서 실장에 Pb 계 공정 땜납을 사용하는 기능 부품에서는, 패키지와 리드의 납땜에는 Pb 주성분의 고온 땜납, 예를 들어 Pb-5Sn (고상선 온도 300 ℃, 액상선 온도 314 ℃), Pb-2.5Ag (고상선 온도 304 ℃, 액상선 온도 304 ℃) 등을 사용하고 있었다.

그러나, 최근 납의 유해 작용이 문제시 되고 있고, 그 때문에 현재는 세계적 규모로 Pb 의 사용이 규제되게 되었다. 당연히 Pb 를 함유하는 Pb 계 공정 땜납은 규제의 대상이 되고 있어, 실장용 땜납으로는 Pb 를 함유하지 않는 이른바 무연 (無鉛) 땜납이 사용되게 되었다.

무연 땜납이란, Sn 단체 (單體), 또는 Sn 을 주성분으로 하고, 이것에 Ag, Cu, Sb, Zn, Bi, In, Fe, Ni, Cr, Co, Ce, Ca, P 등을 첨가한 것으로서, 크게 나누면 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-Zn 계, Sn-Sb 계, Sn-Bi 계, Sn-In 계 등이 있다. 여기에서 말하는 「계」 란, 2 원 합금 그 자체 이외에, 그 2 원 합금에 다른 금속 원소를 첨가하여 3 원계나 4 원계 이상으로 한 것이다. 예를 들어 Sn-Ag 계로는 Sn-3.5Ag 나 Sn-3Ag-0.5Cu 등이 있다.

전술한 바와 같이 Pb 계 공정 땜납은, 프린트 기판이나 기능 부품에 대하여 열 영향을 주지 않는 온도에서 납땜이 가능하고, 또 납땜성이 우수한 것이기 때문에, 무연 땜납이라도 Pb 계 공정 땜납에 가까운 납땜 온도와 납땜성이 요구되고 있다.

납땜 온도가 Pb 계 공정 땜납의 그것에 가까운 무연 땜납으로는 Sn-Zn 계 (Sn-9Zn : 고·액상선 온도 199 ℃) 가 있는데, 이 계의 무연 땜납은 Pb 계 공정 땜납에 비해 납땜성이 나쁘고, 또 Zn 이 비(卑)금속으로서, 납땜 후에 입자간 부식을 일으키는 경우가 있기 때문에 현재 많이 사용되고 있지는 않다.

Sn-Bi 계는 고상선 온도가 139 ℃ 이며, 프린트 기판이나 반도체 소자에 대한 열 영향은 없지만, 고상선 온도가 지나치게 낮다. 따라서, 이 계의 땜납으 로 납땜한 부분은 사용시에 열을 발하는 파워 트랜지스터나 트랜스가 근방에 있으면, 접합 강도가 약해지거나 용융되거나 한다. 마찬가지로 Sn-In 계는 고상선 온도가 117 ℃ 에서 나타나기 때문에 고상선 온도가 지나치게 낮은 것에 따른 문제가 발생한다.

Sn-Ag 계의 Sn-3.5Ag 는 고상선 온도가 221 ℃, 액상선 온도가 223 ℃ 이며, 납땜을 250 ℃ 전후에서 실시할 수 있다. 이 납땜 온도는 Pb 계 공정 땜납의 납땜 온도보다 조금 높지만, 프린트 기판이나 기능 부품에 열 영향을 주지 않는 온도이다. 또 Sn-Ag 계는 납땜성이 Pb 계 공정 땜납보다는 열등하지만, 실용상 문제 없이 납땜을 실시할 수 있다.

Sn-Cu 계의 Sn-0.7Cu 는 고·액상선 온도가 227 ℃ 로서, 납땜 온도는 Sn-Ag 계보다 조금 높아지기는 하지만, 온도 관리를 적절히 실시하면 문제는 없다.

또, Sn-Ag 계로는 Sn-3Ag-0.5Cu (고상선 온도 217 ℃, 액상선 온도 220 ℃) 가 있다. 이 무연 땜납은 Sn-Ag 계 중에서도, 고상선 온도 및 액상선 온도가 가장 낮을뿐만 아니라, Sn-Cu 계보다 납땜성이 우수하다. 따라서, Sn-3Ag-0.5Cu 는 현재, 대체 Pb 계 공정 땜납으로서 많이 사용되고 있는 무연 땜납이다.

그런데 기능 부품의 패키지와 리드의 납땜에서는, 기능 부품을 실장할 때의 납땜 온도에서 용융되지 않는 고온 땜납이 필요한 것은 전술한 바와 같다. 요컨대 기능 부품의 실장용으로서 Pb 계 공정 땜납을 사용할 수 없게 되었기 때문에, Sn-3Ag-0.5Cu 가 실장용으로서 널리 사용되고 있는데, 이 무연 땜납을 사용하는 경우, 납땜 온도는 240 ∼ 250 ℃ 가 된다. 따라서, 패키지와 리드를 납땜하는 무연의 고온 땜납은 적어도 250 ℃ 이상의 고상선 온도를 갖는 것이어야 한다.

그러나, 고상선 온도가 250 ℃ 이상이고, 게다가 액상선 온도가 기능 부품의 내열 온도인 300 ℃ 이하의 Sn 주성분의 고온 땜납은 존재하지 않았다. 요컨대 Sn 주성분인 것에 Cu, Ag, Sb 등의 고융점 금속을 대량으로 첨가하여 고온 땜납으로 하고자 해도, 액상선 온도만이 상승하여 고상선 온도는 250 ℃ 이하이다. 예를 들어 Cu 를 대량으로 첨가한 Sn-5Cu 는 고상선 온도가 227 ℃, 액상선 온도가 375 ℃ 이고, Ag 를 대량으로 첨가한 Sn-5Ag 는 고상선 온도가 221 ℃ 이고, 액상선 온도가 245 ℃ 이며, 또 Sb 를 대량으로 첨가한 Sn-10Sb 는 고상선 온도가 245 ℃, 액상선 온도가 266 ℃ 이다. 따라서, 이들 땜납을 기능 부품의 리드와 패키지의 납땜에 사용하고, 이어서 Sn-3Ag-0.5Cu 의 땜납을 사용하여 그러한 기능 부품을 프린트 기판에 250 ℃ 에서 납땜하면, 앞의 납땜부가 용융 또는 반용융 상태가 되어 패키지와 리드의 접합 강도가 약해지거나, 완전하게 박리되거나 한다.

종래부터 Sn 볼과 Cu 볼을 혼합한 고온 땜납용 솔더 페이스트가 제안되어 있었다 (특허문헌 1, 2). 이것은 솔더 페이스트로서 전자 기기의 납땜에 사용되고, 얻어진 Cu 혼합 고온 땜납이, 땜납 접합부를 구성하고, 내고온 특성을 갖는다는 것이다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2002-254194호

특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 2002-261105호

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나, Cu 혼합 고온 땜납은 납땜성이 종래의 Pb 주성분의 고온 땜납보다 열등하였다. 또, Cu 혼합 고온 땜납의 솔더 페이스트에서는 기능 부품의 패키지와 리드의 납땜에는 문제가 있었다.

따라서, Cu 혼합 고온 땜납을 기능 부품의 패키지와 리드의 납땜에 사용하고자 해도, 전술한 Cu 혼합 고온 땜납용 솔더 페이스트에서는, 납땜성이 나쁜 리드를 접합시킬 수 없었고, 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트에서는, 리드와 패키지, 특히 기능 부품의 패키지와의 납땜에 문제가 있었다.

본 발명은 Cu 혼합 고온 땜납을 사용하고 있음에도 불구하고, 리드와 패키지의 납땜시에 땜납이 용이하게 젖는 기능 부품용 리드, 및 그 리드의 제조 방법을 제공한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은 이하의 점에 주목하여 본 발명을 완성시켰다.

(ⅰ) 땜납과 액상 플럭스를 혼합한 솔더 페이스트는 납땜부 전역에 도포하고, 도포 후에 가열하여 솔더 페이스트를 용융시키면 납땜부 전역에 땜납이 부착되는 점,

(ⅱ) 납땜성이 나쁜 재료에 땜납을 부착시키기 위해서는 그 재료에 납땜성이 우수한 금속을 도금해 두면, 땜납은 그 재료에 용이하게 젖는 점,

(ⅲ) 땜납 중에 금속 Cu 입자를 분산시킨 땜납층을 미리 리드에 형성해 둠으로써, 플럭스를 사용하지 않고 패키지의 접합면에 대한 젖음성을 확보할 수 있고, 또 고온에서의 접합 강도가 개선되는 점,

(ⅳ) 고온 땜납상을 미리 형성해 두면, 플럭스를 사용할 필요가 없이 분위기 납땜이 가능해져 기능성 부품에 수용되는 소자에 악영향을 주지 않는 점.

본 발명은 땜납을 사용하여 패키지와 접합되는 기능 부품용 리드에 있어서, 리드의 편면 (片面) 에 납땜성이 우수한 금속이 도금되어 있고, 그 도금면에는 고상선 온도 400 ℃ 이상의 Cu 계 금속 분말과 Cu₆Sn₅ 의 금속간 화합물과 Sn 함유 무연 땜납으로 이루어지는 두께 5 ∼ 40 ㎛ 의 땜납층이 형성되어 있고, 그 땜납층에서는 무연 땜납의 매트릭스 중에 Cu 계 금속 분말이 분산되어 있고, 게다가 그 Cu 계 금속 분말의 주위에는 Cu₆Sn₅의 금속간 화합물이 존재하고 있으며, 또 이 금속간 화합물은 상기 도금면에 접합되어 있음과 함께 금속간 화합물끼리가 적어도 일부 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드이다.

다른 면에서는, 본 발명은 하기 공정을 구비한 기능 부품용 리드의 제조 방법이다.

(A) 편면에 납땜성이 우수한 금속이 도금된 리드 재료판의 그 도금면에, 고상선 온도 400 ℃ 이상의 Cu 계 금속 분말과 Sn 함유 무연 땜납 분말과 플럭스 로 이루어지는 솔더 페이스트를 일정 두께로 도포하는 도포 공정;

(B) 상기 솔더 페이스트가 도포된 리드 재료판을, 무연 땜납의 액상선 온도 이상, Cu 계 금속 분말의 고상선 온도 이하로 가열하여, 리드 재료판의 도금면에 바람직하게는 두께 5 ∼ 40 ㎛ 의 땜납층을 형성하고, 그 땜납층의 무연 땜납의 매트릭스 중에 Cu 계 금속 분말이 분산되고, 그 Cu 계 금속 분말의 주위에 Cu₆Sn₅의 금속간 화합물이 존재하며, 게다가 금속간 화합물은 리드 재료판에 접합됨과 함께 금속간 화합물끼리가 적어도 일부 연결되도록 하는 가열 공정;

(C) 편면에 상기 땜납층이 형성된 리드 재료판을 세정액으로 세정하여 플럭스 잔사를 완전히 제거하는 세정 공정; 및

(D) 상기 플럭스 잔사가 제거된 리드 재료판을 가공하여 소정 형상의 리드로 하는 리드 성형 공정;

으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드의 제조 방법.

또한 다른 면에서는, 본 발명은 세라믹제 패키지와 열팽창률이 세라믹에 가까운 금속제 리드가 땜납에 의해 접합되어 있는 기능 부품에 있어서, 땜납층은 Sn 함유 무연 땜납의 매트릭스 중에 고상선 온도 400 ℃ 이상의 Cu 계 금속 분말이 분산되어 있고, 그 Cu 계 금속 분말의 주위에는 Cu₆Sn₅의 금속간 화합물이 존재하고 있으며, 게다가 그 금속간 화합물은 패키지에 실시한 도금층과 리드의 금속 도금층에 접합되어 있음과 함께, 금속간 화합물끼리가 적어도 일부 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기능 부품이다.

발명의 효과

본 발명의 기능 부품용 리드는 리드의 편면에 Cu 함유 고온 땜납으로 이루어지는 땜납층이 형성되어 있기 때문에 기능 부품을 제조할 때에 패키지 상에 리드를 탑재하여 가열하는 것만으로 기능 부품을 얻을 수 있어 간편한 제조가 가능해진다. 또 고융점의 Cu₆Sn₅의 금속간 화합물 (이하, CuSn 화합물이라고 한다) 이 리드에 접합되어 있기 때문에 리드를 패키지에 탑재하여 가열했을 때에 땜납은 용융되어 패키지에 납땜되는데, 땜납층과 리드의 위치가 어긋나지 않는다.

또 본 발명의 기능 부품용 리드의 제조 방법은, 난(難)납땜성의 리드 재료판에, 납땜성이 우수한 금속을 도금해 두고, 게다가 솔더 페이스트를 리드 재료판의 편면에 도포하여 가열하기 때문에, 납땜성이 부족한 Sn 함유 무연 땜납을 확실하게 부착시킬 수 있다. 게다가, 본 발명의 제조 방법에서는 솔더 페이스트의 도포 두께를 일정하게 함으로써 땜납층의 부착 두께를 일정하게 할 수 있기 때문에, 본 발명의 제조 방법에서 얻어진 리드는 패키지와의 접합 불량이 없을뿐만 아니라, 리드와 패키지간의 기밀성이 우수하다.

또한, 패키지와 리드가 Sn 함유 무연 땜납층에서 접합되어 있는 기능 부품은, 그 땜납층 내에서 형성된 CuSn 화합물이 패키지의 도금층과 리드의 도금층에 각각 접합되어 있을뿐만 아니라, 땜납층 내의 금속간 화합물끼리가 연결되어 있다. 따라서, 그러한 기능 부품을 프린트 기판에 실장할 때에, 실장용 무연 땜납, 예를 들어 Sn-3Ag-0.5Cu (고상선 온도 : 217 ℃, 액상선 온도 : 220 ℃) 에서의 납땜 온도 (240 ∼ 260 ℃) 에서도 용융되지 않기 때문에, 리드가 패키지로부터 박리되거나 이동하거나 하지 않는다. 본 발명에 의하면, 이와 같이 신뢰성이 우수한 기능 부품을 얻을 수 있다.

본 발명은 상자형의 패키지용의 평평한 리드뿐만 아니라, 평평한 패키지용의 캡형 리드에도 적용할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 관련된 리드의 제조 방법에 있어서의 솔더 페이스트의 도포 공정을 나타내는 것으로서, 도 1(A-1) 은 그 도포 공정의 모식적 설명도, 도 1(A-2) 는 도포 후의 리드 재료판 단면의 모식도, 그리고 도 1(A-3) 은 그 확대도이다.

도 2 는 본 발명에 있어서의 가열 공정의 설명도이며, 도 2(B-1) 은 가열로인 리플로우로의 모식적 설명도, 도 2(B-2) 는 가열 공정을 거친 리드 재료판 단면의 모식적 설명도, 도 2(B-3) 은 그 부분 확대도이다.

도 3 은 본 발명에 관련된 리드의 제조 방법에 있어서의 세정 공정 (C) 의 모식적 설명도이다.

도 4 는 본 발명에 관련된 리드의 제조 방법에 있어서의 리드 형성 공정의 모식적 설명도이며, 도 4(D-1) 은 띠상의 리드 재료판으로부터 목적으로 하는 형상의 리드를 성형하는 공정의 모식적 설명도, 도 4(D-2) 는 띠상의 리드 재료판 (1) 으로부터 펀칭된 리드 (18) 의 사시도이다.

도 5 는 본 발명에 의해 제조되는 기능 부품의 단면도이다.

도 6 은 도 5 의 납땜부 (J) 의 확대 단면도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명에서는, 리드로서 코바르 또는 42 얼로이 등의 Fe-Ni 계 합금을 사용하였다. 이들 합금은 열팽창 계수가 패키지의 재료인 세라믹에 가깝기 때문에, 리드와 패키지의 납땜시나, 기능 부품의 실장시의 가열에 의해 양자간에 변형이 일 어나지 않는다. 그런데 이들 Fe-Ni 계 합금은 납땜성이 나쁘기 때문에 미리 리드에 성형하기 전의 띠상의 리드 재료판에 납땜성이 우수한 금속을 도금해 둔다.

본 발명에 있어서, 리드 재료판에 도금하는 납땜성이 우수한 금속으로는, Sn, Cu, Ag, Sn-Cu 합금, Sn-Ag 합금 등이 있다. 바람직하게는, Sn, Sn-Cu (Cu : 3％ 이하), Sn-Bi (Bi : 3％ 이하) 이다.

리드 재료판에 이들 금속을 도금하기 위해서는, 전해 도금, 무전해 도금 등으로 실시한다. 도금의 두께는 0.5 ∼ 5 ㎛ 가 적합하다. 도금 두께가 0.5 ㎛ 보다 얇으면, 납땜시에 용융 땜납 중에 쉽게 확산되어 없어져 버려 납땜성을 나쁘게 한다. 이것이 5 ㎛ 보다 두꺼워지면, 도금 작업에 시간이 걸려 생산성이 나빠진다.

본 발명에서 기재하는 「계 합금」이란, 전술한 바와 같이 2 원계 합금뿐만 아니라, 그 2 원계 합금에, 추가로 다른 금속이 첨가된 합금도 의미한다.

본 발명에 사용하는 Cu 계 금속 분말은 순 Cu 분말 또는 고상선 온도가 400 ℃ 이상인 Cu 계 합금 분말이다. Cu 계 금속 분말의 고상선 온도가 400 ℃ 보다 낮으면, 솔더 페이스트로 하여 가열할 때에, Cu 계 금속 분말이 용융 땜납에 용이하게 용해되어, 땜납 중에 분말 상태로 남게 되지 않기 때문이다. Cu 계 합금 분말로는 Cu-Sn 계 합금 분말, Cu-Ag 계 합금 분말, Cu-Zn 계 합금 분말, Cu-Ni 계 합금 분말이 들 수 있다. 순 Cu 는 융점 (고상선 온도) 이 1083 ℃, Cu-50Sn 은 고상선 온도가 415 ℃, Cu-28Ag 는 고상선 온도가 780 ℃, Cu-98Zn 는 고상선 온도가 424 ℃, Cu-10Ni 는 고상선 온도가 1000 ℃ 이다.

본 발명에 사용하는 Cu 계 금속 분말의 평균 입경은 2 ∼ 30 ㎛ 가 적합하다. 그 입경이 2 ㎛ 보다 작으면 용융 땜납에 확산되기 쉬워지고, 30 ㎛ 보다 크면 인쇄성에 지장을 초래하게 된다. 바람직하게는 2 ∼ 15 ㎛ 이다.

본 발명에 사용하는 Cu 계 금속 분말에는 Ni 도금을 해 두어도 된다. Cu 계 금속 분말에 Ni 도금을 해 두면, Cu 계 금속 분말과 Sn 함유 무연 땜납 분말과 플럭스로 이루어지는 솔더 페이스트를 리드 재료판에 도포한 후, 가열했을 때에 Cu 계 금속 분말과 용융 무연 땜납의 반응이 늦어져, 납땜에 지장을 초래하는 CuSn 화합물의 형성을 늦춰 보이드 (void) 가 적어지는 등의 효과가 있어 납땜성이 양호해진다. 이 가열 시점에서는, Ni 가 용융 무연 땜납 중에 확산되는 것만으로 Cu 와의 반응이 억제되기 때문이다. 그리고 리드 재료판에 땜납층을 형성하고, 리드에 성형한 후, 패키지에 탑재하여 다시 가열했을 때에 Cu 계 금속 분말과 용융 무연 땜납이 반응하여 CuSn 화합물 (Cu₆Sn₅) 이 생성된다.

Ni 도금을 실시할 때에는 0.03 ∼ 0.3 ㎛ 두께의 Ni 도금이 바람직하다. 도금 두께가 0.03 ㎛ 보다 얇으면 CuSnb 화합물의 생성을 늦추는 효과가 없고, 한편 0.3 ㎛ 보다 두꺼워지면, SnCu 화합물이 형성되지 않아 내열성이 향상되지 않는다.

본 발명에 사용하는 Sn 함유 무연 땜납은 순 Sn 또는 Sn 계 땜납, 바람직하게는 Sn 이 40 질량％ 이상 함유된 Sn 계 합금이다. Sn 함유 무연 땜납은 용융시에 Cu 계 금속 분말의 입자 표면 영역에서 Cu 와 합금화되어 CuSn 화합물을 형성 하도록 되어 있다. 따라서, 무연 땜납 중에 Sn 이 40 질량％ 이상 함유되어 있지 않으면 CuSn 화합물이 형성되기 어려워진다.

본 발명에 사용하여 바람직한 무연 땜납으로는, 순 Sn 또는 Sn 계 합금이며, Sn 계 합금으로는 Sn-Ag 계 합금, Sn-Cu 계 합금, Sn-Sb 계 합금, Sn-Zn 계 합금, Sn-In 계 합금, Sn-Bi 계 합금 등을 들 수 있다. 예를 들어 Sn-3.5Ag 합금, Sn-0.7Cu 합금, Sn-3Ag-0.5Cu 합금, Sn-9Zn 합금, Sn-52Bi 합금, Sn-58In 합금 등이 있다.

본 발명에 사용하는 무연 땜납의 평균 입경은 2 ∼ 30 ㎛ 가 적합하다. 그 입경이 2 ㎛ 보다 작으면 표면 산화량이 많기 때문에, 리플로우성이 나빠져 Cu 계 금속 분말과의 반응성이 늦어지고, 30 ㎛ 보다 크면 Cu 계 금속 분말 표면과의 접촉이 적어 반응성이 나빠져 땜납 가루와 Cu 계 분말의 응집 부족이나 그것에 따른 SnCu 화합물의 생성이 저해되는 경우도 발생한다.

본 발명의 리드의 제조 방법에서 사용하는 솔더 페이스트는, Cu 계 금속 분말과 Sn 함유 무연 땜납 분말과 플럭스를 혼화하여 페이스트상으로 한 것이다. Cu 계 금속 분말과 Sn 함유 무연 땜납 분말과의 혼합 비율은, Cu 계 금속 분말 15 ∼ 40 질량％, 잔부 Sn 함유 무연 땜납 분말이 적합하다. Cu 계 금속 분말이 15 질량％ 보다 적으면 땜납의 합금층 내에서 형성되는 CuSn 화합물의 양이 적어져 고온 분위기에서의 접합 강도가 약해진다. 그러나, Cu 계 금속 분말이 40 질량％ 보다 많아지면, 땜납의 양이 적어져 납땜성이 나빠진다. 바람직하게는 25 ∼ 35 질량％ 이다.

본 발명에서는 리드 재료판의 편면에 솔더 페이스트를 도포하고나서 가열하는데, 솔더 페이스트의 바람직한 도포 두께는 20 ∼ 80 ㎛ 이다. 솔더 페이스트의 도포 두께가 20 ㎛ 보다 얇으면, 솔더 페이스트를 용융시켰을 때에 리드 재료판에 형성되는 땜납층의 두께가 얇아지고, 리드를 패키지에 탑재하여 가열했을 때에 땜납의 양이 적어져 접합 강도가 약해질 뿐만 아니라, 패키지를 밀봉할 수 없게 된다. 그런데 솔더 페이스트의 도포 두께가 80 ㎛ 보다 두꺼우면, 리드 재료판에 형성되는 땜납층의 두께가 지나치게 두꺼워져 패키지와의 납땜시에, 과잉된 땜납이 패키지 내에 침입하여 소자에 부착되거나 늘어져 떨어지거나 한다.

본 발명에서는 리드 재료판의 편면에, 바람직하게는 그 전체면에 솔더 페이스트를 도포한 후 가열하는데, 이 때의 가열 온도는 솔더 페이스트 중의 Sn 함유 무연 땜납 분말이 용융되는 온도 이상이며, Cu 계 금속 분말이 용융되지 않는 온도이다. 그 가열 온도는 250 ∼ 300 ℃ 가 적합하다. 요컨대 250 ℃ 이면, 대부분의 Sn 함유 무연 땜납이 용융되어 리드 재료판에 젖고, 300 ℃ 를 초과하면 패키지 내에 수납되어 있는 소자를 열손상시키거나 기능 열화시키거나 한다.

본 발명에 사용하는 솔더 페이스트의 플럭스로는, 종래 많은 납땜에 사용되고 있는 것을 사용할 수 있다. 일반적으로 솔더 페이스트용 플럭스는 송진, 활성제, 요변성 부여제 (thixotropic agent) 등의 고형 성분을 용제로 용해시킨 것이다. 본 발명에 있어서도 그러한 플럭스를 사용하면 된다.

이상의 설명으로부터 이미 분명한 바와 같이, 본 발명의 리드의 제조에 있어서는, 상기 서술한 바와 같은 솔더 페이스트를 리드 재료판에 도포하여 가열한다. 이 때 용융된 Sn 이 Cu 입자의 표면 영역에서 Cu 와 합금화되어 Cu₆Sn₅ 금속간 화합물을 생성한다. 이 CuSn 화합물은 융점이 415 ℃ 라는 고온이기 때문에, 얻어지는 땜납층 전체가 우수한 내열성을 나타낸다.

한편, 이와 같이 리드 재료판의 편면에 솔더 페이스트를 도포하여 가열하면, 용제가 휘산되어 표면에 고형 성분이 플럭스 잔사로서 남는다. 그 플럭스 잔사가 기능 부품 중에 조금이라도 남아 있으면, 기능 부품의 기능에 악영향을 미치기 때문에 플럭스 잔사는 완전히 제거해야 한다. 플럭스 잔사를 세정하는 경우, 고형 성분이 수지계이면 알코올과 같은 유기 용제를 사용하고, 고형 성분이 수용성이면 수계 용제를 사용한다.

세정하여 얻은 리드판 재료는 목적으로 하는 리드의 형상·치수에 따라 적절히 수단, 예를 들어 펀칭 가공, 나아가서는 프레스 가공에 의해 평판 형상의 리드 또는 캡형의 리드로 한다.

본 발명의 리드의 제조 방법은, 그 바람직한 양태로는 띠상의 리드 재료판에 대하여 상기 서술한 도포 공정, 가열 공정, 세정 공정, 성형 공정의 각 공정을 연속해서 실시하면 되고, 이로써 상기 서술한 바와 같은 땜납층을 전체면에 걸쳐 형성한 띠상재로부터 목적으로 하는 형상·치수의 리드를 펀칭 가공, 나아가서는 프레스 가공 등의 성형 수단으로 제조할 수 있다. 이와 같은 리드를 사용함으로써 난(難)납땜 재료로 이루어지는 리드를, 플럭스를 사용하지 않고 패키지에 납땜할 수 있다.

실시예

본 발명의 리드의 제조 방법을 도면에 나타내는 방법에 의해 실시하였다.

도 1 ∼ 4 는 본 발명의 리드의 제조 방법에 있어서의 각 공정을 설명하는 것이다.

본 예의 리드의 제조 방법에 사용한 리드 재료판, 리드의 도금, 솔더 페이스트의 일 예는 이하와 같다.

리드 재료판 : 코바르 (두께 0.1 ㎜, 폭 40 ㎜ 의 장척재 (長尺材))

리드 재료판의 도금 : Ni 하지 (두께 0.1 ㎛), Sn 도금 (두께 3 ㎛) 무전해 도금에 따른다.

솔더 페이스트

순 Cu 분말 (Cu 계 금속 분말) : 27 질량％ (평균 입경 7 ㎛)

순 Sn 분말 (무연 땜납 분말) : 63 질량％ (평균 입경 10 ㎛)

플럭스 : 10 질량％

플럭스 성분

수지 (중합 로진) 56 질량％

활성제 (디페닐구아디닌 HBr) 1 질량％

요변성 부여제 (경화 피마자유) 3 질량％

용제 (디에틸렌글리콜모노부틸에테르) 40 질량％

(A) 솔더 페이스트 도포 공정

도 1 은 본 발명에 관련된 리드 제조 방법을 구성하는 솔더 페이스트의 도포 공정을 나타내는 것으로서, 도 1(A-1) 은 그 도포 공정의 모식적 설명도이고, 도 1(A-2) 는 도포 후의 리드 단면의 모식도, 그리고 도 1(A-3) 은 그 확대도이다.

솔더 페이스트의 도포 공정은 리드 재료판 (1) 의 도금층 (2) 의 표면에 솔더 페이스트 (3) 를 도포하는 공정이다.

리드 재료판 (1) 의 도금층 (2) 의 표면에 스크린 (4) 을 중첩시키고, 그 스크린 상에 솔더 페이스트 (3) 를 탑재하고 나서, 그 솔더 페이스트를 스퀴지 (5) 로 화살표 (X) 방향으로 긁는다. 도포된 솔더 페이스트의 두께는 40 ㎛ 이다. 도 1(A-1) 참조.

리드 재료판 (1) 상의 스크린을 제거하면, 리드 (1) 의 도금층 (2) 의 표면에는 솔더 페이스트 (3) 가 소정의 두께로 도포된다. 도 1(A-2) 참조.

확대하면, 솔더 페이스트 (3) 는 순 Cu 분말 (6), Sn 분말 (7), 플럭스 (8) 가 혼재되어 있는 것을 알 수 있다. 도 1(A-3) 참조.

(B) 가열 공정

도 2 는 본 발명에 있어서의 가열 공정의 설명도이고, 도 2(B-1) 는 가열로인 리플로우로의 모식적 설명도이고, 도 2(B-2) 는 가열 공정을 거친 리드 재료판 단면의 모식적 설명도이며, 도 2(B-3) 은 그 부분 확대도이다.

솔더 페이스트가 도포된 리드 재료재 (1) 를 리플로우로 (9) 에서 가열시킴으로써 솔더 페이스트 중의 무연 땜납을 용융시켜 도금면에 접합시키고, 그 후 냉각시켜 응고시킨다. 리플로우로에서의 가열 온도는 예비 가열 온도가 150 ℃, 본 가열 온도가 250 ℃ 이다. 도 2(B-1) 참조.

리드 재료판 (1) 의 도금층 (2) 의 표면에는 두께 20 ㎛ 의 무연 땜납층 (10) 이 형성된다. 도 2(B-2) 참조.

땜납층 (10) 에서는, 무연 땜납의 매트릭스 (11) 중에 순 Cu 분말 (6) 이 분산되어 있고, Cu 분말의 외주부와 무연 땜납이 합금화되어 형성된 CuSn 화합물 (12) 이 그 Cu 금속 분말의 주위에 존재하고 있다. CuSn 화합물 (12) 은 도금층 (2) 과 접합되어 있음과 함께 CuSn 화합물 (12) 끼리도 접합되어 있다. CuSn 화합물끼리의 접합은 모든 CuSn 화합물이 접합되어 있는 것이 아니라, 적어도 일부의 CuSn 화합물이 접합되어 있다. 땜납층 (10) 상에는 솔더 페이스트의 플럭스 잔사 (13) 가 부착되어 있다. 도 2(B-3) 참조.

(C) 세정 공정

도 3 은 본 발명에 있어서의 세정 공정의 모식적 설명도이다.

땜납층을 편면, 바람직하게는 그 전체면에 형성한 띠상의 리드 재료판 (1) 을 알코올 (14) 이 주입된 세정조 (15) 내를 통과시켜 리드 재료판 (1) 에 부착되어 있는 플럭스 잔사를 세정한다. 세정조 (15) 내에는 회전 브러시 (16) 가 설치되어 있고, 알코올로 플럭스 잔사를 용해시킴과 함께 그 회전 브러시로 플럭스 잔사를 문질러 떼어낸다. 도 3 참조.

(D) 리드 형성 공정

도 4(D-1) 은 띠상의 리드 재료판으로부터 목적으로 하는 형상의 리드를 성형하는 공정의 모식적 설명도이며, 도 4(D-2) 는 띠상의 리드 재료판 (1) 으로부터 펀칭된 리드 (18) 의 사시도이다.

즉, 플럭스 잔사가 세정 제거된 리드 재료판 (1) 을 프레스 (17) 로 펀칭하여 3.6 ㎜×3.6 ㎜ 의 리드를 얻는다. 도 4(D-1) 참조.

프레스에 의해 펀칭되어 형성된 리드 (18) 에는, 편면에 두께 20 ㎛ 의 땜납층 (10) 이 균일하게 부착되어 있다. 도 4(D-2) 참조.

다음으로, 상기 제조 방법에 의해 얻어진 리드를 패키지에 탑재하여 기능 부품을 제작하였다. 도 5 는 기능 부품 (19) 의 단면도, 도 6 은 도 5 에 있어서의 패키지와 리드의 접합부 (J) 의 확대 단면도이다.

기능 부품 (19) 의 패키지 (20) 는 내측에 단차부가 형성된 상자 형상으로서, 내부에 소자 (21) 가 수납되어 있다. 패키지 (20) 의 상부 둘레 가장자리는 프레임 형상의 납땜부로 되어 있다. 그 납땜부에는 고융점의 금속이 메탈라이즈에 의해 부착되고, 그 위에 납땜 가능한 금속이 도금된 도금층 (22) 으로 되어 있다. 기능 부품 (19) 은 패키지 (20) 의 납땜부와 리드 (18) 가 땜납층 (10) 에서 접합되어 있는 것이다.

본 발명의 기능 부품 (19) 은 패키지 (20) 의 프레임 형상의 납땜부 상에 리드 (18) 의 땜납층을 맞추어, 가열함으로써 패키지 (20) 와 리드가 접합된 것이다. 기능 부품 (19) 의 접합부 (J) 에서는 도 6 에 나타내는 바와 같이 리드 (18) 의 금속 도금층 (2) 이 땜납층 (10) 중의 매트릭스 (11) 와 접합되어 있음과 함께, Cu 계 금속 분말 (6) 의 주위에서 형성된 CuSn 화합물 (12) 과 접합되어 있다. 또 마찬가지로 패키지 (20) 의 도금층 (22) 이 땜납층 (10) 중의 매트릭스 (11) 와 접합되어 있음과 함께, Cu 계 금속 분말 (6) 의 주위에 형성된 CuSn 화합물 (12) 과 접합되어 있다.

땜납층 (10) 중의 CuSn 화합물 (12) 끼리는 적어도 일부가 연결되어 있기 때문에, 리드 (18) 의 도금층 (2) 과 패키지 (20) 의 도금층 (22) 사이는 CuSn 화합물에 의해 접합되게 된다. 따라서, 리드 (18) 와 패키지 (20) 는 각각의 금속 도금층 (2) 과 도금층 (22) 을 개재하여 매트릭스 (11) 와 CuSn 화합물 (12) 에 의해 접합되어 있다.

그런데 Cu₆Sn₅ 의 금속간 화합물 자체의 융점은 415 ℃ 이나, 용융 땜납 중에 있어서의 그 화합물은 용융 땜납과의 조성의 비율에 의해 융점은 다소 내려간다. 본 발명자들의 실험 결과에서는, 30 질량％ 의 Cu 분말과 70 질량％ 의 Sn 분말을 250 ℃ 에서 용융시켰을 때는, 피크 온도가 약 400 ℃ 로 나타났다.

다음으로, 본 예에 있어서 사용한 Cu 계 금속 분말, 무연 땜납 분말을 여러 가지 변경하여 동일한 조작에 의해 제조한 리드를 패키지에 납땜하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.

즉, 표 1 의 조성으로 땜납층을 사용하여 제조된 리드를 사용하여 기능 부품을 제작하였다. 기능 부품의 리드는 3.6×3.6×0.1 (㎜) 이며, 그 리드의 편면에는 Ni 의 하지 도금과 그 위에 Sn 도금이 전해 도금에 의해 실시되어 있다.

기능 부품의 패키지는 3.8×3.8×1.1 (㎜) 이고, 납땜부의 폭이 0.45 ㎜ 인 프레임상으로 되어 있었다. 그 납땜부에는 두께 10 ㎛ 의 W 의 메탈라이즈, 그 위에 1 ㎛ 의 Ni 의 하지 도금, 추가로 Ni 하지 도금 위에 두께 0.5 ㎛ 의 Sn 도금으로 도금층이 형성되어 있다.

리드에는, 표 1 의 조성의 무연 땜납, Cu 계 금속 분말, 및 전술한 플럭스로 이루어지는 솔더 페이스트를 도포하여 리플로우 가열함으로써, 리드의 편면에 두께 10 ∼ 40 ㎛ 의 땜납층을 형성하였다. 그 리드의 땜납층과 패키지의 도금층이 합쳐지도록 하여, 패키지 위에 리드를 탑재하고, 추가로 그 리드 위에 10g 의 웨이트 (weight) 를 탑재한다. 그리고 이것들을 질소 분위기 리플로우로 중에서, 사용한 무연 땜납의 액상선 온도 + 30 ℃ 에서 가열하고, 리드와 패키지를 접합시킴으로써 기능 부품을 제작하였다.

이와 같이 하여 리드를 접합한 패키지를 300 ℃ 로 가열하고, 가열 상태인 채로 10㎝ 의 높이로부터 낙하시키는 내열성 시험을 각각 10 개씩 실시하였다. 만약, 납땜부에 내열성이 없으면 낙하에 의해 리드가 떨어져 버린다.

이 시험은 패키지에 리드를 납땜한 후에 실시하는 프린트 기판에 대한 실장 납땜을 시뮬레이트하는 것이다.

시험 결과를 표 1 에 나타낸다.

표 1 중의 내열성 평가는 상기 서술한 내열 시험에 있어서 기능 부품 10 개 모두의 리드가 소정의 위치에 머물러 있는 것을 「○」, 기능 부품 10 개 중 1 개라도 리드가 떨어지거나 어긋나거나 한 경우를 「×」 로 하였다.

본 예에 있어서 SnCu 화합물의 동정은 SEM 의 X선 애널라이저에 의해 실시하고, 본 발명예의 경우에는 모두 Cu₆Sn₅ 의 금속간 화합물의 생성을 확인하였다. 또, 단면(斷面)의 현미경 관찰에 의해 각 금속간 화합물이 적어도 일부에서 연결되어 있는 것도 확인하였다.

표 1 로부터 본 발명예의 리드에 의해 제작된 기능 부품에서는 리드가 떨어지거나 어긋나거나 한 것은 전혀 없었는데, 비교예의 리드에 의해 제작된 기능 부품에서는 대부분이 리드의 탈락이나 어긋남을 일으켰다.

또한, 비교예 1 ∼ 4 는 Cu 계 금속 분말을 함유하지 않은 경우이고, 비교예 5 는 Cu 계 금속 분말의 고상선 온도가 400 ℃ 미만인 경우이고, 비교예 6 은 Cu 계 금속 분말이 아닌 경우이며, 비교예 7 은 Cu 분말에 도금을 한 경우로서, 그 도금 두께가 두꺼운 (6 wt%) 때의 예를 나타낸다. 모두 내열성이 충분하지 않은데, 특히 비교예 6 의 경우에는, Ag-40Sn 땜납 (고상선 온도 221 ℃) 이며, CuSn 화합물이 생성되지 않기 때문에 내열성도 확보할 수 없었다.

Claims

땜납을 사용하여 패키지와 접합되는 기능 부품용 리드에 있어서, 리드와, 그 리드의 편면에 형성된 납땜성이 우수한 금속의 도금층과, 그 도금층의 표면에 형성된, 고상선 온도 400 ℃ 이상의 Cu 계 금속 분말과 Cu₆Sn₅의 금속간 화합물과 Sn 함유 무연 땜납으로 이루어지는 두께 5 ∼ 40 ㎛ 의 땜납층으로 이루어지고, 그 땜납층에서는 무연 땜납의 매트릭스 중에 Cu 계 금속 분말이 분산되어 있고, 게다가 그 Cu 계 금속 분말의 주위에는 Cu₆Sn₅의 금속간 화합물이 존재하고 있으며, 또 이 금속간 화합물은 상기 도금층 표면에 접합되어 있음과 함께 금속간 화합물끼리가 적어도 일부 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드.
제 1 항에 있어서, 상기 납땜성이 우수한 금속이, Sn, Cu, Ag, Sn-Cu 합금, Sn-Ag 합금에서 선택된 어느 것인 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Cu 계 금속 분말이, 순 Cu 분말 또는 Cu 계 합금 분말인 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Cu 계 금속 분말에는, 0.03 ∼ 0.3 ㎛ 의 Ni 도금이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 무연 땜납이, 순 Sn 또는 Sn 계 합금인 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드.
(A) 편면에 납땜성이 우수한 금속이 도금된 리드 재료판의 그 도금면에, 고상선 온도 400 ℃ 이상의 Cu 계 금속 분말과 Sn 함유의 무연 땜납 분말과 플럭스로 이루어지는 솔더 페이스트를 일정 두께로 도포하는 공정;

(B) 상기 솔더 페이스트가 도포된 리드 재료판을, 무연 땜납의 액상선 온도 이상, Cu 계 금속 분말의 고상선 온도 이하로 가열하여, 리드 재료판의 도금면에 땜납층을 형성하고, 그 땜납층의 무연 땜납의 매트릭스 중에 Cu 계 금속 분말이 분산되고, 그 Cu 계 금속 분말의 주위에 Cu₆Sn₅ 의 금속간 화합물이 존재하며, 게다가 금속간 화합물은 리드 재료판에 접합됨과 함께 금속간 화합물끼리가 적어도 일부 연결되도록 하는 가열 공정;

(C) 편면에 상기 땜납층이 형성된 리드 재료판을 세정액으로 세정하여 플럭스 잔사를 완전히 제거하는 공정; 및

(D) 상기 플럭스 잔사가 제거된 리드 재료판을 가공하여 소정 형상의 리드를 형성하는 공정;

으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드의 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 납땜성이 우수한 금속 도금이, Sn, Cu, Ag, Sn-Cu 합금, Sn-Ag 합금의 어느 것인 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드의 제조 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 Cu 계 금속 분말이, 순 Cu 분말 또는 Cu 계 합금 분말인 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드의 제조 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 Sn 함유의 무연 땜납이, 순 Sn 또는 Sn 계 합금인 것을 특징으로 하는 기능 부품용 리드의 제조 방법.