KR101088658B1 - 솔더 페이스트와 땜납 이음매 - Google Patents

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Abstract

고상선 온도가 255 ℃ 이상, 또한 Bi 와 Cu, Ag 전극과의 젖음성을 개선하여, 저온 납땜으로도 Pb 함유 고온 땜납에 가까운 젖음성을 달성하는 솔더 페이스트를 제공한다. Bi 또는 Bi 합금과, Bi 에 대한 고상선 온도 저하 금속과, 그 고상선 온도 저하 금속과 금속간 화합물을 형성하는 고상 금속으로 이루어지는 금속 분말 성분과, 플럭스 성분으로 구성되는 솔더 페이스트이다.
솔더 페이스트, 땜납 이음매.

Description

솔더 페이스트와 땜납 이음매{SOLDERING PASTE AND SOLDER JOINTS}
본 발명은, 솔더 페이스트, 특히 리플로우용 솔더 페이스트와 땜납 이음매에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은, 무연 (lead-free) 땜납으로 이루어지는 땜납 이음매를 형성하기 위한 리플로우용 솔더 페이스트와 이것을 사용하여 얻어진 땜납 이음매에 관한 것이다.
본 명세서에서는 편의상, 고온 땜납과 통상적인 땜납을 구별하여 본 발명을 설명한다.
여기에서, 고온 땜납이란, 통상은, 일반적인 땜납보다 융점이 높은 것의 총칭이지만, 본 명세서에서는 특히 무연 고온 땜납으로, 고상선 온도 255 ℃ 이상인 것을 말한다.
고온 땜납은, 예를 들어, 파워 트랜지스터의 전극 납땜의 경우와 같이, 땜납 이음매가 고온 상태에서 사용되는 용도로 통상적인 땜납과 동일하게 사용된다. 또한, 고온 땜납에는 다른 용도도 있다. 즉, 전자 기기 분야의 납땜에 있어서는, 먼저 최초로 목적으로 하는 부재에 납땜을 실시하고, 그 후에, 그 근방에 다시 납땜을 실시하는 경우가 있다. 이와 같은 두번째 납땜시에 최초의 땜납 이음매가 용융되지 않는 것이 중요하기 때문에, 최초의 납땜에는 용융 온도가 높은 고온 땜납을 사용하는 것이다.
종래의 고온 땜납은 Pb-5Sn (고상선 온도 : 300 ℃, 액상선 온도 : 314 ℃), Pb-10Sn (고상선 온도 : 268 ℃, 액상선 온도 : 301 ℃), Pb-2.5Ag (고상선 온도 : 304 ℃, 액상선 온도 : 304 ℃) 와 같은 Pb 주성분의 것이었다. Pb 주성분의 고온 땜납은, Cu 나 Ag 등으로 이루어지는 전극에 대한 납땜성이 우수하지만, 최근 Pb 공해의 문제로 인해, 그 사용이 규제되도록 되어 있다. 이 때문에 현재는, Pb 를 사용하지 않는 무연 고온 땜납이 개발되려 하고 있지만, Sn 주성분의 무연 땜납에서는 고온 땜납으로서 필요로 하는 높은 고상선 온도와 액상선 온도 양방을 갖는 것은 존재하지 않는다.
예를 들어, 현재의 무연 땜납의 주류인 Sn-Ag-Cu 합금 (Sn-3Ag-0.5Cu) 을 사용한 전자 부품의 기판 등에 대한 납땜은 약 240 ℃ 에서 실시된다. 따라서, 무연 고온 땜납을 사용한 납땜에 의해 제조된 전자 부품을 기판 등에 장착하는 경우, 무연 고온 땜납에 의한 최초의 땜납 이음매는, 상기와 같은 무연 땜납에 의한 두번째 납땜시에 재용융해서는 안되기 때문에, 실용상 무연 고온 땜납의 고상선 온도는 255 ℃ 이상일 필요가 있다. 종래, 255 ℃ 정도에서 반용융 상태인 고온 땜납도 제안되어 있으나, 이것은 어디까지나, 종래의 Pb 함유 고온 땜납의 대용이 되는 범용적인 무연 고온 땜납이 없기 때문에, 255 ℃ 에서 완전하게는 용융되지 않는 것을 대체품으로서 사용하고 있는 것에 지나지 않는다.
한편, 255 ℃ 이상의 고상선 온도를 갖는 합금으로서는, Bi, Bi-Ag, Bi-Cu, Bi-Sb 등 (특허문헌 1 ∼ 3), 몇 가지 Bi 합금이 공지되어 있지만, 모두 일반적인 납땜의 대상인 Cu, Ag 등의 전극과 반응하기 어려워, 양호한 땜납 이음매를 얻기 곤란하다. 납땜의 대상인 Cu, Ag 등의 전극과의 반응을 촉진하는 방법으로서는, 각각의 전극과 금속간 화합물을 형성하는 Sn, In 의 첨가가 유효하다. 그러나, 이들 원소의 첨가만으로는, Sn 이면 0.2 질량％ 이상, In 은 극미량의 첨가로도, 고상선 온도가 각각 139 ℃, 109.5 ℃ 가 되어, 고상선 온도가 255 ℃ 이하가 된다.
특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2001-205477호
특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 2005-72173호
특허문헌 3 : 일본 공개특허공보 2001-353590호
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명의 과제는, 고상선 온도 255 ℃ 이상에서, 또한, 일반적인 납땜 대상인 Cu, Ag 전극과의 젖음성을 개선하여, 저온에서의 납땜에 의해서도 Pb 함유 고온 땜납에 가까운 젖음성을 달성하는 솔더 페이스트를 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명자들은, 상기 서술한 과제를 해결하기 위해, Bi 또는 Bi 합금에 착안하여, 검토를 거듭하여 다음과 같은 견지를 얻었다.
(ⅰ) 땜납 합금을 구성하는 각 금속 성분을 고상선 온도 저하 성분과, 고상선 온도 확보 성분으로 기능별로 나누고, 각각 분말로서 배합하여 솔더 페이스트를 구성함으로써 Bi 또는 Bi 합금의 고온 땜납으로도 충분한 젖음성을 확보할 수 있다는 것,
(ⅱ) Bi 또는 Bi 합금에 대한 고상선 온도 저하 성분의 배합 비율을 규정하면 오히려 젖음성 개선 성분으로서 유효하게 이용할 수 있다는 것,
(ⅲ) 이와 같이 하여 젖음성을 개선해도 용융 후의 합금 전체의 조성 비율을 생각하면, 고상선 온도 저하는 피할 수 없기 때문에, 제 3 금속 성분으로서는 납땜 온도에서 고상을 나타내는 성분을 존재시킴으로써, 고상선 온도 확보 성분으로서 기능시켜 상기 서술한 고상선 저하 작용을 상쇄할 수 있다는 것, 그리고
(ⅳ) 이 때의 제 3 금속의 적어도 일부를 분말 성분으로서 배합함과 함께, 제 2 금속과 제 3 금속이 금속간 화합물을 형성하는 것을 선택함으로써, 제 2 금속과 제 3 금속의 금속간 화합물의 형성을 촉진할 수 있어, 고온 땜납으로서 필요한 고상선 온도도 효과적으로 확보된다는 것.
여기에서, 본 발명은 가장 넓은 의미로는, 3 종류의 금속 분말 성분과 플럭스 성분으로 구성되는 혼합물로, 3 종류의 금속 내, 적어도 1 종류의 금속은 고상선 온도 255 ℃ 이상의 Bi 또는 Bi 합금이고, 나머지 2 종류의 금속은 각각 고상선 온도 저하 성분과 고상선 온도 확보 성분인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트이다.
또한, 본 발명은, 제 1 금속과 제 2 금속과 제 3 금속으로 이루어지는 금속 분말 성분으로, 제 3 금속의 적어도 일부가 제 3 금속의 분말로서 함유되어 있는 금속 분말 성분과, 플럭스 성분이 혼련된 솔더 페이스트로서, 상기 제 1 금속은, Bi 또는 Bi 합금의 적어도 일방에서 선택되고, 상기 제 2 금속은, 상기 제 1 금속이 갖는 고상선 온도를 저하시키는 특성과, 상기 제 3 금속 사이에서 금속간 화합물을 형성하는 특성을 갖는 것으로, 상기 금속 분말 성분의 합계량을 100 질량％ 로 한 경우, 상기 제 2 금속이 0.7 ∼ 6 질량％, 상기 제 3 금속이 1.3 ∼ 10 질량％, 잔부가 상기 제 1 금속의 비율로 분말 성분으로서 배합되어 있는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트이다.
본 발명에 의하면, 제 1 금속에 제 2 금속을 첨가함으로써, 예를 들어 비교적 저온인 255 ℃ 부근의 온도에서 납땜이 가능해진다. 또한, 제 2 금속을 첨가함으로써, Cu, Ag 전극과의 젖음성을 개선하여, Pb 함유 고온 땜납에 가까운 젖음성으로 납땜이 가능해진다. 이와 동시에 저융점인 제 2 금속이, 제 3 금속과 고융점인 금속간 화합물을 형성하기 때문에, 얻어진 땜납 이음매는 고상선 온도가 255 ℃ 이상이 되고, 예를 들어, 그 후에, 일반적인 무연 땜납을 사용하여 두번째 납땜을 실시해도 최초의 땜납 이음매가 용융되지 않는다.
도 1 (a), (b) 는, Bi-Sn-Cu 3 원계 합금의 상태도이며, 본 발명의 땜납의 조성 범위를 나타낸다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 실시형태에 대하여 설명하는데, 본 발명에 있어서 상기 서술한 3 종류의 금속은, 각각 이하의 특징을 갖는다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 편의상, Bi 또는 Bi 합금, Bi 에 대한 고상선 온도 저하 금속, 그리고 고상선 온도 확보 금속이라 하고, 또 이들을 각각 제 1 금속, 제 2 금속, 그리고 제 3 금속이라 한다. 또한, 조성 비율을 나타내는 「％」는 특별히 언급하지 않는 한, 본 명세서에서는 이들 금속 성분의 합계량에 대한 「질량％」이다. 또한, 본 발명에서는 「금속」이라고 할 때, 특별히 언급하지 않는 한, 이는「합금」도 포함하는 취지이다.
제 1 금속 :
제 1 금속은, Bi 또는 Bi 합금으로, 고상선 온도가 255 ℃ 이상인 것을 말한다. 이 금속은, 납땜 후에, 땜납 이음매의 주된 구성 성분이 된다.
제 1 금속은, 구체적으로 고상선 온도가 255 ℃ 이상인 Bi 또는 그 합금이지만, Bi 합금의 구체예로서는, Bi-Ag, Bi-Cu, Bi-Sb, Bi-Ni, Bi-Co, Bi-Mg, Bi-Pd, Bi-Rh, Bi-Si, Bi-Te 등을 생각할 수 있다.
제 1 금속의 분말 성분의 배합량은, 후술하는 제 2 금속과 제 3 금속의 분말 성분의 합계량을 100％ 로 했을 때의 잔부의 비율이 되는 양이지만, 구체적으로는 84 ∼ 98.1％ 이다.
제 2 금속 :
제 2 금속은, 제 1 금속에 첨가하면, 제 1 금속의 고상선 온도를 저하시키는 금속임과 함께, 후술하는 제 3 금속 (예 : Ag, Cu 등) 과 금속간 화합물을 형성하는 금속을 말한다.
제 2 금속은, 전극을 구성하는 Ag 나 Cu 에 대한 제 1 금속의 젖음성을 개선하는 금속으로, Sn, In, 그리고 이들을 함유하는 합금이다. 제 2 금속은 제 1 금속과 전극의 젖음성을 향상시키는 것이 목적이며, 제 1 금속이 용융을 개시하는 단계에서는 이미, 제 2 금속 및 그 합금의 대부분이 용융되어 있는 것이 바람직하다. 제 2 금속 합금의 예로서는, Sn-In, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-In, Sn-Bi, Sn-Co, Sn-Ni, Sn-Sb, Sn-Au 합금 등이 있다.
제 2 금속은, 미리, 제 1 금속과 적어도 일부 합금화시켜 두어도 된다. 예를 들어 Bi-Sn 또는 Bi-In 합금으로서 배합해도 된다.
본 발명에 있어서는, 제 2 금속의 분말 성분으로서의 배합량은, 젖음성 개선을 위해 하한치를 0.7％ 로 하였다. 또한, 제 2 금속이 납땜시, 제 3 금속 등과 금속간 화합물을 형성하지 않고 잔류되면, 땜납 이음매의 고상선 온도가 255 ℃ 보다 낮아져, 두번째 납땜시에 땜납의 저융점 성분이 유출되기 때문에, 후술하는 제 3 금속 분말의 배합량의 범위에서 실질적으로 모두 금속간 화합물이 될 수 있는 6％ 를 상한치로 하였다.
제 2 금속 분말은, 바람직하게는 1％ 이상 배합하고, 또한 상한은 6％ 이다. 보다 바람직하게는 3 ∼ 5％ 이다.
여기에서, 제 1 금속과 제 2 금속이 합금화되어 있는 경우, 제 1 금속과 제 2 금속의 함유량의 합계량을 제 1 금속과 제 2 금속 분말의 배합량이라 생각한다.
이와 같은 제 2 금속인 Sn, In 또는 이를 함유하는 합금은, 납땜 대상의 전극을 구성하는 Ag, Cu 에 대해 젖음성이 양호하지만, 첨가량이 0.7％ 미만에서는 그 젖음성의 개선 효과를 크게 기대할 수 없다.
제 3 금속 :
제 3 금속은, 납땜시에 제 2 금속과 금속간 화합물을 형성하는 금속이다.
또한, 제 3 금속은, 납땜 종료 후에, 제 1, 제 2, 제 3 금속 각 분말의 혼합물을 일부 또는 완전히 합금화하여, 얻어진 땜납 이음매의 고상선 온도가 255 ℃ 이상이 되는 금속 단체 또는 합금이다.
즉, 제 3 금속은, 납땜시에 항상 일부는 고상 상태이고, 이 때문에, 그 배합량이 너무 많으면, 땜납 용융시의 유동 특성이 저해되어, 셀프 얼라인먼트 효과나 필렛의 형성능이 저하된다.
제 3 금속은, 구체적으로는, Cu, Ag, Sb, Ni, Fe, Co, Pd, Pt, Ti, Cu-Ag 합금 및 Cu-Sb 합금 등을 들 수 있다. 또한, 제 3 금속은 제 1 금속과 합금화되어도 되지만, 이러한 경우에도, 제 2 금속과의 금속간 화합물 형성을 위해, 적어도 그 일부는 제 3 금속 분말로서 배합되고 있다.
제 3 금속은, 그 표면에 0.02 ∼ 2 ㎛ 의 두께로 Ag, Au, Sn 에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 이루어지는 피복층을 추가로 갖고 있어도 된다. 이는 고가의 Ag, Au 금속 단체와 비교하여, Cu 등의 염가의 금속에 Ag, Au 로 피복함으로써, 비용을 억제하면서 제 2 금속과의 신속한 금속간 화합물의 형성 속도를 발휘시키기 때문이다. 또한, Sn 을 미리 제 3 금속에 피복함으로써, 제 2 금속과의 금속간 화합물 형성을 신속하게 실시할 수 있기 때문이다.
제 3 금속 분말 성분으로서의 배합량은, 용융 땜납 중의 고상 성분이 10％ 를 초과하면 유동성이 저해되고, 한편, 제 1, 제 2, 제 3 금속을 완전히 합금화한 상태에서 고상선 온도를 255 ℃ 이상으로 하기 위해서는 제 3 금속 분말의 배합량 은 1.3％ 이상으로 한다. 이 때문에 1.3 ∼ 10％ 의 범위로 함유시킨다.
이와 같이, 제 3 금속은, 첫번째 납땜시에 제 2 금속과 금속간 화합물을 형성하고, 그 첨가량의 조정에 의해, 제 1, 제 2, 제 3 금속이 모두 합금화한 상태에서 얻어지는 땜납 이음매의 고상선 온도를 255 ℃ 이상으로 하는 성분이다.
구체적으로는, 제 2 금속이 Sn 또는 In 인 경우에는, 이하의 원소가 유효하다.
Sn 의 경우에는, 제 3 금속으로서는, Sn 과 금속간 화합물을 형성하는 Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pd, Pt, Ti 등을 생각할 수 있다. 이 중, Ni 는 제 1 금속과도 금속간 화합물을 형성하지만, Sn 과의 금속간 화합물의 형성 속도가 보다 빠르기 때문에, 두번째 납땜시에 용융하는 성분이 잔류하는 일은 없다.
In 의 경우에는, 제 3 금속은, In 과 금속간 화합물을 형성하는 Ag, Cu, Sb, Ni, Pd, Pt 등을 생각할 수 있다. 이 중, Ni 는 제 1 금속과도 금속간 화합물을 형성하지만, In 과의 금속간 화합물의 형성 속도가 보다 빠르기 때문에, 두번째 납땜시에 용융하는 성분이 잔류하는 일은 없다.
이들 납땜 후의 합금에 있어서, 제 1 금속에 대한 첨가 성분은 액상선 온도가 280 ℃ 이하가 되는 범위에서의 첨가가 바람직하지만, 납땜 온도가 320 ℃ 를 초과하는 경우도 있어, 320 ℃ 이하의 액상선 온도에서도, 문제가 없는 경우에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 관련된 솔더 페이스트를 사용한 납땜은 제 3 금속이 고상 상태인 채 납땜이 진행되는 프로세스이며, 납땜 온도에 있어서 고상이 잔존하는 경 우에는, 이 때의 고상과 고상 금속인 제 3 금속 분말 배합량이 전체의 10％ 이하이면 된다.
상기의 금속/합금 분말과 플럭스를 혼련하여 얻은 본 발명에 관련된 솔더 페이스트에 의하면, 리플로우 납땜에 있어서, 솔더 페이스트의 전극에 대한 젖음 확대성 및 셀프 얼라인먼트 효과가 양호하고, 또한 정상적인 형상의 땜납 필렛을 형성할 수 있다. 또한, 장착 후에는 땜납 이음매 합금의 고상선 온도가 255 ℃ 이상이기 때문에, 현재 주류가 되고 있는 무연 땜납을 이용하여 두번째 납땜을 문제없이 실시할 수 있다.
여기에서, 이상을 정리하면, 제 1 금속, 제 2 금속, 그리고 제 3 금속 각 분말의 조합에는 다음과 같은 대표적 형태를 생각할 수 있다. 단, 이것은 단순한 예시로서, 본 발명의 취지에 적합한 범위 내에서 이들 이외의 실시형태도 선택 가능하다.
(ⅰ) 제 1 금속, 제 2 금속 그리고 제 3 금속 각각의 분말의 분말 혼합물
(ⅱ) 제 1 금속과 제 2 금속의 합금 분말과, 제 3 금속 분말의 혼합물
(ⅲ) 제 1 금속과 제 2 금속의 합금 분말과, 제 2 금속 분말과, 제 3 금속 분말의 혼합물
(ⅳ) 제 1 금속과 제 3 금속의 합금 분말과, 제 2 금속 분말과, 제 3 금속 분말의 혼합물
여기에서, 대표예로서의 Sn-Cu-Bi 합금의 경우에 대하여, 제 1, 제 2, 제 3 금속의 조합과 조성 범위는, 다음과 같이 하여 결정할 수 있다.
도 1 (a) 는, Sn-Cu-Bi 합금의 등온 단면도이다. 도 1 (b) 는, 이 등온 단면도의 좌하 모서리부의 영역 (삼각형의 파선으로 둘러싼 영역) 의 확대도이다. 제 1, 제 2, 제 3 금속의 조성 범위는 도 1 (b) 의 사선부에 상당하고, 사선부는 하기에 한정하는 Line 1, 2, 3 으로 둘러싸이는 범위이다. Line 1 은 Cu 가 10wt％ (질량％) 인 것을 나타내고, Line 2 는 Sn 가 0.7wt％ 인 것을 나타내는 선이다. Line 3 은 255 ℃ 에서 Bi 와 Cu3Sn 이 공존하는 조성 범위와 액상과 Cu3Sn 이 공존하는 조성 범위의 경계선을 나타내고, 구체적으로는, 도 1 (a) 에 나타내는 점 β 와 도 1 (b) 에 나타내는 점 α 를 연결하는 선이다.
이들의 관계식에 있어서, 제 1 금속이 Bi, 제 2 금속이 Sn 또는 In, 제 3 금속이 Cu, Ag 또는 Sb 일 때의 각각의 조합인 경우의 점 β 와 점 α의 구체적 수치를 표 1 에 나타낸다.
표 1 의 조성예를 구체적으로 다시 쓰면, 표 2 가 된다. 표 2 에는 본 발명에 있어서의 각 금속 성분의 조합 중 특히 실용성이 있는 것에 대하여 예시한다.
Figure 112008040581088-pct00001
Figure 112008040581088-pct00002
상기 표로 나타낸 조성은, 제 1, 제 2, 제 3 금속의 3 원계 상태도 상에서, 255 ℃ 의 등온 단면도에 있어서, 고상이며, 제 2 금속과 제 3 금속이 금속간 화합물을 형성하는 범위이다.
도 1 은, 구체적으로 Bi-Cu-Sn 계에 있어서의 255 ℃ 에서의 등온 단면도에 구체적인 조성 범위를 나타낸다. 이에 의하면, Bi : 84 ∼ 98.1％, Sn : 0.7 ∼ 6％, Cu : 1.3 ∼ 10％ 이다.
본 발명에 있어서 각 금속 성분의 분말은 아토마이즈법, 원심 분무법 등 적절한 수단, 또는 적절한 기계적 수단으로 제조되지만, 그 입경은 일반적인 솔더 페이스트에 사용되는 입경이면 되고, 예를 들어, 평균 입경 1 ∼ 100 ㎛ 정도의 것이면 되지만, 제 3 금속 분말은 평균 입경이 5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이는, 평균 입경이 5 ㎛ 미만이면 납땜시에, 제 3 금속과 제 2 금속이 즉시 금속간 화합물을 형성하여, 제 1 금속 분말과의 융합을 저해하기 때문에, 용융성이나 젖음성이 극단적으로 저하되기 때문이다.
또한, 솔더 페이스트 중의 제 1 금속·제 2 금속·제 3 금속 분말의 개수를 각각, N1, N2, N3 으로 하였을 때, 식 (1), 식 (2) 를 동시에 만족하는 솔더 페이스트가 바람직하다.
0.1 ＜ N3/N1 ＜ 1.5 식 (1)
0.1 ＜ N2/N1 식 (2)
이는 제 2 금속 및 제 3 금속의 개수가 제 1 금속의 개수의 0.1 배 미만인 경우, 여러 지점의 전극에 인쇄한 솔더 페이스트 중의 제 2 금속 및 제 3 금속의 개수가 적기 때문에, 각 지점에 의해 제 2 금속 또는 제 3 금속의 분말 개수의 편차가 생겨, 균일한 배합비의 솔더 페이스트가 얻어지지 않을 가능성이 있기 때문이다.
또한, 제 3 금속 분말의 개수가 제 1 금속 분말의 개수의 1.5 배 이상인 경우에는, 제 1 금속 분말과 제 2 금속 분말이 저융점상을 생성하기 전에, 제 3 금속 분말이 제 1 금속 분말과 반응함으로써, 제 1 금속 분말과 제 2 금속 분말의 저융점상의 생성을 저해하여, 납땜을 적절히 실시하지 못할 가능성이 있기 때문이다.
본 발명에 있어서 사용할 수 있는 플럭스는, 수지계, 유기산계, 무기산계 등 그 목적에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 예로서, 플럭스는 종래의 것이면 되며, 특별히 제한되지 않지만, 일반적으로는, 로진 또는 레진, 용제, 활성제, 틱소제 등을 함유한다.
로진은, 로진 또는 로진 유도체 등이고, 용제는 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노페닐에테르 등이며, 활성제는 디페닐구아니딘 HBr, 디에틸아민 HCl 등이며, 틱소제는 수소 첨가 피마자유, 지방산 아마이드 등이다.
또한, 금속 분말과 상기 플럭스의 배합 비율도 특별히 제한은 없고, 예를 들어, 금속 분말의 합계량과 플럭스 성분의 비율, 즉 솔더 페이스트에 차지하는 플럭스 성분의 양은 5 ∼ 20％, 일반적으로는 7 ∼ 15％ 정도이면 되고, 종래의 양과 동일해도 된다.
본 발명에 관련된 솔더 페이스트를 사용하면, 납땜을 실시하는 경우에는 255 ∼ 300 ℃ 의 비교적 낮은 온도에서는 납땜이 실시되지만, 일단, 형성된 땜납 이음매는 이른바 고온 땜납의 조성이 되어, 그 고상선 온도는 255 ℃ 이상이 된다.
다음으로, 구체적인 리플로우 조작에 기초하여 본 발명의 솔더 페이스트의 납땜 기구를 설명한다.
즉, 본 발명에 관련된 솔더 페이스트를 이용하여 리플로우 납땜을 실시하는 경우에 대하여, 이해를 용이하게 하기 위해, 제 1, 제 2, 제 3 금속이 각각 모두 미리 합금화되지 않고 단체 금속 분말로서 솔더 페이스트에 배합되어, 255 ∼ 300 ℃ 온도에서의 리플로우에 의한 가열 공정에서 고상선 온도 255 ℃ 이상의 고온 땜납 접합부, 즉 땜납 이음매를 형성하는 경위를 설명한다.
(1) 솔더 페이스트가 가열되면, 그 중의 제 1, 제 2 금속은 각각의 용융 온도, 또는 제 1, 제 2 금속의 각 분말이 합금화된 경우의 용융 온도 (예 : 130 ∼ 255 ℃) 에서 용해를 개시한다.
(2) 제 2 금속이 용해되어, 액상 중에 존재하면, 제 2 금속은 전극을 구성하는 금속 (예를 들어, Ag 전극, Cu 전극) 에 젖기 시작해, 전극과의 사이에서 금속간 화합물을 형성하기 시작한다.
(3) 제 2 금속은 전극을 구성하는 금속에 젖음과 동시에, 제 3 금속과도 금속간 화합물을 형성한다.
(4) 또한, 가열하고, 액상 중의 제 2 금속을 제 3 금속 및 전극과 반응시켜, 금속간 화합물의 형성을 촉진한다. 제 1 금속 및 제 3 금속은 255 ℃ 이상의 고상선 온도를 갖고, 제 2 금속도 제 3 금속과 고상선 온도가 255 ℃ 이상인 금속간 화합물을 형성한다. 따라서, 땜납 이음매의 고상선 온도는 255 ℃ 이상이 되어, 두번째 납땜시에도 용융되는 일은 없다.
본 발명의 하나의 특징은, 제 3 금속 분말과 제 2 금속 분말을 미리 합금화하지 않는 것이다. 미리 합금화하지 않고, 이종 금속 분말의 혼합물로 이루어지는 솔더 페이스트로 하는 이유는, 용융 초기 상태에서, 액상 중에 제 2 금속 (Sn이나 In) 을 많이 잔존시키는 것이 목적이다. 즉, 액상 중의 제 2 금속은, 제 1 금속 자체의 젖음성을 향상시키는 기능이 있다. 한편, 제 3 금속의 분말과 제 2 금속의 분말을 미리 합금화하면, Bi 계 땜납으로서 일반적인 납땜 온도인 280 ℃ 에서는 액상 중에 존재하는 제 2 금속의 함유량은 극단적으로 저하되어, 젖음성이 향상되지 않는다. 즉, 미리 합금화하면, 젖음성 개선의 효과를 발휘할 수 없다. 본 발명에 의하면, 솔더 페이스트의 금속 분말 성분으로서는, 제 2 금속과 제 3 금속을 미리 합금화하지 않음으로써, 젖음성을 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로, 실시예에 의해 본 발명의 작용 효과를 구체적으로 설명한다.
실시예
표 3 에 본 발명에 있어서의 제 1, 제 2, 제 3 금속의 종류와 조합을 예시한다. 여기에서, 예를 들어 Bi-2.5Ag 와 같이 각 금속 분말에 있어서 2 종류 이상의 원소가 기재되어 있는 예는, 금속 분말로서 2 종 이상의 원소로 이루어지는 합금을 이용하고 있는 것을 의미한다. 또한, 표 중에 있어서 「수지 있음」이라는 기재가 있는 예는, 강도 보강을 위해 솔더 페이스트에 추가로 수지를 첨가한 것임을 의미한다. 또한, 표 중의 제 3 금속 분말란에 있어서 「Ag 코트 Cu」와 같이 기재되어 있는 분말은, 제 3 금속 (이 예에서는 Cu) 의 표면에 0.02 ∼ 2 ㎛ 의 두께로 피복층 (이 예에서는 Ag 로 이루어지는 피복층) 이 형성되어 있는 것임을 의미한다.
여기에서 표 3a, 표 3b, 표 3c 에 나타내는 각 분말의 평균 입도는, 각각 제 1 금속이 30 ㎛, 제 2 금속이 20 ㎛, 제 3 금속이 15 ㎛ 이다. 표 3d 에는, 각 분말의 평균 입도와 배합비로부터, N1, N2, N3 을 산출하여, 상이한 배합비의 조합을 예시한다.
이 표 3 에 나타내는 성분으로부터 표 4a, 표 4b 에 나타내는 실시예 및 비교예의 것을 발췌하여, 하기 (ⅰ) ∼ (ⅲ) 의 각 평가를 실시하였다. 평가 결과는 표 4 에 정리하여 나타낸다.
(ⅰ) 땜납 유출 평가
프린트 기판의 Cu 랜드 (Cu 랜드 치수 : 0.7 ㎜ × 0.4 ㎜) 에 솔더 페이스트를 도포하고 (두께 100 ㎛), 얻어진 도포부에 1005 사이즈의 칩형 세라믹 콘덴서를 소정의 땜납 이음매에 마운트하였다. 피크 온도 280 ℃ 에서 리플로우 납땜한 후, 프린트 기판을 에폭시 수지로 봉지 (封止) 하여 상대 습도 85％ 의 환경에 방치하고, 피크 온도 260 ℃ 의 리플로우 조건에서 가열하여 땜납이 유출하는 비율을 불량 발생률로서 평가하였다. 납땜 후에 칩형 세라믹 콘덴서를 프린트 기판으로부터 박리하여, 칩형 세라믹 콘덴서의 표리면에서의 땜납 번짐의 유무를 관찰한다. 번짐이 없는 것을 ◎, 번짐이 발생한 것을 × 로 판정하였다.
(ⅱ) 잔류한 저융점 성분량 평가 (반응성 평가)
알루미나 기판 (10 × 6 × 두께 0.6 ㎜) 상에 솔더 페이스트를 도포하고 (인쇄량 3 × 1 × 두께 0.1 ㎜), 피크 온도 280 ℃ 에서 리플로우 납땜을 실시하였다. 얻어진 반응 생성물을 약 7㎎ 잘라내어, 측정 온도 30 ℃ ∼ 500 ℃, 승온 속도 5 ℃/min, N2 분위기, 레퍼런스 Al2O3 의 조건에서 DSC 측정을 실시하였다. 얻어진 DSC 차트로부터 260 ℃ 이하의 용융 흡열 피크의 합계 흡열량으로부터, 260 ℃ 이하의 온도에서 용융하는 잔류된 저융점 성분을 정량화하였다. 잔류된 저융점 성분이 적을수록 금속간 화합물의 생성이 진행된 것으로 생각된다. 잔류된 저융점 성분량이 0 인 경우를 ◎, 1 mJ/㎎ 미만인 경우에는 ○, 1 mJ/㎎ 이상인 것은 × 로 하였다.
(ⅲ) 내열성 평가 (열하중 부하 시험)
무산소 Cu 판 (10 × 10 × 두께 0.2mm) 상에 솔더 페이스트를 도포하고 (인쇄량 3 × 1 × 두께 0.1mm), 금속칩을 마운트한 후, 피크 온도 280 ℃ 에서 리플로우 납땜을 실시하였다. 금속칩의 구멍부에 100g 의 추를 매달아, 260 ℃ 설정의 오븐 내에 방치하였다. 5 분 (300 초) 경과 후까지 금속칩이 접합을 유지한 경우에는 ◎, 그 이전에 낙하한 경우에는 × 로 판정하였다. 표 중의 숫자는 낙하까지의 시간 (초) 을 나타낸다.
(ⅳ) 접합 강도 (측면 압착 강도)
프린트 기판의 Cu 랜드 (Cu 랜드 치수 : 0.7 ㎜ × 0.4 ㎜) 에 솔더 페이스트를 도포하고 (두께 100 ㎛), 그 도포부에 1005 사이즈의 칩형 세라믹 콘덴서를 소정의 땜납 이음매에 마운트하였다. 피크 온도 280 ℃ 에서 리플로우 납땜을 실시하였다. 이 접합부의 측면 압착 강도를 본딩 테스터를 이용하여 측정하였다. 측면 압착 속도는 0.05 ㎜s- 1 로 하였다. 시험은 실온과 260 ℃ 각각에서 실시하였다. 강도는 최저치가 3 N 초과인 것을 ◎, 1 N ∼ 3 N 인 것을 ○, 그 미만인 것을 × 로 판정하였다. 표 중의 숫자는 접합 강도 (N) 를 나타낸다.
(ⅴ) 땜납 볼 발생률
프린트 기판의 Cu 랜드 (Cu 랜드 치수 : 0.7 ㎜ × 0.4 ㎜) 에 솔더 페이스트를 도포하고 (두께 100 ㎛), 얻어진 도포부에 1005 사이즈의 칩형 세라믹 콘덴서를 소정의 땜납 이음매에 마운트하였다. 피크 온도 280 ℃ 에서 리플로우 납땜한 후, 칩 하부 및 칩 측면에서의 땜납 볼의 발생수를 평가하였다. 땜납 볼이 발생하지 않은 것은 ◎, 발생한 것은 × 로 판정하였다. 표 중의 숫자는 땜납 볼의 발생률을 나타낸다.
(ⅵ) 보이드 발생률
무산소 Cu 판 (10 × 10 × 두께 0.2 ㎜) 상에 솔더 페이스트를 도포하고 (인쇄량 3 × 1 × 두께 0.1 ㎜), 금속칩을 마운트한 후, 피크 온도 280 ℃ 에서 리플로우 납땜을 실시하였다. 얻어진 접합체의 단면을 관찰하여, 보이드 발생률을 평가하였다. 보이드 발생률이 0％ 인 것을 ◎, 0 ∼ 10％ 인 것을 ○, 보이드 발생률이 10％ 초과인 것을 × 로 판정하였다. 표 중의 숫자는 보이드 발생률을 나타낸다.
(ⅶ) 셀프 얼라인먼트성 평가
프린트 기판의 땜납 이음매 (Cu 랜드 치수 : 0.7 ㎜ × 0.4 ㎜) 에 솔더 페이스트를 도포하고 (두께 100 ㎛), 그 도포부에 1005 의 칩형 세라믹 콘덴서를 랜드간에서 정규의 마운트 위치로부터 15 도 기울여 마운트하고, 피크 온도 280 ℃ 의 리플로우 납땜 후에 칩형 세라믹 콘덴서가 랜드 상으로 되돌아오는 비율을 평가한다. 그 비율이 80％ 초과인 경우에는 ◎, 70 ∼ 80％ 인 경우에는 ○, 70％ 미만인 경우에는 × 로 판정하였다. 표 중의 숫자는 되돌아오는 경우의 비율을 나타낸다.
(ⅷ) 땜납 페이스트의 젖음성 평가
프린트 기판의 Cu 랜드 (Cu 랜드 치수 : 3.2 ㎜ × 4.0 ㎜) 에 솔더 페이스트를 도포하고 (두께 150 ㎛), 피크 온도 280 ℃ 의 리플로우 납땜 후에, 땜납이 Cu 랜드를 피복하는 면적률을 측정하여, 그 면적률이 70％ 이상인 경우에는 ◎, 70％ 미만인 경우는 × 로 판정하였다.
Figure 112008040581088-pct00003
Figure 112008040581088-pct00004
Figure 112008040581088-pct00005
Figure 112008040581088-pct00006
Figure 112008040581088-pct00007
Figure 112008040581088-pct00008
표 4 에 나타내는 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이, 제 2 금속이 0.7％ 미만의 솔더 페이스트인 비교예 1, 4, 9, 12 는, 용융하는 제 2 금속의 비율이 적기 때문에, 보이드 발생률이 높고, 응집률이 뒤떨어졌다. 이는 제 2 금속이 0.7％ 미만이면 제 1 금속에 대한 젖음성이 불충분해지기 때문이다.
또한, 제 3 금속이 10％ 초과의 솔더 페이스트인 비교예 15, 20, 26, 32 는, 보이드 발생률이 높고, 셀프 얼라인먼트성이 뒤떨어지는 것을 알 수 있었다. 이는 고상인 제 3 금속이 많으면 용융 금속의 유동을 저해시키기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서 요구되는 내열성은 255 ℃ 이기 때문에, 접합 후에 고상선 온도가 255 ℃ 미만이 되는 비교예 12 는, 260 ℃ 이하의 온도에서 용융하는 잔류 저융점 성분량이 많고, 또한 260 ℃ 에서의 내열성도 나타나지 않았다.
비교예 37 은 제 1 금속을 첨가하지 않은 제 2, 제 3 금속의 혼합 분말 모양의 솔더 페이스트이다. 이 솔더 페이스트는 Sn 이 다량으로 존재하기 때문에, 유출 시험에서 잔류 저융점 성분이 용융하여 땜납 번짐이 발생하였다. Cu 가 존재하기 때문에, 내열성 평가에서는 접합을 유지하였으나, 260 ℃ 에서의 접합 강도는 약한 값을 나타내었다.
비교예 38, 39, 40, 44 는 Bi 합금 및 Sn-Bi 합금 솔더 페이스트이다. 비교예 38 의 Bi 합금 솔더 페이스트는, 보이드 발생률이 높다. 비교예 39 는 비교예 38 에 수지를 첨가하여 강도 보강을 도모한 솔더 페이스트이지만, 땜납 볼이 발생하는 문제가 있었다. 또한, 비교예 40 은 Sn-Bi 계 솔더 페이스트이지만, 땜납 볼 발생이 보였다. 또한, 260 ℃ 이하의 온도에서 용융하는 잔류 저융점 성분량이 많아졌다. 비교예 44 는 본 발명의 제 1, 제 2, 제 3 금속 전부가 미리 합금화된 것이지만, 내열성이 충분하지 않고, 셀프 얼라인먼트 효과도 뒤떨어졌다. 젖음성도, 「×」(불량) 였다.
이에 반해, 실시예 4 ∼ 63 은, 제 1 금속에 제 2 금속이 0.7 ∼ 6％, 제 3 금속이 1.3 ∼ 10％ 첨가되어 있는 솔더 페이스트이기 때문에, 제 2 금속이 갖는 용융 특성 개선 효과 (제 1 금속이 갖는 고상선 온도를 저하시키는 특성) 에 의해 저온 (예를 들어, 280 ℃) 에서 납땜할 수 있고, 또한, 전극에 대한 젖음성도 양호하였다. 또한, 제 2 금속이 제 1 금속에 충분히 젖음으로 인해 보이드 발생도 방지할 수 있었다. 또한, 셀프 얼라인먼트성도 양호한 결과를 얻을 수 있고, 땜납 볼의 발생도 없었다.
또한, 실시예 4 ∼ 63 은, 땜납 이음매의 고상선 온도가 255 ℃ 이상이고, 260 ℃ 이하의 온도에서 용융하는 잔류 저융점 성분은 제 2 금속과 제 3 금속의 금속간 화합물 형성에 의해 거의 소실되기 때문에, 땜납 번짐이 발생하지 않고, 내열성도 양호하였다.
또한, 제 1 금속이 합금 (Bi-2.5Ag, Bi-0.15Cu) 인 경우 (실시예 44, 47, 50) 나, 제 3 금속이 합금 (Ag-Cu) 인 경우 (실시예 54) 나, 제 3 금속의 표면에 Au, Ag, Sn 중 어느 하나로 이루어지는 피복막을 갖는 경우 (실시예 63) 나, 제 2 금속이 합금 (Sn-58Bi, In-51Bi) 인 경우 (실시예 59, 60) 에 있어서도 동일한 효과가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 제 1 금속과 제 2 금속이 미리 합금화되어 있는 (Sn-Bi, Sn-In) 경우 (실시예 61, 62) 에 있어서도, 동일한 젖음 확대성이나 셀프 얼라인먼트성을 얻을 수 있었다.
또한, 표 4 에 기재되어 있지 않은 실시예 1 ∼ 74 에 있어서도 동일한 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 단, 실시예 69 ∼ 74 는, 각 금속 분말의 개수비가 (1) 식, (2) 식을 만족하지 않기 때문에, (1) 식, (2) 식을 만족하는 실시예 (표 4 에 있어서는 실시예 14, 66, 67, 68) 와 비교하여, 보이드 발생률이나 셀프 얼라인먼트성이 약간 뒤떨어지는 결과가 되었다.

Claims (8)

  1. 제 1 금속과 제 2 금속과 제 3 금속으로 이루어지는 금속 분말 성분으로, 제 3 금속의 적어도 일부가 제 3 금속의 분말로서 함유되어 있는 금속 분말 성분과, 플럭스 성분이 혼련된 솔더 페이스트로서,
    상기 제 1 금속은, Bi 또는 Bi 합금의 적어도 일방에서 선택되고,
    상기 제 2 금속은, 상기 제 1 금속이 갖는 고상선 온도를 저하시키는 특성과, 상기 제 3 금속 사이에서 금속간 화합물을 형성하는 특성을 갖는 것으로,
    상기 금속 분말 성분을 100 질량％ 로 한 경우, 상기 제 2 금속의 분말이 0.7 ∼ 6 질량％, 상기 제 3 금속의 분말이 1.3 ∼ 10 질량％, 잔부 제 1 금속 분말의 비율로 배합되어 있는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 금속이 Sn, In 및 Sn-In 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 금속이 Cu, Ag, Sb, Ni, Fe, Co, Pd, Pt, Ti, Cu-Ag 합금 및 Cu-Sb 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 금속이, 그 표면에 0.02 ∼ 2 ㎛ 의 두께로 Ag, Au, Sn 에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 이루어지는 피복층을 추가로 갖고 있는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 금속과 상기 제 2 금속이 미리 적어도 그 일부가 합금화되어 있는 솔더 페이스트.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 금속 및 제 2 금속이 합금화된 것이 Bi-Sn 또는 Bi-In 합금인 솔더 페이스트.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 땜납 이음매.
  8. 삭제
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