KR101142815B1 - 땜납 접합 구조 및 납땜용 플럭스 - Google Patents

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Abstract

한란차가 매우 크다고 하는 가혹한 환경에 있어서도 충분한 땜납 접합 강도를 유지하고, 높은 접합 신뢰성을 확보할 수 있는 땜납 접합 구조를 제공한다.
이 땜납 접합 구조는 주면(1a)에 전극부(2) 및 절연막(3)을 구비한 기판의 주면(1a) 상에 전자부품(4)을 탑재하고, 상기 전극부(2)와 상기 전자부품(4)은 땜납부(5)를 통하여 전기적으로 접합되고, 전자부품(4)과 절연막(3) 사이에 상기 땜납부(5)로부터 침출된 플럭스 잔사(6)가 개재되어 있는 땜납 접합 구조로서, 상기 플럭스는 아크릴 수지, 활성제 및 수산기를 갖는 틱소제를 함유하고, 또한 상기 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 상기 플럭스 잔사의 연화 온도 이상임과 아울러, 상기 플럭스 잔사는 -40℃부터 상기 플럭스 잔사의 연화 온도까지의 온도범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값이 300×10-6/K 이하이다.

Description

땜납 접합 구조 및 납땜용 플럭스{SOLDER BONDING STRUCTURE AND SOLDERING FLUX}
본 발명은 예컨대, 한란차가 큰 환경하에서 사용되는 회로 기판에 대하여 전자부품 등을 땜납 접속할 때에 유용한 땜납 접합 구조 및 납땜용 플럭스 등에 관한 것이다.
종래부터, 회로 기판에 전자부품을 실장할 때에는 땜납 합금 분말과 플럭스를 포함하는 땜납 페이스트 조성물을 기판에 인쇄하고, 전자부품을 탑재한 후에 가열 접합하는 납땜 방법이 범용되고 있다. 이 때, 플럭스는 땜납 및 기판 표면의 금속 산화물을 제거함과 아울러, 납땜시 금속의 재산화를 방지하거나 땜납의 표면 장력을 저하시키거나 하는 작용을 달성하는 것이고, 납땜을 양호하게 행하기 위해서는 필요 불가결하다. 그러나, 플럭스를 이용하여 회로 기판에 전자부품을 납땜하면, 납땜 종료 후에 플럭스의 일부 또는 대부분이 기판에 남게 된다. 이것이 일반적으로 「플럭스 잔사」라고 칭해지는 것이다. 예컨대, 전극부 및 절연막을 구비한 기판의 주면 상에 전자부품을 탑재하여 상기 전극부와 전자부품을 땜납 접속하려고 하는 경우, 양자를 접속하는 땜납부로부터 플럭스 성분이 침출하여 전자부품과 절연막 사이에 플럭스 잔사가 개재하게 된다.
그런데, 이러한 플럭스 잔사에는 균열이 발생하기 쉽다. 그 때문에, 납땜 후에 기판 상이나 전자부품과 절연막 사이 등에 플럭스 잔사가 존재하는 땜납 접합 구조에 있어서는, 균열부로부터 수분이 침입하여 부품 리드 사이의 단락 불량을 일으켜 땜납의 접합 신뢰성을 손상시키는 문제가 있었다.
여기서, 플럭스 잔사의 균열을 방지하는 방법으로서, 지금까지 이하와 같은 수단이 제안되어 왔다. 즉, a) 로진을 베이스 수지로 하는 땜납 페이스트에 있어서, 고비점 가소제인 트리멜리트산의 에스테르를 첨가하는 방법(특허문헌 1 참조)과 같이, 고비점의 가소제를 첨가하여 납땜 후의 잔사 중에 가소제를 잔류시키는 수단, b) 에틸렌-아크릴 공중합체를 사용한 납땜용 플럭스(특허문헌 2 참조)나 유리전이온도가 -50～-35℃ 범위의 아크릴 수지를 사용한 납땜용 플럭스(특허문헌 3 참조) 이외에, 에틸렌 또는 프로필렌의 중합체 등을 사용한 플럭스와 같이, 유연성을 갖도록 설계한 합성 수지를 베이스 수지로 하는 수단, c) 납땜 후에 세정을 행하여 플럭스 잔사를 제거하는 수단이다.
특허문헌 1:일본 특허 공개 평9-234588호 공보
특허문헌 2:일본 특허 공개 평9-122975호 공보
특허문헌 3:일본 특허 공개 2001-150184호 공보
그렇지만, 최근, 실장 기판이 배치되는 환경이 다양화되고 있고, 예컨대, 차재 기판에서는 엔진룸내의 엔진 부근과 같이, 한란차(寒暖差)가 매우 크고, 게다가 심한 진동이 가해진다는 보다 가혹한 환경으로의 실장 기판의 배치가 증가하고 있다. 그러던 중, 플럭스 잔사의 균열을 방지하는 수단을 강구한 종래의 방법으로 납땜된 실장 기판이어도 충분한 접합 신뢰성을 확보할 수 없는 경우가 있었다. 이 접합 신뢰성이 악화된다는 문제는 특히, 전극부 및 절연막을 구비한 기판의 주면 상에 전자부품을 탑재하여 상기 전극부와 전자부품을 땜납 접속하고, 전자부품과 절연막 사이에 플럭스 잔사가 개재함으로써 이루어진 설치 기판에 있어서 현저하게 나타난다. 이것은 한란차가 매우 큰 가혹한 환경에 있어서는, 형성된 땜납부의 금속에 균열의 진전이 생기고, 그 결과, 접합 강도가 현저하게 저하된다는 플럭스 잔사의 균열과는 다른 문제가 발생하고, 이것에 기인하여 접합 신뢰성이 악화된다고 생각했다. 한란차가 매우 크고, 게다가 진동도 부하되는 가혹한 환경에 배치되는 실장 기판은 향후 더욱더 증가되는 것이 예상되기 때문에, 그러한 가혹한 환경에 있어서도 충분한 접합 강도를 유지하고 우수한 접합 신뢰성을 발휘할 수 있는 땜납 접합 구조의 개발이 요구되고 있는 것이 현상황이다.
여기서, 본 발명은 한란차가 매우 크다고 하는 가혹한 환경에 있어서도 충분한 땜납 접합 강도를 유지하고, 높은 접합 신뢰성을 확보할 수 있는 땜납 접합 구조와, 이것을 가능하게 하는 납땜용 플럭스 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의연구를 거듭했다. 그 결과, 예컨대, 90℃ 이상의 온도와 -30℃ 이하의 온도 사이에서 냉열 사이클을 반복한다고 하는 가혹한 부하 조건하에 있어서, 플럭스 잔사뿐만 아니라 땜납부의 금속에 생기는 균열도 억제하고, 땜납의 접합 강도를 유지시키기 위해서는 리플로우 후의 플럭스 잔사의 소정 온도 범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값과, 플럭스 성분이라고 하는 아크릴 수지의 유리전이점이 각각 특정 범위가 되도록 설정하는 것이 중요하다는 것, 거기에 플럭스 성분으로서 수산기를 갖는 틱소제가 필수가 되는 것을 발견하여 본 발명을 완성했다.
즉, 본 발명의 땜납 접합 구조는 전극부 및 절연막을 구비한 기판의 주면 상에 전자부품을 탑재하고, 상기 전극부와 상기 전자부품이 땜납부를 통하여 전기적으로 접합되고, 전자부품과 절연막 사이에 상기 땜납부로부터 침출된 플럭스의 잔사가 개재되어 있는 땜납 접합 구조로서, 상기 플럭스는 아크릴 수지, 활성제 및 수산기를 갖는 틱소제를 함유하고, 또한 상기 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 상기 플럭스 잔사의 연화 온도 이상임과 아울러, 상기 플럭스 잔사는 -40℃부터 상기 플럭스 잔사의 연화 온도까지의 온도범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값이 300×10-6/K 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 납땜용 플럭스는 땜납 합금 분말과 혼합하여 리플로우시킴으로써 납땜에 이용되는 납땜용 플럭스로서, 아크릴 수지, 활성제 및 수산기를 갖는 틱소제를 함유하고, 또한 상기 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도 이상임과 아울러, 리플로우 후의 플럭스 잔사는 -40℃부터 상기 플럭스 잔사의 연화 온도까지의 온도범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값이 300×10-6/K 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 땜납 페이스트 조성물은 땜납 합금 분말과 상기 본 발명의 납땜용 플럭스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 땜납 접합 강도의 저하 방지 방법은 90℃ 이상의 온도와 -30℃ 이하의 온도 사이에서 냉열 사이클을 반복하는 온도 부하 조건하에 있어서의 땜납부의 접합 강도의 저하를 방지하는 방법으로서, 상기 땜납부를 땜납 합금 분말과 상기 본 발명의 납땜용 플럭스를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 한란차가 매우 크다고 하는 가혹한 환경에 있어서도 충분한 땜납 접합 강도를 유지하고 높은 접합 신뢰성을 확보할 수 있다는 효과가 얻어진다. 구체적으로는, 본 발명에 의하면, 90℃ 이상의 온도와 -30℃ 이하의 온도 사이에서 냉열 사이클을 반복하는 온도 부하 조건하에 있어도 땜납의 접합 강도의 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명이 땜납 구조의 일 실시형태를 부분적으로 나타낸 확대 단면도이다.
우선, 본 발명의 납땜용 플럭스 및 땜납 페이스트 조성물의 일 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 납땜용 플럭스는 땜납 합금 분말과 혼합하여 리플로우시킴으로써 납땜에 이용된다. 구체적으로는, 본 발명의 플럭스를 땜납 합금 분말과 혼합하여 리플로우시킴으로써 땜납이 형성되는 것이지만, 그 때, 본 발명의 플럭스는 플럭스 잔사가 된다. 본 발명에 있어서는, 이 리플로우 후의 플럭스 잔사의 -40℃부터 상기 플럭스 잔사의 연화 온도까지의 온도범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값(이하, 「최대 선팽창계수」라고 칭함)이 300×10-6/K 이하인 것이 중요하다. 바람직하게는, 상기 최대 선팽창계수는 200×10-6/K 이하인 것이 좋다. 이것에 의해, 가혹한 냉열 사이클이 부하되는 경우에도 접합 강도의 저하를 억제할 수 있고, 그 결과, 한란차가 큰 환경에서 사용될 때에도 높은 접합 신뢰성을 확보하는 것이 가능해 진다. 본 발명에 있어서, 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도는 플럭스만을 소정 온도로 가열하여 용매 등을 제거할 때에 생기는 고화물(잔사)에 대해서 측정한 연화 온도이어도 좋고, 플럭스를 땜납 합금 분말과 혼합한 상태(즉, 후술하는 본 발명의 땜납 페이스트 조성물로 한 상태)로 하여, 이것을 소정 온도로 가열하여 땜납을 용융시킴과 아울러 용매 등을 제거했을 때에 땜납의 주위에 생기는 고화물(잔사)에 대해서 측정한 연화 온도이어도 좋다. 또한, 최대 선팽창계수는 예컨대, 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 구할 수 있다.
본 발명의 플럭스는 아크릴 수지를 필수성분으로서 함유한다. 아크릴 수지로서는 예컨대, 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴산의 각종 에스테르, 메타크릴산의 각종 에스테르, 크로톤산, 이타콘산, 말레산, 무수 말레산, 말레산의 에스테르, 무수 말레산의 에스테르, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 염화 비닐 및 아세트산 비닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 중합성 불포화기 함유 모노머를 중합하여 이루어지는 것이 바람직하게 열거된다. 또한, 이들 중합성 불포화기 함유 모노머의 중합은 예컨대, 과산화물 등의 촉매를 이용하여 괴상 중합법, 용액 중합법, 현탁 중합법, 유화 중합법 등의 라디칼 중합에 의해 행할 수 있다.
본 발명에 있어서, 아크릴 수지는 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도이상인 것이 중요하다. 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃를 초과하고, 또한 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도 미만인 경우에는 예컨대, 90℃ 이상의 온도부터 -30℃ 이하의 온도까지의 가혹한 냉열 사이클 부하가 걸렸을 때에 접합 강도가 현저하게 저하한다. 여기서, 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도는 상술한 바와 같이, 플럭스만을 가열하여 생기는 고화물(잔사)에 대해서 측정한 연화 온도이어도 좋고, 플럭스를 땜납 합금 분말과 혼합한 상태로 가열하여 땜납의 주위에 생기는 고화물(잔사)에 대해서 측정한 연화 온도이어도 좋다. 또한, 본 발명에 있어서는 이 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도는 -40℃보다도 높은 것을 전제로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 유리전이점(Tg)은 각종 호모 폴리머의 Tg를 이용하여 하기 계산식에 의해 산출한 것으로 한다.
Figure 112010044719910-pct00001
아크릴 수지의 산가로는 특별히 제한은 없지만, 예컨대, 10mgKOH/g 이상인 것이 활성 작용을 더 조장시킬 수 있는 점에서는 바람직하다. 단, 예컨대, 상기 중합성 불포화기 함유 모노머로서 에스테르류만을 이용한 경우 등에는, 아크릴 수지의 산가는 0mgKOH/g이어도 좋다.
아크릴 수지는 분자량이 3만 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2만 이하인 것이 좋다. 아크릴 수지의 분자량이 상기 범위이면, 비록, 리플로우시 가열에 의해 수지가 어느 정도 고분자화되어도 그것에 의한 특성 열화 등의 영향을 억제할 수 있으므로, 한란차가 큰 환경에 있어서 땜납부의 균열 방지와 아울러, 플럭스 잔사에 생기는 균열도 방지할 수 있다. 그 결과, 균열부에 수분이 침입하여 부품 리드 사이의 단락 불량을 일으키는 문제를 회피하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 있어서, 아크릴 수지의 분자량은 중량평균 분자량을 의미하는 것으로 한다.
상기 아크릴 수지의 함유량은 플럭스 총량에 대하여 10～80중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20～70중량%인 것이 좋다. 아크릴 수지가 상기 범위보다 적으면, 납땜시에 있어서 금속에 활성제를 균일하게 도포하는 것이 곤란해지기 때문에, 납땜 불량이 발생할 우려가 있다. 또한, 납땜 후의 피막성이 저하되고 고온 내구성이 저하해 버릴 우려도 있다. 한편, 아크릴 수지가 상기 범위보다 많으면, 플럭스 자체의 점도가 높아져 버려 플럭스의 후막화에 의한 납땜성이 저하해 버리는 문제가 생길 우려가 있다.
본 발명의 플럭스는 활성제를 필수 성분으로서 함유한다. 활성제에 의해, 납땜시에 금속 표면의 산화막을 제거하여 양호한 납땜성을 확보하는 것이다.
활성제로서는 예컨대, 에틸아민, 프로필아민, 디에틸아민, 트리에틸아민, 에틸렌디아민, 아닐린 등의 할로겐화 수소산염, 락트산, 시트르산, 스테아린산, 아디프산, 디페닐 아세트산 등의 유기 카르복실산 등이 열거된다. 이들 활성제는 1종만이어도 좋고 2종 이상이어도 좋다.
활성제의 함유량은 플럭스 총량에 대하여 0.1～30중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1～20중량%인 것이 좋다. 활성제가 상기 범위보다 적으면, 활성력이 부족하여 납땜성이 저하될 우려가 있다. 한편, 활성제가 상기 범위보다 많으면, 플럭스의 피막성이 저하되어 친수성이 높아지므로, 부식성 및 절연성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 플럭스는 수산기를 갖는 틱소제를 필수 성분으로서 함유한다. 예컨대, 수산기를 갖지 않는 틱소제를 함유하고 수산기를 갖는 틱소제를 함유하지 않는 경우, 상술한 최대 선팽창율이 상기 범위를 벗어나게 되고, 그 결과, 가혹한 냉열 사이클 부하가 걸린 후의 접합 강도가 현저하게 저하하게 된다.
수산기를 갖는 틱소제로서는 예컨대, 경화 피마자유, 메티롤베헨산 아미드, 12-히드록시스테아린산 에틸렌비스아미드, 에루크산 모노에탄올 아미드, 12-히드록시스테아린산 헥사메틸렌비스아미드, 산화 파라핀 왁스 등이 열거된다. 이들 수산기를 갖는 틱소제는 1종만이어도 좋고 2종 이상이어도 좋다.
수산기를 갖는 틱소제의 함유량은 플럭스 총량에 대하여 0.5～10중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2～8중량%인 것이 좋다. 수산기를 갖는 틱소제가 상기 범위보다 적으면, 충분한 틱소성을 얻을 수 없어 인쇄 등의 작업성이 저하될 우려가 있다. 한편, 수산기를 갖는 틱소제가 상기 범위보다 많으면, 플럭스의 점도가 높아져 작업성을 손상시킬 우려가 있다.
또한, 수산기를 갖지 않는 틱소제로서는 예컨대, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스, 스테아린산 아미드, 올레인산 아미드, 에루크산 아미드, 라우린산 에틸렌비스아미드, 스테아린산 부틸렌비스아미드, 스테아린산 크실렌비스아미드, N,N'-디스테아릴아디프산 아미드, N,N'-디올레일세바신산 아미드, N,N'-디스테아릴이소프탈산 아미드, 크실렌비스스테아릴 요소 등이 열거된다. 이들 수산기를 갖지 않는 틱소제는 본 발명의 필수 성분은 아니지만, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위이면 함유시켜도 좋다.
본 발명의 플럭스는 산화 방지제도 함유하는 것이 바람직하다. 산화 방지제를 함유함으로써 리플로우시 가열에 의한 플럭스 잔사의 산화가 방지되고, 한란차가 큰 환경에 있어서 땜납부의 균열 방지와 아울러, 플럭스 잔사에 생기는 균열도 방지할 수 있다. 그 결과, 균열부에 수분이 침입하여 부품 리드 사이의 단락 불량을 일으키는 문제도 회피하는 것이 가능해진다.
산화 방지제로서는 특별히 제한은 없고 예컨대, 페놀계, 인계, 아민계, 황계의 공지의 산화 방지제가 열거된다. 이들 산화 방지제는 1종만이어도 좋고 2종 이상이어도 좋다.
페놀계의 산화 방지제로서는 예컨대, 2,6-디-t-부틸-4-[4,6-비스(옥틸티오)-1,3,5-트리아진-2-일아미노]페놀, 2,6-디-t-부틸-p-크레졸, 2,4-디메틸-6-t-부틸-페놀, 스티레네이트 페놀, 2,4-비스[(옥틸티오)메틸]-o-크레졸 등이 열거된다. 인계의 산화 방지제로서는 예컨대, 트리페닐 포스파이트, 트리에틸 포스파이트, 트리라우릴트리티오 포스파이트, 트리스(트리데실) 포스파이트 등이 열거된다. 아민계의 산화 방지제로서는 예컨대, α-나프틸아민, 트리에틸아민, N,N'-디이소부틸-p-페닐렌디아민, 페닐-β-나프틸아민 등이 열거된다. 황계의 산화 방지제로서는 예컨대, 디라우릴티오디프로피오네이트, 디라우릴설페이트, 2-메르캅토벤조이미다졸, 라우릴스테아릴티오디프로피오네이트 등이 열거된다.
산화 방지제의 함유량은 특별히 제한되지 않지만 예컨대, 플럭스 총량에 대하여 0.05～10중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1～5중량%인 것이 좋다.
본 발명의 플럭스는 로진계 수지를 더 함유되는 것이 바람직하다. 로진계 수지를 함유시키면, 이것이 금속에 상기 활성제를 균일하게 부착시키기 위한 바인더로서 작용하여 금속 표면의 산화막의 제거를 보다 효율적으로 행할 수 있다.
로진계 수지는 종래부터 일반적으로 플럭스에 이용되고 있는 것이면 좋고, 특별히 한정되지 않지만 예컨대, 통상의 검 로진, 톨유 로진, 우드 로진 이외에, 이들 유도체(예컨대, 불균제화 로진, 열처리한 수지, 중합 로진, 아크릴화 로진, 수소첨가 로진, 포르밀화 로진, 로진 에스테르, 로진 변성 말레산 수지, 로진 변성 페놀 수지, 로진 변성 알키드 수지 등) 등이 열거된다. 이들 로진계 수지는 1종만이어도 좋고 2종 이상이어도 좋다.
로진계 수지를 함유시키는 경우, 플럭스 중에 아크릴 수지 이외의 새로운 수지 성분이 가해지게 되므로, 그 함유량은 아크릴 수지 및 로진계 수지 각각의 유리전이점과 함유량으로부터 산출된 아크릴 수지와 상기 로진계 수지의 혼합물의 평균 유리전이점이 상술한 아크릴 수지의 유리전이점의 범위에 들어가도록 설정하는 것이 바람직하다. 통상, 예컨대, 플럭스 총량에 대하여 1～20중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5～10중량%인 것이 좋다.
본 발명의 플럭스는 필요에 의해서 유기 용제를 더 함유하고 있어도 좋다. 유기 용제로서는 상술한 함유 성분을 용해하여 용액으로 하는 극성 용제가 바람직하고, 통상, 예컨대, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 에틸셀로솔브, 부틸카르비톨, 헥실카르비톨 등의 알콜계 용제가 바람직하게 이용된다. 또한, 예컨대, 아세트산 에틸, 아세트산 부틸 등의 에스테르계 용제나, 톨루엔, 테레빈유 등의 탄화수소계 용제 등도 유기 용제로서 이용될 수 있다. 이들 중에서도, 휘발성이나 활성제의 용해성의 점에서 헥실 카르비톨이 바람직하다. 이들 유기 용제는 1종만이어도 좋고 2종 이상이어도 좋다.
유기 용제의 함유량은 특별히 제한되지 않지만 예컨대, 플럭스 총량에 대하여 15～70중량%인 것이 좋다. 유기 용제가 상기 범위보다 적으면, 플럭스의 점성이 높아져 플럭스의 도포성이 악화될 우려가 있다. 한편, 유기 용제가 상기 범위보다 많으면, 플럭스로서의 유효 성분(상술한 필수 성분)이 상대적으로 적어지기 때문에 납땜성이 저하될 우려가 있다.
또한, 본 발명의 플럭스는 상술한 각 성분 이외에, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 일반적으로 플럭스의 베이스 수지로서 이용되고 있는 종래 공 지의 합성 수지(예컨대, 스티렌-말레산 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 페녹시 수지, 테르펜 수지 등)나 방미제, 광택 제거제 등의 첨가제를 함유시킬 수도 있다.
본 발명의 땜납 페이스트 조성물은 땜납 합금 분말과 상술한 본 발명의 납땜용 플럭스를 포함하는 것이다.
상기 땜납 합금 분말로서는 특별히 제한은 없고, 일반적으로 이용되고 있는 주석-납 합금, 또한 은, 비스무트 또는 인듐 등을 첨가한 주석-납 합금 등을 이용할 수 있다. 또한, 주석-은계, 주석-동계, 주석-은-동계, 주석-비스무트계 등의 납 프리합금을 이용해도 좋다. 또한, 땜납 합금 분말의 입경은 5～50㎛ 정도인 것이 좋다.
본 발명의 땜납 페이스트 조성물에 있어서의 플럭스와 땜납 합금 분말의 중량비(플럭스:땜납 합금 분말)는 소망되는 땜납 페이스트의 용도나 기능에 따라서 적당히 설정하면 좋고, 특별히 제한되지 않지만 5:95～20:80 정도인 것이 좋다.
본 발명의 땜납 페이스트 조성물은 리플로우시킴으로써 납땜에 이용된다. 리플로우는 예컨대, 130～200℃ 정도로 프리히트를 행한 후 최고온도 170～250℃ 정도로 행하면 좋지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 납땜할 때, 땜납 페이스트 조성물은 통상, 디스펜서나 스크린 인쇄 등에 의해 기판 상에 도포된다.
이어서, 본 발명의 땜납 접합 구조의 일 실시형태에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 땜납 구조의 일 실시형태를 부분적으로 나타낸 확대 단면도이다. 이 땜납 접합 구조는 주면(1a)에 전극부(2) 및 절연막(3)을 구비한 기판(1) 상(주면(1a) 상)에 전자부품(4)이 탑재되어 있고, 상기 전극부(2)와 상기 전자부품(4)은 땜납부(5)를 통하여 전기적으로 접합되어 있다. 이 땜납 접합 구조에 있어서, 전자부품(4)과 절연막(3) 사이에는 상기 땜납부(5)로부터 침출한 플럭스의 잔사(6)가 개재되어 있다.
본 발명의 땜납 접합 구조에 있어서, 상기 땜납부(5)는 땜납 합금 분말과 플럭스를 혼합한 땜납 페이스트 조성물을 리플로우시킴으로써 형성된다. 여기서, 이용되는 플럭스는 아크릴 수지, 활성제 및 수산기를 갖는 틱소제를 함유하고, 또한 상기 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 상기 플럭스 잔사의 연화 온도 이상인 본 발명의 플럭스이고, 이 플럭스 잔사(6)의 최대 선팽창계수(즉, -40℃부터 상기 플럭스 잔사의 연화 온도까지의 온도범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값)는 300×10-6/K 이하이다. 이것에 의해, 가혹한 냉열 사이클이 부하되는 경우이어도 접합 강도의 저하를 억제할 수 있고, 그 결과, 한란차가 큰 환경에서 사용될 때도 높은 접합 신뢰성을 확보하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 도 1에 나타낸 바와 같은 땜납 접합 구조에 있어서의 땜납부(5)를 땜납 합금 분말과 본 발명의 플럭스를 이용하여 형성하는 것은 90℃ 이상의 온도와 -30℃ 이하의 온도 사이(구체적으로는 예컨대, -40℃～125℃)에서 냉열 사이클을 반복하는 온도 부하 조건하에 있어서의 땜납의 접합 강도의 저하를 방지하는 방법으로서 유용하다. 즉, 본 발명의 땜납 접합 강도의 저하 방지 방법은 90℃ 이상의 온도와 -30℃ 이하의 온도 사이에서 냉열 사이클을 반복하는 온도 부하 조건하에 있어서의 땜납부의 접합 강도의 저하를 방지하는 방법으로서, 상기 땜납부를 땜납 합금 분말과 상기 본 발명의 납땜용 플럭스를 이용하여 형성하는 것이다.
또한, 본 발명의 땜납 접합 구조에 있어서의 「플럭스 잔사」에 대해서는, 본 발명의 플럭스의 설명에서 기술한 「리플로우 후의 플럭스 잔사」에 관한 기재를 적용하면 좋고, 본 발명의 땜납 접합 구조에 있어서의 「플럭스 잔사의 연화 온도」에 대해서는, 본 발명의 플럭스의 설명에서 기술한 「리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도」에 관한 기재를 적용하면 좋다.
(실시예)
이하, 실시예 및 비교예를 열거하여 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
또한, 이하의 각 제조예나 표 중에 나타낸 아크릴 수지의 평균 분자량은 모두 중량평균 분자량이다.
실시예 및 비교예에 있어서의 각종 측정 및 평가는 하기의 방법으로 행했다.
<플럭스 잔사의 최대 선팽창계수 및 플럭스 잔사의 연화 온도>
땜납 페이스트 조성물 약 0.5g을 동판(50mm×50mm×0.5mm) 상에 싣고, 250℃로 설정한 핫플레이트 상에서 30초간 가열함으로써 땜납을 용융시킨 후, 상온까지 냉각하여 생긴 플럭스 잔사를 긁어내 회수했다. 이 조작을 5회 행하고, 회수한 모든 잔사를 균일하게 용융?혼합한 후, 폭 3mm, 두께 3mm, 길이 10mm의 형상으로 성형하여 이것을 시료로 했다.
이어서, 이 성형한 시료의 팽창, 수축을 열기계 분석장치(Seiko Instruments Inc.에 의해서 제작된 「TMA/SS120」)를 이용해서 측정하여 선팽창계수를 구했다. 측정할 때에는 시료를 아르곤 가스 분위기하에서 매분 5℃의 승온 속도로 -40℃부터 가열해 갔다. 시료를 가열해 가면 시료의 연화가 시작됨과 동시에 시료의 겉보기 길이의 급격한 수축이 일어나고, 최종적으로 시료 길이가 거의 제로가 되므로, 시료의 겉보기 길이의 급격한 수축이 일어나기 시작한 온도를 플럭스 잔사의 연화 온도라고 했다. 그리고, 이 연화 온도부터 플러스 30℃ 온도가 될 때까지 가열을 계속하여 선팽창계수를 구했다. 이와 같이 구한 -40℃부터 연화 온도까지의 선팽창계수 중 최대값을 최대 선팽창계수라고 했다. 또한, 연화 온도부터 플러스 30℃ 온도가 될 때까지 가열하는 사이에, 시료는 완전히 용해하여 시료 길이는 거의 제로가 된 것을 확인했다.
<접합 강도시험>
3.2mm×1.6mm 사이즈의 칩 부품(잔자부품)을 120개 실장할 수 있는 패턴을 갖는 절연막과 칩 부품을 접속하는 전극을 구비한 유리 에폭시기판 2매에, 각각 동일한 패턴을 갖는 두께 150㎛의 메탈 마스크를 이용해서 땜납 페이스트 조성물을 인쇄하여 120개의 칩 부품을 탑재했다. 칩 부품을 탑재 후, 10분 이내에 산소 농도 1500ppm의 질소 분위기하에 있어서 160±5℃로 80±5초간 프리히트를 행하고, 이어서, 최고온도 240±5℃로 리플로우를 행함으로써 납땜을 실시했다.
이와 같이 하여 얻어진 땜납 접속 구조에 있어서는, 전극과 칩 부품이 땜납부를 통하여 전기적으로 접합되어 있음과 아울러, 칩 부품과 유리 에폭시기판 표면의 절연막 사이에 플럭스 잔사가 개재되어 있었다.
이어서, 납땜 후 2매의 기판 중 1매에 -40℃×30분→125℃×30분을 1사이클로 하여 1000사이클의 조건으로 냉열 사이클 부하를 가했다. 그 후, 냉열 사이클 부하가 가해진 기판과 냉열 사이클 부하가 가해지지 않은 기판에 대해서, 각각 기판 상의 120개 칩 부품의 접합 강도(전단 강도)를 가압 전단 시험기를 이용하여 JIS Z-3198-7에 준거하여 측정했다. 전단 강도를 측정할 때에, 지그는 지름 0.5mm의 압자를 갖는 전단 지그로 하고, 전단 지그가 칩 부품에 대하여 수직 또는 부품의 중앙부에 위치하도록 기판을 시험 장치에 세트한 후, 전단 지그를 15mm/분의 속도로 이동시켜 가중을 가했다.
그리고, 냉열 사이클 부하가 가해지지 않은 기판의 전단 강도에 대한 냉열 사이클 부하를 가한 기판의 전단 강도의 비율을 백분율로 나타낸 값을 잔존 강도율(%)로서 구하고, 이 잔존 강도율에 의해, 접합부에서의 땜납 균열 발생에 의한 강도 저하를 평가했다. 구체적으로는, 잔존 강도율은 기판의 접합 신뢰성의 관점에서 70% 이상을 「적합」이라고 했다.
(제조예 1)
에틸메타크릴레이트 34.2중량부, 라우릴아크릴레이트 24.0중량부, 벤질메타크릴레이트 35.2중량부 및 메타크릴산 6.6중량부로 이루어지는 모노머 성분을 용액 중합법으로 중합하여 열가소성 아크릴 수지 A를 얻었다.
이 열가소성 아크릴 수지 A는 유리전이점(Tg)이 51℃, 산가가 43mgKOH/g, 평균 분자량이 약 6000이었다.
(제조예 2)
t-부틸메타크릴레이트 25.4중량부, 세틸아크릴레이트 53.1중량부, 시클로헥실아크릴레이트 13.8중량부 및 메타크릴산 7.7중량부로 이루어지는 모노머 성분을 용액 중합법으로 중합하여 열가소성 아크릴 수지 B를 얻었다.
이 열가소성 아크릴 수지 B는 유리전이점(Tg)이 54℃, 산가가 50mgKOH/g, 평균 분자량이 약 23500이었다.
(제조예 3)
라우릴아크릴레이트 24중량부, 세틸아크릴레이트 29.7중량부, n-부틸아크릴레이트 25.6중량부 및 메타크릴산 20.7중량부로 이루어지는 모노머 성분을 용액 중합법으로 중합하여 열가소성 아크릴 수지 C를 얻었다.
이 열가소성 아크릴 수지 C는 유리전이점(Tg)이 14℃, 산가가 135mgKOH/g, 평균 분자량이 약 12000이었다.
(제조예 4)
2-에틸헥실아크릴레이트 63.2중량부, n-부틸아크릴레이트 22.0중량부 및 메타크릴산 14.8중량부로 이루어지는 모노머 성분을 용액 중합법으로 중합하여 열가소성 아크릴 수지 D를 얻었다.
이 열가소성 아크릴 수지 D는 유리전이점(Tg)이 -62℃, 산가가 97mgKOH/g, 평균 분자량이 약 27000이었다.
(제조예 5)
라우릴메타크릴레이트 28.9중량부, 2-에틸헥실아크릴레이트 41.9중량부 및 n-부틸아크릴레이트 29.2중량부로 이루어지는 모노머 성분을 용액 중합법으로 중합하여 열가소성 아크릴 수지 E를 얻었다.
이 열가소성 아크릴 수지 E는 유리전이점(Tg)이 -71℃, 산가가 0mgKOH/g, 평균 분자량이 약 9500이었다.
(제조예 6)
이소보르닐아크릴레이트 26.0중량부, 시클로헥실아크릴레이트 19.2중량부, 벤질메타크릴레이트 44.0중량부 및 메타크릴산 10.8중량부로 이루어지는 모노머 성분을 용액 중합법으로 중합하여 열가소성 아크릴 수지 F를 얻었다.
이 열가소성 아크릴 수지 F는 유리전이점(Tg)이 62℃, 산가가 70mgKOH/g, 평균 분자량이 약 7500이었다.
(제조예 7)
페녹시에틸아크릴레이트 36.3중량부, 시클로헥실아크릴레이트 29.1중량부, 벤질아크릴레이트 30.5중량부 및 메타크릴산 4.1중량부로 이루어지는 모노머 성분을 용액 중합법으로 중합하여 열가소성 아크릴 수지 G를 얻었다.
이 열가소성 아크릴 수지 G는 유리전이점(Tg)이 1℃, 산가가 27mgKOH/g, 평균 분자량이 약 17500이었다.
(실시예 1～4 및 비교예 1, 2)
베이스 수지로서 상기 각 제조예로 얻어진 아크릴수지 A, B, C 및 불균제화 로진(유리전이점(Tg) 40℃) 중 1종 이상과, 활성제로서 디페닐 아세트산, 아디프산 및 아닐린 브롬화 수소산염과, 수산기를 갖는 틱소제로서 12-히드록시스테아린산 에틸렌비스아미드와, 페놀계 산화 방지제로서 Ciba?Specialty?Chemicals에 의해 제작된 「IRGANOX 565」와, 용제로서 헥실 카르비톨을 각각 표 1에 나타낸 배합 조성으로 혼합하고, 균일해지도록 충분히 열을 가하여 용해, 확산시켜 플럭스를 각각 얻었다.
이어서, 얻어진 각 플럭스와 Sn-Pb 합금(Sn:Pb=63.0:37.0(중량비))로 이루어지는 땜납 합금 분말(입경 38～25㎛)을 플럭스:땜납 합금 분말=10:90(중량비)의 비율로 혼합하여 땜납 페이스트 조성물을 각각 얻었다.
얻어진 각 땜납 페이스트 조성물을 이용하여 접합 강도 시험을 행했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112010044719910-pct00002
표 1에서, 아크릴 수지와 수산기를 갖는 틱소제를 사용하고, 잔사의 최대 선팽창계수가 300×10-6/K 이하이고, 또한 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 리플로우 후 잔사의 연화 온도이상인 실시예 1～4는 -40℃부터 125℃까지의 가혹한 냉열 사이클이 부하된 후에도 높은 접합 강도를 유지하고 있다. 또한, 실시예 4는 아크릴 수지에 로진계 수지를 병용한 예이지만, 아크릴 수지와 로진계 수지의 혼합물의 평균 유리전이점을 산출하면 52℃이고, 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도 이상의 값이었다.
이것에 대하여, 아크릴 수지 대신에 로진계 수지를 단독으로 이용한 비교예 1에 있어서는, 잔사의 최대 선팽창계수가 300×10-6/K를 초과하고 냉열 사이클 후 접합 강도의 현저한 저하가 확인된다. 또한, 비교예 2에서는 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃를 초과하고, 또한 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도 미만의 범위내에 있기 때문에, 냉열 사이클 후 접합 강도의 현저한 저하가 확인된다.
(실시예 5～8 및 비교예 3～5)
베이스 수지로서 상기 각 제조예로 얻어진 아크릴 수지 D, E, F, G 및 불균제화 로진(유리전이점(Tg) 40℃) 중 1종 이상과, 활성제로서 디페닐 아세트산, 아디프산 및 모노에틸아민 염산염과, 틱소제로서 메티롤베헨산 아미드(수산기를 갖는 틱소제) 및 스테아린산 헥사메틸렌비스아미드(수산기를 갖지 않는 틱소제) 중 어느 하나와, 페놀계 산화 방지제로서 Ciba?Specialty?Chemicals에 의해 제작된 「IRGANOX 565」와, 용제로서 헥실 카르비톨을 각각 표 2에 나타낸 배합 조성으로 혼합하고, 균일해지도록 충분히 열을 가하여 용해, 확산시켜 플럭스를 각각 얻었다.
이어서, 얻어진 각 플럭스와 Sn-Ag-Cu 합금(Sn:Ag:Cu=96.5:3.0:0.5(중량비))로 이루어지는 납 프리의 땜납 합금 분말(입경 38～25㎛)을 플럭스:땜납 합금 분말=12:88(중량비)의 비율로 혼합하여 땜납 페이스트 조성물을 각각 얻었다.
얻어진 각 땜납 페이스트 조성물을 이용하여 접합 강도시험을 행했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112010044719910-pct00003
표 2에서, 아크릴 수지와 수산기를 갖는 틱소제를 사용하고, 잔사의 최대 선팽창계수가 300×10-6/K 이하이고, 또한 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 리플로우 후의 잔사의 연화 온도 이상인 실시예 5～8은 -40℃부터 125℃까지의 가혹한 냉열 사이클이 부하된 후에도 높은 접합 강도를 유지하고 있다. 또한, 실시예 6과 실시예 8은 아크릴 수지에 로진계 수지를 병용한 예이지만, 아크릴 수지와 로진계 수지의 혼합물의 평균 유리 전이점을 산출하면 실시예 6은 -46℃, 실시예 8은 -54℃이고, -40℃ 이하의 온도이었다.
이것에 대하여, 실시예 5와 동일한 아크릴 수지를 이용하고 있지만, 수산기를 갖지 않는 틱소제를 이용하고 있는 비교예 3은 잔사의 선팽창계수가 300×10-6/K를 초과하는 것으로 이루어지기 때문에 냉열 사이클 후의 접합 강도가 현저하게 저하되고 있다. 또한, 아크릴 수지의 유리전이점은 리플로우 후의 잔사의 연화 온도 이상이지만, 잔사의 선팽창계수가 300×10-6/K를 초과하고 있는 비교예 4에서도 냉열 사이클 후 접합 강도의 현저한 저하가 확인된다. 또한, 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃를 초과하고, 또한 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도 미만의 범위내에 있고, 잔사의 선팽창계수가 300×10-6/K를 초과하고 있는 비교예 5에서도 냉열 사이클 후 접합 강도의 현저한 저하가 확인된다.
이상, 본 발명에 의한 땜납 접합 구조 및 납땜용 플럭스에 대해서 자세하게 설명했지만, 본 발명의 범위는 이들 설명에 구속되지 않고, 본 발명의 취지를 손상시키지 않는 범위에서 적당히 변경 또는 개선할 수 있다.

Claims (10)

  1. 전극부 및 절연막을 구비한 기판의 주면 상에 전자부품을 탑재하고, 상기 전극부와 상기 전자부품이 땜납부를 통하여 전기적으로 접합되고, 전자부품과 절연막의 사이에 상기 땜납부로부터 침출된 플럭스의 잔사가 개재되어 있는 땜납 접합 구조로서:
    상기 플럭스는 아크릴 수지, 활성제 및 수산기를 갖는 틱소제를 함유하고, 또한 상기 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 상기 플럭스 잔사의 연화 온도 이상임과 아울러,
    상기 플럭스 잔사는 -40℃부터 상기 플럭스 잔사의 연화 온도까지의 온도범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값이 300×10-6/K 이하인 것을 특징으로 하는 땜납 접합 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 땜납부는 땜납 합금 분말과 상기 플럭스를 혼합한 땜납 페이스트 조성물을 리플로우시킴으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 땜납 접합 구조.
  3. 땜납 합금 분말과 혼합하여 리플로우시킴으로써 납땜에 이용되는 납땜용 플럭스로서:
    아크릴 수지, 활성제 및 수산기를 갖는 틱소제를 함유하고, 또한 상기 아크릴 수지의 유리전이점이 -40℃ 이하 또는 리플로우 후의 플럭스 잔사의 연화 온도 이상임과 아울러,
    리플로우 후의 플럭스 잔사는 -40℃부터 상기 플럭스 잔사의 연화 온도까지의 온도 범위에 있어서의 선팽창계수의 최대값이 300×10-6/K 이하인 것을 특징으로 하는 납땜용 플럭스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    산화 방지제를 함유하는 것을 특징으로 하는 납땜용 플럭스.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 아크릴 수지는 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴산의 각종 에스테르, 메타크릴산의 각종 에스테르, 크로톤산, 이타콘산, 말레산, 무수 말레산, 말레산의 에스테르, 무수 말레산의 에스테르, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 염화 비닐 및 아세트산 비닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 중합성 불포화기 함유 모노머를 중합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 납땜용 플럭스.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 아크릴 수지는 분자량이 3만 이하인 것을 특징으로 하는 납땜용 플럭스.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 아크릴 수지의 함유량은 플럭스 총량에 대하여 10～80중량%인 것을 특징으로 하는 납땜용 플럭스.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    로진계 수지를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 납땜용 플럭스.
  9. 땜납 합금 분말과 제 3 항 또는 제 4 항에 기재된 납땜용 플럭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 땜납 페이스트 조성물.
  10. 90℃ 이상의 온도와 -30℃ 이하의 온도 사이에서 냉열 사이클을 반복하는 온도 부하 조건하에 있어서의 땜납부의 접합 강도의 저하를 방지하는 방법으로서:
    상기 땜납부를 땜납 합금 분말과 제 3 항 또는 제 4 항에 기재된 납땜용 플럭스를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 땜납 접합 강도의 저하 방지 방법.
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