KR101184234B1 - 납프리 땜납 - Google Patents

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Abstract

극저온에서 주석 페스트의 발생이 방지되고, 또한 젖음성과 내충격성이 양호한 저가의 납프리 땜납은, 질량% 로 Cu : 0.5 ~ 0.8 %, Bi : 0.1 % 이상, 1 % 미만, Ni : 0.02 ~ 0.04 %, 잔부 Sn 으로 이루어지는 조성을 갖는다.

Description

납프리 땜납{LEAD-FREE SOLDER}
본 발명은 예를 들어 -40 ℃ 이하라는 극저온에서도 주석 페스트(pest)를 일으키지 않고, 또한 확산성과 내충격성도 우수한, 전자 기기의 납땜에 적합한 Sn-Cu 계의 납프리 땜납에 관한 것이다.
예로부터 금속의 접합에는 Pb-Sn 땜납이 사용되어 왔다. PB-Sn 땜납은 최근에는 전자 기기의 납땜, 특히 전자 부품의 프린트 기판에 대한 납땜에 널리 사용되어 왔다. Pb-Sn 땜납은 공정 (共晶) 조성 (Pb-63Sn) 에서의 융점이 183 ℃ 이며, 납땜을 240 ℃ 이하의 온도에서 실시할 수 있기 때문에, 전자 부품이나 프린트 기판에 대해 열 영향을 미치지 않는다. 또한, 이 공정 조성 부근의 Pb-Sn 땜납은 젖음성이 우수하고, 납땜 불량을 발생시키지 않는 등의 우수한 특징을 가져 전자 기기의 신뢰성의 확보에 공헌해 왔다.
그러나, 최근의 환경에 대한 의식의 고양으로부터, RoHS 규제에 의해 납에 대해 규제가 가해지게 되었다. 그 결과, 납을 함유하는 Pb-Sn 땜납에 대해서도 그 사용이 규제되게 되어, 납을 함유하지 않는 소위 「납프리 땜납」이 사용되게 되었다.
납프리 땜납은 Sn 을 주성분으로 하는 땜납 합금이다. 종래부터 사용되어 온 납프리 땜납의 대표예로는, Sn-3.5Ag (융점 : 220 ℃), Sn-3Ag-0.5Cu (융점 : 217 ~ 220 ℃), Sn-5Sb (융점 : 240 ℃), Sn-9Zn (융점 : 199 ℃), Sn-0.7Cu (융점 : 227 ℃) 등을 들 수 있다. 이와 같이 납프리 땜납은 모두 Pb-Sn 땜납에 비해 Sn 함유량이 상당히 높다.
이들 납프리 중에서 Sn-3.5Ag 및 Sn-3Ag-0.5Cu 는, 다른 납프리 땜납에 비해 납땜성이 우수하지만, 고가의 Ag 를 다량으로 함유하기 때문에, 가격 경쟁이 심한 분야의 납땜에 사용하기에는 그다지 적합하지 않다.
Sn-5Sb 는 재료 자체는 저렴하지만, 융점이 높기 때문에 납땜 온도도 필연적으로 높게 하지 않을 수 없어, 전자 부품이나 프린트 기판에 대한 열 영향이 문제가 되어 용도가 매우 한정된다.
Sn-9Zn 은 융점이 199 ℃ 로, 종래의 Pb-Sn 공정 땜납에 가깝기 때문에, 전자 부품이나 프린트 기판에 대한 열 영향의 문제는 없다. 그러나, Sn-9Zn 는 젖음성이 나쁠 뿐만 아니라, 외적 충격에 의해 납땜부가 박리되는 현상이 보고되어 있다. 이것은 땜납 중의 Zn 과 납땜부의 Cu 의 이온화 경향이 크게 상이하기 때문이다. 그에 따라, 납땜부 주위의 습기가 결로되었을 때에, 국부 전지 작용에 의한 전기 화학적 부식을 일으켜 납땜의 박리가 일어나기 쉬워진다.
Sn-0.7Cu 는 저렴하고, 또한 표면 광택도 비교적 높다는 점에서 저가의 기판 납땜 부품 (예, 커넥터) 의 도금에 바람직하게 사용되고 있다. 그러나, 전자 기기의 납땜에 사용하기에는 젖음성이 충분하지 않기 때문에 젖음성의 개선이 요구되고 있다.
하기 특허문헌 1 에는, Sn-0.7Cu 의 젖음성을 개선하기 위해, 소량의 P 또는 P 및 Ge 를 첨가하는 것이 제안되어 있다. 이 특허문헌에 개시된 Sn-Cu 계 땜납은 여러 가지 특성을 개선하기 위해, Ag, Sb, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, Bi, In 및 Zn 에서 선택된 1 종 이상의 원소를 함유할 수 있다. Bi 를 함유시킨 예에서는 2 질량% 의 Bi 가 첨가되어 있다.
전자 기기, 특히 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 카메라와 같은 휴대형 전자 기기는, 위도가 높은 극한랭지에서도 사용되고 있다. 이와 같은 극한랭지에서는 기온이 영하 20 ℃ 이하라는 극저온이 되는 경우가 있어, 옥외로 가지고 나와 사용되는 경우가 있는 휴대형 전자 기기의 납땜부도, 이와 같은 극저온에 노출되게 된다. 그러나, 납프리 땜납은 극저온에 노출되면 물러져 파괴될 가능성이 있는 것으로 보고되어 있다. 특히, 휴대형 전자 기기는 낙하하여 충격이 가해지는 경우가 있기 때문에, 납땜부의 내충격성이 요구된다.
일반적으로 납프리 땜납이 극한랭지에서 물러지는 것은, 주석 페스트에 원인이 있다. 주석 페스트는 상온에서는 연질이며 연성이 풍부한 정방정의 백색 주석 (βSn) 이, 저온에서 연성이 없고 매우 무른 회색 입방정의 결정 (αSn, 회색 주석) 으로 동소 (同素) 변태되는 현상으로서, 오래전부터 알려져 있었다. βSn 에서 αSn 으로의 변태 온도는 약 13 ℃ 인데, 과랭의 영향 때문에 실제로는 주석 페스트는 -20 ℃ 이하가 되지 않으면 일어나지 않고, -40 ℃ 전후에서 현저해진다. 기온이 -20 ℃ 를 하회하는 극한랭지에서의 전자 기기의 사용이 보급됨에 따라, 주석 페스트에서 기인하는 납땜부의 취화 (脆化) 와 박리가 우려되게 되었다.
하기 특허문헌 2 에는, 주석을 주성분으로 하는 땜납 합금에 있어서의 주석 페스트의 발생을 방지하기 위해, (1) Pb, (2) Pb + Bi 와 Ag 의 일방 또는 양방, 또는 (3) Bi + Ag 를 150 ~ 900 ppm (= 0.015 ~ 0.09 %) 의 양으로 첨가하는 것이 제안되어 있다. 땜납 합금계는 Sn-Cu 계, Sn-Ag-Cu 계, Sn-Sb-Ag 계, Sn-Zn-Bi 계 등의 많은 조성 중 어느 것이어도 된다.
주석 페스트의 발생을 억제하는 목적은 아니지만, 질량% 로 Bi 를 0.1 ~ 5.0 %, Ag 를 0.1 ~ 5.0 %, Sb 를 0.1 ~ 3.0 %, Cu 를 0.1 ~ 5.0 %, P 를 0.001 ~ 0.01 %, Ge 를 0.01 ~ 0.1 % 함유하고, 잔부가 주석인 납프리 땜납이 특허문헌 3 에, 질량% 로 Ni 를 0.01 ~ 0.5 %, Cu 를 2 % 초과, 5 % 이하 함유하고, 경우에 따라 Ag, In, Zn, Sb, Bi, Ge 및 P 에서 선택된 1 종 이상을 0.01 % 이상 함유하고 있어도 되는 Sn-Cu-Ni 합금이 특허문헌 4 에 제안되어 있다. 이들 특허문헌의 실시예에서는, Bi 는 모두 3 질량% 이상의 다량으로 첨가되어 있다.
일본 공개특허공보 2003-94195호 일본 공개특허공보 2006-212660호 일본 공개특허공보 평10-225790호 일본 특허출원공보 2006-26745호
Sn-Cu 계 납프리 땜납은 저렴하기 때문에, 상기 휴대형 전자 기기의 제조 비용의 저감에는 효과적이다. 그러나, Sn-Cu 계 납프리 땜납은 주석 페스트를 발생시키기 쉽고, 극한랭지에서는 납땜부로부터 박리되기 쉽다는 문제가 있었다. 전술한 바와 같이, Pb-Sn 땜납에 비해 납프리 땜납은 Sn 함유량이 많기 때문에, 주석 페스트가 더욱 일어나기 쉽다. 특히, Sn-0.7Cu 로 대표되는 Sn-Cu 납프리 땜납은 Sn 함유량이 매우 높기 때문에, 주석 페스트가 가장 일어나기 쉬울 것으로 생각된다. 따라서, Sn-Cu 계 납프리 땜납에서는, 주석 페스트의 발생을 방지하는 것이 매우 중요해진다.
또, Sn-Cu 계 납프리 땜납은, 납땜부에 대한 젖음성이 충분하지 않아 납땜 불량을 발생시키는 경우가 있었다.
특허문헌 4 에 개시된 납프리 땜납은, 납땜부에 존재하는 Cu 도체에 대한 땜납의 용출을 억제하기 위해, 2 질량% 초과라는 다량의 Cu 를 함유한다. 이 때문에, 땜납의 용융 온도가 높아 그 용도가 한정된다.
본 발명은 극한랭지에서도 땜납이 주석 페스트에 의해 물러지지 않고, 게다가 젖음성과 내충격성이 우수한 Sn-Cu 계 납프리 땜납을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 Sn-0.7Cu 로 대표되는 저 Cu, 고 Sn 의 Sn-Cu 계 땜납 합금의 주석 페스트가, 0.1 질량% 이상, 1 질량% 미만이라는 소량의 Bi 의 단독 첨가에 의해 효과적으로 방지되는 것을 알아내었다. 그러나, Bi 는 그 자체가 취성 (脆性) 을 갖는 금속이기 때문에, Bi 가 첨가된 납프리 땜납은, Bi 를 첨가하기 전의 것에 비해 내충격성이 다소 떨어진다는 문제가 있었다. 이 내충격성의 열화는 미량의 Ni 첨가에 의해 완전히 저지할 수 있을 뿐만 아니라, 내충격성도 향상시킬 수 있게 된다는 것이 판명되었다. 요컨대, 미량의 Bi 와 미량의 Ni 를 조합하여 첨가함으로써, 저 Cu, 고 Sn 의 Sn-Cu 계 땜납 합금의 주석 페스트의 방지와 내충격성의 개선이라고 하는 상반된 특성을 함께 달성할 수 있다. 또한, 이 납프리 땜납은 확산성 (젖음성) 도 양호하여, 납땜 불량을 잘 발생시키지 않는다.
본 발명은 질량% 로, Cu : 0.5 % 이상, 0.8 질량% 이하, Bi : 0.1 % 이상, 1 % 미만, Ni : 0.02 % 이상, 0.04 % 이하, 잔부 Sn 으로 이루어지는 납프리 땜납이다.
본 발명에 관련된 납프리 땜납에 있어서, Bi 함유량은 바람직하게는 0.1 질량% 이상, 0.5 질량% 이하이다.
본 발명의 납프리 땜납은, 예를 들어 -40 ℃ 라는 극저온에서도 주석 페스트를 일으키지 않기 때문에, 한랭지에서는 납땜부가 붕괴되지 않는다. 또, 미량의 Ni 의 첨가에 의해, Bi 첨가에 의한 내충격성의 저하가 방지되고, 또한 젖음성이 Bi 무첨가인 Sn-Cu 땜납보다 개선된다. 따라서, 본 발명에 의해 납땜 불량이 방지되고, 내충격성이 우수하고, 주석 페스트의 문제가 없으며, 신뢰성이 높은 납땜부를 저비용으로 제조할 수 있게 된다.
도 1 은 극저온 방치 시험에 있어서 주석 페스트가 발생하지 않은 복수 개 나열된 막대 형상 땜납 시료의 사진이다.
도 2 는 극저온 시험에 있어서 주석 페스트가 발생한 복수 개 나열된 막대 형상 땜납 시료의 사진이다.
도 3 은 극저온 시험에 있어서 주석 페스트가 발생하고, 자연 붕괴된 막대 형상 땜납 시료의 사진이다.
발명을 실시하기 위한 형태
이하에 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이하의 설명 중, 합금 조성을 나타내는「%」는, 특별히 언급하지 않는 한「질량%」를 의미한다.
본 발명에 관련된 Sn-Cu 계 납프리 땜납은, 본질적으로 Cu : 0.5 % 이상, 0.8 질량% 이하, Bi : 0.1 % 이상, 1 % 미만, Ni : 0.02 % 이상, 0.04 % 이하, 잔부 Sn 으로 이루어진다. 이 납프리 땜납은 Sn 함유량이 98 % 이상 (더욱 정확하게는 98.16 % 이상), 전형적으로는 99 % 이상으로 높음에도 불구하고 주석 페스트를 일으키지 않고, 또한 확산성과 내충격성이 양호하다.
Cu 는 내충격성의 향상과 고상선 (固相線) 온도를 낮추는 효과가 있다. Cu 함유량이 0.5 % 보다 적으면, 이들 효과가 나타나지 않는다. 한편, Cu 함유량이 0.8 % 를 초과하면, 땜납의 액상선 온도가 지나치게 높아진다.
Bi 는 주석 페스트 방지 뿐만 아니라, 땜납의 젖음성의 향상에 대해서도 효과가 있다. Bi 함유량이 0.1 % 미만에서는 주석 페스트 발생 방지 효과가 적을 뿐만 아니라, 땜납의 젖음성 향상에도 효과가 적다. 한편, Bi 를 1 % 이상의 양으로 첨가하면, Bi 의 취성이 현저히 나타나게 되어, 땜납의 내충격성이 저하된다. 이 때문에 Bi 함유량은 0.1 % 이상, 1 % 미만으로 한다.
Bi 에 의한 취성을 더욱 효과적으로 억제할 필요가 있는 경우, 예를 들어 성형된 펠릿, 와셔 형상 등의 프리폼을 생산하는 경우 등에서는, 성형시에 프리폼의 단부 (端部) 가 손상되는 것을 방지하기 위해, Bi 함유량을 0.1 % 이상, 0.5 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 소량의 Bi 의 첨가로도 Bi 의 상기 효과는 충분히 얻어진다.
Ni 의 첨가에 의해 내충격성 및 내열사이클성의 향상이 얻어진다. Ni 함유량이 0.02 % 보다 적으면 그 효과가 없다. 한편, 0.04 % 를 초과하여 Ni 를 첨가하면 땜납의 액상선 온도가 지나치게 높아져, 일반적인 납땜 온도인 250 ℃ 에서의 납땜이 불가능해진다.
본 발명에 관련된 땜납은 납프리 땜납이다. 즉, 납은 의도적으로는 전혀 첨가되지 않는다. 합금 성분의 금속 재료로부터 납이 불가피적으로 혼입되는 경우가 있어도 납의 함유량은 일반적으로 500 ppm 미만이며, 고순도 원료를 사용하면 100 ppm 미만이 된다.
이 납프리 땜납은, 상기 4 원소 (Sn, Cu, Bi, Ni) 만으로 이루어지는 것이 바람직하지만, 땜납의 각종 특성을 개선하기 위해 다른 원소를 소량이면 첨가할 수 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에 따라 0.001 ~ 0.1 % 의 P 를 단독으로, 또는 이 P 를 0.001 ~ 0.1 % 의 Ge 와 함께 첨가함으로써 젖음성을 개선할 수 있다. 다른 원소를 첨가하는 경우에도, 그 합계 첨가량이 0.5 % 이하, 바람직하게는 0.3 % 이하, 보다 바람직하게는 0.1 % 이하가 되도록 한다. 또, Sn 함유량이 99 % 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 관련된 납프리 땜납의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 분말 형상, 볼 형상, 막대 형상, 선 형상, 지방 함유 땜납, 성형된 펠릿 혹은 와셔 등의 형상의 땜납 프리폼 등이면 된다.
이 납프리 땜납은 전자 기기의 납땜, 특히 전자 부품의 프린트 기판에 대한 납땜에 사용하는 데에 적합하지만, 다른 용도에도 적용할 수 있다. 전자 기기의 납땜의 경우에는, 리플로우법 또는 플로우법이 이용되는 경우가 많다.
전자 부품이란 전자 기기를 구성하는 부품으로서, 능동 부품 (예, 반도체 소자, IC 등), 수동 부품 (저항, 콘덴서, 인덕터 등), 그리고 기구 부품 (스위치, 커넥터, 가변 저항, 키보드 등) 을 포함한다. 전자 기기는, 본 발명에서는 전자 부품을 실장한 프린트 기판을 내장하는 것을 의미한다.
예를 들어, 텔레비전, DVD 에 있어서의 전자 부품의 프린트 기판에 대한 납땜은, 막대 형상 또는 선 형상의 땜납을 분류 (噴流) 땜납조에 투입하여 용융시킨 용융 땜납을 사용하는 플로우법에 의해 실시할 수 있다. 휴대 전화나 퍼스널 컴퓨터에 장착되는 BGA 나 CSP 등의 전자 부품의 프린트 기판에 대한 납땜에서는, 전극에 범프를 형성하기 위해 미소 땜납 볼을 사용할 수 있으며, 이것도 1 종의 리플로우 납땜법이다. QFP, SOP 와 같은 표면 실장 부품의 프린트 기판에 대한 납땜은, 땜납 분말을 납땜용 플럭스와 혼합하여 조제된 솔더 페이스트를 사용하여 리플로우법에 의해 실시할 수 있다.
솔더 페이스트는 분말 땜납을 납땜용 플럭스와 혼합한 것이다. 솔더 페이스트에 사용되는 플럭스는, 수용성 플럭스와 비수용성 플럭스 중 어느 것이어도 되는데, 전형적으로는 적당한 활성제, 용제, 틱소제를 함유하는 로진 베이스의 비수용성 플럭스인 로진계 플럭스이다.
실시예
표 1 에 나타내는 조성을 갖는 납프리 땜납을 사용하여 이하에 나타내는 요령으로 주석 페스트, 내충격성 및 확산성에 대해 시험하였다. 사용한 합금 원료는 모두 Pb 함유량이 300 ppm 이하인 것이었다. 표 중에서 시험 No.1 ~ 3 의 합금이 본 발명에 따른 조성을 갖는다. 시험 결과도 표 1 에 함께 나타낸다.
Figure 112010075742572-pct00001
[주석 페스트 시험]
각 조성의 납프리 땜납을 장변 30 ㎜, 단변 20 ㎜, 길이 200 ㎜ 의 해방 주형 (鑄型) (배형) 에 쇳물을 부어 막대 형상 주조물을 얻었다. 이 주조물의 외주를 선반으로 절삭하여 직경 8 ㎜, 길이 110 ㎜ 의 막대 형상 땜납 시료를 얻었다. 이 막대 형상 시료를 -40 ℃ 의 냉동고에 약 10000 시간 방치한 후, 냉동고에서 꺼내 그 표면을 육안으로 관찰하였다.
막대 형상 시료의 표면이 냉동고에 방치하기 전과 전혀 변함없는 것을 ○ (도 1 의 사진), 막대 형상 시료의 표면에 큰 점 형상물이 나타난 것을 △ (도 2 의 사진), 완전히 자연 붕괴된 것을 × (도 3 의 사진) 로 평가한다. 막대 형상 시료의 표면에 나타나는 점 형상물이 주석 페스트에 의해 발생한 회색 주석 (αSn) 이다.
[내충격성 시험 (낙하 시험)]
내충격성은 JEDEC 의 JESD22-B111 의 규격에 준거하여 실시한 낙하 시험에 의해 평가하였다.
각 조성의 납프리 땜납으로부터 유중 조구법 (油中 造球法) 에 의해 직경 0.3 ㎜ 의 땜납 볼을 제조하였다. 이 땜납 볼을 사용하여 CSP 기판 상에 통상적인 방법에 의해 땜납 범프를 형성하였다 (가열 조건 : 220 ℃ × 40 초, 산소 농도 100 ppm 이하). 이 땜납 펌프가 형성된 CSP 기판을 시판되는 납프리 솔더 페이스트 (땜납 합금 : Sn-3Ag-0.5Cu ; 플럭스 : 로진계) 를 사용하여 프린트 기판에 리플로우법에 의해 실장하였다. 리플로우 가열 조건은 220 ℃ × 5 초이며, 분위기는 대기였다.
CSP 기판이 실장된 프린트 기판을 프린트 기판을 하측으로 하여 대좌 (臺座) 에 장착하였다. 2 개의 기판 사이의 납땜부의 전기 저항을 측정하고, 이 전기 저항을 초기값으로 한다. 이어서, 대좌를 낙하 지점으로부터 310 ㎜ 의 높이에서 낙하 지점인 에폭시 수지제의 받침대에 자유 낙하시켜 기판 사이에 충격을 주었다. 그 후, 2 개의 기판 사이의 납땜부의 전기 저항을 측정하였다.
낙하 후의 전기 저항이 도통 불량으로 보이는 낙하 전의 전기 저항 초기값의 120 % 가 될 때까지 이 낙하에 의한 충격 부여를 반복하고, 그 사이의 낙하 횟수를 기록하였다. 낙하 횟수가 40 회 이상인 경우를 ○ (내충격성이 충분), 낙하 횟수가 40 회보다 적은 경우에는 × (내충격성이 불충분) 로 평가하였다.
[땜납 확산 시험]
각 납프리 땜납의 확산성 (젖음성) 은, JIS Z 3198-3 (납프리 땜납 시험 방법-확산 시험 방법) 에 준하여 시험하였다. 확산율이 70 % 이상인 것을 ○, 70 % 미만인 것을 × 로 하였다.
[용융 온도]
각 납프리 땜납 용융 온도를 JIS Z 3198-1 (납프리 땜납 시험 방법-제 1 부 : 용융 온도 범위 측정 방법) 에 준하여 측정하였다.
표 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 Sn-Cu 계 납프리 땜납 (시험 No.4 의 Sn-0.7Cu) 은 -40 ℃ 의 극저온에 장기간 방치하면 주석 페스트에 의해 붕괴되었다. 이에 반해, 본 발명의 납프리 땜납 (시험 No.1 ~ 3) 은 -40 ℃ 에 장기간 방치해도 표면이 전혀 변화되지 않아 주석 페스트는 완전히 방지되었다. 또한, 확산 시험 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 젖음성도 종래의 Sn-Cu 계 납프리 땜납보다 우수하고, 낙하 시험에서도 양호한 내충격성을 나타내었다.
주석 페스트 방지의 목적은 시험 No.5 ~ 6, 8 및 10 에 나타내는 바와 같이, 비교적 다량의 Ag, Sb 또는 Bi 의 첨가에 의해서도 달성되었다. 그러나, 이들 첨가 원소는 내충격성에 악영향을 미치고, 또한 Sb 나 3 % 의 Bi 의 첨가는 확산성도 개선할 수 없었다. Bi 대신에 미량의 Ge 를 첨가한 시험 No.9 는 주석 페스트는 방지할 수 없었지만, 내충격성이나 확산성은 양호하였다. 다량의 Zn 을 함유하는 시험 No.7 ~ 8 의 납프리 땜납은 모두 특히 내충격성이 떨어졌다.

Claims (4)

  1. 질량% 로, Cu : 0.5 % 이상, 0.8 % 이하, Bi : 0.1 % 이상, 1 % 미만, Ni : 0.02 % 이상, 0.04 % 이하, 잔부 Sn 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 납프리 땜납.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Bi 함유량이 0.1 % 이상, 0.5 % 이하인 납프리 땜납.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 납프리 땜납과 납땜용 플럭스의 혼합물로 이루어지는 솔더 페이스트.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 납프리 땜납을 사용하여 전자 부품을 프린트 기판에 납땜하는 방법.

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