KR101233926B1

KR101233926B1 - 솔더 페이스트

Info

Publication number: KR101233926B1
Application number: KR1020087028952A
Authority: KR
Inventors: 리키야 가토; 사키에 야마가타
Original assignee: 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2013-02-15
Also published as: CN101479073B; WO2007125861A1; JP4826630B2; CN101479073A; EP2017031A1; KR20090007770A; EP2017031B1; US20090220812A1; EP2017031A4; US8388724B2; JPWO2007125861A1

Abstract

전자 부품의 내부 접합용으로는, 프린트 기판의 납땜에 사용하는 땜납 합금보다 용융 온도가 높은 고온 땜납이 사용되고 있는데, Pb 가 함유되지 않은 고온 땜납이 개발되어 있지 않았다. Sn 볼과 Cu 볼을 갖는 단일 조성으로 용융시키지 않고 금속간 화합물에 의해 접합되는 고온 땝납도 있는데, 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 전극과의 젖음성이 나빠 사용할 수 있는 것은 아니었다.

본 발명의 솔더 페이스트는, Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납의 분말과 표면에 Ni 도금을 형성한 Cu 또는 Ag 분말을 혼합한 혼합 분말에 플럭스를 혼화한 솔더 페이스트로서, 단일 조성으로 용융시키지 않고 금속간 화합물에 의해 접합되지만, 그 Ni 도금이 금속간 화합물의 생성을 억제하는 배리어로 되어, 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 전극이 젖는 시간을 확보하는 것이다.

솔더 페이스트

Description

솔더 페이스트{SOLDER PASTE}

본 발명은, 전자 기기의 접속에 사용하는 내열성이 우수하고, 고온 상태에서 고신뢰성을 발휘할 수 있는 땜납 합금이 얻어지는 땜납 분말과 납땜용 플럭스를 혼화한 솔더 페이스트에 관한 것이다.

전자 기기는, 전자 부품을 프린트 기판 등의 회로 상에 배치하여 특정한 기능을 갖게 한 것으로, 전자 부품과 프린트 기판 등의 회로 접합에는 낮은 온도에서 접합할 수 있고, 저렴하고, 접합 신뢰성도 높아서, 예로부터 땜납이 사용되어 왔다. 또한 전자 기기에 사용되는 전자 부품에는, 부품 리드 등의 프린트 기판에 접합시킬 단자가 필요하여, 부품 본래의 기능을 완수하는 부품 소자와 부품 리드 등의 단자를 전자 부품 내부에서 접합시키는 지점에도 땜납이 사용되고 있다.

전자 기기의 납땜에 사용하는 땜납 합금은, Sn 과 Pb 의 땜납 합금 중에서도 용융 온도가 낮은 Sn 60％ 근방의 땜납 합금이 사용되고 있다. 특히 Sn63-Pb37 의 조성은, 고상선 온도와 액상선 온도가 183℃ 로 동일하기 때문에 땜납 냉각시의 크랙 발생이 적고, Sn 과 Pb 의 땜납 합금 중에서도 가장 용융 온도가 낮기 때문에, 전자 부품에 대한 열에 의한 손상이 적어, 일반적으로 땜납이라고 하면 Sn63-Pb37 땜납 합금을 가리킬 정도로 널리 사용되고 있다.

그에 대해, 전자 부품의 내부 접합용으로 Sn63-Pb37 땜납 합금을 사용하면, 전자 기기를 제조하기 위한 가열에 의해, 전자 부품 내부에서 땜납이 용출되어 쇼트되거나, 땜납으로 접합한 부품 소자와 리드가 떨어져, 전자 부품으로서의 기능을 완수할 수 없게 된다. 그 때문에 전자 부품의 내부 접합용 땜납은, Sn63-Pb37 땜납 합금보다 용융 온도가 높은 땜납이 사용되고 있다. 이들 땜납 합금은, 프린트 기판의 납땜에 사용되는 Sn63-Pb37 등의 땜납과 비교하여 용융 온도가 높기 때문에, 고온 땜납이라고 불리고 있다.

전자 부품의 내부 접합용으로 사용되는 고온 땜납의 조성은, Pb-10Sn (고상선 온도 268℃, 액상선 온도 302℃), Pb-5Sn (고상선 온도 307℃, 액상선 온도 313℃), Pb-2Ag-8Sn (고상선 온도 275℃, 액상선 온도 346℃), Pb-5Ag (고상선 온도 304℃, 액상선 온도 365℃) 등이 있고, 주로 Pb 가 주성분으로 되어 있다. 이들 고온 땜납은 고상선 온도가 260℃ 이상이기 때문에, 프린트 기판의 납땜에 사용하는 Sn63-Pb37 공정 (共晶) 땜납을 사용한 납땜 온도가 조금 높은 230℃ 로 되어도, Pb-10Sn 등의 고온 땜납으로 납땜한 전자 부품 내부의 납땜부는, 프린트 기판의 납땜시에 용융되는 경우가 없다.

전자 부품의 내부 접합에 사용하는 납땜은, 그 접합 부분이 미세하기 때문에 미세한 납땜이 가능한 리플로우 솔더링으로 실시되고 있다. 솔더 페이스트를 납땜부에 부착시키는 방법으로는, 인쇄하여 도포하는 방법, 디스펜서를 사용하여 솔더 페이스트를 토출하는 방법, 전사 핀에 솔더 페이스트를 부착하여 전사하는 방법 등이 있다. 리플로우 솔더링에 사용되는 솔더 페이스트는, 땜납 분말과 납 땜용의 플럭스를 혼화한 것으로, 전자 부품의 소형화에 수반하여 솔더 페이스트에 사용되는 땜납 분말도 미세한 분말이 사용되도록 되고 있다. 이들 미세한 땜납 분말은 분말 표면이 산화되기 쉬워, 분말 표면이 청정한 땜납 분말이 필요하게 되었다.

그런데, 땜납을 사용하여 납땜된 전자 기기가 고장나거나, 낡아서 사용하기가 나빠진 경우, 수리하거나 무리해서 사용하지 않고 폐기 처분되었다. 전자 기기를 폐기 처분하는 경우, 전자 기기를 구성하는 플라스틱, 유리, 금속 등은 회수하여 재사용하는 경우가 있지만, 프린트 기판은 수지부에 동박이 접착되고, 그 동박에 땜납이 부착되어 있어, 이들을 분리 회수하여 재사용하기가 곤란하기 때문에, 세밀하게 파쇄하여 묻거나, 그대로 매립 처분되었던 것이다.

최근 화석 연료가 다용됨으로써 지상으로 쏟아지는 비는 산성비가 되었고, 그 산성비가 땅 속으로 침투하여 매립 처분된 프린트 기판에 접촉하면, 땜납 중의 Pb 성분을 용출시키고, Pb 성분을 함유한 산성비가 더욱 땅 속 깊이 침투하여 지하수에 혼입된다. 그리고 Pb 성분을 함유한 지하수를 장기간에 걸쳐 인류가 음용하면, Pb 성분이 체내에 축적되어, 결국에는 Pb 중독을 일으킨다고 알려져 있다. 그 때문에 현재, 세계적 규모로 Pb 의 사용이 규제되도록 되고 있고, 당연히 종래의 납땜에서 사용되어 온 Pb-Sn 의 고온 땜납이나 Pb-Sn 의 공정 땜납도 규제의 대상이 되고 있다.

이와 같이 Pb-Sn 땜납의 사용이 규제되도록 되어 있기 때문에, 현재는 Pb 를 전혀 함유하지 않은 Pb 프리 땜납의 사용이 추장되게 되었다. Pb 프리 땜납이 란, Sn, Ag, Sb, Cu, Zn, Bi, h, Ni, Cr, Fe, P, Ge, Ga 등의 원소를 2 종 이상 조합한 것이다. 2 원계의 Pb 프리 땜납으로는, Sn-3.5Ag (공정 온도 221℃), Sn-5Sb (공정 온도 240℃), Sn-0.75Cu (공정 온도 227℃), Sn-58Bi (공정 온도 139℃), Sn-52In (공정 온도 117℃) 등이 있고, 3 원계 혹은 그 이상의 다원계로는 상기 원소를 조합하여 융점이나 기계적 특성의 개선을 도모한 것이 있다. 현재, 많이 사용되고 있는 Pb 프리 땜납으로는 Sn-3Ag-0.5Cu (고상선 온도 217℃, 액상선 온도 220℃), Sn-8Zn-3Bi (고상선 온도 190℃, 액상선 온도 197℃), Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi (고상선 온도 214℃, 액상선 온도 221℃) 등이다. 이들 납 프리 땜납은, 종래의 Sn63-Pb37 땜납 합금과 비교하여 약 40℃ 가까이 땜납 합금의 용융 온도가 높아져 있다.

그러나 Pb 규제에 의해 최초의 납땜에 고온의 Pb 프리 땜납을 사용하고자 생각하여도, Sn 주성분으로 고상선 온도가 260℃ 이상인 고온 땜납은 없었다. 예를 들어 고상선 온도 (공정 온도) 가 221℃ 인 Sn-Ag 계나 고상선 온도 227℃ 의 Sn-Sb 계에 있어서, Ag 를 늘려 가도 액상선 온도는 오르지만, 고상선 온도는 오르지 않는다. Sn-Sb 계는 Sb 를 극단적으로 늘린 경우에는, 액상선 온도도 극단적으로 오른다. 이것들에 다른 원소를 첨가하여도 고상 온도도 높아져, 이 특성을 바꿀 수는 없다. Pb 프리 땜납은 전자 부품의 내부 접합용 고온 땜납으로서 사용 불가능한 것으로 생각되었다.

또한 전자 부품의 내부 접합용 고온 땜납으로서, Zn, Al, Ge 에 Sn 및 In 을 첨가한 고온 땜납이나 Zn, Al, Ge, Mg 에 Sn 및 In 을 첨가한 고온 땝납도 개시되 어 있다.

이들 고온 땜납은, 젖음성이 나쁜 Zn, Al, Mg 등을 함유하고 있으므로 전자 부품에 사용되기에는 적합하지 않았다. 이들 종래의 고온 땜납은 용융됨으로써 단일의 조성이 되는 것이지만, 단일 조성으로 용융시키지 않고 금속간 화합물에 의해 접합되는 고온 땜납으로서 일본 공개특허공보 2002-254194 가 개시되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2002-254194호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

전자 부품의 내부 접합용으로는, 프린트 기판의 납땜에 사용하는 땜납 합금보다 용융 온도가 높은 고온 땜납이 사용되어 왔다. 그러나, 세계적 규모로 Pb 의 사용이 규제되도록 되었으나, Pb 가 함유되지 않은 고온 땜납은 개발되어 있지 않았다.

전자 부품의 내부 접합용 고온 땜납으로서, Zn, Al, Ge 에 Sn 및 In 을 첨가한 고온 땜납이나 Zn, Al, Ge, Mg 에 Sn 및 In 을 첨가한 고온 땜납이 알려져 있는데, 이들 땜납 합금을 솔더 페이스트용의 땜납 분말로 하면, 주성분의 Zn 및 Al 이 산화되기 쉽기 때문에 땜납 분말 표면에 두꺼운 산화 피막을 형성하고, 젖음성이 매우 나빠, 플럭스와 혼합하여 솔더 페이스트로 해서 전자 부품의 납땜에 사용하여도 젖음 불량이 발생하여, 전혀 사용할 수 있는 레벨은 아니었다.

단일 조성으로 용융시키지 않고 금속간 화합물에 의해 접합되는 고온 땜납으로서, Sn 볼과 Cu 볼을 갖는 것을 특징으로 하는 고온 땜납의 특허 문헌 1 도 개시되어 있다. 이는 일반적인 납땜과 달리 땜납을 완전히 용융시켜 단일 성분으로 하는 것이 아니라, 용융 온도가 낮은 Sn 만을 용융시켜 Cu 와 Cu₆Sn₅ 의 금속간 화합물을 생성시킴으로써, Sn 볼과 Cu 볼을 용융 온도가 높은 금속간 화합물로 접합시키고자 하는 것이다. 요컨대 이 납땜 방법에서는 Sn 볼만이 용융되며, Cu 는 용융되지 않고 분산체로서만 사용하고 있는 것이다.

그러나, 이 고온 땜납을 칩 부품의 내열 보증 온도인 약 300℃ 이하에서 사용하면 Cu 볼의 용융 온도인 1083℃ 와 비교하여 온도가 높으므로 땜납 자체의 젖음성이 나쁘고, 확실한 접합을 실시할 수 없어, 강도가 약한 접합밖에 실시할 수 없었다. 그 이유로서, 이 고온 땜납에서는 저융점인 볼의 성분인 Sn 이 용융되어 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 젖어 확산됨으로써 랜드나 전자 부품과의 접합이 실시되었고, Sn 볼과 Cu 볼이 반응하기 시작하여 금속간 화합물이 성장하면, 용융된 Sn 이 모두 금속간 화합물로 치환되므로, 그 이상 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 젖어 확산되지 않게 된다. 특허 문헌 1 에서는 Sn 이 랜드나 전자 부품에 충분히 완전하게 젖기 전에 Sn 과 Cu 가 반응하여 금속간 화합물을 형성하여 금속간 화합물이 성장되어 버리므로, Sn 볼과 Cu 볼의 금속간 화합물의 반응은 충분히 실시되지만, Sn 과 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자의 젖음 시간이 부족하기 때문에 젖어 확산되지 않아, 강도 부족이 발생하는 것이다.

또한 특허 문헌 1 의 고온 땜납은, 셀프 얼라이먼트 효과가 전혀 없다는 문제점도 안고 있었다. 셀프 얼라이먼트 효과는 리플로우 솔더링 등에 일어나는, 마운터의 정밀도가 나빠 칩 부품 등이 위치 어긋남을 일으켜 마운트되어도 리플로우시에 정확한 위치로 돌아와 납땜되는 것으로, 위치가 어긋나 마운트되어도 땜납이 용융되어 랜드나 전자 부품에 젖을 때에 칩 부품이 표면 장력에 의해 인장되어 원래의 위치로 돌아온다는 효과를 가리킨다. 도전성 접착제에는 이와 같은 효과는 나타나지 않으며, 전자 부품의 접합에 땜납이 널리 사용되고 있는 이유도 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이론으로는 확립되어 있지만 실용화가 진행되지 않은 금속간 화합물에 의해 접합되는 고온 땜납을 칩 부품의 내열 온도인 약 300℃ 이하에서 사용한 경우에도 젖음 불량이 발생하지 않는, 강도가 강한 땜납 접합을 실시할 수 있는 솔더 페이스트를 제공하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은, Sn 볼과 Cu 볼 등을 사용하는 단일 조성으로 용융시키지 않고 금속간 화합물에 의해 접합되는 고온 땜납에 있어서, Cu 볼 (Cu 분말) 의 표면에 Sn 에 대한 확산을 저해하는 금속의 피막을 형성함으로써 Sn 과 Cu 의 금속간 화합물의 형성을 저해하고, Sn 이 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 충분히 완전하게 젖을 시간을 확보함으로써, 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 대한 젖음성을 개선할 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시켰다.

본 발명에 사용되는 Cu 분말의 표면에 Sn 에 대한 확산을 저해하는 금속은, Sn 에 대한 고용되는 것, 용융 온도가 Sn 과 동일하거나 Sn 보다 높은 것, Sn 에 고용되었을 때에 납땜성을 저해하지 않는 것 등을 들 수 있다. 이와 같은 금속으로서, Sn, Sb, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Fe, Ni, Co 등을 들 수 있고, Cu 분말 표면에 피막하는 것의 보다 배리어의 효과를 나타낸다. 이들 금속의 피막에 대해, 로진이나 플럭스 등의 유기물의 피막에서는 가열시에 용융되어 배리어로서의 효과를 나타내지 않는다. 그들 금속 중에서도 Sn 보다 용융 온도가 높은 것, Sn 에 대한 고용 속도가 느린 것, Sn 에 고용되었을 때의 납땜성이 양호하다는 조건을 만족하는 금속으로서 Ni 가 적합하다. Ni 는 그 융점이 1453℃ 로서, Sn 에는 고용되지만 고용 속도가 느린 특성을 갖고 있다. 또한 Au 가 도금된 하지에 종래부터 사용되고 있는 납땜성이 우수한 금속이다. 또한 Ni 는, 땜납 중의 Sn 에 고용되었을 때에 납땜성을 향상시키는 효과를 갖고 있다. 본 발명의 Sn 분말과 Cu 분말을 사용한 고온 솔더 페이스트에 있어서, Cu 분말에 Ni 피막을 형성하면 가열에 의해 용융된 Sn 에 Ni 가 서서히 고용되어 가고, 일정한 시간이 지나면 Ni 피막이 Sn 중에 고용되어 찢어지므로 Sn 과 Cu 가 접하여 Cu₆Sn₅ 의 금속 화합물을 생성하게 된다.

이와 같이 본 발명은, Cu 분말 표면에 Ni 피막의 배리어층을 형성함으로써, Sn 과 Cu 의 금속간 화합물의 형성을 저해하고, Sn 이 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 충분히 완전하게 젖을 시간을 확보함으로써, 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 대한 젖음성을 개선할 수 있게 된다.

본 발명에 사용하는 Ni 의 피막 형성은, 도금에 의한 것이 바람직하다. Ni 도금은 전해 도금, 무전해 도금 중 어느 것이어도 된다. 미세한 분말의 도금 방법으로는 무전해 도금이 적합하지만, 무전해 도금은 P 를 함유하고 있으므로 그 영향에 주의할 필요가 있다. P 는 납땜시에 젖음성을 향상시키지만, 납땜 계면에 딱딱한 합금층을 형성한다. 그 때문에 P 함유량이 비정상적으로 높아지지 않게 할 필요가 있다. P 의 함유량이 10 질량％ 이하인 경우에는 무전해 도금에 있어서의 P 의 영향은 무시할 수 있다.

본 발명은, Cu 분말 표면에 Ni 의 피막을 형성함으로써 Sn 이 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 충분히 완전하게 젖을 시간을 확보하는 것이므로, Cu 분말 표면에 형성시킨 Ni 의 피막이 지나치게 얇으면 배리어의 효과가 나타나지 않고, Ni 피막이 지나치게 두꺼우면 Sn 이 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 충분히 완전하게 젖은 후에도 Cu 표면에 Ni 피막이 남아, Sn 과 Cu 의 금속간 화합물의 생성을 저해한다. 본 발명에 양호한 Cu 분말 표면에 형성된 Ni 도금의 Ni 의 함유량은, Cu 분말 전체의 0.2 ∼ 2.0 질량％ 인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 Ni 도금의 Ni 의 함유량이 Cu 분말 전체의 1.0 ∼ 2.0 질량％ 일 때이다.

본 발명에 사용되는 Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납 분말은, 용융시에 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 젖을 필요가 있어, 금속간 화합물의 생성을 위한 가열 온도에서 용융되는 것이 요구된다. 그 때문에 단순히 Sn 의 분말이어도 되지만, 금속간 화합물의 생성을 위한 가열 온도에서 용융되는 범위에서 다른 금속을 혼합하여 합금으로 한 분말이어도 된다. 일반적인 납 프리 땜납은 Sn 에 고용되는 금속을 Sn 에 혼합하여 합금으로 한 것으로, Sn 단독보다 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 대한 젖음성이 양호하다. 이와 같은 Sn 에 고용되는 금속으로서, Ag, Cu, Sb, Bi, In, Zn 등을 생각할 수 있고, Sn 기 납 프리 땜납 합금으로는, Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-Sb 계, Sn-Bi 계, Sn-In 계, Sn-Zn 계의 땜납 합금을 들 수 있다. 그러나, 본 발명의 Sn 기 납 프리 땜납 합금은 분말로서 사용되므로, 산화가 심한 Sn-In 계, Sn-Zn 계의 땜납 합금은 본 발명에 적합하지 않다.

또한 본 발명에서는, 금속문 화합물의 생성을 위한 가열 온도에서 용융되는 범위에서 Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납 분말에 강도 향상 원소를 첨가할 수 있다. 본 발명에 적절한 강도 향상 원소로는, Ag, Cu, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Co, Ni, Cr 을 들 수 있다. 이들은, 가열에 의해 형성되는 Cu₆Sn₅ 의 금속 화합물로 분산되어 납땜 강도를 상승시킨다. 단, 납땜 강도 향상을 위한 강도 향상 원소를 첨가는, 합계로 1.0 질량％ 이하가 바람직하다. 특히 Fe, Co, Ni, Cr 등은 Sn 과 금속간 화합물을 형성하기 쉽고, 많이 첨가하면 반대로 강도 저하를 가져온다.

본 발명은, 가열 온도에서 용융되지 않은 고온 분말로서 Cu 분말뿐만 아니라 Ag 분말을 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 단 Ag 는 Cu 와 비교하여 Sn 에 고용되기 쉽고, 배리어층이 용출되기 시작한 후의 금속간 화합물의 생성이 빠르다. 그 때문에 고온의 분말에 Ag 분말을 사용하는 경우에는, Cu 와 비교하여 배리어층을 두껍게 할 필요가 있다. 본 발명에서는, Ni 도금의 Ni 의 함유량이 Ag 분말 전체의 0.5 ∼ 3.0 질량％ 일 때가 양호하고, 2.0 ∼ 3.0 질량％ 일 때가 가장 바람직하다. 본 발명에서 Ag 분말에 Ni 도금을 피복하였을 때에는, 가열함으로써 Sn 분말이 용융되어 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 젖고, Ni 도금의 피복이 Sn 에 고용됨으로써 Ag 가 노출되어 Ag₃Sn 의 금속간 화합물이 생성되어 성장해 간다.

본 발명에서 Ag 분말을 사용하였을 때에도 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자를 적시는 저융점 금속으로서 Sn 분말뿐만 아니라, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Sb, Sn-Bi 등의 Sn 기 납 프리 땜납 합금을 사용해도 된다. 또한 이들 Sn 기 납 프리 땜납 합금에는, Ag, Cu, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Co, Ni, Cr 에서 선택된 강도 향상 원소 1 종 이상을 합계로 1.0 질량％ 이하 첨가해도 된다.

본 발명에 있어서의 저융점 분말인 Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납 분말과 고융점 분말인 Ni 도금 Cu 분말 또는 Ni 도금 Ag 분말의 비율은, Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납 분말이 60 ∼ 80 질량％ 이고, Ni 도금 Cu 분말 또는 Ni 도금 Ag 분말이 20 ∼ 40 질량％ 가 바람직한 혼합 비율이다. 보다 바람직하게는 Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납 분말이 70 질량％ 이고, Ni 도금 Cu 분말 또는 Ni 도금 Ag 분말이 30 질량％ 일 때이다.

본 발명의 피복하는 금속은 Ni 가 가장 바람직하지만, 전술한 Sn, Sb, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Fe, Co 등을 사용할 수도 있다. 본 발명의 특징은, Sn, Sn 기 납 프리 땜납이나 In 등의 저융점 금속 분말과 Cu 나 Ag 등의 고융점 금속 분말을 사용하여, 금속간 화합물에 의해 접합되는 고온 땜납에 있어서 Cu 나 Ag 등의 고융점 금속 분말 표면에 배리어층을 형성함으로써 금속간 화합물의 생성 시간차를 만들고, Sn 이나 In 등의 저융점 금속이 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 젖기 쉽게 하는 것이다. 요컨대 본 발명은, Sn 분말 또는, Sn 기 납 프리 땜납의 분말과 Cu 및 Ag 분말을 금속문 화합물에 의해 접합시키는 고온 땜납에 있어서, Cu 및 Ag 분말 표면에 도금 피막을 함으로써 Sn 과 Cu 또는 Sn 과 Ag 의 금속간 화합물의 초기 생성을 억제하여, Sn 및 Sn 기 납 프리 땜납과 피접합물을 충분히 적심으로써 납땜을 실시하는 전자 부품의 납땜 방법이다.

본 발명에서는, Cu 또는 Ag 분말 표면에 도금 피막이 Sn 에 고용되어 도금 피막이 찢어질 때까지 Sn 또는 Sn 기 납 프리 땜납은 용융 상태가 계속되고, 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 접하고 있다. 그 때문에, 본 발명을 이용하면 땜납 합금과 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자의 접촉 시간이 길어지기 때문에 전자 부품과 랜드의 회전 모멘트가 발생하여, 특허 문헌 1 에서 문제가 되고 있던 셀프 얼라이먼트 효과라고 불리는 솔더 페이스트에 의한 전자 부품의 위치 어긋남 수정 효과가 발생한다.

발명의 효과

본 발명을 이용함으로써, 이론으로는 확립되어 있으나 실용화가 진행되지 않은 금속간 화합물에 의해 접합되는 고온 땜납을 칩 부품의 내열 온도인 약 300℃ 이하에서 사용한 경우에도, 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 단자에 젖어 확산되지 않는다는 젖음 불량이 발생하지 않는, 강도가 강한 땜납 접합을 실시할 수 있게 된다.

또한 본 발명에서는, 저융점 금속인 Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납 분말의 용융 시간이 길어지므로, 셀프 얼라이먼트 효과가 발생하여 다소의 마운터에서의 위치 어긋남을 수정할 수 있게 된다.

도 1 은 Sn-3.0 질량％ Ag-0.5 질량％ Cu 분말 70 질량％ 와 Cu-1.0 질량％ Ni 분말 30 질량％ 의 혼합 분말의 DSC 차트이다.

도 2 는 Sn-3.0 질량％ Ag-0.5 질량％ Cu 분말 70 질량％ 와 Cu 분말 30 질량％ 의 혼합 분말의 DSC 차트이다.

도 3 은 Sn-3.0 질량％ Ag-0.5 질량％ Cu 분말 70 질량％ 와 Cu-7.0 질량％ Ni 분말 30 질량％ 의 혼합 분말의 DSC 차트이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하의 순서로 본 발명의 솔더 페이스트 및 비교예의 솔더 페이스트를 제조하였다.

실시예 1

1. 저융점 합금 분말 (분말 입도 2 ∼ 15㎛)

1.) Sn 분말

2.) Sn-3.5 질량％ Ag 분말

3.) Sn-0.7 질량％ Cu 분말

4.) Sn-5 질량％ Sb 분말

5.) Sn-58 질량％ Bi 분말

6.) Sn-3.5 질량％ Ag-0.5 질량％ Cu 분말

7.) Sn-58 질량％ Bi-0.8 질량％ Ag 분말

8.) Sn-0.7 질량％ Cu-0.3 질량％ Sb 분말

9.) Sn-5 질량％ Sb-0.05 질량％ Ni-0.1 질량％ Co 분말

2. 고융점 분말 (분말 입도 2 ∼ 15㎛, 분말의 피복은 모두 Ni 95 질량％-P 5 질량％ 의 무전해 도금에 의해 실시되었다)

1 Cu-0.2 질량％ Ni 분말

2 Cu-1.0 질량％ Ni 분말

3 Cu-1.5 질량％ Ni 분말

4 Cu-2.0 질량％ Ni 분말

5 Cu-7.0 질량％ Ni 분말

6 Cu-3.0 질량％ Sn 분말

7 Ag-0.5 질량％ Ni 분말

8 Ag-3.0 질량％ Ni 분말

9 Ag-7.0 질량％ Ni 분말

10 Cu 분말

11 Ag 분말

3. 혼합 분말

상기 저융점 합금 분말과 고융점 분말을 이하와 같이 혼합한다.

실시예 1 : Sn 분말 + Cu-0.2 질량％ Ni 분말

실시예 2 : Sn 분말 + Cu-2.0 질량％ Ni 분말

실시예 3 : Sn-3.5 질량％ Ag 분말 + Cu-0.2 질량％ Ni 분말

실시예 4 : Sn-3.5 질량％ Ag 분말 + Cu-1.0 질량％ Ni 분말

실시예 5 : Sn-3.5 질량％ Ag 분말 + Cu-1.5 질량％ Ni 분말

실시예 6 : Sn-3.5 질량％ Ag 분말 + Cu-2.0 질량％ Ni 분말

실시예 7 : Sn-0.7 질량％ Cu 분말 + Cu-1.0 질량％ Ni 분말

실시예 8 : Sn-5 질량％ Sb 분말 + Cu-1.0 질량％ Ni 분말

실시예 9 : Sn-58 질량％ Bi 분말 + Cu-1.0 질량％ Ni 분말

실시예 10 : Sn-3.5 질량％ Ag-0.5 질량％ Cu 분말 + Cu 4.0 질량％ Ni 분말

실시예 11 : Sn-58 질량％ Bi-0.8 질량％ Ag 분말 + Cu-1.0 질량％ Ni 분말

실시예 12 : Sn-0.7 질량％ Cu-0.3 질량％ Sb 분말 + Cu-1.0 질량％ Ni 분말

실시예 13 : Sn-5 질량％ Sb-0.05 질량％ Ni-0.1 질량％ Co 분말 + Cu 4.0 질량％ Ni 분말

실시예 14 : Sn 분말 + Ag-0.5 질량％ Ni 분말

실시예 14 : Sn 분말 + Ag-3.0 질량％ Ni 분말

비교예 1 : Sn 분말 + Cu 분말

비교예 2 : Sn 분말 + Cu-7.0 질량％ Ni 분말

비교예 3 : Sn-3.5 질량％ Ag 분말 + Cu 분말

비교예 4 : Sn-3.5 질량％ Ag 분말 + Cu-7.0 질량％ Ni 분말

비교예 5 : Sn 분말 + Ag 분말

비교예 6 : Sn 분말 + Ag-7.0 질량％ Ni 분말

4. 플럭스

중합 로진 53 질량％

경화 피마자유 5 질량％

디페닐구아니딘·HBr 0.4 질량％

세바스산 2 질량％

디에틸렌글리콜모노헥실에테르 39.6 질량％

5. 솔더 페이스트의 제조 방법

1. 각 혼합 분말의 배합에 따라, 저융점 합금 분말을 1260g, 고융점 분말 540g 을 교반기에 투입하여 5 분간 혼합한다.

2. 플럭스 200g 을 교반기에 투입한다.

3. 교반기를 약 20 분간 교반한다.

4. 교반기에서 꺼내면 2,000㎏ 의 솔더 페이스트가 얻어진다.

실시예 2

실시예 1 에 의해 제조한 솔더 페이스트의 금속간 화합물의 생성량을 DSC 에 의한 흡수 열량에 의해 측정한다.

1. 시험 방법

1. 50㎜ × 50㎜ × 0.8㎜ 의 알루미나 기판에 개구부 30㎜ × 30㎜, 두께 0.15㎜ 의 메탈 마스크를 사용하여 실시예 1 에서 제조한 솔더 페이스트를 각각 스퀴지로 인쇄한다.

2. 270℃ 로 설정한 땜납 버스 상에서 알루미나 기판을 60 초간 가열하여, 땜납 접합편을 얻는다.

3. 얻어진 땜납 접합편은 ×× 에 의해 세정하여 알루미나 기판으로부터 박리한 후, DSC (시차 열량계) 로 제 1 고상선 온도, 제 1 피크 온도, 제 1 피크 온도에 있어서의 흡열량, 제 2 고상선 온도, 제 2 피크 온도, 제 2 피크 온도에 있어서의 흡열량을 측정한다.

4. DSC 의 측정은, SII 사 제조 시차 열량계를 사용하여 승온 속도 5℃/min 으로 측정하였다.

2. 측정 결과

실시예 및 비교예의 솔더 페이스트를 DSC 측정한 결과의 제 1 고상선 온도, 제 1 피크 온도, 제 2 고상선 온도, 제 2 피크 온도, 제 1 열량, 제 2 열량을 표 1 에 나타낸다.

실시예 1, 실시예 3 ∼ 6 과, 그에 대응하는 Ni 도금이 형성되지 않은 조성인 비교예 1 및 비교예 3 을 비교하면, 실시예 1, 실시예 3 ∼ 6 은 제 1 열량, 제 2 열량에 있어서 비교예 1 및 비교예 3 과 비교하여 적은 값으로 되어 있고, Sn 및 Sn-Ag 와 Cu 가 원활하게 반응하고 있는 것을 알 수 있다.

그에 대해 실시예 1, 실시예 3 ∼ 6 과, 그에 대응하는 Ni 도금 형성이 두꺼운 조성인 비교예 2 및 비교예 4 는, 제 2 열량이 거의 검출되지 않았다. 이는 비교예 2 및 비교예 4 가, Sn 및 Sn-Ag 와 Cu 의 반응이 거의 진행되지 않은 것을 나타내고 있다.

다음으로 실제 DSC 차트로 설명하면, 도 1 이 실시예 8 의 Sn-3 질량％ Ag-0.5 질량％ Cu 분말 70 질량％ 와 Cu-1.0 질량％ Ni 분말 30 질량％ 의 혼합 분말의 솔더 페이스트의 DSC 차트, 도 2 는 Ni 도금이 형성되지 않은 조성인 Sn-3 질량％ Ag-0.5 Cu 질량％ 분말 70 질량％ 와 Cu 분말 30 질량％ 의 혼합 분말의 솔더 페이스트의 DSC 차트, 도 3 은 Ni 도금 형성이 두꺼운 조성인 Sn-3 질량％ Ag-0.5 Cu 질량％ 분말 70 질량％ 와 Cu-7.0 질량％ Ni 분말 30 질량％ 의 혼합 분말의 솔더 페이스트의 DSC 차트를 나타내고 있다.

도 1 과 도 2 를 비교하면, 도 2 는 제 2 열량의 피크가 크게 나타나 있음에 비해, 도 1 은 제 2 열량의 피크는 완만하게 나타나 있다. 또한 도 3 에서는 제 2 열량의 피크는 거의 나타나 있지 않다. 여기서 제 2 열량의 피크의 출현은, Sn 및 Sn-Ag 와 Cu 의 금속간 화합물의 생성을 나타내고 있으므로, 비교예에 해당되는 도 2 는 급격하게 Sn 및 Sn-Ag 와 Cu 의 금속간 화합물을 생성하고 있고, 도 3 은 Sn 및 Sn-Ag 와 Cu 의 금속간 화합물을 생성하지 않았음에 비해, 실시예 8 에 해당되는 도 1 은 Sn 및 Sn-Ag 와 Cu 의 금속간 화합물을 원활하게 생성하고 있는 것을 알 수 있다.

실시예 3

실시예 1 에 의해 제조한 솔더 페이스트를 사용하여, 각 온도, 각 가열 시간별 땜납편의 용융 상태로부터 솔더 페이스트의 젖음성을 판단한다.

1. 시험 방법

2. 270℃ 로 설정한 땜납 버스 상에서 알루미나 기판을 30 초, 120 초의 2 가지 가열 시간에 가열하여, 땜납 접합편을 얻는다.

2. 시험 결과

얻어진 땜납 접합편을 표 2 에 나타낸다.

비교예 2, 4 및 6 은, Cu 및 Ag 표면에 Ni 가 7.0 질량％ 피복되어 것으로, 땜납이 충분히 젖을 시간이 얻어지기 때문에, 젖음성 시험에 있어서는 실시예에 상당하는 것이지만, 각 실험의 조성을 맞추기 위해 굳이 비교예에 넣었다.

정리로서, Cu 분말 및 Ag 분말에 Ni 가 피복되어 있지 않은 것은 젖음이 나쁘고, 땜납편이 둥글게 되지 않았음에 비해, Cu 분말 및 Ag 분말 표면에 Ni 도금을 한 것은 0.2 질량％ 에서도 땜납편이 둥글게 되어 있다. 또한, 저융점 분말의 땜납 조성에 의해 편차는 있지만, Cu 분말 및 Ag 분말 표면에 1.0 질량％ 의 Ni 도금을 실시하면 땜납편은 구상으로 되어 있다.

실시예 4

실시예 1 에 의해 제조한 솔더 페이스트의 셀프 얼라이먼트 효과를 측정한다.

1. 시험 방법

1. 100㎜ × 80㎜ × 1.0㎜ 의 3216 사이즈의 칩 랜드가 형성된 유리 에폭시 기판에 셀프 얼라이먼트 효과 전용 메탈 마스크를 사용하여, 일부러 약 10˚ 기울이고 스퀴지로 인쇄한다.

2. 3216 의 칩 저항 및 콘덴서를 마운터로 탑재한다.

3. 피크 온도 270℃, 피크 시간 30 ∼ 60 초에 유리 에폭시 기판을 리플로우하고, 칩이 랜드의 위치로 되돌아왔는지의 여부를 판정한다.

판단 기준은, 칩이 완전하게 되돌아온 것 ○

칩이 되돌아오지는 않았지만 이동한 것 △

칩이 움직이지 않은 것 ×

로 하였다. 유리 에폭시 기판 상의 칩 부품 중에서 100 개를 선정하여, 그 기판 중에서 ○, △, × 중에서 가장 많은 것을 그 솔더 페이스트의 판정으로 하였다.

4. 셀프 얼라이먼트 효과의 결과를 표 3 에 나타낸다.

2. 시험 결과

실시예 5

실시예 1 에 의해 제조한 솔더 페이스트로 전자 기기의 기판을 납땜하고, 그 후 프린트 기판을 반전시키고, 일반적인 납 프리 땜납의 리플로우 조건으로 리플로우를 실시하여, 전자 부품의 낙하가 있는지를 조사한다. 기판을 그 납땜의 풀 강도를 측정한다.

1. 시험 방법

1. 100 핀의 QFP 의 랜드가 형성된 100㎜ × 80㎜ × 1.0㎜ 의 유리 에폭시 기판에 전용 메탈 마스크를 사용하여 각 솔더 페이스트를 인쇄한다.

2. 인쇄한 솔더 페이스트 상에 마운터로 100 핀의 QFP 를 탑재하여, 피크 온도 270℃, 피크 시간 30 ∼ 60 초에 유리 에폭시 기판을 리플로우한다.

3. 방치 냉각 후 기판을 반전시키고, 피크 온도 270℃, 피크 시간 40 ∼ 80 초에 기판을 다시 리플로우한다.

4. 2 번째 리플로우 후에 QFP 의 낙하가 없는지 조사한다.

5. 판정 기준은, QPF 의 낙하가 없는 것 ○

QPF 의 낙하가 있었던 것 × 로 하였다.

2. 결과

판정 결과를 표 3 에 나타낸다. 본 발명의 솔더 페이스트로 납땜한 것은 2 번째 리플로우에서도 부품이 낙하하는 경우는 없었다.

실시예 6

실시예 1 에 의해 제조한 솔더 페이스트로 전자 기기의 기판을 납땜하여, 그 납땜의 전단 강도를 측정한다.

1. 시험 방법

2. 인쇄한 솔더 페이스트 상에 마운터로 3216 핀의 QFP 를 탑재하여, 피크 온도 270˚, 피크 시간 30 ∼ 60 초에 유리 에폭시 기판을 리플로우한다.

3. 방치 냉각 후, 레스카 제조의 푸시 풀 게이지를 이용하여 중간 정도에서 5 칩을 선택하여 전단 강도를 측정한다.

2. 결과

측정 결과를 표 3 에 나타낸다. 일반적으로 전자 기기에 있어서 50N 이상의 접합 강도가 있으면 문제가 없는 것으로 여겨지고 있다. 따라서 Ni 피복을 실시한 Cu 분말을 사용한 재료는, 다른 경우와 비교하여도 모두 문제가 없고, 동등 또는 그 이상의 초기 접합 강도를 갖고 있었다.

본 발명의 고융점 금속에 Ni 를 피복한 솔더 페이스트는, 프린트 기판의 랜드나 전자 부품의 전극에 대해 젖음성이 양호하고, 셀프 얼라이먼트 효과도 갖고 있고, 또한 전자 부품을 실장하여도 양호한 접합 강도를 가진 납땜이 얻어지는 것이다. 이 솔더 페이스트는, 스텝 솔더링에 사용하여도 땜납이 용융되지 않아, 고온 땜납의 대체품으로서도 충분히 사용할 수 있다.

본 발명의 솔더 페이스트에 사용하는 고융점 분말을 피복하는 금속층은 단일층뿐만 아니라 복층으로 할 수도 있다. 예를 들어 Au/Ni 도금이나 Pd/Ni 도금 등을 생각할 수 있다. 이들 Ni 상에 형성된 Au 나 Pd 의 도금은, Sn 에 대한 젖음성이 양호하기 때문에 Cu 나 Ag 의 고융점 분말의 Sn 에 대한 분산을 개선할 수 있다.

Claims

Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납의 분말과 Cu 분말을 혼합한 혼합 분말에 플럭스를 혼화한 솔더 페이스트에 있어서, Cu 분말 표면에 Ni 도금층이 형성되고, 상기 도금층은 Ni 가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
제 1 항에 있어서,

상기 Cu 분말 표면에 피복된 Ni 도금층은, Ni 의 함유량이 Cu 분말 전체의 0.2 ∼ 2.0 질량％ 인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 Sn 기 납 프리 땜납의 분말이, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Sb, Sn-Bi 인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
제 3 항에 있어서,

상기 Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Sb, Sn-Bi 의 땜납 조성에, 추가로 강도 향상 원소로서 Ag, Cu, Sb, Bi, Zn, AI, Fe, Co, Ni, Cr 에서 선택된 1 종 이상을 합계로 1.0 질량％ 첨가한 것인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
Sn 분말 또는 Sn 기 납 프리 땜납의 분말과 Ag 분말을 혼합한 땜납 분말 및 플럭스를 혼화한 솔더 페이스트에 있어서, Ag 분말 표면에 Ni 도금층이 형성되고, 상기 도금층은 Ni 가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
제 5 항에 있어서,

상기 Ag 분말 표면에 피복된 Ni 도금층은, Ni 의 함유량이 Ag 분말 전체의 0.5 ∼ 3.0 질량％ 인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 Sn 기 납 프리 땜납의 분말이, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Sb, Sn-Bi 인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
제 7 항에 있어서,

상기 Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Sb, Sn-Bi 의 땜납 조성에, 추가로 강도 향상 원소로서 Ag, Cu, Sb, Bi, Zn, AI, Fe, Co, Ni, Cr 에서 선택된 1 종 이상을 합계로 1.0 질량％ 첨가한 것인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
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