KR101255491B1 - 납프리 땜납 합금, 접합용 부재 및 그 제조법, 그리고 전자 부품 - Google Patents

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Abstract

보이드의 발생을 저감시킬 수 있는 납프리 땜납 및 그것을 사용한 밀착성, 접합 강도, 가공성이 우수한 접합용 부재의 제공. Sn : 0.1 ∼ 3 ％, 및/또는 Bi : 0.1 ∼ 2 ％, 잔부 In 과 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 납땜시의 보이드 발생의 억제에 효과가 있는 납프리 땜납 합금이다. 이 납프리 땜납 합금을 용융하고, 금속 기재를 침지하고, 용융한 납프리 땜납 합금과 금속 기재에 초음파 진동을 가함으로써, 금속 기재의 표면에, 납프리 땜납 합금층을 형성하여 접합용 부재로 한다. 이 접합용 부재를 개재하여 히트싱크와 패키지를 플럭스의 존재하에서 리플로우 가열하여 납땜한다.

Description

납프리 땜납 합금, 접합용 부재 및 그 제조법, 그리고 전자 부품{LEAD-FREE SOLDER ALLOY, JOINING MEMBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND ELECTRONIC COMPONENT}
본 발명은 납프리 땜납 합금, 접합용 부재 및 그 제조법, 그리고 전자 부품에 관한 것으로, 구체적으로는, 땜납 접합부에 있어서의 보이드의 발생을 저감시킬 수 있는 납프리 땜납 합금과, 이 납프리 땜납 합금을 사용한 접합용 부재 및 그 제조법과, 이 접합용 부재를 사용한 전자 부품에 관한 것이다.
전자 부품의 경량화, 박형화 나아가서는 소형화가 추진된다. 특히, 반도체 패키지 (이하 「패키지」라고 한다) 의 소형화 및 고밀도화가, 전자 부품의 다기능화의 추진에 따라 추구된다. 이 때문에, 예를 들어 BGA 등의 패키지로부터의 발열량은 증가 경향에 있다. 이 때문에, 패키지의 방열성을 높일 것이 더욱 요구된다.
예를 들어 Al 제의 히트싱크나 방열용 핀과 같은 열을 외부로 전달하기 위한 방열용 부재가, 패키지의 방열성을 높이기 위해 다용된다. 방열용 부재와 패키지는, 이들 사이에 그리스를 도포하는 것, 또는 방열용 시트나 시일 등을 개재하여 패키지에 방열용 부재를 첩착하는 것 등에 의해 접합된다. 이들 수단에 의한 접합은, 금속적인 접합보다, 내열성, 접합 강도 나아가서는 밀착성 면에서 뒤떨어진다. 방열용 부재와 패키지는, 땜납 등에 의해 금속적으로 접합되는 것이 바람직하다.
최근, Pb 땜납 (예를 들어 Sn-Pb 공정 땜납) 의 사용은, 환경 오염 방지를 위해 규제된다. 이 때문에, 패키지의 범프에 사용되는 땜납은, 납을 함유하지 않는 납프리 땜납으로 대체되고 있다. 납프리 땜납이 사용되는 패키지와, 상기 서술한 방열용 부재를, 납프리 땜납의 리플로우 프로파일에서 플럭스를 사용하여 리플로우 가열하여 접합하는 것이 가능하면, 방열용 부재와 땜납 범프가 각각 납땜된다. 실장 공정 상, 한 번의 열적 부하에 의해 땜납 접합이 달성되기 때문에, 패키지의 휨이나 범프의 재용융과 같은 열적 부하에 의한 제조 공정 상의 문제의 발생은, 최소한으로 억제된다.
여기에서, 인듐은, 용융 온도가 156 ℃ 로 낮고, 열전도성도 양호하고, 또한 환경 오염의 우려도 낮다. 이 때문에 인듐을 사용하여 2 개의 부재를 접합하는 것이 특허문헌 1 ∼ 3 에 개시된다.
인듐으로 이루어지는 납프리 땜납 합금 (In 함유량이 실질적으로 100 질량％) 은, 우수한 연성을 갖는다. 인듐으로 이루어지는 납프리 땜납 합금으로 이루어지는 소편 (小片) 을, 방열용 부재와 패키지 사이에 개재시키면, 열부하에 의해 접합면에 발생하는 요철에 대한 추종성이 높아, 수지 등에 의한 접합시에 불가피적으로 발생하는 부재의 박리를 회피할 수 있는 것이 기대된다.
그러나, In 으로 이루어지는 납프리 땜납 합금에는, (a) 지나치게 부드럽기 때문에, 소편으로의 타발 가공이나 압연 가공에 의해 원하는 형상으로 성형하기 어려운 점, (b) 내충격성의 확보를 위해, 소편의 두께를 1.5 ㎜ ∼ 2.5 ㎜ 확보할 필요가 있기 때문에, 전자 부품의 소형화나 박형화를 저해함과 함께, 땜납 접합시에는 용융한 납프리 땜납 합금이 접합 지점 이외로 배어 나와 패키지의 절연성을 저해하여, 회로의 쇼트를 일으킨다는 문제가 있다.
이 때문에, 이 납프리 땜납 합금에 의한 땜납 접합은, 예를 들어, (ⅰ) Cu, Ni, Au 등의 열전도성이 양호한 금속 기재 (基材) 의 표면에 플럭스를 도포하고, (ⅱ) 이 기재를 용융 땜납에 침지하는 용융 땜납 도금법 (딥법) 에 의해, 금속 기재의 표면에 납프리 땜납 합금층을 형성하여 접합용 부재로 하고, (ⅲ) 이 접합용 부재를, 방열용 부재와 패키지 사이에 개재시켜 플럭스의 존재하에서 리플로우 가열하는 것을 생각할 수 있다.
일본 공개특허공보 2002-020143호 일본 공표특허공보 2002-542138호 일본 공개특허공보 2001-230349호
본 발명자들이 검토한 결과, In 으로 이루어지는 납프리 땜납 합금층을 갖는 접합용 부재를, 방열용 부재와 패키지 사이에 개재시켜, 리플로우 가열하면, 방열용 부재 또는 패키지와 접합용 부재의 접합부의 내부에 보이드가 다량으로 발생하고, 이로 앤해, 접합부의 접합 강도나, 방열용 부재와 패키지의 밀착성이 부족한 것이 판명되었다.
또, 접합용 부재의 제조에는 통상 플럭스를 사용한다. 이 때문에, 땜납층 중에 불가피적으로 잔존하는 플럭스의 잔류물에서 기인하여, 접합부의 내부에 있어서의 보이드의 발생이 더욱 유발되는 것도 판명되었다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 열기하는 지견을 얻어, 본 발명을 완성하였다.
(ⅰ) 소량의 Sn, Bi 를 단독으로, 또는 복합하여 첨가한 In 을 주성분으로 하는 납프리 땜납 합금은, In 이 본질적으로 갖는 연성을 저해하지 않고, Sn, Bi 의 작용에 의해 땜납 접합시에 양호한 젖음성이 발휘된다. 이로 인해, 상기의 납프리 땜납 합금은, 땜납 접합부에 있어서의 보이드의 빠짐성을 향상시킬 수 있어, 접합부의 내부에 잔류하는 보이드량을 저감시킬 수 있다.
(ⅱ) 용융한 상기의 납프리 땜납 합금에 금속 기재를 침지하고, 용융한 납프리 땜납 합금 및 금속 기재에 초음파 진동을 가함으로써, 금속 기재의 표면에 열전도성이 우수한 납프리 땜납 합금층을, 플럭스를 사용하지 않고, 충분한 밀착성을 유지하여 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명은 Sn : 0.1 ∼ 3 ％ (본 명세서에서는 특별히 언급하지 않는 한 화학 조성에 관한 「％」는 「질량％」를 의미한다), 및/또는 Bi : 0.1 ∼ 2 ％, 잔부 In 및 불가피적 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 납프리 땜납 합금이다.
다른 관점에서는, 본 발명은 금속 기재, 바람직하게는 Cu 함유량이 95 ％ 이상인 화학 조성을 갖는 금속 기재와, 이 금속 기재의 적어도 접합 영역에 형성되는 납프리 땜납 합금층을 구비하고, 이 납프리 땜납 합금층이 상기의 어느 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 접합용 부재이다.
이 접합용 부재는, 금속 기재의 표면에 납프리 땜납 합금층을 구비하기 때문에, 박형화를 도모할 수 있음과 함께, 또한 소편상으로의 타발 가공이나 압연 가공 시의 형상 유지성도 양호하여, 우수한 양산성 및 가공성을 갖는다.
다른 관점에서는, 본 발명은 금속 기재를, 상기의 화학 조성을 가짐과 함께 용융 상태에 있는 납프리 땜납 합금에 침지하는 것, 바람직하게는, 금속 기재를 납프리 땜납 합금에 침지한 후에 금속 기재 및 납프리 땜납 합금에 초음파 진동을 가함으로써, 이 금속 기재의 적어도 접합 영역에 납프리 땜납 합금층을 형성하는 것을 특징으로 하는 접합용 부재의 제조 방법이다. 이로 인해, 금속 기재의 표면에 열전도성이 우수한 납프리 땜납 합금층을, 플럭스를 사용하지 않고, 충분한 밀착성을 유지하여 형성할 수 있으므로, 땜납층 중에 플럭스의 잔류물이 잔존하는 것에서 기인한 보이드의 발생을 경감시킬 수 있음과 함께, 플럭스가 할로겐화물을 함유하는 것에서 기인한 환경 대책이나 폐수 처리 대책을 강구할 필요가 해소된다.
또 다른 관점에서는, 본 발명은 상기 서술한 본 발명에 관련된 접합용 부재와, 이 접합용 부재에 있어서의 접합 영역에 맞닿아 배치되는 제 1 부재 (예를 들어, 프린트 배선 기판에 탑재한 BGA 등의 패키지) 및 제 2 부재 (예를 들어 방열용 부재) 를 구비하고, 제 1 부재 및 제 2 부재가, 접합용 부재, 제 1 부재 및 제 2 부재를 플럭스의 존재하에서 리플로우 가열함으로써, 접합용 부재를 개재하여 접합되는 것을 특징으로 하는 전자 부품이다.
이로 인해, 제 1 부재 및 제 2 부재가 금속제의 본 발명에 관련된 접합용 부재를 개재하여 접합됨과 함께, 상기 서술한 바와 같이 접합용 부재는 접합부의 보이드의 발생을 억제할 수 있으므로, 밀착성이나 접합 강도가 우수한 접합을 실시할 수 있다. 구체적으로는, 접합용 부재와, 제 1 부재 및 제 2 부재의 접합부에 있어서의 하기 보이드율이 33.0 ％ 이하로 억제되는 것이 예시된다.
보이드율 : 5 ㎜ × 5 ㎜ 의 무전해 니켈 금 도금 랜드에 플럭스를 도포하고, 두께 100 ㎛, 5 ㎜ × 5 ㎜ 시트의 땜납 합금을 끼워 넣고, 피크 온도 160 ℃ 의 리플로우 프로파일에서 리플로우 가열한 후에, 토시바 IT 사 제조의 X 선 관찰 장치 토스 미크론·6090 FP 를 사용하여, 랜드 면적에 대한 보이드 면적의 비율을 3 회 측정하여, 3 회 측정값의 평균값이다.
본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금에 의하면, 제 1 부재 및 제 2 부재의 땜납 접합부에 있어서의 보이드의 빠짐성이 우수하기 때문에 접합부의 내부에 잔류하는 보이드량을 저감시킬 수 있으므로, 제 1 부재 및 제 2 부재의 밀착성이나 접합 강도가 향상된다.
본 발명에 관련된 접합용 부재는, 박형화를 도모할 수 있음과 함께, 또한 소편상으로의 타발 가공이나 압연 가공시의 형상 유지성도 양호하여, 우수한 양산성 및 가공성을 얻을 수 있다.
본 발명에 관련된 접합용 부재의 제조 방법에 의하면, 땜납층 중에 플럭스의 잔류물이 잔존하는 것에서 기인한 보이드의 발생을 저감시킬 수 있음과 함께, 플럭스가 할로겐화물을 함유하는 것에서 기인한 환경 대책이나 폐수 처리 대책을 강구할 필요성을 해소할 수 있다.
또한, 본 발명에 관련된 전자 부품에 의하면, 제 1 부재 (예를 들어, 프린트 배선 기판에 탑재한 BGA 등의 패키지) 및 제 2 부재 (예를 들어 방열용 부재) 를, 접합부의 보이드의 발생을 현저하게 억제하면서, 양호한 밀착성이나 접합 강도로 접합할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 관련된 전자 부품의 정면의 단면도이다.
도 2 는 리플로우 프로파일의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 있어서의 보이드의 발생 상황을 촬영한 X 선 사진이다.
도 4 는 본 발명의 비교예에 있어서의 보이드의 발생 상황을 촬영한 X 선 사진이다.
본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금, 접합용 부재 및 그 제조 방법, 전자 부품 순으로 설명한다.
1. 납프리 땜납 합금
납프리 땜납 합금의 화학 조성을 상기 서술한 바와 같이 한정하는 이유를 설명한다.
납프리 땜납 합금의 화학 조성이 상기 서술한 범위를 만족함으로써, 납프리 땜납 합금의 땜납 접합시의 젖음성이 개선된다. 이로 인해, 제 1 부재 및 제 2 부재의 땜납 접합부에 있어서의 보이드의 빠짐성이 향상되어, 접합부의 내부에 잔류하는 보이드량이 현저하게 저감된다. 이 때문에, 땜납 접합되는 제 1 부재 및 제 2 부재의 밀착성이나 접합 강도가 향상된다.
구체적으로는, Sn 함유량이 0.1 ％ 미만이면, 금속 기재인 Cu, Ni, Au 와의 반응성이 저하되어 접합용 부재로서 요구되는 기능이 발휘되지 않는다. 또, Sn 함유량이 3 ％ 초과이면 접합부의 보이드율이 원하는 정도로 억제되지 않게 된다. 그래서, Sn 함유량은, 0.1 ∼ 3 ％ 로 한정한다.
한편, Bi 함유량이 0.1 ％ 미만이면, 젖음성이 저하되어 납땜성이 뒤떨어지게 된다. 또, Bi 함유량이 2 ％를 초과하면 취성이 확인되어 물러져, 접합용 부재를 구성할 수 없게 된다. 그래서, Bi 함유량은, 0.1 ∼ 2 ％ 로 한정한다.
또, 납프리 땜납 합금의 화학 조성이 상기 서술한 범위를 만족함으로써, 납프리 땜납 합금이 130 ∼ 160 ℃ 에서 용융되기 때문이다. 이 이유를 설명한다.
패키지의 범프에 일반적으로 사용되는 납프리 땜납으로서, Sn-3.5 Ag (융점 221 ℃, 이하의 괄호 내에 기재된 온도는 모두 융점이다), Sn-5S b (235 ∼ 240 ℃), Sn-0.75 Cu (227 ℃), Sn-2 In (224 ∼ 229 ℃), Sn-58 Bi (139 ℃) 또한 Sn-9 Zn (199 ℃) 등의 2 원 합금 이외에, 이것들에 추가로 첨가물을 첨가한 3 원 이상의 합금이 알려져 있다. 또한, 패키지에 사용되는 범프의 일부에 Sn-Pb 공정 땜납 (융점 183 ℃) 이 앞으로도 계속해서 사용되는 것도 생각할 수 있다.
여기에서, 본 발명은 이들 땜납이 사용되는 패키지와 방열용 부재를, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금의 리플로우 프로파일에서 가열함으로써 접합하는 것을 도모한다. 상기 서술한 바와 같이, 범프에 사용되는 땜납에는 저융점의 것도 있고, 이 때문에, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금은, 저융점 금속인 것이 바람직하다.
그 한편, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금의 융점은, 내열성을 확보하기 위해, JIS C 0025 에 규정되는 온도 변화 시험 방법에서 일반적으로 사용되는 125 ℃ 이상, 또한 실용성을 고려하여 130 ℃ 이상인 것이 필요하다. 또한, 리플로우 프로파일은, 일반적으로, 땜납의 액상선 온도보다 20 ℃ 정도 더 높은 온도로 설정된다.
이상의 이유로부터, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금은, 130 ℃ 이상 160 ℃ 이하의 온도에서 용융하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금의 화학 조성을 상기와 같이 한정한다.
또한, 납프리 땜납 합금의 화학 조성이 상기 서술한 범위를 만족하면, In 이 갖는 우수한 열전도성 및 연성이 유지될 뿐만 아니라, 환경 오염의 우려도 낮기 때문이다. 열전도성이 양호함으로써, 패키지에서 발생한 열을 방열용 부재에 효율적으로 전달할 수 있다. 또, 연성이 양호함으로써, 열부하에 의해 접합면에 발생하는 요철에 대한 추종성이 높아져, 패키지 및 방열용 부재의 박리를 회피할 수 있다.
이상의 이유로부터, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금의 화학 조성을,
(a) Sn : 0.1 ∼ 3 ％, 잔부 In 및 불가피적 불순물,
(b) Bi : 0.1 ∼ 2 ％, 잔부 In 및 불가피적 불순물, 또는
(c) Sn : 0.1 ∼ 3 ％, Bi : 0.1 ∼ 2 ％, 잔부 In 및 불가피적 불순물로 한정한다.
또한, 상기 서술한 특징을 상실하지 않는 것을 조건으로 하여, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금은, Al : 0.01 ％ 이하, Ni : 0.1 ％ 이하, Cu : 0.1 ％ 이하를 어느 1 종 이상 함유해도 된다. Al 을 0.01 ％ 이하 함유함으로써, 연성의 향상이 기대된다. 또, Ni : 0.1 ％ 이하, 및/또는 Cu : 0.1 ％ 이하 함유함으로써, 납땜성의 향상이 기대된다.
2. 접합용 부재 및 그 제조 방법
접합용 부재는, 금속 기재 및 납프리 땜납 합금층을 구비하므로, 이들을 순차 설명한다.
[금속 기재]
금속 기재는, 그 일부 또는 전부에, 제 1 부재 및 제 2 부재를 접합하기 위한 접합 영역을 갖는다. 금속 기재의 일방의 면의 전부 또는 일부를 제 1 부재를 접합하기 위한 제 1 접합 영역으로 함과 함께, 타방의 면의 전부 또는 일부를 제 2 부재를 접합하기 위한 제 2 접합 영역으로 하는 것이 예시된다.
금속 기재가, Cu 함유량이 95 ％ 이상인 화학 조성을 갖는 구리 기재인 것이, 높은 열전도율을 갖는 점, 우수한 가공성을 갖는 점, 및 상기 납프리 땜납 합금과의 반응성이 양호한 점에서 바람직하다. 구리 기재의 두께는, 접합용 부재의 강도 확보 및 박형화의 관점에서, 0.05 ∼ 0.5 ㎜ 로 하는 것이 바람직하다.
또한, 금속 기재는, 상기 구리 기재 이외에도, Ni 기재나 Au 기재와 같이, Sn 이나 Bi, In 과 반응하는 금속 기재이면, 동일하게 적용할 수 있다.
[납프리 땜납 합금층]
금속 기재의 적어도 상기의 접합 영역에는, 납프리 땜납 합금층이 형성된다. 이 납프리 땜납 합금층이 상기의 화학 조성을 갖는다.
납프리 땜납 합금층의 두께는, 양호한 납땜성을 확보하기 위해, 편면에서 15 ∼ 60 ㎛ 인 것이 바람직하다. 또한, 납프리 땜납 합금층은, 제 1 부재, 제 2 부재와의 접합에 필요한 부분만으로 이루어지도록, 금속 기재의 양면 또는 편면에 부분적으로 형성해도 되고, 금속 기재의 양면 또는 편면에 전면적으로 형성해도 된다.
이 접합용 부재는, 금속 기재의 표면에 납프리 땜납 합금층을 구비하기 때문에, 박형화를 도모할 수 있음과 함께, 또한 소편상으로의 타발 가공이나 압연 가공 시의 형상 유지성도 양호하여, 우수한 양산성 및 가공성을 갖는다.
[제조 방법]
접합용 부재는, 상기의 금속 기재를, 상기의 화학 조성을 가짐과 함께 용융 상태에 있는 납프리 땜납 합금에 침지함으로써 제조된다.
이 침지시에는, 통상적인 방법에 따라 플럭스를 사용해도 되지만, 바람직하게는, 금속 기재를 납프리 땜납 합금에 침지한 후에 금속 기재 및 납프리 땜납 합금에 초음파 진동을 가함으로써, 이 금속 기재의 적어도 접합 영역에 납프리 땜납 합금층을 형성한다.
금속 기재 및 납프리 땜납 합금에 가하는 초음파 진동은, 40 KHz 로 하고, 기판과 호른 (공명체) 사이의 거리는 2 ㎜ 로 하는 것이 예시된다.
이로 인해, 금속 기재의 표면에 납프리 땜납 합금층을, 플럭스를 사용하지 않고, 충분한 밀착성을 유지하여 형성할 수 있다. 이 때문에, 땜납층 중에 플럭스의 잔류물이 잔존하는 것에서 기인한 보이드의 발생이 해소됨과 함께, 플럭스가 할로겐화물을 함유하는 것에서 기인한 환경 대책이나 폐수 처리 대책을 강구할 필요가 해소된다.
본 발명에서는, 금속 기재의 소재, 두께, 형상, 형성하는 납프리 땜납 합금층의 조성을 적절히 변경함으로써, 접합용 부재의 특성을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 또, 금속 기재와 납프리 땜납 합금의 반응 속도는, 금속 기재 및 납프리 땜납 합금층 각각의 화학 조성의 조합에 따라 변동한다. 그러나, 납프리 땜납 합금층을 형성할 때의 이송 스피드 (용융 땜납 조 침지 시간), 용융 땜납조의 온도, 냉각 속도를 적절히 변경함으로써, 납프리 땜납 합금층의 두께도 제어하는 것이 가능해진다.
이상의 수법을 사용함으로써, 접합용 부재의 특성 (예를 들어 내열성, 밀착성, 접합 강도 등) 을, 접합용 부재에 요구되는 여러 가지 특성에 따라, 적절히 유연하게 변경할 수 있다.
3. 전자 부품
도 1 은, 본 발명에 관련된 전자 부품의 정면의 단면도이다.
제 1 부재 (4) (예를 들어, 프린트 배선 기판에 탑재한 BGA 등의 패키지) 위에, 구리 기재 (3) 의 양면에 납프리 땜납 합금층 (2) 을 형성한 본 발명에 관련된 접합용 부재 (5) 를 재치하고, 다음으로, 이 접합용 부재 (5) 위에 제 2 부재 (1) (예를 들어, 방열용 부재인 Al 제의 히트싱크) 를 재치하였다.
그리고, 이 상태를 유지하여 제 1 부재 (4), 제 2 부재 (1) 및 접합용 부재 (5) 전체를, 플럭스의 존재하에서 리플로우 가열함으로써, 제 1 부재 (4) 및 제 2 부재 (1) 를, 접합용 부재 (5) 를 개재하여 접합하였다.
리플로우 프로파일은, 다른 면실장 부품에 대해 인쇄 공급된 납프리 땜납 페이스트의 합금 조성에 따라 상이하다. 도 2 는, 리플로우 프로파일의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 2 의 그래프에 나타내는 바와 같이, 공급된 납프리 땜납 페이스트의 합금 조성이 일반적인 Sn-Ag-Cu 계인 경우는, 피크 온도 240 ℃ 정도, 용융 시간이 되는 220 ℃ 이상에 있는 시간이 40 초간 정도가 되는 리플로우 프로파일인 것이 바람직하다. Sn-Bi 계와 같은 저융점 땜납 합금이 공급된 경우에는, 피크 온도 160 ℃ 정도, 용융 시간이 되는 140 ℃ 이상에 있는 시간이 40 초간 정도가 되는 리플로우 프로파일인 것이 바람직하다.
그 결과, 제 1 부재 (4) 및 제 2 부재 (1) 가 금속제인 본 발명에 관련된 접합용 부재 (5) 를 개재하여 접합됨과 함께, 상기 서술한 바와 같이 이 접합용 부재 (5) 는 접합부의 보이드의 발생을 억제할 수 있으므로, 제 1 부재 (4) 및 제 2 부재 (1) 와 접합용 부재 (5) 가 충분한 밀착성으로, 또한 높은 접합 강도로 양호하게 접합된 전자 부품 (6) 이 제조된다.
구체적으로는, 접합용 부재 (5) 와, 제 1 부재 (4) 및 제 2 부재 (1) 의 접합부에 있어서의 하기 보이드율이 33.0 ％ 이하로 억제되었다.
보이드율 : 5 ㎜ × 5 ㎜ 의 무전해 니켈 금 도금 랜드에 플럭스를 도포하고, 두께 100 ㎛, 5 ㎜ × 5 ㎜ 시트의 땜납 합금을 끼워 넣고, 피크 온도 160 ℃의 리플로우 프로파일에서 리플로우 가열한 후에, 토시바 IT 사 제조의 X 선 관찰 장치 토스 미크론·6090 FP 를 사용하여, 랜드 면적에 대한 보이드 면적의 비율을 3 회 측정하여, 3 회 측정값의 평균값이다.
또한, 본 발명은 금속 기재에 땜납을 피복한 부재이다. 실제로 이 부재가 히트싱크 등과 접합될 때에는, 땜납과 히트싱크에 처리된 도금이 반응한다. 이 때문에, 두께 100 ㎛, 5 ㎜ × 5 ㎜ 시트의 땜납 합금을 사용하는 상기의 평가방법에 의해서도, 본 발명의 효과는 충분히 재현된다.
본 발명에 관련된 접합용 부재는, 미리 적절한 형상으로 성형된 금속 기재를, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금을 용융시킨 용융 땜납조 중에 침지하고, 용융 땜납과 금속 기재에 초음파 진동을 가하여 납프리 땜납 합금층을 형성함으로써 제조해도 된다.
또, 금속 기재에 납프리 땜납 합금층을 형성한 후에, 이 금속 기재에 타발 등의 성형 가공을 실시해도 된다. 이로 인해, 예를 들어, 펠릿이나 와셔와 같은 형상으로 접합용 부재를 성형하는 것도 가능하고, BGA 등, 주위의 형상에 맞춰 성형 가공하는 것이 가능하다. 또한, 접합용 도전성 테이프로 가공하여 사용할 수도 있다.
본 발명은 방열용 부재의 접합뿐만 아니라, 플럭스를 사용하지 않기 때문에 금속 기재의 표면에 납프리 땜납 합금층을 형성할 수 있으므로, 플럭스를 사용하는 것을 피하고자 하는 반도체 부품의 내부에서의 부재의 접합 등에도 적용할 수 있다.
실시예 1
이하, 본 발명의 실시예를 표 1 및 도 3 에 나타냄과 함께, 본 발명의 비교예를 표 1 및 도 4 에 나타낸다.
Figure 112012025750310-pct00001
땜납 용융 온도는, 시차열 분석계를 사용하여 측정하였다. 장치는 세이코 인스트루먼트사 제조·DSC6200 을 사용하였다. 승온 속도는 5 ℃／min 으로 하고, 측정 샘플 중량은 10 ± 1 ㎎ 으로 하였다. 고상선 온도는, 시차열 분석의 가열 곡선의 흡열 피크 개시점으로 하고, 액상선 온도는 시차열 분석의 가열 곡선의 흡열 피크 종료점으로 하였다. 또, 온도 여부에 대해서는, 본 해석의 결과로부터, 땜납의 고상선 온도가 130 ℃ 이상이고 액상선 온도가 160 ℃ 이하인 것을 ○ 로 하고, 그 이외를 × 로 하였다.
보이드율은, 상기 서술한 방법으로 측정하였다. 또한, 플럭스의 도포는, 두께 100 ㎛ 의 메탈 마스크를 사용한 인쇄에 의한 공급 방법이기 때문에, 도포량은 모든 시료에 있어서 일정하였다.
Rv = Sv／Sl × 100 Rv : 보이드율 (％)
Sv : 보이드 면적의 합
Sl : 랜드 면적 (25 평방 밀리미터)
표 1, 도 3 및 도 4 로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금은, 융점이 130 ∼ 160 ℃ 이기 때문에, 160 ℃ 피크의 리플로우 프로파일에서 충분한 용융성을 갖는 것을 알 수 있었다.
또, 납프리 땜납 합금층과 접합하는 부재의 밀착성, 혹은 열전도성을 고려하면, 접합부의 보이드는 적은 것이 바람직하고, 납프리 땜납 합금의 Cu 에 대한 양호한 젖음성이 필요해진다. Bi, Sn 은, 납프리 땜납 합금의 Cu 에 대한 젖음성을 향상시키기 때문에, Bi, Sn 을 첨가함으로써, 보이드율이 저하되었다.
또한, 비교예 7, 8 은, 융점이 130 ∼ 160 ℃ 의 범위에 들어가지 않았기 때문에, 보이드율의 산출은 실시하지 않았다.
1 : 제 2 부재
2 : 납프리 땜납 합금층
3 : 구리 기재
4 : 제 1 부재
5 : 접합용 부재
6 : 전자 부품

Claims (6)

  1. 질량％ 로, Sn : 0.1 ∼ 3 ％ 및 Bi : 0.1 ∼ 2 ％ 로부터 선택된 적어도 1종, 잔부 In 및 불가피적 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 납프리 땜납 합금.
  2. 금속 기재와, 그 금속 기재의 적어도 접합 영역에 형성되는 납프리 땜납 합금층을 구비하고, 그 납프리 땜납 합금층은 제 1 항에 기재된 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 접합용 부재.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 기재는, Cu 함유량이 95 질량％ 이상인 화학 조성을 갖는 접합용 부재.
  4. 금속 기재를, 제 1 항에 기재된 화학 조성을 가짐과 함께 용융 상태에 있는 납프리 땜납 합금에 침지함으로써, 그 금속 기재의 적어도 접합 영역에 납프리 땜납 합금층을 형성하는 것을 특징으로 하는 접합용 부재의 제조 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 접합용 부재와, 그 접합용 부재에 있어서의 상기 접합 영역에 맞닿아 배치되는 제 1 부재 및 제 2 부재를 구비하고, 상기 제 1 부재 및 상기 제 2 부재는, 상기 접합용 부재, 상기 제 1 부재 및 상기 제 2 부재를 플럭스의 존재하에서 리플로우 가열함으로써, 상기 접합용 부재를 개재하여 접합되는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 접합용 부재와, 상기 제 1 부재 및 상기 제 2 부재의 접합부에 있어서의 하기 보이드율이 33.0 ％ 이하인 전자 부품.
    보이드율 : 5 ㎜ × 5 ㎜ 의 무전해 니켈 금 도금 랜드에 플럭스를 도포하고, 두께 100 ㎛, 5 ㎜ × 5 ㎜ 시트의 땜납 합금을 끼워 넣고, 피크 온도 160 ℃ 의 리플로우 프로파일에서 가열한 후에, 토시바 IT 사 제조의 X 선 관찰 장치 토스 미크론·6090 FP 를 사용하여, 랜드 면적에 대한 보이드 면적의 비율을 3 회 측정하여, 3 회 측정값의 평균값이다.
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