KR101406174B1 - 주석, 은 및 비스무스를 함유하는 무연솔더 - Google Patents

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Abstract

무연솔더를 제공한다. 상기 무연솔더는 1.5 wt% 내지 2.5 wt%의 은(Ag), 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스(Bi), 0.005 wt% 내지 0.1 wt%의 탈산제(deoxidizing agent), 및 잔부의(a balance of) 주석(Sn)을 함유한다. 이러한 무연솔더는 젖음성이 향상되고, 융점이 감소될 수 있을 뿐 아니라, 솔더용탕 내에서 산화막이 거의 생성되지 않고, 깨짐이 감소되며, 열충격 내성 및 낙하 내성이 향상될 수 있다.

Description

주석, 은 및 비스무스를 함유하는 무연솔더{Lead free solder containing Sn, Ag and Bi}
도 1은 실험예 5에 따른 솔더의 솔더용탕을 나타낸 사진이다.
도 2는 비교예 1에 따른 솔더의 솔더용탕을 나타낸 사진이다.
본 발명은 무연솔더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Sn-Ag-Bi계 무연솔더에 관한 것이다.
무연솔더(lead free solder)는 인체에 유해한 납(Pb)이 함유되지 않은 전자부품의 접합용 도전재료이다. 이러한 무연솔더는 최근 납 사용에 대한 국제 환경규제의 강화에 대응하기 위해 활발히 개발되고 있다.
이러한 무연솔더의 한 종류로 Sn-Ag-Cu계 솔더가 있다. 상기 Sn-Ag-Cu계 솔더의 대표적 조성은 Sn-3Ag-0.5Cu로서, Sn-3Ag-0.5Cu 조성의 무연솔더는 217~219℃의 높은 융점을 갖는다. 그러나, 높은 융점을 갖는 솔더는 높은 온도에서 솔더링이 진행되어야 하므로, 전자부품의 열손상을 초래할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 젖음성이 향상되고, 융점이 낮은 무연솔더를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 무연솔더를 제공한다. 상기 무연솔더는 1.5 wt% 내지 2.5 wt%의 은(Ag), 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스(Bi), 0.005 wt% 내지 0.1 wt%의 탈산제(deoxidizing agent), 및 잔부의(a balance of) 주석(Sn)을 함유한다. 이러한 무연솔더는 젖음성이 향상되고, 융점이 감소될 수 있을 뿐 아니라, 솔더용탕 내에서 산화막이 거의 생성되지 않고, 깨짐이 감소되며, 열충격 내성 및 낙하 내성이 향상될 수 있다.
상기 탈산제는 알루미늄(Al), 규소(Si), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 리튬(Li)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 금속일 수 있다. 나아가, 상기 탈산제는 알루미늄(Al)일 수 있다.
상기 탈산제는 0.005 wt% 내지 0.05 wt%로 함유될 수 있다. 이 경우, 솔더의 젖음성은 더욱 향상될 수 있다.
상기 비스무스는 4.5 wt% 내지 6 wt%로 함유될 수 있다. 이 경우, 솔더의 젖음성은 더욱 향상되고, 융점은 더욱 감소될 수 있다.
상기 은은 1.7 내지 2.3 wt%로 함유될 수 있다. 이 경우, 솔더의 열충격 내성 및 낙하 내성이 더욱 향상될 수 있다.
이러한 무연솔더의 융점은 203 ℃ 내지 210 ℃일 수 있고, 나아가 204 ℃ 내지 207 ℃일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무연솔더는 은(Ag), 비스무스(Bi), 탈산제(deoxidizing agent), 및 잔부의(a balance of) 주석(Sn)을 함유한다.
상기 솔더는 0.005 wt% 내지 0.1wt%의 탈산제를 함유할 수 있다. 이 경우, 솔더의 젖음성은 Sn-3Ag-0.5Cu 솔더에 비해 현저하게 향상되며, 융점 또한 현저하게 감소된다. 그러나, 솔더 내의 탈산제의 함량이 0.005 wt% 미만인 경우, 극소량에 해당하여 젖음성 향상 및 융점의 감소를 기대하기 어려울 뿐 아니라 취급의 어려움이 있다. 반면, 솔더 내의 탈산제의 함량이 0.1 wt%를 초과하는 경우, 솔더용탕 내에 뚜꺼운 산화막이 생성되는 등 용탕의 상태가 매우 불량해질 수 있다. 나아가, 상기 탈산제의 함량은 0.005 내지 0.05 wt%일 수 있다. 이 경우, 젖음성이 더욱 향상될 수 있다.
이러한 탈산제는 알루미늄(Al), 규소(Si), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 리튬(Li)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 금속일 수 있다. 나아가, 상기 탈산제는 알루미늄(Al)일 수 있다.
상기 솔더는 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스를 함유할 수 있다. 이 경우, 솔더의 젖음성은 Sn-3Ag-0.5Cu 솔더에 비해 현저하게 향상되며, 융점 또한 현저하게 감소된다. 그러나, 솔더 내의 비스무스 함량이 3 wt% 미만인 경우, 젖음성의 향상 및 융점의 감소를 기대하기 어렵고, 솔더 내의 비스무스 함량이 6 wt%를 초과하는 경우, 솔더의 경도가 현저하게 증가되어 솔더가 깨짐성이 증가된다. 나아가, 상기 비스무스의 함량은 4.5 내지 6 wt%인 것이 바람직하다. 이 경우, 융점은 더욱 감소할 수 있고, 젖음성은 더욱 향상될 수 있다.
상기 솔더는 1.5 wt% 내지 2.5 wt%의 은를 함유할 수 있다. 이 경우, 상기 은의 함량이 1.5 wt% 미만인 경우에 비해 열충격 내성이 현저하게 향상되며, 상기 은의 함량이 2.5 wt%를 초과하는 경우에 비해 낙하 내성이 현저하게 향상될 수 있다. 나아가, 열충격 내성 및 낙하 내성의 추가적인 향상을 고려할 때 상기 은의 함량은 1.7 wt% 내지 2.3 wt%일 수 있다.
이와 같이, 상술한 무연솔더는 Sn-3Ag-0.5Cu 합금 솔더에 비해 향상된 젖음성을 가짐으로써, 솔더링 시 작업성이 개선될 수 있다.
또한, 상술한 무연솔더는 203 ℃ 내지 210 ℃의 융점, 나아가 204 ℃ 내지 207 ℃의 융점을 가짐으로써, 217 ℃의 융점을 갖는 Sn-3Ag-0.5Cu 합금 솔더에 비해 융점이 낮아 전자부품의 솔더링 시 전자부품에 열손상을 가하지 않을 수 있다.
이러한 무연솔더는 볼(ball), 크림(cream), 바(bar) 또는 와이어(wire)를 비롯한 여러가지 형태로 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 모합금들인 Sn-Ag 합금, Sn-Bi 합금 및 Sn-Al 합금을 제조한 후, 도가니에 Sn을 용융시킨 후, 상기 Sn-Ag 합금, Sn-Bi 합금 및 Sn-Al 합금을 차례로 용융시켜 솔더용탕을 만든다. 상기 솔더용탕의 온도를 600 ℃ 내지 650 ℃로 일정시간 유지시킨 후, 출탕시켜 바 형태로 주조한다.
이후, 상기 바 형태의 솔더를 용융시켜 볼 형태, 크림 형태 또는 와이어 형 태의 솔더를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
탈산제의 조성변화에 따른 솔더들의 젖음성, 융점 및 솔더용탕의 산화막 발생 비교
<표 1>
조성(wt%) 특성
주석(Sn) 은(Ag) 비스무스(Bi) 알루미늄(Al) 영점시간(sec) 융점(℃)
실험예 1 잔부 2 5 0.005 0.753 204.08
실험예 2 잔부 2 5 0.008 0.726 204.13
실험예 3 잔부 2 5 0.01 0.718 204.34
실험예 4 잔부 2 5 0.05 0.734 206.89
실험예 5 잔부 2 5 0.1 0.922 207.46
비교예 1 잔부 2 5 0.15 - -
비교예 2 주석: 잔부, 은: 3 wt%, 구리: 0.5 wt% 1.418 217
상기 표 1과 같은 조성을 갖도록 실험예들 1 내지 5, 및 비교예 1 및 2에 따른 솔더들을 제조하였다.
(1) 솔더용탕(solder bath) 내의 산화막 발생 비교
도 1은 실험예 5에 따른 솔더의 솔더용탕(650℃)을 나타낸 사진이고, 도 2는 비교예 1에 따른 솔더의 솔더용탕(650℃)을 나타낸 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 0.15 wt%의 알루미늄을 함유하는 비교예 1에 따른 솔더용탕(20)의 표면에는 두꺼운 산화막(25)이 생성된 반면, 0.1 wt%의 알루미늄을 함유하는 실험예 5에 따른 솔더용탕(10)의 표면에는 산화막이 거의 생성되지 않았 다. 또한 도면에 나타내지는 않았지만, 0.005 wt% 내지 0.05 wt%의 알루미늄을 함유하는 실험예들 1 내지 4에 따른 솔더용탕들은 실험예 5에 따른 솔더용탕에 비해 생성되는 산화막이 적거나 거의 차이가 없었다.
이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 탈산제 즉, 알루미늄의 바람직한 함량범위는 0.1 wt% 이하임을 알아내었다.
(2) 젖음성(wettability)
상기 실험예들 1 내지 5, 및 비교예 2에 따른 솔더들의 젖음성을 레스카(RESCA)사의 SAT-5000 솔더 체커(Solder Checker)를 이용하여 확인하였다. 구체적으로, 250℃의 솔더용탕 내에 길이 30㎜, 너비 10㎜, 두께 0.3㎜로 와이어 커팅된 무산소동(oxygen free copper)를 2㎜/sec의 속도로 2㎜깊이까지 담구면서 영점시간(zero-cross time)을 측정하되, 시험방법규격인 JIS Z 3198-4에 따라 측정하여 표 1에 정리하였다.
상기 표 1을 참조하면, 실험예들 1 내지 5에 따른 솔더들의 영점시간은 0.753 초 내지 0.922초로 비교예 2에 따른 솔더의 영점시간인 1.418초에 비해 현저하게 단축됨을 알 수 있다. 이는 실험예들 1 내지 5에 따른 솔더들이 비교예 2에 따른 솔더 즉, Sn-3Ag-0.5Cu 솔더에 비해 젖음성이 현저하게 향상되었음을 나타낸다.
이와 더불어서, 0.005 wt% 내지 0.05 wt%의 알루미늄을 함유하는 실험예들 1 내지 4에 따른 솔더들의 영점시간은 0.718초 내지 0.753초로 0.1 wt%의 알루미늄을 함유하는 실험예 5에 따른 솔더의 영점시간인 0.922초에 비해 더욱 단축됨을 알 수 있다. 이는 실험예들 1 내지 4에 따른 솔더들의 젖음성이 실험예 5에 따른 솔더의 젖음성에 비해 더욱 향상되었음을 나타낸다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 알루미늄의 더 바람직한 함량범위는 0.005 wt% 내지 0.05 wt%임을 알아내었다.
(3) DSC(Differential Scanning Calorimeter) 융점 비교
상기 실험예들 1 내지 5, 및 비교예 2에 따른 솔더들의 융점을 신코(Scinco)사의 DSC S-650을 이용하여 확인하였다. 구체적으로, 공기분위기에서 솔더들을 25℃에서 240℃에 이르기까지 10℃/min의 속도로 승온시키면서 융점을 측정하여 상기 표 1에 정리하였다. 참고로, 상기 융점은 온도에 대한 열흐름(heat flow)을 나타낸 DSC 그래프에서 열흐름이 최소치일 때의 온도를 말한다.
상기 표 1을 참조하면, 실험예들 1 내지 5에 따른 솔더들의 융점은 204.08℃ 내지 207.46℃로 비교예 2에 따른 솔더의 융점인 217℃에 비해 현저하게 감소됨을 알 수 있다. 이는 실험예들 1 내지 5에 따른 솔더들이 비교예 2에 따른 솔더 즉, Sn-3Ag-0.5Cu 솔더에 비해 융점이 현저하게 감소됨을 나타낸다.
(4) 결론
상술한 바와 같이, 솔더의 젖음성, 융점 및 솔더용탕 내 산화막 생성정도를 고려할 때, Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 탈산제 즉, 알루미늄의 바람직한 함량범위는 0.1wt% 이하이다. 이 경우, 솔더의 젖음성은 Sn-3Ag-0.5Cu 솔더에 비해 현저하게 향상되며, 융점 또한 현저하게 감소된다. 그러나, 솔더 내의 알루미늄 함량이 0.005 wt% 미만인 경우, 극소량에 해당하여 젖음성 향상 및 융점의 감소를 기대하 기 어려울 뿐 아니라 취급의 어려움이 있다. 따라서, Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 탈산제 즉, 알루미늄의 바람직한 함량범위는 0.005 wt% 내지 0.1 wt%이다. 이러한 0.005 wt% 내지 0.1 wt%의 알루미늄을 함유하는 Sn-Ag-Bi-Al 솔더의 융점은 204.08℃ 내지 207.46℃로서, 약 204℃ 내지 약 207℃ 이다. 나아가, 솔더 젖음성의 추가적인 향상을 고려할 때, Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 알루미늄의 더 바람직한 함량범위는 0.005 wt% 내지 0.05 wt%이다.
비스무스의 조성변화에 따른 솔더들의 젖음성, 융점 및 경도 비교
<표 2>
조성(wt%) 특성
주석(Sn) 은(Ag) 비스무스(Bi) 알루미늄(Al) 영점시간(sec) 융점(℃) 경도(HV)
실험예 6 잔부 2 3 0.01 0.881 210.64 5.38
실험예 7 잔부 2 4 0.01 0.843 209.27 5.47
실험예 8 잔부 2 4.5 0.01 0.796 204.83 5.84
실험예 9 잔부 2 5 0.01 0.718 204.34 6.144
실험예 10 잔부 2 5.5 0.01 0.722 204.17 6.273
실험예 11 잔부 2 6 0.01 0.713 203.72 6.588
비교예 3 잔부 2 2.5 0.01 1.124 216.42 4.836
비교예 4 잔부 2 6.5 0.01 0.62 203.41 7.84
비교예 2 주석: 잔부, 은: 3 wt%, 구리: 0.5 wt% 1.418 217 -
상기 표 2와 같은 조성을 갖도록 실험예들 6 내지 11, 및 비교예들 2 내지 4에 따른 솔더들을 제조하였다.
(1) DSC 융점 비교
상기 실험예들 6 내지 11, 및 비교예들 2 내지 4에 따른 솔더들의 융점을 신코(Scinco)사의 DSC S-650을 이용하여 확인하였다. 구체적으로, 공기분위기에서 무연솔더들을 25℃에서 240℃에 이르기까지 10℃/min의 속도로 승온시키면서 융점을 측정하여 상기 표 2에 정리하였다. 참고로, 상기 융점은 온도에 대한 열흐 름(heat flow)을 나타낸 DSC 그래프에서 열흐름이 최소치일 때의 온도를 말한다
상기 표 2를 참조하면, 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들의 융점은 203.72℃ 내지 210.64℃로 비교예 2에 따른 솔더의 융점인 217℃에 비해 현저하게 감소됨을 알 수 있다. 이는 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들이 비교예 2에 따른 솔더 즉, Sn-3Ag-0.5Cu 솔더에 비해 융점이 현저하게 감소됨을 나타낸다.
또한, 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스를 함유하는 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들의 융점은 203.72℃ 내지 210.64℃로 2.5 wt%의 비스무스를 함유하는 비교예 3에 따른 솔더의 융점인 216.42℃에 비해 현저하게 감소됨을 알 수 있다. 상기 비교예 3에 따른 솔더는 상기 비교예 2에 따른 솔더와 유사한 융점을 나타낸다. 따라서, 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 비스무스의 바람직한 함량범위는 3 wt% 이상임 알아내었다
이와 더불어서, 4.5 wt% 내지 6 wt%의 비스무스를 함유하는 실험예들 8 내지 11에 따른 솔더들의 융점은 203.72 ℃ 내지 204.83 ℃로 3 wt% 또는 4 wt%의 비스무스를 함유하는실험예들 6 및 7에 따른 솔더들의 융점인 210.64 ℃ 또는 209.27 ℃에 비해 융점이 더욱 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어서 비스무스의 더욱 바람직한 함량범위는 4.5 wt% 이상임을 알아내었다.
(2) 젖음성 비교
상기 실험예들 6 내지 11, 및 비교예들 2 내지 4에 따른 솔더들의 젖음성을 레스카(RESCA)사의 SAT-5000 솔더 체커를 이용하여 확인하였다. 구체적으로, 250 ℃의 솔더 용탕 내에 길이 30㎜, 너비 10㎜, 두께 0.3㎜로 와이어 커팅된 무산소동를 2㎜/sec의 속도로 2㎜깊이까지 담구면서 영점시간을 측정하되, 시험방법규격인 JIS Z 3198-4에 따라 측정하여 상기 표 2에 정리하였다.
상기 표 2를 참조하면, 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들의 영점시간은 0.713 초 내지 0.881초로 비교예 2에 따른 솔더의 영점시간인 1.418초에 비해 현저하게 단축됨을 알 수 있다. 이는 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들이 비교예 2에 따른 솔더 즉, Sn-3Ag-0.5Cu 솔더에 비해 젖음성이 현저하게 향상되었음을 나타낸다.
이와 더불어서, 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스를 함유하는 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들의 영점시간은 0.713 초 내지 0.881초로 2.5 wt%의 비스무스를 함유하는 비교예 3에 따른 솔더의 영점시간인 1.124초에 비해 더욱 단축됨을 알 수 있다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 비스무스의 바람직한 함량범위는 3 wt% 이상임 알아내었다.
(3) 경도(hardness) 비교
상기 실험예들 6 내지 11, 및 비교예들 2 내지 4에 따른 솔더들의 비커스 경도를 미쓰도요(Mitutoyo)사의 AVK-02를 사용하고, 1kgf 및 10초 조건에서 측정하여 상기 표 2에 정리하였다.
상기 표 2을 참조하면, 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스를 함유하는 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들의 비커스 경도는 5.38 Hv 내지 6.588 Hv로 6.5 wt%의 비스무스를 함유하는 비교예 4에 따른 솔더의 비커스 경도인 7.84 Hv에 비해 현저하게 감소함을 알 수 있다. 이는 비교예 4에 따른 솔더가 실험예들 6 내지 11에 따른 솔더들에 비해 깨지기 쉬운(brittle), 다시 말해서 깨짐성이 큰 것을 나타낸다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 비스무스의 바람직한 함량범위는 6 wt% 이하임을 알아내었다.
(4) 결론
융점, 젖음성 및 경도를 고려할 때, Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 비스무스의 바람직한 함량범위는 3 wt% 내지 6 wt%이다. 이 경우, 솔더의 젖음성은 Sn-3Ag-0.5Cu 합금 솔더에 비해 현저하게 향상되며, 융점 또한 현저하게 감소된다. 구체적으로, 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스를 함유하는 Sn-Ag-Bi-Al 솔더의 융점은 203.72℃ 내지 210.64℃로서, 약 203℃ 내지 약 210℃ 이다. 나아가, 융점의 추가적인 감소 및 젖음성의 추가적인 향상를 고려할 때, Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 비스무스의 더 바람직한 함량범위는 4.5 wt% 내지 6 wt%이다.
은의 조성변화에 따른 솔더들의 열충격 특성 및 낙하 특성 비교
<표 3>
조성(wt%) 특성
주석(Sn) 은(Ag) 비스무스(Bi) 알루미늄(Al) 열충격 횟수 낙하횟수
실험예 12 잔부 1.5 5 0.01 700 P
실험예 13 잔부 1.7 5 0.01 P P
실험예 14 잔부 2 5 0.01 P P
실험예 15 잔부 2.3 5 0.01 P P
실험예 16 잔부 2.5 5 0.01 P 50
비교예 5 잔부 1.2 5 0.01 400 P
비교예 6 잔부 2.7 5 0.01 P 10
상기 표3과 같은 조성을 갖도록 실험예들 12 내지 16, 및 비교예들 5 및 6에 따른 솔더들을 제조한 후, 상기 솔더들을 사용하여 인쇄회로기판과 반도체칩을 솔 더 접합시킨 반도체 패키지들을 각각 제조하였다.
(1) 열충격 시험(thermal shock test)
상기 실험예들 12 내지 16, 및 비교예들 5 및 6에 따른 솔더들을 각각 사용한 반도체 패키지들을 -45℃에서 30분 동안 둔 후, 온도를 125℃로 급격하게 상승시켜 30분동안 두는 사이클을 1000번 진행한다. 각 사이클이 종료된 후, 솔더 접합부에 크랙 발생여부를 확인하여, 크랙이 발생된 경우 실험을 중단시키고 사이클 수를 표 3에 기록하였다. P로 표기된 것은 1000회 사이클을 진행하였으나, 솔더 접합부에 크랙이 발생하지 않은 경우이다.
표 3을 참조하면, 1.5 wt% 내지 2.5 wt%의 은를 함유하는 상기 실험예들 12 내지 16에 따른 솔더들을 각각 사용한 반도체 패키지들은 열충격 사이클을 적어도 700회 진행한 후에도 솔더 접합부에 크랙이 발생하지 않았다. 반면, 1.2 wt%의 은를 함유하는 상기 비교예 5에 따른 솔더를 사용한 반도체 패키지는 400회 열충격 사이클을 진행 후 솔더 접합부에 크랙이 발생하였다. 따라서, 상기 실험예들 12 내지 16에 따른 솔더들은 상기 비교예 5에 따른 솔더에 비해 열충격에 대한 내성이 현저하게 높음을 알 수 있다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 은의 바람직한 함량범위는 1.5 wt% 이상임을 알아내었다.
나아가, 1.7 wt% 내지 2.5 wt%의 은를 함유하는 실험예들 13 내지 16에 따른 솔더들을 각각 사용한 반도체 패키지들은 열충격 사이클을 1000회 진행할 때까지 솔더 접합부에 크랙이 발생하지 않았다. 반면, 1.5 wt%의 은를 함유하는 실험예 12에 따른 솔더를 사용한 반도체 패키지는 700회의 열충격 사이클을 진행한 후 솔 더 접합부에 크랙이 발생하였다. 따라서, 상기 실험예들 13 내지 16에 따른 솔더들은 상기 실험예 12에 따른 솔더에 비해 열충격에 대한 내성이 더욱 높음을 알 수 있다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 은의 더욱 바람직한 함량범위는 1.7wt% 이상임을 알아내었다.
(2) 낙하 시험(drop test)
상기 실험예들 12 내지 16, 및 비교예들 5 및 6에 따른 무연솔더들을 각각 사용한 반도체 패키지들에 대해 시험방법규격인 JESD22-B104에 따라 낙하 내성을 측정하였다. 구체적으로, 상기 실험예들 12 내지 16, 및 비교예들 5 및 6에 따른 무연솔더들을 각각 사용한 반도체 패키지들을 낙하시킨 후 솔더 접합부의 저항을 측정하되, 저항이 10Ω을 초과하는 경우 낙하를 중단시키고 낙하횟수를 표 3에 기록하였다. P로 표기된 것은 100회 낙하를 반복하였으나, 솔더 접합부의 저항이 10Ω 이하인 경우이다.
표 3을 참조하면, 1.5 wt% 내지 2.5 wt%의 은를 함유하는 상기 실험예들 12 내지 16에 따른 솔더들을 각각 사용한 반도체 패키지들은 적어도 50회 낙하 후에도 솔더접합부의 저항이 10Ω 이하로서 양호한 낙하 내성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 반면, 2.7 wt%의 은를 함유하는 상기 비교예 6에 따른 무연솔더는 10회 낙하 후 솔더접합부의 저항이 10Ω를 초과하여 매우 불량한 낙하 내성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 실험예들 12 내지 16에 따른 솔더들은 상기 비교예 6에 따른 솔더에 비해 낙하 내성이 현저하게 높음을 알 수 있다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 은의 바람직한 함량범위는 2.5wt% 이하임을 알 아내었다.
나아가, 1.5 wt% 내지 2.3 wt%의 은를 함유하는 상기 실험예들 12 내지 15에 따른 솔더들을 각각 사용한 반도체 패키지들은 100회 낙하 후에도 솔더 접합부의 저항이 10Ω 이하였다. 반면, 2.5 wt%의 은를 함유하는 상기 실험예 16에 따른 솔더를 사용한 반도체 패키지는 50회 낙하 후 솔더 접합부의 저항이 10Ω를 초과였다. 따라서, 상기 실험예들 12 내지 15에 따른 솔더들은 상기 실험예 16에 따른 솔더에 비해 낙하 내성이 현저하게 높음을 알 수 있다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 은의 더욱 바람직한 함량범위는 2.3 wt% 이하임을 알아내었다.
(3) 결론
열충격 시험 및 낙하 시험 결과를 고려할 때, Sn-Ag-Bi-Al 솔더에 있어 은의 바람직한 함량범위는 1.5 내지 2.5 wt%이고, 더 바람직한 함량범위는 1.7 내지 2.3 wt% 이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 Sn-3Ag-0.5Cu 합금 솔더에 비해 젖음성이 향상되어 솔더링 시 작업성이 개선될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 Sn-3Ag-0.5Cu 합금 솔더에 비해 융점이 낮아 전자부품의 솔더링 시 전자부품에 열손상을 가하지 않을 수 있다.
또한, 상기 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 0.005 wt% 내지 0.1 wt%의 알루미늄을 함유함으로써, 솔더의 젖음성 향상 및 융점 감소를 나타낼 수 있을 뿐 아니라, 솔더 용 탕 내에 산화막이 거의 생성되지 않을 수 있다. 나아가, 상기 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 0.005 wt% 내지 0.05 wt%의 알루미늄을 함유함으로써, 젖음성이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 상기 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스을 함유함으로써, 솔더의 젖음성 향상 및 융점 감소를 나타낼 수 있을 뿐 아니라, 경도 값이 낮아 깨짐(brittleness)이 현저하게 감소된다. 나아가, 상기 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 4.5 wt% 내지 6 wt%의 비스무스을 함유함으로써, 융점이 더욱 낮아질 수 있다.
또한, 상기 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 1.5 wt% 내지 2.5 wt%의 은를 함유함으로써, 열충격 내성 및 낙하 내성이 향상될 수 있다. 나아가, 상기 Sn-Ag-Bi-Al 솔더는 1.7 wt% 내지 2.3 wt%의 은를 함유함으로써, 열충격 내성 및 낙하 내성이 더욱 향상될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (11)

1.5 wt% 내지 2.3 wt%의 은(Ag), 3 wt% 내지 6 wt%의 비스무스(Bi), 0.005 wt% 내지 0.05 wt%의 알루미늄(Al), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 리튬(Li)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 금속, 및 잔부의(a balance of) 주석(Sn)을 함유하는 것을 특징으로 하는 무연솔더.
삭제
제1항에 있어서,
상기 알루미늄(Al), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 리튬(Li)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 금속은 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 무연솔더.
삭제
제1항에 있어서,
상기 비스무스는 4.5 wt% 내지 6 wt%로 함유되는 것을 특징으로 하는 무연솔더.
제1항에 있어서,
상기 은은 1.7 wt% 내지 2.3 wt%로 함유되는 것을 특징으로 하는 무연솔더.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 무연솔더의 융점은 203 ℃ 내지 210 ℃인 것을 특징으로 하는 무연솔더.
제10항에 있어서,
상기 무연솔더의 융점은 204 ℃ 내지 207 ℃인 것을 특징으로 하는 무연솔더.
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