KR101590289B1 - 땜납 합금 - Google Patents

땜납 합금 Download PDF

Info

Publication number
KR101590289B1
KR101590289B1 KR1020147028285A KR20147028285A KR101590289B1 KR 101590289 B1 KR101590289 B1 KR 101590289B1 KR 1020147028285 A KR1020147028285 A KR 1020147028285A KR 20147028285 A KR20147028285 A KR 20147028285A KR 101590289 B1 KR101590289 B1 KR 101590289B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solder
solder alloy
content
mass
voids
Prior art date
Application number
KR1020147028285A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140130750A (ko
Inventor
세이코 이시바시
슌사쿠 요시카와
?사쿠 요시카와
츠카사 오오니시
Original Assignee
센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤 filed Critical 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Publication of KR20140130750A publication Critical patent/KR20140130750A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101590289B1 publication Critical patent/KR101590289B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0016—Brazing of electronic components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/008—Soldering within a furnace
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/20—Preliminary treatment of work or areas to be soldered, e.g. in respect of a galvanic coating
    • B23K1/203—Fluxing, i.e. applying flux onto surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B23K35/025—Pastes, creams, slurries
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof
    • H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

고온 환경 하에서 평가되는 땜납 이음의 접합 신뢰성을 높인 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금을 제공한다. 질량%로, Ag：1.0~5.0%, Cu：0.1~1.0%, Sb：0.005~0.025%, Fe：0.005~0.015%, 및 잔부 Sn으로 구성되는 합금 조성을 가진다. 질량%로, Fe의 함유량은 0.006~0.014%이다. 질량%로, Sb의 함유량은 0.007~0.023%이다. 바람직하게는, 질량비로, Fe：Sb=20：80~60：40이다. 또, 바람직하게는, Fe와 Sb와의 총함유량이 0.012~0.032질량%이다.

Description

땜납 합금{SOLDER ALLOY}
본 발명은 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금, 특히, 고온에서의 장시간 사용 시에도, 땜납 접합부(땜납 이음, solder joint)의 접속 신뢰성을 발휘할 수 있는 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금에 관한 것이다.
종래부터, 납프리 땜납으로 Sn-Ag-Cu 땜납 합금이 널리 사용되고 있다. 납프리 땜납 합금의 적용 범위는 더욱 확대되고 있지만, 그에 따라서, 보다 가혹한 환경에서도 사용되는 것이 바람직하게 되었다. 또 동시에 그러한 환경에서 장기간 사용해도, 땜납 이음에 파단(破斷)이나 열화가 생기지 않는 높은 접속 신뢰성이 요구되고 있다.
여기에, 본 명세서에서 상정하는 땜납 이음의 사용 환경은, 예를 들면 휴대 전화, 차재용 전자 부품 등이 사용되는 환경이다. 그 접속 신뢰성의 평가는, 온도가 125℃, 150℃이며, 시간이 500시간, 1000시간이라는 고온 환경 하에서의 가속 시험으로 행해진다.
그런데, 종래의 Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 있어서는, 새로운 개량을 목표로 하여 Ni, Fe 등을 첨가함으로써, 접속 신뢰성, 내(耐) 낙하 충격 특성, 젖음성(wettability)을 개선하는 제안이 있다. 특허문헌 1~4에 개시된 기술이 그 대표예로서 들 수 있다.
또, 근래에는, 휴대 전화 등의 프린트 기판이나 패키지의 땜납 이음에 이러한 땜납 합금이 이용되는 것으로부터, 높은 온도 사이클 특성이나 고온 환경 하에서의 접속 신뢰성이 요구되고 있다. 이것에 대응하기 위해, 특허문헌 5에서는, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 P, Bi, 또는 Sb를 함유하는 땜납 합금이 검토되고 있다. 특허문헌 6에서는, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 Sb 또는 Fe를 함유하는 땜납 합금이 검토되고 있다.
일본 특허공개 2005-40847호 공보 일본 특허공표 2001-504760호 공보 일본 특허공개 2007-237251호 공보 일본 특허공개 2001-096394호 공보 일본 특허공개 2004-154845호 공보 일본 특허공개 2002-239780호 공보
그러나, 특허문헌 1~4에 의해 개시된 땜납 합금에서는, Ni, Fe 등을 첨가함으로써 내충격성, 퍼짐성(spreadability)이 개선되고는 있지만, 보다 가혹한 환경하에서 높은 접속 신뢰성을 확보할 필요가 있다.
특허문헌 5에 의해 개시된 땜납 합금은, 고온 환경 하에서, 땜납 이음의 접합 계면에 형성되는 금속간 화합물의 성장을 억제하고, 커켄달 보이드(kirkendall void)의 발생수를 감소시킨다고 하는 효과를 발휘한다. 그렇지만, Sn-Ag-Cu 합금에 P, Bi, 또는 Sb만 첨가했다고 해도, 그 효과는 아직 불충분하고, 더 개선이 필요하다.
특허문헌 6에는, 우수한 연성 및 강도를 가지기 위해서 내(耐) 열 피로 특성이 우수한 것이 기재되고는 있다. 그러나, 특허문헌 6에서 실제로 검토가 이루어지고 있는 조성은, Sb가 0.3질량% 이상인 조성이나, Fe가 0.2질량%인 조성뿐이다. 게다가 특허문헌 6에는, 양 원소를 함유하는 조성에 대해서는 일절 개시되지 않고, 고온 방치 시험 등을 실시한 결과도 기재되지 않았다. 이 때문에, Sb 또는 Fe의 한쪽만 함유하는 조성이나 이러한 양 원소를 함유하는 조성이 상술한 바와 같은 가속 시험에 견딜 수 있는 것인지의 여부는 입증되지 않았다.
본 발명의 과제는, 고온 환경 하에서 평가되는 땜납 이음의 접속 신뢰성을 높인 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금을 제공하는 것이다.
본 발명자 등은 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금의 접속 신뢰성을 확보할 때, 고온 환경 하에서 사용하고 있을 때의 커켄달 보이드의 발생이 문제가 되는 것을 알았다. 따라서, 본 발명의 구체적 과제는, 그러한 커켄달 보이드의 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명자 등은 검토를 거듭한 결과, 땜납 이음의 접합 계면에서의 Cu3Sn의 금속간 화합물의 생성을 억제함으로써, 고온 환경 하에서 사용해도 커켄달 보이드의 발생수를 저감할 수 있는 것을 알았다. 그리고, 본 발명자 등은 커켄달 보이드의 발생수를 저감하기 위해서, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 Fe 및 Sb를 미량 첨가하는 것에 의해서, 이러한 상승효과에 의해 땜납 이음의 접합 계면에서의 상기 금속간 화합물의 생성을 효과적으로 방지할 수 있어, 접속 신뢰성이 비약적으로 개선되는 것을 알았다.
여기에, 본 발명은 다음과 같다.
(1) 질량%로, Ag：1.0~5.0%, Cu：0.1~1.0%, Sb：0.005~0.025%, Fe：0.005~0.015%, 및 잔부(殘部) Sn으로 구성되는 합금 조성을 가지는 땜납 합금.
(2) 질량%로, Ag의 함유량은 2.0~4.0%인, 상기 (1)에 기재된 땜납 합금.
(3) 질량%로, Cu의 함유량은 0.2~0.7%인, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금.
(4) 질량%로, Sb의 함유량은 0.007~0.023%인, 상기 (1)~상기 (3) 중 어느 하나에 기재된 땜납 합금.
(5) 질량비로, Fe：Sb=20：80~60：40인, 상기 (1)~상기 (4) 중 어느 하나에 기재된 땜납 합금.
(6) 질량%로, Fe의 함유량은 0.006~0.014%인, 상기 (1)~상기 (5) 중 어느 하나에 기재된 땜납 합금.
(7) 상기 (1)~상기 (6) 중 어느 하나에 기재된 땜납 합금으로 이루어진 땜납 볼.
(8) 상기 (1)~상기 (6) 중 어느 하나에 기재된 땜납 합금으로 이루어진 땜납 이음.
(9) 상기 (1)~상기 (6) 중 어느 하나에 기재된 땜납 합금을 이용한 접합 방법.
도 1은 보이드 발생수의 평균값과 Sb의 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 고온 방치 조건을 125℃-500시간으로 했을 경우에서의, 보이드 발생수의 평균값과 Fe의 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 고온 방치 조건을 125℃-500시간으로 했을 경우에서의, 보이드 발생수의 평균값과 Fe：Sb의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 각 고온 방치 조건에서의, Sb를 소정량 함유하는 땜납 합금의 보이드 발생수의 평균값과 Fe의 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 5(a)~도 5(d)는 납땜 직후에서의 땜납 이음의 단자와 땜납 접합부의 접합 계면의 단면 SEM 사진(3000배)이고, 도 5(e)~도 5(h)는 125℃-500시간에 고온 방치한 땜납 이음의 단자와 땜납 접합부의 계면의 단면 SEM 사진(3000배)이다.
본 발명을 이하에 보다 자세하게 설명한다. 본 명세서에 있어서, 땜납 합금 조성에 관한 「%」는 특별히 지정하지 않는 한 「질량%」이다.
본 발명에 따른 Sn-Ag-Cu-Sb-Fe 땜납 합금은 Sb 및 Fe의 양 원소를 함유하기 때문에, 고온 환경하에 장시간 노출해도, 전극과의 접합 계면에 형성되는 Cu3Sn 등의 금속간 화합물의 성장을 억제해, 커켄달 보이드의 발생수를 저감함으로써, 우수한 접속 신뢰성을 확보할 수 있다.
여기서, 커켄달 보이드는 이하와 같이 발생할 것으로 추측된다. 예를 들면 땜납 합금과 Cu 전극을 접합하면, 접합 계면에 Cu3Sn 등의 금속간 화합물이 형성된다. 고온 환경하에 장시간 노출되면 이 Cu3Sn가 성장하고, Sn와 Cu의 확산 계수 차이에 의해 상호 확산의 불균형이 생긴다. 이 불균형에 의해 결정 격자에 원자 공공(空孔)이 발생해, 그 원자 공공이 소멸하지 않고 집적함으로써 소위 커켄달 보이드(이하, 「보이드」라고 함)가 발생한다.
본 발명에 따른 땜납 합금의 합금 조성은 이하와 같다. Ag의 함유량은 1.0~5.0%이다. Ag는 땜납 합금의 강도를 향상시킨다. Ag가 5.0%보다 많으면 땜납 합금 중 Ag3Sn가 다량으로 발생하여 땜납 합금이 취화하기 때문에 내(耐) 충격 낙하 특성이 떨어진다. Ag가 1.0% 미만이면 땜납 합금의 강도가 충분하지 않다. Ag의 함유량은, 바람직하게는 2.0~4.0%이며, 보다 바람직하게는 2.9~3.1%이다.
Cu의 함유량은 0.1~1.0%이다. Cu는 땜납 합금의 강도를 향상시킨다. 0.1% 미만이면, 땜납 합금의 기계적 강도 향상에 효과가 충분하지 않고, 1.0%보다 많으면 땜납 합금의 액상선 온도가 상승하고, 습윤성의 저하, 땜납 합금이 용융했을 때의 드로스(dross) 발생, 및 보이드 발생수의 증가를 초래해, 접속 신뢰성이 저하한다. Cu의 함유량은, 바람직하게는 0.2~0.7%이며, 보다 바람직하게는 0.45~0.55%이다.
커켄달 보이드의 발생수를 저감하기 위해서는, Sn-Ag-Cu계 땜납 합금에 Sb만 함유하는 합금 조성이나 Fe만 함유하는 합금 조성으로는 불충분하고, Fe 및 Sb의 양 원소를 함유하는 합금 조성으로 한다.
Sb의 함유량은 0.005~0.025%이다. Sb는 Cu3Sn 금속간 화합물의 성장을 억제해 보이드의 발생수를 저감한다. 또, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 Fe와 함께 Sb를 첨가하는 것은, 보이드 발생수의 증가를 억제하는 관점에서 중요하다. 0.005% 미만이면 보이드의 발생수를 억제하지 못하고 우수한 접속 신뢰성을 얻을 수 없다. 0.025%보다 많으면 보이드 발생수의 억제 효과가 더 개선될 것이 없다. Sb의 함유량은, 바람직하게는 0.007~0.023%이며, 보다 바람직하게는 0.01~0.02%이다.
Fe의 함유량은 0.005~0.015%이다. Fe는 Sb와 같이, 전극 재료인 Cu와 Sn의 상호 확산을 억제하고, Cu3Sn 금속간 화합물의 성장을 억제함과 동시에 보이드의 발생수를 저감한다. 0.005% 미만이면 Cu3Sn 금속간 화합물의 성장을 억제하지 못하고, 보이드가 다수 발생함으로써 우수한 접속 신뢰성을 얻을 수 없다. 0.015%보다 많으면 땜납 합금 중 Fe의 산화물이 형성되어 습윤성이 악화된다. 또, 예를 들면 땜납 합금을 소망하는 땜납 볼로 가공하는 것이 곤란해진다. Fe의 함유량은, 바람직하게는 0.006~0.014%이며, 보다 바람직하게는 0.007~0.013%이다.
즉, 본 발명의 땜납 합금은 Fe 및 Sb의 양 원소를 Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 첨가함으로써 우수한 접속 신뢰성을 얻을 수 있다. 원자 확산이 가장 생기기 쉬운 Cu3Sn의 결정립계에 강고한 FeSb2 등이 형성되어 Cu의 확산에 의한 Cu3Sn의 성장을 억제해, 이것에 따라 보이드 발생수도 저감할 수 있기 때문이라고 생각할 수 있다.
이 관점에서, Fe와 Sb의 함유비는 질량비로, 바람직하게는 Fe：Sb=20：80~60：40이며, 보다 바람직하게는 Fe：Sb=40：60~60：40이며, 특히 바람직하게는 Fe：Sb=40：60~50：50이다. 게다가 동일한 관점으로부터, Fe와 Sb의 총 질량은, 바람직하게는 0.012~0.032%이며, 보다 바람직하게는 0.015~0.025%이며, 특히 바람직하게는 0.017~0.025%이다.
본 발명에 따른 땜납 합금에는, 불순물로서 Pb가 존재하기도 한다. 불순물로서의 Pb의 함유량은 0.01% 이하이다.
본 발명에서는, 가속 시험에서의 고온 방치 조건을 온도가 125℃, 150℃이며, 시간이 500시간, 1000시간으로 했다. 이러한 조건은, 휴대 전화나, 높은 신뢰성이 요구되는 자동차 관련의 부품에 이용되는 경우에도 충분한 조건이다.
본 발명에 따른 땜납 합금은 땜납 볼에 이용할 수 있다. 본 발명에 따른 땜납 볼은, 전형적으로는 직경 0.01~1.0 mm 정도의 구형의 땜납이며, BGA(볼 그리드 어레이, ball grid array) 등의 반도체 패키지의 전극이나 기판의 범프 형성에 이용된다. 땜납 볼은 일반적인 땜납 볼의 제조법에 의해 제조할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 땜납 합금은 솔더 페이스트로서 사용할 수 있다. 솔더 페이스트는 땜납 분말을 소량의 플럭스와 혼합하여 페이스트상으로 한 것이며, 리플로우는 납땜법에 따라 프린트 기판에의 전자 부품의 실장에 널리 이용되고 있다. 솔더 페이스트에 이용하는 플럭스는 수용성 플럭스와 비수용성 플럭스 중 어느 것이어도 좋지만, 전형적으로는 로진 베이스의 비수용성 플럭스인 로진계 플럭스를 이용한다. 그 외, 본 발명에 따른 땜납 합금은 프리폼, 와이어 등의 형태로 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 땜납 합금을 이용한 접합 방법은, 리플로우법을 이용하여 상법에 따라서 실시하면 좋고, 본 발명에 따른 땜납 합금을 이용함으로써 특수한 조건을 부과하는 것은 아니다. 구체적으로는, 일반적으로 땜납 합금의 고상선(固相線) 온도보다 몇℃~20℃ 높은 온도에서 행해지고, 예를 들면 피크 온도를 240℃로서 행해진다.
본 발명에 따른 땜납 이음은 본 발명에 따른 땜납 합금을 이용하여, IC 칩 등의 패키지(PKG：Package)의 단자와 프린트 기판(PCB：printed circuit board) 등의 기판의 단자를 접합해 접속한다. 즉, 본 발명에 따른 땜납 이음은 그러한 단자와 땜납의 접합부를 말한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 땜납 이음은 일반적인 땜납부 조건을 이용해 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 땜납 합금은, 상술한 바와 같이 어려운 사용 환경에서 그 효과가 발휘되지만, 종래의 사용 환경에서 사용해도 좋은 것은 물론이다.
[실시예]
표 1에 나타내는 땜납 합금으로부터 직경 0.3 mm의 땜납 볼을 제작했다. 프린트 기판에 소정의 패턴으로 배치되는 것과 동시에 표면을 프리플럭스 처리(OSP：Organic Solderability Preservative)된 Cu 전극에, 수용성 플럭스(Senju Metal Industry Company, Ltd. 제품：WF-6400)을 100 ㎛의 두께로 인쇄 도포했다. 그리고, 이 Cu 전극에 미리 제작한 땜납 볼을 탑재한 후, 리플로우법에 의해 납땜함으로써, 땜납 이음이 형성된 시료를 얻었다. 이 시료를 이용하여 이하에 기술하는 시험을 실시하여, 보이드 발생수를 계측했다.
1) 고온 방치 시험
시료를, 125℃-500시간, 125℃-1000시간, 150℃-500시간, 150℃-1000시간으로 설정한 항온조(대기 분위기)에서 보지(保持)했다. 그 후, 시료를 항온조로부터 꺼내고, 냉각했다.
2) 보이드 발생수의 산출
고온 방치 시험 후의 각 조건의 시료에 대해서, 각각 FE-SEM을 이용해 3000배의 땜납 이음 단면 사진을 촬영했다. 그리고, 각각에 대해서 땜납 이음 계면에 발생하고 있는, 지름이 0.1 ㎛ 이상의 보이드의 총수를 세어 보이드 발생수의 평균값을 산출했다. 결과를 표 1에 나타낸다. 보이드 발생수의 평균값이 60개 이하를 좋음(○), 61~99개를 약간 나쁨(△), 100개 이상을 나쁨(×)으로 했다. 또한, 표 1 중, 밑줄은 본 발명의 범위로부터 벗어난 조성을 나타낸다.
Figure 112014095883877-pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1~12에서는, 어느 고온 방치 조건에서도 보이드 발생수가 60개 이하이고, 보이드의 발생을 억제할 수 있었다. 한편, Fe의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예 1~8 및 12, Sb의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예 10 및 11, Fe 및 Sb의 함유량이 모두 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예 9 및 13~15에서는, 모두 보이드 발생수가 60개를 넘고 있어 좋은 평가를 얻을 수 없었다.
도 1은 보이드 발생수의 평균값과 Sb의 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 1에서는, Sb만 첨가한 효과를 분명히 하기 위해, Fe의 함유량이 0%인 비교예 1 및 9의 결과를 이용했다. 도 1로부터, Sb를 함유하는 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금은, 보이드 발생수의 평균값을 저감할 수 있었다. 그러나, Sb만 첨가해도, 보이드 발생수의 평균값이 100개 정도로 높은 수치를 나타냈기 때문에, 충분히 보이드의 발생을 저감할 수 없었다.
도 2는 고온 방치 조건을 125℃-500시간으로 했을 경우에서의, 보이드 발생수의 평균값과 Fe의 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2에서는, Fe만 첨가한 효과를 분명히 하기 위해, Sb의 함유량이 거의 0%인 비교예 9~11, 14 및 15의 결과를 이용했다.
도 2로부터, Fe만을 함유하는 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금은 어느 정도까지는 보이드 발생수의 평균값을 저감할 수 있다. 그러나, Fe의 함유량을 0.01%보다 많이 해도 보이드 발생수는 저감하지 않고, 100개 정도로 높은 수치를 나타냈다. 이 때문에, Sn-Ag-Cu 합금에 Fe만을 첨가해도, 충분히 보이드의 발생을 저감할 수 없었다.
도 3은 고온 방치 조건을 125℃-500시간으로 했을 경우에서의, 보이드 발생수의 평균값과 Fe：Sb의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3에서는, Fe와 Sb의 합계량이 0.022±0.01%의 범위에 있는 실시예 1, 5, 비교예 1, 5, 12, 및 13의 결과를 이용했다. 각각의 Fe 함유량, Sb 함유량, Fe：Sb, 보이드 발생수의 평균값을 표 2에 나타낸다. 도 3 및 표 2로부터, Fe 및 Sb의 양 원소를 소정량 첨가함으로써, 보이드 발생수의 평균값을 저감하는 것이 밝혀졌다.
Figure 112014095883877-pat00002
도 4는, 각 고온 방치 조건에서의, Sb를 소정량 함유하는 땜납 합금의 보이드 발생수의 평균값과 Fe의 함유량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4에서는, Ag의 함유량이 3.0%, Cu의 함유량이 0.5%, Sb의 함유량이 0.011~0.013%, 및 잔부가 Sb인 실시예 1~8, 및 비교예 1~8을 이용했다. 도 4로부터, Fe의 함유량이 0~0.012%의 범위에서는, Fe의 함유량이 0.005% 이상, 특히 0.008% 이상의 조성에서, 어느 고온 방치 조건에서도 보이드 발생수의 평균값이 저감하는 것이 밝혀졌다.
도 5(a)~도 5(d)는, 납땜 직후에서의 땜납 이음의 단자와 땜납 접합부의 접합 계면의 단면 SEM 사진(3000배)이며, 도 5(e)~도 5(h)는 125℃-500시간에 고온 방치한 땜납 이음의 단자와 땜납 접합부의 계면의 단면 SEM 사진(3000배)이다. 도 5(a)는 비교예 1(Fe：0%, Sb：0.012%), 도 5(b)는 비교예 5(Fe：0.002%, Sb：0.011%), 도 5(c)는 실시예 1(Fe：0.008%, Sb：0.012%), 도 5(d)는 실시예 5(Fe：0.012%, Sb：0.013%)의 고온 방치 시험 전 상태에서 단면 SEM 사진을 촬영한 것이다. 또, 도 5(e)는 비교예 1(Fe：0%, Sb：0.012%), 도 5(f)는 비교예 5(Fe：0.002%, Sb：0.011%), 도 5(g)는 실시예 1(Fe：0.008%, Sb：0.012%), 도 5(h)는 실시예 5(Fe：0.012%, Sb：0.013%)의 땜납 합금의 단면 SEM 사진이다.
도 5로부터, 고온 방치를 실시함으로써 Cu3Sn 층이 성장하고 있는 것을 알 수 있었다. 또, Fe 함유량의 증가에 따라, Cu3Sn 층의 성장이 억제되어 있는 것도 알았다. 고온 방치 조건을 125℃-1000시간, 150℃-500시간, 150℃-1000시간으로 했을 경우도, 도 5와 같이, Fe의 함유량이 증가함과 동시에 Cu3Sn 층의 성장이 억제되어 있는 것을 확인했다.
각 고온 방치 조건에서의 Cu3Sn 층의 막 두께(厚)의 평균값은 표 3에 나타낸 대로이다.
Figure 112014095883877-pat00003
표 3으로부터, Fe의 함유량이 0~0.012%의 범위에서는, Fe의 함유량이 바람직하게는 0.008% 이상에서 Cu3Sn 층의 성장이 억제되어 있는 것을 알 수 있었다. 도 4, 도 5 및 표 3으로부터, Cu3Sn 층의 성장과 함께 보이드의 발생수가 증가하는 것이 밝혀졌다.
이상으로부터, 본 발명에서는 Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 Fe 및 Sb의 양 원소를 첨가하고 있기 때문에, Cu3Sn 등의 금속간 화합물의 성장을 억제해, 보이드의 발생을 억제하는 것이 밝혀졌다.

Claims (9)

  1. 질량%로, Ag：2.9~3.1%, Cu：0.1~1.0%, Sb：0.005~0.025%, Fe：0.005~0.015%, 질량비로 Fe：Sb=20:80~60：40이고, 및 잔부(殘部) Sn으로 이루어지는 합금 조성을 가지는 땜납 합금으로,
    고온 방치 시험에서, 상기 땜납 합금으로부터 제조된 직경 0.3 mm의 땜납 볼은 땜납 이음을 형성하기 위해 리플로우 납땜함으로써 인쇄 회로판 상의 Cu 전극에 납땜된 후, 500 시간 동안 125 ℃의 분위기에서 보지하는 경우, 상기 땜납 이음에서 직경이 0.1 ㎛ 이상인 커켄달 보이드의 평균값이 최대 60인, 땜납 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    질량%로, Cu의 함유량은 0.2~0.7%인, 땜납 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    질량%로, Sb의 함유량은 0.007~0.023%인, 땜납 합금.
  4. 제1항에 있어서,
    질량%로, Fe의 함유량은 0.006~0.014%인, 땜납 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금으로 이루어진 땜납 볼.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지고, 고온 환경 하에서 사용되는 땜납 이음.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020147028285A 2012-04-09 2012-04-09 땜납 합금 KR101590289B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2012/059668 WO2013153595A1 (ja) 2012-04-09 2012-04-09 はんだ合金

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137016630A Division KR20130124516A (ko) 2012-04-09 2012-04-09 땜납 합금

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140130750A KR20140130750A (ko) 2014-11-11
KR101590289B1 true KR101590289B1 (ko) 2016-02-01

Family

ID=47693021

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137016630A KR20130124516A (ko) 2012-04-09 2012-04-09 땜납 합금
KR1020147028285A KR101590289B1 (ko) 2012-04-09 2012-04-09 땜납 합금

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137016630A KR20130124516A (ko) 2012-04-09 2012-04-09 땜납 합금

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8932519B2 (ko)
EP (1) EP2679335B1 (ko)
JP (1) JP5131412B1 (ko)
KR (2) KR20130124516A (ko)
CN (1) CN103476540B (ko)
PT (1) PT2679335T (ko)
TW (1) TWI441704B (ko)
WO (1) WO2013153595A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104625464A (zh) * 2014-12-23 2015-05-20 苏州龙腾万里化工科技有限公司 一种新型无铅锡棒
CN109175573A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 南昌大学 一种Cu-Ni合金化基板与无铅钎料的焊点及其制备方法
CN109175572A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 南昌大学 一种双相基板与无铅钎料的焊点及其制备工艺

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002239780A (ja) * 2001-02-09 2002-08-28 Nippon Steel Corp ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
JP2007237250A (ja) 2006-03-09 2007-09-20 Nippon Steel Materials Co Ltd 鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材
JP2007237251A (ja) 2006-03-09 2007-09-20 Nippon Steel Materials Co Ltd 鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材
US20130153646A1 (en) 2011-12-14 2013-06-20 Yuan Ze University Method for suppressing kirkendall voids formation at the interface between solder and copper pad

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6231691B1 (en) 1997-02-10 2001-05-15 Iowa State University Research Foundation, Inc. Lead-free solder
JP3544904B2 (ja) 1999-09-29 2004-07-21 株式会社トッパンＮｅｃサーキットソリューションズ はんだ、それを使用したプリント配線基板の表面処理方法及びそれを使用した電子部品の実装方法
TW592872B (en) * 2001-06-28 2004-06-21 Senju Metal Industry Co Lead-free solder alloy
JP2004154845A (ja) 2002-11-08 2004-06-03 Hitachi Ltd 電子装置接続用はんだとはんだボール及びそれを用いた電子装置
JP2005040847A (ja) 2003-07-25 2005-02-17 Hitachi Metals Ltd はんだボールの製造方法
US20050100474A1 (en) * 2003-11-06 2005-05-12 Benlih Huang Anti-tombstoning lead free alloys for surface mount reflow soldering
US8691143B2 (en) 2005-06-03 2014-04-08 Senju Metal Industry Co., Ltd. Lead-free solder alloy
EP1924394A2 (en) * 2005-08-24 2008-05-28 FRY'S METALS, INC. d/b/a ALPHA METALS, INC. Solder alloy
US8562906B2 (en) * 2006-03-09 2013-10-22 Nippon Steel & Sumikin Materials Co., Ltd. Lead-free solder alloy, solder ball and electronic member, and lead-free solder alloy, solder ball and electronic member for automobile-mounted electronic member
JP5142999B2 (ja) * 2006-07-05 2013-02-13 富士電機株式会社 クリームはんだ及び電子部品のはんだ付け方法
CN102029479A (zh) * 2010-12-29 2011-04-27 广州有色金属研究院 一种低银无铅焊料合金及其制备方法和装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002239780A (ja) * 2001-02-09 2002-08-28 Nippon Steel Corp ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
JP2007237250A (ja) 2006-03-09 2007-09-20 Nippon Steel Materials Co Ltd 鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材
JP2007237251A (ja) 2006-03-09 2007-09-20 Nippon Steel Materials Co Ltd 鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材
US20130153646A1 (en) 2011-12-14 2013-06-20 Yuan Ze University Method for suppressing kirkendall voids formation at the interface between solder and copper pad

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2013153595A1 (ja) 2015-12-17
CN103476540A (zh) 2013-12-25
TW201350250A (zh) 2013-12-16
KR20130124516A (ko) 2013-11-14
EP2679335B1 (en) 2017-06-14
EP2679335A4 (en) 2014-12-03
CN103476540B (zh) 2015-11-25
WO2013153595A1 (ja) 2013-10-17
US8932519B2 (en) 2015-01-13
TWI441704B (zh) 2014-06-21
PT2679335T (pt) 2017-07-26
US20130343809A1 (en) 2013-12-26
EP2679335A1 (en) 2014-01-01
JP5131412B1 (ja) 2013-01-30
KR20140130750A (ko) 2014-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111745321B (zh) 软钎料合金、焊料球、软钎料预成型坯、焊膏和钎焊接头
EP1889684B1 (en) Lead-free solder alloy
JP6145164B2 (ja) 鉛フリーはんだ、鉛フリーはんだボール、この鉛フリーはんだを使用したはんだ継手およびこのはんだ継手を有する半導体回路
KR101939504B1 (ko) 땜납 합금
KR101165426B1 (ko) 무연 솔더 합금
US9773721B2 (en) Lead-free solder alloy, connecting member and a method for its manufacture, and electronic part
KR101976343B1 (ko) 땜납 합금
JP5784109B2 (ja) 鉛フリーはんだ合金
KR101590289B1 (ko) 땜납 합금
JP7376842B1 (ja) はんだ合金、はんだボール、はんだペースト及びはんだ継手
JP3700668B2 (ja) 半田および半田付け物品
KR101865727B1 (ko) 무연 솔더 조성물
KR20120015147A (ko) 저융점 무연 솔더 조성물

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190103

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200103

Year of fee payment: 5