KR101630935B1 - 전자부품 실장용 무연땜납 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄회로기판에 전자부품을 실장하는 방법 및 전자부품의 접합 공정을 단축하고 보다 신뢰성이 있는 접합을 가능하게 하는 무연 납땜 재료를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 이를 위하여 저융점 납땜 합금분말과 고융점 납땜 합금분말을 혼합한 땜납을 제조하여 땜납의 융점을 낮게 하는 동시에 납땜이 불규칙하게 되는 현상을 방지하고자 하는 것이다.
이러한 납땜 재료로 인하여 납땜의 용융온도를 손쉽게 제어할 수 있고 고융점 납땜 후 저융점 납땜을 하는 두 개의 공정을 하나로 단축하여 생산성을 향상시키는 동시에 부품의 수율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
이와 더불어 저융점 납땜 분말을 65~95wt%, 고융점 땜납 분말 5~35 wt%를 포함하여 전자부품의 접합속도 및 온도를 획기적으로 낮추고 접합 신뢰성을 향상시킨 땜납 분말을 제공하고자 하는 것이다.

Description

전자부품 실장용 무연땜납 {Pb FREE SOLDERING MATERIALS FOR MOUNTING ELECTRONIC COMPONENT}

본 발명은 전기, 전자기기의 배선이나 접점 재료로 사용하기에 적합한 땜납 조성물을 제조하기 위한 것으로, 좀 더 상세하게는 두 가지 이상의 땜납 분말을 혼합하여 땜납이 용융되는 온도를 낮추고자 하는 것이다. 납땜에 대한 용융 온도를 낮춤에 따라 종래의 2개의 공정으로 이루어지는 전기, 전자부품 납땜 공정을 하나의 공정으로 단축함으로써 생산성을 향상시키고, 특히 납땜 시 접합부분이 불균일하게 되어 불량이 발생하는 것을 억제하여 신뢰성 있는 납땜뿐만 아니라 보다 낮은 온도에서 납땜을 함으로써 제품의 손상을 방지할 수 있는 무연 땜납 조성물에 관한 발명인 것이다.

땜납 합금은 용융하는 온도에 따라 납(Pb)의 용융 온도보다 낮은 온도에서 용융되는 연납과, 용융온도가 450℃ 이상인 경납으로 크게 대별되고 있다. 낮은 융점의 연납은 낮은 융점을 갖는 금속인 주석(Sn)과 납(Pb)으로 이루어져 이들의 젖음성, 융점, 기계적 강도 등 여러 면에서 뛰어난 점을 이용하여 오래 전부터 사용되던 접합재료 중의 하나이다. 하지만 납(Pb)이 환경 및 인체에 미치는 영향이 문제시되어 요즈음 들어 다양한 납이 포함되지 않는 무연땜납 합금이 연구되고 실용화되고 있다. 지금까지 개발된 무연땜납은 그 융점이 높고 작업성이 좋지 않은 경향이 있어 융점이 낮은 땜납 합금과 접합 신뢰성 및 작업성이 우수한 합금들이 계속 개발되고 있다.

낮은 융점을 갖는 연납은 특히 열에 취약한 전자부품의 접합재료로 각광 받아 왔으나, 위에서 설명하였듯이 납(Pb)이 토양을 오염시키는 심각한 환경문제를 발생시키는 동시에 인체 내에 계속 축적되어 심각한 병을 초래하는 문제점이 부각되고, 특히 어린이의 지능을 저하시키는 작용을 유발시킬 수 있다는 보고가 있었다. 이에 따라, 납땜 제조 업계 및 수요 업계에서는 납(Pb)이 첨가되지 않는 무연 땜납의 개발에 전력을 다하고 있으며, 대표적인 조성으로 Sn-Ag-Cu계 땜납이 개발되게 된 것이다.

한편, 인쇄회로기판에 실장되는 회로부품은 실장형태에 따라 인쇄회로 표면상에 실장되는 표면실장부품(Surface Mounting Device)과 인쇄회로기판을 관통하여 실장되는 삽입실장부품(Insert Mounting Device)로 크게 나눌 수 있다. 이러한 표면실장부품과 삽입실장부품은 하나의 인쇄회로기판 상에 혼재되도록 실장하고 접합하는 방법으로는 표면실장부품을 리플로우 납땜(솔더링) 공정을 이용해 납땜한 후, 삽입실장부품을 리플로우 납땜(솔더링) 공정을 이용해 남땜하는 방법이 널리 이용되고 있다.

이러한 리플로우 및 납땜 공정을 수행하는 전자부품 실장방법은 서로 다른 두가지 공정을 거쳐야 하기 때문에 그 제조공정이 복잡하고 이로 인하여 생산성이 저하되는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 개시된 전자부품 실장방법은 내열성인 표면실장방법과 저 내열성인 삽입실장부품을 동시에 납땜하는 방법이나 이는 두 공정을 동시에 하기 때문에 어느 하나의 부품은 신뢰성을 보장하기 어려운 문제점이 발견되었다(특허문헌 1 참조). 즉, 내열성인 표면실장부품의 납땜 온도조건에 맞추어 리플로우 납땜(솔더링) 공정을 수행할 경우 접착강도를 높이기 위하여 고온 땜납을 이용하여 표면실장부품을 납땜하게 되는데, 저 내열성인 삽입실장부품은 높은 열로 인해 파손되는 문제점이 발생하게 되는 것이다. 이에 저온 납땜을 이용하여 솔더링 공정을 수행할 경우 저온 땜납을 사용하기 때문에 고온용 납땜의 접착강도가 보다 약하고 그로 인해 낙하충격과 같은 외력이 가해질 경우 납땜된 부품들이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.

이와 더불어, 납(Pb)이 사용되지 않는 재료의 무연땜납으로 미국 특허에서는 Sn 93.5~94 중량%, Ag 2.5~3.0 중량%, Bi 1.0~2.0 중량%, Sb 1.0~2.0 중량%, Cu 1.0 중량%의 조성물이 제시되고 있으며(특허문헌 2 참조), 국내 등록특허공보 제10-333401호는 구리가 0.5~5.0 중량%, 은 0.5~3.5 중량%, 비스무스 4.0~10.0 중량%, 인 0.0001~3.0 중량%, 잔부가 주석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물이 제시되고 있다(특허문헌 3 참조). 이와 같이, Sn-Ag-Cu계 땜납에서는 Bi가 첨가되고 있는데, Bi는 융점이 약 273℃로서 납(Pb)보다 융점이 낮아 납땜 합금으로 첨가 시 융점을 낮추는데 탁월한 효과가 있으며, 소량 첨가에 의해 납땜의 젖음성이 향상된다고 알려져 있다.

[특허문헌 1] 공개특허공보 제10-1999-026398호 [특허문헌 2] 미국특허공보 5,393,489호 [특허문헌 3] 특허등록공보 제10-333401호

본 발명은 전자기기 부품의 접합재료로 사용하기에 적합한 무연 땜납 조성물에 관한 것으로, 이러한 무연 땜납 조성물을 사용함으로써 납땜 접합공정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 전자부품의 접합강도를 보다 높일 수 있는 것이다. 특히 납땜 시 납땜이 불규칙하게 되어 접합 신뢰성이 저하되는 현상을 방지할 수 있고, 고온계 땜납을 낮은 온도로 납땜을 할 수 있어 제품의 신뢰성을 부여할 수 있는 땜납을 제공하고자 하는 것이다.

위에서 설명된 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 예시의 목적을 위하여 개시된 것이고, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능한 것으로 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자부품용 무연땜납은 융점이 서로 다른 합금 분말들이 혼합되어 형성된 것으로, 상기 분말들은 융점이 190℃ 이하인 저융점 땜납 분말이 65~95 wt%, 융점이 190℃를 초과하는 고융점 땜납 분말이 5~35 wt%로 이루어진, 전자부품 실장용 무연 땜납인 것이다.

또한, 구체적으로는 상기 저융점 땜납 분말의 융점은 130~180℃이고, 고온용 땜납 분말의 융점은 200~250℃인 것에 특징이 있는, 전자부품 실장용 무연 땜납인 것이다.

또한, 구체적으로는 상기 저융점 땜납 분말은 Bi가 57~58 wt%, Ag이 0.1~1.0 wt%, 잔부 Sn으로 이루어진 것에 특징이 있는, 전자부품 실장용 무연 땜납인 것에 있다.

또한, 구체적으로는 상기 고융점 땜납 분말은 Ag이 0.1~3.0 wt%, Cu가 0.1~ 1.0 wt% 이고 잔부 Sn으로 이루어진 것에 특징이 있는, 전자부품 실장용 무연 땜납인 것에 있다.

또한 구체적으로는, 상기 고융점 땜납 분말은 Ni, Sb, Co, Ge 중 어느 하나 이상을 0.1~0.5 wt% 더 포함하는 것에 특징이 있는, 전자부품 실장용 무연 땜납에 관한 것이다.

이와 더불어, 고온용 땜납 분말과 저온용 땜납 분말이 혼합된 85~91 wt%의 무연 땜납과 솔더용 플럭스가 9~15wt% 포함된 것에 특징이 있는, 전자부품 실장용 납땜 조성물인 것에 있다.

본 발명에 의하면, 저온용의 땜납 분말이 먼저 용융된 후 액상의 저온용 땜납이 고온용의 땜납 분말로 서로 확산 및 용융이 일어나게 되어 전자부품의 접착 강도를 높일 수 있으며, 이에 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행할 수 있음에 따라 납땜 공정을 하나로 단순화시킬 수 있어 전자부품 제조공정의 생산성이 향상되게 되는 것이다. 또한, 다양한 온도 범위에서 납땜 온도를 제어할 수 있으며, 납땜이 불규칙하게 되는 현상을 방지할 수 있는 것이다.

본 발명의 도 1은 종래의 전자부품의 접합방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 Sn-Bi-Ag의 융점과 관련된 상평형도이다.
도 3은 Sn-Ag-Cu계의 융점과 관련된 상평형도이다.
도 4는 용융된 납땜의 젖음성을 측정하기 위한 시험 측정기(Malcom사, SP-1)에 대한 사진이다.
도 5는 칩 레지스터의 접합강도 측정방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. 도면들 중 본 발명의 요지를 불필요하게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 종래의 전자부품의 실장 및 접합방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면 종래의 전자부품 실장 및 접합방법은 기판이 준비되면 기판에 표면실장부품을 탑재한 다음, 형성된 랜드 및 이와 인접한 삽입 홀에 200~250℃에서 용융되는 통상의 고온용 땜납을 주입하고 리플로우 열처리로에서 예비가열 및 본 가열, 냉각공정을 거치면서 고온납땜을 형성한다. 기판의 삽입 홀에 고온 땜납 접합층이 형성되면 다음으로 고온 땜납 접착층에 저온 땜납을 제공한다. 제공된 저온 땜납에 삽입실장부품을 탑재하고 저온 납땜 공정을 실시하는데 저온 땜납은 겔(gel) 형태를 이루면서 130~180℃에서 용융되는 통상의 저온용 땜납으로 저온 리플로우 열처리로에서 고온 리플로우 열처리와 마찬가지로 예비가열 및 본 가열, 냉각공정을 거치면서 저온납땜을 형성한다. 저온 리플로우의 열처리과정에서 저온 땜납 측의 용융된 저온 땜납과 고온 땜납이 서로 확산되기 때문에 저온 땜납의 결점인 내충격성의 향상을 기대할 수 있다.

이러한 본 발명자들이 개발한 종래의 납땜 방법은 고온 및 저온 두 가지 납땜 공정을 거쳐야 하고, 고온 납땜 시의 온도가 높아 전자부품을 훼손시킬 수 있는 우려가 발생될 수 있다. 또한, 납땜된 전자부품들이 기판의 위치로부터 틀어져서 접합되기 때문에, 본 발명자들은 이 두 개의 공정을 하나의 공정으로 단순화시킬 수 있는 납땜 공정 및 신뢰성 있는 납땜 방법을 개발하고자, 다양한 공정 및 납땜 조성물에 대하여 오랫동안 연구를 하게 되었다. 본 발명자들은 이러한 종래의 기술에서 발생되는 전자부품의 뒤틀림과 공정의 단순화를 위하여 원재료인 땜납의 조성을 예의 주시하게 되었으며, 예의 주시한 결과 두 종류의 땜납 분말을 혼합하고 이들 땜납 분말의 조성을 제어함으로써 땜납 시, 이의 용융온도를 제어하여 접합 공정을 단순화하고 접합 불량이 발생하는 것을 해결하고자 하였다.

이를 위하여 본 발명에서는 하나의 조성을 가진 땜납 합금조성에서 이의 해결방법을 찾는 것이 아니라, 고온용 및 저온용 땜납 조성물을 각각 혼합하여 이를 해결하고자 하였으며, 이에 따라 납땜 시 온도 등 융융되는 조건을 제어하였다.

이러한 납땜 조성물에 착안하여 본 발명자들은 고융점의 Sn-Ag-Cu 합금 분말과 저융점의 Sn-Bi-Ag합금 분말을 일정함 범위로 혼합하여 혼합물의 땜납을 구성하게 되었다. 이와 같이 두가지 조성의 땜납 합금 분말을 일정한 범위로 혼합함으로써 본 발명은 고융점 및 저융점 납땜의 융융 온도 등 그 조건을 적절히 제어할 수 있었다. 이러한 땜납 합금에 있어서 Ag는 납땜의 유동성을 개선하고 납땜 시 땜납 분말의 융점을 낮추기 위하여 각각 일정한 조성범위로 첨가하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 저융점 납땜 분말의 용융온도를 낮추고 기계적 특성을 향상시키기 위하여 저융점 납땜 분말에 0.1~1.0 wt% 첨가하였으며, 고융점 납땜 분말에도 0.1~3.0 wt%가 첨가되도록 하였다. 이와 더불어 납땜 합금의 기계적 특성을 향상시키고 계면 반응층의 성장속도를 향상시키는 Cu를 고온용 합금에 0.1~1.0 wt% 첨가하였다. 특히, 고융점 땜납 분말에는 납땜부위의 접합강도를 더욱 향상시키기 위하여 부가적으로 Ni, Sb, Co, Ge 중 어느 하나를 0.1~0.5 wt% 더 포함하는 것이 바람직하다.

도 2는 저온용 납땝 합금인 Sn-Bi-Ag계를 Sn이 100% 포함된 Sn이 풍부한 부분의 영역을 중심으로 도시된 삼원계 상평형도로 용융온도와 연관되어 도시된 것이다. 도 2로부터 알 수 있듯이, Ag가 소량 첨가된 경우 Bi와 Sn의 공정온도(eutetic temperature)는 약 137℃이고, 공정조성(eutetic composition)은 Bi가 58% 부근인 것을 알 수 있다. 이와 같이 140℃ 부근의 매우 낮은 공정온도에서 Bi-Sn 합금이 용융되며, Ag는 Ag₃Sn으로 미량 존재하여 용융온도에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 따라서 융점이 높은 Ag를 1중량% 이하로 첨가하면 Sn-Bi-Ag계의 용융되는 온도는 거의 변화가 없으나, Ag를 소량 첨가함으로써 납땜의 유동성이 개선되고 소폭이나마 용융온도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이러한 저온용 땜납은 대부분 융점이 190℃ 이하이며, 특히 130~180℃의 용융온도를 가지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기로는 130~150℃의 용융온도를 갖는 땜납이 더욱 바람직하다.

도 3은 Sn-Ag-Cu계로 Sn이 100% 포함된 Sn이 풍부한 부분의 영역을 중심으로 도시된 삼원계 상평형도로 용융온도와 연관되어 도시된 것이다. Sn-Ag-Cu 삼원계 합금의 경우, Ag와 Cu의 함량에 따라 용융이 시작되는 액상선이 변화하는데 Ag가 1중량%, Cu가 0.5 중량% 첨가된 경우 액상선은 약 226℃이며, 도 2의 좌측 하단 박스 내의 Sn이 주성분인 영역에서는 Ag와 Cu의 첨가량이 증가됨에 따라 이들 합금의 액상선 온도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이와 같은 Sn-Ag-Cu계 삼원계 상평형도로부터 Ag와 Cu 함량이 각각 1 wt% 이하인 경우에는, 땜납의 용융온도가 약 230℃ 부근으로 이러한 고온용 땜납들은 190℃를 초과하는 용융온도를 가지고 있으며, 특히 200~250℃의 용융온도를 갖는 고온용 땜납이 바람직하다. 도 1에서 도시된 Ag가 소량 첨가된 경우의 저온용 땜납인 Bi와 Sn의 공정온도(eutetic temperature) 137℃와 비교할 때, 저온용과 고온용 땜납은 용융온도가 약 90℃ 이상 차이가 나는 것으로, 이와 같은 온도 차이를 이용하여 용융온도를 제어할 수 있으며, 특히 저온용과 고온용 땜납 분말의 혼합비율을 적절히 조절하여 용융온도 범위를 어려움 없이 제어할 수 있는 것이다.

이와 같이 Sn-Ag-Cu계 합금 분말과 Sn-Bi-Ag 합금 분말을 혼합하여 납땜을 할 경우, 납땜 온도가 높아짐에 따라 전체 납땜 조성 중 용융온도가 낮은 Sn-Bi-Ag 합금 분말들이 먼저 용융되기 시작하고 용융된 Sn-Bi-Ag 합금과 Sn-Ag-Cu계 합금 분말들이 서로 확산되어 고온용 납땜의 용융온도보다 낮은 온도에서 전체 땜납이 서서히 용융되기 시작한다. 납땜 합금의 용융되는 온도나 속도는 Sn-Bi-Ag계 합금 분말과 Sn-Ag-Cu계 합금 분말의 양을 조절함으로써 급격한 용융이나 납땜의 일부분만 용융되는 현상을 방지할 수 있다.

Sn-Ag-Cu계 합금 분말과 Sn-Bi-Ag 합금 분말을 혼합하여 납땜할 때, 저융점 납땜 분말인 Sn-Bi-Ag 합금 분말을 65~95wt% 첨가하는 이유는 저융점 합금 분말이 65 wt% 이하인 경우에는 저융점 납땜 분말의 양이 충분하지 않아 납땜 전체의 용융가 속도가 지연되고 모두 용융되는 온도가 높음에 따라 높은 납땜 온도 및 장시간의 납땜이 장시간 요구된다. 이와 같이 고온이나 장시간이 요구됨에 따라 전자부품 제조공정에 대한 생산성이 저하되는 것이다. 저융점 납땜 분말이 95 wt% 이상인 경우에는, 땜납 공정이 너무 단시간에 발명하고 저융점 납땜 분말의 성분조성 중 Bi의 첨가량이 너무 많아 전자부품이 접합된 부분에서 깨지기 쉬운 취성이 나타나는 동시에 인장강도가 낮아지게 되어 전자부품이 탈락되기 쉬워진다.

또한, Sn-Ag-Cu 합금 분말에서 Ag와 Cu의 첨가량을 더욱 감소시키게 되면 용융 온도가 더욱 높아지게 되어 저온용 땜납 분말인 Sn-Bi-Ag 합금과의 용융 온도차는 더욱 벌어지게 되어 고온용 땜납 분말과 저온용 땜납 분말의 용융 온도 차이가 더 벌어지게 되어 넓은 온도의 범위에서 보다 용이하게 땜납 분말들의 용융 조건을 조절할 수 있게 된다.

[실시예]

아래 표 1은 본 실시예에서 제조된 저온용 땜납 각각에 포함된 성분조성을 나타낸 것이다.

(wt%)

	Sn	Bi	Ag
실시예 (A)	42.0	57.0	1.0
실시예 (B)	42.6	57.0	0.4

아래의 표 2는 본 실시예에서 제조된 고온용 땜납 각각에 포함된 성분조성을 나타낸 것이다.

(wt%)

	Sn	Ag	Cu
실시예 (C)	99.0	0.3	0.7
실시예 (D)	99.3	1.0	0.5

다음의 표 3은 위의 표 1 및 표 2의 실시예에서 제조된 저온용 땜납 분말과 고온용 땜납 분말을 각각 일정한 비율로 혼합한 것을 나타낸다.

(wt%)

	땜납1 (A+C)	땜납2 (A+D)	땜납3 (B+C)	땜납4 (B+D)	땜납5 (B+D)
저온용 땜납 분말	10	60	80	95	99
고온용 땜납 분말	90	40	20	5	1

위의 표 3에 기재된 땜납 1 내지 5의 조성을 갖는 땜납 혼합물은 각각 다음의 방법을 이용하여 제조하였다. 먼저 땜납 1은 표 1의 실시예 중 실시예 A의 저온용 땜납 합금 분말 Sn-57Bi-1Ag 20g과 표 2의 실시예 중 실시예 C의 고온용 땜납 합금분말 Sn-0.3Ag-0.7Cu 180g을 혼합하여 혼합된 분말 200g을 제조하였다. 여기서 사용된 저온용 땜납 합금 분말과 고온용 땜납 합금 분말은 그 크기가 20~38㎛ 정도인 것을 사용하였다.

동일한 방법으로 표 3의 저온용 및 고온용 땜납 분말들을 각각 혼합하여 땜납 2 내지 5의 혼합된 땜납 분말들을 제조하였으며, 혼합된 땜납 분말의 전체 총 중량은 200g이 되도록 혼합하였다. 혼합된 납땜 분말에 사용된 플럭스는 시중에서 판매되고 있는 것으로 할로겐을 함유하지 않은 로진계 유기산 플럭스를 사용하였고, 플럭스 함유량은 전체 중량에서 11 wt%가 되도록 하였다. 이외에도 비교예들로서 고융점 납땜 분말인 표 2의 실시예 (C)와 저융점 납땜 분말인 실시예 (B)를 땜납 1 내지 5의 조건과 동일하게 납땜 및 실험을 하여 각각의 물리적 특성을 비교분석 하였다.

아래의 표 4에서 보여 주듯이, 본 발명의 저융점 납땜 분말과 고융점 납땜 분말의 적정한 범위를 구하기 위하여 일정한 중량으로 혼합된 납땜 분말과 고온용 납땜 분말, 저온용 납땜 분말 시료를 각각 7개로 나누어 각각의 용융온도구간 및 젖음성, 접합강도, 인장강도, 연신율의 납땜 특성을 측정하도록 하였다.

시험항목	용융온도 구간(℃)	젖음성 (mgf)	접합강도（kgf）		인장강도 (MPa)	연신율(%)
			2125R	0.65mm QPF
땜납 1	139 - 226	145	3.1	0.3	48.8	48
땜납 2	139 - 222	280	2.9	0.3	54.4	46
땜납 3	139 - 226	385	8.5	1.4	63.9	45
땜납 4	139 - 141	405	8.8	1.5	76.4	44
땜납 5	139 - 141	410	8.9	1.6	83.8	41
비교예 1	217 - 226	344	5.9	1.1	37.4	50
비교예 2	139 - 141	410	8.8	1.6	84.7	36

납땜 분말의 용융온도 구간은 혼합된 납땜 분말 각각을 DSC(Differential Scanning Calorimetry)를 이용하여 분말들이 용융되는 온도범위를 측정하였다. 이 때 DSC의 온도 상승속도는 10℃/Min를 유지시키면서 각각 100~125℃에서 90초 및 180℃에서 60초간 유지하였다. 용융된 납땜의 젖음성은 혼합된 각각의 분말에 플럭스를 11 wt% 혼합한 다음, 도 4의 사진에 나타난 바와 같이 젖음성 시험 측정기(Malcom사, SP-1)에서 구리판에 대한 젖음성 정도를 측정하였으며, 가열조건은 용융온도 구간을 측정할 때와 동일하게 하였다. 접합강도는 젖음성을 측정한 납땜 분말들과 동일하게 혼합된 납땜 분말 또는 저온용 및 고온용 납땜 분말 각각을 이용하여 2125 Type의 칩 resister 및 0.65mm Pitch QFP를 납땜한 다음, 도 5에 개략적으로 도시된 접합강도 측정방법으로 납땜의 접합강도를 각각 측정하였다.

표 4의 실시예에서 고온용 납땜 분말이 70 wt% 이상 함유된 땜납 1과 2는 고온용 납땜 분말이 너무 많이 함유되어 있어, 혼합된 납땜 분말의 용융온도 범위가 139~226℃ 로 분말 전체가 완전히 용융되는 온도가 200℃ 이상임을 알 수 있다. 용융온도가 높게 나타남에 따라 땜납 1과 2는 젖음성 측정 시, 180℃에서 60초간 유지하였음에도 불구하고 땜납 분말들이 완전하게 용융되지 않았다. 저온용 땜납 분말이 10 wt%로 적게 함유된 땜납 1은, 납땜 조성물 전체의 용융 속도가 느리고 많은 고융점 납땜 분말이 용해되지 않아 젖음성이 매우 낮게 나타났으며, 저온용 땜납 분말이 60 wt% 포함된 땜납 2도 젖음성이 열악하게 나타났다. 저온용 땜납 분말이 80wt% 이상으로 많이 포함된 땜납 3 내지 5는 융점이 낮은 저융점 땜납 분말의 영향으로 용융 속도가 빠르고 낮은 것을 알 수 있다. 이와 같이, Bi의 57~58 wt% 포함된 저융점 납땜 분말의 용융온도가 낮음에 따라 혼합된 납땜 분말의 젖음성이 좋아지게 됨을 물론 혼합된 납땜 분말의 용융온도가 낮아지는 것을 인지할 수 있으나, 다량의 Bi가 첨가된 실시예 5는 깨지기 쉬운 취성을 가지고 있어 접합된 부분의 연신율이 낮아지는 것을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 용융온도를 고려하여 볼 때, 납땜 1, 2는 고융점 납땜 분말이 일정량 이상 첨가됨에 따라 용융온도가 매우 넓은 범위에 걸쳐 있는 것으로 나타났다. 본 발명에서 실시한 땜납 1 내지 5에 있어 용융이 시작되는 온도는 거의 차이가 없으나, 저융점 납땜 분말의 함유량에 많고 적음에 따라 혼합된 납땜 분말의 용융속도 및 전체 혼합된 분말 전제가 완전히 용융되는 온도는 차이가 큰 것을 알 수 있다.

비교예들로 실시한 고융점 납땜 분말(비교예 1)과 저융점 납땜 분말(비교예 2)은 용융온도가 각각 217~226℃, 139~141℃로 분말들의 젖음성도 용융온도가 낮은 비교예 2가 실시예들과 동등한 수준 정도인 것으로 나타났다. 다만 연신율에 있어서 비교예 2는 저융점 납땜 분말이 취성이 나타나는 Bi의 첨가량이 많음에 따라 매우 나쁘게 나타나는 것을 알 수 있으며, 융점이 높은 고온용 납땜 분말로 이루어진 비교예 1은 융점이 높아 납땜 분말이 완전하게 용융되지 않아 접합강도가 매우 열악하였다. 이와 같이 고온용이나 저온용 납땜 분말을 단독으로 사용하여 전자부품을 납땜한 경우에는 본 발명의 땜납 3, 4에 비해 접합강도 및 연신율이 매우 취약하게 나타나 납땜 분말로 적합하지 않은 것을 알 수 있다.

따라서, 고융점 납땜 분말과 저융점 납땜 분말을 적절한 범위로 혼합하여 전자부품을 납땜하면 납땜의 용융온도를 낮춰 공정을 단축함은 물론, 보다 물리적 특성이 우수하면서 납땜이 불규칙하게 되는 현상을 방지할 수 있는 납땜 분말 재료를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명과 같이 서로 다른 납땜 분말을 혼합하여 땜납을 구성하는 경우에는 용융이 시작되고 끝나는 구간이 매우 넓어, 납땜이 불규칙하게 되는 현상을 방지할 수 있다. 본 발명은 저온용 납땜 분말과 고온용 납땜 분말의 첨가량을 적절하게 조절함으로써 용융온도 구간을 조절할 수 있으며, Bi의 첨가에 의해 얻어지는 기계적 특성을 유지한 채 저온용 납땜 분말의 조기 용융으로 2개의 공정을 하나로 단축할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이와 같은 합금 성분조성을 바탕으로 그 범위를 조절하여 더욱 우수한 땜납 합금 분말을 개발 가능할 수 있으며 그 특성은 더욱 향상될 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 전자부품용 무연땜납에 있어서,
   상기 무연땜납은 융점이 서로 다른 합금 분말들이 혼합되어 형성된 것으로,
   상기 합금 분말들은 융점이 130∼150℃인 저융점 땜납 분말 85~95 wt% 와, 융점이 200∼250℃인 고융점 땜납 분말 5~15 wt% 로 이루어지고,
   상기 저융점 땜납 분말은 Bi가 57~58 wt%, Ag이 0.1~1.0 wt%, 잔부 Sn으로 이루어지고,
   상기 고융점 땜납 분말은 Ag이 0.1~3.0 wt%, Cu가 0.1~ 1.0 wt%, Ni, Sb, Co, Ge 중 어느 하나가 0.1~0.5 wt%, 잔부 Sn으로 이루어진 것에 특징이 있는,
   전자부품 실장용 무연 땜납.
   
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6. 청구항 제1항으로 이루어진 85~91 wt%의 무연 땜납과 솔더용 플럭스가 9~15 wt% 포함된, 전자부품 실장용 납땜 조성물.

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