KR101711411B1 - 다이 본드 접합용 땜납 합금 - Google Patents

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Abstract

내열 습도가 높고, 젖음 특성이 개선된 다이 본드 접합용 납 프리 땜납을 제공한다. 안티몬을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, 잔부는 비스무트 및 불가피 불순물로 이루어지는 다이 본드 접합용 땜납 합금 및 게르마늄을 0.01질량%~2.0질량% 함유하고, 잔부는 비스무트 및 불가피 불순물로 이루어지는 다이 본드 접합용 땜납 합금.

Description

다이 본드 접합용 땜납 합금{SOLDER ALLOY FOR DIE BONDING}
본 발명은 땜납 합금에 관한 것이다. 본 발명은 특히 도전성 접착제의 대체나, 파워 디바이스 등 소자 이면을 접속하는 다이 본드 접합에 사용되는 저가격인 납 프리 고온 땜납 합금에 관한 것이다.
종래 사용되고 있는 Sn-Pb 공정 또는 납(Pb) 90질량% 이상의 Pb기 땜납 합금은 독성을 갖는 납을 포함하고 있기 때문에 그 사용이 제한되어 있다. 최근에는 Sn-Pb 공정 땜납의 대체로서 납을 포함하지 않는 Sn-Ag 공정 또는 Sn-Ag-Cu계 땜납이 널리 보급되고, 전자 부품과 프린트 회로판의 접속에 사용되고 있다. 그러나, Sn을 주성분으로 한 납 프리 땜납을 사용하면 납땜부를, 예를 들면 260℃와 같은 고온 하에 폭로하게 되어 전자 부품 내부의 접속에서는 전극의 용해나, 단선 등 소위 내열성 불량의 문제가 발생하는 경우가 있다.
또한, 파워 디바이스 분야에 있어서는 최근 고온 사용의 요구가 높아지고 있어 종래 자기 발열 레벨의 150℃ 정도의 동작 온도 사양으로 좋았던 것으로부터 175℃, 200℃와 그 파워 디바이스 제품에 요구되는 동작 온도 사양이 높아져 오고 있다. 그 때문에 파워 디바이스의 접속부에 대해서도 내열성 향상이 요구되어 있다. JEITA(전자 정보 기술 산업 협회)의 환경 조화형 선단 실장 기술 성과 보고 2011(2011년 7월)에서는 지금까지의 기술로서 Pb기(납을 주성분으로 한, 예를 들면 290℃ 이상의 융점을 갖는 재료) 조성에 의한 내열성의 확보가 열거되어 있다. 또한, 전자 부품 내부 접속에 사용되는 다이 본드 접합부의 내열 요구 온도는 260℃ 이상이 필요하다는 보고도 있다. 도전성 접착제 및 Pb 프리 땜납으로 널리 보급되어 있는 Sn-Ag-Cu계 땜납에서는 고상선 온도가 220℃ 부근에 있고, 상기 내열 요구 온도 260℃에서는 용융해 버린다. 그 때문에 앞서 서술한 전극의 용해나 단선 등 내열성 불량이 발생하는 경우가 있다.
고Pb기로는 고상선 온도가 290℃ 이상으로 높아 내열성 요구를 만족하고 있었지만, 납의 사용은 제한되어 있다. 마찬가지로 고상선 온도가 높은 고온 땜납으로 칭해지는 것에서는 Au-20% Sn(고상선 온도 280℃), Au-3.6% Si(고상선 온도 370℃), Au-25% In(고상선 온도 370℃) 등 귀금속으로 구성되는 땜납이 있다. 그러나, 이들 땜납 합금은 매우 고가이기 때문에 Pb기 대체 재료로서 일반적으로 사용하는 것은 어렵다고 되어 있다.
Bi기 합금에서는 Bi-Ag계(고상선 온도 262℃)를 베이스로 해서 첨가 원소에 의해 특성을 개선한 고온 땜납도 있다(특허문헌 1, 2를 참조). 그러나, 융점이 내열 요구 온도 260℃에 대해서 여유가 없기 때문에 피크 온도가 조금이라도 초과되어 버리면 용융되어 버려 불량의 원인이 되기 쉽다는 문제가 있다.
비스무트(Bi)에 대해서 주석(Sn)이나 인듐(In) 등 현저하게 낮은 공정점을 갖는 원소를 미량 첨가한 조성(Bi-Sn 공정: 139℃, Bi-In 공정: 109.5℃)도 알려져있다(특허문헌 3을 참조). 그러나, Sn이나 In의 혼입은 1000ppm 이하의 미량이어도 편석이 일어나는 경우가 있고, 그 편석부에서는 저융점상이 발생하고, 용해됨으로써 기계적 특성이나 장기간의 내환경성, 즉 수명의 저하를 일으키는 원인이 될 경우가 있다.
Bi를 주성분으로서 은(Ag), 안티몬(Sb) 등의 성분을 첨가한 땜납을 구조체의 구멍 내에 충전해서 이루어지는 관통형 세라믹 콘덴서도 알려져 있다(특허문헌 4를 참조). 그러나, 이러한 발명은 삽입 실장 부품을 대상으로 한 것이며, 땜납에 있어서 필요로 되는 특성은 응고시에 있어서 체적 수축을 하지 않는 것이며, 다이 본드 접합용 땜납에 요구되는 특성과는 다른 것이다.
이외에도 Bi를 주성분으로 한 고온용의 Pb 프리 땜납이 알려져 있다(특허문헌 5를 참조). 그러나, 이러한 발명은 아연(Zn) 및 Sn을 필수적인 구성으로 하는 것이며, 이들을 포함하지 않는 Bi-Ge계 땜납은 가공성 및 젖음성 모두 부적당하다고 개시하고 있다.
일본 특허 공표 2005-503926호 공보 일본 특허 제3671815호 공보 일본 특허 재공표 2007/018288호 공보 일본 특허 공개 2007-181880호 공보 일본 특허 공개 2012-076130호 공보
예를 들면, 파워 디바이스 등의 다이 본드 접합부에 사용되는 저가격인 납 프리 고온 땜납 합금으로서 고상선 온도의 저하가 없는 합금으로서, 젖음 등의 특성도 개선한 내열성을 갖는 고온 땜납 합금의 개발이 요망된다.
본 발명자들은 납과 융점이 가까운 비스무트(Bi)의 특성에 착안해서 비스무트(Bi)를 주성분으로 하고, 이것에 미량 금속을 첨가함으로써 젖음성이나 가공 특성을 향상시킬 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하는 것에 도달했다. 특히, 비스무트(Bi)에 특정량의 안티몬(Sb) 및/또는 게르마늄(Ge)을 첨가함으로써 비스무트(Bi)가 본래 갖는 취성 파괴를 일으키기 쉬운 금속 조직을 개변하여 고온 땜납으로서 유용한 온도 특성을 유지한 채 땜납으로서 가공할 수 있는 합금으로 할 수 있는 것을 발견했다.
즉, 본 발명은 일실시형태에 의하면 안티몬(Sb)을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, 잔부는 비스무트(Bi) 및 불가피 불순물로 이루어지는 다이 본드 접속용 땜납 합금이다. 본 발명에 의한 땜납 합금은 특히 삽입 실장형 부품의 단자 등을 접속하기 위한 접속 재료와는 구별되어 삽입 실장형 부품 및 QFP(Quad Flat Package)나 SOP(Small Outline Package)와 같은 표면 실장형 부품에 있어서의 내부 접속을 위한 다이 본드 접합, 또한 베어 칩의 다이 본드 접합을 대상으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금에 관한 것을 특징으로 한다.
상기 다이 본드 접합용 땜납 합금에 있어서, 게르마늄(Ge)을 0.01질량%~1.0질량% 더 함유하는 것이 바람직하다.
상기 다이 본드 접합용 땜납 합금에 있어서, 상기 안티몬(Sb)을 0.05질량%~1.0질량% 함유하고, 상기 게르마늄(Ge)을 0.01질량%~0.2질량% 함유하는 것이 바람직하다.
상기 다이 본드 접합용 땜납 합금에 있어서, 니켈(Ni)을 0.01질량%~0.1질량% 더 함유하는 것이 바람직하다.
상기 다이 본드 접합용 땜납 합금에 있어서, 인(P)을 0.001질량%~0.1질량% 더 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명은 다른 실시형태에 의하면 게르마늄(Ge)을 0.01질량%~2.0질량% 함유하고, 잔부는 비스무트(Bi) 및 불가피 불순물로 이루어지는 다이 본드 접합용 땜납 합금이다.
본 발명은 또다른 실시형태에 의하면 게르마늄(Ge)을 0.01질량%~2.0질량% 함유하고, 잔부는 비스무트(Bi) 및 불가피 불순물로 이루어지는 다이 본드 접합용 땜납 합금과, 플럭스를 포함해서 이루어지는 크림 땜납이다.
(발명의 효과)
Bi에 Sb 및/또는 Ge을 소정량으로 첨가한 합금으로 함으로써 Bi 특유의 젖음성이 낮은 것에 의한 폐해로서 열거되는 접합부의 웨트 함몰이나 보이드 발생, 납땜 필렛의 형성이 불충분해지는 것과 같은 접합 불량을 방지하고, 이종 재료를 접합하는 접합부에 있어서의 열팽창 계수의 차이로부터 발생하는 변형에 대해서 크랙, 단선 등 불량이 발생할 우려를 저감시켜 고온에서 신뢰성이 높은 다이 본드 접합용 납 프리 땜납 합금을 얻을 수 있다.
또한, 이들 조성에 Ni을 더 첨가함으로써 접합성의 향상, 또한 P을 첨가함으로써 산화 억제 및 가공성의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 Bi-Sb계 합금의 2원계 상태도를 나타낸다.
도 2는 Bi-Ge계 합금의 2원계 상태도를 나타낸다.
도 3(a), 도 3(b)는 본 발명의 Bi-Sb계 땜납 합금의 확산율을 나타내는 도면이며, 도 3(b)는 도 3(a) 중의 파선부를 확대한 도면이다.
도 4(a), 도 4(b)는 본 발명의 Bi-Ge계 땜납 합금의 확산율을 나타내는 도면이며, 도 4(b)는 도 4(a) 중의 파선부를 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 땜납 합금을 플럭스와 혼합하여 Cu판 및 Ni판에 납땜했을 경우의 젖음성을 나타내는 사진이다.
도 6은 Bi-Sb계 합금에 있어서, Sb 첨가량과, 금속 조직의 관계를 나타내는 현미경 사진이며, 도면 중 %는 질량%를 나타낸다.
도 7은 Bi-Ge계 합금에 있어서, Ge 첨가량과, 금속 조직의 관계를 나타내는 현미경 사진이며, 도면 중 %는 질량%를 나타낸다.
이하에 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제 1 실시형태: Bi-Sb 2원계]
본 발명은 제 1 실시형태에 의하면 다이 본드 접합용 땜납 합금으로서 Sb을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어진다. 불가피 불순물이란 주로 구리(Cu), Ni, 아연(Zn), 철(Fe), 알루미늄(Al), 비소(As), 카드뮴(Cd), Ag, 금(Au), In, P, Pb, Sn 등을 말한다. 본 발명에 의한 땜납 합금에 있어서는 특히, 불가피 불순물을 제외하고, Sn을 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. Bi-Sn 공정 조성에 의한 땜납 합금의 저융점하를 방지하기 위해서이다. 또한, 본 발명에 의한 땜납 합금은 Pb을 포함하지 않는 납 프리 땜납 합금이다.
도 1은 Bi-Sb계 합금의 2원계 상태도이다. 도 1로부터 Sb을 0.05질량%~3.0질량% 함유하는 땜납 합금의 고상선 온도는 271~275℃의 범위에 있고, 고온 땜납으로서 기능하는 것을 알 수 있다. 또한, Sb은 Bi에 대해서 도시하는 바와 같이 전율 고용형의 합금이다. Bi-2.5% Ag으로 대표되는 Bi-Ag계 합금과 같이 상용성이 없고, 공석하는 석출 강화형의 재료는 아니다. 그 때문에 Pb기 합금에 보여지는 고용 강화형 재료와 마찬가지의 변형 완화 효과를 기대할 수 있다.
또한, Sb을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어지는 땜납 합금은 압연이 용이하며, 소성 가공성의 관점으로부터도 우수하다. 또한, Sb 함유량을 상기 범위로 함으로써 Bi 단체와 비교해서 Bi-Sb 합금의 젖음성을 유의하게 개선할 수 있다.
보다 바람직하게는 Sb 함유량은 0.05질량%~2.0질량%이며, 보다 더 바람직하게는 Sb 함유량은 1질량%~1.75질량%이다. 젖음성, 가공성의 양쪽의 점으로부터 가장 효과적이기 때문이다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금은 통상의 방법에 따라서 Bi, Sb의 각 원료를 전기로 중에서 용해함으로써 조제할 수 있다. 각 원료는 순도가 99.99질량% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태에 의한 땜납 합금은 판상의 프리폼재로 하고, 성형 땜납으로 하거나 또는 분말상으로 해서 플럭스와 합쳐서 크림 땜납으로서 가공할 수 있다.
분말상으로 가공해서 플럭스와 합쳐서 크림 땜납으로 할 경우에 땜납 분말의 입경으로서는 입경 분포가 10~100㎛의 범위에 있는 것이 바람직하고, 20~50㎛의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 평균 입경으로는, 예를 들면 일반적인 레이저 회절/산란식 입도 분포 측정 장치를 사용해서 측정했을 경우에 25~50㎛의 것으로 할 수 있다.
플럭스로서는 임의의 플럭스를 사용할 수 있지만, 특히 로진계 플럭스를 바람직하게 사용할 수 있다. 특히 바람직하게는 45~55질량부의 중합 로진, 41~51질량부의 부틸카르비톨, 0.5~1질량부의 시클로헥실아민HBr염, 0.5~1질량부의 아디프산, 2~4질량부의 수소 첨가 피마자유를 포함해서 이루어지는 조성의 플럭스와 조합시켜서 사용함으로써 젖음성의 개선에 보다 효과적이다. 이외에도 45~55질량부의 혼합 로진(중합 로진:수소 첨가 로진=1:3), 41~51질량부의 헥실디글리콜, 0.5~5질량부의 2,3-디브로모-1,4-부텐디올, 0.5~1질량부의 아디프산, 2~4질량부의 수소 첨가 피마자유를 포함해서 이루어지는 조성의 플럭스를 사용할 수 있다. 플럭스와, 분말 땜납의 질량비는 80:20~90:10으로 하는 것이 바람직하고, 85:15~90:10으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
성형 땜납으로 할 경우에는 상기와 마찬가지의 플럭스를 접합 대상 부재에 도포하고, 그 위에 성형 땜납을 탑재하고, 특정 온도 프로파일에서 접합할 수 있다. 성형 땜납의 형상 및 치수는 특별히 한정되는 일 없이 접합 대상에 적합시켜서 당업자가 통상 사용하는 형상 및 치수로 할 수 있다. 또한, 플럭스는 성형 땜납에 대해서 같은 체적 또는 1.2배 정도의 체적이 되도록 사용할 수 있다. 구체적인 온도 프로파일로서는 150~220℃, 바람직하게는 170~200℃에서 100~130초 가열하는 예비 가열 공정과, 가열 피크 온도를 350℃ 이하로 해서 270℃ 이상에서 40~120초 유지하는 공정으로 할 수 있다. 본 발명의 땜납 합금을 특정 플럭스와의 조합에 의해 상기 온도 프로파일에서 접합함으로써 땜납 합금의 젖음성을 현저하게 개선할 수 있다.
또한, 성형 땜납에 있어서는 수소나 포름산 등 활성 분위기를 사용해서 접합할 수도 있다. 이 경우에는 Bi의 고상선 온도 270℃ 이상으로 가열하고, 가열 피크 온도를 합금의 액상선 온도+30℃ 정도로 설정한다. 가열 시간은 적어도 60초 이상 유지함으로써 양호한 젖음성이 얻어진다. 가열 피크 온도에 관해서는 반드시 액상선 온도 이상의 가열의 필요는 없고, 순Bi에 보다 가까운 성분의 경우에는 순Bi의 고상선 온도인 270℃+30℃ 정도의 가열을 함으로써 활성 분위기에 있어서도 양호한 접합을 확보할 수 있다.
[제 2 실시형태: Bi-Ge 2원계]
본 발명은 제 2 실시형태에 의하면 다이 본드 접합용 땜납 합금으로서, Ge을 0.01질량%~2.0질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어진다. 제 2 실시형태에 의한 땜납 합금도 불가피 불순물을 제외하고, Sn을 포함하지 않고, Pb을 포함하지 않는 납 프리 땜납 합금이다.
도 2는 Bi-Ge계 합금의 2원계 상태도이다. 도 2로부터 Ge을 0.01질량%~2.0질량% 함유하는 땜납 합금의 고상선 온도는 271℃이며, 고온 땜납으로서 기능하는 것을 알 수 있다. 또한, Bi기에 대해서 산소의 친화성이 높다고 말해지는 Ge을 첨가함으로써 Bi의 산화를 억제하고, Bi 산화물에 의한 땜납 중의 내부 결함(공공)의 발생의 억제 등 땜납의 접합 특성을 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금은 보다 바람직하게는 Ge을 0.01질량%~1.0질량% 함유한다. Ge의 첨가량이 1질량% 이하이면 소성 가공성이 우수하기 때문이다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금은 더욱 바람직하게는 Ge을 0.01질량%~0.2질량% 함유한다. Ge의 첨가량을 0.2질량% 이하로 하면 합금 조직적으로 석출물이 적고, 석출물의 정출에 의한 결함의 증가나 강도의 저하가 억제된다는 점에서 유리하다. 여기에서 Ge의 첨가에 의해 Bi의 초정의 성장이 억제되어 초정이 미세화된다. 이와 같은 초정의 미세화에 의해 Bi 특유의 벽개에 의한 취성적 파괴를 억제할 수 있는 것으로 여겨진다. 보다 많은 Ge을 함유시킴으로써 초정의 추가적인 미세화를 기대할 수 있는 가능성은 있지만, 석출물의 정출에 의한 결함의 증가나 강도의 저하가 우려된다. 또한, Bi 초정을 보다 미세화한 고함유 Ge 첨가 재료는 고강도가 되어 가공성이 현저히 저하되는 것이 우려된다. 그 때문에 상술한 바와 같이 Ge의 첨가량을 0.01질량%~0.2질량%로 하는 것이 적합하다.
또한, 보다 바람직하게는 Ge을 0.01질량%~0.1질량% 함유한다. 여기에서 접합시의 가열 피크 온도는 바람직하게는 액상선 온도+30℃ 정도이다. Ge의 첨가량을 0.1질량% 이하로 하면 액상선 온도의 온도 상승이 2~3℃ 정도로 작기 때문에 과잉한 가열을 하는 일 없이 저가열 에너지로의 접합 조건을 설정할 수 있는 점에서 유리하다. 상기한 바와 같이 Ge을 보다 많이 함유시킴으로써 초정의 추가적인 미세화를 기대할 수 있는 가능성은 있지만 Ge의 첨가량을, 예를 들면 0.2질량%로 했을 경우, 액상선 온도가 약 10℃ 상승하여 보다 높은 온도에서의 가열이 필요해진다. 이 때문에 Ge의 첨가량은 0.1질량% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 전자 부품 등은 에폭시 등의 수지와 금속 등으로 구성되어 있는 것이 많다. 최근에는 개선되어 있는 것도 많이 있지만, 수지의 내열 온도는 280~300℃ 정도가 일반적이며, 수지의 신뢰성의 면으로부터 300℃ 부근의 온도 영역에서의 접합시의 가열 조건은 주의 깊게 설정할 필요가 있다. 이 온도 영역에서 액상선 온도가 10℃ 상승되면 접합 온도가 수지의 내열 온도를 초과해버릴 가능성이 있다. 이와 같은 면으로부터도 액상선 온도를 낮게 억제하고, 또한 산화물의 억제나 조직 미세화 등에 의해 접합 특성을 향상시킬 수 있는 조성의 땜납 합금으로 하는 것이 바람직하고, 상술한 바와 같이 Ge의 첨가량을 0.01질량%~0.1질량%로 하는 것이 특히 적합하다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금도 또한 통상의 방법에 따라서 Bi, Ge의 각 원료를 전기로 중에서 용해함으로써 조제할 수 있고, 각 원료는 순도가 99.99질량% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
Bi와 Ge의 2원계로 이루어지는 본 실시형태의 땜납 합금은 분말상으로 가공하여 플럭스와 혼합하여 크림 땜납으로 할 수 있다. 플럭스와 혼합함으로써 젖음성의 추가적인 향상을 기대할 수 있다. 이때의 분말 땜납의 입경 및 플럭스의 종류나 적합한 조성에 대해서는 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다. 또한, 성형 땜납으로 할 경우의 그 사용 방법 및 접합 방법에 대해서도 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다.
[제 3 실시형태: Bi-Sb-Ge 3원계]
본 발명은 제 3 실시형태에 의하면 다이 본드 접합용 땜납 합금으로서, Sb을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, Ge을 0.01질량%~1.0질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어진다. Sb 및 Ge을 상기 범위 내의 양으로 첨가함으로써 Bi 금속의 고상선 온도를 260℃ 이상으로 유지한 채, 270~345℃와 같은 고융점에서 접합할 수 있고, 가공성을 향상시켜서 땜납 합금으로서 가공 가능하게 할 수 있다.
또한, Bi 금속 단체와 비교해서 젖음성의 향상을 도모할 수 있다.
더욱 바람직하게는 본 실시형태에 의한 땜납 합금은 Sb을 0.05질량%~1.0질량% 함유하고, 또한 Ge을 0.01질량%~0.2질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어진다. Sb 및 Ge을 상기 범위 내의 양으로 첨가함으로써 젖음성을 더욱 양호하게 할 수 있다. 또한, 석출이 없는 합금 조직으로 할 수 있고, 가공 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 3원계 땜납 합금에 있어서 Sb, Ge의 첨가량은 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태에 있어서 보다 바람직한 범위로서 나타낸 첨가량으로 한정할 수도 있고, 그 경우이어도 상기와 같은 유리한 특징을 유지한다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금은 Bi-Ge으로 이루어는 모재와, Bi-Sb으로 이루어지는 모재의 각 원료를 전기로 중에서 용해함으로써 조제할 수 있다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금도 또한 판상의 프리폼재로서 성형 땜납으로 하거나 또는 분말상으로 해서 플럭스와 합쳐서 크림 땜납으로서 가공할 수 있다. 크림 땜납으로서 사용할 때의 분말 땜납의 입경 및 플럭스의 종류나 적합한 조성에 대해서는 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다. 또한, 성형 땜납으로 할 경우의 그 사용 방법 및 접합 방법에 대해서도 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다.
[제 4 실시형태: Bi-Sb-Ge-Ni 4원계]
본 발명은 제 4 실시형태에 의하면 다이 본드 접합용 땜납 합금으로서 Sb을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, Ge을 0.01질량%~1.0질량% 함유하고, Ni을 0.01질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어진다.
또한, Sb을 0.05질량%~1.0질량%, Ge을 0.01질량%~0.2질량%, Ni을 0.01질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 하는 것이 보다 바람직하다.
상기 양에서의 Ni의 첨가는 제 1 실시형태~제 3 실시형태에 나타낸 각 조성의 이점에 추가해서 국부적으로 정출하는 Bi3Ni의 과잉한 생성을 억제하고, 접합성의 저하 및 신뢰성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, Ni 자체가 갖는 내열 특성으로부터 땜납 합금의 내열성을 향상할 수 있는 점에서 유리하다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금은 Bi-Ge으로 이루어지는 모재, Bi-Sb으로 이루어지는 모재, Bi-Ni으로 이루어지는 모재의 각 원료를 전기로 중에서 용해함으로써 조제할 수 있다. 그리고, 본 실시형태에 의한 땜납 합금도 또한 판상의 프리폼재로 하고, 성형 땜납으로 하거나 또는 분말상으로 해서 플럭스와 합쳐서 크림 땜납으로 해서 가공할 수 있다. 크림 땜납으로서 사용할 때의 분말 땜납의 입경 및 플럭스의 종류나 적합한 조성에 대해서는 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다. 또한, 성형 땜납으로 할 경우의 그 사용 방법 및 접합 방법에 대해서도 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다.
또한, Ni을 상기에 구체적으로 기재한 4원계의 조성에 한정되지 않고, 본 명세서에 개시한 제 1 실시형태, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태의 모든 조성에 대해서 0.01질량%~0.1질량%의 양으로 첨가할 수 있고, 어느 조성에 대해서도 내열성의 향상 및 접합성의 향상에 유리하며, 과잉한 정출물을 억제하는 등의 효과에도 유리하다.
[제 5 실시형태: Bi-Sb-Ge-P 4원계 및 Bi-Sb-Ge-Ni-P 5원계]
본 발명은 제 5 실시형태에 의하면 4원계 다이 본드 접합용 땜납 합금으로서 Sb을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, Ge을 0.01질량%~1.0질량% 함유하고, P을 0.001질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어진다. Sb을 0.05질량%~1.0질량%, Ge을 0.01질량%~0.2질량%, P을 0.001질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, P의 함유량은 0.001질량%~0.05질량%로 하는 것이 보다 바람직하다. 0.05질량% 이상으로 하면 P 리치상 생성에 의한 충격 강도 저하가 발생하는 경우가 있기 때문이다. 또한, Bi-P의 2원 상태도(도시 생략)에 나타내어져 있는 바와 같이 Bi에 P은 극히 적은 양밖에 작용하지 않는 것으로 생각된다. 이 점으로부터도 보다 적합한 첨가량은 0.001질량%~0.05질량%이다.
또는, 5원계 다이 본드 접합용 땜납 합금으로서 Sb을 0.05질량%~3.0질량% 함유하고, Ge을 0.01질량%~1.0질량% 함유하고, Ni을 0.01질량%~0.1질량% 함유하고, P을 0.001질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 이루어진다. Sb을 0.05질량%~1.0질량%, Ge을 0.01질량%~0.2질량%, Ni을 0.01질량%~0.1질량%, P을 0.001질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 Bi 및 불가피 불순물로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 이와 같은 5원계 다이 본드 접합용 땜납 합금에 있어서도 상기와 마찬가지의 이유에서 P의 함유량은 0.001질량%~0.05질량%로 하는 것이 보다 바람직하다.
상기 양에서의 P의 첨가는 Bi의 산화를 방지해서 접합성을 개선할 수 있다. 또한, 땜납 합금을 가공해서 분말 땜납을 제작할 때의 가공성을 향상시키는 점에서도 유리하다.
본 실시형태에 의한 땜납 합금은 Bi-Ge으로 이루어지는 모재, Bi-Sb으로 이루어지는 모재, Bi-P으로 이루어지는 모재 및 경우에 따라 Bi-Ni로 이루어지는 모재의 각 원료를 전기로 중에서 용해함으로써 조제할 수 있다. 그리고, 본 실시형태에 의한 땜납 합금도 또한 판상의 프리폼재로 하고, 성형 땜납으로 하거나 또는 분말상으로 해서 플럭스와 합쳐서 크림 땜납으로 해서 가공할 수 있다. 크림 땜납으로서 사용할 때의 분말 땜납의 입경 및 플럭스의 종류나 적합한 조성에 대해서는 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다. 또한, 성형 땜납으로 할 경우의 그 사용 방법 및 접합 방법에 대해서도 상기 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다.
또한, P을 4원계, 5원계에 한하지 않고, 본 명세서에 개시한 제 1 실시형태, 제 2 실시형태, 및 제 3 실시형태의 모든 조성에 대해서 0.001질량%~0.1질량%의 양으로 바람직하게는 0.001질량%~0.05질량%의 양으로 첨가할 수 있고, 각 실시형태에 의한 온도 특성, 가공성, 젖음성과 같은 특징을 유지한 채 어느 조성에 대해서도 산화 억제 및 분말 가공 특성의 향상에 유리하다.
실시예
(1) Bi기 합금의 첨가 원소에 의한 젖음성으로의 영향(성형 땜납)
Bi에 첨가 원소로서 Ge, Sb을 첨가했을 경우의 젖음 확산성을 측정했다. 접합은 φ6.0×t0.2㎜의 성형 땜납을 사용하고, 플럭스를 φ6.5×t0.2㎜의 메탈 마스크로 Ni 도금판 상에 도포하고, 이 위에 성형 땜납을 탑재해서 리플로우 납땜을 행했다. 이때, 예비 가열은 170~200℃에서 120sec 실시하고, 본 가열 피크 온도는 300℃, 270℃ 이상에서 50sec 유지한 온도 프로파일에서 리플로우 납땜을 행했다. 사용한 플럭스의 조제 방법은 중합 로진 50질량부, 부틸카르비톨 46질량부, 시클로헥실아민HBr염 0.5질량부, 아디프산 0.5질량부, 수소 첨가 피마자유 3질량부를 용기에 주입하여 150℃에서 가열 용해시켰다.
젖음 확산성은 확산율로 해서 측정하고, JIS Z3197: 1999에 준거한 방법으로 이하의 식에 따라서 산출했다.
확산율(%)=(땜납을 구로 간주한 직경-확산된 땜납의 높이)/땜납을 구로 간주한 직경×100
Bi계 성형 땜납의 젖음성을 표 1, 도 3, 도 4에 나타낸다. Bi는 종래부터 사용되어 있는 Pb-Sn계 땜납에 비해 젖음성이 뒤떨어지는 것이 알려져 있다. 도 3에 나타내어지는 바와 같이 Bi에 Sb을 첨가했을 경우, Sb 첨가량이 0.05질량%보다 젖음성의 향상이 확인되고, Sb 첨가량 1질량%를 피크로 해서 3질량%까지 젖음성의 현저한 향상이 확인되었다. 또한, 도 4에 나타내어지는 바와 같이 Bi에 Ge을 첨가했을 경우, Ge 첨가량 0.01~2질량%의 범위에서 젖음 확산성의 향상이 확인된 Ge 첨가량 1질량%까지가 특히 젖음성이 양호했다. 또한, 표 1에 나타내어지는 바와 같이 Bi에 Ge 및 Sb을 복합해서 첨가한 경우에 있어서도 Ge이 0.01~1질량%, Sb이 0.05~3질량%의 범위에서 젖음성의 향상이 확인되었다. 비교예 2, 3의 조성에 대해서는 젖음성이 없고, 측정 불가능하며, 확산율도 산출 불가능했다.
Figure 112015031487755-pct00001
(2) Bi기 합금의 첨가 원소에 의한 젖음성으로의 영향(땜납 페이스트)
Bi에 Ge 및 Sb을 첨가한 땜납의 분말을 제조하고, 땜납 페이스트에서의 젖음성 평가도 행했다. 상술한 플럭스와 땜납 분말(입경 25~45㎛)을 질량비 11:89로 용기에 넣고, 교반해서 크림 땜납을 조정했다. 이 땜납 페이스트를 φ6.5×t0.2㎜의 메탈 마스크로 Ni 도금판 및 Cu판 상에 도포하고, 상술한 프로파일에서 리플로우 납땜을 행했다.
Bi계 땜납 페이스트의 젖음 확산성을 도 5에 나타낸다. Bi 단체 및 Ni를 첨가한 땜납에서는 Cu판에 대해서 젖음이 매우 나쁘지만, Ge 및 Sb 또는 그 양쪽을 첨가한 합금에서는 현저한 젖음 확산성의 향상이 보이고, 또한 Ni 도금판에 대한 젖음도 향상이 확인되었다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 Cu판에 비해 Ni 도금판의 젖음성이 높지만, Ni는 주성분인 Bi와 화합물을 만들기 쉽고, Bi3Ni이 용이하게 생성된다. 이 Bi3Ni의 생성의 용이함이 젖음성에 영향을 주고 있다고 생각된다. 또한, 본 실시예에 있어서의 Ni판 상에서의 젖음성의 데이터는 각 합금 조성에 Ni을 0.1질량% 함유한 것과 같은 정도의 젖음성을 갖는 것으로 합리적으로 추측된다.
(3) Bi기 합금의 첨가 원소에 의한 합금 조직과 가공성으로의 영향
Bi기 합금의 성형 땜납은 100℃로부터 융점 이하의 온도에서 열간 압연에 의해 가공했다.
그 압연 가부를 표 1에 나타낸다. 표 1 중 가공성 양호이었을 경우에는 「○」, 압연이 가능했을 경우에는 「△」, 가공 불가의 경우에는 「×」로 표시했다.
Sb 첨가에 대해서는 5질량%까지 압연 가능했지만, 3질량%를 초과하면 압연의 난이도가 높아졌다. 도 6의 조직 사진으로부터 Sb이 3질량%까지는 고온에서의 연성이 풍부한 Bi 단체에 가까운 조직이지만, 이것을 초과하면 조직이 미세해져서 Bi 단체의 특성이 엷어져 연성이 저하되고, 7.5질량% 이상에서는 매우 미세한 조직이 되어 연성이 현저하게 저하되는 것을 알 수 있었다. 또한, 표 1 중의 조직에 대한 「조대」란 아무것도 첨가하지 않는 상태의 초정 조직으로 대략 수㎜~수백㎛정도의 것을 말한다. 「미세」란 조대 조직의 대략 50% 이하, 「극미세」는 조대, 즉 무첨가 재료에 대해서 대략 30% 이하의 조직 사이즈의 것을 말하는 것으로 한다.
Ge 첨가에 대해서는 2질량%까지 압연 가능하지만, 1질량%를 초과하면 압연의 난이도가 높아졌다. 도 7의 조직 사진으로부터 Ge이 2질량% 이상에서는 Ge의 석출량이 많아지기 때문이라고 사료된다.
본 발명에 의한 땜납 합금은 전자 기기 전반에 있어서 반도체 칩 등의 다이 본드 접합부에 사용된다. 특히, IC 등 패키지 부품에 적합하게 사용된다. 또한, 발열이 큰 부품, 예를 들면 LED 소자나, 파워 다이오드 등 파워 반도체 디바이스의 다이 본드 접합부, 또한 프린트 배선판 등에 탑재되는 전자 부품 전반에 있어서의 IC 소자 등의 내부 접속의 다이 본드 접합부에 적합하게 사용된다. 응용되는 제품으로는 앞서 서술한 LED 소자를 사용한 조명 부품이나, 인버터의 구동 회로, 파워 모듈이라고 칭해지는 전력 변환기 등이 대상으로서 열거된다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 안티몬을 0.05질량%~3.0질량%, 게르마늄을 0.01질량%~1.0질량% 함유하고, 잔부는 비스무트 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 안티몬을 0.05질량%~1.0질량% 함유하고, 상기 게르마늄을 0.01질량%~0.2질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  4. 안티몬을 0.05질량%~1.75질량%, 니켈을 0.01질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 비스무트 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  5. 제 2 항에 있어서,
    니켈을 0.01질량%~0.1질량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  6. 삭제
  7. 제 2 항에 있어서,
    인을 0.001질량%~0.1질량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  8. 안티몬을 0.05질량%~3.0질량%, 니켈을 0.01질량%~0.1질량%, 인을 0.001질량%~0.1질량% 함유하고, 잔부는 비스무트 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  9. 제 5 항에 있어서,
    인을 0.001질량%~0.1질량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  10. 게르마늄을 0.01질량%~2.0질량% 함유하고, 구리는 함유하지 않고, 잔부는 비스무트 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이 본드 접합용 땜납 합금.
  11. 제 10 항에 기재된 다이 본드 접합용 땜납 합금과, 플럭스를 포함해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 크림 땜납.
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