KR101752104B1 - 납땜 합금 - Google Patents

Abstract

리프트 오프의 발생을 억제함과 함께 열피로에 의한 열화도 억제하고, 나아가 필렛의 브리지나 고드름도 동시에 억제할 수 있는 납땜 합금을 제공한다. 질량％로, Bi: 0.1∼0.8％, Ag: 0∼0.3％, Cu: 0∼0.7％, P: 0.001∼0.1％, 잔부가 Sn으로 이루어지고, Ag와 Bi의 함유량의 합계: 0.3∼0.8％인 합금 조성을 갖는다.

Description

납땜 합금 {SOLDER ALLOY}

본 발명은, 필렛 이상을 억제하는 납땜 합금에 관한 것이다.

세탁기, 냉장고, 쿨러 등의 가전제품, 텔레비전, 비디오, 라디오, 컴퓨터, 복사기, 통신 기기 등의 전자 기기류에는, 프린트 기판에 전자 부품을 탑재한 실장 기판이 사용되고 있다. 실장 기판에는, 단층 기판인 것 외에도, 충실한 기능을 실현하기 위해 복수의 기판을 적층한 것이 사용되고 있다. 기판 사이의 도통이나 전자 부품의 기판에의 실장에는, 면 실장에 의해 접속하는 방법이나 기판의 스루홀에 단자를 삽입하여 실장하는 방법을 들 수 있다. 이러한 프린트 기판에의 실장 공정으로서는, 플로우 솔더링, 리플로우 솔더링, 매뉴얼 솔더링 등을 들 수 있다. 이들 중에서, 어느 정도의 크기를 갖는 전자 부품의 실장에는, 접속 강도 등의 관점에서 단자를 스루홀에 삽입하여 실장하는 방법이 채용되어 있다. 실장 공정으로서는 통상 플로우 솔더링이 채용되어 있다.

플로우 솔더링용 납땜 합금으로서는, 예를 들어 특허문헌 1에 Sn-Cu-P-Bi 납땜 합금이 개시되어 있다. 이 납땜 합금은, P의 첨가에 의해 습윤성을 향상시킴과 함께, Bi의 첨가에 의해 용융 온도를 낮추어 탑재된 전자 부품의 동작 문제를 억제할 수 있다고 하는 우수한 합금이다. 단, 단자를 스루홀에 삽입하여 플로우 솔더링을 행하는 경우에는, 땜납의 습윤성을 향상시키는 것 외에, 더 한층의 검토가 필요해진다.

스루홀에 삽입된 단자는, 프린트 기판의 랜드와 단자 사이에 형성되는 땜납 필렛(이하, 단순히,「필렛」이라고 함)을 통해 프린트 기판에 접속된다. 이때, 필렛을 형성하는 납땜 합금의 조성이나 기판의 적층 상태에 따라서는 필렛에 리프트 오프가 발생하는 경우가 있다. 리프트 오프는 랜드와 필렛 사이에 간극이 생기는 현상이며, 이에 의해 기판과 단자 사이에서 도통 불량이 발생해 버린다. 따라서, 리프트 오프를 억제하기 위해 다양한 검토가 이루어져 왔다.

예를 들어 특허문헌 2에는, 표면 실장된 전자 부품의 접속 강도의 고신뢰성을 유지하기 위해, Sn-3Ag-xBi-0.5Cu(x=0, 1, 2, 3, 4이고, 단위는 질량％임) 납땜 합금이 개시되어 있다. 이 문헌에는, Bi 함유량과 리프트 오프, 강도 및 수축소의 관계를 조사한 결과가 개시되어 있고, Bi 함유량이 0질량％나 1질량％에 있어서 이들의 특성을 만족시키는 결과가 개시되어 있다. 또한, 이들 합금 조성의 고상선 온도와 액상선 온도도 개시되어 있다. 특허문헌 3에는, Ag를 사용하지 않고 접합 강도를 향상시키기 위해, Sn-0.7Cu-(0.35, 0.7) Bi 납땜 합금이 제안되어 있다. 이 문헌에는 Bi의 첨가에 의해 리프트 오프 등의 발생을 촉진시키는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 4에는, 표면 실장된 전자 부품에 있어서 히트 사이클 후에 있어서도 크랙이 발생하지 않도록, Sn-Ag-Bi-In계 납땜 합금의 Bi 함유량을 0.1∼5중량％, In 함유량을 3∼9중량％로 함과 함께, 기판의 선팽창 계수를 소정의 범위로 하는 발명이 제안되어 있다. 또한, 이 문헌에는, Bi의 다량 첨가에 의해 리프트 오프가 발생하는 것이 기재되어 있다.

일본 특허 제4225165호 공보 일본 특허 공개 제2003-046229호 공보 일본 특허 공개 제2001-225188호 공보 일본 특허 공개 제2010-206006호 공보

이와 같이, 특허문헌 2∼4에는, 모두 Bi가 리프트 오프의 발생 원인인 것이 기재되어 있지만, 랜드와 단자의 접속에 관하여 각각 이하와 같은 문제점이 있다.

특허문헌 2에는, Bi가 0질량％인 Sn-Ag-Cu 납땜 합금이 개시되어 있지만, Bi를 함유하지 않으므로 열피로에 의한 필렛의 열화가 문제가 된다. 또한, 동 문헌에는 Bi가 1질량％ 이상인 납땜 합금이 개시되어 있다. 그러나, 6개의 6단자 커넥터(36개소)밖에 사용하지 않고 리프트 오프를 판단하고 있으므로, 리프트 오프의 판단으로서는 불충분하다. 이것은, 상기 납땜 합금이 1질량％ 이상인 Bi를 함유하므로, 이 이상 판단 개소를 증가시키면 리프트 오프가 발생할 가능성이 발생하기 때문이라고 생각된다. 또한, 특허문헌 1에 기재되어 있는 액상선 온도나 고상선 온도는 평형 상태에서의 온도이며, 접합 시 및 냉각 시의 실정이 반영된 것은 아니다. 또한, 고액 공존 영역에서의 납땜 합금의 성상은 평형 상태라도 합금 조성마다 크게 상이하고, 이것에 수반하여 단자가 이탈하지 않을 정도로 응고할 때까지의 시간도 상이하다. 이로 인해, 단순히 액상선 온도와 고상선 온도가 개시되어 있는 것만으로는 리프트 오프의 발생을 충분히 억제할 수 없다. 즉, 평형 상태에서의 액상선 온도나 고상선 온도를 규정하는 것만으로 리프트 오프를 완전히 억제할 수 있는 것은 아니다.

특허문헌 3에는, Bi 함유량이 0.35질량％ 또는 0.7질량％인 Sn-Cu-Bi계 납땜 합금이 개시되어 있다. 여기서, 리프트 오프는 전술한 바와 같이 랜드와 필렛 사이에 간극이 생기는 현상이며, 응고 시에 있어서의 납땜 합금 중의 Bi의 편석에 의해 발생한다. 동 문헌에는 Bi가 리프트 오프의 결함을 발생하기 쉽게 하는 것이 개시되어 있지만, 납땜 합금의 고액 공존 영역에서의 성상은 크게 상이하고, 플로우 솔더링 시에 있어서의 분류 땜납의 온도 외에 기판의 두께나 적층 수도 상이하므로, 합금 조성만으로 즉시 리프트 오프의 발생을 억제할 수 없는 경우가 있다.

또한, 특허문헌 4에서는, In이 필수 원소이므로 In의 산화막이 형성되기 쉽다. 이 결과, 납땜 합금이 끈적거려 필렛에 브리지나 고드름이 발생하기 쉬워져, 단자 사이에서 도통하면 접속 불량이 발생해 버린다.

이와 같이, 종래에는 필렛에서의 접속 불량으로서 리프트 오프만이 고려되어 왔지만, 필렛에 관하여 문제가 되는 것은 리프트 오프뿐만 아니라 브리지나 고드름의 발생도 들 수 있고, 더욱 실정을 근거로 하여 이들 필렛 이상을 해결할 필요가 있다.

본 발명의 과제는, 필렛 이상의 발생을 억제하는 것, 즉, 리프트 오프의 발생을 억제함과 함께 필렛의 브리지나 고드름도 동시에 억제할 수 있고, 나아가 열피로에 의한 열화도 억제할 수 있는 납땜 합금을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 무연 납땜 합금 중에서도, 열피로에 의한 열화를 억제 가능한 Sn-Bi계 납땜 합금에 있어서 예의 검토를 행하였다. 본 발명자들은, 먼저, 리프트 오프의 발생을 억제하기 위해 Bi 함유량을 소정의 범위로 조정한 후, 기판의 두께나 적층 매수로부터 발생하는 응고 시의 시간적인 갭도 고려할 필요가 있는 점에 착안하였다. 리프트 오프는 전술한 바와 같이 Bi의 편석에 의해 발생하지만, 플로우 솔더링을 행하는 경우에는, 기판의 분류 땜납측에서는 냉각되기 어렵고, 반대측에서는 바로 냉각되어 버린다. 이것은 적층 기판에 있어서는 더욱 현저해진다. 이와 같이, 냉각 시에 있어서의 시간적인 갭을 고려함으로써 리프트 오프의 발생을 억제할 수 있다.

따라서, 본 발명자들은, 리프트 오프, 브리지 및 고드름의 발생을 억제하기 위해, 납땜 합금 조성 외에 응고 시의 시간적인 갭도 고려하여 더 검토를 행하였다. Sn-Bi계 납땜 합금으로 플로우 솔더링을 행하는 조건으로서는, 납땜 합금이 235℃에서 거의 완전히 액상인 동시에, 210℃에서 대략 고상인 것이 바람직하다. 235℃에서의 고상이 잔존하는 이유는 납땜 합금의 미용융이라고 생각된다. 미용융이 많은 경우에는 필렛에서의 브리지나 고드름의 원인이 될 수 있다. 한편, 210℃에서의 액상이 존재하는 경우에는 응고 편석에 의한 리프트 오프의 발생 원인이 될 수 있다.

또한, 하기의 설명에 있어서, 「고상률」이라 함은, 어느 온도에 있어서의 납땜 합금의 전체 체적에 차지하는 고상의 비율을 나타낸다. 「액상률」이라 함은, 어느 온도에 있어서의 납땜 합금의 전체 체적에 차지하는 액상의 비율을 나타낸다.

여기서, 상기 검토에 사용한 고상률 및 액상률은 납땜 합금의 합금 조성에 기초하여 얻어지는 것이지만, 합금 조성으로부터 즉시 얻어지는 것은 아니다. 평형 상태도에서는 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 온도 영역이 고액 공존 영역이 되지만, 이 고액 공존 영역에서의 납땜 합금의 성상은 플로우 솔더링의 실정을 고려하면 평형 상태도로부터 즉시 지득할 수는 없다. 또한, 가령 플로우 솔더링의 조건이 평형 상태였다고 해도, 액상선 온도로부터 고상선 온도에 걸쳐 고상과 액상이 1차원적으로 증감하는 일은 없다. 합금 조성이나 분류 땜납조 중의 납땜 합금의 온도에 의해 고상과 액상의 비율은 다양하다. 따라서, 본 발명자들은, 합금 조성이나 시간적인 갭을 고려하여 얻어진 고상률이나 액상률과 필렛 이상의 관계를 더 검토하였다.

이 결과, 본 발명자들은, 235℃에서의 고상률과 210℃에서의 액상률이 소정의 범위 내에서는, Bi 함유량이 소정의 범위 내에 있어서, 우연하게도 상기한 모든 특성을 만족시키는 지견을 얻을 수 있었다. 즉, Bi 함유량과 고상률 및 액상률을 소정의 범위로 함으로써, 응고 시의 시간적인 갭을 고려하였다고 해도, 리프트 오프, 브리지 및 고드름의 발생을 억제함과 함께 내열피로성도 향상시킬 수 있는 지견이 얻어진 것이다. 또한, 고상률 및 액상률을 규정함으로써 실제의 플로우 솔더링 시의 모든 조건을 만족시키게 되지는 않지만, 이들을 규정함으로써, 상대적으로는 플로우 솔더링 시에 있어서의 필렛 이상의 유무를 판단할 수 있다. Sn-Bi 납땜 합금에 Ag, Cu, P 등을 함유하는 합금 조성에 있어서도, 이들 원소가 소정의 함유량의 범위 내인 경우에는, Bi 함유량, 고상률 및 액상률에 의해 마찬가지인 지견도 얻어졌다.

또한, Sn-Bi계 납땜 합금에 Ag를 함유하는 합금 조성에서는, Bi와 Ag의 상호 작용에 의해 리프트 오프가 발생하기 쉬워지는 지견도 얻어졌다. 이로 인해, Ag를 함유하는 경우에는, Ag 함유량을 소정의 범위로 함과 함께, Ag 함유량과 Bi 함유량의 합계량을 규정함으로써, 상기한 특성을 모두 만족시키는 지견이 얻어졌다.

또한, Cu를 함유하는 경우에는, Cu가 0.7질량％를 초과하면 액상선 온도가 급격하게 높아져 고액 공존 영역이 넓게 되어 버린다. 한편, Cu 함유량이 0.7질량％ 이하이면, 고액 공존 영역이 거의 넓어지는 일은 없고, 응고 시의 시간적인 갭을 고려해도 상기 특성을 모두 만족시킬 수 있는 지견도 얻어졌다.

이 지견에 의해 얻어진 본 발명은 다음과 같다.

(1) 질량％로, Bi: 0.1∼0.8％, Ag: 0∼0.3％, Cu: 0∼0.7％, P: 0.001∼0.1％, 잔부가 Sn으로 이루어지고, Ag와 Bi의 함유량의 합계: 0.3∼0.8％인 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 필렛 형성용 납땜 합금.

(2) 235℃에서의 고상률이 0.02체적％ 이하인 동시에 210℃에서의 액상률이 5.0체적％ 이하인, 상기 (1)에 기재된 필렛 형성용 납땜 합금.

(3) 상기 (1)에 기재된 합금 조성을 갖는 납땜 조인트.

본 발명에 있어서, 「235℃에서의 고상률」이라 함은, 235℃에서의 납땜 합금의 전체 체적에 차지하는 고상의 비율을 나타낸다. 「210℃에서의 액상률」이라 함은, 210℃에서의 납땜 합금의 전체 체적에 차지하는 액상의 비율을 나타낸다.

도 1은 Sn-Bi-(Ag)-(Cu)-(P) 납땜 합금에 있어서의 Bi(＋Ag)와 210℃에서의 액상률의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명을 이하에 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서에 있어서, 납땜 합금 조성에 관한 「％」는, 특별히 지정하지 않는 한 「질량％」이다.

1. 합금 조성

(1) Bi: 0.1∼0.8％

Bi는, 내열피로성의 향상에 필요한 원소이다. Bi 함유량은 0.1％ 이상이고, 바람직하게는 0.2％ 이상이다. 한편, Bi의 다량의 첨가는 고액 공존 영역의 증가에 의해 응고 편석이 현저해져, 리프트 오프의 발생 빈도가 높아져 버린다. Bi 함유량은 0.8％ 이하이고, 바람직하게는 0.6％ 이하이다.

(2) Ag: 0∼0.3％

Ag는, 내열피로성을 향상시킬 수 있는 임의 원소이다. Ag를 첨가하는 경우에는, 바람직하게는 Ag 함유량을 0.1％ 이상으로 한다. Ag는 Bi와 함께 첨가되면 Bi의 첨가에 의한 응고 편석을 촉진하여, 리프트 오프의 발생 빈도가 높아져 버린다. 따라서 Ag는 0.3％ 이하로 하고, 바람직하게는 0.2％ 이하로 한다.

(3) Ag＋Bi: 0.3∼0.8％

Sn에 Ag를 단독으로 첨가해도 리프트 오프의 발생 원인으로서는 생각되고 있지 않았다. 그러나, Ag를 Bi와 동시에 납땜 합금에 첨가하는 경우, Bi만 첨가되는 경우와 비교하여 Bi의 응고 시에 있어서의 편석을 촉진하므로 리프트 오프가 발생하기 쉬워진다. 이로 인해, Ag 함유량과 Bi 함유량의 합계는 0.8％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.6％ 이하이다. 한편, Ag와 Bi의 동시 첨가는 열피로에 의한 열화를 억제한다. 이 효과를 발휘하기 위해서는, Ag 함유량과 Bi 함유량의 합계는 0.3％ 이상으로 한다. 또한, 리프트 오프의 발생이나 열피로에 의한 필렛의 열화의 억제는, 전술한 바와 같이 Bi 단독 첨가에서도 마찬가지이므로, Ag를 함유하지 않는 경우라도 이 범위는 적용된다. 즉, Ag를 함유하지 않는 경우에는, Bi 함유량은 0.3∼0.8％로 된다.

(4) Cu: 0∼0.7％

Cu는, 납땜 합금의 강도를 개선할 수 있는 임의 원소이다. Cu의 과잉 첨가는 납땜 합금의 융점을 현저하게 상승시켜, 브리지나 고드름을 발생하기 쉽게 한다. 또한, Cu는 0.7％의 첨가로 Sn과 공정을 형성하지만, 그 이하이면 고액 공존 영역이 거의 넓어지지 않는다. 이로 인해, Cu 함유량은 바람직하게는 0.7％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.6％ 이하이다. 또한, 본 발명의 납땜 합금이 플로우 솔더링용으로서 사용되는 경우에는, 기판의 배선이나 단자에 많이 사용되는 Cu가 땜납조 내에 용출되는 경우가 생각된다. 그 경우에는, 납땜 합금 중의 Cu 함유량을 저감시키지 않으면 땜납조 내의 합금 조성이 과공정측으로 시프트하여 융점이 상승하여, 필렛 이상을 야기하는 경우가 있다. 이로 인해, Cu 함유량은 땜납조 내의 Cu량에 따라서 적절하게 저감시키는 것이 좋다. Cu 함유량은, 바람직하게는 0.5％ 이하, 보다 바람직하게는 0.4％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.3％ 이하, 특히 바람직하게는 0％이다.

한편, Cu는, 강도의 개선 외에, 랜드가 Cu인 경우에는 Cu 부식 방지 효과도 발휘할 수 있다. Cu를 함유하는 경우에는, 바람직하게는 0.05％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.1％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.2％ 이상이다.

(5) P: 0.1％ 이하

P는, Sn의 산화를 억제함과 함께 습윤성을 개선할 수 있는 임의 원소이다. P의 과잉 첨가는 땜납 표면에 있어서의 땜납의 유동성을 저해하여, 솔더링 작업에 곤란을 초래한다. P 함유량은 0.1％ 이하이고, 바람직하게는 0.01％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.008％ 이하이다. 한편, 상기 P 첨가 효과를 발휘하기 위해, P 함유량은 바람직하게는 0.001％ 이상이다.

(6) 잔부: Sn

본 발명에 관한 납땜 합금의 잔부는 Sn이다. 전술한 원소 외에 불가피적 불순물을 함유해도 된다. 불가피적 불순물을 함유하는 경우라도, 전술한 효과에 영향을 미치는 일은 없다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 발명에서는 함유하지 않는 원소가 불가피적 불순물로서 함유되어도 전술한 효과에 영향을 미치는 일은 없다. 본 발명에 있어서, 합금 조성이 클로즈드 텀에 의해 규정되어 있는 경우라도, 불가피 불순물의 혼입은 허용된다.

(7) In, Ni, Zn, Al, Sb

본 발명에 관한 납땜 합금은, 필렛 이상을 억제하기 위해 In, Ni, Zn, Al, Sb를 함유하지 않는 것이 좋다. 이들 원소는 히트 사이클 특성 등을 향상시키기 위해 납땜 합금에 빈번하게 첨가되는 것이지만, 본 발명에서는 In이나 Zn을 함유하면, In이나 Zn의 산화막이 형성되므로 납땜 합금이 끈적거려 필렛에 브리지나 고드름이 발생하기 쉬워진다. Ni, Al 및 Sb는 납땜 합금 중의 Sn이나 Ag와 화합물을 형성하므로 땜납 용융 시에서의 미용융의 원인이 되어, 필렛의 브리지나 고드름을 발생시킨다.

2. 235℃에서의 고상률: 0.02체적％ 이하, 210℃에서의 액상률: 5.0체적％ 이하

본 발명에 관한 납땜 합금은, 상기 합금 조성을 갖는 것 외에, 235℃에서의 고상률이 0.02체적％ 이하이고, 또한 210℃에서의 액상률이 5.0체적％ 이하인 것이 바람직하다.

필렛 이상으로서는, 종래 검토되어 온 리프트 오프 외에, 브리지나 고드름의 발생을 들 수 있다. 리프트 오프의 발생을 억제할 수 있었다고 해도, 단자 사이에 형성되는 브리지나 고드름이 발생하면 접속 불량에 의해 전자 기기가 정상적으로 동작하지 않는다. 따라서, 리프트 오프, 브리지 및 고드름의 발생을 억제하기 위해서는, 합금 조성이나 평형 상태도로부터 얻어지는 정보로는 충분하지 않고, 이들에 기초하여 얻어진 소정 온도에서의 고상률이나 액상률로 규정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 235℃에서의 고상률을 0.02체적％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Bi 함유량이 적은 Sn-저Bi계 납땜 합금을 사용하여 플로우 솔더링을 행하는 경우, 분류 땜납의 용융 온도는 235℃ 이상이기 때문이다. 즉, 적어도 235℃에서 납땜 합금이 거의 완전히 용융되어 있는 것이 바람직하고, 브리지나 고드름의 원인이 되는 미용융이 없는 것이 바람직하다. 현상의 프린트 기판에 있어서, 필렛에 브리지나 고드름이 발생하지 않도록 하기 위해, 235℃에서의 고상률을 0.02체적％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0체적％이다.

또한, 본 발명에서는 210℃에서의 액상률을 5.0체적％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Sn-저Bi계 납땜 합금에서는, 대략 210℃ 부근에서 급격하게 응고가 진행되고, 이때에 액상이 소정량을 초과하여 혼입되어 있으면, 응고 편석의 원인이 된다. 그리고, 응고 편석은 리프트 오프의 발생으로 이어질 가능성을 향상시킨다. 리프트 오프를 발생시키지 않기 위해, 210℃에서의 액상률을 5.0체적％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 4.0체적％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 3.64체적％ 이하이다. 하한값은 특별히 한정되지 않고, 210℃에서의 액상률이 낮을수록 리프트 오프의 발생을 억제할 수 있다.

본 발명에서 규정하는 액상률 및 고상률은, 합금 조성 외에, 플로우 솔더링 시에 있어서의 기판의 표면이나 이면에서의 냉각 조건의 차이에 상당하는 시간적인 갭도 고려한 것이다. 이들은, 원소의 열역학 물성값을 이용하여 샤일의 관계식에 기초하는 Sn-저Bi계 합금의 계산 시뮬레이션을 행하여 구할 수 있다. 온도 변화의 구배가 시간의 경과와 함께 변화되어, 실제의 접합 조건마다 온도 변화의 구배를 파악하는 것이 곤란하므로, 본 발명에서는, 플로우 솔더링에 있어서의 시간적인 갭을 열량으로 환산하여 고상률 및 액상률을 구하였다.

여기서, 본 발명의 고상률 및 액상률의 산출 방법에 대해 상세하게 설명한다.

고상률이나 액상률과 온도의 관계는, DSC 등의 열분석 등에 의해 측정하여 구해도 되지만, 열분석의 경우에는 승강온 속도를 소정의 조건에서 행할 필요가 있어, 실제의 접합 조건을 반영한 것이라고는 하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는, 서모 캘크 등의 범용 열역학 데이터베이스를 활용하였다. 단, 응고를 수반하는 고상률의 변화를 고려할 필요가 있으므로, 액상 완전 혼합 모델(고상 내 무확산 모델)인 샤일의 식 혹은 샤일 모듈을 사용하였다. 샤일의 식은 통상 2원계 이하의 합금에 적용되고, 샤일 모듈은 3원계 이상의 합금에 적용된다. 물론 샤일 모듈은, 2원계 이하의 합금에도 적용 가능하다.

샤일의 식을 사용하면, 고상 중의 용질 농도 및 액상 중의 용질 농도로부터 얻어진 고액 분배 계수나 범용 열역학 데이터베이스를 사용하여 고상률과 온도의 관계를 구할 수 있다. 또한, 샤일 모듈을 사용하면, 상기한 범용 열역학 데이터베이스에 기록되어 있는 데이터를 바탕으로, 1℃ 온도를 낮추었을 때에 액상이 일부 고상으로 변화된 만큼을 고상으로서 첨가하여 새로운 농도의 액상을 형성시키고, 그리고 또한 온도를 낮추어 간다고 하는 것을 반복해 감으로써 소정의 온도에서의 고상률을 산출할 수 있다. 구체적으로는, 가부시키가이샤 자이료 셋케이 기쥬츠 겐큐쇼 제조의 「Pandat」를 사용하여 산출할 수 있다.

이 방법을 사용함으로써, 다양한 응고 과정에 따른 고상률과 액상률을 구할 수 있다.

이와 같이 하여 계산한 결과, Sn-Bi-(Ag)-(Cu)-(P) 납땜 합금에 있어서, 응고의 과정이 상이한 것이 명확해졌다. 본 발명의 고상률 및 액상률은, 리프트 오프 외에 브리지나 고드름의 발생도 억제하기 위한 지표이며, 합금 조성만으로는 얻을 수 없다. 이 지표를 사용함으로써, 비로소 본 발명의 효과를 발휘할 수 있는 것이다. 즉, 고상률이나 액상률은 종래에도 사용되는 경우가 있었지만, 본 발명과 같이, 리프트 오프, 브리지 및 고드름의 발생을 억제하기 위해, Sn-저Bi 납땜 합금에 있어서, 실제의 플로우 솔더링의 응고 과정을 고려한 235℃에서의 고상률 및 210℃에서의 액상률의 양자를 동시에 사용한 지표는, 지금까지는 없었던 새로운 지표이다. 또한, 상기 시뮬레이트에 의해 얻어진 본 발명의 고상률 및 액상률은, 실제의 플로우 솔더링 시에 있어서의 모든 조건을 반영한 것은 아니지만, 실시의 플로우 솔더링에서의 고상률 및 액상률과 상대적으로 대소 관계는 변함없다. 따라서, 본 발명의 고상률 및 액상률을 만족시킴으로써, 리프트 오프, 브리지 및 고드름의 발생을 억제할 수 있는 것이다.

3. 용도

본 발명에 관한 납땜 합금은, 다양한 솔더링 방법 중에서, 특히 플로우 솔더링에 사용함으로써 효과를 발휘할 수 있다. 복수의 기판이 적층된 적층 기판에 플로우 솔더링을 행하는 경우에 유효하다. 플로우 솔더링에 있어서의 분류 땜납은 장시간 사용하면 조성이 변동되는 경우가 있으므로, 분류 땜납을 원하는 조성으로 하기 위한 보충용 땜납으로서도 사용할 수 있다. 이 경우, 보충용 땜납은 본 발명의 범위 내에 있어서 조성을 조정하여 보충할 수 있다. 플로우 솔더링을 행하는 경우의 분류 땜납의 온도는 대략 230∼240℃이다. 또한, 이 밖의 접합 조건은, 납땜 합금의 합금 조성, 고상률 및 액상률에 따라서 적절하게 조정할 수 있다.

[실시예]

표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 납땜 합금을 사용하여, 235℃에서의 고상률, 210℃에서의 액상률, 신뢰성(열피로) 및 필렛 이상의 평가를 행하였다. 각각의 평가 방법에 대해 이하에 설명한다.

(1) 235℃에서의 고상률, 210℃에서의 액상률

본 실시예에 있어서의 고상률 및 액상률의 산출에는, 가부시키가이샤 자이료 셋케이 기쥬츠 겐큐쇼 제조의 「Pandat」를 사용하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(2) 신뢰성(열피로)

본 실시예에서는, 내열피로 특성을 사용하여 신뢰성의 평가를 행하였다.

먼저, 4단자 Sn 도금 저항을 12개 준비하고, 이 단자를 글래스 에폭시 프린트 기판(CEM-3)의 스루홀에 삽입하여, 플로우 솔더링을 행하였다. 플로우 솔더링에는, 가부시키가이샤 마루코무 제조 플로우 시뮬레이터 FS-1을 사용하여, 하기 시험 조건에서 플로우 솔더링을 행하였다.

시험 조건

땜납조: 가부시키가이샤 마루코무 제조 플로우 시뮬레이터 FS-1

땜납량: 15kg

플럭스: 센쥬 긴조쿠 가부시키가이샤 제조 플럭스(품명: ES-1061SP2)

땜납조 내의 땜납 온도: 255℃

이어서, 솔더링된 프린트 기판을 저온 조건이 -40℃, 고온 조건이, +85℃, 각 30분의 2조식의 자동 시험 장치에 투입하여, 500사이클째에서 프린트 기판을 취출하여, 광학 현미경에 의해 필렛(48개소)의 외관 관찰을 행하였다. 크랙이 확인되지 않은 것을 ○로 하고, 크랙이 확인된 것을 ×로서 평가하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(3) 필렛 이상

본 실시예에서는, 필렛 이상으로서, 리프트 오프, 브리지, 고드름을 평가하였다. 상기 (2) 신뢰성 시험과 동일 조건에서 플로우 솔더링을 행하고, 48개소의 필렛에 대해 하기 평가를 행하였다.

·브리지, 고드름

브리지가 발생하였는지 여부를 눈으로 평가하였다. 또한, 필렛에 고드름이 발생하였는지 여부를 눈으로 확인하였다. 고드름을 확인한 경우에는 고드름이 발생하였다고 평가하였다.

·리프트 오프

48개의 필렛을 광학 현미경으로 확인한 후, 필렛을 절단하고, 단면을 SEM으로 촬영하였다. 필렛이 랜드로부터 박리되어 있는지 여부를 SEM 사진으로 확인하였다. 단면에 있어서 조금이라도 랜드와 이격되어 있는 부분이 있으면, 리프트 오프가 발생하였다고 평가하였다.

표 1 중에서의 필렛 이상의 기호는 이하와 같다.

A: 필렛 이상이 발생하지 않았다

B: 리프트 오프가 발생하였다

C: 고드름이 발생하였다

D: 브리지가 발생하였다

표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼3에서는, 어느 합금 조성에 있어서도 신뢰성에 문제가 없고, 필렛 이상이 발생하지 않았다.

한편, 비교예 1은 Bi 함유량이 적으므로 내열피로성이 떨어졌다. 비교예 2는 Bi 함유량이 많고 210℃에서의 액상률이 높기 때문에 리프트 오프가 발생하였다. 비교예 3은 Ag 함유량이 많고 Ag＋Bi도 0.8％를 초과함과 함께 210℃에서의 액상률이 높기 때문에, 리프트 오프가 발생하였다. 비교예 4는 Ag＋Bi가 0.3％를 하회하였기 때문에 내열피로성이 떨어졌다. 비교예 5 및 6은, Cu 함유량이 많고 235℃의 고상률이 높기 때문에 납땜 합금이 끈적거려, 비교예 5에서는 브리지가 발생하고, 비교예 6에서는 브리지와 고드름이 발생하였다.

비교예 7 및 8은 In을 함유하므로 210℃에서의 액상률이 높고, 내피로성이 열화됨과 함께 브리지나 고드름이 발생하였다. 비교예 9 및 10은, Ni를 함유하므로 235℃에서의 고상률이 높고, 브리지가 발생하였다. 비교예 11은 Zn을 함유하므로 210℃에서의 액상률이 높고, 브리지나 고드름이 발생하였다. 비교예 12 및 13은, 각각 Al 및 Sb를 함유하므로 235℃에서의 고상률이 높고, 비교예 12에서는 브리지 및 고드름이 발생하고, 비교예 13에서는 브리지가 발생하였다.

표 1의 결과로부터 본 발명의 효과를 명확하게 하기 위해, 도 1을 사용하여 다시 설명한다.

도 1은, Sn-Bi-(Ag)-(Cu)-(P) 납땜 합금에 있어서의 Bi(＋Ag)와 210℃에서의 액상률의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 1에서는, 고액 공존 영역에서의 거동이 크게 상이한 In, Ni, Zn, Al, Sb를 함유하는 합금 조성을 제외한 참고예 1∼8, 실시예 1∼3 및 비교예 1∼6의 결과를 플롯하였다. 도 1로부터, Bi(＋Ag)가 0.8％를 초과하면 210℃에서의 액상률이 대폭 증가하고, 비교예 2 및 3과 같이 액상률이 5.0％를 초과하면 리프트 오프가 발생하였다. 한편, 비교예 1, 4, 5, 6에서는 액상률이 낮으므로 리프트 오프가 발생하지 않았지만, 전술한 바와 같이, 내열피로성이 떨어져, 브리지나 고드름이 발생하였다.

이상으로부터, 본 발명에 관한 납땜 합금은, 리프트 오프, 브리지, 고드름의 발생을 억제함과 함께 우수한 내열피로성도 겸비할 수 있으므로, 가전제품이나 통신 기기 등의 전자 기기류의 전반에 걸쳐, 폭넓게 고품질의 필렛을 형성할 수 있다.

본 출원을 상세하게, 또한 특정 실시 양태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.

본 출원은, 2015년 11월 30일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2015-233363호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

Claims (3)

1. 질량％로,
   Bi: 0.1∼0.8％,
   Ag: 0∼0.3％, Cu: 0∼0.7％,
   P: 0.001∼0.1％,
   잔부가 Sn으로 이루어지고,
   Ag와 Bi의 함유량의 합계: 0.3∼0.8％인 합금 조성을 갖고,
   235℃에서의 고상률이 0.02체적％ 이하인 동시에 210℃에서의 액상률이 5.0체적％ 이하인 것을 특징으로 하는, 필렛 형성용 납땜 합금.
2. 삭제
3. 제1항에 기재된 합금 조성을 갖는, 납땜 조인트.

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