KR101763590B1 - 미싱율 개선 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

미싱율 개선 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미싱 개선된 솔더 합금 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 은(Ag)을 0 내지 4.0 wt%, 구리(Cu)를 0.1 내지 1.2 wt%, 니켈(Ni)을 0.001 내지 0.1 wt%, 납(Pb)을 0.0005 wt% 이하, 비스무스(Bi)를 0.002 wt% 이하, 게르마늄(Ge)을 0.005 내지 0.01 wt%, 인(P)을 0.002 내지 0.005 wt%로 포함하고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더볼로서, 인쇄회로기판에 부착 공정 진행 시 미싱율(missing rate)이 200ppm(0.02%) 이하인 주석계 솔더볼을 제공한다.

Description

미싱율 개선 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법{Composition of solder alloy improving missing rate and method of manufacturing the same}
본 발명은 미싱율 개선 솔더 합금 조성 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 휴대폰이나 전자부품 등 경박단소 및 고기능화에 따라 점점 패키지(Package)가 작아지고 있는 추세이다. 특히 휴대용 제품에서는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 파인 피치(fine pitch), 솔더볼(solder ball)의 소형화가 두드러지고 있다. 또한 PCB의 두께가 얇아짐으로서 휨(warpage) 현상이 많이 발생된다. 이 때문에 솔더볼을 인쇄회로기판 위에 붙이는 공정인 리플로우(reflow) 공정 시, 솔더볼이 PCB 위에 붙지 않는 현상, 미싱(Missing)이 대량 발생되고, 작업성이 많이 저하된다. 따라서 솔더볼이 작아질수록, 파인 피치로 갈수록 많이 발생되는 미싱율(missing rate) 및 작업성 저하에 대해 개선이 필요하다.
반도체 패키징 과정에서 반도체 칩과 기판을 연결하여 전기신호를 전달하는 솔더볼은 주로 전도성이 높고 열공정에 의해서 합금화가 용이한 금속합금으로 형성되어 있다. 일반적으로 리플로우용 솔더는 Sn-Ag-Cu계 합금이 많이 사용되고 있는데, Sn-Ag-Cu계 합금은 산화(oxidation) 문제를 갖고 있으며, 흡습성(wettability), 열저항(heat resistance), 내구성(strength) 개선이 필요하다.
선행문헌(공개공보 제2013-0017626호)에 개시된 주석계 솔더볼은 Ag, Cu, Ni, Bi, Sn 및 불가피한 불순물로 구성되어 있는데, 주석 내에 존재하는 산소와의 반응이 큰 불순물들은 주석의 산화도를 증가시키는 물질로 작용하여 미싱볼(missing ball)을 발생시키는 문제가 있다.
본 발명은 솔더볼의 미싱(missing) 및 이에 따른 작업성 저하, 내구성 감소 등의 문제를 해결하려는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 솔더 합금의 불순물 원소들의 함량을 제어하여 미싱율이 개선 및 산화방지 효과가 우수한 솔더볼을 제공함으로써, 인쇄회로기판 부착 공정시 작업성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상을 포함하고, 잔부의 주석(Sn)으로 구성되는 솔더볼로서, 납(Pb) 및 비스무스(Bi)가 1ppm 이하로 정제된 정제 주석을 이용하여, 납(Pb) 및 비스무스(Bi) 함량을 조절함으로써 제조된 것이며, 또한 납(Pb)이 5ppm 이하, 비스무스(Bi)가 20ppm 이하로 포함되고, 또한 게르마늄(Ge) 및 인(P) 중 어느 하나 이상을 더 포함하며, 또한 인쇄회로기판에 부착 공정 진행 시 미싱율(missing rate)이 200ppm 이하인 솔더볼을 제공한다.
또한 상기 게르마늄(Ge)은 50 내지 100ppm으로 포함되고, 상기 인(P)은 20 내지 50ppm으로 포함하는 솔더볼을 제공한다.
또한 상기 솔더볼이 게르마늄(Ge) 및 인(P)을 모두 포함하는 경우, 상기 게르마늄(Ge) 및 상기 인(P)의 총 함량이 100ppm 이하로 포함하는 솔더볼을 제공한다.
또한 상기 솔더볼은, 상기 은(Ag)을 0 내지 4.0 wt%, 상기 구리(Cu)를 0.1 내지 1.2 wt%, 상기 니켈(Ni)을 0 내지 0.1 wt% 포함하며, 평균 입경이 100 내지 500㎛인 솔더볼을 제공한다.
또한 상기 솔더볼은, 은(Ag)이 3.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 3.0Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 3.0wt%, 구리(Cu)가 0.2wt% 포함(Sn 3.0Ag 0.2Cu)되거나, 은(Ag)이 1.2wt%, 구리(Cu)가 0.5wt%, 니켈(Ni)이 0.05wt% 포함(Sn 1.2Ag 0.5Cu 0.05Ni)되거나, 은(Ag)이 1.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 1.0Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 2.5wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 2.5Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 2.3wt%, 구리(Cu)가 0.8wt% 포함(Sn 2.3Ag 0.8Cu)되거나, 은(Ag)이 2.3wt%, 구리(Cu)가 0.8wt%, 니켈(Ni)이 0.08wt% 포함(Sn 2.3Ag 0.8Cu 0.08Ni)되거나, 은(Ag)이 4.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 4.0Ag 0.5Cu)되거나, 구리(Cu)가 0.7wt% 포함(Sn 0.7Cu)되는 솔더볼을 제공한다.
또한 본 발명은 납(Pb) 및 비스무스(Bi)를 포함하는 불순물 금속을 1ppm 미만으로 포함하는 정제 주석을 준비하는 제1 단계; 상기 정제 주석과 적어도 1종 이상의 금속을 반응로에 장입하는 제2 단계; 및 상기 반응로의 압력, 온도 및 시간을 포함하는 조건을 제어하여 합금을 제조하는 제3 단계;를 포함하는 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제2 단계는 상기 정제 주석과, 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 납(Pb), 비스무스(Bi), 게르마늄(Ge) 및 인(P)으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 물질을 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계인 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제2 단계는 상기 납(Pb) 및 상기 비스무스(Bi)를 장입하는 경우, 상기 납(Pb)은 5ppm 이하로 포함되고, 상기 비스무스(Bi)는 20ppm 이하로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계인 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제2 단계는 상기 게르마늄(Ge) 또는 상기 인(P)을 장입하는 경우, 상기 게르마늄(Ge)은 50 내지 100ppm으로 포함되도록, 상기 인(P)은 20 내지 50ppm으로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계인 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제2 단계는 상기 게르마늄(Ge) 및 상기 인(P)이 모두 장입되는 경우, 게르마늄(Ge) 및 상기 인(P)의 총 함량이 100ppm 이하로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계인 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제3 단계는 상기 반응로를 제1 온도로 승온 후 유지하는 제1 승온단계 및 상기 반응로를 상기 제1 온도보다 높은 온도인 제2 온도로 승온 후 유지하는 제2 승온단계를 통해 합금을 제조하는 단계인 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제1 단계는 순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 진공로에서 증기를 공급하여 불순물 금속을 제거하는 진공정련을 통해 상기 정제 주석을 준비하는 단계인 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제1 단계는 순도 99.9% 내지 99.99%의 용융된 주석을 2~7μm의 구멍을 갖는 1~2mm 두께의 필터에 3~4bar의 압력 하에서 통과시켜 불순물 금속을 제거하는 필터링을 통해 상기 정제 주석을 준비하는 단계인 솔더 합금 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 솔더 합금 제조방법에 의하여 제조된, 은(Ag)을 0 내지 4.0 wt%, 구리(Cu)를 0.1 내지 1.2 wt%, 니켈(Ni)을 0 내지 0.1 wt%, 납(Pb)을 0.0005 wt% 이하, 비스무스(Bi)를 0.002 wt% 이하, 게르마늄(Ge)을 0.005 내지 0.01 wt%, 인(P)을 0.002 내지 0.005 wt% 포함하고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더 합금을 제공한다.
또한 본 발명의 솔더 합금 제조방법에 의해 제조된 솔더 합금을 용탕에 장입한 후 230~250℃로 용융시키는 용융단계; 상기 용융된 합금에 마스터 합금을 투입 후 온도를 250~280℃로 유지하는 투입단계; 상기 마스터 합금이 투입된 합금을 유도가열하는 가열단계; 및 상기 유도가열된 합금을 오리피스 홀로 통과시키는 볼형성단계;를 포함하는 솔더볼 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의해 주석 내의 불순물 금속 함량을 1ppm 이하로 정제한 후 솔더 합금 제조공정을 통해 불순물 금속을 주입하여 특정 불순물 금속의 함량을 용이하게 제어할 수 있으며, 특정 불순물 금속의 특정 함량을 갖는 미싱율이 개선(감소)된 솔더볼을 제공할 수 있으며, 인쇄회로기판 부착 공정 등 전반의 작업성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진공정련을 통한 주석 정제방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 주석의 준비에 대한 설명을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 진공로의 일예를 나타내는 도면이다.
도 4는 주석을 필터링하는데 사용되는 필터 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 주석을 필터링하는데 사용되는 필터의 사시도이다.
도 6은 주석을 필터링하는데 사용되는 필터를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 7은 주석을 필터링하는데 사용되는 필터의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 필터링 주석을 사용하여 제조된 합금의 산화막 분석 그래프이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
<미싱 개선 솔더 합금 제조방법>
본 발명의 일실시예에 따른 미싱 개선 솔더 합금은 정제주석을 이용하여 제조된다. 정제주석은 주석 내부에 잔존하는 Pb, Bi를 포함하는 불순물들의 농도가 1ppm 미만인 주석을 사용한다. 정제주석은 진공정련을 통해 정제되거나, 필터링을 통해 정제된 주석을 사용할 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 합금 제조방법은 정제 주석을 준비하는 제1 단계(S100), 정제 주석과 적어도 1종 이상의 금속을 반응로에 장입하는 제2 단계(S200) 및 반응로의 압력, 온도 및 시간을 포함하는 반응조건을 조절하여 합금을 제조하는 제3 단계(S300)를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일실시예에 따른 제1 단계(S100)는 정제 주석을 준비하는 단계로서, 3N(99.9%) 또는 4N(99.99%) 주석을 진공정련을 통해 정제되거나, 필터링을 통해 정제하여 얻을 수 있다. 진공정련을 통한 주석 정제방법 및 필터링을 통한 주석 정제방법은 후술한다.
또한 제1 단계(S100)는 납(Pb) 및 비스무스(Bi)를 포함하는 불순물 금속을 1ppm 미만으로 포함하는 정제 주석을 준비하는 단계이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제2 단계(S200)는 정제 주석과 적어도 1종 이상의 금속을 반응로에 장입하는 단계로서, 제1 단계(S100)를 통해 준비된 정제 주석과, 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 납(Pb), 비스무스(Bi), 게르마늄(Ge), 인(P), 철(Fe) 및 안티몬(Sb)으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 물질을 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계이다.
반응로는 고주파진공유도로(High frequency vacuum electric induction furnace)를 사용하는 것이 좋다. 고주파진공유도로에서 합금을 제조하는 경우에는 주석이 산소와 반응하여 주석산화물(SnO2)을 형성하는 불필요한 반응이 억제되면서 상대적으로 다른 원소의 함량 변화가 적어 편석률을 감소시킬 수 있다. 또한 고주파진공유도로의 전기적 와류에 의한 교반력은 종래 전기로를 이용하는 방법의 기계적인 교반력보다 우수하며, 대기 중에서 작업하는 것이 아니라 불활성 분위기 하에서 작업이 이루어지게 됨으로써, 편석을 더욱 억제할 수 있다.
제2 단계(S200)에서 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 장입하는 경우, 장입되는 금속 전체 중량에 대하여 은(Ag) 0~4.0 중량%, 구리(Cu) 0.1~1.2 중량%, 니켈(Ni) 0~0.1 중량%로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계이다. 정제 주석이 상기 함량의 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 포함하는 경우에는, 제2 단계에서 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 별도로 장입할 필요가 없다.
바람직하게는 은(Ag)이 3.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 3.0Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 3.0wt%, 구리(Cu)가 0.2wt% 포함(Sn 3.0Ag 0.2Cu)되거나, 은(Ag)이 1.2wt%, 구리(Cu)가 0.5wt%, 니켈(Ni)이 0.05wt% 포함(Sn 1.2Ag 0.5Cu 0.05Ni)되거나, 은(Ag)이 1.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 1.0Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 2.5wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 2.5Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 2.3wt%, 구리(Cu)가 0.8wt% 포함(Sn 2.3Ag 0.8Cu)되거나, 은(Ag)이 2.3wt%, 구리(Cu)가 0.8wt%, 니켈(Ni)이 0.08wt% 포함(Sn 2.3Ag 0.8Cu 0.08Ni)되거나, 은(Ag)이 4.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 4.0Ag 0.5Cu)되거나, 구리(Cu)가 0.7wt% 포함(Sn 0.7Cu)되도록 하는 것이 좋다.
또한 미싱율(missing rate) 개선을 위하여 납(Pb) 및 비스무스(Bi)를 장입하는 경우, 장입되는 금속 전체 중량에 대하여 납(Pb)은 5ppm 이하로 포함되고, 비스무스(Bi)는 20ppm 이하로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계이다. 납(Pb) 및 비스무스(Bi)를 1ppm 이하로 제거한 정제 주석을 사용하되, 제2 단계에서 별도로 납(Pb) 및 비스무스(Bi)를 장입하여, 솔더 합금에 포함되는 납(Pb) 및 비스무스(Bi)의 함량을 조절, 제어(control)할 수 있다.
또한 미싱율(missing rate)이 개선뿐만 아니라 산화방지를 위하여 게르마늄(Ge) 또는 인(P) 중 어느 하나 이상을 장입하는 경우, 장입되는 금속 전체 중량에 대하여 게르마늄(Ge)은 50 내지 100ppm 으로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하고, 인(P)은 20 내지 50ppm 으로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계이다.
게르마늄(Ge)의 함량이 50ppm 미만으로 첨가되거나 인(P)의 함량이 20ppm 미만으로 첨가될 경우 솔더볼이 황색으로 변색되어 솔더링을 방해함으로써 미싱율을 증가시키는 문제점이 있으며, 게르마늄(Ge)의 함량이 100ppm을 초과하거나 인(P)의 함량이 50ppm을 초과하여 첨가될 경우 Ge-O 산화막, P2O5 산화막의 두께가 증가하여 솔더링을 방해함으로써 미싱율을 증가시키는 문제점이 있음을 후술할 실험예에서 확인할 수 있다.
또한 철(Fe) 및 안티몬(Sb)을 장입하는 경우, 장입되는 금속 전체 중량에 대하여 철(Fe) 및 안티몬(Sb)이 각각 30ppm 이하로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입할 수 있으나, 철(Fe) 및 안티몬(Sb)의 함량이 제조된 솔더볼의 미싱율 개선효과에 영향을 미치는 것은 아님을 확인하였다.
본 발명의 일실시예에 따른 제3 단계(S300)는 반응로의 압력, 온도 및 시간을 포함하는 반응조건을 조절하여 합금을 제조하는 단계이다. 예를 들어, 제3 단계(S300)는 반응로를 제1 온도로 승온 후 유지하는 제1 승온단계 및 반응로를 제1 온도보다 높은 온도인 제2 온도로 승온 후 유지하는 제2 승온단계를 통해 합금을 제조하는 단계일 수 있다.
또한 제3 단계(S300)는 제1 승온단계 이전에 진공도 2.0×10-2 torr 내지 6.0×10-2 torr에서 10 내지 20분간 유지하고, 불활성 가스로 반응로를 퍼징(purging)한 후, 불활성 분위기를 10 내지 20분간 유지하는 전처리 단계를 더 포함한다. 진공도가 10-1 torr으로 떨어지면 산소가 주석과 반응하여 주석산화물이 다량 형성되는 문제점이 있어 상기 진공도 범위가 바람직하고, 퍼징을 통해 반응로 내부의 합금을 화학적 또는 물리적 반응을 일으키지 않는 불활성 기체로 중화 처리하며, 퍼징 압력은 750 ~ 760 torr 가 바람직하다.
제1 승온단계의 제1 온도는 700 내지 800℃이며, 제1 온도에 도달할 때까지 10 내지 20분간 승온하고 제1 온도에 도달하면 10 내지 20분간 유지한다.
제2 승온단계의 제2 온도는 1000 내지 1100℃이며, 제2 온도에 도달할 때까지 10 내지 20분간 승온하고, 제2 온도에 도달하면 60 내지 70분간 유지한다. 유지시간을 60분 내지 70분으로 하는 이유는 Ag, Cu, Ni, Pb, Bi, Fe, Sb 등 비중이 서로 다른 원소들을 균질하게 합금화시키기 위함이다.
본 발명의 솔더 합금 제조방법에 의하여 은(Ag)을 0 내지 4.0 wt%, 구리(Cu)를 0.1 내지 1.2 wt%, 니켈(Ni)을 0~0.1 wt%, 납(Pb)을 0.0005 wt% 이하, 비스무스(Bi)를 0.002 wt% 이하로 포함하고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더 합금을 제조할 수 있다. 또한 게르마늄(Ge) 또는 인(P) 중 어느 하나 이상이 포함되는 경우, 게르마늄(Ge)은 0.005 내지 0.01 wt%로, 인(P)은 0.002 내지 0.005 wt%로 포함된다. 또한 게르마늄(Ge) 및 인(P)이 모두 포함되는 경우, 게르마늄(Ge) 및 인(P)의 총 함량은 100ppm 이하로 포함된다.
더욱 바람직하게는 은(Ag)이 3.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 3.0Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 3.0wt%, 구리(Cu)가 0.2wt% 포함(Sn 3.0Ag 0.2Cu)되거나, 은(Ag)이 1.2wt%, 구리(Cu)가 0.5wt%, 니켈(Ni)이 0.05wt% 포함(Sn 1.2Ag 0.5Cu 0.05Ni)되거나, 은(Ag)이 1.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 1.0Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 2.5wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 2.5Ag 0.5Cu)되거나, 은(Ag)이 2.3wt%, 구리(Cu)가 0.8wt% 포함(Sn 2.3Ag 0.8Cu)되거나, 은(Ag)이 2.3wt%, 구리(Cu)가 0.8wt%, 니켈(Ni)이 0.08wt% 포함(Sn 2.3Ag 0.8Cu 0.08Ni)되거나, 은(Ag)이 4.0wt%, 구리(Cu)가 0.5wt% 포함(Sn 4.0Ag 0.5Cu)되거나, 구리(Cu)가 0.7wt% 포함(Sn 0.7Cu)되고, 납(Pb)을 0.0005 wt% 이하, 비스무스(Bi)를 0.002 wt% 이하로 포함하는 주석계 솔더 합금을 제조할 수 있다.
<솔더 합금을 이용한 솔더볼 제조방법>
본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼을 제조하는 방법은 솔더 합금 제조방법에 의해 제조된 솔더 합금을 용탕에 장입한 후 용융시키는 제4 단계(S400), 용융된 합금에 마스터 합금을 투입 후 온도를 유지하는 제5 단계(S500), 마스터 합금이 투입된 합금을 유도가열하는 제6 단계(S600) 및 유도가열된 합금을 오리피스 홀로 통과시키는 제7 단계(S700)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 제4 단계(S400)는 제조된 솔더 합금을 용탕에 장입한 후 230~250℃로 용융시키는 단계이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제5 단계(S500)는 용융된 합금에 마스터 합금을 투입 후 온도를 250~280℃로 유지하는 단계이다. 제5 단계(S500)에서 마스터 합금을 투입하는 이유는 첨가원소(Sn)를 다량으로 함유한 합금(Sn-Ge 마스터 합금)을 별도로 용융제로 만들어 놓고 합금의 기초가 되는 금속의 용융액에 가하여 희석하는 방법으로서, 목적하는 합금을 만들 때 첨가하려는 합금원소를 정량만큼 균일하게 첨가시키기 위함이다. 또한 Ge 단독으로는 용융점(938℃)이 높으므로 마스터 합금을 제조함으로써 융점을 낮출 수 있다. 마스터 합금은 주석(Sn) 및 게르마늄(Ge)을 포함하며, 주석 100 중량부에 대하여 게르마늄 0.1~5 중량부를 포함하는 것이 바람직하나 이로써 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 따른 제6 단계(S600)는 마스터 합금이 투입된 합금을 유도가열하는 단계이다. 제6 단계(S600)는 전자기 유도에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 가열하는 방법으로서 전자기 유도에 의해 유도된 2차 전류가 피가열 재료로 흐르는 경우에 발생하는 줄열(Joule's heat)을 이용한다. 이 때 피가열 재료는 제5 단계를 거쳐 제조된 합금이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제7 단계(S700)는 유도가열된 합금을 오리피스 홀로 통과시키켜 솔더볼을 형성하는 단계이다. 제7 단계(S700)에서 형성되는 솔더볼의 크기는 주파수와 압력으로 조절이 가능하다. 직경이 70 ~ 120μm인 오리피스 홀을 사용하여, 7 ~ 15Khz 주파수, 1000 ~ 2000mbar 압력으로 평균 직경 100 내지 500㎛ 인 솔더볼을 제조한다.
본 발명의 솔더볼 제조방법에 의하여 은(Ag)을 0 내지 4.0 wt%, 구리(Cu)를 0.1 내지 1.2 wt%, 니켈(Ni)을 0~0.1 wt%, 납(Pb)을 0.0005 wt% 이하, 비스무스(Bi)를 0.002 wt% 이하로 포함하고, 잔부의 주석(Sn)을 포함하는 평균 입경이 100 내지 500㎛ 인 솔더볼을 제조할 수 있다. 또한 게르마늄(Ge) 또는 인(P) 중 어느 하나 이상을 포함하는 솔더볼을 제조할 수 있으며, 게르마늄(Ge)이 포함되는 경우 0.005 내지 0.01 wt% 포함되고, 인(P)이 포함되는 경우 0.002 내지 0.005 wt% 포함되며, 게르마늄(Ge) 및 인(P)이 모두 포함되는 경우 상기 범위 내의 함량을 만족하면서, 총 함량이 0.01 wt% 이하인 솔더볼을 제조할 수 있다.
즉 본 발명의 솔더볼은 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상을 포함하고, 잔부의 주석(Sn)으로 구성되는 솔더볼로서, 납(Pb) 및 비스무스(Bi)가 1ppm 이하로 정제 주석을 이용하여, 납(Pb) 및 비스무스(Bi) 함량을 조절함으로써 제조된 것이다.
또한 본 발명에 따른 솔더볼은 납(Pb)이 5ppm 이하, 비스무스(Bi)가 20ppm 이하로 포함되어 인쇄회로기판에 부착 공정 진행 시 미싱율(missing rate)이 200ppm(0.02%) 이하인 솔더볼로서 생산수율 증가, 재작업 횟수 감소 등의 작업성 향상 효과를 제공하며, 이로 인한 비용 절감 효과를 제공한다.
또한, 경우에 따라 게르마늄(Ge) 및 인(P)을 더 포함하여 미싱율 개선 및 산화방지 효과가 우수한 솔더볼을 제공한다.
<정제주석 제조방법>
(1) 진공정련을 통한 주석의 정제
본 발명의 일실시예에 따른 진공정련을 통한 주석의 정제방법(S110)은 원소들의 증기압의 차이를 이용하여 주석으로부터 납 및 비스무스와 같은 불순물을 제거하는 방법으로서 본 발명에 따른 진공정련에 의하여 불순물을 ppm 레벨 이하인 ppb 레벨까지 제거할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 진공정련을 통한 주석의 정제방법(S110)은 순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 진공로에서 고온의 증기를 공급하여 불순물 금속을 제거한다.
더욱 구체적으로, 불순물 금속을 포함하는 일반 주석을 준비하는 단계(S1101), 준비된 주석을 도가니에 수용한 후 진공로에 넣는 단계(S1105) 및 진공로에서 증기를 통해 주석보다 높은 증기압과 낮은 끓는점을 갖는 불순물을 제거하는 단계(S1106)를 포함한다.
바람직하게는, (S1101) 단계 및 (S1105) 단계 사이에 전처리 공정으로서, 준비된 주석을 염산을 통해 세척하는 단계(S1102), 세척된 주석을, 아세폰, 에탄올 및 증류수 중 어느 하나를 통해 세척한 후 건조시키는 단계(S1103)를 더 포함한다.
더 바람직하게는, 진공로 내부에 구비되어 주석을 수용하는 도가니를 염산으로 세척한 후건조시키는 단계(S1104)를 더 포함한다.
또한, (S1106) 단계 이후에는, 진공로를 냉각하여 불순물이 제거된 주석을 식히는 단계(S1107) 및 불순물이 제거된 주석을 질소가스로 세척하여 오염 입자를 더 제거하는 단계(S1108)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, (S1101) 단계에서의 주석은, 부피대비 큰 표면적을 얻을 수 있도록, 과립법을 통한 알갱이 형태, 압연을 통한 박판 형태, 주조를 통한 넓은 판 형태 중 어느 하나로 준비되는 것이 바람직하다. 또한, 주석은 은 또는 구리가 함유된 주석계 합금인 것이 바람직하다.
도 1에 본 발명에 따른 진공정련을 통한 주석 정제방법의 순서도를 나타내었으며, 도 2에 본 발명에 적용되는 주석의 준비에 대한 설명을 나타내는 그림을 도시하였고, 도 3에 본 발명에 적용되는 진공로의 일예를 나타내는 그림을 도시하였다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 진공정련을 통한 주석 정제방법은, 먼저 순도가 99.9%~99.99%의 원자재 주석(201)을 준비한다(S1101). 이때, 주석(201)은 부피대비 큰 표면적을 얻기 위해, 과립법을 통해 작은 알갱이 형태로 만들거나, 압연을 통해 박판 형태로 만들거나, 주조를 통해 넓은 판 형태로 만든다. 또한, 본 명세서에서는 솔더의 원자재인 주석을 예를 들어 설명하고 있지만, 주석은 예를 들어 은(Ag)이 1.0 ~ 3.0중량%(Wt%)가 함유되거나, 구리(Cu)가 0.4 ~ 0.8 중량%(Wt%)가 함유된 주석계 합금이 이용될 수 있다.
다음에, 전처리 공정으로서, (S1101) 단계를 통해 준비된 주석(201)을 희석된 염산(203) 용액(7~12%)이 담긴 세척조에 담구어 세척한다(S1102).
그 다음, (S1102) 단계를 통해 세척된 주석(201)을 아세톤(205, 또는 에탄올)이나 증류수(207)가 담긴 세척조에 담구어 세척한 후, 세척된 주석(201)을 꺼내어 질소나 공기로 건조시킨다(S1103).
아울러, 도 3에 도시된 바와 같은 진공로(300) 내부에 구비되어 주석(201)을 수용하는 도가니(310)를 염산으로 세척한 후, 질소 가스로 건조시킨다(S1104). 이때, 도가니(310)는 석영 또는 알루미나 판재로 이루어진 용기를 사용할 수 있으며, 이 중에서도 특히 주석 내로 불순물이 혼입되는 것을 방지하기 위해 고순도의 석영 판재로 이루어진 용기를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 진공로(300)는 주석으로부터 납 및 비스무스와 같은 불순물을 제거할 수 있기만 하면 당업계에 일반적으로 공지된 전기 튜브로 또는 상자형로 또는 다른 이외의 진공로를 사용할 수 있다. 일예로서, 본 발명의 일실시예에 따른 진공로(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이, U자 형상의 지지프레임(301)의 내측 양쪽과 저면에 흑연 내벽(303)이 형성되어 있고, 흑연 내벽(303)의 저면 일부와 지지프레임(301)의 저면을 관통하여 진공 배출구(305)가 형성되어 있으며, 흑연 내벽(303)의 저면 일부에서 기립 설치되어 도가니(310)를 지지하는 복수개의 지지대(307)가 형성되고, 지지대(307)의 상부에 탑재되어 주석(201)을 수용할 수 있도록 도가니(310)가 구비되며, 상부에 설치되어 증기 발생용 물을 주입하거나 배출하는 물 주입구(308) 및 물 배출구(309)가 형성되어 있되, 고진공을 얻기 위해 증기를 고속으로 내뿜거나 확산시키는 진공펌프인 확산펌프(312) 및 진공을 쉽게 얻을 수 있도록 확산펌프(312)의 보조 역할을 수행하는 회전펌프(314)를 포함하여 구성된다. 또한, 진공로(300)의 내부에는 진공로의 내부 압력을 측정하는 압력게이지(316) 및 진공로의 내부 온도를 측정하는 열전대(318)가 구비되며, 외부에는 진공로(300)의 내부 온도, 압력 및 시간을 설정하는 컨트롤러(도시 생략)가 구비된다.
한편, 상기 (S1102) 단계 내지 (S1104) 단계의 전처리 공정 이후, 주석(201)을 도가니(310)에 탑재하여 수용한 후 진공로(300)에 넣는다(S1105).
다음에, 진공로(300)에 소정의 온도, 압력 및 시간의 조건에 따라, 납, 비스무스, 안티몬 및 비소와 같은 불순물을 주석으로부터 제거한다(S1106).
즉, 본 발명에 따른 진공정련을 통한 주석 정제방법은 동일한 온도에서 납, 비스무스 및 안티몬과 같은 불순물들을 증류를 통해 주석으로부터 분리될 수 있다.
구체적으로, 주석은 낮은 녹는점과 높은 끓는점을 가지고 있으며, 주석 내에 함유된 납, 비스무스 및 안티몬과 같은 불순물들은 주석에 비해 낮은 끓는점과, 동일한 온도에서 높은 증기압을 가지고 있으므로, 진공 증류를 통해 낮은 끓는점을 갖는 불순물들을 제거하는 것이 가능하다.
이어서, (S1106) 단계 이후, 진공 정련된 주석을 꺼내기 위해 진공로(300)를 냉각하여 불순물이 제거된 주석을 냉각한다(S1107).
이후, 불순물이 제거된 주석을 진공로(300)에서 꺼낸 후, 탄소나 다른 오염 입자를 제거하기 위해 질소가스로 주석을 세척하여 주석의 제조를 완료한다(S1108).
(2) 필터링을 통한 주석의 정제
본 발명의 일실시예에 따른 필터링을 통한 주석의 정제방법(S120)은 순도 99.9% 내지 99.99%의 용융된 주석을 2~7μm의 구멍을 갖는 1~2mm 두께의 필터에 3~4bar의 압력 하에서 통과시켜 불순물 금속을 제거하는 방법으로서 불순물 금속을 1ppm 이하로 제거할 수 있다.
더욱 구체적으로, 순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 250~350℃에서 용융시키는 단계(S1201), 용융된 주석을 2 ~ 7μm 구멍의 필터를 가지는 필터 장치에 3 ~ 4bar의 압력 하에서 통과시켜 주석을 정제하는 단계(S1202)를 포함한다.
(S1201) 단계에서 주석의 용융 온도는 주석의 용융점이 232℃이므로 250℃ 이하에서는 용융작업이 원활하지 않으며, 350℃ 이상에서는 높은 온도에 의한 주석의 산화 발생이 높기 때문에 필터링 효과가 미비하다. 바람직하게는 290~310℃에서 주석을 용융시킨다.
(S1202) 단계에서 사용되는 필터 장치는 도 4와 같은 구조를 가지며, 용융된 주석이 주입되는 주입부(21)와 필터링된 주석이 유출되는 유출부(22) 및 필터(10), 스프링(30), 이를 감싸고 있는 본체(40)로 구성된다. 용융된 주석은 3~4bar의 압력 하에서 주입부(21)를 통해 주입되며, 원통형의 필터(10)를 통과하면 불순물이 제거된 용융 주석을 유출부(22)를 통해 얻는다.
필터(10)는 도 5의 사시도 및 도 6의 평면도에서 나타나는 것과 같이 높이 2cm, 두께 1~2mm를 가지며, 도 7의 단면사시도에서 나타나는 것과 같이 하단부가 폐쇄된 원통형의 구조이다.
필터의 소재는 페라이트계 스테인리스강 또는 오스테나이트계 스테인리스강을 사용한다. 스테인리스강에는 몰리브덴, 니켈, 크롬 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴이 6% 이하로 포함되면 균열 및 응력을 잘 견딜 수 있는 효과가 있으며, 크롬이 13% 이상 포함되면 높은 산화저항성을 갖게 하는 효과가 있다. 니켈이 10% 이하 포함되면 용융점부터 낮은 온도까지 오스테나이트 구조를 유지시키는 효과가 있다. 필터 구멍의 크기는 2 ~ 7μm 이고, 2μm 미만일 경우 작업성이 저하되고 7μm 초과일 경우에는 효과가 미비하다.
또한 압력이 3bar 미만, 4bar 초과일 경우 필터링 효과가 없다.
주석 필터링 후에는 Pb, Fe, Bi, Al, Zn 등의 불순물들이 제거되어 불순물 각각의 농도가 1ppm 이하가 된다. 필터링 된 주석은 도 8에서와 같이 필터링 되지 않은 주석에 비해 산소의 농도가 적으며 상대적으로 Sn, Ag, Cu 등의 농도가 높음을 알 수 있으며, 머시 영역(Mushy region)을 최소화 시킨다. 머시영역은 액상에서 고상으로 바뀔 때 액상과 고상이 동시에 존재하는 영역으로서, 액상에서 고상으로 바뀔 때 Pb, Fe 등 불순물이 있을 경우, 각각의 원소들은 하나의 상으로 존재하며, 이런 불순물들이 핵생성 사이트를 만들어 응고되는 시간을 늘려 머시영역이 늘어나게 된다. 솔더볼 접합 시 빠른 반응이 일어나야 하는데, 머시영역이 클 경우에는 반응시간이 길어져 접합반응을 느리게 하므로 머시영역은 최소화 되어야 한다.
<실시예 및 실험예>
(1) 미싱율 평가
솔더볼의 미싱율 평가 방법은 아래와 같은 식으로 계산하였다.
Figure 112017006161321-pat00010
전체적으로 미싱(Missing)이 발생된 비율은 미싱범프(missing bump)가 발생된 개수를 1 유닛(unit) 당 존재하는 범프(bump)수에 유닛(unit)수를 곱한 값으로 나눠준 방식으로 계산되었다.
미싱율(Missing rate) 평가는 본 발명의 실시예에 따른 크기 250um의 솔더볼을 사용하여 SR open이 0.23mm, pitch가 0.4mm, bump수가 778개인 유닛 18개로 구성된 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 100장에 대해 평가 되었다. 솔더볼의 크기는 250um 였다.
1) 불순물 함량에 따른 미싱율 평가(1차 평가)
본 발명에 의해 제조된 솔더볼의 Pb, Bi, Fe, Sb 함량에 따른 미싱율 평가를 진행하였다. 본 발명에 따른 솔더 합금 제조방법에 따라 Pb 함량을 300ppm, Bi 함량을 50ppm, Fe 함량을 200ppm, Sb 20ppm으로 조절하여 솔더 합금을 제조하였으며, 제조된 솔더 합금을 이용하여 본 발명에 따른 솔더볼 제조방법에 따라 솔더볼을 제작하여 미싱율을 평가하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
　 Pb(ppm) Bi(ppm) Fe(ppm) Sb(ppm) Missing rate(ppm)
1-1 300 0 0 0 3200
1-2 0 0 0 20 100
1-3 0 0 30 20 150
1-4 300 0 0 20 3250
1-5 300 50 0 20 3800
1-6 0 50 0 20 1350
1-7 300 50 30 20 4000
1-8 300 0 30 20 3400
1-9 300 50 30 0 3700
1-10 0 50 30 20 1500
1-11 0 50 30 0 1450
1-12 0 0 0 0 0
1-13 300 0 30 0 3200
1-14 300 50 0 0 3900
1-15 0 50 0 0 1300
1-16 0 0 30 0 100
1차 평가 결과, 미싱율에 영향을 주는 가장 큰 인자는 Pb, Bi 이며, Fe, Sb는 미싱율에 큰 영향을 주지 못함을 알 수 있다. 1차 평가 결과를 바탕으로 미싱율과 Pb, Bi 함량과의 관계를 회귀식으로 표현하면 하기 식 1과 같다.
[식 1]
Missing Ball Rate = 2150 + 1406.25 * ((Pb - 150) / 150) + 475 * ((Bi - 25) / 25) + (Pb - 150) / 150 * (Bi - 25) / 25 * -181.25
2) 불순물 함량에 따른 미싱율 평가(2차 평가)
본 발명에 의해 제조된 솔더볼의 Pb, Bi 함량에 따른 미싱율 평가를 진행하였다. 본 발명에 따른 솔더 합금 제조방법에 따라 Pb 함량을 0 내지 300ppm, Bi 함량을 0 내지 50ppm으로 조절하여 솔더 합금을 제조하였으며, 제조된 솔더 합금을 이용하여 본 발명에 따른 솔더볼 제조방법에 따라 솔더볼을 제작하여 미싱율을 평가하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
　 Pb(ppm) Bi(ppm) Missing rate(ppm)
2-1 300 50 3900
2-2 300 0 3200
2-3 0 50 1300
2-4 200 0 2400
2-5 100 0 1200
2-6 50 0 600
2-7 30 0 450
2-8 20 0 300
2-9 10 0 220
2-10 0 40 800
2-11 0 30 400
2-12 5 0 130
2-13 2 0 50
2-14 0 20 120
2-15 0 10 80
2-16 0 5 30
2-17 5 20 180
2-18 2 5 85
2차 평가 결과 200ppm 이하의 미싱율로 공정을 관리하기 위해서는 Pb의 경우 5ppm 이하, Bi의 경우 20ppm 이하로 포함되도록 제조된 솔더볼(2-12 내지 2-18)이 적합함을 알 수 있다.
3) 불순물 함량에 따른 미싱율 평가(3차 평가)
본 발명에 의해 제조된 솔더볼의 Ge, P 함량에 따른 미싱율 평가를 진행하였다. 본 발명에 따른 솔더 합금 제조방법에 따라 Pb 함량을 5ppm, Bi 함량을 20ppm으로 고정하고, Ge 함량을 30 내지 150ppm, P 함량을 10 내지 80ppm으로 조절하여 솔더 합금을 제조하였으며, 제조된 솔더 합금을 이용하여 본 발명에 따른 솔더볼 제조방법에 따라 솔더볼을 제작하여 미싱율을 평가하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
Composition Pb(ppm) Bi(ppm) Ge(ppm) P(ppm) Missing rate(ppm)
3-1 SAC302 5 20 30 0 500
3-2 SAC302 5 20 50 0 180
3-3 SAC302 5 20 80 0 175
3-4 SAC302 5 20 100 0 180
3-5 SAC302 5 20 150 0 800
3-6 SAC302 5 20 0 10 600
3-7 SAC302 5 20 0 20 180
3-8 SAC302 5 20 0 50 190
3-9 SAC302 5 20 0 80 1200
3-10 SAC302 5 20 80 20 185
3-11 SAC302 5 20 100 20 350
3-12 SAC302 5 20 100 40 750
3-13 SAC302 5 20 80 50 500
3-14 SAC305 5 20 80 　 180
3-15 SAC105 5 20 80 　 185
3-16 SAC405 5 20 80 　 170
3-17 SAC2505 5 20 80 　 175
3-18 SAC205 5 20 　 30 180
3-19 SAC1205Ni 5 20 　 30 185
3-20 Sn0.7Cu 5 20 　 30 190
3차 평가 결과 200ppm 이하의 미싱율로 공정을 관리하기 위해서는 Ge의 경우 50 내지 100ppm으로 포함되도록 제조된 솔더볼(3-2 내지 3-4, 3-14 내지 3-17), P의 경우 20 내지 50ppm으로 포함되도록 제조된 솔더볼(3-7 내지 3-8, 3-18 내지 3-20)이 적합함을 알 수 있다. 또한 Ge 및 P가 모두 포함되는 경우 상기 범위 내에서 100ppm 이하로 포함되도록 제조된 솔더볼(3-10)이 100ppm 초과하여 포함되도록 제조된 솔더볼(3-11 내지 3-13)이 적합함을 알 수 있다.
4) 솔더볼 크기에 따른 미싱율 평가
본 발명에 의해 제조된 솔더볼의 크기에 따른 미싱율 평가를 진행하였다. 본 발명에 따른 솔더 합금 제조방법에 따라 Pb 함량을 5ppm, Bi 함량을 20ppm으로 조절하여 솔더 합금을 제조하였으며, 제조된 솔더 합금을 이용하여 본 발명에 따른 솔더볼 제조방법에 따라 다양한 크기의 솔더볼을 제작하여 미싱율을 평가하였고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
　 Ball size
(um)		 Pb(ppm) Bi(ppm) Missing rate
(ppm)
4-1 250 5 20 180
4-2 300 5 20 180
4-3 400 5 20 185
4-4 500 5 20 250
4-5 600 5 20 400
4-6 200 5 20 160
4-7 150 5 20 140
4-8 100 5 20 130
미싱율 평가 결과 Pb, Bi의 함량이 각각 5ppm, 20ppm 이하로 조절되고 솔더볼의 크기가 500um 미만인 경우에 미싱율 200ppm의 개선 효과를 나타냄을 알 수 있다.
5) 주석 등의 조성에 따른 미싱율 평가
본 발명에 의해 제조된 솔더볼의 주석 등의 조성에 따른 미싱율 평가를 진행하였다. 본 발명에 따른 솔더 합금 제조방법에 따라 다양한 주석 등의 조성 및 Pb 함량을 5ppm, Bi 함량을 20ppm으로 조절하여 솔더 합금을 제조하였으며, 제조된 솔더 합금을 이용하여 본 발명에 따른 솔더볼 제조방법에 따라 다양한 SAC 조성의 솔더볼을 제작하여 미싱율을 평가하였고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
　 Composition Sn Ag
(wt%)		 Cu
(wt%)		 Ni
(wt%)		 Pb
(ppm)		 Bi
(ppm)		 Missing rate(ppm)
5-1 SAC302 remain 3.0 0.2 5 20 180
5-2 SAC305 remain 3.0 0.5 5 20 180
5-3 SAC105 remain 1.0 0.5 5 20 185
5-4 SAC405 remain 4.0 0.5 5 20 170
5-5 SAC2505 remain 2.5 0.5 5 20 175
5-6 SAC205 remain 2.0 0.5 5 20 180
5-7 SAC2308 remain 2.3 0.8 5 20 180
5-8 SAC2308Ni remain 2.3 0.8 0.08 5 20 185
5-9 SAC1205Ni remain 1.2 0.5 0.05 5 20 185
5-10 Sn0.7Cu remain 0.7 5 20 190
평가 결과, Pb, Bi의 함량이 각각 5ppm, 20ppm 이하로 조절되는 경우 상기 범위 내의 SAC의 조성에 상관없이 미싱율이 200ppm 이하임을 알 수 있다.
6) PCB 표면 처리에 따른 미싱율 평가
본 발명에 의해 제조된 솔더볼을 사용하여, PCB 표면 처리에 따른 미싱율 평가를 진행하였다. 표 6과 같이 표면 처리된 PCB 패드 및 Pb 함량을 5ppm, Bi 함량을 20ppm으로 조절하여 제조된 솔더볼을 제작하여 미싱율을 평가하였고, 그 결과를 표 5에 나타내었다.
　 Pad finish Pb(ppm) Bi(ppm) Missing rate(ppm)
6-1 NiAu 5 20 180
6-2 Cu-OSP 5 20 175
6-3 ENIG 5 20 185
6-4 ENEPIG 5 20 180
6-5 Immersion Tin 5 20 190
평가 결과, Pb, Bi의 함량이 각각 5ppm, 20ppm 이하로 조절되는 경우 PCB 패드의 표면처리에 상관없이 미싱율이 200ppm 이하임을 알 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, 잔부의 주석(Sn)으로 구성되는 솔더볼로서,
    상기 솔더볼은 납(Pb) 및 비스무스(Bi)가 1ppm 이하로 정제된 정제 주석을 이용하여, 납(Pb) 및 비스무스(Bi) 함량을 조절함으로써 제조된 것이며,
    상기 솔더볼은 납(Pb)이 5ppm 이하, 비스무스(Bi)가 20ppm 이하로 포함되고,
    상기 솔더볼은 게르마늄(Ge) 및 인(P)으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하며,
    상기 솔더볼은 인쇄회로기판에 부착 공정 진행 시 미싱율(missing rate)이 200ppm 이하인 솔더볼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게르마늄(Ge)은 50 내지 100ppm으로 포함되고,
    상기 인(P)은 20 내지 50ppm으로 포함하는 솔더볼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 솔더볼이 게르마늄(Ge) 및 인(P)을 모두 포함하는 경우,
    상기 게르마늄(Ge) 및 상기 인(P)의 총 함량이 100ppm 이하로 포함하는 솔더볼.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 솔더볼은,
    상기 은(Ag)을 0 내지 4.0 wt%,
    상기 구리(Cu)를 0.1 내지 1.2 wt%,
    상기 니켈(Ni)을 0 내지 0.1 wt% 포함하며,
    평균 입경이 100 내지 500um인 솔더볼.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 솔더볼은,
    은(Ag)을 3.0wt%, 구리(Cu)를 0.5wt% 포함하거나,
    은(Ag)을 3.0wt%, 구리(Cu)를 0.2wt% 포함하거나,
    은(Ag)을 1.2wt%, 구리(Cu)를 0.5wt%, 니켈(Ni)을 0.05wt% 포함하거나,
    은(Ag)을 1.0wt%, 구리(Cu)를 0.5wt% 포함하거나,
    은(Ag)을 2.5wt%, 구리(Cu)를 0.5wt% 포함하거나,
    은(Ag)을 2.3wt%, 구리(Cu)를 0.8wt% 포함하거나,
    은(Ag)을 2.3wt%, 구리(Cu)를 0.8wt%, 니켈(Ni)을 0.08wt% 포함하거나,
    은(Ag)을 4.0wt%, 구리(Cu)를 0.5wt% 포함하거나,
    구리(Cu)를 0.7wt% 포함하는 솔더볼.
  6. 납(Pb) 및 비스무스(Bi)를 포함하는 불순물 금속을 1ppm 미만으로 포함하는 정제 주석을 준비하는 제1 단계;
    상기 정제 주석과, 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 납(Pb), 비스무스(Bi), 게르마늄(Ge) 및 인(P)으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 물질을 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 제2 단계; 및
    상기 반응로의 압력, 온도 및 시간을 포함하는 조건을 제어하여 합금을 제조하는 제3 단계;를 포함하고,
    상기 제2 단계는 상기 납(Pb) 및 상기 비스무스(Bi)를 장입하는 경우,
    상기 납(Pb)은 5ppm 이하로 포함되고, 상기 비스무스(Bi)는 20ppm 이하로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계인 솔더 합금 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 단계는 상기 게르마늄(Ge) 또는 상기 인(P)을 장입하는 경우,
    상기 게르마늄(Ge)은 50 내지 100ppm으로 포함되도록,
    상기 인(P)은 20 내지 50ppm으로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계인 솔더 합금 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 단계는 상기 게르마늄(Ge) 및 상기 인(P)이 모두 장입되는 경우,
    상기 게르마늄(Ge) 및 상기 인(P)의 총 함량이 100ppm 이하로 포함되도록 무게비로 칭량하여 반응로에 장입하는 단계인 솔더 합금 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 단계는 상기 반응로를 제1 온도로 승온 후 유지하는 제1 승온단계 및 상기 반응로를 상기 제1 온도보다 높은 온도인 제2 온도로 승온 후 유지하는 제2 승온단계를 통해 합금을 제조하는 단계인 솔더 합금 제조방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제1 단계는 순도 99.9% 내지 99.99%의 주석을 진공로에서 불순물 금속을 제거하는 진공정련을 통해 상기 정제 주석을 준비하는 단계인 솔더 합금 제조방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 제1 단계는 순도 99.9% 내지 99.99%의 용융된 주석을 2~7μm의 구멍을 갖는 1~2mm 두께의 필터에 3~4bar의 압력 하에서 통과시켜 불순물 금속을 제거하는 필터링을 통해 상기 정제 주석을 준비하는 단계인 솔더 합금 제조방법.
  14. 제6항의 솔더 합금 제조방법에 의하여 제조된,
    은(Ag)을 0 내지 4.0 wt%,
    구리(Cu)를 0.1 내지 1.2 wt%,
    니켈(Ni)을 0 내지 0.1 wt%
    납(Pb)을 0.0005 wt% 이하,
    비스무스(Bi)를 0.002 wt% 이하,
    게르마늄(Ge)을 0.005 내지 0.01 wt%,
    인(P)을 0.002 내지 0.005 wt% 포함하고,
    잔부의 주석(Sn)을 포함하는 솔더 합금.
  15. 제6항의 솔더 합금 제조방법에 의해 제조된 솔더 합금을 용탕에 장입한 후 230~250℃로 용융시키는 용융단계;
    상기 용융된 합금에 마스터 합금을 투입 후 온도를 250~280℃로 유지하는 투입단계;
    상기 마스터 합금이 투입된 합금을 유도가열하는 가열단계; 및
    상기 유도가열된 합금을 오리피스 홀로 통과시키는 볼형성단계;를 포함하는 솔더볼 제조방법.
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