KR101941831B1 - 땜납 조인트 및 기판 - Google Patents

Abstract

저융점에서 연성이 우수하고 인장 강도가 높고, 접합 계면의 P 리치층의 생성을 억제하여 높은 전단 강도를 가짐으로써, 기판의 변형을 억제하여 우수한 접속 신뢰성을 갖는 Sn-Bi-Cu-Ni계 무연 땜납 합금을 제공한다. 전극의 Cu나 Ni의 확산을 억제함과 함께 땜납 합금의 연신율이나 습윤성을 확보하기 위해, 질량％로, Bi: 31∼59％, Cu: 0.3∼1.0％, Ni: 0.01∼0.06％, 잔부 Sn을 포함하는 합금 조성을 갖는다.

Description

땜납 조인트 및 기판 {SOLDER JOINT AND SUBSTRATE}

본 발명은, 무연 땜납 합금에 관한 것이다. 특히, 접속 신뢰성이 우수한 Sn-Bi-Cu-Ni계 무연 땜납 합금에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화 등의 전자 기기는 소형화, 박형화되는 경향에 있다. 그러한 전자 기기에 사용되고 있는 반도체 장치 등의 전자 부품에서는, 두께를 수 ㎜ 정도로부터 1㎜ 이하로 얇게 한 기판이 사용되어지고 있다.

한편, 종래, 무연 땜납으로서 Sn-Ag-Cu 땜납 합금이 널리 사용되고 있다. Sn-Ag-Cu 땜납 합금은 비교적 융점이 높고, 공정 조성인 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금에서도 220℃ 정도를 나타낸다. 이로 인해, 전술한 바와 같은 얇은 기판의 전극을 Sn-Ag-Cu 땜납 합금으로 솔더링을 행하면, 접합시의 열에 의해 기판이 변형되어, 접합 불량이 발생하는 경우가 있다.

이러한 접속 불량에 대해, 솔더링을 저온에서 행함으로써 얇은 기판의 변형을 억제하여 접속 신뢰성을 높이는 것이 행해지고 있다. 이것에 대응 가능한 저융점 땜납 합금으로서, Sn-Bi 땜납 합금이 알려져 있다. 이 땜납 합금 중에서도, Sn-58Bi 땜납 합금은, 융점이 140℃ 정도로 상당히 낮아, 기판의 변형을 억제할 수 있다.

그러나, Bi는 원래 취약한 원소이며, Sn-Bi 땜납 합금도 취약하다. Sn-Bi 땜납 합금의 Bi의 함유량을 저감시켜도, Bi가 Sn 중에 편석됨으로써 취화된다. Sn-Bi 땜납 합금을 사용하여 솔더링을 행한 땜납 조인트는, 막대한 응력이 가해지면 그 취성에 의해 균열이 발생하여 기계적 강도가 열화될 우려가 있다.

또한, 전자 부품의 소형화에 대응하기 위해, 그것에 사용하는 기판의 면적을 좁게 해야 해, 전극의 소형화나 전극 사이의 저피치화를 실현해야 한다. 나아가, 솔더링을 행하기 위한 땜납 합금의 사용량이 저감되므로, 땜납 조인트의 기계적 강도가 저하된다.

따라서, 특허문헌 1에는, 높은 접합 강도를 갖는 땜납 접합을 가능하게 하기 위해, Sn-Bi 땜납 합금에 Cu 및 Ni를 첨가한 Sn-Bi-Cu-Ni 무연 땜납 합금이 개시되어 있다. 동 문헌에 의하면, 이 땜납 합금을 사용한 접합부는, 땜납 접합부 중 및/또는 땜납 접합 계면에 육방 세밀 충전 구조를 갖는 금속간 화합물을 형성하므로 접합 강도가 향상된다고 하는 것이다.

일본 특허 공개 제2013-00744호 공보

전자 부품의 전극은, 통상, Cu이고, 이 Cu 전극에 대해, 무전해 Ni 도금, 무전해 Ni/Au 도금이나 무전해 Ni/Pd/Au 도금이 피복되어 있는 것이 일반적이다. 이와 같이, Cu 전극은, Au나 Au와 Pd의 조합과 같은 귀금속으로 무전해 도금 처리가 행해지고 있다. Au 도금은 하지의 Ni 도금의 산화를 억제하고, 용융 땜납과의 습윤성을 개선한다. 무전해 Ni 도금은, 무전해 도금에 사용되는 환원제(예를 들어, 차아인산나트륨) 유래의 상당한 양의 P를 함유하는 Ni 도금을 형성한다. 이러한 Ni 도금은 적어도 수 질량 퍼센트의 P, 예를 들어 2∼15질량％를 함유한다.

그러나, 특허문헌 1에는, 땜납 합금과 전극으로부터 인출된 Cu 배선부와의 접합 계면에 육방 세밀 충전 구조의 금속간 화합물을 형성하기 위해, Sn-Bi 땜납 합금에 Cu나 Ni를 첨가하는 것이 기재되어 있지만, 구체적인 합금 조성은 개시되어 있지 않고, 접합 강도가 높다고 하는 효과를 입증하기 위한 결과도 기재되어 있지 않다. 동 문헌은, Sn이 57atm％, Bi가 43atm％인 조성에 첨가하는 Cu나 Ni의 함유량의 범위가 기재되어 있지만, 이 범위 모두에 있어서 접합 강도가 향상되는지 여부는 불분명하다.

또한, 동 문헌에는, 땜납 합금의 접합 대상으로서 프린트 기판의 Cu 배선부나 Cu를 함유하지 않는 배선부인 것이 기재되어 있지만, 배선부가 Cu인 것 외에, 접합 대상이 어떠한 구성인지 불분명하다. 전술한 바와 같이, 동 문헌에는 땜납 합금의 구체적인 합금 조성이 개시되어 있지 않으므로, 전극과 땜납 합금의 접합 계면에 금속간 화합물이 형성되는 것을 제외하고 접합 계면의 상태에 대해 일절 개시도 시사도 되어 있지 않다. 따라서, 동 문헌에 개시된 Bi, Cu 및 Ni의 함유량을 만족시키는 모든 땜납 합금이, 예를 들어 무전해 Ni 도금 처리가 행해진 Cu 전극의 솔더링에 사용된 경우에, 이하와 같은 문제점을 해결할 수 있다고는 도저히 생각하기 어렵다.

무전해 Ni 도금 처리가 행해진 전극에 솔더링이 행해지면, 땜납 합금 중의 Ni의 확산 계수가 P의 확산 계수보다 크기 때문에, Ni가 우선적으로 땜납 합금 중으로 확산되어, 땜납 합금과 전극의 접합 계면에 P의 농도가 상대적으로 높은 부분이 발생하여, 이른바 P 리치층이 형성된다. 이 P 리치층은 단단하고 취약하므로 땜납 조인트의 전단 강도를 열화시킨다. 그러한 P 리치층을 갖는 땜납 조인트가 전단에 의해 파단된 때에는, Ni 도금층이 노출되는 현상이 발생한다. 이 파단은, 땜납 조인트 자체의 파단이 아니라, 오히려 전극에 형성된 P 리치층의 박리에 의해 야기된다. 따라서, P 리치층의 형성은 땜납 조인트의 접속 신뢰성에 영향을 불리하게 미치게 된다.

마찬가지로, 도금 처리가 행해져 있지 않은 Cu 전극에 솔더링이 행해진 경우에도, 동 문헌에서 개시되어 있는 각 원소의 함유량 범위를 만족시키는 모든 땜납 합금이 높은 접합 강도를 나타내는지 여부는 분명하지 않다.

여기에, 본 발명의 과제는, 저융점에서 연성이 우수하고 인장 강도가 높고, 또한 무전해 Ni 도금 처리가 행해진 Cu 전극에 솔더링을 행하면, 이 솔더링에 의해 형성된 땜납 조인트가 높은 전단 강도를 나타냄으로써, 땜납 접합시의 기판의 열변형을 억제하여, 우수한 접속 신뢰성을 갖는 Sn-Bi-Cu-Ni계 무연 땜납 합금을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는, 도금 처리가 행해져 있지 않은 Cu 전극에 대해서도, 솔더링에 의해 형성된 땜납 조인트가 높은 전단 강도를 나타냄으로써, 우수한 접속 신뢰성을 갖는 Sn-Bi-Cu-Ni계 무연 땜납 합금을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 무전해 Ni 도금 처리에 의해 형성되는 P 함유 Ni 도금층을 갖는 전극에 솔더링을 행하는 경우, 전단 강도를 높이기 위해, 땜납 합금 중의 Ni의 확산 계수가 P의 확산 계수와 비교하여 큰 것에 착안하였다. 그리고, 본 발명자들은, 솔더링시에 Ni의 땜납 합금 중으로의 확산을 억제함으로써, P 리치층의 성장을 억제하는 것이 가능한 것에 생각이 미쳐, 전단 강도를 높이기 위해 예의 검토를 행하였다.

우선, 본 발명자들은, Sn-Bi 땜납 합금에 Cu만을 0.5질량％ 정도 첨가하여 무전해 Ni 도금층을 갖는 Cu 전극에 솔더링을 행한 바, 솔더링에 의해 형성된 땜납 조인트는 전단 강도가 떨어진다는 지견을 얻었다. 따라서, 이 Sn-Bi-Cu 땜납 합금에 있어서, Cu의 함유량을 1.1질량％까지 증가시켜도, 전단 강도가 개선되지 않고, 나아가 융점이 높고 연성이 대폭 열화된다고 하는 지견을 얻었다. 즉, 본 발명자들은, Sn-Bi 땜납 합금에 Cu만을 첨가해도, 형성된 땜납 조인트의 전단 강도를 높일 수 없고, Cu의 함유량에 따라서는 고융점이나 저연성 등의 문제가 발생한다고 하는 지견을 얻었다.

따라서, 본 발명자들은, Cu만을 첨가한 것에 의한 전술한 지견에 기초하여, Sn-Bi 땜납 합금에 첨가하는 Cu의 함유량과, Cu와 전율 고용인 Ni에 착안하여, Ni의 함유량을 정밀하게 조사하였다. 이 결과, 본 발명자들은, Cu가 0.3∼1.0질량％이고, Ni가 0.01∼0.06질량％인 경우에, 저융점이며, 연성이 우수하고 인장 강도가 높고, P 리치층의 성장을 억제하고, 무전해 Ni 도금층을 갖는 Cu 전극에 형성한 땜납 조인트의 전단 강도가 현저하게 개선된다는 지견을 얻었다. 이에 의해, 본 발명자들은, 기판의 박형화에 의해 발생하는 솔더링시의 기판의 변형을 저감시켜, 우수한 접속 신뢰성을 나타낸다는 지견을 얻었다. 또한, 본 발명자들은, 범용성을 확인하기 위해, 무전해 Ni 도금층을 갖지 않은 Cu 전극에 솔더링을 행한 바, 이 Cu 전극에 형성한 땜납 조인트도, 무전해 Ni 도금층을 갖는 Cu 전극에 형성한 땜납 조인트와 마찬가지로, 높은 전단 강도를 나타낸다는 지견을 얻어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

여기에, 본 발명은 다음과 같다.

(1) 질량％로, Bi: 31∼59％, Cu: 0.3∼1.0％, Ni: 0.01∼0.06％, 잔부 Sn을 포함하는 합금 조성을 갖고, 융점 185℃ 이하, 인장 강도 70㎫ 이상, 연신율이 65％ 이상인, 무연 땜납 합금.

(2) 질량％로, P 및 Ge를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0.003∼0.05％를 더 함유하는, 상기 (1)에 기재된 무연 땜납 합금.

(3) Ni 도금층을 갖는 Cu 전극 상에 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 무연 땜납 합금을 사용하여 형성된 땜납 조인트.

(4) 상기 Ni 도금층은 P를 함유하는 무전해 도금층인, 상기 (3)에 기재된 땜납 조인트.

(5) 판 두께가 5㎜ 이하이고, Ni 도금층을 갖는 복수의 Cu 전극을 갖고, 상기 Cu 전극의 각각은 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 무연 땜납 합금을 사용하여 형성된 땜납 조인트를 갖는 기판.

(6) 상기 Ni 도금층은 P를 함유하는, 상기 (5)에 기재된 기판.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 무전해 Ni 도금 처리가 행해지고, 판 두께가 5㎜ 이하인 얇은 기판에 형성된 Cu 전극의 솔더링의 사용에 적합하고, 무전해 Ni 도금층을 갖는 전극의 솔더링에 사용함으로써 본 발명의 효과가 가장 발휘된다. 따라서, 솔더링시의 얇은 기판의 휨은, 본 발명에 관한 땜납 합금의 저융점을 위해 최소한으로 억제된다. 이와 같이, 땜납 조인트의 접속 신뢰성은, 땜납 조인트의 전단 강도가 열화되는 원인으로 되는 접합 계면의 P 리치층의 성장의 억제와, 땜납 합금의 양호한 연성(연신율)과 높은 인장 강도를 위해 개선된다. 또한, 본 발명에 관한 땜납 합금은, 무전해 Ni 도금 처리가 행해져 있지 않은 Cu 전극의 솔더링에 사용하는 것에도 적합하다.

도 1은 무전해 Ni/Au 도금 처리된 Cu 전극에 Sn-58Bi 땜납 합금을 사용하여 솔더링을 행하고, 땜납 접합부를 전단 제거한 후에 있어서의 배율 300배의 전극의 표면 사진이다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 무전해 Ni/Au 도금 처리가 행해진 Cu 전극의 솔더링에 의해 땜납 조인트가 형성된 경우에 있어서의, 땜납 접합부와 전극의 계면 근방의 배율 800배의 단면 사진이고, 도 2의 (c) 및 도 2의 (d)는 무전해 Ni/Pd/Au 도금 처리가 행해진 Cu 전극의 솔더링에 의해 땜납 조인트가 형성된 경우에 있어서의, 땜납 접합부와 전극의 계면 근방의 배율 800배의 단면 사진이다.
도 3은 Sn-40Bi-(0∼1.1)Cu-0.03Ni 땜납 합금의, Cu 함유량과 전단 강도(Cu 전극)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 Sn-40Bi-(0∼1.1)Cu-0.03Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 전단 강도(무전해 Ni/Au 전극)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 Sn-40Bi-(0∼1.1)Cu-0.03Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 합금의 연신율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 Sn-40Bi-0.5Cu-(0∼0.07)Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 전단 강도(Cu 전극)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 Sn-40Bi-0.5Cu-(0∼0.07)Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 전단 강도(무전해 Ni/Au 전극)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 Sn-40Bi-0.5Cu-(0∼0.07)Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 합금의 연신율의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명을 이하에 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 땜납 합금 조성에 관한 「％」는, 특별히 지정하지 않는 한 「질량％」이다.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, Cu 및 Ni를 함유하는 Sn-Bi-Cu-Ni 땜납 합금이다. Cu와 Ni는 전율 고용이므로, 미리 Cu 및 Ni를 함유하는 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, Cu 및 Ni의 용해도가 낮아져, 전극으로부터 땜납 합금에의 Cu나 Ni의 확산을 억제할 수 있다. Ni의 확산을 억제함으로써, 무전해 Ni 도금층 상에 형성되는 P 리치층의 성장을 억제할 수 있다. 여기서, Sn-Bi 땜납 합금에 Cu만을 첨가하여, Cu의 함유량을 증가시킴으로써 Cu 및 Ni의 확산을 억제하는 것이 가능하다고도 생각된다.

그러나, 단순히 Sn-Bi-Cu 땜납 합금에서, Cu의 함유량을 증가시켜도, 전극과의 접합 계면 및 땜납 합금 내에서 CuSn 화합물이 증가하므로, 전단 강도가 열화되고, 땜납 합금 자체의 융점도 높아져, 연성도 열화된다. 따라서, Sn-Bi-Cu 땜납 합금에서는, 무전해 Ni 도금층을 갖는 Cu 전극의 솔더링에 사용할 수 없다.

여기서, Cu의 함유량을 증가시키지 않고 Ni의 용해도를 저감시키는 원소로서 Ni를 들 수 있다. 그리고, 땜납 합금이 미량의 Ni를 함유함으로써, 땜납 합금이 저융점 및 고연성을 나타내고, 전극에 무전해 Ni/Au 도금 혹은 무전해 Ni/Pd/Au 도금과 같은 무전해 Ni 도금 처리가 행해져 있는 경우에는, Ni의 땜납 합금에의 확산을 억제함으로써 취약한 P 리치층의 성장을 억제하여 땜납 조인트의 전단 강도를 대폭 개선한다.

또한, 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, Cu 및 Ni를 소정량 함유하므로, Cu의 용해도가 낮다. 무전해 Ni 도금층을 갖지 않은 Cu 전극에 대해서도, Cu의 땜납 합금에의 확산을 억제함으로써, 접합 계면 및 땜납 합금 중에 생성되는 취약한 SnCu 화합물의 과잉의 형성을 억제하여, 땜납 조인트의 전단 강도가 높아진다. 그 결과, 본 발명에서는, Cu 전극에 도금 처리가 행해져 있는지 여부에 관계없이, 솔더링시의 얇은 기판의 변형을 억제하여 우수한 접속 신뢰성을 확보할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일반적으로 무전해 Ni 도금층에는 Au 도금, 혹은 Pd/Au와 같은 귀금속이나 이들의 합금의 도금층이 형성되어 있다. Au 도금층은 Ni 도금층 상에 형성되어 있다. 그러나, Au 도금층은, 0.05㎛ 정도의 매우 얇은 막 두께이며, 땜납 합금 중으로의 확산에 의해 솔더링시에 소실된다. 따라서, 본 발명에 있어서 다양한 특성을 평가할 때, Au 도금층이나 그 밖의 귀금속 도금층이 특별히 고려될 필요는 없다.

본 발명에 있어서, 땜납 합금의 합금 조성을 한정한 이유는 이하와 같다.

Bi의 함유량은 31∼59％이다. Bi는 땜납 합금의 융점을 저하시킨다. Bi의 함유량이 31％보다 적으면 융점이 높아 솔더링시에 기판이 변형된다. Bi의 함유량이 59％보다 많으면, Bi의 석출에 의해 인장 강도 및 연성이 열화된다. Bi의 함유량은, 바람직하게는 32∼58％이고, 보다 바람직하게는 35∼58％이다.

Cu의 함유량은 0.3∼1.0％이다. Cu는, 무전해 Ni 도금층 중의 Ni의 땜납 합금 중으로의 확산을 억제하고, Ni 도금층과 땜납 접합부의 계면에 생성되는 P 리치층의 성장을 억제한다. 또한, Cu의 확산도 억제하므로, 무전해 Ni 도금 처리가 행해져 있지 않은 Cu 전극과 땜납 접합부의 접합 계면 및 땜납 합금 중에 생성되는 취약한 SnCu 화합물의 과잉의 형성을 억제하여, 땜납 조인트의 전단 강도가 높아진다. Cu의 함유량이 0.3％보다 적으면, P 리치층이나 SnCu 화합물의 과잉의 형성을 억제할 수 없어, 전단 강도가 저하된다. Cu의 함유량이 1.0％보다 많으면, 땜납 합금 중에 Sn과의 금속간 화합물이 과잉으로 형성되어, 땜납 합금의 연성이 저하된다. 또한, 땜납 합금의 융점이 현저하게 상승하여, 땜납 합금의 습윤성이 저하된다. 또한, 기판의 변형이 발생함으로써 작업성이 악화된다. Cu의 함유량은, 바람직하게는 0.3∼0.8％이고, 보다 바람직하게는 0.3∼0.7％이다.

Ni의 함유량은 0.01∼0.06％이다. Ni를 첨가함으로써, Cu가 갖는 Ni의 확산을 억제하는 효과를 조장하고, P 리치층의 성장을 억제하여 더욱 전단 강도가 향상되는 효과를 발현한다. Ni의 함유량이 0.01％보다 적으면 전단 강도가 향상되는 효과를 발휘시킬 수 없다. Ni의 함유량이 0.06％보다 많으면, 땜납 합금 중에 Sn과 Ni의 화합물이 과잉으로 형성되므로 연성이 저하된다. Ni의 함유량은 바람직하게는 0.02∼0.05％이다.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 임의 원소로서, P 및 Ge를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0.003∼0.05％ 함유해도 된다. 이들 원소를 첨가함으로써, 첨가하지 않는 경우와 마찬가지로 P 리치층의 성장을 억제하여 땜납 조인트의 전단 강도를 높임과 함께, 땜납 합금이 산화에 의해 황색 등으로 변색되는 것(이하, 편의상, 「황변」이라고 칭함)을 방지하는 효과를 발휘한다. 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 땜납 볼의 형태로 사용할 수도 있다. 땜납 볼은, 모듈 기판에 적재되어 리플로우에 의해 전극에 탑재된다. 이 후, 화상 인식에 의해 솔더링되어 있는지 여부의 판정이 행해진다. 만일, 리플로우시의 가열에 의해 땜납 볼이 리플로우 분위기 중에 혼입되어 버리는 불가피적인 산소에 의해 황변된 경우, 황변 후의 땜납 볼은, 화상 인식에 있어서 땜납 볼을 인식할 수 없어 문제라고 판단된다. 그로 인해, 땜납 볼은 리플로우시에 황변되지 않는 쪽이 좋다. 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, P 및 Ge를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유함으로써, 산소 등에 의한 변색을 방지함으로써, 범프 품질 검사에 있어서의 에러를 피할 수 있다.

이러한 관점에서, 바람직하게는 P를 함유하고, 더욱 바람직하게는 P 및 Ge를 함유한다. P의 함유량은, 바람직하게는 0.001∼0.03％이고, 보다 바람직하게는 0.01∼0.07％이다. Ge의 함유량은, 바람직하게는 0.001∼0.03％이고, 보다 바람직하게는 0.01∼0.03％이다.

이러한 합금 조성으로 이루어지는 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 땜납 조인트의 땜납 접합부를 전단 제거하였을 때, 전극의 무전해 Ni 도금층이 노출되는 경우가 없다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 관한 무연 땜납은, 무전해 Ni 도금층 중의 Ni의 확산을 억제하여, 도금층의 표면에 형성되는 P 리치층의 성장을 억제할 수 있기 때문이다. 이 결과, 본 발명에 관한 무연 땜납 합금에서는, 접합부 계면의 기계적 특성, 특히 전단 강도가 현저하게 향상된다.

또한, 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 프리폼, 와이어, 땜납 페이스트, 땜납 볼 등의 형태로 사용할 수 있다. 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 높은 인장 강도 및 연성을 갖고, 또한 높은 전단 강도를 갖는다. 이로 인해, 땜납 볼의 형태로 사용하는 경우, 종래의 땜납 볼보다 작게 하는 것이 가능해져, 전자 부품 등에 사용하는 기판의 박형화나 전극의 소형화에 충분히 대응할 수 있는 것이다.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, IC 칩 등의 PKG(Package)의 전극과 PCB(printed circuit board) 등의 기판의 전극을 접합하여 땜납 조인트를 형성할 수 있다. 여기서, 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 전술한 바와 같이, 높은 연성 및 인장 강도를 유지하면서, 땜납 조인트에 적용된 경우에는 우수한 전단 강도를 갖는다. 이로 인해, 리플로우시에 기판에 근소한 변형이 발생해도, 전극과 땜납 접합부가 파단되지 않아, 종래보다도 얇은 기판을 사용하였다고 해도 우수한 접속 신뢰성을 확보할 수 있다. 본 발명에 관한 땜납 조인트는, 전극 및 땜납 접합부로 구성된다. 땜납 접합부라 함은, 주로 땜납 합금으로 형성되어 있는 부분을 나타낸다.

본 발명에 관한 기판은, 판 두께가 5㎜ 이하이고, Ni 도금층을 갖는 복수의 Cu 전극을 갖고, Cu 전극의 각각은 본 발명에 관한 무연 땜납 합금을 사용하여 형성된 땜납 조인트를 갖는다. 본 발명에 관한 기판은, 융점이 낮고 우수한 연성을 나타내는 본 발명에 관한 무연 땜납 합금을 사용하여 조인트가 형성되어 있으므로, 판 두께가 5㎜ 이하여도 휨의 발생을 억제하여, 우수한 접속 신뢰성을 갖는다. 기판의 판 두께는, 바람직하게는 3㎜ 이하이고, 보다 바람직하게는 2㎜ 이하이다. 기판의 재질로서는, Si, 유리 에폭시, 종이 페놀, 베이크라이트 등을 들 수 있다. 기판이 갖는 전극으로서는 도금 처리가 행해져 있지 않은 Cu 전극, Ni 등의 도금 처리가 실시된 Cu 전극, Ni 전극 등을 들 수 있다.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 고순도재 또는 저α선재를 사용함으로써, 저α선의 무연 땜납 합금을 제조하는 것이 가능해진다. 이 땜납 합금을 메모리 주변 등에 사용함으로써, 소프트 에러를 방지할 수 있다.

실시예

표 1에 나타내는 땜납 합금을 제작하였다. 이 땜납 합금을 사용하여, 땜납 합금의 융점, 인장 강도, 연신율(연성)을 구하고, 이 땜납 합금을 사용하여 형성한 땜납 조인트를 이용하여, P 리치층의 막 두께 측정, 전단 강도 및 플레이트 노출률을 이하에 나타내는 바와 같이 구하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(땜납 합금의 융점)

융점은, DSC(Differential scanning calorimetry)(세이코 인스트루먼츠사제: DSC6200)를 사용하여, 승온 속도 5℃/min의 조건에서 융점(℃)을 측정하였다.

(인장 강도, 연신율(연성))

인장 강도 시험기(시마즈 세이사꾸쇼사제, AUTO GRAPH AG-20kN)를 사용하여, 스트로크 속도를 6.0㎜/min으로 하고, 변형 속도를 0.33％/sec로 하여, 표 1에 나타내는 땜납 합금을 소정의 형상으로 형성하고, 인장 강도(㎫) 및 연신율(％)을 측정하였다. 인장 강도가 70㎫ 이상이고, 연신율이 65％ 이상이면, 실용상 문제없이 사용할 수 있다.

(P 리치층의 막 두께)

표 1에 나타내는 땜납 합금을, 기판의 두께가 1.2㎜이고 전극의 크기가 직경 0.24㎜인 PCB의 무전해 Ni/Au 도금 처리가 행해진 Cu 전극(이하, 단순히, 「무전해 Ni/Au 전극」이라고 칭함)과 접합하여 솔더링을 행하였다. 솔더링은, 각 땜납 합금으로부터 제작한 직경 0.3㎜의 땜납 볼을, 수용성 플럭스(센쥬 긴조꾸사제: WF-6400)를 사용하여 기판 상에 수용성 플럭스를 도포하고 나서 볼을 탑재하고, 피크 온도를 210℃로 하는 리플로우 프로파일에서 리플로우법에 의해 솔더링을 행하여, 땜납 조인트가 형성된 시료를 얻었다.

각 시료의 P 리치층의 막 두께는, SEM 사진에 기초하여, 땜납 접합부와 Ni 도금층의 접합 계면 근방의 단면 관찰에 의해 결정되었다. 구체적으로는, 전자 현미경(니혼덴시사제: JSM-7000F)을 사용한 사진으로부터 분석하고, P 리치층과 P 리치층이 아닌 층으로 색 구분하여 구별하고, P 리치층의 막 두께(㎛)를 측정하였다. 동일한 조건에서 제작한 샘플 5개에 대해, 마찬가지로 P 리치층의 막 두께를 측정하고, 그 평균값을 P 리치층의 막 두께로 하였다.

(전단 강도)

전술한 PCB의 전극에 대해, 도금 처리가 행해져 있지 않은 Cu 전극(이하, 단순히, 「Cu 전극」이라고 칭함) 및 무전해 Ni/Au 전극의 2종류를 사용하여, 표 1에 나타내는 각 땜납 합금과 접합하여 솔더링을 행하였다. 이 샘플을, 전단 강도 측정 장치(Dage사제: SERIES 4000HS)에 의해, 1000㎜/sec의 조건에서 전단 강도(N)를 측정하였다. 전단 강도가, Cu 전극에서는 3.00N 이상이고, 또한 무전해 Ni/Au 전극에서는 2.60N 이상이면, 실용상 문제없이 사용할 수 있다.

(플레이트 노출률)

전단 강도 시험 후의 샘플에 대해, 땜납 접합부를 전단 제거한 후에 있어서의 무전해 Ni/Au 전극의 표면 SEM 사진을 촬영하였다. 그리고, EDS 분석을 실시함으로써 Ni가 노출되는 영역을 특정하고, 세이까 산교 가부시끼가이샤제의 화상 해석 소프트웨어(Scandium)에 의해 그 영역의 면적을 구하였다. 마지막으로, Ni 도금층이 노출되어 있는 영역의 면적을 전극 전체의 면적으로 나누어, 플레이트 노출률(％)을 산출하였다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼33에서는, 모두, 융점이 185℃ 이하, 인장 강도가 70㎫ 이상, 연신율이 65％ 이상, P 리치층의 막 두께가 0.014㎛ 이하, Cu 전극을 사용하여 형성한 땜납 조인트의 전단 강도가 3.00N 이상, 무전해 Ni/Au 전극을 사용하여 형성한 땜납 조인트의 전단 강도가 2.60N 이상이고, 플레이트 노출률은 모두 0％였다.

한편, Cu 및 Ni를 함유하지 않는 Sn-58Bi 땜납 합금인 비교예 1은, P 리치층의 막 두께가 두껍고, Cu 전극 및 무전해 Ni/Au 전극에서의 전단 강도가 현저하게 떨어지고, 플레이트 노출률도 높은 값을 나타냈다.

Ni를 함유하지 않는 비교예 2 및 Cu를 함유하지 않는 비교예 3은, 모두 P 리치층의 막 두께가 두껍고, Cu 전극 및 무전해 Ni/Au 전극에서의 전단 강도가 현저하게 떨어졌다. 특히, Cu를 함유하지 않는 비교예 3에서는 플레이트 노출률이 높은 값을 나타냈다.

Bi가 적은 비교예 4에서는, 합금의 융점이 높고 연신율도 떨어지므로, 기판의 변형을 확인하였다. Bi가 많은 비교예 5에서는, 합금의 인장 강도나 연신율이 떨어졌다. 또한, 무전해 Ni/Au 전극에서의 전단 강도가 떨어지고, 땜납 합금의 연신율도 떨어졌다.

Cu가 적은 비교예 6에서는, 무전해 Ni/Au 전극에서의 전단 강도가 떨어지고, P 리치층의 막 두께가 두껍고 플레이트 노출률이 높은 값을 나타냈다. Ni를 함유하지 않고 Cu가 많은 비교예 7 및 Cu가 많은 비교예 8에서는, 융점이 높고, 연신율이 떨어지고, 무전해 Ni/Au 전극에서의 전단 강도도 떨어졌다.

Ni의 함유량이 적은 비교예 9에서는, Cu 전극에서의 전단 강도가 떨어졌다. Ni의 함유량이 많은 비교예 10에서는, 합금의 연신율이 현저하게 떨어졌다.

도 1은, 무전해 Ni/Au 전극에 Sn-58Bi 땜납 합금을 사용하여 솔더링을 행하고, 땜납 접합부를 전단 제거한 후에 있어서의, 전극 전단면의 SEM 사진이다. 비교예 1, 3, 5 및 6에서는, 모두 도 1에 나타내는 바와 같이, Ni 도금층이 노출되었다. 이것은, P 리치층이 성장하여, P 리치층과 무전해 Ni/Au 도금층의 계면에서 박리가 발생하였기 때문이라고 생각된다.

도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는, 무전해 Ni/Au 전극에 솔더링을 행한 땜납 조인트에 있어서의, 땜납 접속부와 전극의 계면 근방의 단면 SEM 사진이고, 도 2의 (c) 및 도 2의 (d)는 무전해 Ni/Pd/Au 도금 처리가 행해진 Cu 전극에 솔더링을 행한 땜납 조인트에 있어서의, 땜납 접속부와 전극의 계면 근방의 단면 SEM 사진이다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (c)로부터, Sn-58Bi(비교예 1: 무전해 Ni/Au 전극에서의 전단 강도는 2.01N임)에서는, Cu를 함유하고 있지 않음으로써, P 리치층이 성장하고 있는 것이 명백해졌다. 한편, 도 2의 (b) 및 도 2의 (d)로부터, 본 발명에 관한 Sn-40Bi-0.5Cu-0.03Ni(실시예 7: 무전해 Ni/Au 전극에서의 전단 강도는 2.85N임)에서는, Cu 및 Ni를 소정량 함유하고 있음으로써, P 리치층의 성장이 억제되어 있어, 이들 사진으로부터 P 리치층을 확인할 수 없었다. 이와 같이, 도 2에 의하면, P 리치층의 성장을 억제함으로써 전단 강도가 현저하게 향상되는 것을 알 수 있었다.

표 1의 결과에 기초하여, 땜납 합금의 Cu 및 Ni의 함유량과, Cu 전극, 무전해 Ni/Au 전극 및 연신율의 관계를 나타내는 도면을 도 3∼도 8에 나타낸다. 도 3∼도 5에서는, Bi의 함유량이 40％이고, Ni의 함유량이 0.03％인, 실시예 6∼9 및 비교예 3, 6 및 7의 결과를 사용하였다. 도 6∼도 8에서는, Bi의 함유량이 40％이고, Cu의 함유량이 0.5％인, 실시예 7, 10 및 11, 및 비교예 2, 8 및 9의 결과를 사용하였다. 도 3은 Sn-40Bi-(0∼1.1)Cu-0.03Ni 땜납 합금의, Cu 함유량과 전단 강도(Cu 전극)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 4는 Sn-40Bi-(0∼1.1)Cu-0.03Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 전단 강도(무전해 Ni/Au 전극)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 5는, Sn-40Bi-(0∼1.1)Cu-0.03Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 합금의 연신율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3∼도 5에 의하면, Cu 전극의 전단 강도가 3.0N 이상을 나타내고, Ni 전극의 전단 강도가 2.6N 이상을 나타내고, 연신율이 65％ 이상을 나타내는 Cu의 범위는, 0.3∼1.0％인 것이 명백해졌다.

도 6은, Sn-40Bi-0.5Cu-(0∼0.07)Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 전단 강도(Cu 전극)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 7은, Sn-40Bi-0.5Cu-(0∼0.07)Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 전단 강도(무전해 Ni/Au 전극)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8은, Sn-40Bi-0.5Cu-(0∼0.07)Ni 땜납 합금의, Cu의 함유량과 합금의 연신율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6∼도 8에 의하면, Cu 전극의 전단 강도가 3.0N 이상을 나타내고, Ni 전극의 전단 강도가 2.6N 이상을 나타내고, 연신율이 65％ 이상을 나타내는 Ni의 범위는, 0.01∼0.06％인 것이 명백해졌다.

Claims (3)

1. Ni 도금층을 갖는 Cu 전극 상에 저융점에서 연성이 우수한 무연 땜납 합금을 사용하여 형성된 땜납 조인트이며,
   상기 무연 땜납 합금은 질량％로, Bi: 35∼45％, Cu: 0.3∼1.0％, Ni: 0.01∼0.06％와 P 및 Ge를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0.003∼0.05％와 잔부 Sn을 포함하는 합금 조성을 갖고, 융점 185℃ 이하, 인장 강도 70㎫ 이상, 연신율이 65％ 이상이고,
   상기 Ni 도금층은 P를 함유하는 무전해 도금층이며,
   상기 무연 땜납 합금과 상기 Cu 전극의 접합 계면인 상기 Ni 도금층 상에서 P 리치층의 성장과 CuSn 화합물의 형성이 억제되고,
   P 리치층의 막 두께가 0.014㎛ 이하, 땜납 조인트의 전단 강도가 2.60N 이상인 것을 특징으로 하는, 땜납 조인트.
2. 판 두께가 5㎜ 이하이고, Ni 도금층을 갖는 복수의 Cu 전극을 갖고, 상기 Cu 전극의 각각은 제1항에 기재된 땜납 조인트를 갖는, 기판.
3. 제1항에 있어서, 상기 Bi는 35∼40%인 것을 특징으로 하는, 땜납 조인트.

Images