KR101941866B1 - 전자부품용 솔더 크림 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 합금 및 플럭스(flux)가 혼합된 전자부품용 솔더 크림에 관한 것으로써, 구체적으로는 Bi 15~30중량%, Zn 7.5~8.5중량%, Sn 잔부 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 합금이 포함되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 중량비로 전자부품용 땜납 합금 84~91중량%와 플럭스 9~16중량%인 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 통상의 온도보다 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라, 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

전자부품용 솔더 크림{Electronic Parts Soldering Cream}
본 발명은 합금 및 플럭스(flux)가 혼합된 전자부품용 솔더 크림에 관한 것으로써, 구체적으로는 Bi 15~30중량%, Zn 7.5~8.5중량%, Sn 잔부 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 합금이 포함되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림에 사용되는 땜납 합금 분말의 크기는 17~50㎛인 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명은 저융점 땜납 합금이 진공 상태에서 용융되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 플럭스는 수지 91~95중량%, 첨가제 3~7중량%, 용제 2~6중량% 포함되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 전자부품용 땜납 합금 84~91중량% 및 플럭스 9~16중량% 포함되어 혼합되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 저융점의 땜납 합금이 용융되어 전자부품의 접착 강도를 높이는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 통상의 온도보다 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 리플로우 온도가 낮아져 리플로우 공정에 필요한 에너지가 줄어들어 비용이 절감되며, CO2 배출이 최소화되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 리플로우 온도가 낮아져 부품의 열 충격이 적고, 부품 및 기판을 다양하게 선택적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 내구성이 좋은 Ag가 포함된 땜납 합금보다 가격이 저렴하며, 내구성이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 종래기술인 Bi가 3~6중량% 포함된 솔더 크림보다 내구성이 향상된 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 위스커, 보이드, 브릿지, 마이그레이션 등 불량 발생을 감소시키는 효과가 있다.
일반적으로 납땜은 땜납을 용융하여 금속을 접합시키는 역할을 하는 것으로, 접합할 금속보다 용융온도가 낮은 금속을 사용하고 있다.
낮은 융점을 갖는 금속인 주석(Sn)과 납(Pb)으로 구성되어 이들의 젖음성, 융점, 기계적 강도 등 여러 면에서 뛰어난 점을 이용하여 오래 전부터 사용되던 접합재료 중 하나이지만, 납이 환경 및 인체에 미치는 영향이 문제시되어 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. 따라서 근래에는 납이 포함되지 않는 무연 땜납이 다양하게 연구되어 왔다.
그러나 지금까지 개발된 무연 땜납은 융점이 높고 작업성이 좋지 않은 경향이 있어 용접 와이어를 이용한 기술이 제시되어 있다(일본 공개특허공보 특개2010-155268호, 2010. 7. 15., 이하 ‘특허문헌 1’).
특허문헌 1에는 용접 와이어를 이용하여 땜납 합금을 접합한 기술이 기재되어 있으나, 땜납선에 압력을 가하여 압출하는 방식으로 세선화로 공정하기 때문에 작업 효율이 나쁘다는 문제점이 있다.
또한, 공개특허공보 제10-2016-0078379호(2016. 7. 4., 이하 ‘특허문헌 2’)에는 무연, 무은 솔더 합금을 이용하여 땜납 합금을 접합한 기술이 기재되어 있으나, 360℃ 이상의 온도에서 적용해야 하기에 전자부품이 깨질 수 있는 문제점이 있다.
이에 본 출원인은 Bi의 중량%를 증가시켜 융점을 낮추어 용융 온도를 제어하여 접합 공정을 단순화하고 전자부품의 불량 발생하는 것을 최소화하며 접합강도를 강화하고, 땜납 합금을 크림화 하여 공정을 단순화시키고 작업 효율을 증가할 수 있다고 판단하여 본 발명을 안출하였다.
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 특개2010-155268호(2010. 7. 15.)
(특허문헌 2) 공개특허공보 제10-2016-0078379호(2016. 7. 4.)
본 발명은 Bi 15~30중량% 포함된 땜납 합금 분말 및 플럭스를 혼합시켜 크림화 된 전자부품용 솔더 크림을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 저융점의 땜납 합금이 용융되어 전자부품의 접착 강도를 높이는 전자부품용 솔더 크림을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시키는 전자부품용 솔더 크림을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 리플로우 온도가 낮아서 리플로우 공정에 필요한 에너지 및 CO2가 절감되는 전자부품용 솔더 크림을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 리플로우 온도가 낮아서 부품의 열 충격이 적고, 부품 및 기판을 선택적으로 사용할 수 있는 전자부품용 솔더 크림을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 비싼 Ag을 사용하지 않아도 접착강도가 우수한 전자부품용 솔더 크림을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 위스커, 보이드, 브릿지, 마이그레이션 등 불량 발생을 감소시킨 전자부품용 솔더 크림을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명은 Bi 15~30중량% 포함된 땜납 합금 분말 및 플럭스를 혼합시켜 크림화 된 전자부품용 솔더 크림을 제공하여 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명은 구체적으로 Bi 15~30중량%, Zn 7.5~8.5중량%, Sn 잔부 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 합금이 포함된 전자부품용 솔더 크림을 제공하여 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명은 저융점 땜납 합금 분말의 크기를 17~50㎛인 것을 특징으로 한 전자부품용 솔더 크림을 제공함으로써 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명은 플럭스가 수지 91~95중량%, 첨가제 3~7중량%, 용제 2~6중량% 포함되는 것을 특징으로 한 전자부품용 솔더 크림을 제공함으로써 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명은 중량비로 전자부품용 땜납 합금 84~91중량% 및 플럭스 9~16중량% 포함되어 혼합된 솔더 크림을 제공함으로써 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 저융점의 땜납 합금이 용융되어 전자부품의 접착 강도를 높이는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 통상의 온도보다 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 리플로우 온도가 낮아서 리플로우 공정에 필요한 에너지가 줄어들어 비용이 절감되며, CO2 배출이 최소화되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 리플로우 온도가 낮아서 부품의 열 충격이 적고, 부품 및 기판을 다양하게 선택적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 내구성이 좋은 Ag가 포함된 땜납 합금보다 가격이 저렴하며, 내구성이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 종래기술인 Bi가 3~6중량% 포함된 솔더 크림보다 내구성이 향상된 효과가 있다.
본 발명에 따른 솔더 크림은 위스커, 보이드, 브릿지, 마이그레이션 등 불량 발생을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 솔더 크림의 리플로우 프로파일(reflow profile)을 나타낸 것이다.
도 2는 솔더 크림에 들어가는 플럭스를 나타낸 것이다.
도 3은 땜납 합금 혼합물 분말 및 플럭스를 섞어 크림화된 솔더 크림을 나타낸 것이다.
도 4는 솔더 크림을 전자부품에 사용한 것을 나타낸 것이다.
도 5는 3중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 6은 4중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 7은 5중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 8은 6중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 9는 15중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 10은 30중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 11은 40중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 12는 Sn-3Ag-0.5Cu의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 13은 Sn-0.4Ag-40Bi-0.05Sb의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 14는 부품 삽입 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 낙하 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.
도 16은 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 17은 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 19는 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 20은 솔더볼 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 21은 플럭스 부식 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 22는 SMT 범위를 측정해주는 고온 관찰 장치이다.
도 23은 땜납 합금의 리플로우 프로파일을 나타낸 것이다.
도 24는 Bi 첨가량에 따른 합금 광택을 비교한 것이다.
도 25는 Zn 첨가량에 따른 합금 광택을 비교한 것이다.
도 26은 노즐 패턴을 나타낸 것이다.
도 27은 파이프 스크린 인쇄성 실험에 사용하는 인쇄기 외관이다.
도 28은 파이프 스크린 인쇄성 실험에 사용되는 평가 패널이다.
도 29는 파이프 스크린 인쇄성 실험을 모식도로 나타낸 것이다.
도 30은 기판 외관이다.
도 31은 인쇄 모양 외관을 나타낸 것이다.
도 32는 인쇄 실험 결과를 표로 나타낸 것이다.
도 33은 노즐 선단에서의 땜납 인장을 나타낸 것이다.
도 34는 점도 응력 실험 장치의 외관 a이다.
도 35는 점도 응력 실험 장치의 외관 b이다.
도 36은 젖음성 실험에 사용되는 기판패턴이다.
도 37은 젖음성 실험의 리플로우 프로파일을 나타낸 것이다.
도 38은 젖음성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 39는 솔더 빠짐 실험을 모식도로 나타낸 것이다.
도 40은 솔더 빠짐 실험을 나타낸 것이다.
도 41은 0.05g 솔더 빠짐 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 42는 퍼짐 실험의 리플로우 프로파일을 나타낸 것이다.
도 43은 퍼짐비율 실험 결과를 나타낸 것이다.
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.
<실시예 1> : 전자부품용 솔더 크림
1) 저융점 땜납 합금 분말 용해물의 제조 단계
원소 Bi 15~30중량%, Zn 7.5~8.5중량% 및 Sn 잔부가 필수적으로 포함되며, 그 밖에 Pb, Sb, Cu, In, Al, As, Cd, Fe 및 Ni 등의 원소가 추가적으로 0.01~1.0중량% 포함될 수 있다.
땜납 분말의 크기가 너무 작을수록 빠짐성, 솔더볼, 점착성, 무너짐성 등 불량이 발생하므로, 땜납 분말의 크기는 17~50㎛로 할 수 있으며, 바람직하게는 22~45㎛로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하기 <표 1>은 본 발명의 솔더 조성을 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00001
상기 조성의 원소를 포함하는 땜납 합금은 대기 중에서 포트(pot) 또는 도가니 등을 사용하여 가열, 교반 또는 용해하는 통상의 방법에 의해 주조되어 제조될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
Bi는 납땜의 강도를 개선하고 납땜 시 땜납 합금의 융점을 낮추기 위하여 첨가한다.
이 때, 대기 중에서 용해하는 경우 금속원료 중의 불순물 또는 비금속 개재물과 합금용탕이 대기와 반응하여 땜납 합금 내에 용존 가스가 잔류하게 되며, 이로 인해 땜납 모재 표면의 젖음성을 방해하여 납땜성이 저하되거나 접합부에 보이드가 발생되기 때문에 열전도도, 신뢰성에 문제가 발생될 소지가 있다.
신뢰성은 솔더 크림으로 인쇄회로기판과 부품을 접합시킨 제품이 수명기간 동안 결함이 발생하지 않는 것을 의미한다.
따라서 합금 제조 시 진공 상태에서 용융함으로서 발생되는 불순물이나 물과 합금 내의 용존 가스를 최소화하여 납땜성을 향상시키고 드로스(dross) 발생을 최소화하는 방법이 바람직하나, 용융 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
2) 플럭스 제조 단계
수지 91~95중량%, 첨가제 3~7중량%, 용제 2~6중량%를 혼합하여 플럭스를 제조한다.
플럭스는 솔더링시 대상물의 오염물이나 표면의 산화막을 제거하기 위한 용제이다.
도 2는 솔더 크림에 들어가는 플럭스를 나타낸 것이다.
수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지 또는 그 변성 수지, 아크릴 수지로 구성되는 열경화성 수지군 또는 폴리아미드 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리메타크릴 수지, 폴리카보네이트 수지, 셀룰로오스 수지로 구성되는 열가소성 수지 군 등 1종 이상 포함하고, 첨가제는 활성제, 칙소제, 경화제, 산화방지제, 점도 안정제 등 1종 이상 포함하며, 용제는 알코올, 글리콜에테르, 글리시딜 에테르 등 1종 이상 포함하여 혼합된다. 중량비는 유동적으로 변경될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
활성제는 아민계 염산염, 아민계 브롬염, 유기카르복실산, 유기산 할로겐염으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 칙소제는 오일, 왁스로부터 선택되는 1종을 포함하여 혼합되며, 이에 한정되는 것은 아니다.
3) 솔더 크림 제조 단계
단계 1) 과정으로 제조된 합금 혼합물 분말에 단계 2) 과정으로 제조된 플럭스를 혼합한다. 땜납 합금 혼합물 분말과 플럭스의 중량비는 유동적으로 변경될 수 있으며, 중량비로 전자부품용 땜납 합금 84~91중량% 및 플럭스 9~16중량% 포함되어 혼합하면, 솔더 크림이 된다.
플럭스는 표면세정작용, 재산화 방지작용, 표면장력 저감작용을 하고 있으므로, 너무 적게 사용하면 점성이 낮아져 작업하기 힘들어진다.
솔더 크림은 땜납 합금이라고도 한다.
도 3은 땜납 합금 혼합물 분말 및 플럭스를 섞어 크림화된 솔더 크림을 나타낸 것이다.
<실험예 1> : 솔더 크림의 특성치 측정
1) 실험 방법
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
점도는 말코 PCU-205 점도계를 이용하였으며, 측정시간은 회전 3분 후, 측정온도는 25℃, 회전수는 10rpm의 조건에서 측정하였다.
2) 실험 결과
하기 <표 2>는 본 발명의 솔더 크림의 특성값을 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00002
하기 <표 3>은 본 발명의 솔더 크림의 특성값을 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00003
<표 2> 및 <표 3>을 토대로 살펴보면, 부식성이 없으며, 마이그레이션이 발생하지 않았다.
마이그레이션은 온도와 직류전압의 영향을 받아 특정 부위의 금속이온이 이동하는 현상으로 부식되는 것을 말한다.
분말의 입도가 22~45㎛이며, 점도는 110~150Pa·s로 측정되었다. 융점이 187~196℃인 것을 알 수 있다.
인장강도는 솔더 크림을 시편으로 만들어 파괴되거나, 둘 이상의 부분으로 떨어질 때까지의 최대 하중을 말하며, 연신율은 인장 시험에서 처음의 길이와 파괴된 후의 길이를 비로 나타낸 것이다.
하기 <표 4>는 본 발명의 솔더 크림과 납땜조성물을 비교한 것이다.
Figure 112016124124825-pat00004
<표 4>를 토대로 살펴보면, 실시예 1은 납이 포함된 Sn-37Pb보다 인장강도가 높으며, 연신율이 낮으므로 유연성이 있음을 도출할 수 있다.
<실험예 2> : 온도 측정
1) 실험 방법
실시예 1에 기재된 방법으로 합금 분말을 제조하였으며, 공지된 방법으로 Bi가 3~6중량% 포함된 합금 분말, Sn-3Ag-0.5Cu 및 Sn-0.4Ag-40Bi-0.05Sb를 제조하였다.
DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차주사열량계)를 이용하여 분말들이 용융되는 온도 구간을 측정하였다.
2) 실험 결과
도 1은 솔더 크림의 리플로우 프로파일(reflow profile)을 나타낸 것이다.
도 5는 3중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 6은 4중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 7은 5중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 8은 6중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 9는 15중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 10은 30중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 11은 40중량% Bi의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 12는 Sn-3Ag-0.5Cu의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 13은 Sn-0.4Ag-40Bi-0.05Sb의 융점 온도결과를 나타낸 것이다.
도 5~11을 토대로 살펴보면, 3중량% Bi의 융점 온도는 187.4~196.1℃로 가장 높았으며, 4중량% Bi의 융점 온도는 185.3~195.1℃로 2순위로 높았다. 5중량% Bi의 융점 온도는 182.6~194.3℃로 3순위로 높았으며, 40중량% Bi의 융점 온도는 133~150℃로 가장 낮았다.
위 실험 결과로 Bi의 함량이 증가할수록 융점이 낮아지는 것을 도출할 수 있다.
도 9 및 도 10을 도 12 및 도 13과 비교하면, 15중량% Bi의 융점은 132~189℃이며, 30중량% Bi의 융점은 132~169℃로 217.2~221.1℃인 Sn-3Ag-0.5Cu의 융점보다 현저히 낮으며, 138~170℃인 Sn-0.4Ag-40Bi-0.05Sb의 융점보다 낮았다.
하기 <표 5>는 합금을 온도별 구간으로 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00005
<표 5>를 토대로 살펴보면, Bi가 15중량% 포함된 솔더 크림의 융점이 132~189℃로 저온 솔더에 속하며, Bi가 30중량% 포함된 솔더 크림의 융점이 132~169℃로 저온 솔더에 속하는 것을 알 수 있다.
여러 실험을 통해 Bi가 15~30중량% 포함된 솔더 크림의 융점이 가장 적합한 것을 알 수 있다.
<실험예 3> : 부품 삽입 실험
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
솔더 크림을 기판에 인쇄하고 부품을 삽입하는 방식으로 실험이 수행되었다.
2) 실험 결과
도 4는 솔더 크림을 전자부품에 사용한 것을 나타낸 것이다.
도 14는 부품 삽입 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 4 및 도 14를 토대로 살펴보면, 부품이 잘 부탁되어 있는 것을 육안으로 확인한 것이다.
<실험예 4> : 솔더 크림의 내구성 측정
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
구리를 펼쳐 만든 적층판(copper clad laminates)에 각 솔더 크림을 이용하여 구리 펠렛을 납땜한 후, 70g의 추를 낙하시켜, 구리 펠렛의 접합부가 최초로 균열되는 시점의 추 높이를 측정하는 방식으로 실험이 수행되었다.
도 15는 낙하 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.
추를 낙하시키는 높이는 5cm부터 시작하여 1cm씩 높였다.
2) 실험 결과
도 16은 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
하기 <표 6>은 내 충격성 실험 결과(단위: cm)를 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00006
도 16 및 <표 6>을 토대로 살펴보면, 5Bi 및 6Bi의 파손 높이는 24.3cm로 가장 높았으며, 3Bi의 파손 높이는 24.1cm로 3순위로 높았다. Sn-3Ag-0.5C의 파손 높이는 24cm로 4순위로 높았으며, 4Bi의 파손 높이는 23.8cm로 가장 낮았다.
균열 높이와 내구성은 비례하므로, 위 실험 결과 5Bi와 6Bi 솔더 크림의 내구성이 가장 좋았으며, Sn-3Ag-0.5Cu와 비교하여 Bi가 첨가되면 융점은 낮아지지만, 내구성에서 차이가 없음을 알 수 있다.
도 17은 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 17을 토대로 살펴보면, 15Bi의 파손 높이는 19cm로 가장 높았으며, 30Bi의 파손 높이는 18cm로 2순위로 높았다. Sn-57Bi-1Ag의 파손 높이는 13cm로 가장 낮았다.
위 실험 결과 비싼 Ag를 넣지 않아도 Bi가 15~30중량% 포함된 솔더 크림의 내구성이 좋은 것을 알 수 있다.
도 18은 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 18을 토대로 살펴보면, Sn-40Bi-0.4Ag-0.05Sb의 파손 높이가 가장 높았으며, Sn-8Zn-30Bi의 파손 높이가 2순위로 높았다. Sn-46Bi-0.4Ag의 파손 높이가 3순위로 높았으며, Sn-3Ag-0.5Cu의 파손 높이가 4순위로 높았다. Sn-57Bi-1Ag의 파손 높이가 가장 낮았다.
파손 높이와 내구성은 비례하므로, 위 실험 결과 Sn-8Zn-30Bi는 Sn-46Bi-0.4Ag 및 Sn-3Ag-0.5Cu보다 내구성이 좋았으며, Sn-57Bi-1Ag, Sn-57Bi-0.4Ag 및 Sn-57Bi-0.4Ag보다 내구성이 매우 좋았다.
또한, Sn-8Zn-30Bi는 Sn-40Bi-0.4Ag-0.05Sb와 파손 높이가 비슷하여, Sn-40Bi-0.4Ag-0.05Sb만큼 내구성이 좋은 것을 알 수 있다.
도 19는 낙하 실험 결과를 나타낸 것이다.
실험 여건상 물성 변화가 크기 때문에, Bi는 10단위로 사용하였다.
도 19를 토대로 살펴보면, Sn-40Bi-0.4Ag-0.05Sb의 파손 높이가 가장 높았으며, Sn-8Zn-30Bi의 파손 높이가 2순위로 높았다. Sn-8Zn-40Bi의 파손 높이가 3순위로 높았으며, Sn-8Zn-50Bi의 파손 높이가 가장 낮았다.
파손 높이와 내구성은 비례하므로, Sn-8Zn-30Bi는 상대적으로 Bi가 더 포함된 Sn-8Zn-40Bi 및 Sn-8Zn-50Bi보다 내구성이 좋은 것을 알 수 있다.
또한, Ag가 포함되지 않은 Sn-8Zn-30Bi는 Ag가 포함된 Sn-40Bi-0.4Ag-0.05Sb만큼 내구성이 좋은 것을 알 수 있다.
여러 실험을 통해서 Bi가 15~30중량% 포함된 솔더 크림의 내구성이 좋은 것을 도출 할 수 있다.
<실험예 5> : 솔더볼 테스트
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
솔더볼은 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Package)와 같은 반도체 패키지 기술의 핵심 부품으로, 칩과 기판을 연결하여 전기적 신호를 전달하는 역할을 한다. 솔더 크림이 용융되지 않으면, 알갱이가 붙지 않는 불량이 발생한다.
JIS Z 3284의 부록 11. ‘솔더 볼 실험’에 근거하여 25℃, 60%RH의 조건으로 솔더볼을 측정하였다.
2) 실험 결과
도 20은 솔더볼 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 20을 토대로 살펴보면, 인쇄 후 초기 및 24시간 후 부품을 확인하여, 솔더볼이 기판에 부착되어 있으므로 불량이 아님을 육안으로 확인 할 수 있다.
<실험예 6> : 플럭스 부식 테스트
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
JIS Z 3284 부록 4. ‘플럭스 부식 실험’에 근거하여 40℃, 90%RH의 조건으로 부식을 측정하였다.
2) 실험 결과
도 21은 플럭스 부식 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 21을 토대로 살펴보면, 초기 및 96시간 방치 후에 발생할 수 있는 부식이 없는 것을 육안으로 확인할 수 있다.
<실험예 7> : Bi 및 Zn 조성에 따른 땜납 광택 테스트
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
도 22는 SMT 범위를 측정해주는 고온 관찰 장치이다.
도 23은 땜납 합금의 리플로우 프로파일을 나타낸 것이다.
SB6(42.6Sn-57Bi-0.4Ag) 및 NP601(89Sn-8Zn-3Bi) 합금 분말을 각 플럭스에 혼합하여 솔더 크림을 제조하였다. Bi는 3중량%, 6중량%, 12중량% 및 18중량% 포함하였으며, Zn은 4중량%, 6중량% 및 8중량% 포함하였다. 제조된 솔더 크림을 기판에 인쇄 후, 고온 관찰 장치를 이용하여 리플로우 프로파일과 땜납 광택을 측정하였다.
도 24는 Bi 첨가량에 따른 합금 광택을 비교한 것이다.
도 25는 Zn 첨가량에 따른 합금 광택을 비교한 것이다.
도 24 및 도 25를 토대로 살펴보면, 금속 표면의 백색 광택이 좋지 않음을 육안으로 확인할 수 있다.
<실험예 8> : 파이프 스크린 인쇄성 실험
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
도 26은 노즐 패턴을 나타낸 것이다.
도 27은 파이프 스크린 인쇄성 실험에 사용하는 인쇄기 외관이다.
도 28은 파이프 스크린 인쇄성 실험에 사용되는 평가 패널이다.
도 29는 파이프 스크린 인쇄성 실험을 모식도로 나타낸 것이다.
도 30은 기판 외관이다.
도 26~30을 토대로 살펴보면, 노즐은 4패턴으로 평가하고 온도는 25℃, 습도는 42%, 노즐간격은 0.55mm로 고정 인쇄하여 확인하였다.
하기 <표 7>은 본 발명의 퍼짐 비율 공식을 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00007
<표 7> 및 도 29를 토대로 살펴보면, 기판상 솔더 크림의 폭(x)과 높이(y)를 디지털 현미경으로 측정하고, 솔더 크림이 노즐의 직경에 대해 어느 정도 퍼져있는지를 측정하였다.
2) 실험 결과
도 31은 인쇄 모양 외관을 나타낸 것이다.
도 32는 인쇄 실험 결과를 표로 나타낸 것이다.
도 33은 노즐 선단에서의 땜납 인장을 나타낸 것이다.
하기 <표 8>은 도 32의 결과를 평균값으로 정리한 것이다.
Figure 112016124124825-pat00008
<표 8> 및 도 33을 토대로 살펴보면, 기판에 일정하게 인쇄된 것을 육안으로 확인 할 수 있다.
<실험예 9> : 점도의 안정성 실험
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
도 34는 점도 응력 실험 장치의 외관 a이다.
도 35는 점도 응력 실험 장치의 외관 b이다.
도 34 및 도 35를 토대로 살펴보면, 판금을 상하로 움직이며 솔더 크림을 포트에 재 장착하였다. 온도 25℃에서 습도는 50%, 온도 30℃에서 습도는 25%, 온도 30℃에서 습도는 85% 조건으로 솔더 크림에 응력을 주어 측정하고, 항온 및 항습 장치에 솔더 크림을 넣어 점도의 안정성을 측정하였다.
2) 실험 결과
하기 <표 9>는 솔더 크림이 열화 될 때까지의 시간과 변화율을 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00009
<표 9>를 토대로 살펴보면, 25℃/50% 조건에서 변화율이 0.5%이며, 30℃/25% 조건에서 변화율이 7.8%, 30℃/85% 조건에서 변화율이 10.2%였다. 같은 온도 조건에서 습도가 높아지면, 열화 되는 시간이 단축되고, 변화율이 높아지는 것을 알 수 있다.
그러나 높은 온도보다 낮은 온도에서 열화되는 시간은 오래 걸리지만, 변화율이 적어지므로 낮은 온도에서 점도가 안정성을 띄는 것을 도출 할 수 있다.
<실험예 10> : 젖음성 실험
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
도 36은 젖음성 실험에 사용되는 기판패턴이다.
도 37은 젖음성 실험의 리플로우 프로파일을 나타낸 것이다.
도 36 및 도 37을 토대로 살펴보면, 기판패턴에 솔더 크림을 도포하고 공심 코일을 삽입하여 리플로우 후, 상태를 확인하는 방식으로 실험을 수행하였다.
2) 실험 결과
도 38은 젖음성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 38을 토대로 살펴보면, 3개의 공심 코일의 젖음성이 동일하며, 브릿지의 발생이 없음을 육안으로 확인할 수 있다.
브릿지는 다량의 솔더가 기판에서 흘러내리지 않아, 표면장력을 약하게 하여 불량 일으키는 것을 의미한다.
<실험예 11> : 솔더 빠짐 실험
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
도 39는 솔더 빠짐 실험을 모식도로 나타낸 것이다.
도 40은 솔더 빠짐 실험을 나타낸 것이다.
도 39 및 도 40을 토대로 살펴보면, 동판을 U자형으로 구부려 접어서 안쪽에 죽순 모양이 되도록 솔더 크림을 올린 후, 150℃의 열판에서 30초 가열하여 땜납이 떨어졌는지 확인하는 방식으로 실험을 수행하였다.
2) 실험 결과
도 41은 0.05g 솔더 빠짐 실험 결과를 나타낸 것이다.
하기 <표 10>은 솔더 빠짐 실험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00010
<표 10> 및 도 36을 토대로 살펴보면, 동판 안쪽에 죽순 모양의 솔더 크림이 빠지지 않은 것을 육안으로 확인할 수 있다.
<실험예 12> : 퍼짐비율 실험
1) 실험 과정
실시예 1에 기재된 방법으로 솔더 크림을 제조하였다.
도 42는 퍼짐 실험의 리플로우 프로파일을 나타낸 것이다.
구리 또는 니켈 판에 솔더 크림을 죽순 모양이 되도록 0.25~0.35g 올린다.
① 구리 또는 니켈 판에 올린 솔더 크림을 핫플레이트에 넣고, 245℃에서 30초간 솔더 크림을 용융한다.
② 도 42를 토대로 하여, 구리 및 니켈 판에 올린 솔더 크림을 리플로우 프로파일에 넣고, 솔더 크림을 용융한다. 리플은 SMT범위를 사용한다.
① 및 ②의 방법을 이용하여, 솔더 크림의 퍼짐을 비교하는 방식으로 실험이 수행되었다.
2) 실험 결과
도 43은 퍼짐비율 실험 결과를 나타낸 것이다.
하기 <표 11>은 퍼짐비율 실험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112016124124825-pat00011
<표 11> 및 도 43을 토대로 살펴보면, 구리판이 니켈판보다 많이 퍼지는 것을 알 수 있으며, SMT보다 핫플레이트에서 더 퍼지는 것을 알 수 있다. 육안으로는 별 차이가 없음을 확인할 수 있다.

Claims (7)

  1. 전자부품용 솔더 크림은 전자부품용 땜납 합금 84 내지 91중량%에 플럭스가 9 내지 16중량% 혼합되고,
    전자부품용 땜납 합금은 땜납 분말 크기가 22 내지 45㎛이고, Bi는 15 내지 30중량%, Zn은 7.5 내지 8.5중량%, Sn 잔부 및 기타 불가피한 불순물로 구성되어 납땜성을 향상시키고 드로스(dross) 발생을 최소화하기 위해 진공 상태에서 용융되며,
    플럭스는 수지 91 내지 95중량%, 첨가제 3 내지 7중량% 및 용제 2 내지 6중량%로 구성되며,
    수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지 또는 그 변성 수지로 구성되는 열경화성 수지군 또는 폴리아미드 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리메타크릴 수지, 폴리카보네이트 수지, 셀룰로오스 수지로 구성되는 열가소성 수지 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고,
    첨가제는 활성제, 칙소제, 경화제, 산화방지제, 점도 안정제 중 1종 이상을 포함하고,
    용제는 글리시딜 에테르를 포함하고, 활성제는 유기카르복실산을 포함하고, 칙소제는 왁스를 포함하고,
    전자부품용 솔더 크림은 융점이 187 내지 196℃, 인장강도가 81.3 내지 83MPa, 연신율이 24%까지인 것을 특징으로 하는, 전자부품용 솔더 크림.
  2. 전자부품용 솔더 크림 제조방법에 있어서,
    저융점 땜납 합금 분말 용해물의 제조 단계; 플럭스 제조 단계; 및 솔더 크림 제조 단계를 포함하며,
    저융점 땜납 합금 분말 용해물의 제조 단계는 땜납 분말 크기가 22 내지 45㎛이고, Bi는 15 내지 30중량%, Zn은 7.5 내지 8.5중량%, Sn 잔부 및 기타 불가피한 불순물로 구성되어 납땜성을 향상시키고 드로스(dross) 발생을 최소화하기 위해 진공 상태에서 용융되며,
    플럭스 제조 단계는 수지 91 내지 95중량%, 첨가제 3 내지 7중량% 및 용제 2 내지 6중량%로 구성되어 혼합되며,
    수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지 또는 그 변성 수지로 구성되는 열경화성 수지군 또는 폴리아미드 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리메타크릴 수지, 폴리카보네이트 수지, 셀룰로오스 수지로 구성되는 열가소성 수지 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고,
    첨가제는 활성제, 칙소제, 경화제, 산화방지제, 점도 안정제 중 1종 이상을 포함하고,
    용제는 글리시딜 에테르를 포함하고, 활성제는 유기카르복실산을 포함하고, 칙소제는 왁스를 포함하고,
    솔더 크림 제조 단계는 땜납 합금 84 내지 91중량%에 플럭스가 9 내지 16중량% 혼합되어 융점이 187 내지 196℃, 인장강도가 81.3 내지 83MPa, 연신율이 24%까지인 것을 특징으로 하는, 전자부품용 솔더 크림 제조방법.
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