KR101986557B1 - Ｓｎ-Ｃｕ계 납프리 땜납 합금 - Google Patents

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Abstract

Cu면, Ni면 어느 것이나 우수한 젖음성을 나타내는 땜납 합금을 제공한다. Cu:0.6∼0.9질량%, Al:0.01∼0.1질량%, 필요에 따라 Ti:0.02∼0.1질량% 및/또는 Co:0.01∼0.05질량%, 잔부 Sn으로 더 이루어지는 합금 조성으로 한다.

Description

Ｓｎ-Ｃｕ계 납프리 땜납 합금{Sn-Cu-BASED LEAD-FREE SOLDER ALLOY}
본 발명은 납프리 땜납 합금, 특히 Sn-Cu계 납프리 땜납 합금에 관한 것이다.
땜납 합금은 예를 들면, 전자기기의 전극과 다른 부위의 접속에 사용하거나,또는 IC 디바이스를 실드 케이스와 또한 히트 싱크에 접합하는데에 사용한다. 전극 등을 구성하는 금속과의 젖음성을 이용해서 전극과 회로 기판 또는 IC 디바이스와 실드 케이스 등을 금속적으로 접합한다.
전극 등의 땜납 접합면에는 Cu 도금이 사용되는 경우가 많다. 그러나, Ni 도금이 사용되는 경우도 있다. 그 때문에, 납땜은 Cu 도금면 뿐만 아니라, Ni 도금면에 납땜되는 경우가 자주 보여진다. 따라서, Ni, Cu 중 어느 것에 대해서나 납땜성이 우수한 땜납 합금이 요구되어지고 있다.
종래부터 일반적으로 Ni 도금면은 납땜이 어렵기 때문에 Ni 도금면에 Au 등을 얇게 도금해 두고, 그 위에 납땜을 행하고 있다.
Ni 도금면에의 납땜에 관해서는 종래는 다이 본딩용으로서 Pb-Sn계 땜납 합금(특허문헌 1:일본 특허 공개 소 60-166192), Bi-Ag계 땜납 합금(특허문헌 2:일본 특허 공표 2005-503926), 또한 Sn-Zn계 땜납 합금(특허문헌 3:일본 특허 공개 2005-52869) 등이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 소 60-166192호 공보 일본 특허 공표 2005-503926호 공보 일본 특허 공개 2005-52869호 공보
상술과 같은 종래 기술의 땜납 합금에는 몇개의 문제가 있다. 특허문헌 1의 Pb가 포함된 땜납 합금은 인체에의 영향을 배려해서 환경 적합성의 문제로부터 사용이 제한되어 있다. 또한, 고가의 귀금속인 Ag성분이 비교적 다량 배합되어 있는 특허문헌 2의 땜납 합금은 비용이 높아진다는 문제가 있다.
또한, Zn과 같이 매우 불안정하며 산화하기 쉬운 성분이 포함되어 있는 땜납 합금(특허문헌 3 참조)은 전극에 있어서 부식이나 경시 변화가 일어나므로 사용이 꺼려지는 경향이 있다.
이렇게, 납프리이며, Ag, Zn을 함유하지 않는, 즉 환경부하가 낮고 경제성이 우수함과 아울러 Cu, Ni 중 어느 것에 대해서나 우수한 납땜성을 나타내는 땜납 합금이 요구되고 있지만, 종래 기술의 땜납 합금은 반드시 만족할 재료는 아니었다.
여기에, 본 발명의 목적은 그러한 문제를 해소한 신규 땜납 합금을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 Sn-Cu-Al계 땜납 합금이 Ni 도금면에의 우수한 젖음성을 발휘하는 것을 찾아냈다.
즉, Sn-Cu계 땜납 합금에 Al:0.01∼0.1질량% 배합한 결과, Ni 도금면에 대한 젖음성이 매우 개선될 뿐만 아니라 Cu 도금면에의 납땜성도 양호한 것을 찾아내어 본 발명에 이르렀다. 또한, Ni계 합금인 양백, 백동에 대해서도 양호한 젖음을 나타내는 것이 확인되었다.
또한, 상기 Sn-Cu-Al 땜납 합금에 Ti를 0.02∼0.1질량% 및/또는 Co를 0.01∼0.05질량% 첨가한 결과 Ni 표면에 대한 젖음성이 비약적으로 개선되었다. 또한, Cu 표면에의 납땜성도 양호한 것도 밝혀졌다.
상술한 대로, 일반적으로 Ni 금속 부재 표면 또는 Ni 도금면에의 납땜은 어렵고, Ni 도금면에는 그 위에 Au 도금(Au 플래시 도금이라고 한다)을 실시해서 젖음성을 확보하고 있다. 그러나, 본 발명에 의한 땜납은 Au 도금을 하고 있지 않은 Ni 도금면에 용이하게 납땜이 가능하고, 땜납 중에도 귀금속을 함유하지 않으므로 공업적으로 저렴한 납땜이 가능하다. 물론, Ni 도금면에 Au 플래시 도금을 행함으로써 납땜성은 더 개선된다.
여기에, 본 발명은 Cu:0.6∼0.9질량%, Al:0.01∼0.1질량%, Ti:0.02∼0.1질량%, 잔부 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 납프리 땜납 합금이다.
Al과 Ti의 합계량이 0.03∼0.1질량%이어도 좋다.
상기 합금 조성은 Co:0.01∼0.05질량%를 더 함유해도 좋다.
삭제
따라서, 본 발명은 Cu:0.6∼0.9질량%, Al:0.01∼0.1질량%, Ti:0.02∼0.1질량%, 임의 성분으로서 Co:0.01∼0.05질량%, 잔부 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 납프리 땜납 합금이다.
삭제
삭제
이들 땜납 합금은 본 발명에 의한 땜납 합금으로 총칭한다.
다른 면에서는 본 발명은 상술한 것 중 어느 하나에 기재된 합금 조성을 갖는 두께 500㎛이하의 납프리 땜납 합금 시트이다.
본 발명은 본 발명에 의한 땜납 합금에 의해 접합된 실드 케이스와 IC 디바이스의 조립체이다.
본 발명은 상기 실드 케이스에 히트 싱크가 상기 땜납 합금에 의해 더 접합된 히트 싱크와, 실드 케이스와, IC 디바이스의 조립체이다.
도 1은 본 발명에 의한 땜납 합금을 IC 디바이스의 납땜에 사용한 형태를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는 Ni 도금면에 Au 플래시 도금을 행한 면에 본 발명에 의한 땜납 합금을 사용해서 IC 디바이스와 실드 케이스의 조립체를 납땜할 때의 가열전의 모양을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 3은 도 2의 조립체를 가열·접합했을 때의 땜납 이음매 구조의 모식적 설명도이다.
도 4는 표 1의 데이터에 기초하여 Sn-Cu계 땜납 합금에 있어서의 Al 함유량과 땜납 젖음성의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명을 도면을 참조해서 더 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 땜납 합금을 사용한 IC 디바이스와 방열 부재(실드 케이스나 히트 싱크)의 납땜의 모양을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
전기·전자 산업분야는 날마다 기술혁신에 따라 경박 단소화가 진행되고 있다. 특히, 반도체 분야에 있어서는 다기능화, 고밀도화가 추구되고 있다. 그리고, 다기능화에 따라 반도체 장치에는 대전류를 통전시키게 되어 반도체부분에 발생하는 열량은 증대하는 경향이 있다. 발생한 열을 외부로 방출하는 방열 성능은 반도체의 고성능화 및 그 신뢰성에 직결되는 매우 중요한 요소이다.
반도체의 방열 부재로서는 도 1에 나타내는 바와 같은 히트 싱크를 사용하는 것이 일반적이다. 방열 부재가 되는 히트 싱크 및 실드 케이스에는 금속재료로서 열전도율이 높은 금속 Cu나 Ni 도금된 금속 Cu, 금속 Al 등을 사용한다.
도시예에 있어서는 기판(5)에 설치된 BGA, Si 등의 IC 디바이스(3)를 실드 케이스(4)를 통해 히트 싱크(1)에 접속하고 있고, IC 디바이스(3)와 실드 케이스(4)의 접속, 및 실드 케이스(4)와 히트 싱크(1)의 접속에 본 발명에 의한 땜납 합금(2)을 사용하고 있다. 본 발명에 의한 시트상의 땜납 합금을 IC 디바이스(3)와 실드 케이스(4) 사이, 그리고 실드 케이스(4)와 히트 싱크(1) 사이에 개재시켜서 조립체를 구성하고, 이것을 리플로우로 등으로 가열해서 납땜을 행한다.
도 2 및 도 3은 Ni 도금면에 산화를 방지하여 납땜성을 향상시키기 위해서 Au 플래시 도금을 행한 접합면에 본 발명에 의한 땜납 합금을 사용해서 납땜하는 경우를 나타내고, 각각 납땜 온도로의 가열전, 가열후의 접합부의 모식적 설명도이다. 동일부재는 동일부호로 나타낸다. 물론, 후술하는 실시예에서 나타내는 바와 같이, 본 발명에 의한 땜납 합금을 사용하면 고가인 Au 도금을 행하지 않아도 Ni 도금면에 효과적인 납땜을 행할 수 있다.
도 2는 납땜전의 조립체, 도 3은 납땜후의 조립체를 각각 나타낸다. 실드 케이스는 히트 싱크에 더 납땜되어 있으며, 그 경우에도, 본 발명에 의한 땜납을 사용해서 납땜하는 것이 바람직하다.
도시예에서는 각각 IC 디바이스(7) 및 실드 케이스(6)에 Ni 도금층(8)이 형성되어 있고, 그 위에 Au 플래시 도금에 의한 Au 도금층(10)이 형성되어 접합면을 구성하고 있다. 이들 접합면은 본 발명에 의한 땜납(9)을 통해 가열·접합된다. 도 2에 나타내는 Au 도금층(10)은 가열에 의해 땜납 내부로 확산되어 소실되어 도 3에 나타낸 바와 같이 Sn-Cu-Ni계 금속간 화합물층(11)이 형성된다.
종래는 이 접속에 금속 In, 금속 In을 포함한 수지계 재료, 그리스나 도전성의 테이프를 사용하고 있다. 그러나, 금속 In은 귀금속이며 접합 재료로서 고가인 점에서 Ag가 포함된 재료와 마찬가지로 경제성에 어려움을 갖는다. 또한, 그리스나 도전성의 테이프는 내열성이나 반도체 소자·부재와의 밀착성에 과제가 남는다.
본 발명에 의하면, 도 1에 나타낸 바와 같이, Ni 도금된 IC 디바이스(반도체 소자)와 실드 케이스 또는 실드 케이스와 히트 싱크의 접합에 본 발명에 의한 땜납 합금을 사용함으로써 금속적인 접합이 가능해진다. 실드 케이스면 및 히트 싱크면에도 Ni 도금 또는 Ni/Au 플래시 도금이 실시되어 있어도 좋다.
이것에 의해, 종래의 접합 방식에서는 곤란했던 높은 열전도성·내열성·밀착성을 겸비한 방열 설계가 가능해진다.
본 발명에 있어서 땜납 합금 성분을 규정한 이유는 다음과 같다.
본 발명에 있어서 Cu는 땜납 합금의 강도 개선 및 융점 조정을 위해서 배합된다.
일반적으로 반도체 실장부에 사용되고 있는 땜납은 최근의 납프리화에 의해 Sn-3질량% Ag-0.5질량% Cu 땜납을 중심으로 한 SnAgCu계 합금이다.
여기에, 본 발명에 의한 땜납 합금은 융점이 227∼230℃정도이며 Sn-Cu 합금의 공정 조성에 가까운 융점이며, 이 융점 조정을 위해서 Cu 첨가량은 0.6∼0.9질량%로 한다.
Cu 함유량이 0.6질량%미만에서는 강도의 개선이 충분하지 않고, 한편, 0.9질량%를 초과한 경우에는 융점이 높고, 기계적 연성이 부족하므로 적당하다고는 할 수 없다. 바람직하게는 0.7∼0.9질량%이다.
본 발명의 특징 중 하나는 Al을 배합하는 것이지만, Al:0.01질량%미만에서는 젖음성 개선 효과가 충분하지 않다. 한편, Al:0.1질량%를 초과하면 용융시에 산화되기 쉬운 Al이 땜납 표면에 농화되기 쉬워 젖음성에 대해서 본 발명의 목적을 달성할 수 없다. 바람직한 Al 함유량은 0.02∼0.07질량%이다.
본 발명에 의한 땜납 합금에 있어서, Ti를 0.02∼0.1질량% 더 첨가함으로써 특히, Ni에 대한 젖음성이 현저하게 개선된다. 특히, Al과 Ti의 합계량이 0.03∼0.1질량%일 때에는 젖음성의 개선 효과가 현저하다.
본 발명에 의한 Sn-Cu-Al 땜납 합금에 있어서, 필요에 따라 Co:0.01∼0.05질량%를 더 배합할 수 있다. Co를 배합함으로써 본 발명에 의한 땜납 합금의 Ni면에의 젖음성을 더 개선할 수 있을 뿐만 아니라 접합재로서의 강도나 경도를 향상시킬 수 있다.
그런데, 반도체 소자는 열팽창 계수가 낮은 실리콘을 주성분으로 하는 경우가 많아 접합되는 히트 싱크나 실드 케이스는 금속재료이다. 반도체와 방열 부재(히트 싱크나 실드 케이스)의 접합부에는 통전에 따라 서로의 열팽창 계수차에 기인한 열변형·열응력이 가해져서 접합체에 크랙이나 박리가 생기는 경우가 있다.
본 발명에 의한 땜납 합금은 Sn-Cu 땜납에 대하여 Al을 미량 첨가함으로써 상술의 작용 효과에 추가해서 기계적 연성을 향상시킬 수 있으므로 열응력에 의한 변형에 추종할 수 있다고 생각된다. 뿐만 아니라, Sn-Cu 합금에 Al, 필요에 따라 Ti를 0.02∼0.1질량%로 미량 더 첨가함으로써 Sn을 주성분으로 하는 조직을 미세화할 수 있어 내부 응력에 의한 크랙의 진전을 억제하는 효과나 응력 완화성에 의한 땜납 합금의 장수명화가 가능하다고 생각된다.
본 발명에 의한 땜납 합금의 형태는 특별히 제한되지 않고, 봉상 땜납, 분말 땜납, 볼 땜납, 시트 땜납 등 적당한 형태로 사용할 수 있다.
특히, Ni면에의 납땜성이 우수한 것을 고려하면 IC 디바이스의 방열용에 사용되는 방열 부재(실드 케이스나 히트 싱크)와 IC 디바이스 등의 납땜에 땜납 합금 시트의 형태로 유리하게 사용할 수 있는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의한 땜납은 Ni면에 대한 납땜성이 특히 우수한 점에서 시트상으로 성형하고, 이것을 실드 케이스와 IC 디바이스의 저면에서 협지하면서 반송식 리플로우로 또는 땜납 접합용 오븐로에서 가열함으로써 용이하게 접합할 수 있다. 이 때의 땜납 시트의 두께는 500㎛이하이다. 하한은 특별히 규정하지 않지만, 제조상의 제한으로부터 통상, 200㎛이상이다. 본 발명에 의한 땜납 시트는 땜납 접합면에 맞춰서 적당한 폭, 길이로 절단해서 상술한 납땜에 사용한다.
본 발명에 대해서, IC 디바이스를 실드 케이스나 히트 싱크에 접합하는 땜납 합금으로서 설명해 왔지만, 당업자에게는 이미 이해되는 바와 같이, 본 발명에 의한 땜납 합금은 회로 기판의 전극의 납땜에도 마찬가지로 사용된다. 그 경우에는 펠렛상 또는 원판상의 프리폼 땜납으로서 사용할 수 있다.
실시예
표 1에 나타내는 합금 조성을 갖는 땜납을 조제하고, 하기 요령에 따라 젖음성 시험을 행하여 각 땜납의 젖음성, 인장강도를 계측했다.
젖음성 시험
웨팅 밸런스법에 의해 땜납 합금의 젖음성을 조사했다.
사용하는 시험편은 Ni판 및 Cu판(두께 0.3×폭 10×길이 30mm)으로 했다.
이 시험편 표면에 납땜용 수지계 플럭스를 얇게 도포하고, 260℃로 가열 유지된 용융 땜납 중에 침지하여 시간축에 대한 젖음 곡선을 얻었다. 이 젖음 곡선으로부터 제로 크로스 시간을 구하고, 젖음성을 평가했다.
시험 결과를 표 1에 정리해서 나타낸다. Ni판에 대한 젖음성은 기본 조성인 Sn-0.7질량% Cu 합금 땜납보다 약 1초이상 빠른 제로 크로스 시간을 양으로 했다. 기본 조성의 제로 크로스 시간은 5.4초였으므로 2초이상 4초미만의 경우에는 젖음성의 개선이 보여졌다고 해서 「양」으로 했다. 그리고, 제로 크로스 시간 2초미만을 「우」로 하고, 4초이상을 「열」로 했다.
마찬가지로, Cu판에 대한 젖음성을 평가하여 표 1에 정리해서 나타낸다. Ni판의 경우와 마찬가지로, 젖음성의 판단 기준을 기본 조성인 Sn-0.7 Cu 땜납보다 빠른 젖음을 나타내는 1.1초미만을 「우」, 1.1초이상 1.6초미만을 「양」, 1.6초이상을 「열」로 했다.
Figure 112014060245635-pct00006
(Ni 및 Cu에 대한 젖음성 평가)
표 1에 나타내는 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, Sn-0.6∼0.9질량% Cu 합금에서는 Ni에 대한 젖음성이 나쁘지만, 이것에 0.01∼0.1질량%의 Al을 첨가함으로써 Ni에 대한 젖음성이 개선된다.
마찬가지로, 또한 Sn-Cu 땜납 합금에 Al을 0.01∼0.1질량% 첨가함으로써 Cu에 대해서도 양호한 젖음성을 발휘한다.
Sn-Cu 땜납 합금에 Al 이외에 Ti:0.02∼0.1질량%를 첨가함으로써 Ni에 대한 젖음성이 매우 강하게 개선된다. 특히, Al, Ti의 총첨가량이 약 0.03∼0.1질량%일 경우 Ni에의 젖음성은 강하게 개선된다.
도 4는 표 1의 데이터에 의거해서 작성한 그래프이며, Sn-0.7Cu계 땜납 합금에 있어서, Al 함유량을 변경했을 때에 Ni면 및 Cu면에 대한 땜납 젖음성이 어떻게 변하는지를 나타낸다. Al 함유량에 따라서 Cu면의 땜납 젖음성은 특별히 영향받지 않지만, Ni면에 대해서는 Al:0.01∼0.1%의 범위에서 특히 우수한 땜납 젖음성이 발휘되는 것을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. Cu:0.6∼0.9질량%, Al:0.01∼0.1질량%, Ti:0.02∼0.1질량%, 및 잔부 Sn으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 납프리 땜납 합금.
  2. Cu:0.6∼0.9질량%, Al:0.01∼0.1질량%, Ti:0.02∼0.1질량%, Co:0.01∼0.05질량%, 및 잔부 Sn으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 납프리 땜납 합금.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    Al과 Ti의 합계량이 0.03∼0.1질량%인 것을 특징으로 하는 납프리 땜납 합금.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 합금 조성을 가지고, 두께 500㎛이하인 것을 특징으로 하는 납프리 땜납 합금 시트.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 납프리 땜납 합금으로 접합된 것을 특징으로 하는 실드 케이스와 IC 디바이스의 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    히트 싱크를 더 갖고, 상기 히트 싱크와 상기 실드 케이스가 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 납프리 땜납 합금으로 접합된 것을 특징으로 하는 실드 케이스와 IC 디바이스의 조립체.
  7. 삭제
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