KR102045186B1 - 납땜 방법 - Google Patents

Abstract

리플로 시에 있어서의 땜납의 비산을 방지함과 함께, 땜납이나 전극의 표면에 형성되는 산화막을 확실하게 제거한다. 본 발명에 관한 납땜 방법은, 프린트 기판 상의 전극에 땜납 페이스트를 도포하고, 당해 땜납 페이스트 상에 전자 부품을 실장하는 공정과, 프리히트 시(구간 A)에 챔버 내를 진공 상태 또한 약 180℃로 하여 프린트 기판을 가열함으로써 땜납 페이스트에 함유하는 무잔사용 플럭스를 휘발시키는 공정과, 환원 시(구간 B)에 챔버 내를 포름산 분위기이면서 약 200℃로 하여 프린트 기판을 가열함으로써 전극 등에 형성된 산화막을 제거하는 공정과, 본 가열 시(구간 C)에 챔버 내를 진공 상태로 또한 250℃로 하여 프린트 기판을 가열함으로써 땜납 페이스트에 함유하는 땜납 분말을 용융시키는 공정을 갖는다.

Description

납땜 방법

본 발명은, 전자 부품을 프린트 기판 상에 납땜하는 납땜 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 부품을 프린트 기판 상의 전극(납땜부)에 납땜을 행하는 경우에는, 땜납 페이스트를 프린트 기판의 전극에 인쇄법 또는 토출법에 의해 도포하고, 그 후, 리플로 장치의 챔버 내에 있어서 그 프린트 기판을 예비 가열 및 본 가열함으로써 전자 부품을 프린트 기판 상에 납땜하고 있다.

땜납 페이스트는, 땜납 분말과 플럭스가 혼합된 접합 재료에 의해 구성되어 있다. 근년에는, 리플로 후의 납땜부에 있어서의 플럭스 잔사의 세정 공정이 필요 없는 무잔사 땜납 페이스트가, 반도체 업계나 자동차 업계 등에 있어서 널리 이용되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 상온에서 고체이고, 리플로 온도에서 증발하는 고체 용제와, 상온에서 고점성 유체이고, 리플로 온도에서 증발하는 고점성 용제와, 잔부, 상온에서 액체이고, 리플로 온도에서 증발하는 액체 용제로 이루어지는 무잔사 솔더 페이스트가 기재되어 있다.

또한, 플럭스의 잔사 대책으로서는, 상술한 무잔사 솔더 페이스트를 사용하는 것 이외에도, 플럭스리스의 프리폼재를 사용하여 전자 부품을 프린트 기판 상에 납땜하는 기술이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 2에는, 반도체 소자와 절연 금속 기판의 접합에, 플럭스리스의 땜납 프리폼재를 사용하는 파워 모듈이 기재되어 있다. 이 경우, 리플로는, 플럭스리스의 프리폼재를 사용하므로, 환원 분위기 중에서 행해진다.

일본 특허 공개 제2004-025305호 공보 일본 특허 공개 제2008-172120호 공보

그러나 상기 특허문헌 1에 기재되는 납땜 방법에서는, 이하와 같은 문제가 있다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 납땜 방법에서는, 본 가열 시에 있어서 플럭스가 남은 상태에서 대기압하 또는 질소 분위기하에서 땜납을 용융시키므로, 땜납이 용융할 때에 플럭스가 비산되어 버려, 그 플럭스의 비산에 의한 기세에 의해 땜납도 비산되어 버리는 경우가 있다. 플럭스가 비산되는 이유로서는, 플럭스에 함유되는 용제 성분의 잔류가 생각되고 있다.

그래서 본 발명은, 상기 과제에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은, 리플로 시에 있어서의 땜납의 비산을 방지함과 함께, 땜납이나 전극의 표면에 형성되는 산화막을 확실하게 제거할 수 있는 납땜 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 관한 납땜 방법은, 땜납 합금과 무잔사용 플럭스가 혼합되어 이루어지는 땜납 페이스트를 기판 상의 납땜부에 도포하고, 당해 땜납 페이스트 상에 전자 부품을 적재하는 제1 공정과, 노 내를 진공 상태 또한 제1 온도로 하여 상기 기판을 가열함으로써 상기 땜납 페이스트에 포함되는 상기 무잔사용 플럭스를 휘발시켜 무잔사의 상태(플럭스 잔사의 양이 플럭스 중의 1질량％ 이하)로 하는 제2 공정과, 상기 노 내를 환원 분위기에서 제2 온도로 하여 상기 기판을 가열함으로써 적어도 상기 납땜부의 산화막을 제거하는 제3 공정과, 상기 노 내를 진공 상태로 또한 상기 제2 온도보다 높은 제3 온도로 하여 상기 기판을 가열함으로써 상기 땜납 페이스트에 포함되는 땜납을 용융시키는 제4 공정을 갖는 것이다.

본 발명에 따르면, 리플로 시에 있어서의, 땜납의 비산을 방지할 수 있음과 함께 땜납이나 전극의 표면에 형성되는 산화막을 확실하게 제거할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 납땜 방법의 공정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 납땜 방법의 공정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 납땜 방법의 공정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 납땜 방법의 공정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 리플로 시에 있어서의 챔버 내의 온도와 기압의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.

[납땜 방법의 공정 예]

도 1a 내지 도 1d는, 본 발명에 관한 납땜 방법에 있어서의 반도체 장치의 제조 공정의 일례를 나타내고 있다. 도 2는, 리플로 시에 있어서의 챔버 내의 온도와 기압의 관계(온도 프로파일)의 일례를 나타내고 있다. 도 2에 있어서, 좌측의 종축은 챔버 내의 온도를 나타내고, 우측의 종축은 챔버 내의 기압을 나타내고, 횡축은 시간을 나타내고 있다.

본 실시 형태에 있어서 리플로 장치(100)로서는, 포름산 환원을 이용한 납땜을 행하는 리플로 장치를 사용하고 있다. 또한, 포름산 환원을 이용한 리플로 장치는, 공지이므로, 상세한 설명에 대해서는 생략한다.

먼저, 프린트 기판(10)의 전극(납땜부)과 동일 개소에 개구부가 형성된 메탈 마스크를 준비하고, 이 메탈 마스크의 개구부를 프린트 기판(10)의 전극에 위치 정렬한 후에 프린트 기판(10) 상에 적재한다. 계속해서, 메탈 마스크 상에 배치한 땜납 페이스트(20)를 스퀴지를 이동시킴으로써 메탈 마스크의 개구부 내에 충전한다. 땜납 페이스트(20)에는, 예를 들어 Sn-3.0Ag-0.5Cu로 이루어지는 땜납 합금과 무잔사용 플럭스를 혼합시킨 것이 사용된다. 메탈 마스크의 개구부의 개구 치수나 두께를 조정함으로써, 임의의 크기의 전극 등에 대응한 땜납 페이스트(20)를 형성할 수 있다. 계속해서, 도 1a에 나타내는 바와 같이, 메탈 마스크를 프린트 기판(10) 상으로부터 떼어낸 후, 땜납 페이스트(20) 상에 전자 부품(30)을 적재한다(제1 공정).

다음으로, 도 1b에 나타내는 바와 같이, 전자 부품(30)이 실장된 프린트 기판(10)을 리플로 장치(100)의 챔버 내로 반송한다. 챔버 내는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 구간 A의 프리히트 시에 있어서, 챔버 내가 진공 상태로 됨과 함께 150∼180℃(제1 온도)로 설정된다. 진공도로서는, 예를 들어 10∼100㎩인 것이 바람직하다. 이에 의해, 도 1c에 나타내는 바와 같이, 땜납 페이스트(20)에 함유되는 플럭스가 완전히 휘발된 무잔사의 상태가 되고, 프린트 기판(10) 상에는 땜납 분말(22)만이 남은 상태가 된다(제2 공정). 또한, 본 실시 형태에 있어서, 도 1c에 나타내는 플럭스가 휘발된 상태의 「무잔사」에는, 상술한 바와 같이 플럭스가 완전히 휘발되어 플럭스 잔사가 전무해지는 경우 외에, 플럭스 잔사가 거의 보이지 않는, 구체적으로는 플럭스 잔사의 양이 플럭스 중의 1질량％ 이하가 되는 경우도 포함된다.

다음으로, 도 2에 나타내는 바와 같이, 구간 B의 환원에 있어서, 리플로 장치(100)의 챔버 내에 포름산이 공급됨과 함께, 챔버 내가 진공 상태로부터 대기압 상태로 된다. 또한, 본 가열 시에 있어서의 챔버 내의 온도는, 제1 온도 이상이며 땜납의 용융 온도보다 낮은 온도(제2 온도)로 설정된다. 바람직하게는, 땜납의 용융 온도보다 10℃∼20℃ 낮은 온도로 설정된다. 이에 의해, 챔버 내에 공급된 포름산 성분이, 프린트 기판(10)의 전극이나 땜납의 표면에 형성된 산화막을 환원시켜, 전극이나 땜납 표면의 산화막을 제거한다. 즉, 플럭스리스라도, 전극이나 땜납 표면의 산화막을 제거할 수 있다(제3 공정).

다음으로, 도 2에 나타내는 바와 같이, 구간 C의 본 가열에서는, 챔버 내의 포름산이 배기됨과 함께, 챔버 내가 대기압 상태로부터 진공 상태로 된다. 진공도로서는, 예를 들어 10∼100Pa인 것이 바람직하다. 또한, 본 가열 시에 있어서의 챔버 내의 온도는, 땜납의 용융 온도보다 20℃∼50℃, 바람직하게는 20℃∼30℃ 높은 온도(제3 온도)로 설정된다. 이에 의해, 도 1d에 나타내는 바와 같이, 땜납이 용융됨으로써, 전자 부품(30)이 프린트 기판(10) 상의 전극에 접합된다(제4 공정). 땜납의 용융 시는, 플럭스가 휘발되어 남아 있지 않으므로, 땜납의 비산도 방지된다. 본 실시 형태에서는, 이러한 일련의 공정에 의해 전자 부품(30)을 땜납 페이스트(20)를 통해 프린트 기판(10) 상에 납땜한다.

실시예

다음으로, 챔버 내의 온도나 기압 등의 리플로 조건을 변경하여 리플로를 행한 경우에 있어서의 리플로 후의 보이드의 발생, 플럭스 잔사, 땜납의 비산의 각각을 검증하였다. 리플로 장치에는, ATV Technologie Gmbh사 제조의 SRO700을 사용하였다.

먼저, Sn-3.0Ag-0.5Cu로 이루어지는 땜납 분말을 제작하고, 무잔사용 플럭스인 NRB60과 땜납 분말을 혼합하여 땜납 페이스트를 제작하였다. 계속해서, 구리판 상에 땜납 페이스트를 도포하고, 그 땜납 페이스트 상에 한 변이 8㎜인 정사각형의 Si 칩을 적재한 후, 챔버 내의 온도나 기압 등의 리플로 조건을 변경하여 납땜을 행하였다. 마지막으로, 납땜을 행한 구리판을 X선 검사 장치를 사용하여, 리플로 후에 있어서의 보이드의 발생 및 땜납의 비산의 확인, 전자 현미경을 사용하여 플럭스 잔사의 확인을 행하였다.

(1) 보이드의 평가 방법

X선의 배율을 7배로 하고, 화상 처리 소프트웨어에 의해 보이드율의 측정을 행하였다.

○: 보이드율이 1％ 이하였다.

×: 보이드율이 1％ 초과였다.

(2) 납땜의 평가 방법

납땜을 정상적으로 행할 수 있었다면 ○로 하고, 납땜을 할 수 없었다면 ×로 하였다.

표 1은 각 리플로 조건에서의 리플로 후에 있어서의 보이드의 발생, 플럭스 잔사 및 땜납의 비산의 결과를 나타내고 있다.

실시예 1에서는, 표 1에 나타내는 바와 같이, 구간 A에서의 프리히트 시에 진공 상태에서 땜납 페이스트를 가열하여 플럭스를 완전히 휘발시키므로, 리플로 후에 있어서도 플럭스 잔사가 확인되지 않았다. 또한, 구간 C에서의 본 가열 시에 있어서, 이미 플럭스는 휘발되어 있으므로, 플럭스에 기인하는 땜납의 비산도 확인되지 않았다. 또한, 포름산에 의해 산화막을 제거하므로, 납땜도 정상적으로 행할 수 있다. 땜납의 용융 시는 진공 상태이므로 보이드의 발생도 확인되지 않았다.

이에 비해, 비교예 1에서는, 표 1에 나타내는 바와 같이, 구간 A에 있어서 진공 상태로 하지 않으므로 플럭스를 완전히 휘발시킬 수 없다. 그 때문에, 구간 C에 있어서 땜납을 용융시켰을 때, 플럭스가 보이드로서 남아 버렸다. 그 후, 본 가열을 행하는 동안에 남아 있던 플럭스가 휘발되어, 땜납의 비산을 발생시켜 버렸다. 비교예 2에서는, 구간 B의 포름산에 의한 환원을 1분간밖에 행하고 있지 않으므로, 산화막이 충분히 제거되지 않고 남아 버려, 납땜을 행하지 못하였다. 비교예 3에서는, 구간 C를 진공 상태로 하고 있지 않다. 또한, 구간 B에 있어서 포름산에 의해 산화막의 제거를 행하고 있고, 포름산의 공급을 멈추었다고 해도 땜납의 주위에는 포름산이 남아 버리므로, 땜납을 용융시켰을 때에 포름산이 보이드로서 남아 버렸다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 프리히트 시간을 종래보다 길게 설정함과 함께 이때 챔버 내를 진공 상태로 하므로, 프리히트 시에 있어서 플럭스를 완전히 휘발시킬 수 있어, 땜납 용융 시에 있어서의 땜납의 비산을 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 이 경우에도, 포름산 분위기 리플로를 채용하고 있으므로, 플럭스리스의 납땜을 행할 수 있다. 포름산을 사용하여 리플로를 행하였지만, 수소 등 환원 분위기에서 리플로를 행할 수 있으면 된다. 이에 의해, 보이드리스로 땜납 비산을 방지하면서 납땜을 행할 수 있고, 또한 플럭스 세정 공정을 생략할 수 있다. 또한, 플럭스는 산화막 제거에 필요한 활성제를 포함하지 않아도 된다.

또한, 본 실시 형태에 의하면, 메탈 마스크를 사용하여 땜납 페이스트(20)를 전극 상에 도포하므로, 땜납 분말(22)은 땜납 분말로 할 수 있으면 어떠한 조성이라도 사용할 수 있다. 예를 들어, 프리폼으로서 가공하는 것이 곤란한 난가공성의 Sn-Sb계나 Bi-Sn계 땜납 등을 사용할 수도 있다. 난가공성의 조건으로서는, 땜납 합금의 인장 강도가 55㎫ 이상, 연신율(파단 연신율)이 40％ 이하, 0.2％ 내력(오프셋법)이 40㎫ 이상이다. 연신은 금속 가공에 관한 특성이며, 연신율이 작으면 형성 가공이 곤란해진다. 인장 강도, 파단 연신율, 0.2％ 내력의 각 측정 방법은, JIS Z 2241에 준거한다. 0.2％ 내력은 소성 변형이 개시되는 하중이며, 이 값이 높으면 가공에 필요한 힘이 커진다. 인장 강도는 펀칭 가공에 필요한 힘을 구하는 지표로서 사용되는 경우가 있고, 이 값이 높으면 펀칭 가공이 곤란해진다. 이들 조건을 만족시키면, 땜납을 얇게 펼 수 없거나, 펀칭을 행하였을 때, 균열이나 절결부가 발생하거나 한다. 이러한 특성을 나타내는 땜납 합금으로서, 예를 들어 Sb가 10질량％ 이상 함유되는 Sn-Sb계 땜납 합금이나 Bi가 80질량％ 이상 함유되는 Bi-Sn계 땜납 합금을 들 수 있다. 또한, 메탈 마스크의 개구 직경이나 두께를 조정함으로써, 반도체 소자나 전극의 형상이나 크기에 따라서 임의의 크기로 땜납 페이스트(20)를 형성할 수 있다. 즉, 난가공성의 땜납 재료를 사용한 경우라도, 땜납 형상을 자유롭게 설계할 수 있다.

또한, 본 발명을 실시 형태를 사용하여 설명하였지만, 본 발명의 기술적 범위는, 상술한 실시 형태에 기재된 범위에 한정되는 일은 없다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 상술한 실시 형태에, 다양한 변경 또는 개량을 추가하는 것이 가능하다.

10 : 프린트 기판(기판)
20 : 땜납 페이스트
22 : 땜납 분말
24 : 플럭스
30 : 전자 부품

Claims (3)

1. 땜납 합금과 무잔사용 플럭스가 혼합되어 이루어지는 땜납 페이스트를 기판 상의 납땜부에 도포하고, 당해 땜납 페이스트 상에 전자 부품을 적재하는 제1 공정과,
   노 내를 진공 상태 또한 제1 온도로 하여 상기 기판을 가열함으로써 상기 땜납 페이스트에 포함되는 상기 무잔사용 플럭스를 휘발시켜 무잔사의 상태(플럭스 잔사의 양이 플럭스 중의 1질량％ 이하)로 하는 제2 공정과,
   상기 노 내를 환원 분위기에서 제2 온도로 하여 상기 기판을 가열함으로써 적어도 상기 납땜부의 산화막을 제거하는 제3 공정과,
   상기 노 내를 진공 상태로 또한 상기 제2 온도보다 높은 제3 온도로 하여 상기 기판을 가열함으로써 상기 땜납 페이스트에 포함되는 땜납을 용융시키는 제4 공정을
   갖는 것을 특징으로 하는 납땜 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 공정에 있어서, 상기 기판 상의 상기 납땜부에 대응하는 부분이 개구된 개구부를 갖는 메탈 마스크를 사용하여, 상기 기판 상의 상기 납땜부에 상기 땜납 페이스트를 도포하는
   것을 특징으로 하는 납땜 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 땜납 합금은, 인장 강도가 55㎫ 이상, 연신율이 40％ 이하, 0.2％ 내력이 40㎫ 이상인
   것을 특징으로 하는 납땜 방법.

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