KR102071255B1 - 땜납 합금, 솔더 페이스트 및 땜납 조인트 - Google Patents

Abstract

땜납 합금의 인장 강도가 높고, 프린트 기판과 전자 부품의 접합부가 우수한 내진동성을 가짐으로써, 높은 신뢰성을 구비하는 땜납 합금, 솔더 페이스트 및 땜납 조인트를 제공한다. 땜납 합금은, 질량％로, Ag: 1 내지 4％, Cu: 0.5 내지 0.8％, Bi: 4.8％ 초과 5.5％ 이하, Sb: 1.5％ 초과 5.5％ 이하, Ni: 0.01％ 이상 0.1％ 미만, Co: 0.001％ 초과 0.1％ 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어진다.

Description

땜납 합금, 솔더 페이스트 및 땜납 조인트

본 발명은, 강도가 높고, 접합부의 내진동성이 우수한 땜납 합금, 솔더 페이스트 및 땜납 조인트에 관한 것이다.

근년, 자동차는 카 엘렉트로닉스화가 진행되어, 가솔린차로부터 하이브리드 차나 전기 자동차로 이행되어 가고 있다. 하이브리드 차나 전기 자동차는, 프린트 기판에 전자 부품이 납땜된 차량 탑재 전자 회로를 탑재하고 있다. 차량 탑재 전자 회로는, 진동 환경이 비교적 완만한 차실 내에 배치되어 있었지만, 용도의 확장에 의해 엔진 룸이나 트랜스미션의 오일실 내, 나아가 기계 장치 상에 직접 탑재되게 되었다.

이와 같이, 차량 탑재 전자 회로는, 탑재 영역의 확대에 의해, 한란 차, 충격, 진동 등의 여러 가지 외적인 부하를 받는 개소에 탑재되게 되었다. 예를 들어, 엔진 룸에 탑재된 차량 탑재 전자 회로는, 엔진 동작 시에는 125℃ 이상이라는 고온에 노출되는 경우가 있다. 한편, 엔진 정지 시에는, 한랭지라면 -40℃ 이하라는 저온에 노출된다. 차량 탑재 전자 회로가 이와 같은 한란 차에 노출되면, 전자 부품과 프린트 기판의 열팽창 계수 차이에 의해 접합부에 응력이 집중된다. 이 때문에, 종래의 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금을 사용하면 접합부가 파단될 우려가 있어, 한란 차가 심한 환경 하에서도 접합부의 파단을 억제하는 땜납 합금이 검토되고 있다.

예를 들어 특허문헌 1 내지 5에는, Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni-Co계 땜납 합금이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 발명에서는, Sb가 1.5％ 이하, 혹은 Sb가 3.0％ 이상, 또한 Bi가 2.7％ 이하인 합금 조성에 있어서, 보이드 발생의 유무, Cu 침출, 히트 사이클 시험에 의한 땜납 수명이 평가되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 발명에서는, Ni가 0.1％ 이상, 혹은 Ni가 0.04％, 또한 Bi가 3.2％인 합금 조성에 대해서, 히트 사이클 시험 전후에서의 내충격성이 평가되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 발명에서는, Bi가 3.2％ 이하, 혹은 Bi가 3.5％, 또한 Co가 0.001％인 합금 조성에 대해서, 히트 사이클 후에 있어서의 땜납 조인트의 균열이나 보이드의 유무가 평가되어 있다. 특허문헌 4에 기재된 발명에서는, Bi가 3.2％ 이하인 합금 조성에 대해서, 히트 사이클 후에 있어서의 땜납 조인트의 크랙 발생률이 평가되어 있다. 특허문헌 5에 기재된 발명에서는, Bi가 4.8％ 이하인 합금 조성에 대해서, 히트 사이클 후에 있어서의 필렛부의 균열의 유무가 평가되어 있다.

일본 특허 제5349703호 공보 일본 특허 제5723056호 공보 일본 특허 제6047254호 공보 국제 공개 제2014/163167호 일본 특허 제6053248호 공보

이와 같이, 특허문헌 1 내지 5에 기재된 발명은, 주로 엔진 룸 등의 한란 차가 큰 환경에 노출되는 차량 탑재 전자 회로용 땜납 합금에 관하여 평가되어 있다. 그러나, 차량 탑재 전자 회로의 탑재 영역이 확장됨에 따라, 히트 사이클 특성 외에, 내충격성이나 내진동성도 향상시킬 필요가 발생하여, 이들의 특성에 착안한 검토도 필요하다. 상기 문헌 중에서, 특허문헌 2에 기재된 발명은 내충격성이 평가되어 있지만, 평가 방법으로서는, 1m의 높이로부터 5회 낙하시켜서 낙하 충격성을 평가한 것만 기재되어 있다.

여기서, 자동차에는 서스펜션이 탑재되어 있기 때문에, 포장도로나 자갈길을 주행하는 것만으로는 1m에서 낙하한 충격이 자동차에 가해지는 상황은 상정하기 어렵다. 이 때문에, 특허문헌 2에 기재된 낙하 충격성의 평가는, 자동차가 충돌하였을 경우를 상정하고 있다고도 생각할 수 있다. 이 경우, 낙하 충격성을 평가할 때는, 적어도, 기판의 면 낙하, 모서리 낙하 등을 규정하고, 낙하 바닥면의 재질도 규정해야 한다. 그러나, 특허문헌 2에는, 전술한 바와 같이, 낙하의 높이와 낙하의 횟수밖에 규정되어 있지 않아, 그 평가 자체가 애매하다고 하지 않을 수 없으며, 어떤 충돌을 상정한 것인지 불분명하다. 상기 평가에서 문제 없음이라고 판단된 합금 조성이어도, 기판의 면 낙하나 모서리 낙하, 혹은 낙하 바닥면의 재질에 따라서는 문제가 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 적어도 어느 정도 정해진 평가 기준 하에서 합금 설계를 행할 필요가 있다

또한, 통상의 주행 시에 차체에 전해지는 진동은, 충돌 시의 충격과 비교하여, 1회의 충격에 의해 가해지는 하중이 작고, 또한 하중이 가해지는 횟수가 많다. 따라서, 실정에 가까운 평가 조건에서 내진동성의 평가를 행하면서, 상기 특허문헌 1 내지 5에 개시되어 있는 합금 조성으로부터 개량을 추가할 필요가 있다.

또한, 특허문헌 1 내지 5에서는, 전술한 바와 같이, 주로 히트 사이클 특성에 착안한 합금 설계가 이루어져 있다. 히트 사이클에 노출된 차량 탑재 전자 회로는, 프린트 기판과 전자 부품의 열팽창 계수의 차이로 인해 접합부에 응력이 가해진다. 한편, 진동이 차량 탑재 전자 회로에 가해지는 경우, 그 응력은 히트 사이클 시에 발생하는 프린트 기판이나 전자 부품의 신축에 의한 응력과는 다르게, 외적 충격에 가까운 응력이라고 생각된다. 즉, 히트 사이클 시험과 진동 시험은 접합부에 대한 부하의 거동이 다르기 때문에, 기판의 탑재 영역의 확장에 대응하기 위해서는, 그에 적합한 합금 설계가 필요해진다.

이에 더하여, 차량 탑재 전자 회로의 접합부가 차량 탑재 전자 회로의 탑재 영역에 구애되지 않고 파단을 회피하기 위해서는, 접합부를 형성하는 땜납 합금 자체의 강도를 향상시키는 것도 필요하다. 이 관점에서 보아도, 공지된 합금 조성을 재검토할 필요가 있다.

본 발명의 과제는, 땜납 합금의 인장 강도가 높고, 프린트 기판과 전자 부품의 접합부의 우수한 내진동성을 가짐으로써, 높은 신뢰성을 구비하는 땜납 합금, 솔더 페이스트 및 땜납 조인트를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 먼저, 상기와 같이 진동에 의한 부하가 접합부에 가해졌을 경우를 상정하여, 종래의 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금으로 접합된 접합부의 파괴 모드를 조사하였다. 이 땜납 합금에서는, 전극과 땜납 합금의 계면에서 파단되었음을 알 수 있었다.

그래서, 본 발명자들은, 이와 같은 파괴 모드를 피하기 위해서, Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni-Co계 땜납 합금에 있어서, Ni 함유량 및 Co 함유량에 착안하여 이들 원소의 함유량을 상세하게 조사하였다. 이 결과, 이들이 소정의 범위 내에 있어서 상기 파괴 모드는 보이지 않았지만, 금속 간 화합물층 근방에서의 땜납 합금 중에 있어서의 파괴 모드로 천이됨을 알 수 있었다. 즉, Ni 함유량 및 Co 함유량을 조정한 합금 조성에서는, 파괴 모드의 천이에 의해 내진동성의 향상으로 이어짐을 알 수 있었다.

또한 본 발명자들은, 땜납 합금 중에서의 크랙의 신전을 억제하기 위해서, 땜납 합금 자체의 강도를 향상시킬 필요가 있음에 착안하였다. 여기서, 특허문헌 1 내지 5에는, Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni-Co계 땜납 합금의 실시예에서, Sb나 Bi 함유량을 낮게 억제한 합금 조성만이 개시되어 있다. 그러나, 근년, 차량 탑재 전자 회로의 탑재 영역은 확대되고 있기 때문에, 종래보다도 높은 땜납 합금의 인장 강도가 요구되게 되었다.

그래서, 본 발명자들은, Ag 및 Cu를 소정량 함유한 조성에 있어서, Ni 함유량 및 Co 함유량을 미세하게 조정한 다음, 땜납 합금 자체의 강도를 향상시키기 위해서, Sb 함유량 및 Bi 함유량을 증가시켜서 합금 설계를 행하였다. 그 결과, 금속 간 화합물층 근방에서의 땜납 합금 중에 있어서의 크랙이 억제되어 내진동성이 향상됨과 함께, 땜납 합금의 인장 강도가 향상된다는 지견이 얻어졌다.

상기 검토에 의해, 본 발명자들은, 기판의 탑재 영역의 확장에 충분히 대응할 수 있는 땜납 합금이 얻어졌지만, 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해서 검토를 행하였다. 단순히 인장 강도를 향상시키기 위해서 Sb 및 Bi의 함유량을 증가시킨 것만으로는, Ni 및 Co의 함유량이 상대적으로 적어지기 때문에 내진동성의 향상이 보이지 않을 것이 상정된다. 그래서, 인장 강도와 내진동성의 밸런스를 고려하여 더욱 상세하게 조사한 결과, 프린트 기판의 전극과 땜납 합금의 계면에서의 파단을 억제하는 Ni 및 Co의 함유량과, 땜납 합금 중의 크랙 신전을 억제하는 Bi 및 Sb의 함유량, 및 그것들의 밸런스를 조정함으로써 땜납 합금의 인장 강도 및 내진동성이 향상되어, 더욱 높은 신뢰성을 나타낸다는 지견이 얻어졌다.

이들 지견에 의해 얻어진 본 발명은 다음과 같다.

(1) 질량％로, Ag: 1 내지 4％, Cu: 0.5 내지 0.8％, Bi: 4.8％ 초과 5.5％ 이하, Sb: 1.5％ 초과 5.5％ 이하, Ni: 0.01％ 이상 0.1％ 미만, Co: 0.001％ 초과 0.1％ 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.

(2) 합금 조성은, 하기 (1)식 내지 (3)식을 만족시키는, 상기 (1)에 기재된 땜납 합금.

0.020％≤Ni＋Co≤0.105％ (1)

9.1％≤Sb＋Bi≤10.4％ (2)

4.05×10^-3≤(Ni＋Co)/(Bi＋Sb)≤1.00×10^-2 (3)

(1)식 내지 (3)식 중, Ni, Co, Bi, 및 Sb는, 각각 땜납 합금 중에서의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(3) 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금을 갖는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.

(4) 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 조인트.

도 1은, 땜납 조인트의 단면 SEM 사진을 나타내고, 도 1의 (a)는 실시예 1의 합금 조성에서 형성된 땜납 조인트의 단면 SEM 사진이고, 도 1의 (b)는 비교예 6의 합금 조성에서 형성된 땜납 조인트의 단면 SEM 사진이다.
도 2는, (3)식과 TS×진동 횟수의 관계를 나타내는 그래프이다.

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

1. 땜납 합금

(1) Ag: 1 내지 4％

Ag는, 땜납의 습윤성을 향상시키고, 또한, 땜납 매트릭스 중에 Ag₃Sn의 금속 간 화합물의 네트워크형 화합물을 석출시켜서, 석출 강화형 합금을 만들어, 땜납 합금의 인장 강도를 향상시킨다. Ag 함유량이 1％ 미만이면, 땜납의 습윤성이 향상되지 않는다. Ag 함유량의 하한은, 바람직하게는 2.0％ 이상이고, 보다 바람직하게는 3.3％ 이상이다.

한편, Ag 함유량이 4％를 초과하면, 초정으로서 정출하는 조대한 Ag₃Sn 금속 간 화합물에 의해 내진동성이 떨어진다. 또한, 액상선 온도도 상승한다. Ag 함유량의 상한은, 바람직하게는 3.7％ 이하이고, 보다 바람직하게는 3.5％ 이하이다.

(2) Cu: 0.5 내지 0.8％

Cu는, 땜납 합금의 인장 강도를 개선한다. Cu 함유량이 0.5％ 미만이면, 인장 강도가 향상되지 않는다. Cu의 하한은, 바람직하게는 0.6％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.65％ 이상이다.

한편, Cu 함유량이 0.8％를 초과하면, 초정으로서 정출하는 조대한 Cu₆Sn₅ 금속 간 화합물에 의해 내진동성이 떨어진다. 또한, 액상선 온도도 상승한다. Cu의 상한은, 바람직하게는 0.75％ 이하이다.

(3) Bi: 4.8％ 초과 5.5％ 이하

Bi는, 땜납 합금의 인장 강도를 향상시킴으로써, 내진동성을 향상시키기 위해 필요한 원소이다. 또한, Bi를 함유해도, 후술하는 미세한 SnSb 금속 간 화합물의 형성은 방해를 받지 않아, 석출 강화형 땜납 합금이 유지된다. Bi 함유량이 4.8％ 이하이면 상기 효과를 충분히 발휘할 수 없다. Bi 함유량의 하한은, 바람직하게는 4.9％ 이상이다.

한편, Bi 함유량이 5.5％를 초과하면, 땜납 합금의 연성이 저감되어 단단해져, 내진동성이 열화된다. Bi 함유량의 상한은 바람직하게는 5.3％ 이하이고, 보다 바람직하게는 5.2％ 이하이다.

(4) Sb: 1.5％ 초과 5.5％ 이하

Sb는, Sn 매트릭스 중에 침입하는 고용 강화형 원소임과 함께, Sn에 대한 고용 한도를 초과한 만큼 미세한 SnSb 금속 간 화합물을 형성하는 석출 분산 강화형 원소이며, 땜납 합금의 인장 강도를 향상시킴으로써, 내진동성을 향상시키기 위해 필요한 원소이다. Sb 함유량이 1.5％ 이하이면 SnSb 금속 간 화합물의 석출이 불충분해져 상기 효과를 발휘할 수 없다. Sb 함유량의 하한은, 바람직하게는 1.6％ 이상이고, 보다 바람직하게는 3.0％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 4.8％ 이상이다.

한편, Sb 함유량이 5.5％를 초과하면 땜납 합금이 단단해져, 내진동성이 열화될 우려가 있다. Sb 함유량의 상한은, 바람직하게는 5.3％ 이하이고, 보다 바람직하게는 5.2％ 이하이다.

(5) Ni: 0.01％ 이상 0.1％ 미만

Ni는, 전극과 땜납 합금의 접합 계면 부근에 석출되는 금속 간 화합물 중에 균일하게 분산되고, 금속 간 화합물층이 개질되어, 전극과 땜납 합금의 접합 계면에서의 파단을 억제한다. 이에 의해, 파괴 모드가 금속 간 화합물층 근방에서의 땜납 합금 중에 있어서의 파괴 모드로 천이한다. Ni 함유량이 0.01％ 미만이면 상기 효과를 발휘할 수 없다. Ni 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.02％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.03％ 이상이다.

한편, Ni 함유량이 0.1％ 이상이면 땜납 합금의 융점이 높아져, 땜납 접합 시의 온도 설정을 변경해야 한다. Ni 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.09％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.05％ 이하이다.

(6) Co: 0.001％ 초과 0.1％ 이하

Co는, 전술한 Ni의 효과를 높이기 위해서 필요한 원소이다. Co 함유량이 0.001％ 이하이면 상기 효과를 발휘할 수 없다. Co 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.002％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.004％ 이상이다.

한편, Co 함유량이 0.1％를 초과하면 땜납 합금의 융점이 높아져, 땜납 접합 시의 온도 설정을 변경해야 한다. Co 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.05％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.012％ 이하이다.

(7) 0.020％≤Ni＋Co≤0.105％ (1)

본 발명의 땜납 합금에서는, 땜납 조인트의 파괴 모드로서 바람직하지 않은 양태인 전극과의 접합 계면에서의 파단을 억제할 필요가 있다. 이 효과가 충분히 발휘되기 위해서, Ni 및 Co의 합계량의 하한은, 바람직하게는 0.020％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.042％ 이상이다.

상한은, 융점의 상승을 억제하여 종래의 리플로우 조건에서 땜납 조인트의 형성을 행할 수 있게 하기 위해서, 바람직하게는 0.105％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.098％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.09％ 이하이고, 특히 바람직하게는 0.050％ 이하이다.

상기 (1)식 중, Ni 및 Co는, 각각 땜납 합금 중에서의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(8) 9.1％≤Sb＋Bi≤10.4％ (2)

본 발명의 땜납 합금은, Sb 및 Bi의 합계량을 증가시킴으로써 땜납 합금 중의 크랙 신전이 억제되어, 땜납 합금의 인장 강도가 향상되고, 보다 내진동성이 향상된다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서, Sb 및 Bi의 합계량의 하한은, 바람직하게는 9.1％ 이상이고, 보다 바람직하게는 9.6％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 9.7％ 이상이고, 특히 바람직하게는 9.8％ 초과이다.

상한은, 땜납 합금이 지나치게 단단해지지 않고 땜납 합금 중의 크랙 신전을 억제하는 관점에서, 바람직하게는 10.4％ 이하이고, 보다 바람직하게는 10.0％ 이하이다.

상기 (2)식 중, Bi 및 Sb는, 각각 땜납 합금 중에서의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(9) 4.05×10^-3≤(Ni＋Co)/(Bi＋Sb)≤1.00×10^-2 (3)

본 발명의 땜납 합금에서는, 기판의 탑재 영역의 확장에 더욱 충분히 대응하는 관점에서, 인장 강도와 내진동성의 밸런스를 유지하는 것이 바람직하다. Bi 및 Sb의 함유량이 지나치게 증가하지 않으면, Bi 및 Sb의 함유량에 비해서 상대적으로 Ni 및 Co의 함유량이 적어지지 않아, 땜납 합금의 인장 강도가 지나치게 높아지지 않는다. 이에 비해, Ni 및 Co 함유량이 적량이면, 전극과 땜납 합금의 계면에서의 파괴는 억제되고, 땜납 합금의 융점의 상승이 억제되어, 문제없이 납땜을 행할 수 있어, 내진동성의 열화가 억제된다. 이와 같이, 땜납 합금의 융점의 상승을 억제한 상태에서, 프린트 기판과 땜납 합금의 계면에서의 파단을 억제하는 Ni 및 Co의 함유량의 합계와, 인장 강도를 향상시켜서 땜납 합금 중의 크랙 신전을 억제하는 Bi 및 Sb의 함유량의 합계의 밸런스를 조정함으로써, 더욱 높은 신뢰성이 얻어진다고 생각된다.

이를 위해서는, 상기 (1)식 및 (2)식에 더하여, (3)식을 추가로 만족시키는 것이 바람직하다.

상기 (3)식을 만족시키는 것의 효과가 발휘되기 위해서는, (3)식의 하한은, 바람직하게는 4.05×10^-3 이상이고, 보다 바람직하게는 4.20×10^-3 이상이다. 또한, (3)식의 상한은, 바람직하게는 1.00×10^-2 이하이고, 보다 바람직하게는 9.8×10^-3 이하이고, 특히 바람직하게는 9.0×10^-3 이하이고, 가장 바람직하게는 5.5×10^-3 이하이다.

상기 (3)식 중, Ni, Co, Bi, 및 Sb는, 각각 땜납 합금 중에서의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(10) 잔부: Sn

본 발명에 관한 땜납 합금의 잔부는 Sn이며, 전술한 원소 외에 불가피적 불순물을 함유해도 된다. 불가피적 불순물을 함유하는 경우여도 전술한 효과에 영향을 미치는 경우는 없다.

2. 솔더 페이스트

본 발명의 솔더 페이스트는, 상술한 합금 조성을 갖는 땜납 분말과 플럭스의 혼합물이다. 본 발명에 있어서 사용하는 플럭스는, 통상법에 의해 납땜이 가능하면 특별히 제한되지 않는다. 따라서, 일반적으로 사용되는 로진, 유기산, 활성제, 그리고 용제를 적절히 배합한 것을 사용하면 된다. 본 발명에 있어서 금속 분말 성분과 플럭스 성분의 배합 비율은 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 금속 분말 성분: 80 내지 90질량％, 플럭스 성분: 10 내지 20질량％이다.

3. 땜납 조인트

본 발명에 관한 땜납 조인트는, 반도체 패키지에 있어서의 IC 칩과 그 기판(인터포저)의 접속, 혹은 반도체 패키지와 프린트 배선판의 접속에 사용하기에 적합하다. 여기서, 「땜납 조인트」란 전극의 접합부를 의미한다.

4. 기타

본 발명에 관한 땜납 합금의 제조 방법은 통상법에 따라서 행하면 된다.

본 발명에 관한 땜납 합금을 사용한 접합 방법은, 예를 들어 리플로우법을 사용하여 통상법에 따라서 행하면 된다. 또한, 본 발명에 관한 땜납 합금을 사용하여 접합하는 경우에는, 응고 시의 냉각 속도를 고려하는 편이 조직을 더욱 미세하게 할 수 있다. 예를 들어 2 내지 3℃/s 이상의 냉각 속도로 땜납 조인트를 냉각한다. 이 외의 접합 조건은, 땜납 합금의 합금 조성에 따라 적절히 조정할 수 있다.

또한 본 발명에 관한 납 프리 땜납의 형상은, 솔더 페이스트뿐만 아니라, 볼형, 펠릿 혹은 와셔 등의 형상의 땜납 프리폼이나 선 땜납, 수지 용제 함유 땜납으로서 사용되어도 된다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, 그 원재료로서 저α 선재를 사용함으로써 저α선 합금을 제조할 수 있다. 이와 같은 저α선 합금은, 메모리 주변의 땜납 범프의 형성에 사용되면 소프트 에러를 억제하는 것이 가능해진다.

실시예

표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 땜납 합금을 사용하여 프린트 기판과 전자 부품을 접합하여, 내진동성을 평가하였다. 또한, 표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 땜납 합금의 인장 강도를 평가하였다. 각각의 평가 방법에 대해서 이하에 설명한다.

1. 내진동성

(1) 솔더 페이스트의 제작

평균 입경이 20㎛인 표 1에 기재된 땜납 합금 조성을 갖는 땜납 합금 분말을, 공지된 페이스트상 로진계 플럭스와 혼합하여, 솔더 페이스트를 제작하였다. 플럭스 함유량은, 솔더 페이스트 전체의 질량에 대해서 12질량％로 되도록 조정하였다.

(2) 땜납 조인트의 형성

하기 기판에 하기 메탈 마스크를 사용하여 상기 솔더 페이스트를 인쇄하고, 하기 LGA를 인쇄 후의 기판에 3개 탑재하였다. 그 후, 하기 리플로우 조건에서 납땜을 행하여, 땜납 조인트를 형성하였다.

·LGA

패키지 외경: 12.90mm×12.90mm

표면 처리: 전해 Ni/Au

총 전극수: 345핀

전극 피치(전극 센터 간): 0.5mm피치

솔더 레지스트 개구부: φ0.23mm

전해 Ni/Au 랜드 직경: φ0.25mm

·기판

실장 기판: 132mm×77mm

기판 표면 처리: Cu-OSP

사용 기재: FR-4

층 구성: 양면 기판

선팽창 계수: 기판 두께: 1.0mm

솔더 레지스트 개구부: φ0.40mm

전해 Ni/Au 랜드 직경: φ0.28mm

·메탈 마스크

마스크 두께: 120㎛

개구 직경: φ0.28mm

·리플로우 조건

예열 온도: 130 내지 170℃

예열 시간: 100초

예열 온도로부터 용융 온도까지의 승온 속도: 1.6℃/초

용융 시간(220℃ 이상의 온도): 35초

피크 온도: 243℃

피크 온도로부터 150℃까지의 냉각 속도: 2.4℃/초

(3) 진동 시험

진동 시험에는, 하기 구성의 에믹 가부시키가이샤 제조 진동 시험 장치를 사용하였다.

저온 항온조: VC-082BAFX(32)P3T

CUBE형 지그(200mm×200mm): JSA-150-085

CUBE형 지그에 부설된 가속도 픽업: 731-B형

프리차지 증폭기: 504-E-2

기판에 부설된 가속도 픽업: 710-D형

LGA를 탑재한 기판을 CUBE형 지그의 상면에 고정하고, 고정된 기판에 가속도 픽업(710-D형)을 설치하였다.

상기 진동 시험 장치는, 프리차지 증폭기를 사용하여, 기판의 가속도 픽업으로부터의 신호를 측정하면서, CUBE형 지그의 가속도 픽업으로부터의 신호가 소정값을 나타내도록 제어한다. 이 제어에 의해, 원하는 가속도와 공진 주파수를 얻을 수 있다.

본 실시예에서는, CUBE형 지그를 20G(공진 주파수: 166.32Hz)의 가속도로 가진함으로써, 기판을 223G(공진 주파수: 166.32Hz)의 가속도로 가진하였다. 각 LGA의 저항값이 초기값으로부터 20％ 상승하였을 때의 진동 횟수를 계측하였다. 본 실시예에서는, 진동 횟수가 30만회 이상인 경우, 실용상 문제가 없는 레벨이라고 판단하였다.

2. 인장 강도

인장 강도를 JIS Z 3198-2에 준하여 측정하였다. 표 1에 기재된 각 땜납 합금을 금형에 주입하고, 게이지 길이가 30mm, 직경 8mm인 시험편을 제작하였다. 제작한 시험편을, Instron사 제조의 Type 5966에 의해, 실온에서, 6mm/min의 스트로크로 당겨, 시험편이 파단되었을 때의 강도를 계측하였다. 본 실시예에서는, 인장 강도가 80MPa 이상 120MPa 이하인 경우, 실용상 문제가 없는 레벨이라고 판단하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는, 모두 인장 강도가 80MPa를 초과하고, 진동 횟수도 30만 사이클을 초과하는 결과가 얻어졌다.

한편, 비교예 1에서는, Ni 함유량이 많아, 융점이 상승하였기 때문에 상기 리플로우 조건에서는 땜납 접합이 불충분하여, 진동 횟수가 떨어졌다. 비교예 2는, Bi 함유량이 적어, 인장 강도 및 진동 횟수가 떨어졌다.

비교예 3은, Ni를 함유하지 않기 때문에 땜납 합금과 전극의 계면에서 파단되어, 진동 횟수가 떨어졌다. 비교예 4는, Co를 함유하지 않기 때문에 땜납 합금과 전극의 계면에서 파단되어, 진동 횟수가 떨어졌다. 비교예 5는, Sb 및 Bi 함유량이 많고 높은 인장 강도를 나타내며, 진동 횟수가 떨어졌다. 비교예 6에서는, Ni 및 Co를 함유하지 않기 때문에 땜납 합금과 전극의 계면에서 파단되어, 진동 횟수가 떨어졌다. 또한, Sb 및 Bi를 함유하지 않기 때문에 땜납 합금의 인장 강도도 떨어졌다.

표 1의 결과로부터 본 발명의 효과를 명확하게 하기 위해서, 도 1 및 2를 사용하여 추가로 설명한다.

도 1은, 땜납 조인트의 단면 SEM 사진을 나타내고, 도 1의 (a)는 실시예 1의 합금 조성에서 형성된 땜납 조인트의 단면 SEM 사진이고, 도 1의 (b)는 비교예 6의 합금 조성에서 형성된 땜납 조인트의 단면 SEM 사진이다. 또한, 도 1의 (a)에서는 단면이 파단되기까지 진동 시험을 계속하고, 그 후에 단면의 SEM 사진을 촬영한 것이다. Ni 및 Co를 소정량 함유하는 실시예 1에서는, 금속 간 화합물층 근방에서의 땜납 합금 중에서 파단된 데 비해서, Ni 및 Co를 함유하지 않는 비교예 6에서는, 전극과 땜납 합금의 계면에서 파단되었음을 알 수 있다. 이와 같이, Ni 및 Co를 소정량 함유함으로써, 파괴 모드가 천이됨을 알 수 있었다.

도 2는, (3)식과 인장 강도×진동 횟수의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2에서는, 표 1로부터 (1)식 및 (2)식을 만족시키는 합금 조성을 추출하였다. 도 2로부터, 실시예는 (3)식의 범위 내에서 모두 인장 강도×진동 횟수가 4.0×10⁷ 이상의 값을 나타내기 때문에, 인장 강도와 진동 횟수의 밸런스가 양호하며 우수한 신뢰성을 나타냄을 알 수 있었다. 특히, 식 (1) 내지 (3)을 만족시키는 실시예 1, 2, 5 및 9에서는, 인장 강도×진동 횟수가 1.2×10⁸ 이상의 값을 나타내기 때문에, 우수한 인장 강도와 진동 횟수의 밸런스를 가지며, 높은 신뢰성을 가짐을 알 수 있었다.

이상으로부터, 본 발명에 관한 땜납 합금은, 인장 강도가 높고, 내진동성이 우수하기 때문에, 차량 탑재 전자 회로 등, 진동이 전해지는 개소에 사용되는 회로에 적합하게 사용할 수 있다.

Claims (4)

1. 질량％로, Ag: 1 내지 4％, Cu: 0.5 내지 0.8％, Bi: 4.8％ 초과 5.5％ 이하, Sb: 1.5％ 초과 5.5％ 이하, Ni: 0.01％ 이상 0.1％ 미만, Co: 0.001％ 초과 0.1％ 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 상기 합금 조성은, 하기 (1)식 내지 (3)식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.
   0.020％≤Ni＋Co≤0.105％ (1)
   9.1％≤Sb＋Bi≤10.4％ (2)
   4.05×10^-3≤(Ni＋Co)/(Bi＋Sb)≤1.00×10^-2 (3)
   상기 (1)식 내지 (3)식 중, Ni, Co, Bi, 및 Sb는, 각각 상기 땜납 합금 중에서의 함유량(질량％)을 나타낸다.
2. 삭제
3. 제1항에 기재된 땜납 합금을 갖는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
4. 제1항에 기재된 땜납 합금을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 조인트.

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