KR102242388B1

KR102242388B1 - 땜납 합금, 땜납 접합 재료 및 전자회로 기판

Info

Publication number: KR102242388B1
Application number: KR1020197025799A
Authority: KR
Inventors: 다케히로 와다
Original assignee: 가부시키가이샤 코키
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2021-04-19
Also published as: KR20190113903A; WO2019069788A1; CN110430967A; US11607752B2; JP6349615B1; EP3590652B1; EP3590652A4; US20210114146A1; EP3590652A1; EP3590652C0; JP2019063830A

Abstract

땜납 합금은 납땜에 사용되고, 화학 조성이, 질량%로 Ag: 2.0∼4.0%, Cu: 0.6∼1.2%, Sb: 2.0∼5.0%, In: 1.1∼3.5%, Ni: 0∼0.20%, Co: 0∼0.2%, Ge: 0∼0.05%, 및 잔부: Sn 및 불순물이다.

Description

땜납 합금, 땜납 접합 재료 및 전자회로 기판

본원은, 일본특허출원 제2017-193467호의 우선권을 주장하고, 인용에 의해 본원 명세서의 기재에 포함된다.

본 발명은, 납땜에 사용되는 땜납 합금, 이 땜납 합금의 분말을 포함하는 땜납 접합 재료, 및 이 땜납 접합 재료를 사용하여 접합된 전자회로 기판에 관한 것이다.

종래, 전자 부품 등의 접합 부품과 기판과를 납땜하여 전자회로 기판을 제작할 때는, 땜납 합금의 분말과 플럭스를 포함하는 땜납 페이스트가 사용되고 있다. 이 땜납 페이스트는, 기판 표면의 전극부에 도포되고, 또한 이 전극부에 접합 부품의 전극부를 접촉시킨 상태로, 소정 온도(리플로우 온도)에서 가열된다. 이에 의해, 땜납 합금이 용융되어 땜납 접합부가 형성되고, 이 땜납 접합부를 통하여 기판과 접합 부품이 접합된다.

상기 땜납 합금의 조성(組成)으로서는, 주석(이하, Sn이라고도 기재함)을 주성분으로 하고, 은(이하, Ag라고도 기재함), 및 구리(이하, Cu라고도 기재함)을 함유하는 것(이하, SAC계 합금이라고도 기재함)이 알려져 있다. 이러한 SAC계 합금에는, 안티몬(이하, Sb라고도 기재함)이 함유되는 경우가 있다. Sb를 함유함으로써, 상기 땜납 접합부의 내열성, 접합 강도 및 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능해진다.

그러나, SAC계 합금은, Sb를 함유하는 것에 의해 융점이 높아지기 때문에, 리플로우 온도를 높게 설정할 필요가 있다. 이와 같이, 리플로우 온도가 높게 설정되면, 전자회로를 구성하는 내열성이 낮은 전자 부품이 리플로우 온도의 열로 손상되는 것에 의해, 전자회로 기판의 품질이 저하될 우려가 있다.

그래서, Sb와 함께 비스무트(이하, Bi라고도 기재함)를 함유시킨 SAC계 합금이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 이와 같은 Sb 및 Bi를 함유하는 SAC계 합금은, Bi를 함유하는 것에 의해 융점이 낮아지므로, 리플로우 온도를 낮게 설정할 수 있고(예를 들면, 235±5℃), 그 결과, 전자회로 기판의 품질의 저하를 억제할 수 있다.

최근, 예를 들면, 자동차의 엔진 근방에는, 많은 전자회로 기판이 설치되고 있다. 이와 같은 전자회로 기판은, 엔진의 운전 및 정지가 반복되는 것에 의해, 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 노출된다. 전술한 Sb 및 Bi를 함유하는 SAC계 합금을 사용하여 납땜된 전자회로 기판은, 이와 같은 엄격한 온도 사이클 조건 하에 있어서도, 상기 땜납 접합부가 우수한 내열피로(耐熱疲勞) 특성을 나타내는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2).

일본공개특허 제2014-57974호 공보 일본공개특허 제2017-60997호 공보

전자 부품 등의 접합 부품과 기판을 납땜하는 방법의 하나로서, 기판에 형성된 쓰루홀(through hole)에 접합 부품(예를 들면, 리드 단자)을 삽입하여 납땜을 행하는, 쓰루홀 접합 방법이 있다. 이와 같은 방법에서는, 쓰루홀에 삽입된 접합 부품이, 기판의 랜드와 접합 부품 사이에 형성되는 땜납 필렛(fillet)를 통하여 기판에 접속된다. 전술한 Sb 및 Bi를 함유하는 SAC계 합금을 사용하여 쓰루홀 접합을 행하면, 상기 땜납 접합부에 있어서, 땜납 필렛이 기판의 랜드로부터 박리되는 현상(이하, 리프트 오프라고도 기재함)이 발생하는 문제가 있었다. 리프트 오프가 발생하면, 땜납 필렛와 기판의 랜드의 접합 면적이 감소하기 때문에, 상기 땜납 접합부에서의 접합 강도가 저하되고, 전자회로 기판의 품질의 저하로 연결된다.

본 발명은, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 종래의 SAC계 합금과 동일한 리플로우 온도(예를 들면, 피크 온도가 240℃)에서 납땜이 가능하고, 또한 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있는 땜납 합금, 땜납 접합 재료 및 전자회로 기판을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, SAC계 합금에 함유되는 Bi가, 땜납 접합부에 있어서의 리프트 오프 발생의 요인인 것을 발견하였다. 그리고, 본 발명자들은, SAC계 합금이 Bi 대신에 소정량의 인듐(이하, In이라고도 기재함)을 함유하는 것에 의해, 종래의 SAC계 합금과 동일한 리플로우 온도(예를 들면, 피크 온도가 240℃)에서 납땜이 가능하고, 또한 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있는 것을 발견하였다. 본 발명의 요지는, 이하와 같다.

본 발명에 관한 땜납 합금은 납땜에 사용되고, 화학 조성이 질량%로 은(이하, Ag라고도 기재함): 2.0∼4.0%, 구리(이하, Cu라고도 기재함): 0.6∼1.2%, 안티몬(이하, Sb라고도 기재함): 2.0∼5.0%, 인듐(이하, In이라고도 기재함): 1.1∼3.5%, 니켈(이하, Ni라고도 기재함): 0∼0.20%, 코발트(이하, Co라고도 기재함): 0∼0.20%, 게르마늄(이하, Ge라고도 기재함): 0∼0.05%, 및 잔부:주석(이하, Sn이라고도 기재함) 및 불순물이다.

Ni 및 Co의 합계 함유량은, 질량%로 0.01∼0.20%인 것이 바람직하다.

상기 화학 조성으로서, 질량%로 Ge:0.001∼0.05%를 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, 하기 (i) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.

Ag/Cu≥ 2.8 … (i)

다만, 식 중의 각 원소 기호는, 합금 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 표시한다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, 하기 (ii) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.

-1.5≤Sb-In≤2.0 … (ii)

본 발명에 관한 땜납 합금은, 하기 (iii) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.

7.5≤Ag+Cu+Sb+In≤13.5 … (iii)

본 발명에 관한 땜납 합금은, 용융 온도 폭이 20℃ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 땜납 접합 재료는, 상기 땜납 합금과 플럭스를 함유한다.

본 발명에 관한 전자회로 기판은, 상기 땜납 접합 재료를 사용하여 접합된 것이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관한 땜납 합금, 땜납 접합 재료 및 전자회로 기판에 대하여 설명한다.

<땜납 합금>

본 실시형태에 관한 땜납 합금은 납땜에 사용되고, 화학 조성이 질량%로, Ag: 2.0∼4.0%, Cu: 0.6∼1.2%, Sb: 2.0∼5.0%, In: 1.1∼3.5%, Ni: 0∼0.20%, Co: 0∼0.20%, Ge: 0∼0.05%, 및 잔부: Sn 및 불순물이다. 땜납 합금의 형태로서는, 예를 들면, 막대 땜납, 땜납 와이어, 땜납 분말, 땜납 박(箔), 성형 땜납 등을 들 수 있다.

상기 땜납 합금에 있어서, Ag는 반드시 함유되는 성분이고, 그 함유량은 2.0∼4.0 질량%이다. Ag의 함유량이 상기 범위 내이면, 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있다. Ag의 함유량은 2.5 질량% 이상인 것이 바람직하고, 3.0 질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, Ag의 함유량은 3.8 질량% 이하인 것이 바람직하고, 3.4 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 땜납 합금에 있어서, Cu는 반드시 함유되는 성분이고, 그 함유량은 0.6∼1.2 질량%이다. Cu의 함유량이 상기 범위 내이면, 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있다. Cu의 함유량은, 0.7 질량% 이상인 것이 바람직하다. 또한, Cu의 함유량은 0.9 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.8 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

상기 땜납 합금은, 하기 (i) 식을 만족시키는 것이 바람직하다. Ag 및 Cu는, 모두 상기 땜납 합금의 융점을 저하시키기 위해 함유되는 원소이다. 또한, Ag는, Cu보다 땜납의 젖음 확대성을 향상시키는 원소이다. 그러므로, 상기 땜납 합금은, Cu에 대한 Ag의 비가 하기 (i) 식을 만족시키는 것에 의해, 땜납의 젖음 확대성을 향상시킬 수 있다.

Ag/Cu≥2.8 … (i)

상기 땜납 합금에 있어서, Sb는 반드시 함유되는 성분이고, 그 함유량은 2.0∼5.0 질량%이다. Sb의 함유량이 상기 범위 내이면, 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있다. Sb의 함유량은, 2.2 질량% 이상인 것이 바람직하고, 2.5 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, Sb의 함유량은, 4.5 질량% 이하인 것이 바람직하고, 4.0 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 땜납 합금에 있어서, In은 반드시 함유되는 성분이다. In은, Sn에 고용되는 것에 의해 땜납 접합부의 연성을 저하시키지 않고, 접합 강도를 향상시키는 원소이다. 또한, In은 땜납 합금의 융점을 강하시키는 원소이다. 상기 땜납 합금에 있어서, In의 함유량은 1.1∼3.5 질량%이다. In의 함유량이 1.1 질량% 이상이면, 종래의 SAC계 합금과 동일한 리플로우 온도(예를 들면, 피크 온도가 240℃)에서 납땜이 가능하고, 또한 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있다. 또한, In의 함유량이 3.5 질량% 이하이면, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있다. In의 함유량은, 1.3 질량% 이상인 것이 바람직하고, 1.5 질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, In의 함유량은, 3.2 질량% 이하인 것이 바람직하고, 3.0 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 땜납 합금은, 하기 (ii) 식을 만족시키는 것이 바람직하다. Sb 및 In은, 모두 Sn에 고용하여 강도를 향상시키는 원소이지만, Sb는 과잉으로 함유되면, 상기 땜납 합금의 융점을 상승시키고, 또한, 땜납의 젖음 확대성을 저하시키는 경우가 있다. 또한, In은 과잉으로 함유되면, 상기 땜납 합금의 융점을 저하시키지만, 땜납의 젖음 확대성을 저하시키는 경우가 있다. 따라서, Sb와 In의 차가 하기 (ii) 식을 만족시킴으로써, 낮은 리플로우 온도에서도 충분히 땜납을 용융하고, 또한, 땜납의 젖음 확대성을 향상시킬 수 있다.

-1.5≤Sb-In≤2.0 … (ii)

상기 땜납 합금은, 하기 (iii) 식을 만족시키는 것이 바람직하다. Sn, Cu, Sb 및 In은 강도 향상 및 융점 조정을 위해 함유되는 원소이지만, 이들 원소를 과잉으로 함유하면, 땜납 합금의 용융 온도 폭이 넓어지고, 리프트 오프의 발생 요인이 되는 편석이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 이들 원소의 합계 함유량이 하기 (iii) 식을 만족시킴으로써, 리프트 오프의 발생을 보다 억제하고, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

7.5≤Ag+Cu+Sb+In≤13.5 … (iii)

상기 땜납 합금에 있어서, Ni는 필요에 따라 함유되는 성분이고, 그 함유량은 0.20 질량% 이하이다. Ni의 함유량이 상기 범위 내이면, Ni, Sn 및 Cu를 포함하는 화합물을, Sn 모상(母相) 중에 미세하게 분산시킨 상태로 석출시킬 수 있다. 그 결과, 땜납 접합부의 내열성 및 강도를 향상시킬 수 있다. Ni 함유량이 0.20 질량%를 초과하면, 석출된 화합물이 조대화(粗大化)되는 것에 의해, 온도 사이클 중에 발생하는 열응력의 응력 집중이 일어난다. 그 결과, 응력 집중을 일으키는 부분이 기점이 되어, 크랙이 발생할 우려가 있다. Ni의 함유량은 0.01 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.03 질량% 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.07 질량% 이상인 것이 특히 바람직하다. 또한, Ni의 함유량은 0.15 질량% 이하인 것이 바람직하다.

상기 땜납 합금에 있어서, Co는 필요에 따라서 함유되는 성분이고, 그 함유량은 0.20 질량% 이하이다. Co의 함유량이 상기 범위 내이면, Co, Sn 및 Cu를 포함하는 화합물을, Sn 모상 중에 미세하게 분산시킨 상태로 석출시킬 수 있다. 그 결과, 땜납 접합부의 내열성 및 강도를 향상시킬 수 있다. Co 함유량이 0.20 질량%를 초과하면, 석출된 화합물이 조대화되는 것에 의해, 온도 사이클 중에 발생하는 열응력의 응력 집중이 일어난다. 그 결과, 응력 집중을 일으키는 부분이 기점이 되어, 크랙이 발생할 우려가 있다. Co의 함유량은 0.01 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.03 질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, Co의 함유량은 0.15 질량% 이하인 것이 바람직하다.

상기 땜납 합금에 있어서, Ni 및 Co의 합계 함유량은, 질량%로 0.01∼0.20%인 것이 바람직하다. Ni 및 Co의 합계 함유량이 상기 범위 내이면, Ni, Co, Sn 및 Cu를 포함하는 화합물을, Sn 모상 중에 미세하게 분산시킨 상태로 석출시킬 수 있다. 그 결과, 땜납 접합부의 내열성 및 강도를 향상시킬 수 있다. Ni 및 Co 함유량이 0.20 질량%를 초과하면, 석출된 화합물이 조대화되는 것에 의해, 온도 사이클 중에 발생하는 열응력의 응력 집중이 일어난다. 그 결과, 응력 집중을 일으키는 부분이 기점이 되어, 크랙이 발생할 우려가 있다. Ni 및 Co의 합계 함유량은 0.03 질량% 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.15 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 그리고, 상기 땜납 합금이 Ni 또는 Co 증 어느 한쪽을 포함하는 경우, 상기 합계 함유량은, Ni 또는 Co 중 어느 한쪽의 함유량을 의미한다.

상기 땜납 합금에 있어서, Ge는 필요에 따라 함유되는 성분이고, 그 함유량은 0.05 질량% 이하이다. Ge의 함유량이 상기 범위 내이면, 땜납 합금의 산화를 억제할 수 있다. 이에 의해, 용융한 땜납 합금 표면의 산화물량을 저감시킬 수 있으므로, 땜납의 젖음 확대성을 향상시킬 수 있다. Ge의 함유량이 0.05 질량%를 초과하면, 용융한 땜납 합금 표면에서 Ge가 우선적으로 산화됨으로써, 땜납의 젖음 확대성이 저하된다. Ge의 함유량은 0.001 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.01 질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, Ge의 함유량은 0.03 질량% 이하인 것이 바람직하다.

상기 땜납 합금에 있어서, 잔부는 Sn 및 불순물이다. 여기에서, 불순물이란, 제조 과정에 있어서 불가피하게 혼입되는 성분으로서, 본 발명의 효과에 영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

상기 땜납 합금은, 용융 온도 폭이 20℃ 이하인 것이 바람직하고, 15℃ 이하인 것이 보다 바람직하다. 리프트 오프는 땜납의 응고 과정에 있어서, 땜납 합금에 포함되는 약간의 Bi 또는 다량의 In이 편석함으로써 발생한다. 여기에서, 편석은 땜납의 응고 개시부터 응고 완료에 걸쳐서 진행된다. 그러므로, 용융 온도 폭을 20℃ 이하로 하는 것에 의해, 리프트 오프의 발생을 억제할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 있어서, 용융 온도 폭이란, 땜납의 용융 초기 온도와 외삽(外揷)한 용융 종단 온도의 차이를 말하며, 5℃/min의 가열 속도로 취득한 시차 주사 열량 측정(DSC) 곡선을 이용하여 산출할 수 있다.

본 실시형태에 관한 땜납 합금은, 종래의 SAC계 합금과 동일한 리플로우 온도 (예를 들면, 피크 온도가 240℃)에서 납땜이 가능하고, 또한 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있다.

<땜납 접합 재료>

본 실시형태에 관한 땜납 접합 재료는, 전술한 땜납 합금과 플럭스를 함유한다. 상기 땜납 접합 재료란, 땜납 합금에 플럭스 등을 혼합하여 납땜하기 쉽게 한 재료다. 상기 땜납 접합 재료는, 전술한 땜납 합금의 분말과 플럭스를 함유하는 땜납 페이스트라도 되고, 전술한 땜납 합금을 사용한 땜납 와이어의 심(芯)에 플럭스를 넣은 수지 함유 땜납이어도 된다.

상기 플럭스로서는 특별히 한정되지 않고, 공지의 플럭스(예를 들면, 로진계, 합성 수지계)를 사용할 수 있다.

상기 땜납 접합 재료가 땜납 페이스트인 경우, 상기 땜납 페이스트 중의 상기 땜납 합금의 분말 함유량은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 80∼92 질량%로 할 수 있다. 또한, 상기 땜납 페이스트 중의 상기 플럭스의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 8∼20 질량%로 할 수 있다.

상기 땜납 접합 재료가 수지 함유 땜납인 경우, 상기 수지 함유 땜납 중의 상기 땜납 합금의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 95∼99.5 질량%로 할 수 있다. 또한, 상기 수지 함유 땜납 중의 상기 플럭스의 함유량은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 0.5∼5 질량%로 할 수 있다.

본 실시형태에 관한 땜납 접합 재료는, 종래의 SAC계 합금과 동일한 리플로우 온도(예를 들면, 피크 온도가 240℃)에서 납땜이 가능하고, 또한 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있다. 또한, 상기 땜납 접합 재료가 수지 함유 땜납인 경우, 인두촉의 온도를 저하시킬 수 있으므로, 전자 부품의 열손상을 억제할 수 있다.

<전자회로 기판>

본 실시형태에 관한 전자회로 기판은, 본 실시형태에 관한 땜납 접합 재료를 사용하여 납땜된 것이다.

상기 전자회로 기판은, 본 실시형태에 관한 땜납 접합 재료를 사용하여, 전자 부품 등의 접합 부품과 기판을 납땜함으로써 제작된다. 상기 전자 부품으로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 칩 부품(IC칩 등), 저항기, 다이오드, 컨덴서, 트랜지스터 등의 공지의 전자 부품을 사용할 수 있다.

본 실시형태에 관한 전자회로 기판은, 종래의 SAC계 합금과 동일한 리플로우 온도(예를 들면, 피크 온도가 240℃)에서 납땜되기 때문에, 품질의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 관한 전자회로 기판은, 엄격한 온도 사이클 조건 하(예를 들면, -30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 가질 수 있다.

<실시예>

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<용융 온도 폭의 산출>

용융 온도 폭은, 5℃/min의 가열 속도로 취득한 시차 주사 열량 측정(DSC) 곡선을 이용하여, 땜납의 용융 초기 온도와 외삽한 용융 종단 온도의 차이를 구함으로써 산출하였다. 여기에서, 용융 초기 온도는, 전술한 DSC 곡선을 이용하여, JIS Z 3198-1에서 규정된 땜납 고상선(固相線) 온도를 구하는 방법에 의해 산출하였다. 또한, 외삽한 용융 종단 온도는, 전술한 DSC 곡선을 이용하여, JIS Z 3198-1에서 규정된 외삽 용융 종료 온도를 구하는 방법에 의해 산출하였다. 그리고, DSC에서는, 한쪽의 알루미늄제 용기 홀더에, 표 1 및 표 2에 나타내는 화학 조성을 가지는 각 땜납 합금의 잉곳(ingot) 단편 약 10mg을 넣어서 덮개를 덮고, 밀폐하였다. 또한, 다른 쪽의 알루미늄제 용기 홀더에는 아무것도 넣지 않고 덮개를 덮고, 밀폐하였다. 측정 조건은, 측정 온도 범위를 실온∼300℃, 질소(불활성 가스) 유량을 40mL/min으로 하였다. 산출한 용융 온도 폭을 표 1 및 표 2에 나타낸다.

<땜납 박의 제작>

표 1 및 표 2에 나타내는 화학 조성을 가지는 각 땜납 합금 잉곳을 제작하고, 압연기에 의해 소정 두께의 박으로 압연함으로써, 실시예 1∼실시예 20 및 비교예 1∼비교예 19의 땜납 박을 제작하였다.

<냉열 사이클 후의 내구성 평가>

두께 1.6㎜의 유리 에폭시 기판(FR-4, Cu-OSP) 상에, 실시예 1∼실시예 20 및 비교예 1∼비교예 19의 각 땜납 박(길이 3.2㎜×폭 1.6㎜×두께 80㎛; 이하, 땜납 프리폼이라고 함)에 플럭스를 도포한 것 및 칩 저항(폭 6.3㎜×안 길이 3.0㎜×높이 0.5㎜)을 리플로우법에 의해 4칩 실장함으로써, 실시예 1∼실시예 20 및 비교예 1∼비교예 19의 각 시험 기판을 제작하였다. 리플로우는, 질소를 플로우함으로써 산소 농도를 1000ppm으로 제어한 분위기 하에서, 피크 온도가 240℃, 피크 유지 시간이 20초인 조건으로 행하였다. 그 후, 각 시험 기판을 히트 사이클 시험기(에스펙 가부시키가이샤 제조, TSA-73EL)에 투입하고, -30℃에서 20분간 유지한 후, 120℃에서 20분간 유지하는 냉열 사이클을 2000사이클 행하였다. 그 후, 히트 사이클 시험기로부터 취출한 각 시험 기판을, 이 시험 기판의 상면에 수직한 방향으로 칩 부품의 중앙부에서 절단하고, 기계식의 정밀 연마를 행하였다. 그리고, 그 단면에 있어서의 땜납 조직(組織)을 광학현미경(가부시키가이샤 하이록스 제조, KH-8700)을 이용하여 350배로 관찰하였다. 각 시험 기판에서 각 칩에 접합되어 있는 땜납 조직 중에 진전되고 있는 크랙의 전체 길이를 측정하고, 전체 4칩에 있어서의 평균값을 산출한 후, 하기 기준에 기초하여 내구성의 평가를 행하였다. 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다. 그리고, 하기 기준에 있어서, A∼C에 해당하는 시험 기판에 대해서는 내구성이 양호, D 및 E에 해당하는 시험 기판에 대해서는 내구성이 뒤떨어진다고 판단하였다.

A: 크랙 전체 길이의 평균값이 100㎛ 미만

B: 크랙 전체 길이의 평균값이 100㎛ 이상 150㎛ 미만

C: 크랙 전체 길이의 평균값이 150㎛ 이상 200㎛ 미만

D: 크랙 전체 길이의 평균값이 200㎛ 이상 300㎛ 미만

E: 크랙 전체 길이의 평균값이 300㎛ 이상, 또는, 땜납 조직을 가로지르는 크랙(관통 크랙)이 발생

<리프트 오프의 평가>

유리 에폭시 기판(FR-4, Cu-OSP)에 형성된 쓰루홀에 L자형 헤더 핀(핀수: 20핀, 핀 직경: 0.64㎜, 피치: 2.54㎜)과, 플럭스를 도포한 실시예 1∼실시예 20 및 비교예 1∼비교예 19의 각 땜납 프리폼(폭 7㎜×길이 56㎜×두께 100㎛)을 삽입하고, 리플로우법에 의해 쓰루홀 접합을 행하는 것에 의해, 실시예 1∼실시예 20 및 비교예 1∼비교예 19의 각 시험 기판을 제작하였다. 리플로우는 피크 온도: 240℃, 피크 온도에서의 유지 시간: 20초의 조건으로 행하였다. 그 후, 150배의 광학현미경(가부시키가이샤 하이록스 제조, KH-8700)을 이용하여, 각 시험 기판의 땜납 필렛와 기판 랜드 사이에 있어서의 리프트 오프의 유무를 외관으로 관찰하였다. 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

<납땜성의 평가>

납땜성의 평가는, 냉열 사이클 후의 내구성 평가에서 사용한 실시예 1∼실시예 20 및 비교예 1∼비교예 19의 각 시험 기판을 사용하여 행하였다. 그리고, 각 시험 기판의 칩 저항의 전극부에 있어서의 기판과 평행한 상면에 있어서, 땜납이 젖어 넓어진 면적율을 산출함으로써, 납땜성을 평가하였다. 그리고, 전체 4칩의 땜납이 젖어 넓어진 면적율의 평균값이 80% 이상인 시험 기판을 양호, 상기 면적율의 평균값이 80% 미만인 시험 기판을 불량하다고 판단하고, 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 구성 요건을 모두 만족시키는 실시예 1∼실시예 20의 땜납 합금에서는, 종래의 SAC계 합금과 동일한 리플로우 온도(피크 온도: 240℃)에서 납땜성이 양호하고, 또한 엄격한 온도 사이클 조건 하(-30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서도 우수한 내구성을 가지고, 또한, 리프트 오프의 발생을 억제하는 것이 가능한 땜납 접합부를 형성할 수 있었다.

한편, 비교예 1의 땜납 합금은 Sb를 함유하지 않으므로, 엄격한 온도 사이클 조건 하(-30℃∼120℃의 온도 사이클)에 있어서, 땜납 접합부의 크랙의 진전이 컸다. 비교예 2∼비교예 5 및 비교예 7∼비교예 13의 땜납 합금은, Bi를 함유하기 때문에, 땜납 접합부에 있어서 리프트 오프가 발생하였다. 비교예 4∼비교예 6, 비교예 14, 비교예 15 및 비교예 17∼비교예 19의 땜납 합금은, In의 함유량이 3.5 질량%를 초과하기 때문에, 땜납 접합부에 있어서 리프트 오프가 발생하였다. 비교예 16의 땜납 합금은, In의 함유량이 1.1 질량% 미만이기 때문에, 종래의 SAC계 합금과 같은 리플로우 온도(240℃)에서 납땜성이 불량하였다.

Claims

납땜에 사용되고,
화학 조성이, 질량%로
Ag: 2.0∼4.0%,
Cu: 0.6∼1.2%,
Sb: 2.0∼5.0%,
In: 1.1∼3.5%,
Ni: 0∼0.20%,
Co: 0.01∼0.20%,
Ge: 0.001∼0.05%, 및
잔부: Sn 및 불순물
인, 땜납 합금.
제1항에 있어서,
Ni 및 Co의 합계 함유량이, 질량%로 0.01∼0.20%인, 땜납 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서,
하기 (i) 식을 만족시키는, 땜납 합금:
Ag/Cu≥2.8 … (i)
다만, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 합금 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 표시함.
제1항 또는 제2항에 있어서,
하기 (ii) 식을 만족시키는, 땜납 합금:
-1.5≤Sb-In≤2.0 … (ii)
다만, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 합금 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 표시함.
제1항 또는 제2항에 있어서,
하기 (iii) 식을 만족시키는, 땜납 합금:
7.5≤Ag+Cu+Sb+In≤13.5 … (iii)
다만, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 합금 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 표시함.
제1항 또는 제2항에 있어서,
용융 온도 폭이 20℃ 이하인, 땜납 합금.
제1항 또는 제2항에 기재된 땜납 합금과 플럭스를 함유하는 땜납 접합 재료.
제7항에 기재된 땜납 접합 재료를 사용하여 접합된 전자회로 기판.
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