KR102253739B1

KR102253739B1 - 솔더 페이스트

Info

Publication number: KR102253739B1
Application number: KR1020207026195A
Authority: KR
Inventors: 타케시 사카모토; 요시에 타치바나; 슌스케 코가; 스케 코가
Original assignee: 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2021-05-18
Also published as: JPWO2019198690A1; TW201943861A; EP3708290A4; US20200398382A1; TWI695893B; CN111936264A; EP3708290B1; WO2019198690A1; PH12020550951A1; EP3708290A1; JP6601600B1; KR20200118860A

Abstract

보이드의 발생을 억제해, 신뢰성이 우수한 솔더 페이스트를 제공한다. 솔더 페이스트는, Sn계 분말, Sn과 10 질량% 이상의 Sb를 함유하는 SnSb계 합금 분말, 및 플럭스를 함유하고, SnSb계 합금 분말의 액상선 온도는 Sn계 분말의 액상선 온도보다 높고, Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 함유비는, 75：25 ~ 95：5이다. 바람직하게는, Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 함유비는, 80：20 ~ 90：10이다.

Description

솔더 페이스트

본 발명은, 보이드의 발생을 억제해, 신뢰성이 우수한 솔더 페이스트에 관한 것이다.

최근, 자동차는, 기계 부품만으로 구성되어 있는 부품을 전동화하는 것으로 고기능화나 고성능화를 도모하고 있다. 자동차의 고기능화 및 고성능화를 실현하기 위해서는, 소형 고밀도에 대응하는 일렉트로닉스 실장 기술이 필요하게 되었다. 이 실장 기술에 대응하기 위해서는, 프린트 기판과 전자 부품을 접속하는 땜납 이음새의 높은 신뢰성이 요구된다.

예를 들면, 엔진의 근방에 탑재되는 프린트 기판은, 현저한 온도차 중에서 장기간의 사용이 요구된다. 하이브리드 자동차에서는, 대전력을 취급하는 인버터를 탑재하고 있어, 인버터의 구동 온도에 견딜 수 있는 땜납 이음새가 요구된다. 이와 같이, 자동차의 일렉트로닉스 실장 기술에서는, 땜납 이음새를 구성하는 땜납 합금이 높은 신뢰성을 가질 필요가 있다.

그런데, 땜납 합금에 의한 환경오염의 염려를 억제하는 관점에서, 종래에 납 프리의 Sn계 땜납 합금이 이용되고 있다. 이들 중에서도 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금은 양호한 젖음성을 가지기 때문에 널리 사용되고 있다. 이 땜납 합금보다도 높은 신뢰성을 가지는 땜납 합금으로는, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 바와 같이, Sb를 함유하는 Sn계 땜납 합금을 들 수 있다. Sb는, 고용(固溶) 석출 강화나, 미세한 SnSb 금속간 화합물이 형성되어 석출 분산 강화에 의해 땜납 합금의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 원소이다. Sb를 함유하는 Sn계 땜납 합금은, 이 합금 분말을 플럭스에 첨가한 솔더 페이스트로서 사용되고 있다. 단지, Sb를 함유하는 땜납 합금의 액상선 온도는 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금과 비교하여 5 ~ 10℃ 정도 높기 때문에, 전자 부품의 실장시에 리플로우 온도를 5 ~ 10℃ 높게 설정할 필요가 있다. 리플로우 온도가 높게 설정되면 프린트 기판에 실장되는 전자 부품이 고온 환경 하에 노출되어 부품에 따라서는 열적 손상을 입는 경우가 있다.

Sb를 함유하는 땜납 합금 분말을 이용한 실장 기술로서 예를 들면, 특허문헌 2에는, Sn계 땜납 합금으로 이루어지는 제1 합금 분말과, 제1 합금 분말보다 융점이 높고, Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn의 어느 하나 적어도 1종을 함유하는 Sb합금으로 이루어지는 제2 합금 분말을 함유하는 무연 땜납이 개시되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 무연 땜납은, 용융시에 제1 합금 분말만을 용융하기 위해서, Sb를 함유하지 않는 땜납 합금과 동일한 정도의 리플로우 온도에서 Sb를 함유하는 땜납 이음새가 형성된다. 또한, 같은 문헌에서는, 제1 합금상이 젖음성 등의 특성을 유지한 채로 제1 합금상 중에 제2 합금상을 균일하게 분산해 함유할 수 있다고 되어 있다. 또한 같은 문헌에는, 접합 후, 제2 합금 분말의 표면에, 제1 합금 분말과 제2 합금 분말의 합금화 반응에 의한 금속간 화합물상이 형성되는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 3에는, 10 ~ 30 wt%의 Ag와 2 ~ 20 wt%의 Cu를 함유하는 Sn-Ag-Cu계 합금으로 이루어지는 제1 분말 합금과, 8 wt% 이하의 Sb를 함유하는 Sn계의 제2 분말 합금을 함유하는 크림 땜납이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, Sn-Sb계의 액상선 상승에 의한 점성 증가를 억제하기 위해, Sb 함유량을 8 wt% 이하로 하는 것이 기재되고 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 평 5-50286호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 2005-254254호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 제 5142999호 공보

특허문헌 2에 기재된 발명은, 리플로우시에 제2 합금 분말이 고상을 유지하도록 하기 위해, 제2 합금 분말이 Sb를 함유하는 동시에 Sn를 함유하지 않는다. 또한, 같은 문헌에는 제1 합금상이 젖음성 등의 특성을 유지한 채로 제1 합금상에 제2 합금 분말을 균일하게 분산하는 것이 기재되어 있다. 즉, 특허문헌 2에서는, 투입 당초의 제2 합금 분말의 형태가 유지되는 동시에, 제2 합금 분말이 제1 합금상에 분산되도록 하고 있다. 그러나, 제2 합금 분말은 Sb를 함유하기 위해서 산화되기 쉽고, 제2 합금 분말의 젖음성이 뒤떨어져, 리플로우 중에 용융한 제1 합금상 중에 제2 합금 분말이 용해하지 않고, 보이드가 외부에 배출되기 어렵기 때문에, 땜납 이음새에 보이드가 발생한다. 또한, 같은 문헌에는, 리플로우 후에는 제2 합금 분말의 표면에 제1 합금 분말과 제2 합금 분말의 금속간 화합물상이 형성되어 있는 것이 기재되고 있다. 같은 문헌에 기재된 발명은 제2 합금 분말의 표면만이 제1 합금 분말과 상용하고 있어, 제2 합금 분말이 제1 합금상 중에 용해되어 있는 것은 아니다. 이 때문에, 리플로우 후에 보이드가 외부에 배출되지 않고, 땜납 이음새에 보이드가 발생한다.

또한, 특허문헌 3에 기재된 발명은, Ag 및 Cu의 함유량을 많게 함으로써 고액 공존 영역의 온도역을 넓히고, 리플로우 박리 시에, 용융 땜납 점성을 올리는 것을 목적으로 하고 있다. 이 목적을 달성하기 위해서, 특허문헌 3에 기재된 발명에서는, Ag 및 Cu를 많이 함유하여 액상선 온도를 높게 하고 리플로우시에 반용융 상태가 되는 제1 분말 합금과 Sb 함유 분말 합금을 제1 분말 합금：Sb 함유 분말 합금=3：1의 비율로 혼합하고 있다. 이와 같이, 특허문헌 3에서는, 용융 땜납 점성을 올리고 있기 때문에, 리플로우 후에 합금 분말간의 공극이 땜납 이음새의 내부에 있어, 땜납 이음새에 보이드가 발생하는 문제가 있었다.

땜납 이음새에 보이드가 발생하면, 땜납 이음새를 구성하는 땜납 합금 자체의 신뢰성이 높아도 땜납 이음새로서의 신뢰성은 뒤떨어지게 된다. 이 때문에, 최근에는, 높은 신뢰성이 요구되는 용도에 사용하기 위해서는, 보이드의 발생이 억제된 땜납 이음새를 형성하는 것이 요구되고 있다.

그래서, 본 발명의 과제는, 보이드의 발생을 억제해, 신뢰성이 우수한 솔더 페이스트를 제공하는 것이다.

전술과 같이, 특허문헌 2나 특허문헌 3에 기재되어 있는 2 종류의 분말을 이용한 솔더 페이스트에서는 보이드의 발생이 억제되지 않는다. 본 발명자들은, 접합 신뢰성을 확보하기 위해, Sb를 함유하는 1 종류의 땜납 분말을 가지는 솔더 페이스트를 이용하여, 보이드에 관한 문제점을 추출하는 검토를 행하였다. Sb를 함유하는 1 종류의 땜납 분말을 이용한 경우, 리플로우 온도가 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 분말을 이용한 경우보다 5 ~ 10℃ 높게 설정되어야 한다. 그러나, 리플로우 온도의 상승은 전자 부품에 열적 부하를 주게 되기 때문에, 가능한 한 고온으로 설정하지 않도록 하는 것이 요구되고 있다. 또한, Sb 함유 땜납 분말은 산화에 의해 젖음성이 열화하기 때문에, 리플로우 온도의 상승에 의해 젖음성이 한층 열화하고, 보이드가 발생해 버린다.

본 발명자들은, 땜납 이음새의 높은 신뢰성을 확보하기 위해서는, 땜납 이음새를 구성하는 땜납 합금의 Sb 함유량이 0.5% 이상 필요하다고 상정해, Sb를 함유하는 합금 분말과 Sb를 함유하지 않는 Sn계 분말의 2 종류를 이용하여 검토를 행하였다. 보이드의 발생을 억제하기 위해서는, 제1 합금 분말과 제2 합금 분말이 표면에서만 상용하는 것이 아니라, 리플로우시에 제1 합금상 중에 제2 합금 분말이 용해하도록 해야 한다. 종래 기술을 감안해 보면, 젖음성을 향상시키기 위해서 Sb 함유량을 저감하는 것이 좋다고 생각되지만, Sb 함유량을 저감하면 신뢰성이 확보되지 않는다.

그래서, 본 발명자들은, 신뢰성을 확보하기 위해서 Sb 함유량을 늘려도 제1 합금 분말과 제2 합금 분말의 높은 젖음성을 나타내도록 하기 위해, Sb에 더해 Sn도 동시에 함유하는 SnSb계 합금 분말을 이용하였다. 그리고, 액상선 온도가 낮아 젖음성이 우수한 Sn계 분말의 함유량이 많아지도록 SnSb계 합금 분말과 혼합하였다. 이 결과, 예상외로, Sb 함유량을 증가한 것에 의한 젖음성의 열화가 억제되어 제1 합금상 중에 제2 합금 분말이 용해해 보이드의 발생이 억제되어 땜납 이음새의 신뢰성도 우수한 지견이 얻어졌다.

이 지견에 의해 완성된 본 발명은 다음과 같다.

(1) Sn계 분말, Sn과 10 질량% 이상의 Sb를 함유하는 SnSb계 합금 분말, 및 플럭스를 함유하고, SnSb계 합금 분말의 액상선 온도는 Sn계 분말의 액상선 온도보다 높고, Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 함유비는, 75：25 ~ 95：5인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.

(2) Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 함유비는, 80：20 ~ 90：10인, 상기 (1)에 기재된 솔더 페이스트.

(3) Sn계 분말은, Sn분말, 4 질량% 이하의 Ag를 함유하는 SnAg계 합금 분말, 2 질량% 이하의 Cu를 함유하는 SnCu계 합금 분말, 0 ~ 80 질량%의 Bi를 함유하는 SnBi계 합금 분말, 0 ~ 80 질량%의 In를 함유하는 SnIn계 합금 분말, 및 4 질량% 이하의 Ag과 2 질량% 이하의 Cu를 함유하는 SnAgCu계 합금 분말의 적어도 1종인, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 솔더 페이스트.

(4) Sn계 분말은, P：0.1 질량% 이하, Ge：0.1 질량% 이하, 및 Ga：0.1 질량% 이하, Ni：0.1 질량% 이하, Fe：0.1 질량% 이하, Al：0.1 질량% 이하, Pd：0.1 질량% 이하, Cr：0.1 질량% 이하, Co：0.1 질량% 이하, Zn：10 질량% 이하, Zr：0.1 질량% 이하, Mn：0.1 질량% 이하, Si：0.1 질량% 이하, Ti：0.1 질량% 이하, V：0.1 질량% 이하, Nb：0.1 질량% 이하, 및 Mo：0.1 질량% 이하의 적어도 1종을 함유한, 상기 (1) ~ 상기 (3)의 어느 한 항에 기재된 솔더 페이스트.

(5) SnSb계 합금 분말은, Ag：25 질량% 이하, Cu：10 질량% 이하, Ni：0.1 질량% 이하, P：0.1 질량% 이하, Ge：0.1 질량% 이하, Fe：0.1 질량% 이하, 및 Bi：20 질량% 이하, Al：0.1 질량% 이하, Ga：0.1 질량% 이하, Pd：0.1 질량% 이하, Cr：0.1 질량% 이하, Co：0.1 질량% 이하, Zn：10 질량% 이하, Zr：0.1 질량% 이하, Mn：0.1 질량% 이하, Si：0.1 질량% 이하, Ti：0.1 질량% 이하, V：0.1 질량% 이하, Nb：0.1 질량% 이하, 및 Mo：0.1 질량% 이하의 적어도 1종을 함유한, 상기 (1) ~ 상기 (4)의 어느 한 항에 기재된 솔더 페이스트.

(6) Sn계 분말 및 상기 SnSb계 합금 분말이, 구경 0.1 ~ 100㎛의 구상 분말인, 상기 (1) ~ 상기 (5)의 어느 한 항에 기재된 솔더 페이스트.

도 1은, 피크 온도를 230℃로 한 리플로우 후에 땜납 이음새의 X선 투과 평면 사진이고, 도 1(a)은 실시예 1의 X선 투과 평면 사진이고, 도 1(b)은 실시예 2의 X선 투과 평면 사진이고, 도 1(c)은 비교예 1의 X선 투과 평면 사진이다.
도 2는, 피크 온도를 230℃로 한 리플로우 후에 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 2(a)는 실시예 1의 단면 SEM 사진이고, 도 2(b)는 실시예 2의 단면 SEM 사진이고, 도 2(c)는 비교예 1의 단면 SEM 사진이다.
도 3은, SnSb계 합금 분말의 함유량과 SnSb계 합금 분말의 Sb 함유량의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명의 예시로서 본 발명을 실시하기 위한 형태를 이하에 상술한다. 본 명세서에서, 땜납 합금 조성에 관한 「%」는, 특별히 지정하지 않는 한 「질량%」이다.

1.솔더 페이스트

본 발명에 따른 솔더 페이스트는, (1) Sn계 분말, (2) Sn 및 10% 이상의 Sb를 함유하는 SnSb계 합금 분말, 및 (3) 플럭스를 함유한다. 각 함유물에 대해 상술한다.

(1) Sn계 분말

본 발명에 따른 솔더 페이스트는, SnSb계 합금 분말과의 높은 젖음성을 나타내는 Sn계 분말을 함유한다. 이 때문에, 리플로우 중에, Sn상이나 Sn계 합금상 중에 SnSb계 합금 분말이 용해해, 보이드의 발생을 억제할 수 있다.

본 발명의 Sn계 분말의 액상선 온도는, 저온 접합의 관점에서, 후술하는 SnSb계 합금 분말보다 낮출 필요가 있다. Sn계 분말의 액상선 온도는, 리플로우 온도보다 낮고, 또한, SnSb계 합금 분말의 액상선 온도보다 낮은 것이 바람직하고, SnSb계 합금 분말의 액상선 온도보다 30℃ 이상 낮은 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 Sn계 분말은, SnSb계 합금 분말과의 높은 젖음성을 나타낼 필요가 있기 때문에, Sn분말, 4% 이하의 Ag를 함유하는 SnAg계 합금 분말, 2% 이하의 Cu를 함유하는 SnCu계 합금 분말, 0 ~ 80%의 Bi를 함유하는 SnBi계 합금 분말, 0 ~ 80%의 In을 함유하는 SnIn계 합금 분말, 또는 4% 이하의 Ag과 2% 이하의 Cu를 함유하는 SnAgCu계 합금 분말인 것이 바람직하다.

이들 중에서도, 예를 들면, SnAg계 합금 분말로는, Ag：3.5%, 및 잔부 Sn로 이루어지는 Sn-3.5 Ag 땜납 합금 분말을 들 수 있다. SnCu계 합금 분말로는, Cu：0.7%, 및 잔부 Sn로 이루어지는 Sn-0.7 Cu 땜납 합금 분말을 들 수 있다. SnBi계 합금 분말로는, Bi：58%, 및 잔부 Sn으로 이루어지는 Sn-58 Bi 땜납 합금 분말을 들 수 있다. SnAgCu계 합금 분말로는, Ag：3.0%, Cu：0.5%, 및 잔부 Sn로 이루어지는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 땜납 합금 분말을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 Sn계 분말은, 젖음성 및 저온 접합이 가능하면 좋기 때문에, 전술의 땜납 합금을 2종 이상 함유해도 좋다. 2종 이상 함유하는 경우에는 적어도 1종의 액상선 온도가 후술하는 SnSb계 합금 분말의 액상선 온도보다도 낮으면 좋다. 또한, 저온 접합의 관점에서, SnSb계 합금 분말의 액상선 온도보다 낮은 액상선 온도를 나타내는 Sn계 분말의 함유량이, 솔더 페이스트의 전질량에 대해서 50 질량% 이상인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 Sn계 분말은, 리플로우시의 용융 땜납 산화를 억제해 젖음성을 향상시키기 때문에, P, Ge, 및 Ga의 적어도 1종을 함유하는 것이 바람직하다. 용융 땜납의 적절한 점성에 의해 보이드의 발생이 억제되는 관점에서, P, Ge, 및 Ga의 적어도 1종의 합계량의 상한은 바람직하게는 0.1% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이고, 특히 바람직하게는 0.05% 이하이다. 또한, P 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.1% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이다. Ge 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.1% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이다. Ga 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.1% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이다.

또한, 젖음성이 향상하는 효과를 발휘하기 위해, P, Ge, 및 Ga의 적어도 1종의 합계량의 하한은 바람직하게는 0.001% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이고, 특히 바람직하게는 0.03% 이상이다. 또한, P 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.001% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이다. Ge 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.001% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이다. Ga 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.001% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이다.

또한 본 발명의 Sn계 분말은, 상기 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 임의 원소를 더 함유해도 좋다. 임의 원소로는, Ni：0.1% 이하, Fe：0.1% 이하, Al：0.1% 이하, Pd：0.1% 이하, Cr：0.1% 이하, Co：0.1% 이하, 및 Zn：10% 이하, Zr：0.1% 이하, Mn：0.1% 이하, Si：0.1% 이하, Ti：0.1% 이하, V：0.1% 이하, Nb：0.1% 이하, Mo：0.1% 이하의 적어도 1종이다.

또한 본 발명의 Sn계 분말은, 액상선 온도의 상승 및 젖음성의 열화를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 Sb를 함유하지 않는다.

본 발명의 Sn계 분말에서, 상기 첨가 원소 이외의 잔부는 Sn이다. 전술의 첨가 원소 외에 불가피한 불순물을 함유해도 좋다. 불가피한 불순물을 함유하는 경우에도, 전술의 효과에 영향을 주는 경우는 없다.

(2) Sn 및 10% 이상의 Sb를 함유하는 SnSb계 합금 분말

본 발명의 SnSb계 합금 분말은, 리플로우 후에 땜납 이음새가 우수한 신뢰성을 발휘하기 위해, Sb를 함유할 필요가 있다. Sb는, Sn 중에서 고용 석출 강화나, 미세한 SnSb 금속간 화합물이 형성된 석출 분산 강화에 의해 히트 사이클 후의 쉐어 강도를 향상시키기 때문에, 땜납 합금의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 원소이다.

이 효과를 발휘하기 위해, SnSb계 합금 분말에는 Sb를 10% 이상 함유할 필요가 있다. Sb 함유량의 하한은 바람직하게는 12% 이상이고, 보다 바람직하게는 15% 이상이다. Sb 함유량의 상한은, Sb의 산화에 의한 SnSb계 합금 분말의 점성의 상승을 억제하기 위해 바람직하게는 40% 이하이고, 보다 바람직하게는 35% 이하이고, 특히 바람직하게는 30% 이하이다.

또한, Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 합계량에 대한 Sb 함유량은, 0.5% 이상이면 땜납 이음새의 높은 신뢰성을 확보할 수 있다. 바람직하게는 0.75% 이상이고, 보다 바람직하게는 1.0% 이상이고, 더 바람직하게는 2.0% 이상이고, 특히 바람직하게는 3.0% 이상이다.

또한, 본 발명의 SnSb계 합금 분말은, Sn계 분말과의 젖음성을 향상시킴으로써 보이드의 발생을 억제할 수 있기 때문에, Sn를 함유할 필요가 있다. Sn를 함유하지 않는 Sb계 합금 분말을 이용한 경우, 전술의 Sn계 분말이 Sb 합금 분말과 젖는다고 해도, 젖는 것은 Sb합금 분말의 표면뿐이고, 리플로우 중에 내재하는 공극을 외부에 빼내기까지는 도달하지 않는다.

한편, 본 발명과 같이 Sn을 함유하는 SnSb계 합금 분말은, SnSb의 형성 시에 소비되지 않고 분말 중에 잔존하는 Sn을 함유하기 때문에, Sn계 분말의 Sn상이나 Sn계 합금상이 SnSb계 합금 분말에 대해서 젖기 쉽다. 이 때문에, 리플로우시에 잔존하는 공극이 외부로 이동하기 쉽고, 보이드의 생성을 억제할 수 있다.

본 발명의 SnSb계 합금 분말의 Sn 함유량은, Sn계 분말과 상용하기 쉽게 하기 위해서 SnSb 금속간 화합물이 형성된 다음에도 Sn이 잔존하는 양인 것이 바람직하다. Sn 함유량은 바람직하게는 40 ~ 90%이고, 보다 바람직하게는 50 ~ 85%이다.

본 발명의 SnSb계 합금 분말은, 상기 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 임의 원소를 함유해도 좋다. 임의 원소로는, SnSb계 합금 분말은, Ag：25% 이하, Cu：10% 이하, Ni：0.1% 이하, P：0.1% 이하, Ge：0.1% 이하, Fe：0.1% 이하, 및 Bi：20% 이하, Al：0.1% 이하, Ga：0.1% 이하, Pd：0.1% 이하, Cr：0.1% 이하, Co：0.1% 이하, 및 Zn：10% 이하, Zr：0.1% 이하, Mn：0.1% 이하, Si：0.1% 이하, Ti：0.1% 이하, V：0.1% 이하, Nb：0.1% 이하, 및 Mo：0.1% 이하의 적어도 1종이다.

또한, 본 발명의 SnSb계 합금 분말은, 전술의 땜납 합금을 2종 이상 함유해도 좋다. 2종 이상 함유하는 경우에는 적어도 1종의 액상선 온도가 Sn계 분말의 액상선 온도보다도 높으면 좋다. 또한, SnSb계 합금 분말의 함유량은, 솔더 페이스트의 전질량에 대해서 50 질량% 미만인 것이 바람직하다.

본 발명의 SnSb계 합금 분말은, SnSb계 합금 분말의 Sn가 Sn계 분말의 Sn상이나 Sn계 합금상 중에 용해하기 때문에, 리플로우 후에 페이스트 중에의 투입 당초의 형태를 유지하지 않는다. 리플로우 후의 땜납 이음새는, SnSb계 합금 분말의 금속간 화합물상 등이 Sn상이나 Sn계 합금상 중에 분산되어 있는 조직이 된다. SnSb계 합금 분말의 고상선 온도가 리플로우 온도보다 높은 경우에도, Sn상이나 Sn계 합금상이 SnSb계 합금 분말의 Sn에 대해서 젖어, SnSb계 합금 분말 중의 SnSb 금속간 화합물 등이 Sn상이나 Sn계 합금상 중에 확산하기 때문에, 리플로우 후에 페이스트 중에의 투입 당초의 형태를 유지하지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 솔더 페이스트는, Sn을 함유하는 적어도 2 종류의 땜납 분말을 함유하기 위해서 양쪽 분말이 상용하는 점에서, 양쪽 분말간에 금속간 화합물이 형성되는 경우는 없다.

본 발명의 SnSb계 합금 분말은 Sn을 함유하기 때문에, SnSb계 합금 분말의 액상선 온도는 리플로우시의 가열 피크 온도보다 훨씬 더 높은 온도까지 허용된다. SnSb계 합금 분말의 액상선 온도는, 피크 온도＋10℃ 이상, 피크 온도＋50℃ 이상, 피크 온도＋100℃ 이상, 피크 온도＋120℃ 이상이어도 좋다. 이와 같이 액상선 온도가 고온인 SnSb계 합금 분말을 이용한다고 해도, 본 발명에서는 신뢰성이 우수한 땜납 이음새를 형성할 수 있는 것이다.

본 발명의 SnSb계 합금 분말은, 전술의 첨가 원소 외에 불가피한 불순물을 함유해도 좋다. 불가피한 불순물을 함유하는 경우에도, 전술의 효과에 영향을 주는 경우는 없다.

(3) Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 함유비 등

본 발명의 Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 함유비는, 리플로우시의 용융 땜납 젖음성을 유지하기 위해, 75：25 ~ 95：5일 필요가 있다. 이 함유비는, 각 분말의 질량비이다. Sn계 분말의 함유비가 75 미만이면, SnSb계 합금 분말이 Sn상이나 Sn계 합금상과 충분히 젖지 않아, 보이드가 발생한다. 한편, SnSb계 합금 분말의 함유비가 5 미만이면, 본 발명에서의 땜납 이음새 중의 Sb 함유량의 목표치인 0.5%에 이르지 않는 경우가 있다. Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 함유비는, 바람직하게는 80：20 ~ 90：10이다.

상기 함유비는, 땜납 이음새 중에서의 Sb 함유량의 목표치가 정해져 있는 경우, SnSb계 합금 분말 중의 Sb 함유량이 많아지면, SnSb계 합금 분말의 함유비가 작아지는 동시에 Sn계 분말의 함유비가 커진다. 이 때문에, 본 발명에 따른 솔더 페이스트는, 리플로우 중에 Sn상이나 Sn계 합금상 중에 SnSb 합금 분말이 용해되기 쉽고, 보이드의 발생을 억제하는 동시에 땜납 이음새의 신뢰성도 담보할 수 있다.

Sn계 분말과 SnSb계 합금 분말의 합계량은 땜납 이음새를 형성할 수 있는 양이면 좋고, 예를 들면 솔더 페이스트 전질량에 대해서 85 ~ 95%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 솔더 페이스트에서 이용하는 땜납 분말은, 구상 분말인 것이 바람직하다. 구상 분말인 것으로 땜납 합금의 유동성이 향상한다.

또한, 땜납 합금이 구상 분말인 경우, 구경은 0.1 ~ 100㎛가 바람직하다. 구상 분말인 땜납 재료의 구경이 상기 범위 내이면, 미세한 납땜이 가능해진다. 땜납 합금이 구상 분말인 경우, JIS　Z　3284-1：2014에서의 분말 사이즈의 분류(표 2)에서 기호 1 ~ 8에 해당하는 사이즈(입도 분포)를 가지고 있으면, 미세한 부품에의 납땜이 가능해진다. 입자상 땜납 재료의 사이즈는, 기호 4 ~ 8에 해당하는 사이즈인 것이 보다 바람직하고, 기호 5 ~ 8에 해당하는 사이즈인 것이 보다 바람직하다. 진구도는 0.90 이상이 바람직하고, 0.95 이상이 보다 바람직하고, 0.99 이상이 가장 바람직하다.

본 발명에서, 구상 분말인 땜납 합금의 구경 및 진구도는, 최소 영역 중심법(MZC법)을 이용하는 CNC 화상 측정 시스템(Mitutoyo Corporation 제의 울트라 퀵 비전 ULTRA　QV350-PRO 측정 장치)를 사용하여 측정한다. 실시형태에서, 진구도란 진구로부터의 차이를 나타내고, 예를 들면 500개의 각 볼의 직경을 장경으로 나누는 경우에 산출되는 산술 평균치이고, 값이 상한인 1.00에 가까울수록 진구에 가까운 것을 나타낸다.

(5) 플럭스

본 발명의 플럭스는, 상법에 따라 납땜할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 따라서, 일반적으로 이용되는 로진, 유기산, 활성제, 그리고 용제를 적절히 배합한 것을 사용하면 좋다. 플럭스 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 솔더 페이스트의 전질량에 대해서 5 ~ 15%인 것이 바람직하다.

2.솔더 페이스트의 제조 방법

본 발명에 따른 솔더 페이스트는, 당업계에서 일반적인 방법에 따라 행해진다. 예를 들면, 로진계 수지, 활성제, 및 폴리머 성분을 가열 혼합해 플럭스를 조제해, 플럭스 중에 상기 합금 분말을 도입해, 교반, 혼합해 제조할 수 있다.

3.땜납 이음새의 형성 방법

본 발명의 솔더 페이스트를 이용한 땜납 이음새의 형성 방법은, 프린트 기판에 마스크를 개재하여 솔더 페이스트를 인쇄하고, 전자 부품을 탑재 후, 리플로우로(爐)에서 160 ~ 240℃로 가열해 형성된다. 이 가열 온도는 합금 분말의 조성에 따라 적절히 설정해도 좋고, Sn계 분말의 액상선 온도＋10 ~ 30℃ 정도이어도 좋다.

본 발명의 솔더 페이스트는, 낮은 α선 재료를 이용하여 제조함으로써, α선량을 저감할 수 있다. 이것을 메모리 주변의 접합에 이용하면, 소프트 에러를 억제할 수 있다.

실시예

·페이스트의 제작

표 1 ~ 3에 나타내는 합금 조성을 가지는 2 종류 또는 1 종류의 합금 분말에 대해서, 구경이 21㎛이고, JIS　Z3284-1：2014의 분말 사이즈 분류(표 2)의 5에 해당하는 합금 분말을 준비하였다. 표 1 ~ 3에 나타내는 각 분말의 함유량은, 분말의 전질량에 대한 질량비(질량%)를 나타낸다. 그리고, 공지의 페이스트상 로진계 플럭스와 혼합해, 실시예 1 ~ 실시예 45 및 비교예 1 ~ 비교예 4의 솔더 페이스트를 제작하였다. 이 솔더 페이스트는, 합금 분말이 솔더 페이스트의 전질량에 대해서 90%이었다.

·보이드 면적률, 최대 보이드경

이러한 페이스트를, Cu-OSP 유리 에폭시 기판 상에, 메탈 마스크를 이용하여 두께가 0.15mm^t의 두께로 상기 페이스트를 인쇄하였다. 그 후 마운터를 이용하여, 8 mm×8mm×2 mm의 QFN을, 페이스트 상에 재치하였다. 그 후, 리플로우 로에 투입해, 피크 온도가 230℃가 되도록, 220℃ 이상의 온도역에서 40초간 유지하는 조건에서 리플로우 가열을 행해, 실시예 1 ~ 실시예 45, 및 비교예 1 ~ 비교예 4에 대해 각각 6 샘플의 땜납 이음새를 형성하였다.

페이스트와 기판 혹은 다이의 접합 상태는, Uni-Hite System Corp.의 마이크로 포커스 X선 시스템　XVR-160을 이용하여 6.7배의 X선 투과 평면 사진을 촬영해, QFN의 방열 부분의 보이드 면적률 및 최대 보이드경을 구하였다.

보이드 면적률은, 각 6 개 샘플의 X선 투과 평면 사진에서, 땜납 이음새의 면적에 대한 보이드의 면적의 비율(((보이드의 면적)/(땜납 이음새의 면적))×100(%))을 구하고, 6개 샘플 중에서 최대치와 최소치의 2개 샘플을 제외한 4개 샘플의 평균치를 산출해 구하였다. 보이드 면적률이 20% 이하의 경우에 「○」라고 하고, 20%보다 큰 경우에 「×」라고 하였다.

최대 보이드경은, 각 샘플에 대해 가장 면적이 큰 보이드를 X선 투과 평면 사진으로부터 육안으로 선택해, 그 보이드의 투영원 상당지름의 직경으로 하였다. 최대 보이드경이 3.0 mm 이하의 경우에 「○」라고 하고, 3.0 mm보다 큰 경우에 「×」라고 하였다.

·TCT 3000회 후의 쉐어 강도

전술과 같이 제작한 솔더 페이스트를, 두께가 0.8 mm의 프린트 기판(재질：FR-4)에 두께가 120㎛의 메탈 마스크로 Cu 전극에 인쇄한 후, 칩 저항 부품을 마운터로 실장하고, 최고 온도 240℃, 유지 시간 60초의 조건에서 리플로우 납땜하여, 시험 기판을 제작하였다.

이들의 시험 기판을 저온 -40℃, 고온 ＋125℃, 유지 시간 30 분의 조건으로 설정한 히트 사이클 시험 장치에 넣어 3000 사이클 후, 전단 강도 측정 장치(RHESCA 사 제 STR-1000)에 의해 6 mm/min의 조건에서 쉐어 강도(N)를 측정하였다. 쉐어 강도가 10 N 이상인 경우, 실용상 문제 없이 사용할 수 있는 레벨이라고 판단해 「○」라고 평가하고, 10 N 미만인 경우를 「×」라고 평가하였다.

결과를 표 1 ~ 3에 나타낸다. 표 1 ~ 3 중의 합금 조성에 나타내는 수치는, 각 합금 조성의 함유량(질량%)을 나타낸다. 또한, 표 1 ~ 3에 나타내는 합금 조성은 모두 잔부가 Sn이다.

표 1 ~ 3에서는, 후술하는 도 2에 나타내는 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1의 실측치를 예시하였다. 표 1 ~ 3으로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1 ~ 실시예 45의 솔더 페이스트를 이용한 땜납 이음새는, 보이드 면적률이 작고 최대 보이드경도 작은 것을 알 수 있었다. 또한, TCT 후의 쉐어 강도도 높은 값을 나타냈다.

한편, 비교예 1은, Sn계 분말을 함유하지 않고, Sb 함유량이 적은 SnSb계 합금 분말을 이용했기 때문에, 보이드 면적률이 크고, 최대 보이드경이 큰 보이드가 형성되었다. 비교예 2 및 비교예 3은, SnSb계 합금 분말의 Sb 함유량이 적기 때문에 TCT 후의 쉐어 강도가 뒤떨어졌다. 비교예 4는, SnSb계 합금 분말을 함유하지 않기 때문에, TCT 후의 쉐어 강도가 뒤떨어졌다.

실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1을, 사진을 이용하여 상술한다.

도 1은, 피크 온도를 230℃로 한 리플로우 후에 땜납 이음새의 X선 투과 평면 사진이고, 도 1(a)은 실시예 1의 X선 투과 평면 사진이고, 도 1(b)은 실시예 2의 X선 투과 평면 사진이고, 도 1(c)은 비교예 1의 X선 투과 평면 사진이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2에서는, 비교예 1과 비교하여 보이드의 면적이 작고, 최대 보이드경도 작은 것이 밝혀졌다.

도 2는, 피크 온도를 230℃로 한 리플로우 후에 땜납 이음새의 단면 SEM 사진이고, 도 2(a)는 실시예 1의 단면 SEM 사진이고, 도 2(b)는 실시예 2의 단면 SEM 사진이고, 도 2(c)는 비교예 1의 단면 SEM 사진이다. 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 피크 온도가 240℃이어도 용융하지 않는 합금 분말을 함유하는 솔더 페이스트이어도, 문제 없이 땜납 이음새가 형성되어 있는 것을 알 수 있었다. 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 피크 온도가 240℃에서 반용융 상태의 합금 분말을 함유하는 솔더 페이스트이어도, 문제 없이 땜납 이음새가 형성되어 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 양쪽 실시예에서는, 합금 분말의 원형은 보이지 않는 것을 알 수 있었다. 또한 SnSb계 합금 분말의 표면에 금속간 화합물이 형성되어 있지 않은 것을 알 수 있었다. 이에 더해, 금속간 화합물이 Sn상이나 Sn계 합금상 중에 확산하고 있어, Sn상이나 Sn계 합금상 중에 SnSb계 합금 분말이 용해되어 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 표 1 ~ 3에 나타내는 결과와 본 발명의 범위의 관계를, 도 3을 이용하여 상술한다. 도 3은, SnSb계 합금 분말의 함유량과 SnSb계 합금 분말의 Sb 함유량의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에서는, Sn계 분말의 합금 조성이 Sn-3Ag-0.5Cu(Ag：3%, Cu：0.5%, 잔부：Sn)인 동시에 SnSb계 합금 분말의 합금 조성이 Sn-7.5 ~ 12Ag-1 ~ 1.5Cu-5 ~ 15 Sb(Ag：7.5 ~ 12%, Cu：1 ~ 1.5%, Sb：5 ~ 15%, 잔부：Sn)인 실시예 1 ~ 실시예 5 및 비교예 2 ~ 비교예 4를 표 1 ~ 3으로부터 추출하였다. 도 3 중, 그레이의 반투명으로 나타나 있는 영역은 본 발명의 범위이다. 횡축의 「SnSb계 합금 분말의 함유량」이란, 표 1 ~ 3에 나타낸 「SnSb계 합금 분말」의 「함유량(%)」를 나타낸다.

도 3으로부터 분명한 바와 같이, 보이드의 발생을 억제해, 신뢰성이 우수한 솔더 페이스트는, SnSb계 합금 분말의 Sb 함유량이 10% 이상이고, 또한, SnSb계 합금 분말의 함유량이 5 ~ 25%, 즉 Sn계 분말：SnSb계 합금 분말=75：25 ~ 95：5인 실시예 1 ~ 실시예 5인 것을 알 수 있었다. 이에 대하여, 이러한 요건의 적어도 한쪽을 만족하지 않는 비교예 2 ~ 4에서는, 보이드의 발생의 억제 및 우수한 신뢰성의 양립이 곤란하다는 것을 알 수 있었다.

Claims

Sn계 분말, Sn과 10 질량% 이상의 Sb를 함유하는 SnSb계 합금 분말, 및 플럭스를 함유하고, 상기 SnSb계 합금 분말의 액상선 온도는 상기 Sn계 분말의 액상선 온도보다 높고, 상기 Sn계 분말과 상기 SnSb계 합금 분말의 질량비는, 75：25 ~ 95：5인 것을 특징으로 하는, 솔더 페이스트.
제1항에 있어서,
상기 Sn계 분말과 상기 SnSb계 합금 분말의 질량비는, 80：20 ~ 90：10인, 솔더 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 Sn계 분말은, Sn분말, 4 질량% 이하의 Ag를 함유하는 SnAg계 합금 분말, 2 질량% 이하의 Cu를 함유하는 SnCu계 합금 분말, 0 질량% 보다 많고 80 질량% 이하의 Bi를 함유하는 SnBi계 합금 분말, 0 질량% 보다 많고 80 질량% 이하의 In를 함유하는 SnIn계 합금 분말, 및 4 질량% 이하의 Ag과 2 질량% 이하의 Cu를 함유하는 SnAgCu계 합금 분말의 적어도 1종인, 솔더 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 Sn계 분말은, P：0.1 질량% 이하, Ge：0.1 질량% 이하, 및 Ga：0.1 질량% 이하, Ni：0.1 질량% 이하, Fe：0.1 질량% 이하, Al：0.1 질량% 이하, Pd：0.1 질량% 이하, Cr：0.1 질량% 이하, Co：0.1 질량% 이하, 및 Zn：10 질량% 이하, Zr：0.1 질량% 이하, Mn：0.1 질량% 이하, Si：0.1 질량% 이하, Ti：0.1 질량% 이하, V：0.1 질량% 이하, Nb：0.1 질량% 이하, 및 Mo：0.1 질량% 이하의 적어도 1종을 함유하는, 솔더 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 SnSb계 합금 분말은, Ag：25 질량% 이하, Cu：10 질량% 이하, Ni：0.1 질량% 이하, P：0.1 질량% 이하, Ge：0.1 질량% 이하, Fe：0.1 질량% 이하, 및 Bi：20 질량% 이하, Al：0.1 질량% 이하, Ga：0.1 질량% 이하, Pd：0.1 질량% 이하, Cr：0.1 질량% 이하, Co：0.1 질량% 이하, Zn：10 질량% 이하, Zr：0.1 질량% 이하, Mn：0.1 질량% 이하, Si：0.1 질량% 이하, Ti：0.1 질량% 이하, V：0.1 질량% 이하, Nb：0.1 질량% 이하, 및 Mo：0.1 질량% 이하의 적어도 1종을 함유하는, 솔더 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 Sn계 분말 및 상기 SnSb계 합금 분말이, 구경 0.1 ~ 100㎛의 구상 분말인, 솔더 페이스트.