KR102376716B1 - 납땜 합금, 납땜 분말, 및 납땜 조인트 - Google Patents
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Abstract
납땜 페이스트의 경시 변화를 억제하고, 액상선 온도와 고상선 온도의 온도차가 작아 높은 신뢰성을 가지고 납땜 합금 등을 제공한다. 납땜 합금은, As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0~10000 질량 ppm 및 Pb: 0~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시킨다.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
Description
본 발명은, 페이스트의 경시 변화를 억제하고, 젖음성이 뛰어나고, 액상선(液相線) 온도와 고상선(固相線) 온도의 온도차가 작은 납땜 합금, 납땜 분말, 및 납땜 조인트에 관한 것이다.
근래, CPU(Central Processing Unit) 등의 납땜 조인트를 가지는 전자 디바이스는, 소형화, 고성능화가 요구되고 있다. 이에 따라, 프린트 기판과 전자 디바이스의 전극의 소형화가 필요하게 된다. 전자 디바이스는 전극을 통해서 프린트 기판과 접속되기 때문에, 전극의 소형화에 수반하여 양자를 접속하는 납땜 조인트도 작아진다.
전자 디바이스와 프린트 기판을 이러한 미세한 전극을 통해서 접속하기 위해서는, 일반적으로 납땜 페이스트가 사용되고 있다. 납땜 페이스트는, 프린트 기판의 전극 상에 인쇄 등에 의해서 공급된다. 납땜 페이스트의 인쇄는, 개구부가 설치된 메탈 마스크를 프린트 기판 상에 놓고, 스키지를 메탈 마스크에 꽉 누르면서 이동시켜, 메탈 마스크의 개구부로부터 납땜 페이스트를 프린트 기판 상의 전극에 일괄 도포함으로써 수행된다. 또한, 납땜 페이스트를 구입했을 경우, 통상으로는 1회의 인쇄로 모두를 전부 사용하는 것은 아니다. 이와 같이, 납땜 페이스트는, 기판에의 인쇄 성능을 해치지 않도록 제조 당초의 적당한 점도가 유지되지 않으면 안된다.
그러나, 근래, 전극의 소형화가 진행됨에 따라, 납땜 페이스트의 인쇄 면적의 협소화가 진행되고 있는 것으로부터, 구입한 납땜 페이스트를 전부 사용할 때까지의 시간은 장기화하고 있다. 납땜 페이스트는, 납땜 분말과 플럭스를 혼련한 것으로, 보관 기간이 장기에 걸치는 경우에는, 보관 상황에 따라서는 납땜 페이스트의 점도가 올라가 버려, 구입 당초의 인쇄 성능을 발휘하지 못하는 일이 있다.
여기서, 예를 들면 특허문헌 1에는, 납땜 페이스트의 경시 변화를 억제하기 위해서, Sn과, Ag, Bi, Sb, Zn, In 및 Cu로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 또한, 소정량의 As를 포함하는 납땜 합금이 개시되어 있다. 같은 문헌에는, 25℃에서 2주일 후의 점도가 제작 당초의 점도와 비교하여 140% 미만인 결과가 나타나 있다.
상술과 같이, 특허문헌 1에 기재된 발명은, Sn 및 As 외에 6 종류의 원소를 선택적으로 함유할 수 있는 납땜 합금이다. 또한, 같은 문헌에는, As 함유량이 많으면 용융성이 뒤떨어지는 결과가 나타나 있다.
여기서, 특허문헌 1에서 평가되고 있는 용융성은, 용융 납땜의 젖음성에 상당한다고 생각할 수 있다. 같은 문헌에서 개시되고 있는 용융성은, 용융물의 외관을 현미경으로 관찰하여, 전부 용융되지 못한 납땜 분말의 유무에 의해 평가되고 있다. 용융 납땜의 젖음성이 높으면 전부 용융되지 못한 납땜 분말이 잔존하기 어려워지기 때문이다.
일반적으로, 용융 납땜의 젖음성을 향상시키기 위해서는 고활성의 플럭스를 이용할 필요가 있다. 특허문헌 1에 기재된 플럭스에 있어서, As에 의한 젖음성의 열화가 억제되기 위해서는, 고활성의 플럭스를 이용하면 된다고 생각할 수 있다. 그러나, 고활성의 플럭스를 이용하면 납땜 합금과 활성제의 반응이 진행되기 때문에 페이스트의 점도가 올라가 버린다. 또한, 특허문헌 1의 기재를 감안하면, 점도의 상승을 억제하기 위해서는 As 함유량을 증가시킬 필요가 있다. 특허문헌 1에 기재된 납땜 페이스트가 더욱 낮은 점도 상승률과 뛰어난 젖음성을 나타내기 위해서는, 플럭스의 활성력과 As 함유량을 계속 증가할 필요가 있어, 악순환을 부르게 된다.
최근에는, 납땜 페이스트는 사용 환경이나 보관 환경에 의하지 않고 장기간 안정한 성능을 유지하는 것이 요구되고 있으며, 또한, 납땜 조인트의 미세화에 의해 더욱 높은 젖음성도 요구되고 있다. 특허문헌 1에 기재된 납땜 페이스트를 이용하여 최근의 요구에 대응하려고 하면, 전술과 같이 악순환을 피할 수 없다.
추가로, 미세한 전극을 접합하기 위해서는, 납땜 조인트의 기계적 특성 등을 향상시킬 필요가 있다. 원소에 따라서는, 함유량이 많아지면 액상선 온도가 상승하여 액상선 온도와 고상선 온도가 넓어지고, 응고시에 편석하여 불균일인 합금 조직이 형성되어 버린다. 납땜 합금이 이러한 합금 조직을 가지면, 납땜 조인트는 인장 강도 등의 기계적 특성이 뒤떨어져 외부로부터의 응력에 의해 용이하게 파단해 버린다. 이 문제는, 근래의 전극의 소형화에 따라 현저하게 되어가고 있다.
본 발명의 과제는, 납땜 페이스트의 경시 변화를 억제하고, 젖음성이 뛰어나고, 액상선 온도와 고상선 온도의 온도차가 작아 높은 기계적 특성을 갖는 납땜 합금, 납땜 분말, 및 납땜 조인트를 제공하는 것이다.
페이스트의 경시 변화의 억제와 뛰어난 젖음성이 동시에 개선되는 때, 높은 활성력을 가지는 플럭스의 사용과 As 함유량의 증가에 의한 악순환을 피할 필요가 있다. 본 발명자들은, 납땜 분말의 합금 조성에 주목하고, 페이스트의 경시 변화의 억제와 뛰어난 젖음성의 양립을 도모하기 위해서 열심히 검토를 수행했다.
우선, 본 발명자들은, 납땜 합금으로서 종래부터 사용되고 있는 Sn, SnCu, SnAgCu 납땜 합금을 기본 조성으로 하고, 이것에 As를 함유하는 납땜 분말에 대해서 검토했다. 그리고, 이 납땜 분말을 이용했을 경우에 납땜 페이스트의 경시 변화를 억제하는 이유에 주목하여, As 함유량을 조사했다.
납땜 페이스트의 점도가 경시적으로 상승하는 이유는, 납땜 분말과 플럭스가 반응하기 때문이라고 생각된다. 그리고, 특허문헌 1의 표 1 실시예 4와 비교예 2의 결과를 비교하면, As 함유량이 100 질량 ppm를 넘는 것이 점도 상승률이 낮은 결과를 나타내고 있다. 이것들을 감안하면, 페이스트의 경시 변화를 억제하는 효과(이하, 적절히, 「증점 억제 효과」라고 칭한다.)에 주목했을 경우, As 함유량을 추가로 증가시켜도 된다고 생각된다. 단지, As 함유량을 증가했을 경우, As 함유량에 수반하여 증점 억제 효과가 조금 증가하지만, As 함유량이 증가한 만큼에 따른 증점 억제 효과를 얻을 수 것은 아니다. 이것은, 납땜 합금의 표면에 농화하는 As량에는 한도가 있고, As를 소정량 이상 함유했다고 해도 증점 억제 효과가 발휘되기 어려운 납땜 합금 내부의 As량이 많아지기 때문이라고 생각된다. 또한, As 함유량이 너무 많으면, 납땜 합금이 젖음성이 악화되는 것이 확인되었다.
여기서, 본 발명자들은, 종래로는 As 함유량이 적고 증점 억제 효과가 발휘되지 않는 범위까지 As 함유량의 범위를 넓힌 다음, As 외에 증점 억제 효과가 발휘되는 원소를 첨가할 필요가 있는 것에 생각이 미쳐, 여러 가지의 원소를 조사했다. 그 결과, 우연히도, Sb, Bi 및 Pb가 As와 마찬가지의 효과를 발휘하는 지견을 얻을 수 있었다. 이 이유는 확실함은 않지만, 이하와 같이 추측된다.
증점 억제 효과는 플럭스와의 반응을 억제함으로써 발휘되는 것으로부터, 플럭스와의 반응성이 낮은 원소로서, 이온화 경향이 낮은 원소를 들 수 있다. 일반적으로, 합금의 이온화는, 합금 조성으로서의 이온화 경향, 즉 표준 전극 전위로 생각한다. 예를 들면, Sn에 비하여 귀(貴)한 Ag를 포함하는 SnAg 합금은 Sn 보다도 이온화하기 어렵다. 이 때문에, Sn 보다도 귀한 원소를 함유하는 합금은 이온화하기 어렵게 되어, 납땜 페이스트의 증점 억제 효과가 높다고 추측된다.
여기서, 특허문헌 1에서는, Sn, Ag, Cu 외에, Bi, Sb, Zn, 및 In이 등가인 원소로서 게재하고 있지만, 이온화 경향으로서는, 이들 원소 중에서 Zn이 가장 비(卑)한 원소이며, Sn보다 비한 원소이다. 즉, 특허문헌 1에는 비한 원소인 Zn을 첨가해도 증점 억제 효과를 얻을 수 있는 것이 기재되어 있게 된다. 이 때문에, 이온화 경향에 준거하여 선정된 원소를 함유하는 납땜 합금은, 특허문헌 1에 기재된 납땜 합금과 비교하여 동등 이상의 증점 억제 효과를 얻을 수 있다고 생각할 수 있다. 또한, 전술과 같이, As 함유량이 증가하면 젖음성이 열화해 버린다.
본 발명자들은, 증점 억제 효과를 발휘하는 Bi 및 Pb에 대해 상세하게 조사했다. Bi 및 Pb는 납땜 합금의 액상선 온도를 내리기 때문에, 납땜 합금의 가열 온도가 일정한 경우, 납땜 합금의 젖음성을 향상시킨다. 단지, 함유량에 따라서는 고상선 온도가 현저하게 저하하기 때문에, 액상선 온도와 고상선 온도의 온도차인 △T가 너무 넓어진다. △T가 너무 넓어지면 응고시에 편석이 생겨 버려, 기계적 강도 등의 기계적 특성의 저하로 연결되어 버린다. △T가 넓어지는 현상은, Bi 및 Pb를 동시에 첨가했을 경우에 현저하게 나타나는 것부터, 엄밀한 관리가 필요한 것도 지견했다.
추가로, 본 발명자들은, 납땜 합금의 젖음성을 향상시키기 위해, Bi 함유량 및 Pb 함유량을 재조사했지만, 이들 원소의 함유량이 증가하면 △T가 넓어졌다. 여기서, 본 발명자들은, 이온화 경향이 Sn에 비하여 귀한 원소인 것이면서 납땜 합금의 젖음성을 개선하는 원소로서 Sb를 선택하고 Sb 함유량의 허용 범위를 정한 다음, Sb를 포함하는 As, Bi, Pb, 및 Sb의 각각의 함유량에 관한 관계를 상세하게 조사했다. 그 결과, 우연히도, 이들 원소의 함유량이 소정의 관계식을 만족시키는 경우, 뛰어난 증점 억제 효과, 젖음성, 및 △T의 협착화의 모두에 있어 실용상 문제없는 정도인 지견을 얻어, 본 발명을 완성할 수 있었다.
이들 지견에 의해 얻어진 본 발명은 다음과 같다.
(1) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0~10000 질량 ppm 및 Pb: 0~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(2) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(3) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(4) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(5) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(6) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(7) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(8) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(9) As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(10) 추가로, 합금 조성은 Ni: 0~600 질량 ppm를 함유하는, 상기 (1)~상기 (9)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
(11) 추가로, 합금 조성은 Fe: 0~100 질량 ppm를 함유하는, 상기 (1)~상기 (9)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
(12) 추가로, 합금 조성은 In: 0~1200 질량 ppm를 함유하는, 상기 (1)~상기 (9)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
(13) 추가로, 합금 조성은, Ni: 0~600 질량 ppm, Fe: 0~100 질량 ppm, 및 In: 0~1200 질량 ppm의 적어도 2종을 함유하고, 하기 (4) 식을 만족시키는, 상기 (1)~상기 (9)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
0≤Ni+Fe≤680 (4)
(4) 식 중, Ni 및 Fe는 각각 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다.
(14) 추가로, 합금 조성은, Ni: 0~600 질량 ppm 및 Fe: 0~100 질량 ppm를 함유하고, 하기 (3) 식 및 하기 (4) 식을 만족시키는, 상기 (1)~상기 (9)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
0≤Ni/Fe≤50 (3)
0≤Ni+Fe≤680 (4)
상기 (3) 식 및 (4) 식 중, Ni 및 Fe는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(15) 추가로, 합금 조성은 (1a) 식을 만족시키는, 상기 (1)~상기 (14)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb≤18214 (1a)
(1a) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(16) 추가로, 합금 조성은 (2a) 식을 만족시키는, 상기 (1)~상기 (15)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤158.5 (2a)
(2a) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.
(17) 추가로, 합금 조성은, Ag: 0~4 질량% 및 Cu: 0~0.9 질량%의 적어도 1종을 함유하는, 상기 (1)~상기 (16)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금.
(18) 상기 (1)~상기 (17)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금으로 이루어지는 납땜 분말.
(19) 상기 (1)~상기 (17)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금(상기 (1)~상기 (17)의 어느 1항에 기재된 납땜 합금 이외의 납땜 합금을 포함하지 않는다.)으로 구성되는 납땜 조인트.
본 발명을 이하에 의해 자세하게 설명한다. 본 명세서에 있어서, 납땜 합금 조성에 관한 「ppm」은, 특별히 지정하지 않는 한 「질량 ppm」이다. 「%」는, 특별히 지정하지 않는 한 「질량%」이다.
1. 합금 조성
(1) As: 10 ppm 이상 40 ppm 미만
As는, 납땜 페이스트의 점도의 경시 변화를 억제할 수 있는 원소이다. As는, 플럭스와의 반응성이 낮고, 또한 Sn에 비하여 귀한 원소이기 때문에 증점 억제 효과를 발휘할 수 있다고 추측된다. As가 10 ppm 미만이면, 증점 억제 효과를 충분히 발휘할 수 없다. As 함유량의 하한은 10 ppm 이상이며, 바람직하게는 14 ppm 이상이다. 한편, As가 너무 많으면 플럭스의 활성에 따라서는 납땜 합금의 젖음성이 열화한다. As 함유량의 상한은 40 ppm 미만이며, 바람직하게는 38 ppm 이하이며, 보다 바람직하게는 25 ppm 미만이며, 더욱 바람직하게는 24 ppm 이하이며, 특히 바람직하게는 18 ppm 이하이다.
(2) Bi: 0~10000 ppm, Pb: 0~5100 ppm, 및 Sb: 0~3000 ppm의 적어도 1종
Sb는, 플럭스와의 반응성이 낮고 증점 억제 효과를 나타내는 원소이다. 본 발명에 따른 납땜 합금이 Sb를 함유하는 경우, Sb 함유량의 하한은 0 ppm 이상이며, 0 ppm 초과이어도 되고, 50 ppm 이상이어도 된다. 또한, Sb 함유량은, 바람직하게는 82 ppm 이상이며, 보다 바람직하게는 123 ppm 이상이며, 더욱 바람직하게는 150 ppm 이상이다. 한편, Sb 함유량이 너무 많으면, 젖음성이 열화하기 때문에, 적당한 함유량으로 할 필요가 있다. Sb 함유량의 상한은 3000 ppm 이하이며, 바람직하게는 1000 ppm 이하이며, 보다 바람직하게는 700 ppm 이하이며, 더욱 바람직하게는 300 ppm 이하이다.
Bi 및 Pb는, Sb와 같이, 플럭스와의 반응성이 낮고 증점 억제 효과를 나타내는 원소이다. 또한, Bi 및 Pb는, 납땜 합금의 액상선 온도를 내리면서 용융 납땜의 점성을 저감시키기 때문에, As에 의한 젖음성의 열화를 억제할 수 있는 원소이다.
Sb, Bi 및 Pb의 적어도 1종이 존재하면, As에 의한 젖음성의 열화를 억제할 수 있다. 본 발명에 따른 납땜 합금이 Bi를 함유하는 경우, Bi 함유량의 하한은 0 ppm 이상이며, 0 ppm 초과이어도 되고, 50 ppm 이상이어도 된다. Bi 함유량은 바람직하게는 82 ppm 이상이며, 보다 바람직하게는 123 ppm 이상이며, 더욱 바람직하게는 150 ppm 이상이다. 본 발명에 따른 납땜 합금이 Pb를 함유하는 경우, Pb 함유량의 하한은 0 ppm 이상이며, 0 ppm 초과이어도 되고, 50 ppm 이상이어도 된다. Pb 함유량은 바람직하게는 82 ppm 이상이며, 보다 바람직하게는 123 ppm 이상이며, 더욱 바람직하게는 150 ppm 이상이며, 가장 바람직하게는 250 ppm 이상이다.
한편, 이들 원소의 함유량이 너무 많으면, 고상선 온도가 현저하게 저하하기 때문에, 액상선 온도와 고상선 온도의 온도차인 △T가 너무 넓어진다. △T가 너무 넓으면, 용융 납땜의 응고 과정에 있어서, Bi나 Pb의 함유량이 적은 고융점의 결정상이 석출하기 때문에 액상의 Bi나 Pb가 농축된다. 그 후, 추가로 용융 납땜의 온도가 저하하면, Bi나 Pb의 농도가 높은 저융점의 결정상이 편석해 버린다. 이 때문에, 납땜 합금의 기계적 강도 등이 열화하여, 신뢰성이 뒤떨어지게 된다. 특히, Bi농도가 높은 결정상은 딱딱하고 부서기 쉽기 때문에, 납땜 합금 중에서 편석하면 신뢰성이 현저하게 저하한다.
이러한 관점으로부터, 본 발명에 따른 납땜 합금이 Bi를 함유하는 경우, Bi 함유량의 상한은 10000 ppm 이하이며, 바람직하게는 5000 ppm 이하이며, 보다 바람직하게는 1000 ppm 이하이며, 더욱 바람직하게는 300 ppm 이하이다. 본 발명에 따른 납땜 합금이 Pb를 함유하는 경우, Pb 함유량의 상한은 5100 ppm 이하이며, 바람직하게는 5000 ppm 이하이며, 보다 바람직하게는 1000 ppm 이하이며, 더욱 바람직하게는 500 ppm 이하이며, 특히 바람직하게는 350 ppm 이하이며, 가장 바람직하게는 300 ppm 이하이다.
(3) (1) 식
본 발명에 따른 납땜 합금은, 하기 (1) 식을 만족시킬 필요가 있다.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
상기 (1) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다.
As, Sb, Bi 및 Pb는, 모두 증점 억제 효과를 나타내는 원소이다. (1) 식은 300 이상일 필요가 있다. (1) 식 중, As 함유량을 3배로 한 것은, Sb, Bi 및 Pb의 적어도 1종을 함유하는 경우에 As 함유량이 이들의 함유량보다 적고, 또한, As가 Sb나 Bi나 Pb와 비교하여 증점 억제 효과가 높기 때문이다.
(1) 식이 300 미만이면, 증점 억제 효과가 충분히 발휘되지 않는다. (1) 식의 하한은 300 이상이며, 바람직하게는 318 이상이며, 보다 바람직하게는 360 이상이며, 더욱 바람직하게는 392 이상이며, 특히 바람직하게는 464 이상이며, 가장 바람직하게는 714 이상이다. 한편, (1)의 상한은, 증점 억제 효과의 관점에서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, △T를 적합한 범위로 하는 관점으로부터, 바람직하게는 18214 이하이며, 보다 바람직하게는 15130 이하이며, 더욱 바람직하게는 11030 이하이며, 특히 바람직하게는 6214 이하이다.
덧붙여, As 함유량의 상한은 40 ppm 미만이기 때문에, 본 발명에 따른 납땜 합금은, Sb, Bi, 및 Pb의 적어도 1종을 합계로 180 ppm보다 많이 함유하게 된다. 이와 같이, 본 발명에서는 As 함유량이 적은 것이지만, Sb, Bi 및 Pb의 함유량이 넉넉하게 설정되어 있어, 충분한 증점 억제 효과가 발휘된다. Sb, Bi 및 Pb의 모두를 함유하지 않는 경우에는, 납땜 페이스트의 점도가 곧바로 증가해 버린다.
상기 바람직한 태양 중에서 상한을 적절히 선택한 것이, 하기 (1a) 식이다.
300≤3As+Sb+Bi+Pb≤18214 (1a)
상기 (1a) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다.
(4) (2) 식
본 발명에 따른 납땜 합금은, 하기 (2) 식을 만족시킬 필요가 있다.
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다.
As 및 Sb는 함유량이 많으면 납땜 합금의 젖음성이 열화한다. 한편, Bi 및 Pb는, As를 함유하는 것에 의한 젖음성의 열화를 억제하지만, 함유량이 너무 많으면 △T가 넓어지기 때문에, 엄밀한 관리가 필요하다. 특히, Bi 및 Pb를 동시에 함유하는 합금 조성에서는, △T가 넓어지기 쉽다. 즉, Bi 및 Pb의 함유량을 증가시켜 과도하게 젖음성을 향상시키려고 하면 △T가 넓어져 버린다. 한편, As나 Sb의 함유량을 증가시켜 증점 억제 효과를 향상시키려고 하면 젖음성이 열화해 버린다. 여기서, 본 발명에서는, As 및 Sb의 그룹, Bi 및 Pb의 그룹으로 나누고, 양 그룹의 합계량이 적정한 소정의 범위 내인 경우에, 증점 억제 효과, △T의 협착화, 및 젖음성의 모두가 동시에 만족하는 것이다.
(2) 식이 0.1 미만이면, Bi 및 Pb의 함유량의 합계가 As 및 Sb의 함유량의 합계와 비교하여 상대적으로 많아지기 때문에, △T가 넓어져 버린다. (2) 식의 하한은 0.1 이상이며, 바람직하게는 0.2 이상이며, 보다 바람직하게는 0.3 이상이며, 더욱 바람직하게는 0.5 이상이며, 특히 바람직하게는 0.8 이상이며, 가장 바람직하게는 10.3 이상이다. 한편, (2) 식이 200을 넘으면, As 및 Sb의 함유량의 합계가 Bi 및 Pb의 함유량의 합계보다 상대적으로 많아지기 때문에, 젖음성이 열화해 버린다. (2)의 상한은 200 이하이며, 바람직하게는 192.7 이하이며, 보다 바람직하게는 158.5 이하이며, 더욱 바람직하게는 143.9 이하이며, 보다 더욱 바람직하게는 102.0 이하이며, 특히 바람직하게는 96.0 이하이다.
덧붙여, (2) 식의 분모는 「Bi+Pb」이며, 이들을 함유하지 않으면 (2) 식이 성립하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 납땜 합금은, Bi 및 Pb의 적어도 1종을 반드시 함유하게 된다. Bi 및 Pb를 함유하지 않는 합금 조성은, 전술과 같이, 젖음성이 뒤떨어진다.
상기 바람직한 태양 중에서 상한을 적절히 선택한 것이, 하기 (2a) 식이다.
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤158.5 (2a)
(2a) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다.
(5) Ni: 0~600 ppm, Fe: 0~100 ppm
Fe와 Ni는, 금속간 화합물의 성장을 억제할 수 있는 임의 원소이다. Ni는, 본 발명에 따른 납땜 합금이 Cu전극을 접합하는 경우나 후술하듯이 Cu를 함유하는 경우에는, 접합 계면에 형성되는 Cu6Sn5층을(Cu, Ni)6Sn5층으로 하여 금속간 화합물층의 막 두께를 얇게 할 수 있다. 또한, Fe는 용융 납땜의 응고시에 결정핵의 생성을 촉진하여, Cu6Sn5, Cu3Sn, Ag3Sn 등의 금속간 화합물상의 성장을 억제할 수 있다.
이들 원소의 함유량이 소정의 범위 내이면, 액상선 온도가 너무 상승하지 않고 △T가 허용 범위에 들어가, 높은 기계적 특성을 유지할 수 있다. 본 발명에 따른 납땜 합금이 Ni를 함유하는 경우에는, Ni 함유량의 상한은 바람직하게는 600 ppm 이하이며, 보다 바람직하게는 500 ppm 이하이며, 더욱 바람직하게는 100 ppm 이하이며, 특히 바람직하게는 50 ppm 이하이다. 본 발명에 따른 납땜 합금이 Fe를 함유하는 경우에는, Fe 함유량의 상한은 바람직하게는 100 ppm 이하이며, 보다 바람직하게는 80 ppm 이하이며, 더욱 바람직하게는 50 ppm 이하이다.
Ni와 Fe의 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 금속간 화합물의 성장을 억제하는 효과가 충분히 발휘되기 위해, Ni 함유량의 하한은 바람직하게는 10 ppm 이상이며, 보다 바람직하게는 40 ppm 이상이다. Fe 함유량의 하한은 바람직하게는 10 ppm 이상이며, 보다 바람직하게는 20 ppm 이상이다.
(6) In: 0~1200 ppm
In은 Sn의 고용강화형 원소체이기 때문에 높은 기계적 특성을 유지할 수 있는 임의 원소이다. In 함유량이 소정의 범위 내이면, △T가 허용 범위에 들어가, 높은 기계적 특성을 유지할 수 있다. 본 발명에 따른 납땜 합금이 In을 함유하는 경우에는, In 함유량의 상한은 바람직하게는 1200 ppm 이하이며, 보다 바람직하게는 100 ppm 이하이다. In 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 충분히 고용체가 형성되도록 하기 위해서, In 함유량의 하한은 바람직하게는 20 ppm 이상이며, 보다 바람직하게는 30 ppm 이상이며, 더욱 바람직하게는 50 ppm 이상이다.
(7) Ni: 0~600 ppm, Fe: 0~100 ppm, 및 In: 0~1200 질량 ppm의 적어도 2종
Ni, Fe, 및 In은, 각각의 함유량이 소정의 범위 내이면 △T가 허용 범위에 들어가기 쉽고, 높은 기계적 특성을 유지할 수 있다. 본 발명에서는, 이들 중에서 적어도 2종 이상을 소정의 범위 내로 함유해도 되고, 3종을 동시에 함유해도 된다.
(8) Ni: 0~600 ppm 및 Fe: 0~100 ppm, 및 (3) 식
본 발명에 따른 납땜 합금은, Ni 및 Fe를 소정량 함유하면서 하기 (3) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.
0≤Ni/Fe≤50 (3)
(3) 식 중, Ni 및 Fe는 각각 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다.
Fe와 Ni는 금속간 화합물의 성장을 억제할 수 있지만, Ni는 접합 계면의 금속간 화합물층의 성장을 억제하고, Fe는 납땜 합금 중의 금속간 화합물상의 성장을 억제할 수 있다. 납땜 조인트 전체로 하여 금속간 화합물의 성장이 억제되도록 하기 위해, 양 원소의 함유량은 어느 정도의 밸런스를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 납땜 합금은, Ni 및 Fe를 소정량 함유한 다음, (3) 식을 만족시키는 것이 바람직하다. 이러한 효과를 발휘하기 위해, (3) 식의 하한은 바람직하게는 0 이상이며, 보다 바람직하게는 0.1 이상이며, 더욱 바람직하게는 2 이상이며, 특히 바람직하게는 7.5 이상이다. (3) 식의 상한은 바람직하게는 50 이하이며, 보다 바람직하게는 10 이하이며, 더욱 바람직하게는 8.0 이하이다.
본 발명에 따른 납땜 합금은, 금속간 화합물의 성장을 억제하면서 액상선 온도가 너무 상승하지 않고 △T가 허용 범위에 들어가, 높은 기계적 특성을 유지하기 위해, 추가로 하기 (4) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.
0≤Ni+Fe≤680 (4)
(4) 식 중, Ni 및 Fe는 각각 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다.
금속간 화합물의 성장이 억제되도록 하기 위해, (4) 식의 하한은 바람직하게는 0 이상이며, 보다 바람직하게는 20 이상이며, 더욱 바람직하게는 40 이상이며, 특히 바람직하게는 50 이상이며, 가장 바람직하게는 60 이상이다. 또한, 액상선 온도가 너무 상승하지 않게 하기 위해, (4) 식의 상한은 바람직하게는 680 이하이며, 보다 바람직하게는 500 이하이며, 더욱 바람직하게는 200 이하이며, 특히 바람직하게는 150 이하이며, 가장 바람직하게는 110 이하이다.
(9) Ag: 0~4% 및 Cu: 0~0.9%의 적어도 1종
Ag는, 결정 계면에 Ag3Sn을 형성하여 납땜 합금의 기계적 강도 등을 향상시킬 수 있는 임의 원소이다. 또한, Ag는 이온화 경향이 Sn에 비하여 귀한 원소이며, As, Sb, Pb, 및 Bi와 공존함으로써 이들의 증점 억제 효과를 조장한다. Ag 함유량의 하한은 바람직하게는 0% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.5% 이상이며, 더욱 바람직하게는 1.0% 이상이다. Ag 함유량의 상한은 바람직하게는 4% 이하이며, 보다 바람직하게는 3.5% 이하이며, 더욱 바람직하게는 3.0% 이하이다.
Cu는, 납땜 조인트의 접합 강도를 향상시킬 수 있는 임의 원소이다. 또한, Cu는 이온화 경향이 Sn에 비하여 귀한 원소이며, As, Pb, 및 Bi와 공존함으로써 이들의 증점 억제 효과를 조장한다. Cu 함유량의 하한은 바람직하게는 0% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.1% 이상이며, 더욱 바람직하게는 0.2% 이상이다. Cu 함유량의 상한은 바람직하게는 0.9% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.8% 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.7% 이하이다.
(10) 잔부: Sn
본 발명에 따른 납땜 합금의 잔부는 Sn이다. 전술의 원소 외에 불가피적 불순물을 함유해도 된다. 불가피적 불순물을 함유하는 경우이어도, 전술의 효과에 영향하는 것은 아니다.
2. 납땜 분말
본 발명에 따른 납땜 분말은, 후술하는 납땜 페이스트에 사용되고, 구상 분말인 것이 바람직하다. 구상 분말인 것에 의해 납땜 합금의 유동성이 향상한다. 본 발명에 따른 납땜 분말은, JIS Z 3284-1:2014에 있어서의 분말 사이즈의 분류(표 2)에 있어서 기호 1~8을 만족시키는 사이즈(입도 분포)를 만족시키고 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 기호 4~8을 만족시키는 사이즈(입도 분포)이며, 더욱 바람직하게는 기호 5~8을 만족시키는 사이즈(입도 분포)이다. 입경이 이 조건을 만족시키면, 분말의 표면적이 너무 크지 않고 점도의 상승이 억제되고, 또한, 미세 분말의 응집이 억제되어 점도의 상승이 억제되는 일이 있다. 이 때문에, 보다 미세한 부품에의 납땜 부착이 가능해진다.
납땜 분말의 진구도는 0.90 이상이 바람직하고, 0.95 이상이 보다 바람직하고, 0.99 이상이 가장 바람직하다. 본 발명에 있어서, 구상 분말의 진구도는, 최소 영역 중심법(MZC법)을 이용하는 CNC 화상 측정 시스템(미츠토요사 제의 울트라 퀵 비전 ULTRA QV350-PRO 측정 장치)를 사용하여 측정한다. 본 발명에 있어서, 진구도란 진구로부터의 차이를 나타내고, 예를 들면 500개의 각 볼의 직경을 장경으로 나누었을 때에 산출되는 산술 평균치이며, 값이 상한인 1.00에 가까울수록 진구에 가까운 것을 나타낸다.
3. 납땜 페이스트
납땜 페이스트는, 전술의 납땜 분말, 및 플럭스를 함유한다.
(1) 플럭스의 성분
납땜 페이스트에 사용되는 플럭스는, 유기산, 아민, 아민 할로겐화 수소산염, 유기 할로겐 화합물, 칙소제, 로진, 용제, 계면활성제, 베이스제, 고분자 화합물, 실란 조인트제, 착색제의 어느 하나, 또는 2개 이상의 조합으로 구성된다.
유기산으로서는, 숙신산, 글루타르산, 아디핀산, 피메린산, 스베린산, 아제라인산, 세바신산, 다이마산, 프로피온산, 2,2-비스히드록시메틸 프로피온산, 주석산, 사과산, 글리콜산, 디글리콜산, 티오글리콜산, 디티오글리콜산, 스테아린산, 12-히드록시 스테아린산, 팔미틴산, 올레인산 등을 들 수 있다. 납땜 분말이 In을 함유하는 경우에는, 필요에 따라서, 유기산으로 숙신산, 아디핀산, 아제라인산을 선택해도 된다.
아민으로서는, 에틸아민, 트리에틸아민, 에틸렌 디아민, 트리에틸렌테트라민, 2-메틸 이미다졸, 2-운데실 이미다졸, 2-헵타데실 이미다졸, 1,2-디메틸 이미다졸, 2-에틸-4-메틸 이미다졸, 2-페닐 이미다졸, 2-페닐-4-메틸 이미다졸, 1-벤질-2-메틸 이미다졸, 1-벤질-2-페닐 이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸 이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실 이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸 이미다졸, 1-시아노에틸-2-페닐 이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실 이미다졸리움 트리멜리테이트, 1-시아노에틸-2-페닐 이미다졸리움 트리멜리테이트, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸일-(1´)]-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-운데실이미다졸일-(1´)]-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-에틸-4'-메틸이미다졸일-(1´)]-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸일-(1´)]-에틸-s-트리아진이소시아누르산 부가물, 2-페닐이미다졸 이소시아누르산 부가물, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸 이미다졸, 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸 이미다졸, 2,3-디히드로-1H-피롤로[1,2-a]벤즈 이미다졸, 1-도데실-2-메틸-3-벤질 이미다졸리움 클로라이드, 2-메틸 이미다졸린, 2-페닐 이미다졸린, 2,4-디아미노-6-비닐-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-비닐-s-트리아진 이소시아누르산 부가물, 2,4-디아미노-6-메타크릴로일옥시에틸-s-트리아진, 에폭시-이미다졸 어덕트, 2-메틸벤조이미다졸, 2-옥틸벤조이미다졸, 2-펜틸벤조이미다졸, 2-(1-에틸펜틸) 벤조이미다졸, 2-노닐벤조이미다졸, 2-(4-티아졸일) 벤조이미다졸, 벤조이미다졸, 2-(2'-히드록시-5'-메틸 페닐) 벤조트리아졸, 2-(2'-히드록시-3´-tert-부틸-5'-메틸페닐)-5-클로로벤조트리아졸, 2-(2'-히드록시-3´,5'-디-tert-아밀 페닐) 벤조트리아졸, 2-(2'-히드록시-5´-tert-옥틸페닐) 벤조트리아졸, 2, 2'-메틸렌비스[6-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-tert-옥틸페놀], 6-(2-벤조트리아졸일)-4-tert-옥틸-6´-tert-부틸-4'-메틸-2,2'-메틸렌 비스페놀, 1,2,3-벤조트리아졸, 1-[N,N-비스(2-에틸헥실) 아미노메틸]벤조트리아졸, 카르복시벤조트리아졸, 1-[N,N-비스(2-에틸헥실) 아미노메틸]메틸벤조트리아졸, 2,2´-[[(메틸-1H-벤조트리아졸-1-일) 메틸]이미노]비스에탄올, 1-(1´,2'-디카르복시에틸) 벤조트리아졸, 1-(2,3-디카르복시프로필) 벤조트리아졸, 1-[(2-에틸헥실아미노) 메틸]벤조트리아졸, 2,6-비스[(1H-벤조트리아졸-1-일) 메틸]-4-메틸페놀, 5-메틸벤조트리아졸 등을 들 수 있다.
아민 할로겐화 수소산염은, 아민과 할로겐화 수소를 반응시킨 화합물이며, 아민으로서는, 에틸아민, 에틸렌 디아민, 트리에틸아민, 디페닐구아니딘, 디톨일구아니딘, 메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸 이미다졸 등을 들 수 있고, 할로겐화 수소로서는, 염소, 브롬, 요오드의 수소화물을 들 수 있다.
유기 할로겐 화합물로서는, trans-2,3-디브로모-2-부텐-1,4-디올, 트리아릴 이소시아누레이트 6브롬화물, 1-브로모-2-부탄올, 1-브로모-2-프로판올, 3-브로모-1-프로판올, 3-브로모-1,2-프로판디올, 1,4-디브로모-2-부탄올, 1,3-디브로모-2-프로판올, 2,3-디브로모-1-프로판올, 2,3-디브로모-1,4-부탄디올, 2,3-디브로모-2-부텐-1,4-디올 등을 들 수 있다.
칙소제로서는, 왁스계 칙소제, 아마이드계 칙소제, 소르비톨계 칙소제 등을 들 수 있다. 왁스계 칙소제로서는 예를 들면 피마자 경화유 등을 들 수 있다. 아마이드계 칙소제로서는, 모노아마이드계 칙소제, 비스아마이드계 칙소제, 폴리아마이드계 칙소제를 들 수 있고, 구체적으로는, 라우린산 아마이드, 팔미트산 아마이드, 스테아르산 아마이드, 베헨산 아마이드, 히드록시스테아르산 아마이드, 포화 지방산 아마이드, 올레인산 아마이드, 에루크산 아마이드, 불포화 지방산 아마이드, p-톨루엔메탄 아마이드, 방향족 아마이드, 메틸렌 비스스테아르산 아마이드, 에틸렌 비스라우린산 아마이드, 에틸렌 비스히드록시스테아르산 아마이드, 포화 지방산 비스아마이드, 메틸렌 비스올레인산 아마이드, 불포화 지방산 비스아마이드, m-크실렌 비스스테아르산 아마이드, 방향족 비스아마이드, 포화 지방산 폴리아마이드, 불포화 지방산 폴리아마이드, 방향족 폴리아마이드, 치환 아마이드, 메틸올 스테아르산 아마이드, 메틸올 아마이드, 지방산 에스테르 아마이드 등을 들 수 있다. 소르비톨계 칙소제로서는, 디벤질리덴-D-소르비톨, 비스(4-메틸벤질리덴)-D-소르비톨 등을 들 수 있다.
베이스제로서는, 비이온계 계면활성제, 약(弱) 양이온계 계면활성제, 로진 등을 들 수 있다.
비이온계 계면활성제로서는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체, 지방족 알코올 폴리옥시에틸렌 부가체, 방향족 알코올 폴리옥시에틸렌 부가체, 다가 알코올 폴리옥시에틸렌 부가체 등을 들 수 있다.
약 양이온계 계면활성제로서는, 말단 디아민 폴리에틸렌글리콜, 말단 디아민 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체, 지방족 아민 폴리옥시에틸렌 부가체, 방향족 아민 폴리옥시에틸렌 부가체, 다가 아민 폴리옥시에틸렌 부가체를 들 수 있다.
로진으로서는, 예를 들면, 껌 로진, 우드 로진 및 톨유 로진 등의 원료 로진, 및 상기 원료 로진으로부터 얻을 수 있는 유도체를 들 수 있다. 상기 유도체로서는, 예를 들면, 정제 로진, 수첨 로진, 불균화 로진, 중합 로진 및α,β불포화 카르복시산 변성물(아크릴화 로진, 말레인화 로진, 푸마르화 로진 등), 및 상기 중합 로진의 정제물, 수소화물 및 불균화물, 및 상기 α,β불포화 카르복시산 변성물의 정제물, 수소화물 및 불균화물 등을 들 수 있고, 2종 이상을 사용할 수 있다. 또한, 로진계 수지에 가하여, 테르펜 수지, 변성 테르펜 수지, 테르펜페놀수지, 변성 테르펜페놀수지, 스티렌 수지, 변성 스티렌 수지, 크실렌 수지, 변성 크실렌 수지로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 수지를 추가로 포함할 수 있다. 변성 테르펜 수지로서는, 방향족 변성 테르펜 수지, 수첨 테르펜 수지, 수첨 방향족 변성 테르펜 수지 등을 사용할 수 있다. 변성 테르펜페놀 수지로서는, 수첨 테르펜페놀 수지 등을 사용할 수 있다. 변성 스티렌 수지로서는, 스티렌 아크릴 수지, 스티렌 말레인산 수지 등을 사용할 수 있다. 변성 크실렌 수지로서는, 페놀 변성 크실렌 수지, 알킬 페놀 변성 크실렌 수지, 페놀 변성 레조르형 크실렌 수지, 폴리올 변성 크실렌 수지, 폴리옥시 에틸렌 부가 크실렌 수지 등을 들 수 있다.
용제로서는, 물, 알코올계 용제, 글리콜에테르계 용제, 테르피네올류 등을 들 수 있다. 알코올계 용제로서는 이소프로필알코올, 1,2-부탄디올, 이소보닐 시클로헥산올, 2,4-디에틸-1,5-펜탄디올, 2,2-디메틸-1,3-프로판디올, 2,5-디메틸-2,5-헥산디올, 2,5-디메틸-3-헥신-2,5-디올, 2,3-디메틸-2,3-부탄디올, 1,1,1-트리스(히드록시메틸) 에탄, 2-에틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올, 2,2'-옥시 비스(메틸렌) 비스(2-에틸-1,3-프로판디올), 2,2-비스(히드록시메틸)-1,3-프로판디올, 1,2,6-트리히드록시헥산, 비스[2,2,2-트리스(히드록시메틸) 에틸]에테르, 1-에티닐-1-시클로헥산올, 1,4-시클로헥산디올, 1,4-시클로헥산디메탄올, 에리트리톨, 트레이톨, 구아야콜 글리세롤 에테르, 3,6-디메틸-4-옥틸-3,6-디올, 2,4,7,9-테트라메틸-5-데실-4,7-디올 등을 들 수 있다. 글리콜에테르계 용제로서는, 디에틸렌글리콜 모노-2-에틸 헥실 에테르, 에틸렌글리콜 모노페닐 에테르, 2-메틸펜탄-2,4-디올, 디에틸렌글리콜 모노헥실 에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸 에테르, 트리에틸렌글리콜 모노부틸 에테르 등을 들 수 있다.
계면활성제로서는, 폴리옥시알킬렌 아세틸렌글리콜류, 폴리옥시알킬렌 글리세릴 에테르, 폴리옥시알킬렌 알킬 에테르, 폴리옥시알킬렌 에스테르, 폴리옥시알킬렌 알킬 아민, 폴리옥시알킬렌 알킬 아미드 등을 들 수 있다.
(2) 플럭스의 함유량
플럭스의 함유량은, 납땜 페이스트의 전질량에 대해서 5~95%인 것이 바람직하고, 5~15%인 것이 보다 바람직하다. 이 범위이면, 납땜 분말에 기인하는 증점 억제 효과가 충분히 발휘된다.
(3) 납땜 페이스트의 제조 방법
본 발명에 따른 납땜 페이스트는, 당업계에서 일반적인 방법에 의해 제조된다. 우선, 납땜 분말의 제조는, 용융시킨 납땜 재료를 적하하여 입자를 얻는 적하법이나 원심 분무하는 분무법, 벌크의 납땜 재료를 분쇄하는 방법 등, 공지의 방법을 채용할 수 있다. 적하법이나 분무법에 있어서, 적하나 분무는, 입자상으로 하기 위해서 불활성 분위기나 용매 중에서 수행하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 각 성분을 가열 혼합하여 플럭스를 조제하고, 플럭스 중에 상기 납땜 분말을 도입하고, 교반, 혼합하여 제조할 수 있다.
4. 납땜 조인트
본 발명에 따른 납땜 조인트는, 반도체 패키지에 있어서의 IC 칩과 그 기판(인터포저)의 접속, 혹은 반도체 패키지와 프린트 배선판의 접속에 사용하는데 적합하다. 여기서, 「납땜 조인트」란 전극의 접속부를 말한다.
5. 그 외
본 발명에 따른 납땜 합금은, 상기와 같이 납땜 분말로서 사용하는 것 외, 와이어상이어도 된다.
본 발명에 따른 납땜 조인트의 제조 방법은 상법에 따라서 수행하면 된다.
본 발명에 따른 납땜 페이스트를 이용한 접합 방법은, 예를 들면 리플로우법을 이용하고 상법에 따라서 수행하면 된다. 플로우 솔더링을 수행하는 경우의 납땜 합금의 용융 온도는 대체로 액상선 온도로부터 20℃ 정도 높은 온도로 된다. 또한, 본 발명에 따른 납땜 합금을 이용하여 접합하는 경우에는, 응고시의 냉각 속도를 고려한 것이 조직의 미세화의 관점으로부터 바람직하다. 예를 들면 2~3℃/s 이상의 냉각 속도로 납땜 조인트를 냉각한다. 이 외의 접합 조건은, 납땜 합금의 합금 조성에 따라 적절히 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 납땜 합금은, 그 원재료로서 저α선량재를 사용함으로써 저α선량 합금을 제조할 수 있다. 이러한 저α선량 합금은, 메모리 주변의 납땜 범프의 형성에 이용되면 소프트 에러를 억제하는 것이 가능해진다.
실시예
본 발명을 이하의 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명이 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
로진이 42 질량부, 글리콜계 용제가 35 질량부, 칙소제가 8 질량부, 유기산이 10 질량부, 아민이 2 질량부, 할로겐이 3 질량부로 조정한 플럭스와, 표 1~표 22에 나타내는 합금 조성으로 이루어지고 JIS Z 3284-1:2014에 있어서의 분말 사이즈의 분류(표 2)에 있어서 기호 4를 만족시키는 사이즈(입도 분포)의 납땜 분말을 혼합하여 납땜 페이스트를 제작했다. 플럭스와 납땜 분말의 질량비는, 플럭스:납땜 분말=11:89이다. 각 납땜 페이스트에 대해서, 점도의 경시 변화를 측정했다. 또한, 납땜 분말의 액상선 온도 및 고상선 온도를 측정했다. 추가로, 제작 직후의 납땜 페이스트를 이용하여 젖음성의 평가를 수행했다. 상세는 이하와 같다.
·경시 변화
제작 직후의 각 납땜 페이스트에 대해서, 주식회사 말콤사 제: PCU-205를 이용하고, 회전수: 10 rpm, 25℃, 대기 중에서 12시간 점도를 측정했다. 12시간 후의 점도가 납땜 페이스트를 제작 후 30분 경과했을 때의 점도와 비교하여 1.2배 이하이면, 충분한 증점 억제 효과를 얻어진 것으로 하여 「○」라고 평가하고, 1.2배를 넘는 경우에는 「Х」라고 평가했다.
·ΔT
플럭스와 혼합하기 전의 납땜 분말에 대해서, 에스아이아이·나노테크놀로지 주식회사 제, 제품번호: EXSTAR DSC7020를 이용하고, 샘플량: 약 30 mg, 승온 속도: 15℃/min에서 DSC 측정을 수행하여, 고상선 온도 및 액상선 온도를 얻었다. 얻어진 액상선 온도로부터 고상선 온도를 빼서 △T를 구했다. △T가 10℃ 이하의 경우에 「○」이라고 평가하고, 10℃를 넘는 경우에 「Х」라고 평가했다.
·젖음성
제작 직후의 각 납땜 페이스트를 Cu판 상에 인쇄하고, 리플로우로에서 N2 분위기 중, 1℃/s의 승온 속도로 25℃에서 260℃까지 가열한 후, 실온까지 냉각했다. 냉각 후의 납땜 범프의 외관을 광학 현미경으로 관찰함으로써 젖음성을 평가했다. 전부 용융되지 못한 납땜 분말이 관찰되지 않는 경우에 「○」라고 평가하고, 전부 용융되지 못한 납땜 분말이 관찰되었을 경우에 「Х」라고 평가했다.
·종합 평가
상기 모든 시험이 「○」의 경우에 「○」로 하고, 적어도 1개의 시험이 「Х」의 경우에 「Х」라고 했다.
평가한 결과를 표 1~22에 나타내다.
표 중, 밑줄은 본 발명의 범위 외인 것을 나타낸다.
표 1~22에 나타내는 바와 같이, 실시예는, 어느 합금 조성에 있어서도 본 발명의 요건을 모두 만족시키기 때문에, 증점 억제 효과, △T의 협착화, 및 뛰어난 젖음성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 한편, 비교예 1~78은, 어느 합금 조성에 있어서도 본 발명의 요건의 적어도 1개를 만족시키지 않기 때문에, 증점 억제 효과, △T의 협착화, 및 뛰어난 젖음성의 적어도 1개가 뒤떨어지는 것을 알 수 있었다.
Claims (19)
- As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0~10000 질량 ppm 및 Pb: 0~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, Bi를 함유하는 경우의 Bi 함유량의 하한은 0 질량 ppm 초과이며, Pb를 함유하는 경우의 Pb 함유량의 하한은 0 질량 ppm 초과이고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 0 질량 ppm 초과 3000 질량 ppm 이하, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 0 질량 ppm 초과 10000 질량 ppm 이하 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 0 질량 ppm 초과 5100 질량 ppm 이하의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - As: 10 질량 ppm 이상 25 질량 ppm 미만, 및 Bi: 50~10000 질량 ppm 및 Pb: 50~5100 질량 ppm의 적어도 1종, 및 Sb: 50~3000 질량 ppm, 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb (1)
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤200 (2)
상기 (1) 식 및 (2) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은 Ni: 0~600 질량 ppm를 함유하는, 납땜 합금. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은 Fe: 0~100 질량 ppm를 함유하는, 납땜 합금. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은 In: 0~1200 질량 ppm를 함유하는, 납땜 합금. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은, Ni: 0~600 질량 ppm, Fe: 0~100 질량 ppm, 및 In: 0~1200 질량 ppm의 적어도 2종을 함유하고, 하기 (4) 식을 만족시키는, 납땜 합금.
0≤Ni+Fe≤680 (4)
(4) 식 중, Ni 및 Fe는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(ppm)을 나타낸다. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은, Ni: 0~600 질량 ppm 및 Fe: 0~100 질량 ppm를 함유하고, 하기 (3) 식 및 하기 (4) 식을 만족시키는, 납땜 합금.
0≤Ni/Fe≤50 (3)
0≤Ni+Fe≤680 (4)
상기 (3) 식 및 (4) 식 중, Ni 및 Fe는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은 하기 (1a) 식을 만족시키는, 납땜 합금.
300≤3As+Sb+Bi+Pb≤18214 (1a)
상기 (1a) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은 하기 (2a) 식을 만족시키는, 납땜 합금.
0.1≤{(3As+Sb)/(Bi+Pb)}×100≤158.5 (2a)
상기 (2a) 식 중, As, Sb, Bi, 및 Pb는 각각 상기 합금 조성에서의 함유량(질량 ppm)을 나타낸다. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
추가로, 상기 합금 조성은, Ag: 0~4 질량% 및 Cu: 0~0.9 질량%의 적어도1종을 함유하는, 납땜 합금. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항의 납땜 합금으로 이루어지는 납땜 분말.
- 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항의 납땜 합금(청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항의 납땜 합금 이외의 납땜 합금을 포함하지 않는다.)으로 구성되는 납땜 조인트.
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