KR102525848B1

KR102525848B1 - 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 땜납 프리폼 및 납땜 이음

Info

Publication number: KR102525848B1
Application number: KR1020220134835A
Authority: KR
Inventors: 요시에 다치바나; 류키 호리에
Original assignee: 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2023-04-26
Also published as: TWI810099B; EP4169660A1; CN116000497A; JP7032687B1; US11858071B2; US20230127584A1; TW202317305A; JP2023062768A; EP4169660B1

Abstract

용융 온도가 소정의 범위 내이며, 인장 강도 및 전단 강도가 높고, 보이드의 발생이 억제되고, 또한 산화 피막이 얇음으로써 실장성이 우수한 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 땜납 프리폼 및 납땜 이음을 제공한다.
땜납 합금은, 질량％로, Ag: 2.5 내지 3.7％, Cu: 0.25 내지 0.95％, Bi: 3.0 내지 3.9％, In: 0.5 내지 2.3％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 상기 합금 조성은 하기 (1)식 및 (2)식을 충족한다.
8.1≤Ag+2Cu+Bi+In≤11.5 (1)
1.00≤(Bi+In)/Ag≤1.66 (2)
상기 (1)식 및 (2)식 중, Ag, Cu, Bi 및 In은, 각각 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.

Description

땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 땜납 프리폼 및 납땜 이음{SOLDER ALLOY, SOLDER PASTE, SOLDER BALL, SOLDER PREFORM, AND SOLDER JOINT}

본 발명은, 신뢰성이 우수한 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 땜납 프리폼 및 납땜 이음에 관한 것이다.

전력 반도체 장치는, 예를 들어, 구리 회로가 형성된 절연 기판(이하, 단순히 「DCB(Direct Copper Bonding)」이라고 칭함)에 복수의 소자나 히트 싱크가 접속된 구조이다. 전력 반도체 장치를 기판에 실장하는 공정은, 절연 기판에 Si 칩 등의 전자 부품을 접합하고, 그 후에 당해 기판으로 시트 싱크를 접합한다. 이와 같이, 전력 반도체 장치의 실장에는, 예를 들어, 전자 부품과 실장 기판의 리플로우 납땜을 1회째 행하고, 히트 싱크의 리플로우 납땜을 2회째 행하는 스텝 솔더링이 채용되어 있다.

스텝 솔더링의 1회째 행하는 납땜에는, 고온 납 프리 땜납 합금으로서, 예를 들어, 융점이 245℃인 Sn-10Sb 땜납 합금이 채용되고 있다. 스텝 솔더링의 2회째 행하는 납땜에는, 1회째 사용하는 땜납 합금의 고상선 온도보다 낮은 용융 온도를 나타내는 합금 조성이 선택된다.

용융 온도가 전술한 고온 납 프리 땜납 합금보다 낮은 합금 조성으로서, 예를 들어, 종래부터 사용되고 있는 Sn-3Ag-0.5Cu를 들 수 있다. 이 땜납 합금을 사용한 리플로 솔더링은, 통상 235 내지 240℃에서 행해지기 때문에 상술한 바와 같은 고온 납 프리 땜납 합금의 융점과의 온도 차가 작다. 이 때문에, 열용량이 큰 부품을 스텝 솔더링의 2회째로 납땜을 행하는 경우에는, 온도 마진의 확보가 어렵다. 또한, Sn-3Ag-0.5Cu는 장기적 신뢰성이 부족하다.

그래서, 예를 들어, 특허문헌 1 내지 3에는, Sn-Ag-Cu 땜납 합금의 신뢰성을 향상시키는 관점에서, Bi 및 In을 함유하는 Sn-Ag-Cu-Bi-In 땜납 합금이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 발명에서는, 히트 사이클 시험 후의 크랙 진전, 고속 전단 강도, 보이드, Cu 침식이 평가되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 발명에서는, 히트 사이클 시험 후의 균열 및 박리, 보이드의 평가가 행해지고 있다. 특허문헌 3에 기재된 발명에서는, 융점, 고온에서의 인장 강도와 신장이 평가되어 있다.

일본 특허 공개 제2019-209350호 일본 특허 공개 제2016-26879호 일본 특허 공개 평10-193169호

특허문헌 1에는, Bi의 함유량이 적으면 균열 진전 억제 효과가 저하되고, Bi의 함유량이 많으면 취성 파괴가 일어나는 것이 기재되어 있다. 그리고, Bi와 아울러 In을 땜납 합금에 첨가함으로써 땜납 합금의 강도가 향상되기는 하지만, In은 산화되기 쉬운 합금 원소이기 때문에 그 함유량이나 다른 합금 원소와의 조합 등에 따라서는 땜납 접합부에 보이드가 발생하는 것도 기재되어 있다. 이러한 관점에서, 특허문헌 1에는, 이들의 문제점을 해결하기 위해, 3질량％ 미만의 Bi와 In을 포함하는 땜납 합금이 개시되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1에는, Sn-3.0Ag-0.7Cu-2.5Bi-2.0In 땜납 합금이 개시되어 있다. 비교예로서, Sn-3.0Ag-0.7Cu-3.0Bi-3.0In 땜납 합금이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, Bi의 함유량이 소정량이면 땜납 접합부의 균열 진전 억제 효과를 향상시키는 것이 기재되어 있다. 또한, 소정량의 In을 함유하면, 납 프리 땜납 합금의 용융 온도가 저하됨과 함께, 기계적 특성 및 균열 진전 억제 효과가 향상되는 것이 기재되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 2에는, Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi-0.25In 땜납 합금이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 1 및 2에는, 땜납 합금의 강도가 향상되는 것이 기재되어 있기는 하지만, 인장 강도에 대해서는 구체적으로 평가가 되어 있지 않다. 이것은, 특허문헌 1 및 2에 기재된 발명에서는, 균열의 진전을 억제하기 위해 어느 정도의 강도가 필요한 것이 추상적으로 설명되어 있는 것에 지나지 않기 때문이다. 또한, 특허문헌 1에는 In에 의한 산화를 억제하는 것이 기재되어 있지만, 이것은 보이드의 발생을 억제하기 위해 산화를 억제한다고 하는 관점에서 기재되어 있는 것에 지나지 않는다. 단, 이 정도의 산화 억제 효과에서는, 보이드의 발생이 억제되면, 땜납 합금의 용융 시 및 응고 후에 어느 정도의 두꺼운 산화 피막이 형성되어도 되게 된다. 두꺼운 산화 피막이 형성되면, 예를 들어, 이러한 땜납 합금이 페이스트에 사용된 경우에는, 플럭스로 제거된 산화물의 잔사가 증가하거나, 습윤성의 열화로 이어지는 경우가 있어, 실장성을 개선하기 위해서는 개선의 여지가 남겨져 있다.

특허문헌 3에는, Sn-Ag 땜납 합금에의 In과 Bi의 복합 첨가, 나아가 Cu를 첨가함으로써, 융점을 낮춤과 함께 우수한 기계적 특성을 부여하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 3에 구체적으로 개시되어 있는 땜납 합금 중에는, 액상선 온도(이하, 적절히, 「용융 온도」라고 칭함)가 높은 것이 포함되어 있고, 스텝 솔더링에는 부적합한 합금 조성이 포함되어 있다. 한편, 용융 온도가 비교적 낮은 합금 조성으로서, Sn-3.0Ag-1.0Cu-3.0Bi-1.0In 땜납 합금 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi-1.0In 땜납 합금이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 3에 기재된 발명에서는, 인장 강도와 습윤성이 평가되어 있기는 하지만, 납땜 이음에 필요한 전단 강도가 평가되어 있지 않고, 또한, 보이드의 발생 억제에 대해서도 평가되어 있지 않다. 이 때문에, 특허문헌 3에 기재된 땜납 합금이어도, 전단 강도가 낮아 보이드가 발생할 가능성이 있으므로, 개선의 여지가 남겨져 있다.

이와 같이, 특허문헌 1 내지 3에 기재된 땜납 합금은, 각각의 과제를 해결할 수 있다고 해도, 예를 들어, 전력 반도체 장치의 실장 시에 있어서의 실정이 고려되어 있지 않으므로, 스텝 솔더링에 있어서의 다양한 과제를 해결할 수 있다고는 말하기 어렵다. 즉, 이들의 문헌에 기재된 발명에서는, 특허문헌 1 내지 3에 개시되어 있는, 원하는 융점, 높은 인장 강도 및 전단 강도, 보이드의 발생 억제 및 산화 피막의 박막화를 동시에 충족할 수는 없다. 상술한 바와 같이, 특허문헌 1 내지 3에 기재된 발명에서는, Bi나 In의 함유량에 착안되어 있기는 하지만, Ag나 Cu에 대해서는 별개로 조제되어 있다. 땜납 합금은, 각 구성 원소가 각각 별도로 기능하는 것은 아니며, 모든 구성 원소가 일체로 되었을 때에 비로소 고유의 효과를 발휘할 수 있다. 이 때문에, 전력 반도체 장치를 실장할 때의 다양한 과제가 동시에 해결되도록, 각 구성 원소가 전체로서 밸런스 좋게 함유될 필요가 있다. 상술한 과제를 모두 동시에 해결할 수 있는 땜납 합금을 제공하기 위해서는, 가일층의 조성 탐색이 불가결하다.

그래서, 본 발명의 과제는, 용융 온도가 소정의 범위 내이며, 인장 강도 및 전단 강도가 높고, 보이드의 발생이 억제되고, 또한 산화 피막이 얇음으로써 실장성이 우수한 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 땜납 프리폼 및 납땜 이음을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 특허문헌에 개시되어 있는 땜납 합금에 있어서, 스텝 솔더링에 적용할 수 있도록 할 필요가 있는 것에 착안하였다. 전술한 바와 같이, Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금의 리플로우 온도는 235 내지 240℃이므로, 열용량이 큰 부품을 사용한 경우에는, 상기 온도역의 고온측에서 리플로우 납땜을 행할 필요가 발생할 수 있다. 이와 같이, Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금에서는 온도 마진의 확보가 어렵다. 그래서, 본 발명자들은, 이러한 온도 마진을 고려하여, 우선은, 용융 온도가 190 내지 220℃로 되도록 각 구성 원소의 함유량을 조사하였다. 이 온도역은, 고온 납 프리 땜납 합금이 2회째의 리플로우 납땜에서 용융되는 일이 없도록, 여유를 가진 온도역이다.

본 발명자들은, 특허문헌 3에 개시되어 있는 바와 같이, 용융 온도가 220℃ 이하를 나타냄과 함께 인장 강도가 높다고 되어 있는 Sn-3.0Ag-1.0Cu-3.0Bi-1.0In 땜납 합금 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi-1.0In 땜납 합금에 있어서, 전단 강도의 향상 및 보이드의 발생 억제를 도모하는 검토를 행하였다. Sn-3.0Ag-1.0Cu-3.0Bi-1.0In 땜납 합금은, Cu의 함유량이 많아 Sn과 Cu의 금속간 화합물이 형성되므로, 인장 강도 및 전단 강도가 저하된다는 지견이 얻어졌다. 또한, Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi-1.0In 땜납 합금은, 각 구성 원소의 함유량으로서는 대폭으로 벗어난 것은 아니지만, 인장 강도가 떨어진다는 지견이 얻어졌다. 이 점으로부터, 각 구성 원소가 소정의 범위라도, 첨가 원소의 밸런스 등에 의해 원하는 효과를 얻지 못한다는 지견도 얻어졌다.

또한, 보이드의 발생이 억제되게 되어 있는 특허문헌 1에 기재된 Sn-3.0Ag-0.7Cu-3.0Bi-3.0In 땜납 합금 및 Sn-3.0Ag-0.7Cu-2.5 Bi-2.0In 땜납 합금, 그리고 특허문헌 2에 기재된 Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi-0.25In 땜납 합금에 대해서도 검토를 행하였다. Sn-3.0Ag-0.7Cu-3.0Bi-3.0In 땜납 합금은, In의 함유량이 많기 때문에 보이드의 발생이 충분히 억제되어 있지 않고, 또한, 산화 피막이 두꺼워진다는 지견이 얻어졌다. Sn-3.0Ag-0.7Cu-2.5Bi-2.0In 땜납 합금은, Bi의 함유량이 적기 때문에 인장 강도가 떨어진다는 지견이 얻어졌다. Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi-0.25In 땜납 합금은, In의 함유량이 적기 때문에 인장 강도가 떨어진다는 지견이 얻어졌다.

이와 같이, 특허문헌 1 내지 3에 기재된 발명에서는, 각각에 있어서, 인장 강도 및 전단 강도의 향상, 보이드의 발생 억제 및 산화 피막의 두께 저감을 동시에 달성할 수 없다는 지견이 얻어졌다. 또한, 상술한 지견에 의해, 각 구성 원소의 함유량이 소정의 범위 내인 것만으로는, 이들을 동시에 달성할 수 없다는 지견도 얻어졌다.

그래서, 전체의 밸런스를 고려하고, 상술한 범위 내에 있어서 각 구성 원소의 함유량을 더욱 상세하게 조사하였다. 그 결과, 각 구성 원소의 함유량이 특정 범위 내임과 함께, Ag, Cu, Bi 및 In이 소정의 관계식을 충족하고, 나아가, Ag, Bi 및 In이 소정의 관계식을 충족함으로써, 비로소, 인장 강도 및 전단 강도의 향상, 보이드의 발생 억제 및 산화 피막의 두께 저감을 동시에 달성할 수 있다는 지견이 얻어져, 본 발명을 완성하였다. 또한, 본 발명에서는, 전력 반도체 장치에 관해서 예시했지만, 이들 효과를 동시에 발휘할 필요가 있는 용도라면, 이것에 한정되는 일은 없다.

이들의 지견에 의해 얻어진 본 발명은 이하와 같다.

(1) 질량％로, Ag: 2.5 내지 3.7％, Cu: 0.25 내지 0.95％, Bi: 3.0 내지 3.9％, In: 0.5 내지 2.3％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 상기 합금 조성은 하기 (1)식 및 (2)식을 충족하는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.

8.1≤Ag+2Cu+Bi+In≤11.5 (1)

1.00≤(Bi+In)/Ag≤1.66 (2)

상기 (1)식 및 (2)식 중, Ag, Cu, Bi 및 In은, 각각 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(2) 상기 합금 조성은 하기 (3)식을 충족하는, (1)에 기재된 땜납 합금.

4.48≤Ag×Cu×Bi×In≤7.7 (3)

상기 (3)식 중, Ag, Cu, Bi 및 In은, 각각 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(3) 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 분말을 갖는 땜납 페이스트.

(4) 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 볼.

(5) 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 프리폼.

(6) 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금을 갖는 납땜 이음.

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: 2.5 내지 3.7％

Ag는, 함유량이 SnAgCu 공정 조성에 가까우면 용융 온도의 상승을 회피할 수 있다. 또한, Ag₃Sn을 입상으로 석출시키므로, 땜납 합금의 석출 강화를 도모할 수 있다. Ag의 함유량이 2.5％ 미만이면 SnAgCu 아공정에 의해 땜납 합금의 용융 온도가 상승한다. 또한, 화합물의 석출량이 적어 강도가 향상되지 않는다. Ag 함유량의 하한은 2.5％ 이상이며, 바람직하게는 2.8％ 이상이며, 보다 바람직하게는 2.9％ 이상이다.

한편, Ag의 함유량이 3.7％를 초과하면, SnAgCu 과공정에 의해 땜납 합금의 용융 온도가 상승한다. 또한, 조대한 Ag₃Sn이 판상으로 석출되어 버려, 강도가 열화된다. Ag 함유량의 상한은 3.7％ 이하이고, 바람직하게는 3.2％ 이하이고, 보다 바람직하게는 3.1％ 이하이다.

(2) Cu: 0.25 내지 0.95％

Cu는, Cu와 Ag의 함유량이 모두 SnAgCu 공정 조성에 가까울수록, 땜납 합금의 용융 온도를 낮출 수 있다. Cu의 함유량이 0.25％ 미만이면 SnAgCu 아공정에 의해 땜납 합금의 용융 온도가 상승한다. Cu 함유량의 하한은 0.25％ 이상이며, 바람직하게는 0.45％ 이상이며, 보다 바람직하게는 0.55％ 이상이다.

한편, Cu의 함유량이 0.95％를 초과하면, Sn과 Cu의 화합물이 다량으로 석출되고, 인장 강도나 전단 강도가 저하된다. 또한, Cu의 함유량이 더 많아지면, 강도의 저하에 더하여, SnAgCu 과공정에 의해 땜납 합금의 용융 온도가 상승한다. Cu 함유량의 상한은 0.95％ 이하이고, 바람직하게는 0.80％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.70％ 이하이다.

(3) Bi: 3.0 내지 3.9％

Bi는, 용융 온도의 상승을 회피하고, 또한, Sn의 고용 강화에 의해 땜납 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. Bi의 함유량이 3.0％ 미만이면, Bi의 고용량이 적어 강도가 충분히 향상되지 않는다. 또한, 땜납 합금의 용융 온도가 낮아지지 않는다. Bi의 함유량의 하한은 3.0％ 이상이며, 바람직하게는 3.1％ 이상이며, 보다 바람직하게는 3.2％ 이상이다.

한편, Bi의 함유량이 3.9％를 초과하면, SnBi 공정이 석출되어 고상선 온도가 낮아진다. 또한, Bi가 결정립계에 편석되고, 땜납 합금의 강도가 저하되는 경우가 있다. Bi의 함유량의 상한은 3.9％ 이하이고, 바람직하게는 3.8％ 이하이고, 보다 바람직하게는 3.7％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 3.4％ 이하이다.

(4) In: 0.5 내지 2.3％

In은, 용융 온도의 상승을 회피하고, 또한, Sn의 고용 강화에 의해 땜납 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. In의 함유량이 0.5％ 미만이면, In의 고용량이 적어 강도가 충분히 향상되지 않는다. 또한, 땜납 합금의 용융 온도가 낮아지지 않는다. In의 함유량의 하한은 0.5％ 이상이며, 바람직하게는 0.7％ 이상이며, 보다 바람직하게는 0.9％ 이상이며, 더욱 바람직하게는 1.0％ 이상이다.

한편, In의 함유량이 2.3％를 초과하면, 용융 땜납이 산화되기 쉬워져 보이드의 발생을 억제할 수 없다. 또한, 산화 피막이 두꺼워져 실장성이 떨어진다. 또한, 용융 온도가 너무 낮아진다. In의 함유량의 상한은 2.3％ 이하이고, 바람직하게는 1.5％ 이하이고, 보다 바람직하게는 1.3％ 이하이다.

(5) (1)식 및 (2)식

8.1≤Ag+2Cu+Bi+In≤11.5 (1)

1.00≤(Bi+In)/Ag≤1.66 (2)

본 발명에 관한 땜납 합금은, (1)식을 충족함으로써, 첨가 원소의 함유량이 적량으로 되므로, 용융 온도가 적절한 범위가 된다. 본 발명에 관한 땜납 합금을 구성하는 이들의 첨가 원소는, 모두 Sn에 대하여 기여하기 때문에, 인장 강도나 전단 강도에도 영향을 미친다. In은, 다량 첨가에 의해 보이드가 발생하여 산화 피막의 두께가 증가하는 원인이 될 수 있지만, Sn의 고용 강화에도 기여한다. 이 때문에, 간접적으로는, 보이드의 발생을 억제하여 산화 피막의 두께를 저감하기 위해서도, (1)식을 충족할 필요가 있다. 따라서, 이들의 (1)식은 본 발명의 효과를 발휘하기 위해서는 충족하지 않으면 안되는 관계식이다. 또한, (1)식에 있어서의 Cu의 계수는 2배이다. 이것은 본 발명에 관한 땜납 합금에 있어서는, Cu의 함유량이 조금이라도 변화하면 땜납 합금의 여러 특성에 크게 영향을 주는 경향이 있다. 예를 들어, 용융 온도에 착안하면, Cu 함유량의 증감량과 타 원소의 함유량 증감량이 동일한 경우, Cu에서는, 용융 온도의 변화량이 타 원소와 비교하여 적어도 2배 이상이라고 추측된다.

또한, 본 발명에 관한 땜납 합금은, (2)식을 충족함으로써, 더 높은 강도를 나타낼 수 있다. Ag는 석출 강화형 원소이며, Bi 및 In은 고용 강화형 원소이다. 고용 강화형 원소의 함유량이 너무 많으면 고용 한도를 초과하기 때문에 잉여 원소가 존재해 버려, Bi의 편석이나 땜납 합금의 변형이 발생할 수 있다. 한편, 석출 강화형 원소의 함유량이 너무 많으면 화합물의 다량 석출에 의해, 오히려 강도가 저하된다. 그래서, 본 발명에 관한 땜납 합금에서는, 전술한 바와 같이, 각각의 원소에는 최적의 함유량의 범위가 있기는 하지만, (2)식을 충족함으로써 밸런스 좋게 Sn을 강화할 수 있다.

이들의 식은, 각 구성 원소가 서로 의존함으로써 얻어지는 것이다. 합금은 모든 구성 원소가 조합된 일체의 것이고, 각 구성 원소가 서로 영향을 미치기 때문이다. 이와 같이, 각 구성 원소가 최적의 함유량으로 조정된 후에, 또한 (1)식 및 (2)식을 충족하는 본 발명에 관한 땜납 합금은, 각 구성 원소가 서로 의존하고 있는 것이 충분히 고려된 범위로 설정되어 있다. 따라서, 스텝 솔더링의 2회째의 납땜에 있어서, 본 발명에 관한 땜납 합금은, 최적의 용융 온도, 높은 인장 강도와 전단 강도, 보이드의 발생 억제 및 산화 피막의 박막화를 동시에 충족할 수 있다.

(1)식의 하한은 8.1 이상이며, 바람직하게는 8.2 이상이며, 보다 바람직하게는 8.3 이상이며, 더욱 바람직하게는 8.4 이상이며, 특히 바람직하게는 8.5 이상이며, 가장 바람직하게는 8.6 이상이다. (1)식의 상한은 바람직하게는 11.5 이하이고, 보다 바람직하게는 9.3 이하이고, 더욱 바람직하게는 9.1 이하이고, 더욱 보다 바람직하게는 8.9 이하이고, 특히 바람직하게는 8.8 이하이고, 가장 바람직하게는 8.7 이하이다.

(2)식의 하한은 1.00 이상이며, 바람직하게는 1.14 이상이며, 보다 바람직하게는 1.23 이상이며, 더욱 보다 바람직하게는 1.28 이상이며, 특히 바람직하게는 1.30 이상이며, 가장 바람직하게는 1.31 이상이며, 1.33 이상, 1.35 이상이어도 된다. (2)식의 상한은 1.66 이하이고, 바람직하게는 1.64 이하이고, 보다 바람직하게는 1.63 이하이고, 더욱 바람직하게는 1.62 이하이고, 더욱 보다 바람직하게는 1.57 이하이고, 특히 바람직하게는 1.50 이하이고, 가장 바람직하게는 1.45 이하이고, 1.42 이하, 1.40 이하여도 된다.

(6) 잔부: Sn

본 발명에 관한 땜납 합금의 잔부는 Sn이다. 전술한 원소 외에 불가피적 불순물을 함유해도 된다. 불가피적 불순물을 함유하는 경우라도, 전술한 효과에 영향을 미치는 일은 없다. 또한, Co 및 Ni는 용융 온도를 상승시켜 버리므로, 본 발명에 관한 땜납 합금에서는 함유하지 않는 쪽이 좋다.

(7) (3)식

4.48≤Ag×Cu×Bi×In≤7.7 (3)

(3)식은, 첨가 원소끼리의 밸런스를 고려한 관계식을 나타내는 바람직한 양태이다. (3)식은 각 원소의 함유량을 곱하고 있기 때문에 각 원소의 상호 의존성이 높고, (3)식을 충족하면 땜납 합금 전체의 밸런스가 높은 수준으로 유지된다. 따라서, 최적의 용융 온도, 높은 인장 강도와 전단 강도, 보이드의 발생 억제 및 산화 피막의 박막화가 더욱 향상되는 점에서 바람직하다. (3)식의 하한은 바람직하게는 4.48 이상이며, 보다 바람직하게는 4.70 이상이며, 더욱 바람직하게는 4.75 이상이며, 특히 바람직하게는 4.82 이상이며, 가장 바람직하게는 5.28 이상이며, 5.76 이상, 6.27 이상, 6.50 이상, 6.51 이상이어도 된다. (3)식의 상한은 바람직하게는 7.7 이하이고, 보다 바람직하게는 7.17 이하이고, 더욱 바람직하게는 7.14 이하이고, 더욱 보다 바람직하게는 6.94 이하이고, 가장 바람직하게는 6.72 이하이다.

(8) 땜납 합금의 용융 온도

본 발명에 관한 땜납 합금은, 예를 들어, 스텝 솔더링에 의해 납땜을 2회 행하는 경우에는, 2회째의 납땜에 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 사용 형태에서는, 2회째에 사용되는 땜납 합금의 용융 온도는, 1회째에 사용되는 땜납 합금의 고상선 온도보다 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어 1회째의 납땜에 있어서 245℃의 용융 온도에서 용융하는 Sn-10Sb 땜납 합금을 사용하는 경우, 열용량이 큰 부품을 사용하는 경우에 있어서의 충분한 온도 마진이 고려된다. 본 발명에 관한 땜납 합금의 용융 온도는 211 내지 220인 것이 바람직하고, 211 내지 214℃인 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 관한 땜납 합금의 고상선 온도는, 용융 온도와 고상선 온도의 온도 차가 너무 커지지 않고, 부재의 침식, 위치 어긋남, 재산화, 보이드의 발생 등의 실장성이 저하되지 않는 온도역인 것이 바람직하다. 본 발명에 관한 땜납 합금의 고상선 온도는 198℃ 이상인 것이 바람직하고, 200℃ 이상인 것이 보다 바람직하고, 203℃ 이상인 것이 더욱 바람직하고, 204℃ 이상인 것이 특히 바람직하다. 상한은 특별히 한정되지 않지만, 211℃ 이하이면 된다.

2. 땜납 페이스트

본 발명에 관한 땜납 페이스트는, 상술한 합금 조성으로 이루어지는 땜납 분말과 플럭스의 혼합물이다. 본 발명에 있어서 사용하는 플럭스는, 통상의 방법에 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 볼

본 발명에 관한 땜납 합금은, 땜납 볼로서 사용할 수 있다. 본 발명에 관한 땜납 볼은, BGA(볼 그리드 어레이) 등의 반도체 패키지의 전극이나 기판의 범프 형성에 사용된다. 본 발명에 관한 땜납 볼의 직경은 1 내지 1000㎛의 범위 내가 바람직하다. 땜납 볼은, 일반적인 땜납 볼의 제조법에 의해 제조할 수 있다.

4. 땜납 프리폼

본 발명에 관한 땜납 프리폼의 형상은, 특별히 한정되는 것은 아니라, 판상, 링 형상, 원통 형상, 리본 형상, 스퀘어 형상, 디스크 형상, 와셔 형상, 칩 형상, 와이어 형상 등의 형태로 사용할 수 있다. 땜납 프리폼은, 융점이 땜납 합금보다도 높고, 용융 땜납에 젖기 쉬운 고융점 금속 입자(예를 들어 Ni 입자나 Cu 입자 및, Ni나 Cu를 주성분으로 하는 합금분)를 내부에 함유해도 된다.

5. 납땜 이음

본 발명에 관한 납땜 이음은, 적어도 2개 이상의 피접합 부재의 접합에 적합하게 사용된다. 피접합 부재란, 예를 들어, 소자, 기판, 전자 부품, 프린트 기판, 절연 기판, 히트 싱크, 리드 프레임, 전극 단자 등을 사용하는 반도체 및, 파워 모듈, 인버터 제품 등, 본 발명에 관한 땜납 합금을 사용하여 전기적으로 접속되는 것이면 특별히 한정되지 않는다.

6. 기타

본 발명에 관한 땜납 합금은, 그 원재료로서 저α선량재를 사용함으로써 저α선량 합금을 제조할 수 있다. 이러한 저α선량 합금은, 메모리 주변의 땜납 범프 형성에 사용되면 소프트에러를 억제하는 것이 가능하게 된다.

[실시예]

본 발명을 이하의 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명이 이하의 실시예에 한정되는 일은 없다.

본 발명의 효과를 입증하기 위해, 표 1에 기재된 땜납 합금을 사용하여, 용융 온도, 인장 강도, 전단 강도, 보이드의 면적률, 산화 피막의 두께를 측정하였다.

(1) 용융 온도

표 1에 기재한 각 합금 조성을 갖는 땜납 합금에 대해서, DSC 곡선으로부터 각각의 온도를 구하였다. DSC 곡선은, 가부시키가이샤 히타치 하이테크 사이언스사제의 DSC(형식 번호: EXSTAR6000)에 의해, 대기 중에서 5℃/min으로 승온하여 얻어졌다. 얻어진 DSC 곡선으로부터 액상선 온도를 구하고, 용융 온도로 하였다. 또한, DSC 곡선으로부터 고상선 온도도 평가하였다.

용융 온도가 211 내지 214℃인 경우에는 스텝 솔더링에 있어서의 2회째의 납땜에 있어서 충분한 온도 마진을 가질 수 있으므로 「◎」라고 평가하였다. 215 내지 220℃인 경우에는 실용상 문제 없는 온도이므로 「○」라고 평가하였다. 211℃ 미만 및 220℃를 초과한 경우에는 「×」라고 평가하였다. 또한, 고상선 온도는 204 내지 211℃인 경우에는 「◎」라고 평가하였다. 198 내지 203℃인 경우에는 「○」로 하였다. 204℃ 미만 및 211℃를 초과한 경우에는 「×」라고 평가하였다.

(2) 인장 강도

인장 강도는 JISZ3198-2에 준하여 측정되었다. 표 1에 기재된 각 땜납 합금에 대해서, 금형에 주입하고, 게이지 길이가 30mm, 직경 8mm의 시험편을 제작했다. 제작된 시험편은, Instron사제의 Type5966에 의해, 실온에서, 6mm/min의 스트로크로 인장되고, 시험편이 파단되었을 때의 강도가 계측되었다. 본 발명에서는, 인장 강도가 67MPa 이상인 경우에는 충분한 강도이므로 「◎」라고 평가하였다. 인장 강도가 67MPa 미만, 63MPa 이상인 경우에는 실용상 문제 없는 강도이므로 「○」라고 평가하였다. 인장 강도가 63MPa 미만인 경우에는 「×」라고 평가하였다.

(3) 전단 강도

평균 입경이 20㎛인 표 1에 기재된 땜납 합금 조성을 갖는 땜납 합금 분말을 제작하고, 제작한 땜납 합금 분말과 공지된 로진계 플럭스를 89질량％:11질량％의 비율로 혼화하여, 각 땜납 합금의 땜납 페이스트를 제작하였다. 땜납 페이스트는, 두께가 0.8mm인 프린트 기판(재질: FR-4)에 두께가 120㎛인 메탈 마스크로 Cu 전극에 인쇄한 후, 칩 저항 부품을 마운터에 실장하여, 최고 온도 235℃, 유지 시간 60초의 조건에 의해 리플로우 납땜을 하여, 시험 기판을 제작하였다.

이 시험 기판을, 전단 강도 측정 장치(RHESCA사제 STR-1000)에 의해, 6mm/min의 조건에 의해 전단 강도(N)를 측정하였다. 전단 강도가, 67N 이상인 경우, 충분한 전단 강도가 얻어지는 레벨이라고 판단하여 「◎」라고 평가하였다. 63N 초과하고 66N 이하인 경우, 실용상 문제 없이 사용할 수 있는 레벨이라고 판단하여 「○」라고 평가하였다. 62N 미만인 경우에는 「×」라고 평가하였다.

(4) 보이드의 면적률

「전단 강도」로 제작한 시험 기판을, 도시바 FA 시스템 엔지니어링 가부시키가이샤 제조 TOSMICRON-6090FP를 사용해서 30배의 X선 평면 사진을 모니터에 표시하고, 표시된 화상으로부터 보이드를 검출하여 면적률을 구하였다. 검출에 사용한 화상 해석 소프트웨어는 Soft imaging system제 scandium이다. 화상 상, 보이드와 그 이외의 부분은 콘트라스트가 다르므로, 화상 해석에 의해 식별 가능하고, 보이드만을 검출함으로써 측정을 행하였다. 측정한 보이드의 면적률이, 실리콘 칩의 면적에 대하여 3.2％ 이하인 경우, 보이드는 「◎」라고 평가하고, 3.2％ 초과하고 4.1％ 이하인 경우, 보이드는 「○」라고 평가하고, 4.1％를 초과하는 경우, 보이드는 「×」라 하였다.

(5) 산화 피막의 두께

표 1에 기재된 땜납 합금을 두께가 0.1mm인 리본 형상의 프리폼으로 가공하여, 10mm 사방의 프리폼으로 재단하고, 150℃의 항온조로 120분, 가열 처리를 행하였다. 얻어진 프리폼의 산화막 두께를 FE-AES(전계 방사형 오제 전자 분광법)에 의해 산화 피막의 두께를 측정하였다. 산화 피막의 막 두께는, 이하의 장치 및 조건에 의해 측정되었다. 또한, 산화 피막의 두께 측정값은 SiO₂ 환산에 의해 구하였다. 산화 피막의 두께가 1.8nm 이하인 경우에는, 충분히 산화 피막의 형성이 억제되어 있으므로 「◎」라고 평가하였다. 산화 피막의 두께가 1.8nm 초과하고 2.8nm 이하인 경우에는, 문제 없이 실장할 수 있으므로 「○」라고 평가하였다. 산화 피막의 두께가 2.8nm 초과인 경우에는 「×」라고 평가하였다.

측정 장치: ULVAC-PHI, INC제 주사형 FE 오제 전자 분광 분석 장치

측정 조건: Beam Voltage: 10kV, 시료 전류: 10nA(Ar 이온총을 사용한 스퍼터 깊이의 측정 방법은, ISO/TR 15969에 준거.)

평가 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

표 1로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1 내지 22는 모두 Ag, Cu, Bi 및 In의 함유량이 본 발명의 범위 내임과 함께, (1)식 및 (2)식을 충족한다. 이 때문에, 스텝 솔더링으로 납땜을 행할 수 있을 정도로 용융 온도가 낮고, 인장 강도 및 전단 강도가 높고, 보이드의 면적률이 낮고, 또한 산화 피막의 두께가 얇아지는 것을 알았다. 특히, (3)식을 충족하는 실시예 1 내지 6, 9, 10, 12 내지 14 및 17은 인장 강도 및 전단 강도가 더 높고, 보이드의 발생이 억제되어, 산화 피막이 얇아지는 것을 알았다.

한편, 비교예 1 및 비교예 2는 Ag의 함유량이 부적절하므로, 용융 온도가 원하는 범위 내에서 벗어나, 강도가 떨어졌다. 비교예 3은 Cu의 함유량이 적으므로, 용융 온도가 상승하였다. 비교예 4 및 5는 Cu의 함유량이 많으므로, 강도가 떨어졌다. 비교예 6은 Cu의 함유량이 너무 많으므로, 강도가 떨어지고, 용융 온도가 높았다. 비교예 7은 Bi의 함유량이 적고, In의 함유량이 많고, 또한 (1)식 및 (2)식을 충족하지 않으므로, 모든 결과가 떨어졌다. 비교예 8은 Bi의 함유량이 적으므로, 강도가 떨어지고, 용융 온도가 높았다. 비교예 9는 Bi의 함유량이 많으므로, 강도가 떨어지고, 용융 온도가 낮았다.

비교예 10은 In의 함유량이 적고, 또한 (1)식을 충족하지 않으므로, 용융 온도가 상승하고, 강도가 떨어졌다. 비교예 11은 In의 함유량이 적으므로, 용융 온도가 더 상승하고, 강도가 떨어졌다. 비교예 12는 In의 함유량이 많고, (2)식을 충족하지 않으므로, 모든 결과가 떨어졌다.

비교예 13 및 비교예 14는 (1)식을 충족하지 않으므로, 용융 온도가 적정하지 않았다. 특히, 비교예 14는 (1)식의 상한을 초과하므로, 용융 온도가 적정하지 않다는 것에 더하여, 그 밖의 모든 결과도 떨어졌다. 비교예 15 및 비교예 16은 (2)식을 충족하지 않으므로, 강도가 떨어졌다. 특히, 비교예 16은 (2)식의 상한을 초과하므로, 강도가 떨어지는 것에 더하여, 산화 피막이 두꺼워졌다. 비교예 17 및 비교예 18은 Ni 또는 Co를 함유하므로, 용융 온도가 높고, 보이드의 면적률이 증가하였다.

Claims

질량％로, Ag: 2.5 내지 3.7％, Cu: 0.25 내지 0.95％, Bi: 3.0 내지 3.9％, In: 0.5 내지 2.3％ 및 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖고, 상기 합금 조성은 하기 (1)식 및 (2)식을 충족하는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.
8.1≤Ag+2Cu+Bi+In≤11.5 (1)
1.00≤(Bi+In)/Ag≤1.66 (2)
상기 (1)식 및 (2)식 중, Ag, Cu, Bi 및 In은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항에 있어서,
상기 합금 조성은 하기 (3)식을 충족하는 땜납 합금.
4.48≤Ag×Cu×Bi×In≤7.7 (3)
상기 (3)식 중, Ag, Cu, Bi 및 In은, 각각 상기 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항 또는 제2항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 분말을 갖는 땜납 페이스트.
제1항 또는 제2항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 볼.
제1항 또는 제2항에 기재된 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 프리폼.
제1항 또는 제2항에 기재된 땜납 합금을 갖는 납땜 이음.