KR20000052277A - 납석출 땜납과 땜납된 물품 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 관한 납석출 땜납은 0.01 ~ 0.5 wt% 니켈, 0.5 ~ 3.39 wt% 은, 및 96.6 wt% 이상의 주석을 포함한다.
본 발명에 관한 땜납된 물품은 용융 주석으로 확산되기 쉬운 전이 금속 도체를 포함하는 부품; 상기 실시예중 어느 하나에 관한 납석출 땜납을 포함한다. 여기서 납석출 땜납은 상기 전이 금속 도체에 전기적, 기계적으로 결합되기 위해서 부품에 고정되어 결합된다.
상기 설명한 납석출 땜납과 땜납된 물품은 땜납할 동안, 그리고 땜납 후 에이징(aging)시 거의 전극 침식이 일어나지 않고, 높은 인장 강도, 및 내열충격성을 갖는다.

Description

납석출 땜납과 땜납된 물품 {LEAD-FREE SOLDER AND SOLDERED ARTICLE}
본 발명은 납석출(lead-free) 땜납 및 땜납된 물품에 관한 발명이다.
땜납은 전통적으로 전자 장치나 전자 부품의 전기적 또는 기계적인 결합을 이루는 용도로 사용되고 있다. 땜납은 주요 성분으로서 주석과 납이 일반적으로 이용되어져 왔다. 추가로, 납이 포함되지 않은 땜납, 소위 납석출 땜납은 주석을 주요 성분으로 하고, 그 밖에 은(Ag), 비스무트(Bi), 구리(Cu), 인듐(In),안티모니(Sn)등과 같은 원소들을 포함하는 바, 환경 문제를 감안해서 이용되어지고 있다. 최근에는 이러한 납석출 땜납을 이용하여 충분히 땜납된 특징을 갖는 전기적 결합부가 형성된 땜납된 물품이 생산되고 있다.
그러나, 주요 성분으로 주석을 포함하는 땜납, 특히 납석출 땜납은 땜납시 또는 때납후의 열처리(thermal aging)시 전기적 결합부에서 전극 침식 (elcctrode erosion)이 일어나기 쉬워진다. 주석으로 확산하기 쉬운 성분들이 땜납된 전극의 조성에 이용될 경우, 전극 침식은 더 가속될 것이다.
주요 원소로 주석과 은을 포함하는 납석출 땜납도 많이 제안되고 있다. 그러나, 땜납시 전극 침식 저항을 개선하기 위한 니켈의 추가에 의해 가소성의 변형가능성이 심각하게 감소될 정도로 경질(hard) 주석-은 합금은 더 경화될 것이다.
본발명의 목적은 땜납시 또는 땜납후 처리시 전극 침식을 거의 일으키지 않고, 높은 인장 강도 및 내열충격성을 갖는 납석출 땜납 및 땜납된 물품을 제공하는 것이다.
상기 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 구현예는 0.01~0.5 wt%의 니켈; 0.5~3.39 wt%의 은; 및 96.6 wt% 이상의 주석을 포함하는 납석출 땜납을 제공한다.
상기의 납석출 땜납은 상기 원소들에 부가하여 약간의 부수적인 불순물들이 소량 포함될 수 있다. 불순물의 예로는 납, 비스무트, 구리, 나트륨 등이 있다.
본 발명의 또다른 구현예는 0.01~0.5 wt%의 니켈; 0.5~2.0 wt%의 구리; 0.5~2.89 wt%의 은; 및 96.6 wt% 이상의 주석을 포함하는 납석출 땜납을 제공한다.
상기 납석출 땜납은 상기 원소들에 부가하여 약간의 부수적인 불순물들이 소량 포함될 수 있다. 불순물의 예로는 납, 비스무트, 나트륨 등이 있다.
본 발명의 또다른 구현예는 0.01~0.5 wt%의 니켈; 0.5~2.0 wt%의 구리, 및 0.5~5.0 wt%의 안티모니 중에서 선택된 적어도 하나; 및 나머지인 주석을 포함하는 납석출 땜납을 제공한다.
상기 설명된 납석출 땜납은 상기 성분들에 부가하여 약간의 부수적인 불순물들이 소량 포함될 수 있다. 불순물의 예로는 납, 비스무트, 나트륨 등이 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는 용융 주석으로 확산하기 쉬운 전이(transition) 금속 도체를 포함하는 중간제작품; 및 상기에서 설명된 구현예들 중 어느 하나에 따른 납석출 땜납으로서 전기적, 기계적으로 전이 금속 도체와 결합하도록 중간 제작품에 고정되어 결합되는 납석출 땜납을 포함하는 땜납된 물품을 제공한다.
상기 설명된 땜납된 물품에서 전이 금속 도체는 구리, 은, 니켈, 금, 팔라듐, 백금, 아연, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이다.
위에서 설명했듯이 본 발명에 따른 납석출 땜납은 심지어 침식되기 쉬운 전이 금속 도체를 포함하는 부품의 결합에 이용될 때에도 전극 침식을 방지하고, 필요한 땜납 특성을 유지할 동안 우수한 열 충격 저항력, 우수한 결합 강도 및 땜납 인장 강도, 땜납 수축을 갖는다.
본 발명에 따른 땜납된 물품은 용융 주석, 그리고 납석출 땜납으로 확산되기 쉬운 전이 금속 도체를 포함한 중간제작품을 포함하고, 납석출 땜납은 전기적, 기계적으로 전이 금속 도체에 결합하도록 상기 제작품에 고정되고 결합된다. 이와같이, 본 발명에 따른 납석출 땜납은 용융 주석으로 확산되기 쉬운 전이 금속 도체에서의 전극 침식을 막아주고, 필요한 땜납 특성을 유지할 동안 우수한 열충격 저항력, 결합강도, 땜납 인장 강도, 땜납 수축을 가진다.
본 발명에 따른 땜납된 물품에서, 전이 금속 도체는 구리, 은, 니켈, 금, 팔라듐, 백금, 아연, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이다. 이와같이, 본 발명에 있어서 납석출 땜납은 용융 주석으로 확산되기 쉬운 전이 금속 도체에서의 전극 침식을 막아주고, 필요한 땜납 특성을 유지할 동안 더 좋은 내열충격성, 결합 강도, 땜납 인장 강도 및 땜납 수축을 가진다.
솔더링(soldering)은 땜납 특성을 향상시키기 위하여 주로 N2분위기에서 행하여진다. 본 발명에 따른 납석출 땜납은 니켈 함량이 적기 때문에 솔더링은 대기 중에서도 쉽게 이루어질 수 있다. 이와같이 상기 솔더링 작업은 높은 작업성을 가지고 있다.
본 발명에 따른 납석출 땜납은 은과 같은 고가의 침식-방지 성분을 작은 양 포함한다. 따라서 땜납 비용은 종래의 납석출 땜납에 비해서 줄어들 수 있다.
본 발명에 따른 납석출 땜납에서, 니켈 함량은 바람직하게는 전체 100 wt%와 대비해서 0.01~0.5 wt%의 범위에 있다. 니켈 함량이 0.01 wt% 보다 적을 경우, 전극 침식 저항력은 감소하고, 따라서 땜납할 동안 전극의 잔존 면적(residual area)도 감소한다. 반대로, 니켈 함량이 0.5 wt% 보다 많을 경우 납석출 땜납의 액상선이 증가하여 동일 온도에서 땜납할 때 결합이 되지 않거나 저급한 외관이 나타난다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 높은 온도에서 땜납하는 것은 고열로 인한 전자 부품 특성의 불량을 일으킨다.
본 발명에 따른 Sn-Ni-Cu의 삼원 또는Sn-Ni-Ag-Cu의 사원 납석출 땜납에서, 구리의 함량은 바람직하게는 전체 100 wt%와 대비해서 0.5~2.0 wt%의 범위에 있다. 구리 함량이 0.5 wt% 보다 적을 경우, 결합 강도는 효과적으로 개선되지 않는다. 반면 구리 함량이 2.0 wt% 보다 많을 경우, Cu6Sn5, Cu3Sn과 같은 경화되어 깨지기 쉬운 금속 화합물의 과도한 석출때문에 결합 강도는 감소한다. 더우기, 납석출 땜납의 액상선이 증가하여 동일 온도에서 땜납할 때 결합이 되지 않거나 저급한 외관이 나타난다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 높은 온도에서 땜납하는 것은 고열로 인한 전자 부품의 특성 불량을 일으킨다. 또한, 몇가지 문제점들이 주석과 니켈 함량의 감소때문에 발생된다.
본 발명에 따른 Sn-Ni-Ag의 삼원 납석출 땜납에서, 은의 함량은 바람직하게는 전체 100 wt%와 대비해서 0.5~3.39 wt%의 범위에 있다. 은 함량이 0.5 wt% 보다적을 경우, 결합 강도는 효과적으로 개선되지 않는다. 반면 은 함량이 3.39 wt% 보다 많을 경우, Ag3Sn과 같은 경화되어 깨지기 쉬운 금속 화합물의 과도한 석출때문에 결합 강도는 감소한다. 더우기, 납석출 땜납의 액상선이 증가하여 동일 온도에서 땜납할 때 결합이 되지 않거나 저급한 외관이 나타난다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 높은 온도에서 땜납하는 것은 고열로 인한 전자 부품의 특성 불량을 일으킨다. 또한, 몇가지 문제점들이 주석과 니켈 함량의 감소때문에 발생된다.
본 발명에 따른 Sn-Ni-Ag-Cu의 사원 납석출 땜납에서, 은의 함량은 바람직하게는 전체 100 wt%와 대비해서 0.5~2.89 wt%의 범위에 있다. 은 함량이 0.5 wt% 보다 적을 경우, 결합 강도는 효과적으로 개선되지 않는다. 반면 은 함량이 2.89 wt% 보다 많을 경우, 은과 구리의 전체 함량은 3.39 wt%보다 많아지고, Ag3Sn, Cu6Sn5, 및 Cu3Sn과 같은 경질의 금속 화합물의 공침(co-precipitation)에 의해 결합 강도는 감소한다. 또한, 몇가지 문제점들이 주석과 니켈 함량의 감소때문에 발생한다.
본 발명에 따른 Sn-Ni-Sb의 삼원 납석출 땜납에서, 안티모니의 함량은 바람직하게는 전체 100 wt%와 대비해서 0.5~5.0 wt%의 범위에 있다. 안티모니 함량이 0.5 wt% 보다 적을 경우, 결합 강도는 효과적으로 개선되지 않는다. 반면 안티모니 함량이 5.0 wt% 보다 많을 경우 인장 강도가 약해져서 내열충격성 및 작업성이 나빠진다. 또한, 몇가지 문제점들이 주석과 니켈 함량의 감소때문에 발생한다.
본 발명에 따른 땜납된 물품에서 전이 금속 도체는 구리, 은, 니켈, 금, 팔라듐, 백금, 아연, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이다. 상기 합금의 예로는 금-은, 금-백금 합금이 있다. 보다 바람직하게는 전이 금속 도체는 구리, 은, 니켈, 및 이들의 합금으로 구성된다.
본 발명에 따른 땜납된 물품은 결합될 부품 및 상기 부품인 전이 금속 도체에 전기적, 기계적으로 결합된 납석출 땜납의 양자를 포함한다. 그러한 물품에는 부품 실장용 기판에 형성된 도체와, 서로 전기적, 기계적으로 결합된 부품으로 형성된 도체의 결합; 전자 부품과 이에 전기적, 기계적으로 결합된 단자(terminal)들의 결합, 전기적, 기계적으로 연결된 전자 부품의 단자들이 포함된다.
본 발명에 따른 땜납된 물품은, 예를들어 솔더볼(solder ball)을 형성하기 위하여 본원 발명에 따른 납석출 땜납을 용융시키고, 일정부에 솔더볼을 위치시키며, 상기 위치에서 용제(flux)를 가하며, 다음 상기 부품을 도체에 결합시키기 위하여 대기 중에서 소정의 온도로 그들을 가열함에 의하여 얻어질 수 있다. 또한 땜납된 물품은 땜납 용기에서 액상온도보다 높은 온도에서 납석출 땜납을 용융시키고, 딥 솔더링(dip soldering)에 의하여 융제가 코팅된 부품의 도체를 결합하기 위하여 정지 용융 땜납에 코팅된 융제 부품을 침지(dipping)하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 또한 그것은 분사식 땜납 용기에서 액상온도보다 높은 온도에서 본 발명에 따른 납석출 땜납을 용융시키고, 융제가 코팅된 부품을 용융 땜납에 접촉시키는 플로우 솔더링(flow soldering)에 의하여 융제가 코팅된 부품의 도체를 결합하는 것에 의해서 얻어진다. 융제를 코팅한 부품이 납석출 땜납에 침지될 때, 상기 부품은 용융 땜납 안에서 휘젓는 것도 가능하다. 용융 땜납과 융제가 코팅한 부품의 접촉의 수는 제한이 없다.
본 발명에 따른 납석출 땜납을 결합하기 위한 부품의 예는 유리-에폭시 또는 페놀 프린트 기판, 알루미나 또는 뮬라이트(mulite)로 만든 세라믹 기판, 절연막이 형성된 금속 기판 등이 있다. 납석출 땜납에 전기적으로 결합된 전이 금속으로 구성된 도체로는 프린트 기판의 배선 회로 등과 전자 부품의 단자 전극, 및 리드 단자등이 있다.
본 발명에서 납석출 땜납과 땜납된 물품은 실시예를 참조로 하여 상세히 설명된다.
주석, 납, 니켈, 은, 구리, 및 안티몬은 표 1의 조성 함량에 따라 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 복수개의 땜납으로 혼합된다.
소결된 구리 전극과 소결된 은 전극을 포함하는 다수의 단판 커패시터 (single-plate capacitor)가 정전 용량 (electrostatic capacitance)을 측정하기 위하여 마련되었다. 각각의 커패시터가 260℃에서 용융된 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 땜납의 어느 하나에 침지된다. 땜납 침지 전후의 단판 커패시터의 정전 용량의 차이는 정전 용량 변화법에 의하여 측정되고, 전극의 잔존 면적비는 침지 후에 측정된다. 정전 용량에서의 변화는 구리 전극에서 10초, 그리고 침식되기 쉬운 은 전극에서 3초간 침지한 후에 측정된다.
실시예 1~12 및 비교예 1~7의 땜납의 팽창비는 일본 공업 규격(JIS) Z3197에따라 측정된다. 측정된 온도는 작업성을 고려해서 액상선에서 30℃를 더한 온도이다.
구리판은 표면을 주석으로 도금한 구리 리드(leed) 선에 의해 끼워지고, 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 시편을 마련하기 위하여 미리 250℃로 용융시킨 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 땜납 중의 어느 하나에 침지된다. 이러한 시험용 시편의 인장강도는 장력계(tensilometer)를 이용하여 구리 리드선을 잡아당김으로써 측정된다.
실시예 1~12 및 비교예 1~7의 땜납은 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 시편을 마련하기 위해서 액상 온도에 100℃를 더하여 용융되도록 가열하고, 흑연 몰드에서 주조해서 응고시킨 후, 상온에서 148시간을 경과시킨 것이다. 이러한 시편들은 땜납의 인장 강도를 측정하기 위하여 5mm/s의 인장 비율로 잡아당겨 진다. 각 시편은 평판 모양이고 시험된 부분은 노치가 없는 8×3mm의 직사각형 모양의 횡단면을 가진다.
인장 시험 후 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 각각의 시편의 횡단면은 일본 공업 규격 Z2241에 따라 땜납 수축을 결정하기 위하여 측정된다.
두꺼운 은 전극은 Al2O3기판에서 만들어 진다. 기판은 주석 도금된 구니 리드선에 끼워져서 260℃에서 용융된 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 땜납의 어느 하나에 침지된다. 땜납된 기판은 열 충격 용기에 담겨져서 -30℃에서 30분간, 그리고 125℃에서 30분간 유지시키는 것을 1 사이클로 하는 500 사이클의 열 충격을 받게된다. 실시예 1~12 및 비교예 1~7의 필렛(fillet)의 표면 균열은 열 충격 저항력을 결정하기 위하여 육안 관찰되어 진다. 리드선의 일측은 유리-에폭시 기판에 땜납되어 있고, 기판상에 형성된 필렛의 일측이 평가된다. 내열충격성의 평가에서 기호 ○는 균열이 없음을 의미한다.
표 1은 전극의 잔존 면적 비율, 팽창 비율, 결합 강도, 땜납의 인장 강도, 땜납의 수축 비율, 열 충격 저항력을 측정한 결과를 나타낸다. 본 발명의 범위에 있는 납석출 땜납 및 땜납된 물품은 기호 ○에서 나타낸 전체적인 평가와 같이 만족스런 결과를 도출한다.
자료 금속 도체 전극의 잔존 면적비 (%) 팽창비(%) 결합 강도 (N) 땜납인장강도 Nmm-2 수축비(%) 내열 충격성 전체적인 평가
Sn Pb Ni Ag Cu Sb Cu 전극 Ag전극
실시예 1 99.35 0.15 0.50 99.5 60.0 71 18.8 32 82 ○ ○
2 99.15 0.15 0.70 99.6 62.0 71 19.0 38 80 ○ ○
3 97.85 0.15 2.00 99.2 59.8 73 17.4 52 68 ○ ○
4 99.35 0.15 0.50 97.9 58.5 71 20.0 34 74 ○ ○
5 96.85 0.15 3.00 98.8 59.0 71 21.3 44 70 ○ ○
6 94.85 0.15 5.00 98.9 60.0 71 21.0 52 66 ○ ○
7 99.49 0.01 0.50 98.5 71.0 71 18.8 34 80 ○ ○
8 96.11 0.50 3.39 99.8 84.0 68 19.8 49 59 ○ ○
9 98.35 0.15 1.00 0.50 99.4 80.0 73 21.0 50 77 ○ ○
10 97.15 0.15 2.00 0.70 99.5 78.2 72 19.5 46 75 ○ ○
11 96.60 0.15 1.75 1.50 99.4 77.9 71 18.2 48 72 ○ ○
12 96.60 0.40 0.50 2.50 99.9 68.4 69 17.0 50 65 ○ ○
비교예 1 96.50 3.50 89.2 31.7 72 21.1 44 78 ○ ×
2 97.00 3.00 7.0 0.0 70 21.4 40 80 ○ ×
3 60.00 40.00 98.6 70.8 84 17.3 53 71 × ×
4 90.85 0.15 9.00 97.6 82.1 74 17.5 67 42 × ×
5 90.70 0.30 9.00 98.0 83.0 70 17.4 70 37 × ×
6 94.85 0.15 5.00 98.7 81.3 71 20.2 55 51 × ×
7 94.70 0.30 5.00 99.0 82.5 70 20.0 57 48 × ×
기호 ○는 만족스런 결과를 기호 ×는 만족스럽지 못한 결과를 나타낸다.
표 1에서 보듯이, 실시예 1~12의 땜납을 포함하는 Sn-Ni의 각각은 만족스런 결과를 가진다. 즉, 전극의 잔존 면적 비율은 95% 이상, 팽창율은 65% 이상, 결합 강도는 17N 이상, 땜납의 인장 강도는 30Nmm-2이상, 땜납 수축은 55% 이상이며 우수한 내열충격성을 가진다.
비교예 3~7의 각각의 땜납은 95% 이상의 전극의 잔존 면적 비율을 가지나 열 충격 시험에서 균열이 형성되었느데, 그 이유는 비교예 4~7에서는 땜납 수축이 42~51%로 낮은 범위에서 일어나기 때문이다. 따라서 이들은 본 발명의 범위에서 제외되었다.
40 wt%의 납을 포함한 비교예 3은 본 발명의 범위 밖이다.
비교예 1, 2의 땜납은 땜납 수축, 열 충격 저항력은 만족스러운 것이다. 그러나, 구리 전극의 잔존 면적 비율이 각각 89.2%와 7.0%, 은 전극의 잔존 면적 비율이 각각 31.7%와 0%이다. 따라서 이들은 본 발명의 범위에서 제외되었다.
이상에서 발명의 구현예를 참고로 하여 본발명이 설명되었으나, 형태 및 세부사항에 있어서 보류한 다른 변화들이 발명의 사상에서 이탈하지 않고 이루어 질 수 있음을 당업자들은 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 납석출 땜납은 심지어 침식되기 쉬운 전이 금속 도체를 포함하는 부품의 결합에 이용될 때에도 전극 침식을 방지하고, 필요한 땜납 특성을 유지할 동안 우수한 열 충격 저항력, 우수한 결합 강도 및 땜납 인장 강도, 땜납 수축을 갖는다.
본 발명에 따른 땜납된 물품은 용융 주석, 그리고 납석출 땜납으로 확산되기 쉬운 전이 금속 도체를 포함한 중간제작품을 포함하고, 납석출 땜납은 전기적, 기계적으로 전이 금속 도체에 결합하도록 상기 제작품에 고정되고 결합된다. 이와같이, 본 발명에 따른 납석출 땜납은 용융 주석으로 확산하기 쉬운 전이 금속 도체에서의 전극 침식을 막아주고, 필요한 땜납 특성을 유지할 동안 우수한 열충격 저항력, 결합강도, 땜납 인장 강도, 땜납 수축을 가진다.
본 발명에 따른 땜납된 물품에서, 전이 금속 도체는 구리, 은, 니켈, 금, 팔라듐, 백금, 아연, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이다. 이와같이, 본 발명에 있어서 납석출 땜납은 용융 주석으로 확산하기 쉬운 전이 금속 도체에서의 전극 침식을 막아주고, 필요한 땜납 특성을 유지할 동안 더 좋은 열 충격 저항력, 결합 강도, 땜납 인장 강도 및 땜납 수축을 가진다.
솔더링(soldering)은 땜납 특성을 향상시키기 위하여 주로 N2분위기에서 행하여진다. 본 발명에 따른 납석출 땜납은 니켈 함량이 낮기 때문에 솔더링은 대기 중에서도 쉽게 이루어질 수 있다. 이와같이 상기 솔더링 작업은 높은 작업성을 가지고 있다.
본 발명에 따른 납석출 땜납은 은과 같은 고가의 침식-방지 성분을 작은 양 포함한다. 따라서 땜납 비용은 종래의 납석출 땜납에 비해서 줄어들 수 있다.

Claims (5)

  1. 0.01 ~ 0.5 wt% 니켈; 0.5 ~ 3.39 wt% 은; 및 96.6 wt% 이상의 주석을 포함하는 납석출 땜납.
  2. 0.01 ~ 0.5 wt% 니켈; 0.5 ~ 2.0 wt% 구리; 0.5 ~ 2.89 wt% 은; 및 96.6 wt% 이상의 주석을 포함하는 납석출 땜납.
  3. 0.01 ~ 0.5 wt% 니켈; 0.5 ~ 2.0 wt% 구리, 및 0.5 ~ 5.0 wt% 안티모니 중에서 선택된 적어도 하나; 및 나머지인 주석을 포함하는 납석출 땜납.
  4. 용융 주석으로 확산되기 쉬운 전이 금속 도체를 포함하는 중간제작품; 및 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 따른 납석출 땜납으로서, 상기 전이 금속 도체에 전기적, 기계적으로 결합되기 위해서 상기 중간제작품에 고정되어 결합되는 납석출 땜납;을 포함하는 땜납된 물품.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전이 금속 도체는 구리, 은, 니켈, 금, 팔라듐, 백금, 아연, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 땜납된 물품.
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