KR20000070612A - 무연 주석 합금 - Google Patents

Abstract

납접 이음용 무연 주석 합금은 중량비로 0.25%까지의 인듐과, 중량비로 알루미늄 2.5-10%, 마그네슘 1-5% 그리고 이들을 제외한 중량비를 갖는 아연으로 구성되는 합금인 결정립 미세화제로 이루어진다. 상기 합금은 크리프 강도와 같은 향상된 기계적 성질과 향상된 열 피로 강도를 갖는다.

Description

무연 주석 합금{LEAD-FREE TIN ALLOY}

납접 이음은 많은 전자 장치에 있어 중요하다. 더욱이, 자동차 산업에서는 더욱 더 높은 작동 온도에서 향상된 열 피로 강도를 갖는 전자 장치에 대한 요구가 증가하고 있다.

많은 땜납들이 주석-아연 합금을 바탕으로 만들어지나, 산업상 공정, 제품에서의 납의 유독성과 제품 수명의 종료시 폐기물로서의 납의 유독성은 환경과 보건상의 중요한 문제가 된다.

DE-A-2713196과 DE-A-3147226은 주석 합금인 땜납과 베어링 합금을 주조하는데 있어 결정립 미세화제(grain refiners)인 아연-알루미늄-마그네슘 합금의 사용을 공개한다. 상기 주석 합금은 인듐(indium)을 포함하지 않으며 납접 이음용 합금도 아니다.

EP-A-0702095는 Sn, Cu, Sb, Ni, In 그리고 유티널(Eutinal), Ag 또는 Ti로 이루어진 미끄럼 베어링용 합금에 대해 공개한다. 상기 합금은 일반적으로 중량비로 0.3-2%인 인듐으로 이루어지며, 상세하게는 사용상 바람직한 중량비 1.5%의 인듐으로 이루어진다.

무연 합금은 계속해서 발전되어 왔다. 예를 들어, 주석 96.5%와 은 3.5%의 각각의 중량 백분율을 갖는 주석/은 합금은 리플로우 납접(reflow soldering)에 있어서 공지된 것이다.

무연 합금에 대한 추가된 예는 웨이브 납접(wave soldering)에 사용되는 것으로, 각각 중량비 99.3% 주석과 중량비 0.7% 주석으로 구성되는 주석/구리 공정(共晶) 합금(eutectic alloy)이다.

무연 합금에 대한 더 추가된 예는 납접에 사용되는 것으로, 중량비 96.2% 주석, 중량비 2.5% 은, 중량비 0.8% 구리 그리고 중량비 0.5% 안티몬(antomony)으로 구성되는 합금이다.

주석-납 땜납 합금은 예를 들어 실리콘 칩(silicon chips)을 인쇄 회로 기판에 장착하는 볼 그리드 어레이(ball grid arrays)과 같은 널리 보급된 방법에 이용된다. 이러한 볼-그리드 어레이는, 회로가 작동되었다가 작동 중지되는 동안, 약 4cm의 폭에 대해 150℃까지 상승되는 부품과 회로 기판사이의 온도 차이를 견디는 것이 가능하도록 충분한 열 피로 강도를 가져야 한다. 만일 납접 이음의 열 피로 강도가 충분하지 않으면, 땜납의 미시 구조(micro-structure)가 조대화(粗大化) (coarsening)된다. 이어서, 균열 발생과 균열 전파가 일어나는데, 이것이 교대로 칩과 인쇄 회로 기판사이의 전기적 접촉 손실을 일으킨다.

따라서, 공지된 무연 주석 땜납 합금의 문제점은 이들의 열 피로 강도이다.

이에 출원인은 공지된 무연 주석 합금과 비교시 소량의 인듐을 함유하고, 향상된 열 피로 강도를 갖는 무연 주석 합금을 개발하였다.

본 발명은 크리프 강도(creep strenth)와 같은 향상된 기계적 특성과 향상된 열 피로 강도를 갖는 납접 이음용 무연(無鉛) 주석 합금과, 이와 같은 합금에 기초한 무연 땜납에 관한 것이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더 자세히 설명될 것이며, 이 도면들중:

도 1은 열 피로 시험을 받는 조립체의 절단 측면도이고;

도 2-4는 열 피로 시험을 받은 후의 땜납 볼(solder ball)에 대한 주사 전자 현미경 사진이며;

도 5는 열 피로 시험 결과의 자료이다.

본 발명은 다음의 실시예를 참고하여 더 자세히 설명될 것이다.

본 발명의 제 1 측면에 따라 중량비로 0.25%까지의 인듐과, 중량비로 2.5-10% 알루미늄, 1-5% 마그네슘 그리고 이들을 제외한 중량비를 갖는 아연으로 구성되는 합금인 결정립 미세화제로 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금이 제공된다.

주석은 납과 같이 입방 결정 구조(cubic crystal structure)를 갖는 금속보다 변형에 대해 더 나은 저항력을 제공하는 정방 결정 구조(tetragonal crystal structure)를 갖는다.

이는 주석이 납에 비해 연성이 적고 이에 의해 주석이 따라서 고온이 가해졌을 때 소성 변형을 덜 받기 쉽다는 것을 의미한다.

더욱이, 납/주석 합금중의 납과 주석 성분이 주조중에 주석보다 향상된 연성을 내는 미세 결정 구조를 만드는 납 함유량이 높은 영역과 주석 함유량이 높은 영역으로 분리되는 것이 이론화 되어왔다.

따라서, 이러한 미시 구조는 균열없이 실질적인 소성 변형을 흡수할 수 있고, 즉, 이 구조는 뛰어난 열 피로 강도를 갖는다.

출원인은 납 대신에 일반적으로 유티널로 알려져 있는 상기 정의된 결정립 미세화제를 첨가하여, 미세 결정 미시 구조가 얻어질 수 있다는 사실을 발견했다. 본 발명에 따른 합금은 열 변형에 의해 유도되는 재결정 또는 결정 조대화 과정을 지연시키는 미세 고정 결정 미시 구조(fine pinned crystal micro-structure)를 갖는다. 뛰어난 열 피로 강도가 이에 의해 얻어진다.

본 발명에 사용되는 결정립 미세화제는 유티널인데, 중량비로 0.5%까지, 바람직하게는 0.1% 또는 그 이하, 그리고 가장 바람직하게는 중량비로 0.01-0.06%이 합금내에 존재하는 것이 가능하다.

주석 합금의 주조중에, 주석 결정의 확장은 결정립 미세화제인 유티널에 의해 지연되고, 이에 의해 미세 미시-결정 구조가 유지된다. 발명자는 이와 같은 합금으로 뛰어난 열 피로 강도를 이룰 수 있었다.

주석은 합금내에 중량비로 최소 90% 존재하고, 나머지 성분은 상기 논의된 것과 같은 중량비로 존재하는 유티널, 은 및/또는 구리 및/또는 비스무트(bismuth) 및/또는 안티몬으로 구성되어, 본 발명의 주석 합금은 은 및/또는 구리를 더 포함하여 이루어진다.

출원인은 은과 유티널로 이루어진 주석 합금이 공지된 주석-납 합금과 동일한 열 피로 강도를 가지고, 은 하나로만 이루어진 합금보다는 훨씬 더 나은 열 피로 강도를 갖는다는 사실을 발견했다.

본 발명의 합금은 중량비로 0.25%까지, 바람직하게는 중량비로 0.2%까지의 인듐으로 이루어진다. 본 발명의 합금은 또한 중량비로 0.2%까지의 티타늄, 및/또는 중량비로 0.2%까지의 아연으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 합금은 당업자들에게 공지된 기술에 의해 조합된다. 예를 들어, 유티널의 모합금(master ally)은 아연을 용융하고, 알루미늄과 마그네슘을 첨가하며, 금형내로 용입되는 균일한 합금을 형성하기 위해 용융되도록 교반하여 약 600℃의 온도에서 조합될 수 있다.

주석내에 있는 유티널의 모합금은 중량비로 6-12% 아연, 0.1-1% 알루미늄 그리고 0.08-0.6% 마그네슘을 함유하여, 금형내로 용입되는 모합금을 형성되도록 융융된 주석에 유티널 합금을 첨가하여 조합될 수 있다. 최종 무연 합금은 따라서 먼저 주석 재료를 용융하고 여기에 주 합금 금속, 즉 인듐과 용융된 혼합물을 형성하는 임의의 다른 합금 금속을 첨가하여 조합될 수 있다. 유티널/주석의 모합금은 따라서 용융된 혼합물에 첨가된다.

한편으로, 유티널/주석의 모합금을 조합하는 단계는 생략될 수 있고, 유티널은 상기 설명된 바와 같이 조합된 용융 무연 합금에 직접적으로 첨가된다.

4 가지의 합금이 공지된 기술에 따라 제조되었고, 이들의 조성은 아래 표 1에 주어진다. 표에서 "Eut"는 알루미늄 5%, 마그네슘 2.5% 그리고 나머지 함유량은 아연인 조성을 갖는 유티널 합금을 말한다.

참고 합금 번호 1	Sn Ag 2 Pb 36(상대적)
합금 번호 2	Sn Ag 3.5 (상대적)
합금 번호 6	Sn Ag 3.5 In 0.2 (상대적)
합금 번호 16	Sn Ag 3.5 In 0.2 Eut 0.035

이러한 합금은 이 후에 공지된 기술에 따라 볼 그리드 어레이(BGAs)로 조립되는데, 이 기술은 도 1에 보여지는 것처럼 조립체에서 실리콘 다이 패키지 (silicon die package)를 장착하기 위해 사용된다.

상기 조립체는 회로 기판(2), 땜납 볼의 그리드 어레이(4), 실리콘 다이(6) 그리고 패키지(8)로 이루어진다.

각각의 합금에 대한 6개의 조립체가 열 피로 사이클을 3000회까지 받았는데, 각각의 사이클은 +125℃에서 15분간의 유지 단계, -40℃까지 15분간의 선형 온도 감소 단계, -40℃에서 15분간의 유지 단계, +125℃까지 15분간의 선형 온도 증가 단계로 구성된다.

열 피로 사이클을 가한 후에, 주사 전자 현미경 사진인, 도 2-4가 땜납 볼에 대해 촬영되었다.

실리콘 다이 볼 그리드 어레이 패키지(Amkor 225 BGA)가 큰 변형률하에서의 땝납 특성을 조사하기 위해 사용되었다.

임의의 이음부의 전기 저항이 5 Ω을 초과하면 조립체는 파손된 것으로 간주된다.

주사 전자 현미경 사진은 합금의 미시 구조적 변화의 범위와 성질을 보여준다.

현미경 사진에 대한 검토

참고 합금 번호 1의 전형적인 현미경 사진이 도 2에 보여진다. 이들은 실리콘 다이 패키지상에 접합된 곳인 볼의 상부 가장자리에서의 미시 구조의 조대화와 균열 발생을 도시한다. 이들은 열 피로 사이클을 가하는 동안 최대 변형율을 갖는 영역인데, 이것은 땜납의 미시 구조가 변형 환경에 의해 영향받는다는 사실을 제시한다.

도 3은 합금 번호 2에 대한 변형율의 효과를 보여준다. 금속간 화합물 분포는 덜 변형되는 볼의 중앙에서 보다 심하게 변형되는 볼의 가장자리에서 훨씬 더 조대화된다.

이러한 효과는 또한 합금 번호 6에서도 나타나나, 도 4에서 보여지는 합금 번호 16에서는 나타나지 않는다. 여기서 금속간 화합물 분포는 변형 환경에 의해 현저하게 영향받는 것으로는 보이지 않는다. 이러한 결과는 몇몇의 다른 땜납 볼에 대한 관찰에 기초한 것이다.

열 피로 시험 결과의 통계학적 분석

시험으로부터 얻어진 처리되지 않은 자료가 도 5에 도시된다. 이것은 완료된 열 피로 사이클수에 대한 각각의 패키지에서의 파손 개수를 보여준다. 상기 결과는 와이불 통계법(Weibull statistics)을 사용하여 각각의 합금에 관련된 파손 확률의 지표를 제시하기 위해 변환된다.

각각의 합금에 대한 자료의 개수가 한정될 때에는, 상기 수치는 반드시 평가된 대로 처리되어야 한다.

시험된 각각의 합금에 대한 "와이불 계수"의 값은 표 2에 보여진다 높은 와이불 계수는 결과치가 좁게 분산된다는 사실을 보여주며, 반면에 낮은 와이불 계수는 결과치가 넓게 분산된다는 사실을 보여준다. 합금(6)은 가장 낮은 계수(가장 넓게 분산됨)를 갖고, 반면에, 무연 합금들중에 합금(16)이 가장 높은 계수(가장 좁게 분산됨)를 갖는다.

와이불 통계법은 또한 특별한 파손 확률에 대한 사이클수를 예측하는데 사용될 수 있다. 1% 파손에 대한 계산된 사이클수가 또한 표 2에 주어진다. 이것 역시도 합금(16)이 시험된 무연 합금중 최고임을 보여준다.

합 금	와이블 계수	절 편	1% 파손에 대한사이클(계산에 의함)
참고 합금 번호 1	24.35 ±3.1	-186.5	1758
합금 번호 2	6.68 ±0.7	-51.3	890
합금 번호 6	5.76 ±0.9	-42.9	768
합금 번호 16	20.05 ±3.2	-151.2	1494

상기 내용에 포함되어 있음.

Claims (13)

1. 중량비로 0.25%까지의 인듐과,

   중량비로 알루미늄 2.5-10%, 마그네슘 1-5% 그리고 이들을 제외한 중량비를 갖는 아연으로 구성되는 합금인 결정립 미세화제로 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 결정립 미세화제가 중량비로 0.2%까지 존재하는 납접 이음용 무연 주석 합금.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 결정립 미세화제가 중량비로 0.1%까지 존재하는 납접 이음용 무연 주석 합금.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 결정립 미세화제가 중량비 0.01%-0.06%로 존재하는 납접 이음용 무연 주석 합금.
5. 상기 청구항들중 어느 한 항에 있어서,

   은을 더욱 포함하여 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금.
6. 상기 청구항들중 어느 한 항에 있어서,

   구리를 더욱 포함하여 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금.
7. 상기 청구항들중 어느 한 항에 있어서,

   최소 중량비 90% 주석, 중량비로 0.25%까지의 인듐, 그리고 이들을 제외한 중량비를 갖는 결정립 미세화제, 은 및/또는 구리 및/또는 비스무트 및/또는 안티몬으로 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금.
8. 상기 청구항들중 어느 한 항에 있어서,

   중량비로 0.2%까지인 티타늄을 더욱 포함하여 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금.
9. 상기 청구항들중 어느 한 항에 있어서,

   중량비로 0.2%까지인 아연을 더욱 포함하여 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금.
10. 상기 청구항들중 어느 한 항에 있어서,

    중량비로 0.2%까지의 인듐으로 이루어지는 납접 이음용 무연 주석 합금.
11. 상기 청구항들중 어느 한 항에 따른 합금으로 이루어지는 무연 땜납.
12. 상기 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따른 합금 또는, 상기 제 11 항에 따른 무연 땜납으로 이루어지는 회로 기판상에 전기 부품을 배열하는 볼 그리드 어레이.
13. 상기 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따른 합금 또는, 상기 제 11 항에 따른 무연 땜납으로 이루어지는 전기 부품과 회로 기판사이의 이음.