KR20030012963A

KR20030012963A - 납땜성 및 강도가 향상된 주석,비스무스, 아연, 인듐으로구성된 무연솔더

Info

Publication number: KR20030012963A
Application number: KR1020010047231A
Authority: KR
Inventors: 이도재; 이경구; 조규종
Original assignee: 이도재; 이경구; 조규종
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-02-14

Abstract

본 발명의 목적은 주석(Sn)을 기본조성으로 하고 비스무스(Bi), 아연(Zn), 인듐(In) 등을 첨가하여 제조된 무연 솔더에 관한 것으로 전자제품 및 반도체의 납땜에 사용되는 기계적 특성이 향상되고 납땜성이 개선된 솔더합금을 합금을 제공함에 있다.

본 발명은 비스무스(Bi) 45∼57중량%, 아연(Zn) 0.1∼3 중량%, 인듐 1∼4% 잔부 주석(Sn)이 배합되어 조성된 무연솔더 합금에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

납땜성 및 강도가 향상된 주석, 비스무스, 아연, 인듐으로 구성된 무연 솔더{Lead free solder composed of Sn-Bi-Zn-In}

본 발명은 주석(Sn)을 기본조성으로 하고 비스무스(Bi), 아연(Zn), 인듐(In) 등을 첨가하여 제조된 무연 솔더 조성물에 관한 것으로, 상기 비스무스(Bi)는 45∼57중량%, 아연(Zn)은 0.1∼3 중량%, 인듐 1∼4중량% 잔부 주석(Sn)이 배합되어 조성된 무연 솔더로서 조성물을 구리(Cu)기판에 납땜하여 장기간 사용시 종래 사용중인 Sn-Pb 2원계 공정 솔더나 Sn-Bi공정 솔더보다 더 우수한 기계적특성(전단강도, 크리프 특성)을 가지면서, 인듐(In)의 첨가로 아연(Zn) 첨가시 발생되는 납땜성의 저하를 억제하는 효과를 지니고 있다. 또한 인체에 유해한 납(Pb) 성분을 전혀 포함하지 않기 때문에 폐기시 납(Pb) 용출에 따른 환경오염, 자연생태계 파괴 등의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 효과가 있다.

90년대 이후부터 전 산업분야에서 일고 있는 지구환경보호라는 여러 가지 규제는 전자산업의 패키징 분야에도 영향을 미쳐 미국, 유럽 및 일본을 중심으로 Pb가 들어있지 않은 땜납의 개발에 대해 활발한 연구를 진행하였다. 또한 새로운 땜납에 대한 개발의 필요성은 단지 환경적인 측면뿐만 아니라 전자제품이 소형화, 고속화, 집적화 됨으로써 나타나는 여러 가지 문제점을 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 땜납과 관련한 Pb의 환경오염은 납땜된 기판을 폐기처분 하였을 경우와 작업 과정 중에 발생한 땜납의 찌꺼기로 인한 환경오염 등으로 대별할 수 있다. Pb는 분해되지 않은 금속으로 일단 섭취하면 방출되지 않고 체내에 축적되며, Pb를 포함하는 폐기물은 토양을 오염시키는 문제가 있다. 특히 미국 질병규제 센터에서 명시한 Pb의 독성은 혈중농도 10 g/dl 이상이 되면 치명적이고, 어린이에게는 지능의 저하를 유발시킬 수 있다고 한다. 이러한 Pb의 독성이 알려지면서 미국에서는 1986년에 수도관과 같은 음용수의 배관재에 Pb계 땜납의 사용을 금지하였으며(Section 1417, Amendment to the Safe Drinking Water Action 6-19-1986), 2000년 이후부터는 전자제품에도 Pb계 땜납의 사용을 법적으로 금지하는 법안이 상정중이다. 이러한 Pb계 땜납의 사용 제한이 가시화 되면서 전자업계인AT&T, Motorola, GE 등의 주도로 표면실장회의백서(Surface Mount Council White Paper)가 발표되게 되었고 Pb계 땜납의 사용제한은 가속화되고 있다. 백서에 의하면 전자제품을 폐기할 경우 토양이 Pb에 오염되어 환경에 치명적인 영향을 주며, 자동차의 재활용을 위하여 부품을 용해할 때, 인체가 Pb의 증기에 노출되어 납중독을 가져오는 것으로 보고되어 있다. 이와 같은 이유로 유럽에서는 자동차의 부품을 재활용 할 경우, 2002년부터 Pb계 땜납을 사용한 부품들을 제거하여야만 재활용 공정에 들어갈 수 있다. 따라서 전자부품에 Pb계 땜납의 사용이 법적으로 제한될 경우에 대비하여 국내에서도 Pb가 함유되지 않은 땜납의 개발이 시급한 실정이다.

새로운 땜납에 대한 개발의 필요성은 환경 적인 측면뿐만 아니라 반도체 분야의 집적도 증가로 소자와 기판과의 접합부위가 소형화되면서 지금까지 사용된 Sn-Pb계 합금보다 물성이 우수한 합금의 개발이 요구되고 있기 때문에 더욱 절실하다.

납땜에 관계되는 문제점으로는 납땜부위의 미소화에 따른 작업과정에서 야기되는 결함과 사용상의 결함(Thermo-mechanical fatigue & creep)등이 있는데, 다중 칩(Chip)의 경우 신뢰성, 패키징 밀도, 경제성에서 단일 칩에 비해 유리하지만 고 집적화로 인하여 많은 열이 발생한다. 이와 같은 열은 Si칩의 경우 거의 100℃에 이르며, 이 온도는 땜납 합금 융점의 60%를 초과하기 때문에 계면 반응층의 성장이 나타나고, 반복 사용에 따른 열 응력으로 접합부위의 파괴가 발생하여 전자부품의 기능을 약화시키거나 수명을 단축시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 미국내의 많은 연구소(AT&T, HP, IBM, GM, Ford)와 대학에서 물성이 우수하면서 Pb를 함유하지 않은 새로운 땜납 합금 개발에 총력을 기울이고 있다.

무연 땜납 중 Sn-57%Bi계 땜납은 융점이 낮기 때문에 광전자 부품(Optoelectronic device)이나, 열에 의해 손상이 가기 쉬운 부품의 접합부와 열팽창 계수 차이에 의한 열충격을 받기 쉬운 접합부에 이용할 수 있으나 장기간 사용시 계면 및 미세조직의 변화가 심하여 물성이 열화되는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 McCormack등(M. McCormack and S. Jin, Appl. Phys. Lett, Vol.64(1994)580)은 Sn-Bi계 합금에 Fe을 2.5% 첨가하고, Cu를 1% 첨가하여 미세조직을 관찰한 결과 공정의 Sn-Bi계 합금에 비해 조대화 경향이 크게 감소하였다고 보고하였으나 땜납 자체의 물성만을 측정하여, 실제 땜납의 특성을 좌우하는 기판과의 접합 수명 특성은 규명하지 못하였다.

저융점 솔더로서의 특허로는 일본의 특허번호 86-93210의 경우 주석(Sn)기지에 비스무스(Bi)를 25∼85%, 아연(Zn)을 0.1∼10첨가하고 안티몬을 0.1∼10첨가하였으나, 비스무스(Bi) 함량이 57%이상 증가하면 공정온도 범위에서 벗어나기 때문에 취성과 응고범위 증가가 나타나 물성이 저하되며, 아연(Zn)의 함량이 5%이상 증가하면 아연(Zn)의 산화성으로 인하여 납땜성이 현저히 감소하여 솔더로서의 사용이 제한된다. 따라서 저융점 솔더로의 사용을 위하여는 솔더의 융점이 150℃이하로 낮아야 되며, 또한 계면에서의 강도가 우수한 물질이 첨가되어야 한다. 그러한 물질로는 아연(Zn)을 꼽을 수 있으나 아연이 첨가될 경우 산화성으로 인하여 납땜성의 저하가 나타나기 때문에 또한 납땜성을 향상시키는 원소가 첨가되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 납의 첨가에 따른 환경 오염 및 아연 첨가에 따른 납땜성 및 전자제품을 장기간 사용하였을 때 나타나는 기계적 성질의 저하 등 제반 문제점들을 감안하여 안출한 것으로 합금원소의 조절을 통하여 납땜성 및 사용 수명을 향상시킨 무연 솔더의 합금소재를 제공하는데 주요 목적이 있다.

본 발명자가 솔더합금으로 제조한 합금성분은 중량비로 비스무스(Bi) 45∼57%, 아연(Zn) 0.1∼3%, 인듐(In) 1∼4%를 함유하고 나머지가 주석(Sn)으로 납땜성 및 기계적 성질이 우수한 합금이다.

본 발명에 첨가된 합금의 양은 다음과 같은 사항에 의해 그 양을 조절하였다.

주석(Sn)은 자체에 독성이 없고, 접합모재에 대하여 젖음성을 제공하는 작용을 가진 것으로서, 솔더기재로서 필수금속이다.

비스무스(Bi)는 주석의 융점을 하강시키며, 비스무스의 함량이 높을수록, 솔더합금의 융점은 낮아진다. 또한 비스무스(Bi) 함량이 57%가 되면 공정조성의 합금이 되어 융점이 137℃로 낮아진다. 따라서 비스무스는 공정조성에서 많이 벗어나지 않은 45∼57%를 선정하였다.

아연(Zn)은 솔더에 첨가될 경우 구리(Cu)기판과의 납땜시 계면에 형성시키는 반응층을 변화시키며, 또한 전자제품을 장기간 사용하더라도 솔더의 미세조직 조대화를 억제시키기 때문에 첨가한다. 그러나 아연(Zn)은 산화성이 강하여 많이 첨가할 경우 납땜성의 저하를 가져오기 때문에 중량으로 0.1∼3%를 첨가한다.

인듐(In)은 열피로 저항성이 우수하고 솔더의 유동성을 증가시켜 납땜성을향상시킨다. 특히 아연(Zn)이 함유된 솔더의 경우 산화로 인한 납땜성의 저하가 나타나기 때문에 인듐(In)의 첨가는 필수적이다. 인듐의 첨가는 첨가량이 5%이상이 되면 합금의 단가상승과 응고구간이 넓어지기 때문에 1∼4%의 첨가가 바람직하다.

솔더의 제조는 각각의 원소를 무게비로 칭량 후 용해하여 제조하였다. 합금 제조는 주석(Sn)을 먼저 도가니에 장입하고 600℃의 전기로에서 용해시킨 다음 비스무스(Bi)와 첨가 원소를 차례로 투입하여 10분간 유지하여 제조하였다. 이때 합금의 균일한 혼합을 위해 지름 5㎜인 석영관으로 교반 하였으며, 산소농도가 10-12ppm으로 정제된 아르곤 분위기 하에서 용해하였다. 이와같은 솔더와 구리(Cu) 기판과의 납땜성은 퍼짐면적 법을 이용하여 상대 비교하였으며, 용제는 퍼짐성 측정에 널리 사용되는 RMA(rosin milded activated) 용제를 사용하였다.

솔더는 대부분이 접합된 상태에서 응력을 받고 변형을 하며, 납땜된 부위에 가해지는 응력은 주로 전단응력이 작용하며, 변형 또한 주로 전단변형이다. 이처럼 접합상태에서 땜납이 받는 응력과 변형이 전단방향이므로 땜납이 접합된 상태에서 전단방향으로의 변형에 대한 기계적 특성이 필요하다. 이러한 연구를 위해서는 솔더의 변형이 정확히 접합된 부분에서 전단변형이 일어나고 접합부분 전체에 걸쳐 균일한 전단변형이 일어나야 된다. 지금까지 납땜부위의 강도를 측정하는데 사용되어 온 겹치기 이음(Single lap joint)은 접합부분이 평행한 두 개의 판으로 이루어져 있다.

이 시편의 문제점은 초기에는 단순히 땜납이 전단변형을 하지만 변형이 얼마 진행한 후에는 접합부분이 응력축을 벗어나므로 회전모멘트가 발생하여 땜납이 전단변형 외의 변형을 하게 된다. 이와 같이 이 시편을 이용하여 측정한 전단변형시의 기계적 특성은 완전한 전단변형에 의한 기계적 특성이 아니다. 따라서 본 연구에서는 전단강도 측정결과의 재현성이 우수한 것으로 알려진 Modified double lap shear joint시편(E. P. Wood and K. L. Nimmo, J. Electron. Mater, Vol.23(1994) 709.)을 사용하였다.

제 1도는 종래의 Sn-57Bi 솔더와 본 발명에 의한 Sn-Bi-Zn-In계 합금의 납땜성(퍼짐성)을 비교한 그래프

제 2도는 종래의 Sn-57Bi 솔더와 본 발명에 의한 Sn-Bi-Zn-In계 합금의 시효에 따른 미세조직 변화를 비교한 사진

제 3도는 종래의 Sn-57Bi 솔더와 본 발명에 의한 Sn-Bi-Zn-In계 솔더를 구리 기판에 접합한 후 시효에 따른 전단강도를 비교한 그래프

제 4도는 종래의 Sn-57Bi 솔더와 본 발명에 의한 Sn-Bi-Zn-In계 솔더를 구리 기판에 접합한 후 시효에 따른 크리프 강도를 비교한 그래프

무연솔더

실시예 1

본 발명에 의해 제조된 Sn-Bi-Zn-In계 합금의 납땜성의 특성을 기존 사용중인 Sn-57Bi계 솔더를 비교재로 사용하여 그 결과를 제 1도에 나타냈다.

합금조성	납땜성(퍼짐성) ㎠	비고
Sn-57Bi	11
Sn-Bi-Zn	9
Sn-Bi-In	12

퍼짐면적은 솔더를 구리(Cu)판에 장입하고 200℃에서 1분간 유지한 후 솔더가 퍼진 면적을 측정하였으며, 솔더가 많이 퍼질수록 납땜성이 우수하다.

제 1도에 나타난 바와 같이 본 Sn-Bi솔더에 아연(Zn)이 첨가되면 납땜성이 저하되며, 발명재와 같이 아연(Zn)과 인듐(In)이 동시에 첨가되면 기존 사용중인 Sn-Bi솔더보다 납땜성이 향상됨을 알 수 있다.

실시예 2

본 발명에 의해 제조된 Sn-Bi-Zn-In계 합금의 미세조직을 기존 사용중인Sn-57Bi계 솔더를 비교재로 사용하여 그 결과를 제 2도에 나타냈으며, 시효에 따른 효과를 알아보기 위해 100℃에서 60일간 시효한 사진을 함께 나타냈다.

사진에 나타난 바와 같이 시효전에도 발명재의 경우에 미세조직이 미세하였으며, 100℃에서 60일간 시효한 경우에도 기존 사용중인 솔더인 Sn-57Bi의 경우보다 조대화가 억제되어 발명재의 경우가 미세조직의 안정성이 우수함을 알 수 있다.

실시예 3

제 3도는 본 발명에 의해 제조된 Sn-Bi-Zn-In계 합금의 전단강도를 기존 사용중인 Sn-57Bi계와 Sn-Pb계 솔더를 비교재로 사용하여 그 결과를 제 3도에 나타냈으며, 시효에 따른 효과를 알아보기 위해 100℃에서 60일간 시효한 결과를 함께 나타냈다.

시효시간(days)합금조성	0 일	60 일	비고
Sn-40Pb	2.8	2.6
Sn-57Bi	4.6	1.8
발명재	4.7	4.5

제 3도에 나타난 바와 같이 본 발명재의 전단강도는 Sn-Pb솔더보다는 우수하지만 시효전에는 사용중인 Sn-57Bi와는 별다른 차이가 나타나지 않았다. 솔더의 수명을 좌우하는 시효에 따른 전단강도는 Sn-57Bi/Cu의 경우 계면에서의 취약성으로 인하여 급격한 감소를 나타냈으나, 본 발명재의 경우 강도의 감소폭이 거의 없어 전자제품의 장기간 사용시에도 우수한 기계적 특성을 나타냈다.

실시예 4

제 4도는 본 발명에 의해 제조된 Sn-Bi-Zn-In계 합금의 크리프 강도를 기존사용중인 Sn-57Bi계와 Sn-Pb계 솔더를 비교재로 사용하여 그 결과를 제 4도에 나타냈으며, 시효에 따른 효과를 알아보기 위해 100℃에서 60일간 시효한 결과를 함께 나타냈다.

시효시간(days)합금조성	0 일	60 일	비고
Sn-40Pb	1200	2500
Sn-57Bi	1800	3700
발명재	1400	4500

제 4도에 나타난 바와 같이 본 발명재의 크리프 강도는 시효전에는 Sn-Pb솔더와 유사한 경향을 나타냈으며, Sn-57Bi보다는 낮은 수명을 나타냈다. 솔더의 수명을 좌우하는 시효에 따른 크리프 강도는 전반적으로 상승하였으며, 본 발명재의 경우가 Sn-57Bi/Cu의 경우보다 시효에 의하여 크리프 수명이 더 증가하였다.

Claims

합금의 중량비로 비스무스(Bi) 45∼57중량%, 아연(Zn) 0.1∼3 중량%, 인듐 1∼4% 잔부 주석(Sn)이 배합되어 조성된 무연솔더