KR20040010350A - 납땜방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납 프리 땜납을 이용한 플로우 실장법에 있어서, 땜납 브리지현상을 효과적으로 방지하여 접합 신뢰성이 높은 땜납 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

납 프리 땜납을 용융한 땜납을 이용하여 배선기판과 전자부품의 납땜을 행하는 방법에 있어서, 용융 땜납욕 중의 땜납 조성을 구리원소가 0.5~1.15 중량%, 납원소가 300~3500ppm의 범위로 되도록 조성을 관리한다.

상기 땜납욕의 조성관리는 소정 땜납욕 가동시간 경과후, 또는 땜납욕에 침지하는 배선기판의 수가 소정수에 도달한 후에, 땜납욕에서 땜납을 취하고 원소분석을 행하여 구리원소 및 납원소의 적어도 한쪽이 소정범위에서 벗어난 경우에, 땜납욕 조성이 소정범위로 되도록 땜납욕 성분을 조정함으로써 행한다.

Description

납땜방법{A METHOD FOR SOLDERING}

본 발명은 Sn-Ag-Cu계의 땜납을 이용하여 배선기판에 전자부품을 납땜하는 방법에 관한 것으로, 특히 플로우(flow) 땜납욕(浴)의 조성을 관리하여 신뢰성이 높은 납땜을 행하는 방법에 관한 것이다.

배선기판에 전자부품을 탑재하고 납땜하여 실장하는 수단으로서 용융 땜납을 수용(收容)한 땜납욕에 배선기판의 하면을 접촉시켜 전자부품의 리드(lead)를 배선기판의 회로단자부에 접속하는 소위 플로우 실장이 널리 행해지고 있다(일본국 특허공개공보 제2001-308508호 참조).

그런데, 종래 이와 같은 실장에 있어서 배선 땜납과 전자부품의 접합을 행하기 위한 땜납재료로서는 주석-납 공융혼합물(共晶) 땜납이 전극재료에 대한 젖는 성질, 접합신뢰성, 납땜온도 등의 점에서 우수하기 때문에 널리 이용되어 오고 있다. 그러나, 전기기기에서 널리 사용되어 오고 있는 이러한 납함유 땜납재료가 폐기되면 인체에 유해한 납이 환경에 용출하여 중금속 오염을 야기할 염려가 크므로, 근래에 납을 함유하지 않은 소위 납 프리(Pb free) 땜납재료의 채용이 급속히 진척되고 있다.

현재 플로우 실장용의 납 프리 땜납재료로서는 Sn-Ag-Cu계, Sn-Cu계, Sn-Zn계 등의 재료가 알려져 있지만, 이들의 땜납재료 중 Sn-Ag-Cu계, Sn-Cu계의 땜납재료가 안정한 땜납재료로서 많이 이용되고 있다.

또한, 전자부품의 단자부 재료로서는 Cu나 Fe, 또는 42합금과 같은 Fe-Ni계 합금이 이용되고 있고, 이들의 단자부 재료 표면은 납땜시 젖는 성질을 개선하기 위해 Sn-Pb 등 조성의 도금이 행해지고 있다.

그런데, 현재 일반적으로 이용되고 있는 납 프리 땜납재료를 이용하여 플로우 실장을 행하면, 땜납 고체화시에 침상(針狀)의 금속간 화합물이나 석출물이 납땜한 단자부와 이것과 근접하는 다른 원하지 않는 부분과의 사이에 다리를 놓는 상태로 고착해 버리는 소위 브리지(bridge)가 발생하여 단락을 야기하는 것이 있다.

이러한 브리지 현상을 개선하는 방법으로서, 플로우 실장을 행하는 납땜장치에 있어서 납땜부가 땜납욕으로부터 이탈하는 순간에 히터(heater) 등에 의해 납땜부를 가열하여 섬유형상물의 형성을 저지함으로써 브리지의 발생을 방지하는 것이 알려져 있다(일본국 특허공개공보 제2001-308508호 참조). 그러나, 이러한 방법에 의하면, 납땜장치 자체를 개조할 필요가 있고, 또한 복잡한 이 방법은 배선기판이 땜납욕을 이탈하는 순간에 열풍을 분사할 필요가 있어 매우 정밀도가 높은 제어가 요구되는 것이다.

본 발명은 납 프리 땜납을 이용한 플로우 실장법에서 상기 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로, 간이한 방법에 의해 땜납 브리지 현상을 효과적으로 방지하여 접합 신뢰성이 높은 땜납 접합방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, Sn-Ag-Cu계의 납 프리 땜납을 용융한 땜납을 이용하여 배선기판과 전자부품의 납땜을 행하는 방법에 있어서, 용융 땜납욕 중의 구리(銅)원소가 0.5~1.15 중량%의 범위이면서 납원소가 불순물 상당의 농도로 되도록 땜납욕 조성을 조정하는 것을 특징으로 하는 납땜방법이다.

상기 본 발명의 납땜방법에 있어서, 납원소의 조성이 300~3500ppm의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명에 있어서, 땜납욕 조성의 조정이 상기 땜납욕 조성 중 구리원소 및 납원소를 포함하지 않는 다른 성분의 적어도 1개를 첨가하거나, 또는 초기의 땜납욕 조성에서 구리원소 및 납원소를 삭감한 것을 첨가함으로써 행하는 것이다.

더욱이, 본 발명에 있어서, 땜납욕의 조성의 관리가 소정의 땜납욕 가동시간 경과후에 땜납욕에서 땜납욕 재료를 취하고, 취한 땜납재료에 대해 원소분석을 행하여 구리원소 및 납원소의 적어도 한쪽이 소정범위에서 벗어난 경우에 땜납욕 조성이 소정범위로 되도록 상기 땜납욕 재료에 땜납욕을 구성하는 원소성분의 적어도 1개를 첨가하는 것에 의해 행하거나, 또는 상기 땜납욕에 침지(浸漬)한 배선기판수가 소정의 수에 도달한 후 상기 땜납욕에서 땜납재료를 취하고, 취한 땜납재료에 관해 원소분석을 행하여 구리원소 및 납원소의 적어도 한쪽이 소정범위에서 벗어난경우에 땜납욕 조성이 소정범위로 되도록 상기 땜납욕 재료에 땜납욕을 구성하는 원소성분의 적어도 1개를 첨가하는 것에 의해 행하는 것이다.

상기 본 발명은, 플로우 땜납욕을 이용한 실장을 검토한 결과 얻어진 다음과 같은 식견에 기초하여 이루어진 것이다. 즉, Sn-Ag-Cu계 땜납재료는 납땜공정에 있어서 배선기판의 랜드(land)부나 배선패턴의 구리를 침식하는 것이 적어 욕조성이 안정된 땜납을 행할 수 있지만, 이와 같은 땜납욕에 있어서도 배선기판에서 이용하고 있는 도전재료로부터 구리원소가 용출되어 땜납욕 중에 축적하여 소정 농도 이상의 농도로 되면, 땜납욕의 점도가 상승하여 브리지 발생의 원인으로 되는 것이 판명되었다. 그리고, 이 땜납욕에 대해 정기적으로 조성분석을 행하여 구리원소의 양이 일정 이상의 값을 나타내면, 부족 또는 결핍되어 있는 원료를 첨가하여 조성을 조정함으로써 브리지 현상을 효과적으로 회피하는 것이 판명된 것이다.

또한, 이 땜납욕에 존재하는 불순물 상당 농도의 납원소가 존재하면, 땜납욕의 점도를 저하시키기 때문에, 보다 고농도의 구리원소를 포함하는 땜납욕에 있어서도 브리지 발생을 억제하여 땜납욕 조성 조정의 기간을 연장시킬 수 있고, 땜납 공정의 공정수를 감소시켜 효율적인 땜납욕 관리를 행할 수 있는 것을 지득하여 완성한 것이다.

본 발명에 있어서, 땜납욕 조성의 관리범위를 구리원소가 0.5~1.15 중량%, 납 원소의 범위가 불순물 상당의 범위, 보다 상세하게는 300~3500ppm의 범위로 설정하고 있는데, 그 이유는 구리원소의 땜납욕 중 함유량이 0.5%를 하회하면 젖는 성질이 저하하여 땜납 접합의 신뢰성이 저하되는 문제나, 배선기판에 사용하는 구리재료의 침식이 크다고 하는 문제가 있어 바람직하지 않다. 한편, 구리원소의 함유량이 1.15%를 상회하면, 땜납욕의 점성이 상승하여 침상의 금속간 화합물이나 석출물을 형성하기 쉽게 되고, 땜납 브리지의 원인으로 되어 땜납 불량 수정율이 증가한다.

또한, 납원소의 땜납욕 중의 함유량이 300ppm을 하회하면, 구리원소의 적정 조성범위가 0.5~1.0 중량% 정도로 좁아지게 되어 땜납욕 조정의 공정이 증가하여 작업효율이 저하된다. 한편, 납원소의 함유량이 3500ppm을 상회하면, 땜납재료의 응고중에 땜납의 일부가 박리되는 소위 리프트오프(liftoff) 현상이 발생될 뿐만 아니라, 납용출에 의한 환경문제를 회피하기 위해 다른 시책이 필요하게 되어 경제적이 아니다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 땜납욕 조성의 조정이 상기 땜납욕 조성 중 구리원소 및 납원소를 포함하지 않는 다른 성분의 적어도 1개를 첨가함으로써 행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 본 발명에 있어서, 상기 땜납욕 조성의 조정이 상기 땜납욕 조성 중 구리원소 및 납원소를 초기의 땜납욕 조성에서 감량한 성분조성의 재료를 첨가함으로써 행하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 땜납욕의 조성관리가 소정의 땜납욕 가동시간 경과 후에 땜납욕에서 땜납재료를 취하고 원소분석을 행하여 구리원소 및 납원소의 배합비가 소정의 범위에서 벗어난 경우에 땜납욕 조성이 소정범위로 되도록 땜납욕 성분의 적어도 1개를 첨가함으로써 행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명에 있어서, 상기 땜납욕의 조성관리가 소정 수의 배선기판을 땜납욕에 침지한 후에, 땜납욕에서 땜납재료를 취하고 원소분석을 행하여 구리원소 및 납원소가 소정의 범위에서 벗어난 경우에 땜납욕 조성이 소정의 범위로 되도록 땜납욕 성분의 적어도 1개를 첨가함으로써 행하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명은, 본 발명자들이 상기 문제를 해결하기 위해 검토한 결과 얻어진 이하의 식견에 기초하여 이루어진 것이다. 즉, 납 프리 땜납에 있어서 납땜공정을 거듭함에 따라 땜납욕 조성 중에 회로 패턴을 구성하는 구리원소나, 전자부품의 리드선을 구성하는 구리원소가 땜납욕 중에 용해되어 축적된다. 그 결과, 땜납욕의 점도가 상승하고, 납땜공정에 있어서 침상의 금속간 화합물이나 석출물이 생성되어, 이것이 브리지의 원인으로 되는 것이 판명되었다. 또한, 마찬가지로 납 프리 땜납에 있어서, 욕조성(浴組成)에 리드 도금재료 등에 포함되는 납원소가 용해혼입하면, 접합부의 응고 온도범위가 확대된다. 특히 납원소가 마이크로편석(microsegragation)하면, 땜납 접합의 표층부에서는 땜납이 응고되지만, 땜납 내부에서는 미응고의 저점도 용융 땜납영역이 잔류하고, 이것이 점점 응고하는 과정에서 기판 등의 응고수축에 의해 응력이 증가하여 땜납 접합의 박리·변형이 발생하는 것이 분명하게 되었다. 따라서, 땜납욕 조성을 관리·제어함으로써, 이들의 브리지나 리프트오프 현상을 방지할 수 있는 것으로 생각이 미쳐 본 발명을 완성하는데 도달한 것이다.

(발명의 실시형태)

이하, 본 발명에 따른 실시형태를 상세히 설명한다.

본 발명에서 이용되는 납 프리 땜납재료는 Sn-Ag-Cu계의 땜납으로서 공지의물질을 사용할 수 있다. 땜납재료는 각각 재료에 따라 다르지만, 대체로 질소 분위기 하에서 250±2℃의 온도범위에서 용융유지되어 플로우 실장의 납땜으로 이용된다.

배선기판의 납땜공정수의 증가에 수반하여 땜납욕 중에 구리 및 납, 그외 다른 금속이 용해혼입하고, 땜납욕 조성은 땜납욕 가동시간 또는 땜납욕에 침지하는 배선기판수의 증가에 수반하여 조성이 차차로 변화하여 간다. 즉, 구리, 납 및, 철 등 배선기판의 배선패턴 재료, 배선기판에 탑재하고 있는 전자부품의 리드재료, 또는 이러한 리드선 표면에 도금되어 있는 재료 등에 포함되는 금속원소가 땜납욕 중에 용해혼입하여 이들 금속원소의 비율이 상승하고, 배선기판에서 사용되지 않는 주석, 은 등의 원소의 비율이 상대적으로 저하해 간다.

그런데, 이 땜납욕에서 땜납재료를 항상 또는 적절한 간격으로 채취하고, ICP 분석법 등의 원소분석법을 이용하여 땜납욕의 구성원소를 정량분석함으로써 땜납욕의 조성을 조사한다. 그리고, 이 조성이 소정범위를 벗어난 단계에서 땜납욕 조성에 결핍되어 있는 원소를 보충하기 위해, 비율이 증가하고 있는 구리원소 및 납원소 이외의 납 프리 땜납재료 구성원소를 땜납욕에 첨가한다. 또는, 구리원소 및 납원소 이외의 성분이 풍부한 땜납재료를 땜납욕에 첨가한다.

이 보충원소의 첨가는 결핍되어 있는 개개의 금속원소를 개별적으로 첨가해도 되고, 미리 구리 및 납 이외의 구성 금속원소를 용융합금화하여 펠릿(pellet)화 한 것을 첨가해도 된다. 이 합금화한 펠릿을 첨가하는 방법에 의하면, 땜납욕 조성 관리를 빠르게 행할 수 있어 실용적이다. 또한, 이들의 금속원소를 땜납욕에 첨가하기 이전에 용융해 두어 용융금속으로 하여 첨가하면, 더욱 땜납욕 조성의 조정을 빠르게 행할 수 있다. 또한, 보충금속으로서 초기의 단계에서 사용되는 땜납조성에서 구리원소 및 납원소의 배합비율을 저하시킨 재료로 하여 첨가해도 된다. 이에 의하면, 조성조정의 빈도는 높아지지만, 조성조정의 결과 조성이 균일해지는 시간의 단축을 도모할 수 있다.

실시예

350ppm의 납원소를 함유하고 Sn-Ag-Cu의 조성을 갖는 땜납 600kg을 용융하고, 250℃로 유지하여 땜납욕으로 하였다. 이 땜납욕은 Cu를 0.52% 함유하고 있다. 여기에, 부품개수 1100개의 양면 배선기판의 이면을 3.5초간 침지하여 납땜을 행했다. 이와 같이 하여 배선기판 약 10000개를 처리할 때 마다 땜납욕 재료를 용융한 채 땜납재료를 약 500g 채취하여 ICP 원소분석법에 의해 원소분석을 행하고, 초기의 땜납욕 재료 조성과 비교하였다. 이 사이클을 5회 반복한 바, 납원소의 양이 3100ppm, 구리원소의 양이 1.15%에 도달하였기 때문에, 일상적으로 땜납욕에 첨가하는 땜납을 Sn-Ag-Cu계로부터 Sn-Ag계로 변경하였다.

이와 같이 조성관리를 행한 땜납욕으로 100000개의 배선기판의 실장을 행했는데, 브리지 발생율은 600ppm 이하이고, 리프트오프의 발생율은 2%이었다. 여기서, 브리지 발생율은 브리지 발생수를 전체 납땜 포인트(point)수로 나눈 비율이고, 리프트오프 발생율은 리프트오프 발생수를 전체 납땜 포인트수로 나눈 비율이다.

한편, 이와 같은 땜납욕 조성관리를 전혀 행하지 않은 땜납욕으로 50000개의배선기판의 납땜을 행한 결과, 땜납 브리지 발생율이 40000개째 이후부터 증가하여 1000~1200ppm에 도달하였다. 또한, 리프트오프 발생율은 약 50%에 도달하고 있었다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 환경오염을 야기시키지 않는 납 프리 땜납을 사용하면서, 땜납욕의 장시간 사용에 의하여도 땜납 브리지나 리프트오프 현상이 일어나지 않아 신뢰성이 높은 납땜을 행할 수 있다는 특징적인 효과를 발휘할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. Sn-Ag-Cu계의 납 프리 땜납을 용융한 땜납을 이용하여 배선기판과 전자부품의 납땜을 행하는 방법에 있어서,

   용융 땜납욕 중의 구리원소가 0.5~1.15 중량%의 범위이면서 납원소가 불순물 상당의 농도로 되도록 땜납욕 조성을 조정하는 것을 특징으로 하는 납땜방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 납땜방법에 있어서, 납원소의 조성이 300~3500ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 납땜방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 땜납욕 조성의 조정이 상기 땜납욕 조성 중 구리원소 및 납원소를 포함하지 않는 다른 성분의 적어도 1개를 첨가하거나, 또는 초기의 땜납욕 조성에서 구리원소 및 납원소를 삭감한 것을 첨가함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 납땜방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납욕의 조성에 대해 소정의 땜납욕 가동시간 경과후에 땜납욕에서 땜납욕 재료를 취하고, 취한 땜납재료에 대해 원소분석을 행하여 구리원소 및 납원소의 적어도 한쪽이 소정범위에서 벗어난 경우에, 땜납욕 조성이 소정범위로 되도록 상기 땜납욕 재료에 땜납욕을 구성하는 원소성분의 적어도 1개를 첨가함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 납땜방법.