KR20050030237A

KR20050030237A - 무연 솔더 합금

Info

Publication number: KR20050030237A
Application number: KR1020040092857A
Authority: KR
Inventors: 성백기
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-11-13
Filing date: 2004-11-13
Publication date: 2005-03-29
Also published as: EP1824638A1; CN101048258A; EP1824638A4; WO2006052049A1; US20090129970A1; JP2008518791A

Abstract

본 발명은 인쇄 회로 기판(PCB) 등에 전자 부품 등을 실장하거나 도금할 때 사용되는 솔더 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 0.1 내지 3.0중량%의 Cu, 0.01 내지 0.5중량%의 Ni, 0.1 내지 5.0중량%의 Ag 및 Sn을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금에 관한 것이다.

본 발명에 따른 Sn-Ag계 무연 솔더 합금은 종래의 무연 솔더 합금에 비하여 용융점이 낮고, 젖음성 및 접합 강도가 개선되며, 용도에 따라 적합한 합금 함유율이 제공되는 이점이 있다.

Description

무연 솔더 합금{Pb free solder alloy}

본 발명은 인쇄 회로 기판(PCB) 등에 전자 부품 등을 실장하거나 도금할 때 사용되는 솔더 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Cu(구리) 0.1 내지 3.0중량% , Ni(니켈) 0.01 내지 0.5중량%, Ag(은) 0.1 내지 5.0중량% 및 Sn(주석)을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 솔더링(soldering)은 납땜을 이용한 접합 기술로서, 특히 인쇄 회로 기판(PCB)에 반도체 칩이나 저항 칩과 같은 소형 전자부품을 실장하기 위한 접합재로 이용되고 있다. 이러한 납땜을 이용한 접합기술은 최근 전자제품의 소형경량화와 고기능화에 따라 부품장착의 고밀도화로 한층 더 고도화된 수준이 요구되고 있다. 즉, 부품장착의 고밀도화로 인하여 PCB와 실장 부품 및 솔더 등이 온도 변화나 열팽창 차이, 진동 등에 의한 반복응력의 영향을 보다 더 많이 받게 되므로, 납땜 접합부에 있어서 솔더 합금 조직이 조대화되어 피로파괴 등에 의한 균열이 발생된다. 이러한 납땜부의 균열은 예컨대, PCB에 실장된 부품의 단선불량과 같은 치명적인 결함 발생의 요인으로 작용한다.

그리하여 PCB에 전자부품을 장착하기 위한 솔더링 재료로서 Sn(주석)과 납(Pb)으로 이루어진 2원계 합금, 예컨대, Sn 60중량%-Pb 40중량%로 이루어진 솔더 합금이나, Sn 63중량%-Pb 37중량%로 이루어진 솔더 합금을 주로 사용하였다.

그러나, 종래의 Sn-Pb 솔더 합금은 폐기 시 납이 유출되어 환경 오염의 원인이 되는 문제점을 가지고 있다.

또한, 전기전자제품의 유해물질 금지에 관한 유럽연합(EU)의 ‘전기·전자 장비폐기물 처리지침(WEEE)’과 ‘유해물질 사용제한지침(RoHS)’등의 규제가 확정되면서, 최근의 전자업계에서는 솔더 합금의 제조 시 납 사용을 규제하거나 또는 배제함으로써 환경 친화적인 무연 솔더 합금 개발을 활발하게 추진하고 있는 추세에 있다.

이러한 무연 솔더 합금으로서는 일본 공개특허공보 2000-225490호에 개시된 Cu-Ni-Sn 3원계 합금이 알려져 있다. 이 Cu-Ni-Sn 3원계 무연 솔더 합금은 Sn-Cu 합금에 있어서 Cu의 조성 일부를 Ni로 치환한 것으로서, Cu가 0.05 내지 2.0 중량%, Ni이 0.001 내지 2.0 중량%이고, 나머지가 Sn으로 조성되어 있다.

상기 무연 솔더 합금은 Pb을 함유하지 않으므로 환경 오염을 줄일 수 있으며, 기계적 강도가 다소 상승하는 점은 있으나, 솔더링 시 산화에 의한 드로스(Dross)가 과다하게 발생하여 접합강도가 저하되는 문제점이 있으며, 솔더의 젖음성(Wettability)과 퍼짐성(Spreadability)이 떨어져 솔더링 부위에 실 형태의 브릿지(Bridge)가 발생되어 쇼트 발생과 같은 결함을 유발시키는 문제점이 있었다.

또한, 부품의 전극(칩 부품)이나 리드(리드 부품)는 제조 공정상 솔더링성과 내산화성(방식성)을 강화하기 위해 마지막 공정으로 도금을 하는데, 기존 Sn-15%Pb도금을 하다가 Pb 성분이 배제된 Sn100% 도금 또는 Sn-Cu 도금을 하게 되면 휘스커(Whisker, 도금 표면에서 수염처럼 발생하는 것으로, 도금 표면의 산화와 금속 조직이 압축 응력을 받으면 이 스트레스를 풀기위해 자람)가 발생되어 전기적 쇼트가 일어나 제품 고장의 원인이 되기도 한다.

상기와 같은 무연 솔더 합금의 단점을 극복하기 위하여, 대한민국 특허 등록 제10-0453074호에 Pb 성분을 배제하되, Cu 0.05 내지 2.0중량%, Ni 0.001 내지 2.0중량%, P(인) 0.001 내지 1.0 중량% 및 나머지가 Sn으로 이루어진 4원계 무연 솔더 합금이 개시되어 있다.

상기 4원계 무연 솔더 합금은 기존의 Cu-Ni-Sn 3원계 무연 솔더 합금에 P를 미소량 첨가하여 산화물의 반응을 억제시킴으로써, 솔더의 강도를 증가시키고, 납땜부의 열응력 및 진동 등에 견딜 수 있는 내스트레스성을 향상시키는 동시에 유동성을 증가시켜 솔더링 결함을 감소시키도록 하였다.

그러나, 이러한 4원계 무연 솔더 합금에 있어서도 솔더링시 최대한 30~40도의 온도 상승이 유발되기 때문에 부품의 내열성을 확보해야 하고, 기존 Sn-Pb 솔더에 비해 젖음성, 퍼짐성 등이 떨어지기 때문에(15%정도 감소) 솔더링성이 저하되며, 무연(수동 부품 Sn도금, IC류 Sn, Sn-Bi도금이 주류)으로 도금 시 부품자체의 솔더링성도 저하된다는 문제점이 여전히 남아 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무연 솔더 합금의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 종래의 무연 솔더 합금에 비하여 용융점이 낮고, 젖음성 및 접합 강도가 보다 개선되며, 용도에 따라 합금 함유율이 다른 Sn-Ag계 무연 솔더 합금을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Cu(구리) 0.1 내지 3.0중량% , Ni(니켈) 0.01 내지 0.5중량%, Ag(은) 0.1 내지 5.0중량% 및 Sn(주석)을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금을 제공한다.

또한 본 발명은, Cu는 0.3 내지 0.8중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량% , Ag는 0.1 내지 0.5중량% 및 Sn을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금을 제공한다.

또한 본 발명은, Cu는 0.3 내지 0.8중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량%, Ag는 2.0 내지 4.0중량% 및 Sn을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금을 제공한다.

또한 본 발명은, Cu는 2.1 내지 2.5중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량%, Ag는 2.0 내지 4.0중량% 및 Sn을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금을 제공한다

또한 본 발명은, Cu는 2.1 내지 2.5중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량%, Ag는 0.1 내지 0.5중량% 및 Sn을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금을 제공한다

또한, 본 발명은 0.003 내지 0.01중량%의 P(인)를 더 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

상기한 바와 같은 조성을 가지는 본 발명에 의한 Sn-Ag계 무연 솔더 합금은, 기존 Sn-Cu계 무연 솔더 합금에 있어서 산화물의 반응을 억제시켜 솔더의 강도를 증가시키고, 납땜부의 열 응력 및 진동 등에 견딜 수 있는 내스트레스성을 향상시키는 동시에 유동성을 증가시킬 수 있도록 하기 위한 목적으로 Ag, Ni 금속과 P를 최적량 첨가한 것이다.

본 발명은 합금 성분 중에서 융점이 232℃이고 접합 모재로 많이 사용하는 Sn을 모재로 사용하고, 접합강도를 향상하기 위하여 Cu, Ag 금속을 첨가하며, Sn-Cu, Sn-Ag 금속간 화학물의 생성을 억제하기 위하여 Ni를 첨가하였고, 마지막으로 솔더링시 솔더 표면과 산소 마찰로 발생하는 드로스 발생을 줄이기 위하여 소량의 P를 첨가하였다.

Cu를 Sn에 약 0.7% 가하면 Sn 100%보다 용융점이 232℃에서 약 5℃가 낮아져서 약 227℃의 공융 합금으로 된다.

Cu의 첨가량으로서는 0.3~0.8% 중량 관리가 최적이고, Cu가 0.9%이상 첨가 되면 융점이 다시 상승하게 된다. 융점이 상승하면 납땜 온도 조건도 올려야 하기 때문에 내열성이 약한 전자 부품에 악영향을 주고 표면 산화, 점도 증가, 젖음성 저하 및 플로우(Flow) 또는 리플로우(Reflow) 솔더링에서 브릿지, 고드름의 원인이 된다. 다만, 솔더볼의 경우와 같이 접합 재료 대상인 PCB류, 표면 실장 부품류, 금속류 등의 내열성이 확보된다면 Cu를 2.3% 첨가하여 솔더링이나 금속 도금을 하여도 젖음성 및 접합 강도가 개선될 수 있다.

Ag를 Sn에 약 3.0% 첨가하면 용융점을 내리는 효과를 가지고, 특히 에폭시 PCB 재질에서 쓰루홀(Through Hole)까지 솔더가 올라올 수 있도록 젖음성이 개선되며, 접합강도의 개선에도 도움이 된다. 그러나, Ag의 단가가 높으므로, PCB 재질이 페놀인지 에폭시인지 여부에 따라 그 함량을 다르게 하였다.

Ag의 첨가량으로서는 0.1~0.5%(페놀 사용 시) 또는 2.0~4.0%(에폭시 사용 시) 중량 관리가 최적이다.

또한, Ni를 0.01~0.1% 중량 첨가한다. 도1에서 Ni 함유량에 따라 젖음성이 변화하는 것을 알 수 있다.

Ni은 Sn과 Cu, Ag가 반응해서 생기는 Sn-Cu, Sn-Ag과 같은 금속간 화학물을 억제하는 역할을 하며, 용탕 또는 솔더 포트(POT)에서 유동성을 좋게 한다.

금속간 화합물은 융점이 높고, 합금 용융 시에 용탕 중에 존재해서 유동성을 저해하고, 땜납으로서의 성능을 저하시킨다. 그 때문에 납땜 작업 시에 땜납 무늬 사이에 잔류하게 되면, 도체끼리를 쇼트시키는 브릿지로 되는 것이고, 용융 땜납과 이격될 때 돌기 모양의 뿔이 남게 된다.

또한, 미량의 P를 첨가하였다. 도2, 3에서 P 함유량에 따른 산화물량 변화를 알 수 있다.

솔더링시 설비 내부에서 질소를 사용할 경우 산화물이 적게 발생하므로 P를 사용하지 않아도 되나, 질소를 사용하지 않는 경우 Sn 99%이상 과다 함유에 따라 솔더링시 산소와 결합으로 용융 솔더의 산화에 의한 드로스 또는 산화물 발생으로 솔더링시 브릿지를 발생시키고, 솔더 품질을 악화시키므로 이 때에는 P를 첨가하여 납조 POT에 드로스를 최소화하고 브릿지 발생을 방지할 수 있다. 단, P가 0.05% 이상이면 산화방지 효과가 없다.

하기 표1은 본 발명에 따른 Sn-Ag계 무연 솔더 합금의 조성 및 함유량에 따른 용융점을 나타낸 것이다.

[표1]

NO	Sn	Cu	Ni	Ag	P	용융점℃)
1	잔부	0.5%0.3~0.8	0.05%0.01~0.1	0.3%0.1~0.5	-	227
2	잔부	0.5%0.3~0.8	0.05%0.01~0.1	0.3%0.1~0.5	0.008%0.003~0.01	227
3	잔부	0.5%0.3~0.8	0.05%0.01~0.1	3.0%2.0~4.0	-	220
4	잔부	0.5%0.3~0.8	0.05%0.01~0.1	3.0%2.0~4.0	0.0080.003~0.01	220
5	잔부	2.3%2.1~2.5	0.05%0.01~0.1	0.3%0.1~0.5	0.008%0.003~0.01	270
6	잔부	2.3%2.1~2.5	0.05%0.01~0.1	3.0%2.8~3.2	0.008%0.003~0.01	270
7	잔부	2.3%2.1~2.5	0.05%0.01~0.1	0.3%0.1~0.5	-	270
8	잔부	2.3%2.1~2.5	0.05%0.01~0.1	3.0%2.8~3.2	-	270

또한 본 발명의 Sn-Ag계 무연 솔더 합금에 따르면, PCB 재질이 페놀 또는 에폭시인지 여부, 부품 소자 리드, 가용성 인쇄 회로(flexible printed circuit, FPC), Wire-B(Wire-Bonding) 등 도금 대상의 내열성 확보 여부 또는 솔더링시 설비 내부의 질소 사용 여부에 따라 합금 선정을 다르게 할 수 있다.

하기 표2는 본 발명에 따른 Sn-Ag계 합금 솔더의 용도에 따른 합금별 조성 및 함유량을 나타낸다.

[표2]

NO	합 금					사용 용도
NO	Sn	Cu	Ni	Ag	P	페놀	에폭시	도금	N₂사용	Wire-B
1	잔부	0.5%	0.05%	0.3%		0	X	0	0	0
2	잔부	0.5%	0.05%	0.3%	0.008%	0	X	0	X	0
3	잔부	0.5%	0.05%	3.0%		0	0	0	0	0
4	잔부	0.5%	0.05%	3.0%	0.008%	0	0	0	X	0
5	잔부	2.3%	0.05%	0.3%	0.008%	0	X	0	X	0
6	잔부	2.3%	0.05%	3.0%	0.008%	0	0	0	X	0
7	잔부	2.3%	0.05%	0.3%		0	X	0	0	0
8	잔부	2.3%	0.05%	3.0%		0	0	0	0	0

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 Sn-Ag계 무연 솔더 합금은 종래의 무연 솔더 합금에 비하여 용융점이 낮고, 젖음성 및 접합 강도가 개선되어 브릿지 발생 등을 억제할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따르면 PCB재질이 페놀 또는 에폭시인지 여부, 부품 소자 리드, 가용성 인쇄 회로, Wire-B(Wire-Bonding) 등 도금 대상의 내열성 확보 여부, 또는 솔더링시 설비 내부의 질소 사용 여부에 따라 최적 함량의 Sn-Ag계 무연 솔더 합금을 얻을 수 있다.

도1은 Ni(니켈) 함유량에 따라 젖음성이 변화하는 것을 나타내는 그래프이다.

도2는 P(인) 함유 여부에 따라 시간 경과시 산화물량 변화를 나타내는 그래프이다.

도3은 P(인) 함유량에 따른 산화물량 변화를 나타내는 그래프이다.

Claims

0.1 내지 3.0중량%의 Cu, 0.01 내지 0.5중량%의 Ni, 0.1 내지 5.0중량%의 Ag 및 Sn을 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 Cu는 0.3 내지 0.8중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량% , Ag는 0.1 내지 0.5중량%인 Sn-Ag계 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 Cu는 0.3 내지 0.8중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량%, Ag는 2.0 내지 4.0중량%인 Sn-Ag계 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서

상기 Cu는 2.1 내지 2.5중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량% , Ag는 0.1 내지 0.5중량%인 Sn-Ag계 무연 솔더 합금.
제 1 항에 있어서

상기 Cu는 2.1 내지 2.5중량% , Ni는 0.01 내지 0.1중량% , Ag는 2.8 내지 3.2중량%인 Sn-Ag계 무연 솔더 합금.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

0.003 내지 0.01중량%의 P를 더 포함하는 Sn-Ag계 무연 솔더 합금.