KR20070005682A

KR20070005682A - 솔더 및 그것을 사용한 실장품

Info

Publication number: KR20070005682A
Application number: KR1020067021565A
Authority: KR
Inventors: 타쿠오 후나야; 오사무 묘가; 코지 마츠이
Original assignee: 닛본 덴끼 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2007-01-10
Also published as: US7829199B2; CN1946510A; WO2005102594A1; JP4770733B2; CN100540206C; US20080026240A1; JPWO2005102594A1; CN101612694A; KR100756134B1

Abstract

Sn-Zn계 합금 솔더는, Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%를 함유하고, 또한 Bi: 0.01 내지 6질량% 및 Cu: 0.007 내지 0.1질량%의 1종 또는 2종을 함유하고, 필요에 응하여, Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다. 이 솔더는, 종래의 Sn-37중량% Pb 공정계 솔더과 동등한 작섭성, 사용조건, 및 접속 신뢰성을 구비하고, 또한 인체에 대해 유해한 납을 포함하지 않는다.

Description

솔더 및 그것을 사용한 실장품{SOLDER AND MOUNTED ARTICLE USING SAME}

본 발명은, 솔더 및 그것을 사용한 실장품에 관한 것이다.

종래, 회로 기판상에 전자부품을 표면 실장할 때, Sn-37질량% Pb 공정(共晶) 솔더를 금속 입자로 하여 플럭스와 혼련한 크림 솔더를 사용하고 있다. Sn-37질량% Pb 공정 솔더는 공정 온도가 183℃이다. 통상은, 기판 치수가 대형인 경우와, 열용량의 큰 부품이 기판에 탑재되어 있는 경우에, 기판상 최저 온도를 Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 공정 온도 이상으로 하기 때문에, 리플로우 로 내에서의 최고 온도가 220℃ 로부터 240℃가 되도록, 온도 프로파일이 구성되어 있다.

일본특허 제3027441호와 같은 종래의 Sn-Ag 공정을 베이스로 한 솔더 합금 재료에서는, 용융 온도가 220℃ 이상이고 통상의 Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 융점 183℃ 보다도 약 40℃ 높지만, Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 대체 재료로서, 프린트 기판과 전자부품과의 접합에 이용되고 있다.

일본특허 제1664488호(특개소59-189096호)에서는, Sn-Zn계 솔더에 대해, Bi를 첨가함으로서, 강도의 상승을 도모하고 있다. 일본특개평9-94687호에서는, Sn- Zn계 솔더에 대해, Ag: 0.1 내지 3.5질량%를 가함으로서, 접속 강도의 향상을 도모하고 있다. 또한, 일본특개2001-347394호에서는, Sn-Zn계 솔더에 Al, In, Ni, Cu, Ag 등을 첨가함으로서, 강도(경도)의 상승 및 적심성의 향상과, 융점 강하를 도모하고 있다. 일본특개2002-195433호에서는, Sn-Zn계 솔더에 Ag 및 Bi를 첨가함으로서, 강도(경도) 상승 및 적심성의 향상과, 융점 강하를 도모하고 있다. 또한, 일본특허 제3357045호에서도, Sn-Zn계 솔더에 Al을 첨가함으로서, 적심성의 향상을 도모하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본특허 제3027441호 공보

특허 문헌 2 : 일본특허 제1664488호 공보

특허 문헌 3 : 일본특개평9-94687호 공보

특허 문헌 4 : 일본특개2001-347394호 공보

특허 문헌 5 : 일본특개2002-195433호 공보

특허 문헌 6 : 일본특허 제3357045호 공보

본 발명의 목적은, 종래의 Sn-37질량% Pb 공정계 솔더와 동등한 작업성, 사용조건 및 접속 신뢰성을 구비하며, 또한 인체에 대해 유해한 납을 포함하지 않는 솔더를 제공하는 것에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 본 발명의 솔더를 사용함으로서, 접속 신뢰성이 높은 전자부품의 실장품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본원 제 1 발명에 관한 솔더는, Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%를 함유하고, 또한 Bi: 0.01 내지 6질량% 및 Cu: 0.007 내지 0.1질량%의 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

본원 제 2 발명에 관한 솔더는, Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Cu: 0.007 내지 0.1질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

본원 제 3 발명에 관한 솔더는, Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Bi: 0.01 내지 6질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

본원 제 4 발명에 관한 솔더는, Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Bi: 0.01 내지 6질량%, Cu: 0.007 내지 0.1질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 관한 실장품은, 전자부품과, 상기 전자부품이 전술한 어느 하나의 조성을 갖는 솔더에 의해 솔더링된 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 솔더 합금 재료는, 저융점과 강도 특성이 우수한 주석을 이용하고, 인체에 대해 유해한 납을 사용하지 않는다.

즉, Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 공정 온도인 183℃에 가장 가까운 솔더 공정 합금 조성으로, 예를 들면 공정 온도 199℃인 Sn-8.8질량% Zn을 모상으로 한 무연 솔더 재료를 사용하고 있기 때문에, 땅속으로 납이 용출하고, 지하수를 통하여 인체에 받아들여질 가능성이 없다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 무연 솔더의 페이스트를 사용하여 실장 생산된 제품이 폐기되었다고 하여도, Sn-37질량% Pb 공정의 경우와 같이 산성비에 의해 땅속으로 용출한 납만큼의 유해성이 없다.

본 발명에 의한 무연 솔더에서는, 예를 들면, Sn-8.8질량% Zn 공정 조직을 모상으로 하고, 0.01질량% 이상 6질량% 이하의 Bi 및/또는 0.007질량% 이상 0.1질량% 이하의 Cu와, 필요에 응하여 0.007질량% 이상 0.1질량% 이하의 Mg를 첨가함으로써, 크림 솔더 내의 금속 성분 전체의 액상선(液相線) 온도를 내리기 때문에, Sn-37질량% Pb 공정과의 융점차가 10℃ 내지 20℃ 정도로 되어, 리플로우 실장시에 신규로 실장면 전면에서의 균일 가열 가능한 리플로우 로를 도입할 필요 없이, 종래의 Sn-37질량% Pb 공정 솔더를 사용하는 경우와 같은 리플로우 로를 사용할 수 있기 때문에, 신규 설비 도입을 위한 비용이 소요되지 않는다.

또한 종래의 Sn-37질량% Pb 공정 솔더를 사용하고 있던 경우와 동등한 전자부품 각각의 내열 보증 온도영역에서 실장할 수 있기 때문에, 기능면에서 신뢰성이 있는 실장 제품을 제작하는 것이 가능해진다.

본 발명에 의한 무연 크림 솔더 내부의 금속 성분 모상의 한 예인 Sn-8.8질량% Zn 공정은 공정 온도 199℃와 2원계 합금의 공정 온도 중에서는, 상기한 바와 같이, Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 공정 온도인 183℃에 가장 가깝다. 따라서 다른 공정 합금계를 베이스로 한 솔더에 비하여, 전자부품의 실장에 이용하는 경우에 Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 사용 온도 조건에 가장 가까운 조건으로 사용할 수 있다. Sn-Ag 공정계를 베이스로 한 솔더 합금 재료에서는, 용융 온도가 220℃ 이상이고, Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 용융 온도 183℃에 대해 약 40℃ 높기 때문에, 종래의 일반적인 Sn-37질량% Pb 공정 솔더용 리플로우 로를 사용하여 전자부품의 회로 기판에의 표면 실장을 행하는 경우, 실장면 전체에서의로 내 최소 온도를 Sn-Ag 공정계의 용융 온도 220℃ 이상으로 한다면, A4 사이즈보다 기판 표면적이 큰 경우, 또한 열용량이 다른 전자부품이 혼재하는 경우,로 내 최대 온도가 250℃를 초과하여 버리는 사례가 많이 있다.

이 온도는 현재 상태까지의 CPU 등의 다수의 전자부품의 내열 보증 온도영역을 초과하여 버려서, 실장체 제품의 신뢰성이 없게 된다. 본 발명에 있어서의 한 구체예에 의한 Sn-8. 8질량% Zn 공정을 베이스로 한 무연 크림 솔더 는, Sn-37질량% Pb 공정 크림 솔더를 사용한 실장에서 이용하여 온 종래의 리플로우 로를 사용 가능하고, 로 내에서의 최대 온도를 탑재 부품 내열 온도 이하로 억제하는 것이 가능하여, 제품 기능면에서의 신뢰성을 손상시키는 일이 없다.

또한, 본 발명에서는, Sn-Zn의 공정 조직을 이용하여, 융점을 Sn-37질량% Pb 공정 솔더에 접근하기 위해, 복수 조성의 합금의 벌크를 작성하고, DSC(시차주사 열량계)에 의해 융점을 측정한 결과로부터, Sn-Zn의 공정 조직을 모재로 하여, Al: 0.07 내지 0.5질량%를 포함하고, 이것에 Bi: 0.01질량% 이상 6질량% 이하 및 Cu: 0.007질량% 내지 0.1질량%의 적어도 1종 류 이상의 원소를 포함하고, Cu 또는 Bi를 포함한 경우에는 바람직하게는 Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 포함하고, 잔부를 Sn 및 불가피적 불순물로 한 솔더 합금 재료를 개발하였다. 그리고, 본 발명에서는, 또한, 상술한 조성의 솔더의 특성을 개량하기 위해, Ag를 첨가시킨 솔더 합금을 개발하고, 이 솔더 합금에 관해, 이하에 나타내는 바와 같은 효과가 얻어지는 것을 확인하였다.

즉, 본 발명의 조성의 솔더 합금을 사용함으로서, 액상선의 온도를 Sn-37질량% Pb 합금의 공정 온도에 접근시킬 수가 있다. 그 때문에, 신규로 실장면 전면에서의 균일 가열 가능한 리플로우 로를 도입할 필요없고, 종래의 Sn-37질량% Pb 공정 솔더를 사용한 경우와 같은 리플로우 로를 사용할 수 있다. 이 때문에, 신규 설비 도입을 위한 비용이 걸리지 않는다. 또한, 전자부품의 내열 보증 온도영역에서 실장할 수 있기 때문에, 기능면에서 신뢰성이 있는 실장이 가능해진다.

도 1은 Ag의 함유량과 비커스 경도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 2는 Ag의 함유량과 액상선 온도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 3은 Zn-5질량% Al의 공정 조직의 SEM 사진을 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에 있어서의 Al의 효과를 나타내는 비커스 경도 측정 결과를 도시하는 그래프도.

도 5는 Zn-5질량% Al-1질량% Mg의 공정 조직에 있어서의 SEM 사진을 도시하는 도면.

도 6은 Mg의 함유량과 비커스 경도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 7은 Mg의 함유량과 칩 저항의 전단 강도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 8(a) 및 도 8(b)는 칩 저항의 전단 강도 측정 방법의 한 예를 도시하는 모식도.

도 9는 Zn-5질량% m-1질량% Cu의 조성을 갖는 솔더의 SEM 관찰 사진을 도시하는 도면.

도 10은 Cu 함유량과 비커스 경도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 11은 Cu 함유량과 액상선 온도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 12는 Zn-5질량% Al-1질량% Mg-1질량% Cu의 조성을 갖는 솔더의 SEM 관찰 사진을 도시하는 도면.

도 13은 Cu 함유량과 비커스 경도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 14는 Bi의 함유량과 전단 강도와의 관계를 도시하는 그래프도.

도 15는 QFP 리드선의 인장 강도를 도시하는 도면.

(부호의 설명)

81 : 전단 강도 측정용 치구 82 : 솔더

83 : 칩 저항 84 : 회로 기판 전극

85 : 회로 기판

이하, 본 발명에 관한 솔더의 성분 첨가 이유 및 조성 한정 이유에 관해 첨 부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 관한 솔더는, 기본적으로는, Sn을 모재로 하는 Sn(주석)-Zn(아연)계 합금이고, 또한, Ag(은) 및 Al(알루미늄)을 함유하고, 또한 Bi(비스무트) 및 Cu(구리)의 적어도 하나를 함유한다. 또한, Mg(마그네슘)을 함유할 수 있다.

이하, 각 성분의 첨가 이유 및 그 조성 한정 이유에 관해 설명한다.

Zn: 7 내지 10질량 %

본 발명에 관한 솔더가 포함되는 Sn-Zn계 솔더 합금은, 융점이 Sn-Zn 공정에 가장 가까운 공정 합금계라는 이점을 갖지만, 85℃, 85%의 고온 고습도 환경하에서는, Zn이 산화된 경우, 그 산화아연을 기점으로 하여 크랙이 발생하고, 강도 저하를 초래한다는 문제점이 있다. 본 발명은, 이 Sn-Zn 공정 솔더에 있어서의 Sn-Zn 공정 내부의 Sn 리치상 및 Zn 리치상이 산화됨에 의해 강도 열화가 생긴다는 종래의 문제점을 개선하기 위해, Sn-Zn계 솔더 합금에 Ag를 첨가함으로서, Sn-Zn 공정 내부의 Sn 리치상 및 Zn 리치상을 Ag에 의해 고용(固溶) 강화한다. 이로써, 강도 열화의 문제점을 해소할 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 솔더 재료는, 합금 조직의 모상은 Sn-7 내지 10질량% Zn 공정 조직이 된다. 이 모상이 되는 공정 조직은, 상술한 바와 같이, 2원계 합금의 공정 온도중에서는, Sn-37질량% Pb 공정 합금의 공정 온도인 183℃에 가장 가깝기 때문에, 다른 공정 합금계를 베이스로 한 솔더에 비하여, 전자부품의 실장에 사용한 경우에, Sn-37질량% Pb 공정 합금으로 이루어지는 솔더의 사용 온도 조건에 가장 가까운 조건으로 사용할 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 무연 솔더 재료는, Sn-Zn 공정 조직을 모상으로 하는 2원계 공정 합금이지만, 일반적으로 2원계 공정 합금은, 공정 조성이 아닌 조성의 합금과 비교하여, 치밀한 조직에 의해 강도가 높고, 응고 수축이 적고, 융해시의 유동성이 양호하고, 원소 편석이 적다. 이 때문에, 본 발명의 아연 함유량은, JIS Z 2241에 기재된 인장 시험, JIS Z 2271, JIS Z 2272에 기재된 크리프 시험, JIS Z 2244에 기재된 비커스 경도 시험 등으로부터, 공정 조성의 경우와 동등한 강도를 얻을 수 있는 범위로서, Zn 함유량을 7 내지 10질량%로 하였다.

또한, Sn-Zn 공정 조직은, Zn을 포함함으로서, 85℃, 85% 등의 고온 고습도 분위기에서, 솔더 내부에 취약한 산화아연을 형성하기 때문에, 강도가 열화되기 쉽다. 본 발명에 의한 솔더는 Sn-Zn 공정 조직을 모상으로 하고, 종래의 Sn-Zn 공정을 사용한 솔더에 있어서 과제였던 고온 고습 분위기중에서, 솔더중에 존재하고, 산화되어 취약하게 되기 쉬운 Zn 리치상을 개질함으로서, Zn 리치상이 산화되어도 솔더 강도가 저하되기 어려운 재료로 되도록, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%, Cu: 0.007 내지 0.1질량%를 첨가한다.

Ag: 0.075 내지 1질량 %

상술한 바와 같이, Sn-Zn 공정 합금 내부의 Sn 리치상 및 Zn 리치상을 Ag에 의해 고용 강화함으로서, 솔더의 강도의 열화를 방지한다. 즉, 본 발명에 있어서의 솔더에서는, 상술한 바와 같이, Ag를 첨가함으로써, 아연 결정입자의 미세화를 행하고, 나아가서는 Ag를 Sn 리치상 및 Zn 리치상에 고용시킴에 의한 고용 강화로, 솔더 강도를 상승시킬 수 있다. 본 발명의 솔더에 있어서의 Ag의 함유량은 0.075 내지 1질량%이고, 후술하는 실험 결과로부터 분명한 바와 같이, 이 량의 Ag의 첨가에 의해, Ag를 첨가하지 않은 경우보다도, 인장 신율, 인장 강도 및 경도의 각 특성이 향상된다. 따라서, 상술한 작용 효과를 얻기 위해, Ag의 함유량은, 0.075 내지 1질량%로 한다.

한편, 본 발명에 있어서, Ag를 0.1질량% 이상 함유시킨 경우에는, Sn-Zn 공정 조직에 대해, Bi를 첨가함으로써 융점을 내린 효과를 잃어버리지만, Mg 및 Al을 첨가함으로써, 다시 융점을 내릴 수 있다. 한편, 1질량%를 초과하는 Ag를 첨가하면, Ag의 조직중 고용에 의한 합금의 인성 강화의 효과는 잃어버리고, Ag 리치한 상이 석출하고, 융점이 급격하게 상승하고, 고상과 액상이 공존하는 온도 범위가 넓게 되기 때문에 농도 편석을 일으키기 쉽고, 고온 환경하에서의 석출상(析出相)의 조대화 및 고습도 환경중에서의 솔더 내 부식이 일어나기 쉽고, 접합 부분의 신뢰성을 잃어버린다.

Al: 0.07 내지 0. 5질량 %

그러나, Sn-Zn 공정 합금에 Ag를 첨가하는 것만으로는, 열 사이클 시험에서의 접속 신뢰성은 양호하여도, 85℃ 85% 고온 고습도 환경하에서의 신뢰성을 유지하기 위해 필요한 강도를 유지하는데는 불충분하다. 따라서, 본 발명에서는, Ag에 더하여, 또한 산화하기 쉬운 Zn 리치상의 강도 상승을 도모하기 위해, Al을 0.07 내지 0.5질량% 첨가한다. Al은, Sn 모상에는 거의 고용하지 않고, Zn 리치상 내부 또는 그 부근에 미세한 Al 리치상을 석출하고, 강도를 상승시킨다. 이와 같이, 본 발명에서는, Al을 첨가함으로서, Al은, Sn에는 거의 고용하지 않기 때문에, Zn 리 치상 내부 또는 그 부근에 미세한 Al 리치상을 석출시켜서, 강도를 상승시키는 것이 가능해진다.

Bi: 0.01 내지 6질량 %

본 발명의 솔더는, Bi의 함유량이 0.01 내지 6질량%이고, Bi를 첨가하지 않은 Sn-Zn계 합금 솔더의 경우와 비교하여, Bi의 소정량의 첨가에 의해, 구리판에 대한 적심성 및 초기 접합 강도가 향상하고, 융점이 강하한다는 효과가 있다. Bi의 하한 함유량은 저융점화에 대해 효과가 있는 최소 함유량인 0.01질량%로 한다. Bi가 0.01질량% 미만인 경우는, 강도에 대해서도 변화가 인정되지 않는다. 또한, Bi가 6질량%를 초과하는 경우에는, -40℃와 125℃의 온도에 교대로 10분부터 30분 정도 방치하는 열 사이클 시험을 행한 경우, 그 접합 강도가 종래의 Sn-37질량% Pb 합금 솔더 이하가 되고, 접속 신뢰성이 문제가 된다. 그 때문에, 접합 신뢰성, 적심성 및 융점에 관한 유리성을 고려하여, Bi의 함유량은 0.01 내지 6질량%로 한다. 나아가서는, 0.01 내지 6질량%의 Bi를 첨가함으로써, Zn 리치상 이외의 솔더 모재 강도를 상승시키는 것이 가능하고, 높은 접속 신뢰성을 얻을 수 있다.

Mg: 0.007 내지 0. 1질량 %

Mg의 첨가에 의해, Zn 리치상중에 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물상을 석출하고, 강도를 상승시킨다. 따라서, 본 발명에서는, Bi에 더하여 Mg를 0.007 내지 0.1질량% 첨가함으로서, 85℃ 85% 고온 고습도 환경하에서의 신뢰성을 유지하기 위해 필요한 강도를 유지할 수가 있다.

Cu: 0.007 내지 0. 1질량 %

Bi의 대신에 Cu를 0.007 내지 0.1질량%를 첨가함으로서서도, 상술한 Bi 첨가와 마찬가지 효과를 얻을 수 있다. Mg의 첨가에 의해, Zn 리치상중에 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물상을 석출하고, 강도를 상승시킬 수 있지만, 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물상이 석출하면, 취화되기 쉽게 되기 때문에, Mg를 첨가하는 경우에는, Cu도 동시에 첨가하는 것이 바람직하다. 이 Cu는 Zn-Mg 금속간 화합물상을 미세 분산화시키는 작용을 갖기 때문에, Sn-Zn계 솔더의 취화를 방지하고, 강도가 강하고, 인성이 높은 솔더를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 솔더에서는 Al의 미량 첨가에 의해 솔더 내부의 Zn 리치상 내부 또는 부근의 강도를 상승시키고, Mg와 Cu를 첨가함으로써, 또한 Zn 리치상의 강도와 솔더 저융점화를 행한다. 이들의 원소의 첨가에 의해, 본 발명에 관한 솔더는, 우수한 기계적 강도 및 물리적·화학적 특성을 갖음과 함께 다른 공정 합금 또는 공정 부근의 합금을 베이스로 한 솔더에 비하여, 전자부품의 실장에 이용하는 경우에는, Sn 37질량% Pb와 가까운 융점에서 실장할 수 있기 때문에, 종래의 전자부품의 내열 보장 온도 이하에서의 실장이 가능하고, 나아가서는 고온 고습도 분위기 및 고온과 저온의 온도 환경 변화에 대해서도, 높은 접합 신뢰성을 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 솔더 재료는, 전자부품 끼리, 또는 전자부품과 회로 기판의 접속에 알맞게 이용되지만. 그것들로 한정되지 않는다. 형상도 표면 실장을 위한 솔더 합금을 분말화하여, 입경 20㎛부터 40㎛의 사이가 되도록 분급(分級)한 후, 약활성 플럭스중에 플럭스가 12질량%가 되도록 혼련한 크림 솔더로 한하지 않고, 삽입 실장을 위한 잉고트, 인두로 솔더링하기 위한 실납(絲半田))으로서 알맞게 사용할 수 있고, 그것들로 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에 관한 솔더는, Sn, Zn, Al, Ag, Bi, Cu, Mg의 각 원재료중에 혼입 되어 있는 불순물과, 제조 공정중에 융해로(融解爐) 등으로부터 혼입되는 미량의 불순물이 포함되는 것을 배제하는 것이 아닌 것은 말할 것도 없다.

또한 본 발명에 의한 크림 솔더에서는, 종래와 같은 온도 프로파일로의 리플로우 조건으로 전자부품을 회로 기판에 실장 가능하고, 실장 제품은 열 사이클 시험, 고온 고습 시험에서 종래의 주석-납 공정 솔더와 동등 이상의 신뢰성을 얻을 수 있다. 이 때문에, 신규의 고온용의 리플로우 설비 도입을 위한 비용을 필요로 하지 않고, 종래 내열 보장 온도를 갖는 전자부품을 실장 가능하고, 제품의 설계를 변경시킬 필요가 없고, 종래 이상의 신뢰성을 갖는 제품을 작성할 수 있다.

크림 솔더로 할 때의 분급도 통상, 입경 20㎛부터 40㎛의 사이가 알맞게 사용되지만, 좁은 피치의 전극 배선이나 크림 솔더를 인쇄하는 면적이 작은 경우에는, 더욱 미세한 분말을 사용할 수 있다. 크림 솔더의 플럭스 함유량도 보존 안정성이나, 인쇄성 등에 의해, 9질량%부터 13질량% 정도까지 사용조건에 의해 변화시킬 수 있지만 플럭스 함유량은 그것들로 한정되지 않는다. 또한, 접속에 이용하는 회로 기판은 프린트 기판, 세라믹스 기판, 유리 기반, Si 기판 등이 알맞게 이용되고, 그것들로 한정되지 않는다. 회로 기판 전극의 표면 처리도, Cu, Au, Sn, Sn-Pb 합금, Sn-Ag-Cu 합금, Sn-Zn 합금, 플럭스 등이 알맞게 이용되지만 그것들로 한정되지 않는다.

접속되는 전자부품도 칩 저항, 칩 콘덴서, LSI 베어 칩, SoP(SmaLL Out-line Package), QFP(Quad Flat Package), BGA(Ball Grid Array), DIP(Dual In-line Package), PGA(Pin Grid Array) 등이 알맞게 이용되지만, 그것들로 한정되지 않는다.

(실시예)

다음에, 본 발명에 관한 솔더를 구성하는 각 원소의 조성을 규정하는 근거가 된 실험 결과에 관해, 설명한다.

도 1은, 횡축에 Ag의 함유량을 취하고, 종축에 비커스 경도를 취하여 양자의 관계를 도시하는 그래프도이다. 이 측정 결과는, Zn을 8질량%, Al을 0.07질량%, Bi를 0.05질량% 함유하는 Sn-Zn 합금에 있어서, Ag의 함유량을 0.05질량%, 0.075질량%, 0.15질량%, 및 1질량%로 변화시킨 조성의 복수의 실시예 솔더 합금재를 준비하고, 이 솔더 합금재를, 85℃, 85%의 고온 고습 상태에서 1000시간 유지한 후, 비커스 경도를 측정한 결과를 나타낸다.

비커스 시험은 JIS Z 2244에 준거하고, 시험 하중 15g, 가압 시간 10초로 행하였다. 도 1로부터, Ag의 함유량이, 0.05질량% 이하인 경우는, 고온 유지 후의 경도가 낮았다. 이것은, Zn 리치상의 결정입자의 조대화가 초래한 강도 열화에 의한 것이고, 고온 고습으로 유지하기 이전의 비커스 경도보다 경도가 저하되어 있다. Ag의 함유량이 0.075질량%를 초과하는 경우는, 결정입자가 조대화하지 않고, 본 발명에 의한 Zn 리치상 내부 또는 부근의 강도도 열화되지 않기 때문에, 초기의 솔더와 동등한 강도를 유지할 수 있다. 이 때문에, Ag의 함유량은 0.075질량% 이상인 것이 접속 신뢰성을 유지하기 위해 필요하다.

또한, 도 2는, Zn을 8질량%, Al을 0.07질량%, Bi를 0.05질량% 함유하는 Sn-Zn 합금에 있어서, Ag의 함유량을 0질량%, 0.1질량%, 0.3질량%, 1질량%, 1.5질량%, 및 4질량%로 변화시킨 복수종류의 실시예 솔더 합금재에 관해, DSC 측정에서 얻어진 액상선 온도 변화를 도시한다. DSC 측정은 실온부터 300℃까지 매분 10℃의 승온 속도로 측정하고, 얻어지는 흡열 피크로부터, 액상선 및 고상선의 온도를 측정한 것이다. 액상선의 온도로서는, Ag의 첨가량이 0.1질량%까지인 경우, Ag를 첨가하지 않은 경우에 비하여, DSC의 측정 피크는 거의 차가 없다. Ag의 첨가량이 0.1질량% 이상 1.0질량% 이하인 경우는, DSC에 의한 흡열 피크는, 하나의 피크의 고온측의 어깨의 부분에 Ag의 첨가에 의한 다른 피크가 겹쳐진 형태가 되지만, 액상선의 온도는 거의 210℃로 일정하였다.

한편, 1.0질량%를 초과하는 Ag를 첨가한 경우에는, 흡열 피크가 2개의 피크로 분리하고, 고온측의 피크와 Sn과 Ag의 공정 온도인 약 220℃에 근접한다. 그 때문에, Ag의 첨가량이 1질량% 이상인 경우에는, 융점의 급격한 상승을 초래하고, 종래의 내무 보장 온도를 갖는 부품을 리플로우 하는 것이 곤란해지고, 또한, 조대한 Ag계 석출물을 갖는 합금 조직으로 되고, 농도 편석 및 부식에 의한 신뢰성 악화를 초래하는 요인이 되기 때문에, Ag의 함유량은 1질량% 이하인 것이 필요하다.

이하에 설명하는 도 3, 5, 8, 9, 12는, 산화됨에 의해 강도가 열화되기 쉬운 Zn 리치상을 강화하는 것을 목적으로 하여, Al, Mg, Cu의 각 원소를 첨가함에 의한 효과를 나타내기 위한 도면이다. 각 원소 첨가량이 미량이고, Al, Mg, Cu가 Sn에 대해 거의 고용하지 않는 것이 확인되어 있기 때문에, Sn-Zn계 솔더 내에 있어서의 미세한 침상(針狀)의 Zn 리치상의 내부 조직에 관해 알기 쉽게 설명하기 위해, Al, Mg, Cu가 Zn 조직에 대해 주는 효과를, Zn에 Al, Mg, Cu의 각 첨가 원소를 가한 잉고트를 작성하여 그 조직 관찰을 행함으로서 조사하였다. 또한, 비커스 경도의 측정 결과도 도 4, 6, 10, 13에 도시하였다. 또한, 이들의 결과가, 본 발명에서의 Sn-Zn 공정 조직을 모재로 한 솔더에도 같은 효과를 얻을 수 있음은, 도 4에서 도시한 비커스 경도 측정 및 SEM(주사형 전자현미경)에 의한 조직 관찰로부터 확인되었다.

도 3은, 본 발명에서의 Zn 리치상에 대한 Al 첨가에 의한 조직 변화를 관찰하기 위해, Zn과 Al을 Zn-5질량% Al의 공정 조성으로 용융시키고 응고시킨 후, 벌크 표면을 연마하여, 합금 조직을 SEM(주사형 전자현미경)에 의해 관찰하고 촬영한 사진이다. 도 3의 사진으로부터 알루미늄 리치상은, 도면중 검은 콘트라스트로 나타나고, 도면중 흰 콘트라스트는 Zn 리치상에 상당하는데, Zn에 Al을 가함으로써 Zn 리치상이 치밀한 공정 조직을 취하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 미세한 조직이 강도적으로 우수한 것은, 결정입자가 매우 미세하여, 응력이 가해진 때에, 물질중의 전위(轉位) 밀도를 일정하게 한 경우, 결정입자계에 집중하는 전이의 수가, 조대한 결정입자의 경우보다 적고, 결정입자계에서의 파괴를 방지할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에 있어서, Sn-Zn 공정 조직을 모상으로 하는 솔더에 대해, Al을 첨가하는 경우, Sn에 대해 Al은 거의 고용되지 않고, Zn에 대해 Al은 미량 고용 되지만, Zn의 함유 중량에 대해 Al의 함유량이 약 1.0질량% 이상, 즉 솔더중에서의 최소 Zn 함유량 7질량%인 경우에도, Al 함유량이 0.07질량% 이상 포함되어 있으면, Zn중의 고용 한계를 초과하고, Zn중으로부터 Al상(相)이 석출하는 것을 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscope), 및 벌크를 박편화하여 TEM(투과형 전자현미경)에 의한 전자선 회절과 전자상(電子像)으로부터 확인하였기 때문에, 본 발명에서의 강화 기구를 갖는 합금 조직으로 할 수 있음을 알 수 있었다.

상술한 Zn 함유량에 대해 Al의 함유량이 약 5질량% 정도에서, 융점의 가장 낮은 공정 조성으로 되기 때문에, Zn 함유량에 대해 5질량% 이상의 Al, 즉 본 발명에 관한 솔더중의 최대 Zn 함유량 10질량%의 경우, Al을 0.5질량% 이상 첨가하는 것은, 용융 온도 상승과, 산화되기 쉬운 Al의 조대상이 형성되기 때문에, 강도 특성에도 나쁜 영향을 준다.

본 발명에 관한 솔더에 0.07질량% 이상 0.5질량% 이하의 Al을 첨가한 경우, 지금까지의 Sn중에 Zn의 상이 조대하게 존재하고 있던 경우에 비하여, 후술하는 도 4에 도시하는 JIS Z 2244에 의한 피카스 경도 측정에서의 Zn 리치상 내부 및 부근이 강화되고, Zn 리치상은 미세하게 되기 때문에, 종래의 Sn-Zn계 솔더중의 Zn 리치상에 비하여, 전위가 결정입자계에 집중하기 어려운 치밀한 조직이기 때문에, 고습도 분위기에서의 유지중에 Zn이 부식되고, 취약하게 된 산화아연이 형성되어도, 산화아연에 대한 응력 집중이 결정입자 미세화에 의해 방지되기 때문에, 강도 열화를 막을 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 솔더를 사용함으로써, 고습도 분위기중에서도 제품의 접속 신뢰성을 확보할 수 있다.

한편, 도 4는, 본 발명에서의 Al의 미량 첨가에 의한 Zn 리치상에의 강도 향상 효과를 명확하게 하기 위해 행한 경도 시험의 결과를 도시한다. 이 도 4는 Sn-8질량% Zn-0.1질량% Ag 합금, Sn-8질량% Zn-0.1질량% Ag-0.4질량% Al 합금 및 Zn-5질량% Al 합금의 각 잉고트에 대해, 비커스 경도를 측정한 결과를 나타내는 것이다. 비커스 경도의 측정은 JIS Z 2244에 준거하고, 시험 하중 15g, 가압 시간 10초로 행하였다.

종래의 Sn-Zn 공정 솔더sms, Sn 리치상과 Zn 리치상으로 이루어지, 2상 함께 비커스 경도가 50 이하로서 연하고, 85℃, 85% 등의 고습도 분위기에서 아연이 부식된 경우, Zn 리치상이 취약한 산화아연으로 되기 때문에 강도 열화를 초래하고, 접속 신뢰성이 나뻤다.

그러나, 본 발명의 Sn-Zn계 솔더는, Sn-8질량% Zn-0.1질량% Ag-0.4질량% Al 합금의 비커스 경도의 측정 결과로부터, 종래 Sn-Zn 공정 합금에 Ag를 미량 첨가한 솔더인 Sn-8질량% Zn-0.1질량% Ag 합금보다도 경도가 있다. 또한, 경도의 값이 큰 것은, 실제의 인장 시험의 결과로부터도 본 발명에 의한 솔더는 강도도 상승하고 있는 것을 알 수 있었다.

이것은, 본 발명에 의한 솔더가 Ag 첨가에 의한 솔더 모재 강도의 상승과 함께, Al 원소의 첨가에 의해, 솔더중의 Zn 리치상 내부 또는 부근에 첨가 원소의 알루미늄에 의한 새로운 상을 형성함으로서, Zn 리치상의 조직을 개질하고, 강도를 상승시키고 있기 때문이다. 이것은 경도 측정 결과의 도면중 선으로 도시한, 측정치의 편차로부터도 알 수 있고, Sn-8질량% Zn-0.1질량% Ag-0.4질량% Al의 최대치 는, 솔더 내의 Zn 리치상 위를 경도계의 압자(壓子)가 측정한 때의 값이고, 또한 Zn-5질량% Al 잉고트의 경도의 값과 거의 일치하고 있는 것으로도 확인되었다.

따라서, 본 발명의 것은 솔더는 고습도 분위기에서, 아연상 부식에 대해서도 종래의 산화아연을 형성하여도, Zn 리치상 내부 또는 부근에 첨가 원소에 의한 알루미늄에 의한 새로운 상을 형성함으로서, 강도를 상승하고 있기 때문에 고강도를 얻을 수 있고, 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

또한, 도 5는 본 발명의 솔더에 있어서의 Zn 리치상에 대해, Al과 Mg를 첨가함으로서 Zn 리치상에 주는 효과를 조사하기 위해, Zn과 Al과 Mg를 Zn-5질량% Al-1질량% Mg의 조성으로 용융시키고 응고시킨 후, 벌크 표면을 연마하여, SEM에 의해 합금 조직을 관찰하고 촬영한 사진이다. Sn-Zn 공정 조직을 모상으로 하는 솔더에 대해, Al과 Mg를 첨가하는 경우, Sn에 대해 Al과 Mg는 거의 고용하지 않고, Zn에 대해 Al과 Mg는 미량 고용하기 때문에, Al과 Mg는 솔더중의 Zn 리치상 조직에 영향을 준다.

도 5 및 EDX에 의한 원소 분석으로부터, Al 리치상은, 도면중 검은 콘트라스트로 나타나고, 도면중 흰 콘트라스트는 Zn 리치상에 상당하는데, Mg의 함유량이 많은 경우, 미세한 Zn-Al 공정의 합금 조직의 중에, 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물상이 조대하게 석출하고 있는 것을 알 수 있고, 도 6에 도시한 바와 같이, Mg를 첨가함으로써 강도는 늘지만, 동시에 도 5의 조대하게 석출한 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물에 의해, 결정입자계에의 전위의 집중에 의한 응력 집중에 대해 취약한 재질로 되는 것을 알 수 있었다.

솔더 접속 후의 열응력이 발생하는 솔더 접합 개소에서의 신뢰성을 고려한 경우, 솔더 내의 Zn의 함유량에 대해, Mg는 1질량% 이하, 즉 본 솔더중에서의 Zn이 최대 함유량 10질량%인 경우, Mg는 0.1질량% 이하로 첨가하는 것이 바람직한 것을, 칩 저항 및 QFP 등의 전자부품과 솔더 접속 부분의 열 사이클 시험에서의 크랙 발생 상황으로부터 확인하였다. 또한, Mg와 동시에 Cu를 첨가하면, 도 12에 도시하는 바와 같이 Zn 리치상중 및 부근의 조직을 미세화하기 때문에, 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물을 미세 분산화시키고, 고습도 분위기중에서 취약한 산화아연이 형성되었다고 하여도, 결정입자계로의 전위의 집중을 피할 수 있고, 접속 신뢰성이 더욱 늘어난다. Mg를 첨가하는 경우에, Zn 함유량에 대해 Mg가 0.1질량% 이하에서는, 강도에 대한 효과가 보여지지 않는 것을 비커스 경도 측정에서 확인하였기 때문에, 본 솔더중에서의 Zn의 최소 함유량이 7질량%이기 때문에, Mg는 0.007질량% 이하인 경우에는 효과가 없다.

또한, 도 6은, 비커스 경도에 대한 Mg의 영향을 도시하는 그래프도로서, Zn이 8질량%, Ag가 0.075질량%, Al이 0.02질량%, Bi가 0.05질량%로 이루어지는 조성에 대해, Mg를 0질량%, 0.1질량%, 1질량%, 및 1.5질량%로 변화시키고, 잔부를 Sn으로 한 복수종류의 합금에 대해, 벌크의 비커스 경도를 측정한 결과를 도시하는 것이다.

비커스 경도의 측정은, JIS Z 2244에 준거하고, 시험 하중 15g, 가압 시간 10초로 행하였다. 본 발명에서는, 고습도 분위기에서의 Zn의 산화 부식에 의한 솔더 접속 부분의 강도 저하를 막기 위해, Zn 리치상의 개질에 의해, Zn 리치상 내부 또는 Zn 리치상 부근의 강도를 상승시키기 위해 Al을 첨가하였는데, 또한 Mg를 첨가하는 것이 경도를 올리기 위해 유효해진다. 그러나, 경도가 강하고 취약한 재질로 되어 있는 것이 도 5로 부터 알 수 있다. DSC에 의한 융점 측정에 의해, 마그네슘을 첨가함으로써 본 발명의 솔더의 융점을 내릴 수기 있고, 종래의 설비에 의한 종래 부품 내열 보장 온도에서의 실장이 가능해지는 우위성이 있다.

또한, 도 7은, 전단(剪斷) 강도에 대한 Mg 함유량의 영향을 도시하는 그래프도이다. 전단 강도를 측정한 솔더의 조성은, Zn이 8질량%, Ag가 0.075질량%, Al이 0.02질량%, Bi가 0.05질량%이고, Mg 함유량을 0질량%, 0.05질량%, 0.1질량%, 0.2질량%로 변화시키고, 잔부를 Sn으로 한 것이다. 이들의 합금 조성의 분말을 형성하여, 통상의 약활성에 의한 플럭스를 전체의 중량에 대해 약 10%의 함유량으로 혼련한 솔더 페이스트에 의해, 1.6mm×0.8mm의 칩 저항을 실장하였다. 그 후, 도 8에 도시하는 전단 강도 측정용 치구(81)에 의해 칩 저항의 전단 강도를 측정하였다.

도 8은 칩 저항의 전단 강도의 측정 방법을 도시하는 모식도이다. 페이스트상태의 솔더(82)를, 회로 기판 전극(84)상에 메탈 마스크를 이용하여 인쇄하고, 칩 저항(83)의 전극을 회로 기판 전극(84)의 소정의 위치에 탑재한 후, 리플로우 로 내에서 솔더을 용융시킴에 의해 칩 저항(83)을 회로 기판(85)상에 실장하였다. 그 후, 도 8(a)와 (b)에 기재된 화살표로 도시하는 바와 같이, 실장된 칩 저항(83)의 길이 방향의 중심부에 치구(81)을 눌러대고, 치구(81)로부터 칩 저항(83)에 대해 전단 방향으러 하중을 인가함으로서, 접속 부분을 파단하기 위해 필요한 강도, 즉, 전단 강도를 측정하였다.

도 7로부터, Mg 함유량이 0.1질량%를 초과하는 경우, 도 5에 도시한 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물에 의한 취성이 현저하게 되고, 솔더 합금의 전단 강도가 Mg를 첨가하지 않은 경우보다도 강도가 떨어지기 때문에, Mg를 첨가하는 경우는, Mg의 함유량은 0.1질량% 이하로 한다.

다음에, 도 9는, 본 발명의 Zn 리치상에 대한 Al과 Cu의 미량 첨가의 효과를 조사하기 위해, Zn-5질량% Al-1질량% Cu의 조성으로 용융 응고 후, 벌크 표면을 연마하여, SEM에 의해 합금 조직을 관찰한 결과를 나타내는 사진이다.

Sn-Zn 공정 조직을 모상으로 하는 솔더에 대해, Al과 Cu를 첨가하는 경우, Sn에 대해 Al과 Cu는 거의 고용하지 않고, Zn에 대해 Al과 Cu는 미량 고용하기 때문에, Al과 Cu는 솔더중에서 Zn 리치상 조직에 영향을 준다. 도 9로부터, Cu를 첨가한 경우에도, Zn 리치상과 Al 리치상에 의한 치밀한 공정 조직이 유지되어 있고, 또한, 후술하는 도 10의 비커스 경도 측정 결과에 의한 Zn-5질량% Al과 비교하면, Cu를 첨가한 쪽이 경도가 높고, 그러면서 조대한 석출상이 존재하지 않기 때문에, 결정입자계에 대한 응력 집중을 초래하는 일이 없고, 인성이 높은 조직으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 나아가서는, Cu를 첨가함에 의한 Zn 리치상의 강화에 의해, 본 발명의 솔더 합금의 벌크의 인장 강도가 상승하고 있는 것을 확인하였다. Zn의 함유 중량에 대해 0.1질량% 이하의 Cu의 첨가에서는, 비커스 경도에 영향이 나오지 않았기 때문에, 솔더중에서의 Zn이 최소 함유량 7질량%인 경우, 즉 Cu가 0.007질량% 이하인 경우에는, 효과가 나타나지 않는다. 또한, 후술하는 도 11에 도시하는 바와 같이, 융점이 상승하지 않는 정도의 Cu의 함유량을 고려에 넣고, 본 솔더에 있어서의 Cu의 함유량이 0.007질량% 이상, 0.1질량% 이하인 경우, 솔더중의 Zn 리치상이, 알루미늄과 함께 구리의 첨가에 의해 강화되고, 고습도 분위기중에서의 강도 열화를 막을 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 도 10은, Al을 5질량%, Cu를 0질량%, 0.1질량%, 1.0질량%까지 변화시키고, 잔부가 Zn로 이루어지는 합금 조성의 벌크의 비커스 경도를 측정한 결과를 도시한다. 비커스 경도 측정은 JIS Z 2244에 준거하고, 시험 하중 15g, 가압 시간 10초로 행하였다.

도 10의 비커스 경도 측정 결과에서, Zn-5질량% Al과 Zn-5질량% Al-1질량% Cu를 비교한 경우, 구리를 첨가한 Zn-5질량% Al-1질량% Cu에서의 비커스 경도가 커지는 것을 알 수 있었다. Zn, Al, Cu로 이루어지는 잉고트뿐만 아니라, 본 발명에 의한 Sn-Zn 공정 조직을 모재로 하는 솔더에서도, Cu의 함유량을 늘어나면, Zn 리치상 내부 및 부근의 강도도 증가하고, 인장 강도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Cu의 함유량이 Zn의 함유 중량에 대해 0.1질량% 이하의 Cu의 첨가에서는, 비커스 경도에 영향이 나오지 않았기 때문에, 본 솔더중에서의 Zn이 최소 함유량 7질량%인 경우, Cu는 0.007질량% 이하인 경우에는 효과가 나타나지 않는다.

또한, 도 11은, Zn이 8질량%, Ag가 0.1질량%, Al이 0.02질량%이고, Cu를 0 내지 0.3질량%까지 변화시키고, 잔부를 Sn으로 한 합금 조성의 벌크의 액상선 온도를 측정한 결과를 기재한다. 도 11의 결과로부터, Cu의 함유량이 0.01질량% 이하인 경우에는, Cu를 가하지 않은 경우와 비교하여 액상선 온도의 변화가 없고, 0.01질량% 이상의 Cu를 첨가한 경우에는, 0.1질량%까지 서서히 융점이 상승하고, 0.1질 량% 이상의 Cu를 첨가한 경우에는, 200℃ 이상으로 급격하게 액상선이 상승한다. 융점이 상승하는 것은, 종래의 온도 프로파일로의 리플로우가 곤란해지고, 리플로우 온도 프로파일을 상승시킬 필요가 나온다. 그 때문에, 종래 부품의 내열 보장 온도보다도 높은 온도 프로파일이 필요해질 가능성이 나오기 때문에, Cu의 함유량은 0.1질량% 이하인 것이 실장 제품의 신뢰성을 고려한 경우, 유효하다.

한편, 도 12은, 본 발명의 Zn 리치상에 대한 Al과 Mg와 Cu의 미량 첨가의 효과를 조사하기 위해, Zn-5질량% m-1질량% Mg-1질량% Cu의 조성으로 용융 응고 후, 벌크 표면을 연마하여, SEM에 의해 합금 조직을 관찰한 결과를 나타내는 사진이다. Sn-Zn 공정 조직을 모상으로 하는 솔더에 대해, Al과 Mg와 Cu를 첨가하는 경우, Sn에 대해 Al과 Mg와 Cu는 거의 고용하지 않고, Zn에 대해 Al과 Mg와 Cu는 미량 고용하기 때문에, Al과 Mg와 Cu는, 솔더중의 Zn 리치상 조직에 영향을 준다.

도 5에 도시한 Zn-5질량% Al-1질량% Mg의 경우에는, 융점 저하를 위해 Zn-5질량% Al에 대해, Mg를 첨가함으로써, 경질의 Mg-Zn 금속간 화합물이 형성되고, 게다가, 조대화하고 있기 때문에, 응력 집중에 대해 매우 취약한 조직이였다. 그래서, 도 12로 부터 알 수 있는 바와 같이, Cu의 첨가에 의해, 경질의 Mg-Zn 금속간 화합물상을 분산시킬 수 있다. 이 때문에, 후술하는 도 13의 비커스 경도의 측정 결과로부터도 분명한 바와 같이, Zn-5질량% Al-1질량% Mg보다도 경도를 내릴 수 있고, 게다가, Zn-5질량% Al-1질량% Cu보다도 강도가 강하다. 합금 조직이 치조밀하기 때문에, 도 5에 도시한 Zn-5질량% Al-1질량% Mg와 같은 조대한 조직의 결정입자계에의 응력 집중에 의한 파괴를 막을 수 있고, 강인한 조직으로 할 수가 있었다. 이 효과는, Cu의 함유량이 Mg의 함유량과 거의 같은 경우, Zn의 함유량에 대해 0.1질량% 이상 1질량% 이하의 경우에 관찰되었다. 즉, Mg를 본 솔더에 첨가하는 경우, Cu도 첨가하는 것이 응력이 걸리는 접속 개소에 대한 신뢰성상, 유리하게 된다. 본 솔더중에서의 Cu의 함유량은 Mg의 함유량과 거의 동등하고, 0.007질량% 이상 0.1질량% 이하로 가하는 것이 재료를 강인화하며 게다가 융점을 상승시키지 않기 때문에 바람직하다.

도 13은, 비커스 경도에 대한 Cu 함유량의 영향을 도시하는 그래프도이다. 도 13은, Al을 5질량%, Mg를 1질량%, Cu를 0질량%, 0.1질량%, 10질량%로 변화시키고, 잔부가 Sn로 이루어지는 합금 조성의 벌크의 비커스 경도를 측정한 결과를 도시한 것이다.

도 13의 비커스 경도의 측정 결과 및 도 12의 조직 사진으로부터도 분명한 바와 같이, Zn-5질량% Al-1질량% Mg보다도 경도를 연화할 수가 있고, 인성을 높이는 것이 가능해진다. 이것은, 도 5의 조직 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이 Mg 첨가에 의해 형성된 경질의 Zn-Mg 금속간 화합물상을, Cu의 첨가에 의해 도 12와 같이 미세하게 분산시킬 수 있기 때문이다.

그 때문에, 응력이 걸리는 경우의 조대한 경질상에의 전위의 집중에 의한 취성파괴를 초래하는 일이 없고, 인성이 높은 재료로 될 수가 있다. 게다가, 이 합금 조직의 강도는, Zn-5질량% Al에 Cu를 0 내지 1.0질량% 가한 경우보다 강한 것이 도 10의 비커스 경도 측정 결과로부터도 알 수 있었다. Zn, Al, Mg, Cu로 이루어지는 잉고트뿐만 아니라, 본 발명에 의한 Sn-Zn 공정 조직을 모재로 하고, Al 및 Mg를 포함하는 솔더에서도, Cu의 함유량을 늘리면, 인장 강도 및 신장이 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이, 인성을 높인 본 솔더에 있어서의 Zn 리치상은 고온 고습의 분위기에서도 초기와 동등한 강도를 유지할 수 있기 때문에, 제품의 신뢰성을 높이는 점에서 극히 유리해진다.

또한, 도 14는 전단 강도에 대한 Ni 함유량의 영향을 도시하는 그래프도이다. 이 도 14는, Zn이 8질량%, Ag가 0.075질량%, Al이 0.02질량%, Mg가 0.01질량%, Cu가 0.01질량%이고, Bi를 1질량%, 3질량%, 6질량%, 10질량% 및 30질량%로 변화시키고, 잔부를 Sn으로 한 합금 조성의 본 발명 솔더를 사용하여 입경 20㎛로부터 40㎛의 합금 분말을 형성하고, 약활성의 플럭스와 혼련함으로써 크림 솔더를 제작하고, 이 크림 솔더를 사용하여 1.6mm×0.8mm의 치수의 칩 저항을 회로 기판에 실장한 것을, -40℃와 125℃로 교대로 30분 정도 유지한 열 사이클 시험에 걸고, 그 후, 실장된 칩 저항을 도 8에 도시하는 바와 같이 수평 방향으로 전단한 때에 필요한 힘, 즉 전단 강도를 측정한 결과를 나타낸다.

또한, 실장에 사용한 회로 기판은 통상 사용되는 Cu 전극을 이용하였다. Bi는 함유량이 많을수록, 솔더 합금의 융점이 내려가는 이점이 있지만, Bi 함유량을 6질량% 이상으로 한 경우, 열 사이클을 1000사이클 이상 걸은 후는, Bi를 첨가하지 않은 경우보다도 강도가 내려가고 버렸기 때문에, 신뢰성을 고려한 경우, Bi의 함유량은 6질량% 이하로 하여야 한다. 또한, Bi 함유량의 하한은, Bi 함유량을 변화시킨 벌크에 의한 인장 강도 시험 및 DSC 측정에 의한 융점에 대한 효과를 확인한 바, 0.01질량% 이하로 하면 효과가 인정되지 않아서, Bi를 첨가하는 경우는, Bi의 함유량은 0.01질량% 이상 6질량% 이하로 한다.

또한, 도 15는 인장 강도에 대한 합금 조성의 영향을 도시하는 그래프도이다. Zn이 8질량%, Ag가 0.075질량%, Bi가 1질량%, Al이 0.07질량%, Mg가 0.01질량%, Cu가 0.01질량%, 잔부를 Sn으로 한 합금 조성의 본 발명에 의한 솔더 분말을 이용하여, 약활성 플럭스와 혼련함으로서 크림 솔더 형성하고, 이 크림 솔더를 사용하여 전자부품의 하나인 QFP의 구리 리드선을 회로 기판의 구리 전극에 접속한 후, 85℃ 85%의 고온 고습 분위기중에서 1000시간까지 유지한 때에 있어서, 전자부품 QFP의 리드선을 45° 상방으로 끌어당기고, 솔더 접속 부분을 파괴하기 위해 필요한 강도, 즉 인장 강도를 측정한 결과를 나타낸다.

도 15에는, 종래의 Sn-Pb 공정 솔더인 Sn-37질량% Pb 합금 및 본 발명의 Sn-Zn 공정 솔더인 Sn-8, 8질량% Zn 합금에 의해, 전자부품 QFP의 구리 리드선을 회로 기판의 구리 전극에 접속한 후, 같은 시험을 행하는 결과를 기재한다. 도 15로부터, 본 발명에 의한 솔더는, 종래의 Sn-Zn 공정 솔더와 비교하여, Zn 리치상의 조직 개질에 의한 강화 때문에, 고온 고습 분위기중에 있어서, 우수한 접속 신뢰성을 가지며, 종래의 Sn-Pb 공정 솔더와 비교하여도 우수한 접속 신뢰성을 유지할 수 있는 것을 확인하였다. 게다가, 본 발명에 관한 솔더는 통상의 리플로우 로에 의한 Sn-37질량% Pb와 같은 온도 프로파일로의 실장이 가능하여, 신규 설비의 도입이 필요없고, 부품 내열 온도 이상으로 온도가 상승하는 일이 없어서, 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.

또한, 도 15로부터, 본 발명에 의한 솔더는, 종래의 Sn-Zn 공정 솔더와 비교 하여, Zn 리치상의 조직 개질에 의한 강화 때문에, 고온 고습의 분위기중에 있어서, 우수한 접속 신뢰성을 가지며, 종래의 Sn-Pb 공정 솔더와 비교하여도 우수한 접속 신뢰성을 유지할 수 있는 것을 확인하였다.

상술한 본 발명에 관한 솔더의 제 1의 효과는, 본 발명에 의한 솔더 합금 재료는, 저융점과 강도 특성이 우수한 주석을 이용하고, 인체에 대해 유해한 납을 사용하지 않는다는 것이다.

즉, 본 발명에 있어서의 솔더에서는, Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 공정 온도인 183℃에 가장 가까운 솔더공정 합금 조성이고, 공정 온도 199℃인 Sn-8.8질량% Zn을 모상으로 힌 솔더 재료를 사용하고 있기 때문에, 땅속으로 납이 용출하고, 지하수를 통하여 인체에 받아들여질 가능성이 없기 때문이다.

다음에, 본 발명에 관한 솔더의 제 2의 효과는, 본 발명에서는 Sn-37질량% Pb 공정 솔더의 용융 온도 183℃에 가장 가까운 솔더 공정 합금계이고, 공정 온도 199℃인 Sn-8.8질량% Zn을 모상으로 하는 무연 솔더 재료를 사용한다는 것이다.

즉, 본 발명에 있어서의 솔더에서는, Sn-8.8질량% Zn 공정 조직을 모상으로 하고, 0.01질량% 이상 6질량% 이하의 비스무트와, 0.07질량% 이상 0.5질량% 이하의 알루미늄, 0.007질량% 이상 0.01질량% 이하의 구리, 0.007질량% 이상 0.01질량% 이하의 마그네슘을 첨가하던지, 또한 바람직하게는 은을 상기한 범위에서 첨가함으로써 크림 솔더 내의 금속 성분 전체의 액상선 온도를 나리기 때문에, Sn-37질량% Pb 공정과의 융점차가 10℃ 내지 20℃ 정도로 되어, 신규로 실장면 전면에서의 균일 가열 가능한 리플로우 로를 도입할 필요가 없고, 종래의 Sn-37질량% Pb 공정 솔더 를 사용하는 경우와 같은 리플로우 로를 사용할 수 있다. 신규 설비 도입을 위한 비용이 걸리지 않는다. 또한, 종래의 Sn-37질량% Pb 공정 솔더를 사용하고 있던 경우와 동등한 전자부품 각각의 내열 보증 온도 영역에서 실장할 수 있기 때문에, 기능면에서 신뢰성이 있는 실장 제품을 제작하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에 관한 솔더의 제 3의 효과는, 본 발명에 의한 무연 솔더인 크림 솔더에서는, Sn-Zn 공정 조직을 모재 조직으로 하는 솔더 재료를 이용하여 전자부품을 구리판 전극상에 실장하는 경우보다, Sn-Zn계의 솔더 재료에 은(銀), 알루미늄, 마그네슘, 구리, 나아가서는 비스무트를 가함으로써, 실장 후의 고온, 고습도 환경하에서 높은 접속 신뢰성을 얻 는다는 것이다.

즉, 본 발명에서는, Sn-Zn계 솔더에 대해, 6질량% 이하의 비스무트를 가함으로써, 높은 초기 접속 강도를 얻을 수 있지만, 동시에 취약하게 되고, 다시 0.075질량% 내지 1질량%의 은을 가함으로써 초기 접속 강도를 상승시키고, -40℃와 125℃의 온도에 교대로 10분부터 30분 정도 방치하는 열 사이클 시험에 접속 신뢰성을 얻는다.

본 발명에서는, 구리와의 접합부 신뢰성 향상을 위해, 구리 전극상에 Au 도금 처리를 시행할 필요도 없어지기 때문에, 회로 기판의 제조 코스트를 종래의 Sn-Pb품과 같게 하는 것이 가능해진다. 그러나, 이것만으로는 85℃ 85%의 고온 고습 환경하에서, 솔더중의 Zn 리치상이 산화하여, 강도의 열화를 피할 수가 없다.

그래서, 본 발명에서는, Zn 리치상의 강도 상승을 도모하기 위해, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%, Cu: 0.007 내지 0.1질량%를 첨가하였다. Al은, Sn에는 거의 고용하지 않고, Zn 리치상 내부 또는 그 부근에 미세한 Al 리치상을 석출하고, 강도를 상승시킨다. 나아가서는, Mg의 첨가에 의해서도, Zn 리치상중에 경질의 Zn-Mg 금속문 화합물상을 석출하고, 강도를 올린다. 또한, 마그네슘을 첨가할 때에는 구리도 첨가하는 것이 바람직하고, Zn-Mg 금속간 화합물상을 미세 분산화시키는 작용이 있기 때문에, 솔더는 강도가 강하고, 강인한 것으로 할 수 있다. 1질량% 이상의 Ag를 가하면 은의 조직중 고용에 의한 합금의 인성 강화의 경화는 잃어버리고, Ag 리치한 상이 석출하고, 융점이 급격하게 상승하고, 고상과 액상이 공존하는 용융 온도 범위가 넓게 되기 때문에, 솔더 내부의 농도 편석을 일으키기 쉽고, 고온 환경하에서의 석출상의 조대화 및 그것에 수반하는 솔더 내 부식이 일어나기 쉽고, 접합 부분의 신뢰성을 잃어버린다.

이에 대해, 본 발명에 의한 솔더에서는 Sn-Zn 공정 조직을 모상으로 하여, 산화에 의해 취약하게 되기 쉬운 Zn 리치상의 강도를 상승시키기 위해, Al의 미량 첨가에 의해 Zn 리치상 내부 또는 부근의 강도를 Al 석출상에 의해 상승시키고, 또한 Mg와 Cu를 가함으로써, Zn 리치상의 강도 상승과 저융점화를 행하였다. 또한 Bi와 Ag를 첨가함으로서, Zn 리치상 이외의 조직도 고강도화 하였다. 이로써, 고온 고습 환경하에서의 신뢰성이 우수하고, Sn-37중량% Pb 공정계 솔더의 대체 재료가 된다.

본 발명은, 무연 솔더이고, 종래의 Sn-37질량% Pb 공정계 솔더과 동등한 융 점을 가지며. 동등한 작업성, 사용조건, 및 접속 신뢰성을 갖는 것이고, 무공해의 솔더로서, 극히 유익하다.

Claims

Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%를 함유하고, 또한 Bi: 0.01 내지 6질량% 및 Cu: 0.007 내지 0.1질량%의 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 솔더.
Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Cu: 0.007 내지 0.1질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 솔더.
Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Bi: 0.01 내지 6질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 솔더.
Zn: 7 내지 10질량%, Ag: 0.075 내지 1질량%, Al: 0.07 내지 0.5질량%, Bi: 0.01 내지 6질량%, Cu: 0.007 내지 0.1질량%, Mg: 0.007 내지 0.1질량%를 함유하고, 잔부가 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하 솔더.
전자부품과, 상기 전자부품이 상기 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 기재된 솔더에 의해 솔더링된 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 실장품.