KR20070049169A - 땜납 조성물, 납땜 접합 방법, 및 납땜 접합 구조 - Google Patents

Abstract

(1) 땜납 입자를 포함하고 있는 금속 재료, 및

(2) 고형 수지로부터 열경화성 수지를 제외하는 조건으로 가열되면 액상(液狀) 상태로 변화되는 상기 고형 수지 및 열경화성 수지를 포함하고 있는 열경화성 플럭스 재료를 포함해서 이루어지고,

또한, 상기 고형 수지가 액상 상태로 변화하는 온도가, 상기 열경화성 수지의 경화 개시 온도보다 낮은 땜납 조성물을 제공한다.

Description

땜납 조성물, 납땜 접합 방법, 및 납땜 접합 구조{SOLDER COMPOSITION, CONNECTING PROCESS WITH SOLDERING, AND CONNECTION STRUCTURE WITH SOLDERING}

본 발명은, 땜납 조성물에 관한 것으로, 특히, 예를 들면, 전자부품을 기판에 납땜 접합하기 위해서 이용되는 납땜 페이스트(solder paste)인 페이스트 형태의 땜납 조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이러한 땜납 조성물, 상세하게는 이러한 납땜 페이스트를 이용하는, 납땜 접합 구조 및 납땜 접합 방법에 관한 것이다.

전자부품을 기판에 실장(實裝)하는 방법으로서, 납땜을 이용하는 접합 방법(즉, 납땜 접합 방법)이 널리 이용되고 있다. 이러한 전자부품은 미세(微細) 피치(fine pitch)로 실장된다. 따라서, 납땜 접합부의 납땜량이 작을 경우나, 땜납 재료 자체의 강도가 낮아 납땜 접합부의 충분한 접합 강도를 확보하는 것이 어려울 경우에는, 납땜 접합을 보강 수지부에 의해 보강하는 납땜 접합 방법이 채용된다.

이러한 보강 수지부를 형성하기 위해서는, 에폭시 수지 등의 열경화성 수지가 자주 사용되며, 이 열경화성 수지를 경화시키기 위해 경화 단계가 필요하다. 이러한 경화 단계를 납땜 접합부가 형성되는 리플로 단계(reflow step)에서 동시에 실행할 수 있다면, 납땜 접합 공정이 간략화되므로 편리해지게 된다. 그러므로, 기 판에의 전자부품의 실장에 있어서, 전자부품 실장에 앞서, 보강 수지부를 형성하는 열경화성 수지가 함유되어 있는 접합 재료를 전자부품이 실장될 부분에 도포하는, 소위 「수지 선도포(先塗布)」가 채용될 수도 있다.

상기 「수지 선도포」를 위해 사용되는 접합 재료로서는, 열경화성 수지를 함유한 열경화성 플럭스가 제안되어 있으며, 또한, 열경화성 플럭스에 땜납 입자(또는 땜납 분말)가 혼입된 납땜 페이스트가 제안되어 있다(예를 들면, 아래의 특허 문헌 1 참조). 이러한 납땜 페이스트를 이용하는 것은, 별도로 땜납 재료를 공급하는 일 없이, 동시에 단일 공정으로 전극 간에 납땜 접합부와 보강 수지부 모두를 형성한다는 점에서 이점이 있다고 할 수 있다.

(특허 문헌 1)

일본국 특개2001-219294호 공보

본 발명자들은, 상기 열경화성 플럭스에 땜납 입자를 혼입한 상기 납땜 페이스트를 사용하는 납땜 접합 방법일지라도 원하는 납땜 접합 구조를 용이하게 구성하지 않는다는 것을 발견하였다. 특히, 충분한 접합 강도를 갖는 납땜 접합 구조를 성취하는 것이 어렵다. 따라서, 본 발명의 목적은, 신규인 땜납 조성물, 특히 충분한 접합 강도를 갖는 납땜 접합 구조를 형성할 수 있는 페이스트 형태의 조성물을 제공하고, 또한 이러한 땜납 조성물을 사용하는 납땜 접합 방법을 제공하고, 또한 이러한 땜납 조성물을 사용함으로써 형성된 납땜 접합 구조를 제공하는 것이다.

상기 목적에 대하여 본 발명자들이 집중적으로 연구한 바에 의하면, 다음의 것들을 발견하게 되었다.

상술한 바와 같이 공지된 열경화성 수지 중에 땜납 입자가 혼입된 납땜 페이스트를 사용하는 경우, 리플로 단계에 있어서 용융 땜납을 원하는 대로 유동(또는 이동)시키는 것이 어렵고, 이것은 충분한 접합 강도를 갖는 납땜 접합 구조를 형성하는 것을 어렵게 한다. 상세하게는, 리플로 단계에 있어서 납땜 접합 구조의 형성을 위한 가열에 의해 땜납 입자는 용융하지만, 또 다른 한편으로는, 이러한 가열이 열경화성 수지의 열 경화 반응을 동시에 진행시키게 된다. 이러한 경화 반응하에 있는 열경화성 수지가, 용융 땜납 입자의 이동(또는 유동)을 방해하고, 결과적으로, 용융 땜납 입자가 다른 용융 땜납 입자와 접촉하여 일체화되는 것을 어렵게 한다.

특히, 열경화성 수지의 경화가 땜납 입자의 용융 시기보다 먼저 진행되면, 용융 땜납 입자의 이동이 이미 겔(gel)화하기 시작한 열경화성 수지에 의해 방해되고, 이것이 용융 땜납 입자의 자체 정렬 효과를 저해하게 되어서, 용융 땜납 재료가 접합될 대상인 전극의 표면 위로 넓게 퍼지지 않을 수도 있다. 그 결과, 상기 전극을 충분히 접합시키지 않은 채로 땜납 재료가 고화되고, 이것은 정상적인 접합이 실행되지 않은 것을 의미하며(즉, 적정한 납땜 접합부가 형성되지 않음), 이것이 전기 도통 불량 등의 문제를 야기한다.

본 발명자들은, 열경화성 수지의 경화 반응이 진행중일지라도, 서로 이동해 집합하는 용융 땜납 입자를 일체화시킴으로써, 적절한 납땜 접합부의 형성이 진행되는 것을 더욱 집중적으로 연구하여서, 경화 중에 있는 열경화성 수지에 의한 용융 땜납 입자의 이동 방지를 억제할 수 있는 다른 재료가 납땜 페이스트 중에 공존(共存)하는 것이 효과적이라고 결론지었다. 그 후 더욱 연구를 진행하여, 상기 다른 재료로서, 납땜 접합 목적으로 가열되는 경우 액상(液狀) 상태로 변화되고, 그러한 변화는 열경화성 수지의 경화 개시에 선행한다는 점, 즉, 그러한 고형 수지가 열경화성 수지를 제거하는 조건으로, 고형 수지가 액상 상태로 변화되는 온도가 열경화성 수지의 경화 개시 온도보다 낮은 것에 특성을 갖는 고형(固形) 수지, 특히 열가소성 수지가 적당하다는 것을 발견하였는데, 이것에 따라 본 발명이 완료되었다.

상술한 바와 같이 상기 다른 재료는, 경화 중에 있는 열경화성 수지의 존재(存在)에도 불구하고 용융 땜납 입자의 이동 방지를 상기 재료가 억제한다는 효과를 제공하고, 이러한 효과는 유동성 또는 흐름성을 잃으면서 경화 중에 있는 열경화성 수지에 가소성(可塑性)을 제공하는 것에 비유할 수도 있으며, 따라서 상기 규정의 관점에서, 이러한 효과를 제공하는 상기 다른 재료는, 가소제(可塑劑)의 일종이라고 말할 수도 있다.

그러므로, 본 발명은,

(1) 땜납 입자를 포함하는 금속 재료, 및

(2) 가열될 때에 열경화성 수지가 고형 수지로부터 제거되는 조건으로 액상 상태로 변화(또는 변형)되는 상기 고형 수지와 열경화성 수지를 포함하여 이루어지는 열경화성 플럭스 재료를 포함하고 있으며, 또한 상기 고형 수지가 액상 상태로 변화되는 온도가 열경화성 수지가 경화를 시작하는 온도보다 낮은, 땜납 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 땜납 조성물은, 상온에 있어서 페이스트 형태인 것이 바람직하며, 이러한 바람직한 조성물은 납땜 페이스트라고 말할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 땜납 조성물은, 금속 재료 및 열경화성 플럭스 재료에 추가해서, 땜납 조성물이 페이스트 형태를 가질 필요가 있는 성분, 예를 들면 용제(溶劑)(부틸 카르비톨(butyl carbitol), 헥실 카르비톨(hexyl carbitol), 메틸 카르비톨(methyl carbitol), 및 디에틸 카르비톨(diethyl carbitol) 등)을 임의로 추가 포함할 수도 있다. 납땜 페이스트는, 접합하여야 할 목적물(전극 등)에의 적용이 용이하다는 점과, 접합하여야 할 다른 목적물(전자부품 등)을, 상기 납땜 페이스트의 두께를 이용하여, 도포된 납땜 페이스트에 일시적으로 접합할 수도 있다는 점에 이점이 있다.

본 발명에 따른 납땜 페이스트와 같은 땜납 조성물은, 금속 재료와 열경화성 수지 재료를 포함하여 이루어진다. 상기 금속 재료는 적어도 땜납 입자를 포함하며, 또한 다른 금속 성분을 추가로 포함할 수도 있다. 열경화성 수지 재료는, 열경화성 수지와 고형 수지(열경화성 수지를 제거하는)를 포함하며, 필요하다면 아래에 기술하는 바와 같은 다른 성분(들)을 추가로 포함할 수도 있다. 고형 수지는, 상온(땜납 조성물이 목적물에 적용되는 온도, 통상적으로 10℃∼40℃의 범위에 있는 온도에 상응)에서 고체 상태로 있으며, 땜납 입자를 용융시키기 위해 가열하면 액상 상태로 되는 성질을 갖는다.

본 발명에 따른 땜납 조성물은, 금속 재료와 열경화성 플럭스 재료를 혼합함으로써 제조할 수 있으며, 각각의 재료는 각각의 재료를 구성하고 있는 성분을 혼합함으로써 제조할 수 있다. 이러한 혼합은 어떤 적당한 방식으로 실행할 수 있으며, 열경화성 플럭스 재료에 대해서는 열경화성 수지의 경화가 혼합 동안에는 개시되지 않는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상기 다른 금속 성분 또는 상기 다른 성분은, 각각 금속 재료 또는 열경화성 플럭스 재료가 수용되도록 혼합되거나, 또는 상기 다른 금속 성분 또는 상기 다른 성분이, 금속 재료 및 열경화성 플럭스 재료를 혼합하여 그러한 혼합물을 형성함으로써 상기 혼합물에 의해 함께 수용될 수도 있다는 점에 주목하여야 한다. 상기 다른 성분에 대해서는 다음의 것이 예가 될 수 있다. 이것들은, 페이스트 형태로 될 땜납 조성물을 만드는 성분(예를 들면, 용제), 경화 촉진제, 및 상기 다른 금속 성분이다.

본 발명에 따른 땜납 조성물에 이용되는 땜납 입자는, 본 명세서에서 기술한 바와 같이 본 발명에 따른 땜납 조성물을 형성하는 한 어떠한 적당한 입자이어도 좋다. 예를 들면, 소위 땜납 재료와 같이 용이하게 용융되는 통상적인 합금, 및 납 성분을 수용하지 않은 소위 납 프리(lead-free) 땜납 재료의 금속 입자일 수도 있다. 구체적으로, 다음의 땜납 재료를 예로 들 수 있다. 즉, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Zn, Sn-Ag-Bi-In, Sn-Ag-Cu-Bi 등을 들 수 있다. 땜납 입자의 크기 및 형태는 특별히 한정되지는 않는다는 점에 주목하여야 한다. 예를 들면, 시장 구입 가능한 땜납 분말 또는 땜납 입자, 및 특히 전기적 도체 접착제 또는 납땜 페이스트에 대해 시장 구입 가능한 것들은, 본 발명에 따른 땜납 조성물용 땜납 입자로서 이용될 수도 있다.

본 발명에 따른 땜납 조성물에 사용되는 열경화성 수지는, 본 명세서에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 땜납 조성물을 형성하는 한, 어떤 적당한 것일 수도 있다. 전기적 도체 접착제, 납땜 페이스트 등에 사용되는 것으로 일반적으로 알려진 공지된 열경화성 수지를 사용할 수도 있다. 예를 들면, 다음의 수지를 예로 들 수 있다. 에폭시 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아민 수지(amine resin), 실리콘 수지 등을 들 수 있다. 본 발명에 따른 땜납 조성물에 이용되는 열경화성 수지는, 바람직하게는 주제(主劑)(또는 주 구성 재료) 및 경화 에이전트(curing agent)를 포함하고, 임의적으로, 열경화성 수지는 경화 촉진제를 추가로 포함할 수도 있으며, 통상적으로 경화 촉진제를 포함하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 땜납 조성물에 이용되는 고형 수지는, 본 명세서에서 기술한 바와 같이 본 발명에 따른 땜납 조성물을 형성하는 한 어떤 적당한 것일 수도 있으며, 이것은 바람직하게는 열가소성 수지를 포함하고 있다. 예를 들면, 다음의 수지를 예로 들 수 있다. 테르펜 수지(terpene resin), 크실렌 수지(xylene resin), 비결정성 로진(amorphous rosin), 올레핀 수지, 아크릴 수지, 아미드 수지(amide resin), 폴리에스테르 수지, 스티렌 수지, 폴리이미드 수지, 지방산 유도 왁스, 고중합(高重合) 로진, 지방산 아미드 등을 들 수 있다.

상기의 "(고형 수지)는 가열될 때 액상으로 변화된다는 점에 특징이 있다"라는 것은, 납땜 접합 구조를 형성할 목적으로 본 발명에 따른 땜납 조성물에 함유된 땜납 입자를 용융하는 가열을 통해서, 고체 상태인 고형 수지가 액상으로 변화(또는 변형)된다는 것을 의미한다. 이러한 변화는 땜납 입자의 용융과 동시에 발생할 수도 있으며, 고체 상태에서 액상 상태로의 고형 수지의 변화는 땜납 입자의 용융에 앞서 발생하는 것이 바람직하다. 다른 실시형태에서는, 땜납 입자의 용융이 상기 변화보다 더 먼저 일어날 수도 있다. 본 발명은, 땜납 입자가 제조된 땜납 재료의 액상선(液相線) 온도(또는 공정(共晶) 땜납 재료인 경우 공정 온도)로 상기 땜납 입자가 가열될 때 땜납 입자의 용융이 일어나는 것을 판단한다는 점에 주목하여야 한다.

본 발명에 따른 땜납 조성물에 대해서는, 고형 수지의 고체 상태로부터 액상 상태로의 변화는, 열경화성 수지의 경화가 시작되기 전에 발생하며, 즉, 고형 수지의 상태가 액상 상태로 변화되는 온도는 열경화성 수지가 경화되기 시작하는 온도보다 낮다. 본 명세서에서는, 열경화성 수지가 경화되기 시작하는 온도는 소위 경화 개시 온도를 의미한다. 이러한 온도는, 열경화성 수지(어떤 경화제 및 경화 촉진제를 포함한다)를 DSC 측정에 따라 구한다. 측정에 대한 상세한 것은, 그 실재를 참조로 인용하는 JIS K7121로부터 알 수 있다. 상세하게는, 시료를 가열하면서 DSC 측정에 의해 온도 대(對) 열량 곡선을 얻으며, 상기 곡선의 기준선으로부터 벗어나기 시작하는 곡선의 온도로서 경화 개시 온도를 정의한다. 이러한 경화 개시 온도는, 주제(主劑), 경화제 및 경화 촉진제(존재할 경우)의 종류 및/또는 이것들의 배합 비율을 변경함으로써, 여러 가지로 설정할 수 있으며, 따라서 상기의 JIS에 따른 방법에 의해 경화 개시 설정 온도를 결정할 수 있다.

본 명세서에 있어서, "액상"이라는 것은, 진정한 액체 상태뿐만 아니라 액체 상태로 취급할 수 있는 상태도 포함하여 사용하고 있다. 본 발명에 따라 땜납 조성물을 구성하는 한, 액상인 고형 수지(즉, 액체 상태 고형 수지)의 점도는 높아도 좋다. 따라서, 용어 "액상"은, 물, 유기 용매 등의 유동성이 풍부한 상태뿐만 아니라, 점도가 높아 통상적으로는 보통 액체의 개념 내에 포함되지 않는 상태를 포함하는 것으로 사용하고 있다.

바람직한 실시형태에서는, 고형 수지가 "액상"으로 변화될 것인가 아닌가의 여부는, 연화(軟化) 온도 시험 방법(실재를 참조로 인용하는 JIS K2207에서 정의되는 환구법(環球法: ring-and-ball method)에 의해 측정되는 고형 수지의 연화 온도(또는 연화점)에 의해 판단한다. 즉, 고형 수지가 가열될 경우, 고형 수지의 온도가 상기 고형 수지의 연화 온도 이상일 때는 상기 고형 수지는 액상이고, 또 다른 한편, 가열된 고형 수지의 온도가 상기 고형 수지의 연화 온도보다 낮을 때는 상기 고형 수지가 여전히 고체 상태라고 판단하는 것이 바람직한 것을 알았다. 이 실시형태에서는, 고형 수지를 가열할 경우, 고형 수지의 연화 온도를 고형 수지가 고체 상태로부터 액상 상태로 변화되는 천이(遷移) 온도라고 생각할 수 있다.

따라서, 본 발명의 특히 바람직한 형태에서는, 땜납 입자의 용융과 고형 수지의 고체 상태로부터 액상 상태로의 변화의 어느 것이 먼저 일어날지에 대해서는, 땜납 입자를 구성하는 땜납 재료의 액상선 온도(또는 공정(共晶) 땜납 재료인 경우는 공정 온도)와 고형 수지의 연화 온도의 어느 하나가 더 낮은가 하는 것에 근거해서 판단한다. 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시형태에서는, 땜납 입자가 제조되는 땜납 재료의 액상선 온도(또는 공정 땜납 재료인 경우는 공정 온도)는, 바람직하게는 고형 수지의 연화 온도 이상이고, 더욱 바람직하게는 액상선 온도가 연화 온도보다 적어도 10℃ 높으며, 특히 바람직하게는 적어도 20℃ 높다. 이것들 바람직한 실시형태에 있어서, 고형 수지의 액상으로의 변화는, 땜납 입자의 용융 이전에 일어난다.

본 발명에 있어서, 상기와 유사하게, 열경화성 수지의 경화 개시와 고형 수지의 고체 상태로부터 액상 상태로의 변화 중, 어느 것이 먼저 일어날지에 대해서, 바람직하게는, 열경화성 수지의 경화 개시 온도와 고형 수지의 연화 온도 중의 어느 것이 더 낮은가 하는 것에 근거해서 판단한다. 상술한 바와 같이, 고형 수지의 고체 상태로부터 액상 상태로의 변화는, 열경화성 수지의 경화 개시보다 더 먼저 일어나는 것, 즉, 열경화성 수지의 경화 개시 온도가 고형 수지의 연화 온도 이상인 것이 바람직하다. 예를 들면, 열경화성 수지의 경화 개시 온도가 고형 수지의 연화 온도보다 바람직하게는 적어도 10℃ 높고, 더욱 바람직하게는 적어도 20℃ 높으며, 특히 바람직하게는 적어도 30℃ 높다. 상술한 바와 같이, 경화 개시 온도는 JIS K7121에 따라 측정하는 것에 주목하여야 한다.

열경화성 수지의 경화 개시 온도가 고형 수지의 연화 온도보다 높을 경우, 리플로(reflow) 단계에 있어서, 용융 땜납 입자의 유동성이, 땜납 조성물에 포함되어 경화하고 있는 열경화성 수지에 의해 방해되는 정도가 낮아, 양호한 납땜 접합을 실행할 수 있다. 이 실시형태에서, 땜납 입자에 대한 땜납 재료의 액상선 온도가 고형 수지의 연화 온도 이상인 것이 특히 바람직하다.

고형 수지는, 열경화성 수지, 특히 그것의 주제(主劑)에 대하여 상용성(相溶性)을 갖는 것이 바람직하고, 그 경우, 고형 수지를 열경화성 수지, 특히 그것의 주제 중에 혼입시킬 때에, 휘발성의 용제를 사용하는 일 없이 충분한 유동성을 구비한 납땜 페이스트를 형성할 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 그 결과, 용제로부터 발생하는 가스의 리플로 장치에의 부착, 그러한 가스에 의한 장치 대기의 오염 등, 용제 사용으로 인한 문제점을 완화, 또는 해소할 수 있다.

본 발명에 따른 땜납 조성물에 있어서, 열경화성 플럭스 재료는, 땜납 산화막을 제거하는 활성 작용을 갖는 것이 바람직하다. 이 실시형태에 있어서, 열경화성 수지 및/또는 고형 수지가 그러한 활성 작용을 구비해도 좋다. 그러한 활성 작용을 갖는 열경화성 수지로서는, 예를 들면 에폭시 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지, 및 아민 수지를 예로 들 수 있다. 그러한 활성 작용을 갖는 고형 수지로서는, 예를 들면 크실렌 수지 및 비결정성 로진을 예로 들 수 있다. 다른 실시형태에서는, 열경화성 플럭스 재료는, 열경화성 수지 및 고형 수지와는 별도로, 그러한 활성 작용을 갖는 성분(즉, 활성제)을 포함할 수도 있다. 그러한 별도의 성분으로서, 예를 들면, m-히드록시 벤조산(m-hydroxybenzoic acid), 메사콘산(mesaconic acid), o-히드록시 시나믹산(o-hydroxycinnamic acid), 우스닉산(usnic acid), 3, 4-디히드록시 벤조산, 마뇨산(hippuric acid), 및 숙신산(succinic acid)을 예로 들 수 있다. 이러한 활성제는, 열경화성 플럭스 재료에 첨가하는 것이 아니고, 땜납 조성물에 별도로 첨가해도 좋다.

본 발명에 따른 땜납 조성물은, 땜납 조성물 전체의 중량 기준으로,

금속 재료를 바람직하게는 70∼92wt％, 더욱 바람직하게는 75∼90wt％, 특히 80∼85wt％ 포함하고,

또한, 열경화성 플럭스 재료를 8∼30wt％, 더욱 바람직하게 10∼25wt％, 특히 15∼20wt％ 포함한다.

열경화성 플럭스 재료는, 열경화성 플럭스 재료 전체의 중량 기준으로,

주제(主劑)를 바람직하게는 30∼50wt％, 더욱 바람직하게는 35∼50wt％, 특히 40∼50wt％ 포함하고,

경화제를 바람직하게는 30∼50wt％, 더욱 바람직하게는 35∼50wt％, 특히 40∼50wt％ 포함하며,

고형 수지를 바람직하게는 2∼20wt％, 더욱 바람직하게는 2∼15wt％, 특히 5∼15wt％ 포함한다.

또한, 열경화성 플럭스 재료는, 경화 촉진제를 추가로 포함해도 좋으며, 그 경우, 열경화성 플럭스 재료의 전체 중량 기준으로, 바람직하게는 1∼3wt％, 더욱 바람직하게는 1∼2.5wt％, 특히 1∼1.5wt％의 경화 촉진제를 포함한다. 또한, 열경화성 플럭스 재료는, 용제를 포함해도 좋으며, 그 경우, 열경화성 플럭스 재료의 전체 중량 기준으로, 바람직하게는 5wt％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.5∼3wt％, 특히 0.5∼1wt％ 포함한다. 또한, 열경화성 플럭스 재료는, 활성제를 추가로 포함해도 좋으며, 그 경우, 열경화성 플럭스 재료 전체의 중량 기준으로, 바람직하게는 3∼10wt％, 더욱 바람직하게는 4∼9wt％, 특히 5∼7wt％의 활성제를 포함한다.

또한, 본 발명은, 제1전극, 예를 들면 전자부품의 접속용 전극(이하에, 단순화 목적으로, "접속용 전극"이라는 용어를 대표적으로 사용함)을, 제2전극, 예를 들면 기판의 회로 전극(이하에, 단순화 목적으로, "회로 전극"이라는 용어를 대표적으로 사용함)에 납땜 접합하는 납땜 접합 방법을 제공한다.

이러한 납땜 접합 방법은,

상기 또는 후술하는 본 발명에 따른 땜납 조성물, 바람직하게는 납땜 페이스트를 상기 접속용 전극과 상기 회로 전극과의 사이에 배치하는 단계,

땜납 입자를 용융(예를 들면, 기판을 가열함으로써)시키는 가열 단계로서, 상기 고형 수지를 액상 상태로 변화시키는 동시에, 상기 열경화성 수지의 경화 반응을 진행시키는 단계, 및

상기 변형된 고형 수지 및 용융 땜납 재료를 고화(固化)시키는 고화 단계(예를 들면, 상기 기판을 냉각시킴으로써, 기판 온도를 상온으로 복귀시키고, 또한 이미 경화된 열경화성 수지도 냉각하여 이루어짐)를 포함하여 이루어진다.

상술한 바와 같이 땜납 입자를 용융시키면, 용융한 땜납 입자는 유동하면서 서로 집합해 일체가 되어서, 접속용 전극과 회로 전극을 전기적으로 접속하는 납땜 접합부를 형성한다. 따라서, 본 발명은, 본 발명에 따른 땜납 조성물을 사용하여 전자부품을 기판에 접속하는, 전자부품이 기판에 실장되는 기판 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상술한 납땜 접합 방법에 의해 형성되는 납땜 접합 구조, 제1전극과 제2전극(예를 들면, 각각 접속용 전극과 회로 전극)을 전기적으로 접속하는 상기 납땜 접합 구조를 제공한다. 이러한 납땜 접합 구조는, 상기 및 후술하는 본 발명에 따른 땜납 조성물, 바람직하게는 납땜 페이스트를 제1전극과 제2전극과의 사이에 배치하고, 땜납 입자를 용융(예를 들면, 기판을 가열함으로써)시키는 것에 즈음하여, 고형 수지를 액상 상태로 변화시키는 동시에, 상기 열경화성 수지의 경화 반응을 진행시킨 후, 용융된 땜납 재료와 액상 상태의 고형 수지를 고화(예를 들면, 상기 기판을 냉각)시킴으로써 형성된다. 납땜 접합 구조는, 제1전극과 제2전극과의 사이에 형성되는 납땜 접합부와, 경화된 상기 열경화성 수지와 고화한 상기 고형 수지로서 이루어지는 수지 보강부를 포함하고, 상기 수지 보강부는, 상기 납땜 접합부 표면의 적어도 일부분을 덮는다.

(발명의 효과)

본 발명에 따른 땜납 조성물 또는 납땜 접합 방법은, 리플로 단계에 있어서, 땜납 재료의 자체 정렬 효과를 억제하는, 겔(gel)화되고 있는 열경화성 수지로 인한 용융한 상태의 땜납 입자의 유동성 방해를 억제하여, 땜납 입자의 유동성을 더욱 충분히 확보함으로써, 건전한 형상이고 충분한 강도를 가진 납땜 접합부를 형성할 수 있다. 그 결과, 그러한 땜납 조성물 및 그러한 납땜 접합 방법에 의해 형성된 납땜 접합 구조는, 적정한 납땜 접합부를 구비하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 접합 방법의 하나의 실시형태인 기판 위 전자부품 실장 방법의 단계를 나타내는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 하나의 실시형태의 납땜 접합 구조의 단면도.

도 3은 종래의 납땜 페이스트를 사용한 경우에 기인하는 불량의 예를 나타내는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 기판 2: 전극

3: 납땜 페이스트 4: 전자부품

5: 납땜 접합 구조 5a: 납땜 접합부

5b: 수지 보강부

본 발명에 따른 땜납 조성물에 있어서, 금속 재료의 양(量)은, 땜납 조성물의 전체 중량 기준으로, 바람직하게는 70wt％∼92wt％이며, 나머지는 열경화성 플럭스 재료이다. 모든 금속 재료는 실질적으로 땜납 입자이며, 다른 실시형태에서는, 금속 재료의 일부분이 후술하는 바와 같은 다른 금속 성분, 특히 상기 다른 금속 성분의 분말이어도 좋다.

본 발명에 따른 땜납 조성물을 사용하여 납땜 접합 방법을 실시함에 있어서, 비교적 고온 영역까지의 가열이 허용되는 경우에서는, 예를 들면 Sn(주석)-Ag(은)-Cu(동)에 기초한 땜납 재료(액상선 온도가 약 220℃)의 입자를 본 발명에 따른 땜납 조성물용으로 사용할 수도 있다. 또 다른 한편으로, 가열 온도가 가능한 한 낮게 되도록 요구되는 경우에는, 예를 들면, Sn(주석)-Bi(비스무트)에 기초한 땜납 재료(액상선 온도가 약 139℃)의 입자를 본 발명에 따른 땜납 조성물용으로 사용할 수 있다.

금속 재료는, 땜납 입자에 추가해서, 예를 들면 Ag(은), Pd(팔라듐), 및/또는 Au(금)의 금속 분말을 포함할 수도 있다는 점에 주목하여야 한다. 이러한 금속 분말은, 바람직하게는 플레이크(flake) 형상 또는 입자 형상일 수도 있으며, 상기 금속 분말은 특히 미세 포일 요소(fine foil element)(또는 미세 플레이크 요소)일 수도 있다. 이러한 금속 분말은, 땜납 조성물의 금속 재료의 전체 중량 기준으로, 0.5wt％∼10wt％, 바람직하게는 0.5∼5wt％의 양으로 수용되어, 납땜 접합성을 향상시킨다. 상기의 이러한 금속 분말용 금속은, 사용하는 땜납 재료의 융점보다도 높은 융점을 가지며, 대기 중에서 산화막을 거의 생성하지 않고, 또한, 유동 가능한 상태에 있는 용융 땜납 재료가 금속 분말 위로 흘러서, 상기 금속 분말은 주위에 용융 땜납 입자가 응집하는 핵을 제공함으로써, 땜납 재료의 젖음성을 향상시킨다. Sn-Bi 땜납 재료를 사용하는 경우, 금속 재료의 전체 중량 기준으로 Ag(은)(바람직하게는 입자 형태)을 1∼3wt％ 포함할 수도 있으며, 그러한 은(銀)의 포함은, 납땜 접합부의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 땜납 조성물을 구성하는 열경화성 수지는, 상술한 바와 같은 어느 적당한 것이어도 좋다. 따라서, 당업자는, 본 명세서의 개시 사항에 근거해서 적절한 열경화성 수지를 선택할 수 있으며, 더 이상의 설명은 필요하지 않다. 하나의 예로, 주제로서 에폭시 수지를 이용할 경우, 이하의 주제, 경화제 및 경화 촉진제를 사용해서 열경화성 플럭스 재료를 얻을 수 있다. 단위 "wt％"는, 열경화성 플럭스 재료의 전체 중량을 기준으로 하는 점에 주목하여야 한다.

·주제(예를 들면 30wt％∼40wt％):

수소 첨가 비스페놀 A 에폭시 수지(hydrogenated bisphenol A epoxy resin)

(3, 4-에폭시시클로 헥실)메틸 3'，4'-에폭시시클로헥실-카복실레이트(상업적으로 이용 가능한 다이셀 화학 주식회사의 CELLOXIDE 2021P)

비스페놀 F 에폭시 수지

비스페놀 A 에폭시 수지

·경화제(예를 들면, 30wt％∼40wt％):

메틸 시클로헥센-무수 디카르복실산(methyl cyclohexene-dicarboxylic anhydride)

(테트라하이드로메틸 무수 프탈산(tetrahydromethylphthalic anhydride))

메틸헥사하이드로 무수 프탈산(methylhexahydrophthalic anhydride)

·경화 촉진제(예를 들면 1wt％∼2wt％):

2-페닐-4-메틸-5-히록시메틸 이미다졸(2-phenyl-4-methyl-5-hyroxymethyl imidazole)

2-페닐-4, 5-디히록시메틸 이미다졸

상기의 3 성분에 추가해서, 열경화성 수지 또는 열경화성 플럭스 재료는, 활성제(예를 들면, 3wt％∼10wt％), 용제(예를 들면, 5wt％ 까지) 등을 포함할 수도 있다.

따라서, 당업자는, 본 명세서의 개시 사항에 근거하여, 본 발명에 따른 땜납 조성물을 형성하는 적절한 열경화성 플럭스 재료를 구성할 수 있으며, 더 이상의 설명은 필요하지 않다. 일례로서 에폭시 수지를 이용할 경우, 이하의 배합을 열경화성 플럭스 재료에 이용할 수 있다. 단위 "wt％"는, 열경화성 플럭스 재료의 전체 중량을 기준으로 하는 점에 주목하여야 한다.

·주제(예를 들면 30wt％∼40wt％):

수소 첨가 비스페놀 A 에폭시 수지

·경화제(예를 들면 30wt％∼40wt％):

테트라하이드로메틸 무수 프탈산

·경화 촉진제(예를 들면 1wt％∼2wt％):

2-페닐-4-메틸-5-히록시메틸 이미다졸

·활성제(예를 들면 3wt％∼10wt％):

m-히드록시 벤조산

·용제(예를 들면 5wt％까지):

부틸 카르비톨

·고형 수지(예를 들면 3wt％∼20wt％):

알킬페놀 변성 크실렌 수지

상기 열경화성 수지는, 상기 방식에 따라 배합하는 경우, 70℃를 초과하는 경화 개시 온도를 갖는다. 그러므로, 고형 수지로서 연화 온도가 70℃인 알킬페놀 변성 크실렌 수지를 이용하는 경우, 고형 수지의 연화 온도는 경화 개시 온도보다 낮다.

다음 사항에 대해 주목하여야 한다.

주제로서, 수소 첨가 비스페놀 A 에폭시 수지에 대신하여, (3, 4-에폭시시클로 헥실)메틸 3'，4'-에폭시시클로헥실-카복실레이트, 비스페놀 F 에폭시 수지 또 는 비스페놀 A 에폭시 수지를 사용해도 좋다.

경화제로서, 테트라하이드로메틸 무수 프탈산에 대신하여, 메틸헥사하이드로 무수 프탈산을 사용해도 좋다.

경화 촉진제로서, 2-페닐-4-메틸-5-히록시메틸 이미다졸에 대신하여, 2-페닐-4, 5-디히록시메틸 이미다졸을 사용해도 좋다.

활성제로서, m-히드록시 벤조산에 대신하여, 메사콘산을 사용할 수도 있다.

고형 수지로서, 알킬페놀 변성 크실렌 수지에 대신하여, 지방산 아미드 또는 고중합 로진을 사용할 수도 있다.

용제로서, 부틸 카르비톨에 대신하여, 메틸 카르비톨을 사용할 수도 있다.

상기 대체 사용 가능한 성분의 양은, 대체되는 성분의 양과 동일하여도 된다. 경화제로서 산(酸) 무수물(無水物)을 사용할 경우, 산 무수물은 땜납 산화막을 제거하는 활성 작용을 가지므로, 활성제의 첨가를 생략해도 좋다.

본 발명에 따른 땜납 조성물이 납 프리 땜납 재료의 입자를 포함할 경우, 열경화성 플럭스 재료의 일례로서 다음과 같은 배합 조성을 추천할 수 있다.

Sn-Ag-Cu 땜납 재료(액상선 온도: 220℃)를 사용할 경우,

금속 재료(전량이 땜납 입자이면 좋다):열경화성 플럭스 재료의 중량비 = 8:1

주제: 수소 첨가 비스페놀 A 에폭시 수지(38wt％)

경화제: 테트라하이드로메틸 무수 프탈산(38wt％)

경화 촉진제: 2-페닐-4-메틸-5-히록시메틸 이미다졸(1wt％)

열경화성 수지의 경화 개시 온도: 151℃

활성제: m-히드록시 벤조산(10wt％)

고형 수지: 고중합 로진(13wt％)(연화 온도: 140℃)

주(註): 단위 "wt％"는, 열경화성 플럭스 재료의 전체 중량을 기준으로 한다.

Sn -Bi 땜납 재료(액상선 온도: 139℃)를 사용할 경우,

금속 재료(전량이 땜납 입자이면 좋다):열경화성 플럭스 재료의 중량비 = 8:1

주제: 수소 첨가 비스페놀 A 에폭시 수지(38wt％)

경화제: 테트라하이드로메틸 무수 프탈산(38wt％)

경화 촉진제: 2-페닐-4-메틸-5-히록시메틸 이미다졸(1wt％)

열경화성 수지의 경화 개시 온도: 151℃

활성제: m-히드록시 벤조산(10wt％)

고형 수지: 알킬페놀 변성 크실렌 수지(13wt％)(연화 온도: 120℃)

주(註): 단위 "wt％"는, 열경화성 플럭스 재료의 전체 중량을 기준으로 한다.

이어서, 회로 기판에 전자부품을 접속할 경우, 상세하게는, 기판의 회로 전극에 전자부품의 접속용 전극을 접속함으로써 전자부품을 회로 기판에 실장할 경우를 일례로 해서, 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1은, 본 발명에 따른 납땜 접합 방법에 의한 전자부품의 실장 방법의 단 계를 전자부품의 측방(側方)에서 본 경우를 모식적으로 나타낸다. 도 1(d)에는, 땜납 접합 구조만을 단면도로 나타낸 점에 주목하여야 한다. 도 2는, 본 발명에 따른 하나의 실시형태로서 납땜 접합 구조를 단면도로 모식적으로 나타낸다. 도 3은, 종래의 납땜 페이스트를 사용한 납땜 접합 방법에서 야기된 불량의 예를 모식적으로 나타낸다.

우선, 도 1을 참조해서, 본 발명의 납땜 접합 방법의 하나의 실시형태인 전자부품의 실장 방법에 대해서 설명한다. 이 실장 방법은, 상기 및 후술하는 본 발명에 따른 땜납 조성물을 납땜 페이스트로서 사용하여, 전자부품의 접속용 전극을 기판에 형성된 회로 전극에 납땜 접합함으로써 상기 전자부품을 기판에 실장하는 것이다.

도 1(a)를 참조하면, 기판(1)에는 회로 전극(2)(이하, 간단히 「전극(2)」이라고 약기함)이 형성되어 있다. 전극(2)에는, 기판(1)에 실장될 전자부품(4)의 접속용 전극이 각각 납땜 접합에 의해 접속된다. 기판 위에 전자부품(4)을 탑재하기 전에, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 전극(2)의 표면에 납땜 페이스트(3)를 도포한다. 납땜 페이스트(3)의 도포에는, 스크린 인쇄, 디스펜서를 이용한 도포 등의 공지된 적당한 도포 방법을 이용해도 좋다.

이어서 기판(1)에는 칩(chip) 형태의 전자부품(4)을 탑재한다. 즉, 도 1(c)에 나타낸 바와 같이, 전자부품(4)의 양쪽 단부에 구성된 접속용 전극으로서의 리드(lead)(4a)를 전극(2)에 정렬하고, 상기 전극(2) 상의 납땜 페이스트(3) 위에 상기 리드(4a)를 착지시킨다. 이러한 착지에 의해, 전자부품(4)은 납땜 페이스트(3) 의 점착력(粘着力)으로 인해 임시로 접착된다. 그 후, 전자부품(4)이 탑재된 기판(1)은 리플로 장치에 보내지고, 여기서 상기 기판은 납땜 페이스트(3) 중의 땜납 입자를 구성하는 땜납 재료의 액상선 온도 이상으로 가열된다. 이러한 가열에 의해, 도 1(d)에 나타낸 바와 같이, 납땜 페이스트(3) 중의 땜납 입자가 용융·유동하여 서로 집합됨으로써, 납땜 접합부를 형성하는 동시에, 열경화성 수지의 경화에 뒤따라, 고형 수지가 액상 상태로 변화되어, 수지 보강부를 형성한다.

이 후, 기판(1)을 리플로 장치로부터 꺼내 기판(1)을 상온에 복귀시킴으로써, 액상 상태로 변화되었던 고형 수지 및 땜납 입자로서 형성된 용융 땜납을 냉각해서 고화(固化)시킨다. 이러한 방법으로, 전극(2)과 리드(4a)를 연결하는 적당한 필릿(fillet) 형상으로 납땜 접합부(5a)(도 2 참조)가 형성된다. 따라서, 납땜 페이스트(3)를 사용하여, 전자부품(4)의 접속용 전극으로서의 리드(4a)와 기판(1)의 전극(2)을 납땜으로 접합하는 납땜 접합 구조(5)를 형성한다.

상술한 바와 같이 땜납 입자가 용융될 때에, 땜납 조성물(3)에 포함되어 있는 열경화성 플럭스 재료 중의 고형 수지가 액상 상태로 변화되므로, 열경화성 플럭스 재료는, 땜납 입자가 용융하는 온도로 가열될지라도 용융된 땜납 입자의 유동을 그다지 저해하지 않는다. 그 결과, 용융한 땜납 재료의 자체-정렬 효과의 저해가 억제되어, 적정한 납땜 접합부가 형성된다. 이러한 납땜 접합이 완료된 다음에는, 열경화성 플럭스 재료에 있어서의, 열경화성 수지의 열 경화 완료와, 일단 액상 상태로 되었던 고형 수지의 상온에의 냉각으로 인한 고화에 의해, 경화된 열경화성 수지와 그렇게 고화된 고형 수지가 충분한 경질(硬質) 상태로 되고, 이것은, 적어도 납땜 접합부(5a) 표면의 일부를 덮는 수지 보강부(5b)로서 역할을 담당하여 상기 납땜 접합부(5a)를 보강한다.

이러한 납땜 접합 구조(5)는, 납땜 페이스트(3)를 전극(2)과 리드(4a)와의 사이에 배치한 상태에서 기판(1)을 가열해서 땜납 입자를 용융시키고, 이어서 상기 기판을 냉각시킴으로써 형성된다. 상기 구조는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전극(2)과 리드(4a)와의 사이에 형성된 납땜 접합부(5a)와, 가열에 의해 경화된 열경화성 수지 및 냉각에 의해 고화된 고형 수지로서 형성되는 수지 보강부(5b)를 포함한다. 상기 수지 보강부(5b)는 적어도 납땜 접합부(5a) 표면의 일부분, 바람직하게는 대부분, 더욱 바람직하게는 실질적으로 전부를 덮는다.

상술한 납땜 접합 방법은, 상기 성분 조성의 납땜 페이스트(3)를 전극(2)과 리드(4a)와의 사이에 배치하는 단계와, 기판(1)을 가열해서 땜납 입자를 용융시키는 동시에, 고형 수지를 액상 상태로 변화시키면서, 열경화성 수지의 경화 반응을 진행시키는 가열 단계와, 기판(1)을 상온으로 냉각시킴으로써, 이렇게 변화된 고형 수지 및 용융된 땜납 재료를 고화시키는 단계를 포함한다. 상기 가열 단계에 있어서는, 고형 수지의 액상 상태로의 변화가 땜납 입자의 용융 및 열경화성 수지의 경화 개시보다 선행하여 발생하는 것이 특히 바람직하다. 이렇게 특히 바람직한 실시형태에서는, 땜납 입자의 용융이 열경화성 수지의 경화 개시보다 선행하는 것이 더욱 바람직하다. 즉, 최초에 고형 수지의 액상 상태로의 변화가 일어나고, 2번째로 땜납 입자의 용융이 일어나고, 최후에 열경화성 수지의 경화 개시가 일어나는 것이 가장 바람직하다.

가장 넓은 의미에서, 본 발명은, 땜납 조성물 중의 고형 수지의 존재뿐만 아니라, 열경화성 수지의 경화 개시 온도보다 낮은 온도에서 액상 상태로의 변화의 발생이, 납땜 접합 구조에 있어서 보강 수지부로 덮여진, 적정한 납땜 접합부를 형성한다는 점에 있다.

본 발명에 따른 상술한 납땜 접합 방법을 이용함으로써, 종래의 납땜 페이스트를 사용해서 유사한 전자부품(14)을 실장하는 경우에 형성되기 쉬운 접합 불량의 발생을 억제한다. 예를 들면, 도 3은, Sn-Bi 납 프리 땜납 재료의 땜납 입자를 포함하고, 상술한 고형 수지는 포함하지 않고, 열경화성 수지의 경화가 땜납 입자의 용융보다 과도하게 선행하여 시작하는 경향이 있는 납땜 페이스트를 사용하여, 전자부품(14)의 리드(lead)(14a)를 전극(12)에 접합하는 경우에 형성된 납땜 접합 구조에 있어서의 도통 불량의 예를 모식적으로 단면도에 나타낸다.

도 3(a)를 참조하면, 기판(11)의 전극(12) 위에는, 종래의 납땜 페이스트(13)가 공급되어 있고, 그러한 납땜 페이스트(13) 위에는 탑재될 전자부품(14)의 리드(14a)가 착지되어 있다. 리플로 단계에 있어서는 가열에 의해 납땜 페이스트(13)에 포함되는 땜납 입자가 용융하는 동시에 열경화성 수지의 열 경화 반응이 진행한다. 열경화성 수지의 경화 개시가 땜납 입자의 용융보다 과도하게 선행할 경우에는, 경화를 시작해서 이미 겔화가 진행하고 있는 열경화성 수지 중에서 땜납 입자가 용융한다.

따라서, 용융한 땜납 입자의 자유스러운 유동이 방해되어서, 전극(12)과 리드(14a) 쌍방의 표면을 적시도록, 용융한 땜납 입자가 응집해서 충분히 성장하지 않는다. 그 결과, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 용융한 땜납 입자(13a)의 일부분은 응집해서 전극(12)의 표면 위로 확장되지만, 용융한 땜납 입자의 나머지는, 플럭스 재료(13b) 중에서 작은 땜납 볼(13a) 형상으로 분산되어 있거나, 혹은 몇 개의 작은 땜납 볼의 덩어리(13a) 형상으로 분산되어 있게 된다. 이러한 상태에서, 리드(14a)는 겔화하고 있는 플럭스 재료(13b)에 의해 유지되어 있기 때문에, 정상인 납땜 접합의 형성을 위해 필요한, 전극(12)을 향해 이렇게 유지된 리드(14a)의 내려감이 발생하지 않는다. 그 후, 이러한 리플로 단계가 계속되는 경우, 일부분의 용융 땜납 입자가 응집해 전극(12)의 표면 위에 땜납 재료 부분(13a)을 형성하지만, 리드(14a)를 감싸는 정상인 납땜 접합부가 형성되지 않아서, 전극(12)과 리드(14a)가 전혀 접합되지 않는 도통 불량이 발생할 수 있다.

상기와는 반대로, 본 발명에 따라 열경화성 플럭스 중에 고형 수지가 포함되고, 상기 고형 수지의 연화 온도가 열경화성 수지의 경화 개시 온도 미만인 땜납 조성물을 이용함으로써, 다음과 같은 효과를 얻는다. 즉, 리플로 단계에 있어서, 땜납 입자에 대한 땜납 재료의 액상선 온도가 열경화성 수지의 경화 개시 온도보다 높을 경우일지라도, 고형 수지의 연화(따라서 액상 상태로의 변화)가 열경화성 수지의 경화 개시에 선행하여 일어나므로, 이미 경화를 시작해서 경화 중에 있는 열경화성 수지의 영향은, 이미 액상 상태에 있는 고형 수지에 의해 완화된다.

따라서, 땜납 입자에 대한 땜납 재료의 액상선 온도가 경화 개시 온도보다 낮을 경우, 경화를 시작해서 겔화 중에 있는 열경화성 수지 중에 이러한 땜납 재료의 땜납 입자가 용융되지 않든가, 또는 땜납 입자에 대한 땜납 재료의 액상선 온도 가 경화 개시 온도보다 높을 경우, 겔화 중인 열경화성 수지에 의한 용융 땜납 입자의 유동 방해로 인한 자체 정렬 효과의 저해가 억제된다. 따라서, 용융 땜납 재료가 전극 간에 충분히 넓게 퍼지지 않은 것에 기인하여서 접합 대상물이 이러한 땜납 재료의 고화에 뒤따라 도통이 안 되는 도통 불량과 같은 문제의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 리플로 단계 후에 있어서는, 경화된 열경화성 수지와 냉각을 통해서 변화된 고형 수지가 상용(相溶) 상태인 채로 고화하여 형성된 수지 보강부가 납땜 접합부를 덮어서, 저융점을 갖는 납 프리 땜납 재료를 사용하여 형성된 부분인, 낮은 접합 강도를 갖는 깨지기 쉬운 납땜 접합부를 보강함으로써, 납땜 접합부의 접합 신뢰성을 확보할 수 있다.

본 발명의 납땜 접합 방법에 의하면, 보강 수지부의 형성을 위해 열경화성 수지를 포함하고 있는 접합 재료를 미리 접합해야할 대상물에 도포하는 소위 "수지 선도포"를 채용하는 접합 방법에 있어서, 상술한 바와 같이, 땜납 입자를 포함하고 있는 금속 재료와, 열경화성 수지의 경화 개시 온도보다 낮은 액상 상태로의 변화 온도(바람직하게는 고형 수지의 연화 온도)를 가진 고형 수지를 함유하고 있는 열경화성 플럭스 재료를 포함하여 이루어지는 땜납 조성물을 사용한다. 따라서, 도통 불량과 같은 문제의 발생이 방지될 수 있다. 그러한 문제는, 열경화성 수지가 땜납 입자의 용융보다 과도하게 조속히 경화를 시작하여, 용융 땜납 재료가 접합될 대상물인 전극 간에 충분히 넓게 퍼지지 않고 전극들이 도통이 안 된 채로, 이러한 땜납 재료가 고화되는 것에 뒤따라 발생한다.

(실시예)

(납땜 페이스트의 제조)

하기의 표 1에 나타내는 바와 같이 조성물을 각종 배합 비율로 혼합해서 납땜 페이스트로서의 각종 땜납 조성물을 얻었다. 각각의 배합 조성물은 표 1에서 "중량부(parts by weight)"의 단위로 나타낸 점에 주목하여야 한다. 하기의 내용을 주목하여야 한다.

주제(主劑)로서, 수소 첨가 비스페놀 A 에폭시 수지(hydrogenated bisphenol A epoxy resin)를 사용하였다.

경화제로서, 테트라하이드로메틸 무수 프탈산(tetrahydromethylphthalic anhydride)을 사용하였다.

경화 촉진제로서, 2-페닐-4-메틸-5-히록시메틸 이미다졸(2-phenyl-4-methyl-5-hyroxymethyl imidazole)을 사용하였다.

활성제로서, m-히드록시 벤조산(m-hydroxybenzoic acid)을 사용하였다.

고형 수지로서, 실시예 1 내지 실시예 3에서는 알킬페놀 변형 크실렌 수지(alkylphenol modified xylene resin)(시장 구입 가능한 후도 주식회사의, 상품명: 니카놀 HP-70, 연화 온도: 70℃)를, 비교예 1 내지 비교예 3에서는 알킬페놀 변형 크실렌 수지(시장 구입 가능한 후도 주식회사의, 상품명: 니카놀 HP-150, 연화 온도: 150℃)를 사용하였다.

최초에, 고형 수지의 연화 온도 이상인 온도에서 고형 수지와 주제로서의 에폭시 수지를 가열해서 혼합하였다.

이렇게 얻은 혼합물에, 실온(室溫)에서, 경화제로서의 산 무수물(acid anhydride), 경화 촉진제, 활성제 및 용제를 함께 배합해서 혼련(混練)함으로써 열경화성 플럭스 재료를 얻었다. 이러한 혼련에는 플래니터리 믹서(planetary mixer) 또는 롤(roll)을 이용하였다. 열경화성 수지의 경화 개시 온도를, 10℃/분의 온도 상승률로서, 시차 주사열 계량법(differential scanning calorimetry)(세이코 인스트루먼트 주식회사로부터 시장 구입 가능한, 상품명: DSC6220)에 의해 측정하였다. 열경화성 수지의 경화 개시 온도는, 시료를 상기의 JIS에 따라 가열하면서 DSC 측정에 의해 얻는 온도 대(對) 칼로리 곡선인, 상기 곡선의 기준선(baseline)으로부터 곡선이 멀어지기 시작하는 온도로서 정의한다.

이렇게 얻은 열경화성 플럭스 재료에, 실온에서, 42Sn-58Bi 땜납 입자(미쓰이 금속 광업사로부터 시장 구입 가능한, 상품명: 땜납 분말, 평균 입경: 0.03mm, 융점: 139℃)를 배합하여, 플래니터리 믹서로 혼련해서 납땜 페이스트를 얻었다. 땜납 입자:열경화성 플럭스 재료의 중량비는, 83:17이었다.

표 1

성분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2	비교예 3
주제	40	40	40	40	40	40
경화제	40	40	40	40	40	40
경화 촉진제	1.5	2	2.5	1.5	2	3
활성제	7	7	7	7	7	7
고형 수지	11.5	11	10.5	11.5	11	10
합계	100	100	100	100	100	100
DSC 경화 개시 온도	144℃	100℃	86℃	141℃	99℃	61℃
납땜 볼의 개수	2 이하 ○	2 이하 ○	2 이하 ○	5 이상 ×	5 이상 ×	5 이상 ×
접합 강도 시험	○	○	○	○	○	○
총합 평가*)	○	○	○	×	×	×

○: 시험 합격 ×: 시험 불합격

*) 총합 평가는 납땜 볼의 개수와 접합 강도 시험을 고려한다. 양쪽 시험이 합격인 경우, "○"를 표시한다. 또 다른 한편, 적어도 양쪽 시험의 하나가 불합격인 경우는, "×"를 표시한다.

(납땜 페이스트에 의한 접합)

두께 100㎛ 및 개구(크기: 0.4mm × 0.5mm)를 갖는 메탈 마스크를 이용하여, 상술한 바와 같이 해서 얻은 납땜 페이스트를 프린터로 기판(두께 0.6mm의 FR4 기판)에 형성한 전극 위에 도포하였다. 전극 위의 인쇄한 납땜 페이스트 층 위에 칩 마운터(chip mounter)로 전자부품(1005 칩)을 탑재하였다.

이어서, 기판을 200℃로 가열한 핫 플레이트(hot plate)에서 3분간 가열하여 땜납 입자를 용융시킨 후, 상기 기판을 실온까지 냉각해서, 상기 기판에 전자부품을 실장하였다.

(납땜 접합 구조의 평가)

(접합 구조의 강도 시험)

웨지(wedge) 형상 모서리를 갖는 치구(治具)를 이용해서, 전자부품을 분리하도록 전자부품에 힘을 가해서, 전자부품이 박리할 때의 힘(소위 전단 강도)을 측정하였다. 치구는 선단 각도가 60°, 100mm/분의 이동 속도로 이동하였다. 측정에는, 50N의 로드 셀(load cell)을 장비한 인장 시험기(시장 구입 가능한 아이코 엔지니어링 주식회사의, 상품명: 1605HTP)를 이용하였다.

비교예로서, 본 발명에 따른 납땜 페이스트에 대신하여 납땜 페이스트(시장 구입 가능한 다무라 제작소의 Sn-Bi 공정(共晶) 땜납 재료를 포함하고 있는, 상품명: LFSOLDER401-11)를 이용해서, 유사하게 전자부품을 실장하고, 마찬가지로 전단 강도를 측정하였다.

비교예에서는 전단 강도가 29N이었다. 이러한 강도에 근거하여, 납땜 접합 구조가 비교예의 전단 강도의 적어도 1.5배인 전단 강도를 갖는 경우, 이러한 구조는 접합 강도 시험을 통과한다고 판정하였다.

본 발명에 따른 땜납 조성물을 사용하여 형성된 납땜 접합 구조의 전단 강도를 측정한 바, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 모든 구조는 접합 강도 시험을 통과하였다. 즉, 전단 강도는 각각의 실시예에서 44N 이상이었다. 따라서, 본 발명에 따른 납땜 페이스트를 이용해서 얻은 납땜 접합 구조가 충분한 접합 강도를 갖는다는 것을 확인하였다.

(납땜 볼 개수 시험)

현미경을 이용하여, 상술한 바와 같이 접속한 전자부품의 주위에 형성되어 존재하는 납땜 접합 구조의 볼을 계수하였다. 개수가 2 이하인 경우, 접합 구조는 납땜 볼 개수 시험을 통과한다고 판정하였다. 그 결과를 상기 표 1에 나타낸다.

본 발명에 따른 땜납 조성물 및 납땜 접합 방법은, 도통 불량과 같은 문제의 발생을 억제하면서 충분한 접합 강도를 보장하므로, 이것들 및 또한 본 발명에 따른 납땜 접합 구조는, 전자부품을 기판에 납땜으로써 실장하는 용도에 이용할 수 있다.

특히, 본 발명에 있어서, 땜납 입자를 위한 땜납 재료로서, 저융점을 갖는 납 프리 땜납 재료, 특히 Sn-Bi 땜납 재료를 사용함으로써, 이하의 장점을 제공할 수도 있다.

최근 환경 보호의 요청에 따라, 전자 산업 분야에서 납 프리 땜납 재료가 주로 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 Sn-Ag-Cu 땜납 재료는 220℃의 액상선 온도를 갖고 있으며, 이것은, 종래의 Sn-Pb 공정 땜납 재료의 온도에 비교하면 더 높은 온도이다. 그러므로, 내열 온도 한계가 낮은 기판 또는 전자부품에 이러한 납 프리 땜납 재료를 적용하는 것은 곤란하였다.

그와 반대로, Sn-Bi 땜납 재료는 139℃의 액상선 온도를 갖고 있으며, 따라서 내열 온도 한계가 낮은 전자부품(CCD, 알루미늄 전해 콘덴서 등과 같은)에 이러한 땜납 재료를 적용할 수 있다고 예상된다. 또 다른 한편, Sn-Bi 땜납 재료는, 비교적 기계적으로 부서지기 쉬운 특성이 있고, 또한 이러한 땜납 재료에 대해서는, 종래의 납땜 페이스트를 사용하는 경우, 상술한 바와 같이 리플로 단계를 통해서 건전한 형상을 가진 납땜 접합부를 형성하는 것이 어려워서, 접합 신뢰성이 충분하지 못하며, 따라서, Sn-Bi 땜납 재료의 적용 가능 분야가 한정되어 있었다.

본 발명에 따라, 상술한 특성을 갖는 Sn-Bi 땜납 재료를, 고형 수지를 포함하고 있는 열경화성 플럭스 재료 중에 혼입한 납땜 페이스트의 형태로 사용하는 경우, Sn-Bi 땜납 재료를 적용할 수 있는 분야가 대폭적으로 확대된다. 본 발명에 따른 땜납 조성물, 예를 들면 납땜 페이스트로서는, 리플로 단계의 열경화성 수지의 경화로 인한 열경화성 플럭스 재료의 유동성 저하가, 가소제로서 작용하는 액상 상태로 변화된 고형 수지에 의해 보상될 수 있다. 특히, 열경화성 수지의 경화 개시 온도와 가소제로서의 고형 수지의 연화 온도와의 사이의 상대 관계를 적절히 설정함으로써, 리플로 단계에 있어서 용융 땜납 입자의 유동성이 확보되어서, 양호한 납땜 접합 구조를 형성할 수 있다.

그러므로, 용융한 땜납 입자의 응집이 열경화성 플럭스 재료에 의해 저해되는 정도가 낮아져, 더욱 건전한 형상을 갖는 납땜 접합부를 형성할 수 있게 된다. 또한, 형성된 납땜 접합부는, 경화된 열경화성 수지 및 고화된 고형 수지로 이루어지는 수지 보강부에 의해 덮여져 보강되며, 이것이 Sn-Bi 땜납 재료의 불충분한 접합 강도를 보상하게 되어, 접합 신뢰성을 향상시킨다.

본 발명은, 이렇게 저융점 땜납 재료로서 Sn-Bi 땜납 재료를 산업적으로 적용하는 접합 공법을 제공하며, 이러한 공법은, 상술한 바와 같이 내열 온도가 낮은 기판, 전자부품 등에의 적용 가능 분야를 확대한다. 동시에, 리플로 단계의 가열 온도를 낮게 설정할 수 있는 점에서 부차적 효과, 예를 들면, 예열 스테이 지(preheating stage)의 수를 감소시켜, 리플로 장치의 더욱 콤팩트(compact)화, 및/또는 소비 전력량의 삭감을 할 수 있게 된다.

또한, 은(銀) 분말을 수지 접착제 중에 함유시킨 Ag 페이스트를 사용하는 방법, 또는 기판 전체를 가열하는 일 없이 레이저 빔(laser beam) 또는 소프트빔(softbeam)에 의해 국소 가열해 개별적 접합을 실행하는 공법 등과 같은, 허용 가능한 가열 상한(上限) 온도로 인해 저온에서의 납땜 접합이 요구되는 고비용인 종래의 접합 공법을 채용할 필요가 없고, 고가인 재료 및 장치를 사용할 필요가 없어져서, 이것은 납땜 접합에 대한 비용 저감으로 이어진다.

또한, 저융점 납 프리 땜납 재료의 액상선 온도가 Sn-Pb 공정 땜납 재료의 액상선 온도(189℃)보다 대폭적으로 낮기 때문에, 채용이 불가능한 것으로 생각되고 있었던 낮은 허용 온도의 재료(예를 들면, 종이-페놀 수지 재료 등의 저렴한 재료)를 사용할 수 있고, BT(비스말레이미드-트리아진(bismaleimide-triazine)) 수지 등의 고가인 재료를 사용할 필요가 없어져서, 결과적으로 재료 비용 저감을 이루게 된다.

Claims (14)

1. (1) 땜납 입자를 포함하고 있는 금속 재료, 및

   (2) 고형 수지로부터 열경화성 수지를 제외하는 조건으로 가열되면 액상(液狀) 상태로 변화되는 상기 고형 수지 및 열경화성 수지를 포함하고 있는 열경화성 플럭스 재료를 포함해서 이루어지고,

   또한, 상기 고형 수지가 액상 상태로 변화하는 온도가, 상기 열경화성 수지가 경화를 시작하는 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 고형 수지가 액상 상태로 변화하는 온도가, 상기 고형 수지의 연화 온도인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
3. 제2항에 있어서, 상기 고형 수지의 연화 온도는, 상기 열경화성 수지가 경화를 시작하는 온도보다 적어도 10℃ 낮은 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고형 수지가 액상 상태로 변화하는 온도가, 땜납 입자의 액상선(液相線) 온도 이하인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 땜납 입자를 구성하는 땜납 재 료는, 주석 및 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 페이스트 형태인 땜납 조성물.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 열경화성 수지는,

   주제(主劑)로서, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아민 수지 및 실리콘 수지를 포함하는 군(群)으로부터 선택되는 적어도 1종, 및

   상기 주제를 경화시키는 적어도 1종의 경화제를 포함해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고형 수지는, 테르펜 수지(terpene resin), 크실렌 수지, 비결정성 로진(amorphous rosin), 올레핀 수지, 아크릴 수지, 아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 스티렌 수지, 폴리이미드 수지, 지방산 유도체 왁스, 고중합(高重合) 로진 및 지방산 아미드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 고형 수지는, 상기 주제에 대하여 상용성(相溶性)을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
10. 제1전극으로서의 전극을 제2전극으로서의 다른 전극에 접속하는 납땜 접합 방법으로서,

    제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 따르는 땜납 조성물을 제1전극과 제2전극 사이에 배치하는 단계와,

    이것들 전극 및 땜납 조성물을 가열해서 땜납 입자를 용융시키는 가열 단계로서, 상기 고형 수지를 액상으로 변화시키는 동시에, 상기 열경화성 수지의 경화 반응을 진행시키는 단계, 및

    상기 고형 수지 및 용융 땜납 재료를 고화(固化)시키는 단계를 포함해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 납땜 접합 방법.
11. 제10항에 있어서, 제1전극은 전자부품의 접속용 전극이고, 제2전극은 기판 위에 형성된 회로 전극인, 납땜 접합 방법.
12. 제11항에 따른 납땜 접합 방법을 이용하여 전자부품을 기판에 접속하는 단계를 포함해 이루어지는, 전자부품을 그 위에 구비한 기판의 제조 방법.
13. 제10항 또는 제11항에 따른 납땜 접합 방법을 이용하여 형성된, 전극과 다른 전극 사이의 납땜 접합 구조로서,

    이것들 전극을 접속하는 납땜 접합부, 및

    경화된 열경화성 수지와 고화된 고형 수지로서 형성되는 수지 보강부를 갖추 어 이루어지는 납땜 접합 구조.
14. 제13항에 있어서, 상기 수지 보강부는, 납땜 접합부의 표면을 적어도 부분적으로 덮는 것을 특징으로 하는 납땜 접합 구조.

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