KR20080015927A

KR20080015927A - 무전해 Ｎｉ 도금부의 납땜 방법

Info

Publication number: KR20080015927A
Application number: KR1020087000568A
Authority: KR
Inventors: 료이치 구라타; 다이스케 소우마; 히로시 오카다
Original assignee: 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2008-02-20

Abstract

무전해 Ni 도금이 실시된 BGA 의 전극을 납 프리 땜납의 땜납볼로 납땜하면, 외적 충격으로 납땜부가 쉽게 박리된다. 무전해 Ni 도금된 BGA 전극을 P 가 0.03 ∼ 0.1 질량％ 첨가된 납 프리 땜납으로 납땜하면, 납땜부에 형성되는 무른 성질의 SnNi 의 금속간 화합물이나 무전해 Ni 도금 표면의 P 층의 성장을 억제하여 접합 강도를 향상시킨다.

Ni 도금, 납땜

Description

무전해 Ｎｉ 도금부의 납땜 방법{METHOD FOR SOLDERING ELCTROLESS ＮｉPLATING PART}

본 발명은 무전해 Ni 도금이 실시된 부분에 납 프리 땜납으로 납땜을 실시하여 접합 강도를 향상시키는 납땜 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전자 기기의 납땜부에는 Cu 가 사용되고 있다. Cu 는 용융된 땜납에 젖기 쉽기 때문에, 납땜을 실시하였을 때, 미땜납이나 보이드와 같은 납땜 불량의 발생이 적다. 그러나, Cu 의 납땜부, 예를 들어 BGA 기판과 같은 전자 부품의 전극은 전자 부품의 제조 후 장기간 대기 중에 방치된 상태가 되면, Cu 의 표면이 대기 중의 산소로 산화되거나, 화석 연료를 사용한 자동차의 배기 가스나 화석 연료를 연소시킨 난방의 연소 가스 등으로 황화된다. 이러한 산화 또는 황화의 결과, Cu 표면이 산화물이나 황화물로 덮이면, 납땜시에 용융 땜납이 젖기 어려워져, 전술한 바와 같은 납땜 불량을 발생시킨다.

그래서 종래부터, 전자 기기의 전극으로서는 용융 땜납에 대한 젖음은 Cu 보다 떨어지지만, 대기 중에 장기간 방치해 두어도 산화물이나 황화물이 발생하기 어려운 Ni 를 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 가격이 Cu 보다 고가이기 때문에, 전극 전부에 Ni 를 사용하지 않고, 염가인 Cu 의 표면에 Ni 도금을 실시하고 있다.

Cu 표면에 Ni 도금을 실시하는 방법으로는 전해 도금법과 무전해 도금법이 있다. 전해 도금법은 전해액 중에 음극 및 양극을 설치하고, 전해 반응에 의해 음극 표면에 금속 도금층을 형성하는 것이다. 그러나 전해 도금법은 도금 부분에 대한 도전을 목적으로 하는 특별한 배선, 전해 전류 밀도의 제약, 도금 장치에 있어서의 금속 부분의 부식, 양극으로서 가용성 양극을 사용해야 한다는 문제가 있을 뿐만 아니라, Ni 의 석출 속도가 느리고, 양극과 먼 지점이나 오목부에서의 석출이 적으며, 음극의 배면에는 거의 금속이 석출되지 않는다는 등의 문제도 있었다.

이에 대하여 무전해 도금법은 재료를 도금액에 침지시키는 것만으로, 전기를 통하지 않고도 재료의 종류나 형상에 관계없이 전체에 균일 두께의 Ni 도금이 얻어진다는 특장을 갖고 있다. 따라서, 전자 기기의 전극에 대한 Ni 도금으로는 무전해 도금이 많이 채용되고 있다.

무전해 Ni 도금에 사용하는 도금액은 Ni 원으로서 황산니켈, 환원제로서의 차아인산나트륨을 조합한 Ni-P 도금액으로, 도금액의 pH 를 일정하게 유지하기 위하여 수산화나트륨이 사용되고 있다. 따라서, 이러한 Ni-P 도금액에서 얻어지는 두께가 거의 0.5 ∼ 10㎛ 인 무전해 Ni 도금 중에는 통상 2 ∼ 15 질량％ 정도의 P 가 함유되어 있다.

그런데 무전해 Ni 도금이 실시된 BGA 기판에서는 전극에 미리 땜납 범프를 형성해 두고, BGA 기판을 프린트 기판에 실장할 때에 그 땜납 범프를 용융시켜 BGA 기판과 프린트 기판을 납땜하도록 하고 있다. 이 BGA 기판에 땜납 범프를 형성하기 위해서는 먼저 BGA 기판의 전극에 점착성 플럭스를 도포하고, 그 위에 땜납볼을 탑재하고 나서, BGA 기판을 리플로우 노에서 가열하여, 땜납볼을 용융시킨다. 용융된 땜납볼은 BGA 기판의 전극에 젖어 납땜되어, 전극 상에 땜납 범프가 형성된다. 이 때 BGA 의 전극에는 전술한 바와 같이 P 를 함유하는 무전해 Ni 도금이 실시되어 있고, 대부분의 경우에 있어서, 무전해 Ni 도금 위에는 땜납과의 융합을 향상시키는 Au 플래시 도금 (두께가 거의 0.1 ∼ 0.5㎛) 이 실시되어 있기 때문에, 용융된 땜납볼은 납땜 불량을 발생시키지 않고 전극에 젖게 된다.

종래, BGA 기판에 땜납 범프를 형성하기 위하여 사용되었던 땜납은 Pb-Sn 땜납이었다. Pb-Sn 땜납은 공정 (共晶) 부근의 조성, 즉 Sn 이 63 질량％ 부근이면 융점이 183℃ 로 비교적 낮기 때문에, 리플로우 노에서의 땜납 범프 형성시의 가열이나, 그 후의 BGA 기판과 프린트 기판의 납땜시의 가열에 있어서도 BGA 기판이나 BGA 내부의 소자에 대하여 열 영향이 적다.

그러나 Pb-Sn 땜납은 Pb 가 환경에 유해하다는 점에서, Pb 의 사용은 바람직하지 않다.

그래서 최근에는 Pb 함유 땜납의 사용이 규제되도록 되고 있고, Pb 를 전혀 함유하지 않는 소위 납 프리 땜납이 사용되게 되었다. 납 프리 땜납이란, Sn 을 주성분으로 한 것으로, 무전해 Ni 도금부에 대한 납땜에도 납 프리 땜납이 사용되고 있다.

특허 문헌 1 에 있어서는 무전해 Ni 도금부에 납 프리 땜납을 사용하여 납땜 을 실시하면, 밀착 강도가 저하됨과 함께 Ni 도금층이 리플로우를 반복할 때에 용해·소실된다는 문제가 있다고 하고, 또 종래의 Au 플래시 도금에서는 도금 두께가 크고 밀착 강도가 충분하지 않다고 하여, 전극 상에 무전해 Ni 도금을 실시한 후에 제 2 금속 도금으로서 무전해 금도금을 두께 0.005 ∼ 0.04㎛ 가 되도록 실시하는 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평14-327279호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그런데, 종래의 납 프리 땜납을 사용하여 무전해 Ni 도금된 BGA 전극에 땜납 범프를 형성한, BGA 기판을 프린트 기판에 실장하여 전자 기기에 장착하면, BGA 기판이 프린트 기판으로부터 박리되는 경우가 있었다.

예를 들어, 주머니에 넣었던 휴대전화가 주머니에서 미끄러져 떨어지거나, 소형의 노트북형 PC 를 가방에 넣어 운반할 때에 가방을 떨어뜨리는 충격이 휴대전화나 PC 등의 전자 기기에 가해지는 경우가 있다. 이러한 충격은 전자 기기에도 영향을 주어, 땜납 접합부, 특히 땜납과 전자 부품 사이에서 박리가 일어나고, 내부의 BGA 기판과 프린트 기판의 도통이 없어져, 전자 기기로서의 기능을 완전히 수행할 수 없게 된다.

특허 문헌 1 에 개시하는 바와 같이 제 2 금속 도금으로서 박층의 무전해 금도금을 형성하는 것으로도 상기 서술한 바와 같은 문제는 해결할 수 있으나, 금은 고가이기 때문에 재료 비용이 상승할 뿐만 아니라, 도금 공정이 한 가지 증가함으로써 처리 비용도 상승하기 때문에 실용적 해결 수단이라고는 할 수 없다. 또한, 오늘날 요구되고 있는 접합 강도면, 나아가서는 땜납 조인트부의 충격 세기면에서도 충분하지 않다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은 납 프리 땜납으로 무전해 Ni 도금 부분을 납땜한 경우에 박리되기 쉬워지는 원인에 대하여 예의 연구하였다. 그 결과, 이하와 같은 점을 알 수 있었다.

즉, Sn 주성분의 납 프리 땜납은 Sn 이 대량으로 함유되어 있고, 게다가 납땜 온도가 Pb-Sn 계 땜납보다 높기 때문에, 무전해 Ni 도금 중의 Ni 와 납 프리 땜납 중의 대량의 Sn 이 반응하여 무른 성질을 갖는 SnNi 의 금속간 화합물층이 두껍게 성장한다. 이 때 무전해 Ni 도금의 표면으로부터는 Ni 가 빠져나오고, 무전해 Ni 표면에는 P 가 대량 남은 농화층이 생긴다. 그러나 이 표면에 남은 P 의 농화층도 무른 성질을 갖고 있기 때문에, 크게 성장한 SnNi 반응층의 성장과 함께, 납땜부는 더욱 물러져, 박리되기 쉬워지는 것이다.

도 1 은 상기 서술한 바와 같은 상태를 나타내는 종래의 땜납 조인트부의 전자 현미경 조직 사진으로, 도면 중, 도시하지 않는 BGA 기판의 Cu 전극의 표면에는 무전해 도금법으로 실시된 Ni 도금층 (1) 이 형성되어 있다. Ni 도금층 (1) 위에 Sn-4Ag-0.5Cu 의 납 프리 땜납의 땜납볼로 납땜하여, 땜납 범프 (5) 를 형성하면 무전해 Ni 도금층 (1) 과 땜납 범프 (6) 의 접합부에는 두껍게 성장한 SnNi 의 금속간 화합물층 (6) 이 형성되고, 그리고 금속간 화합물층 (6) 과 무전해 Ni 도금층 (1) 사이에는 무전해 Ni 도금으로부터 Ni 가 빠져나와 대량의 P 가 남은 P 농화층 (7) 이 존재한다. 이와 같이 무른 성질의 SnNi 의 금속간 화합물층 (6) 과, 역시 무른 성질의 P 농화층 (7) 이 존재하기 때문에, 무전해 Ni 도금부를 납 프리 땜납으로 납땜하였을 때에, 큰 외적 충격으로 접합부가 쉽게 박리되는 경우가 있는 것이다.

그래서 본 발명자들은 무전해 Ni 도금부를 Sn 주성분의 납 프리 땜납으로 납땜하였을 때에, 납땜부에 형성되는 SnNi 의 금속간 화합물층 (6) 의 성장을 억제함과 함께, 무전해 Ni 도금으로부터 Ni 가 빠져나오기 어렵게 하여 P 농화층 (7) 의 생성을 억제하는 것에 대하여 예의 연구를 거듭한 결과, 예상 외로, Sn 주성분의 납 프리 땜납에 P 를 대량으로 첨가하면, SnNi 의 금속간 화합물의 성장이나 무전해 Ni 도금으로부터 Ni 가 빠져나오는 것을 억제하는 것을 알아내어 본 발명을 완성시켰다.

즉, 무전해 Ni 도금부에 대하여 P 가 무첨가, 혹은 P 가 0.03 질량％ 미만 첨가된 납 프리 땜납을 사용하고, 납땜 온도를 250℃, 납땜 시간을 40 초로 납땜하면, 무른 성질을 갖는 SnNi 의 금속간 화합물이 두께 1 ∼ 2㎛ 성장하는데, 본 발명에서는 0.03 질량％ 이상의 P 함유 땜납 합금을 사용함으로써, 그러한 금속간 화합물의 두께를 0.5㎛ 이하로 할 수 있어, 내충격성을 향상시킬 수 있다.

여기서, 무전해 Ni 도금부에 납땜하여 이들 억제 효과가 있는 납 프리 땜납은 250℃ 에서, P 화합물의 고상률이 0.2 질량％ 이하가 되는 것이다. 이 P 화합물이란, 납 프리 땜납 중의 성분과 반응하여 형성되는 화합물이다.

여기에, 본 발명은 Sn 주성분이고, 게다가 P 가 0.03 ∼ 0.1 질량％ 첨가된 Sn-P-Ag 계 및 Sn-P-Cu 계에서 선택된 어느 하나의 납 프리 땜납으로, 무전해 Ni 도금이 실시된 납땜부를 납땜함으로써, 납땜부의 접합 강도를 향상시킨 것을 특징으로 하는 무전해 Ni 도금부의 납땜 방법이다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 무전해 Ni 도금된 납땜부를 납 프리 땜납으로 납땜하였을 때에, 무른 성질을 갖는 SnNi 의 금속간 화합물을 얇게, 또한, 무전해 Ni 도금 표면의 P 농화층도 얇게 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 무전해 Ni 도금을 실시한 부분의 접합 강도를 충분히 높일 수 있기 때문에, 전자 기기가 큰 외적 충격을 받아도 납땜부는 박리되기 어려워져, 신뢰성이 우수한 납땜부가 얻어지게 된다.

도 1 은 종래 기술에 있어서 P 무첨가의 납 프리 땜납으로 무전해 Ni 도금부를 납땜하였을 때의 땜납 조인트부 단면의 전자 현미경 조직 사진이다.

도 2 는 본 발명에 의해 P 가 대량으로 첨가된 납 프리 땜납으로 무전해 Ni 도금부를 납땜하였을 때의 땜납 조인트부 단면의 전자 현미경 조직 사진이다.

도 3 은 풀 강도 시험에 있어서 땜납 범프가 전극과의 접합부에서 박리된 상태를 나타내는 모식적 설명도이다.

도 4 는 동일하게 땜납 범프 자체로 파단된 상태를 나타내는 모식적 설명도이다.

도 5 는 동일하게 전극이 기판과 함께 박리된 상태를 나타내는 모식적 설명도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명에 사용하는 납 프리 땜납은 Sn-P-Ag 계 또는 Sn-P-Cu 계 중 어느 하나가 적합하다. 그 외에 Sn-P-Zn 계, Sn-P-Sb 계이어도, 소기의 작용 효과는 기대할 수 있다.

여기서 말하는「계」란, 표시된 세 가지의 원소만으로 구성하는 3원 합금뿐만 아니라, 그들 3원 합금에 추가로 기타의 원소를 첨가한 성분의 합금도 포함하는 것이다.

예를 들어 Sn-P-Ag 계는 Sn-P-Ag-Cu 합금, Sn-P-Ag-Cu-Ni 합금, Sn-P-Ag-Sb 합금, Sn-P-Ag-Ni 합금, Sn-P-Ag-In 합금, Sn-P-Ag-Bi 합금, Sn-P-Ag-Bi-In 합금 등이고, Sn-P-Cu 계는 Sn-P-Cu-Ni 합금, Sn-P-Cu-In 합금, Sn-P-Cu-Bi 합금, Sn-P-Cu-In-Bi 합금 등이고, Sn-P-Zn 계는 Sn-P-Zn-Ni 합금, Sn-P-Zn-Ag 합금, Sn-P-Zn-Sb 합금, Sn-P-Zn-In 합금, Sn-P-Zn-Bi 합금 등이고, Sn-P-Sb 계는 Sn-P-Sb-Ag 합금, Sn-P-Sb-Cu 합금, Sn-P-Sb-In 합금, Sn-P-Sb-Ni 합금 등이다.

또 본 발명에 사용하는 납 프리 땜납은 액상선 온도가 250℃ 이상이고, 250℃ 에 있어서 0.2 질량％ 이하의 P 화합물의 고상률을 갖는 것이다. 즉 그 납 프리 땜납을 사용하여 250℃ 에서 납땜하였을 때에, 용융 땜납 중에 P 와 납 프리 땜납의 성분으로 이루어지는 화합물이 0.2 질량％ 정도까지 고상 상태로 존재하고 있어도, 납땜에 아무런 장해가 되지 않는다.

도 2 는 후술하는 실시예에 있어서 본 발명에 따라 납땜을 실시한 경우의 땜납 조인트의 1 예 단면의 현미경 조직 사진이고, 도면 중, 도시하지 않는 BGA 기판의 Cu 전극의 표면에는 무전해 도금법으로 실시된 Ni 도금층 (1) 이 형성되어 있다. 그 Ni 도금층 (1) 위에 Sn-0.03P-4Ag-0.5Cu 의 납 프리 땜납의 땜납볼로 납땜하여, 땜납 범프 (2) 를 형성하면 무전해 Ni 도금층 (1) 과 땜납 범프 (2) 의 접합부에서는 SnNi 의 금속간 화합물층 (3) 의 성장이 억제되어 있고, 그 결과, 그 금속간 화합물층 (3) 과 무전해 Ni 도금층 (1) 사이에는 종래라면, 전술한 도 1 에 나타내는 바와 같이 무전해 Ni 도금으로부터 Ni 가 빠져나와 대량의 P 가 남은 P 농화층 (7) 이 존재하였으나, 본 발명에 의하면, SnNi 의 금속간 화합물층 (3) 이 성장하지 않기 때문에, P 농화층 (4) 의 존재도 가급적 적어져, 무전해 Ni 도금부를 납 프리 땜납으로 납땜하여도, 큰 외적 충격에 대하여 접합부가 우수한 밀착 강도를 나타내는 것이다.

본 발명에 있어서 무전해 Ni 도금을 실시하는 수단은 특별히 제한되지 않지만, 종래와 같이 차아인산나트륨 등의 환원제를 사용한 무전해 도금이 예시된다. 도금 두께도 종래의 것이면 되고, 통상적으로는 0.5 ∼ 10㎛ 이면 충분하다.

본 발명에 사용하는 납 프리 땜납은 Sn 을 주성분으로 하여 각종 원소를 첨가한 것으로, 바람직하게는 Sn 은 적어도 80 질량％ 이상 함유하는 것이다. Sn의 함유량이 80 질량％ 보다 적으면, 무전해 Ni 도금부에 대한 젖음이 나빠진다. 또 Sn 주성분의 납 프리 땜납에 첨가하는 P 는 첨가량이 0.03 질량％ 보다 적으면 SnNi 의 금속간 화합물의 성장 억제 효과나 무전해 Ni 도금 표면으로부터 Ni 가 빠져나오는 것을 억제하는 효과가 충분히 나타나지 않고, 그런데 0.1 질량％ 를 초과하면 250℃ 의 용융 상태에 있어서 P 화합물의 고상률이 0.2％ 를 초과하여, 납땜에 지장을 초래하기 때문에, P 의 첨가량은 0.03 ∼ 0.1 질량％ 로 한다. 바람직한 하한은 0.04 질량％, 상한은 0.08 질량％ 이다.

본 발명에 사용하는 납 프리 땜납에는 기계적 강도 향상 효과가 있는 Ni, Cr, Fe, Mn, Co, Sb, Ti 에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 합계로 1 질량％ 이하 첨가해도 된다. 이들 기계적 강도 향상 효과가 있는 원소는 일반적으로 융점이 높기 때문에, 합계로 1 질량％ 보다 많이 첨가하면, 납 프리 땜납의 액상선 온도가 높아져, 납땜 온도도 높게 하지 않을 수 없게 되어, 전자 부품을 열손상시킨다.

또 본 발명에 사용하는 납 프리 땜납에는 융점 강하 원소인 Ag, Cu, Bi, In, Zn, Ge, Ga 에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 합계로 15 질량％ 이하 첨가할 수도 있다. 이들 원소 중 어떤 것은 15 질량％ 보다 많이 첨가하면, 고상선 온도가 지나치게 내려가, 납땜시에 용융 땜납이 고화되기까지 긴 시간이 걸려, 납땜부에 균열을 발생시키게 된다. 따라서, 본 발명에 사용하는 납 프리 땜납 중에 대한 융점 강하 원소의 첨가량은 합계로 15 질량％ 까지이다.

본 발명에 있어서 사용하는 납 프리 땜납 합금 중에서 바람직한 것은 Sn-P-Ag 합금, Sn-P-Cu 합금, Sn-P-Ag-Cu 합금, Sn-P-Ag-Sb 합금, 그리고 Sn-P-Ag-Cu-In(Ni) 합금이다. 이들 합금에 있어서의 적합 조성 범위는 이미 서술한 바와 같이, Sn : 80 질량％ 이상, Ni, Sb 는 합계로 1 질량％ 이하, Ag, Cu, In 은 합계 로 15 질량％ 이하인데, 각 합금 원소의 더욱 적합한 범위는 정리하여 나타내면 다음과 같다.

Ag : 1 ∼ 4 질량％,

Cu : 0.1 ∼ 1.0 질량％

Sb : 0.1 ∼ 1.0 질량％

In : 0.1 ∼ 1.0 질량％

Ni : 0.015 ∼ 0.2 질량％

특히, Sn-P-Ag-Cu 합금에 있어서, Ag, Cu 는 융점 강하 작용뿐만 아니라, SnNi 금속간 화합물의 성장을 억제하는 작용도 발휘하는 등, P 첨가에 의한 작용 효과와의 상승 효과가 현저하다. 또한, Ni 및 Sb 는 내열 피로 특성의 개선 효과를 발휘한다.

구체적 조성예를 들면, P : 0.03 ∼ 0.1 질량％, Ag : 1 ∼ 4 질량％ 및/또는 Cu : 0.1 ∼ 1.0 질량％, 그 외에 필요에 따라 In : 0.1 ∼ 1.0 질량％, Ni : 0.015 ∼ 1.0 질량％ 에서 선택된 적어도 1 종, 잔부 Sn 인 Sn-P-Ag/Cu 계 땜납 합금이다.

본 발명에서는 무전해 Ni 도금부에 납 프리 땜납으로 납땜하여 접합 강도를 향상시키는 것인데, 납 프리 땜납의 형상으로는 어떠한 형상이어도 된다. BGA 나 CSP 기판에 땜납 범프를 형성하는 경우에는 땜납볼이 적합하다. 바람직하게는 직경 0.04 ∼ 1.0㎜ 의 땜납볼이다. 일반적으로 BGA 기판이나 CSP 기판에 땜납 범프를 형성하는 경우에는 직경이 0.04 ∼ 1.0㎜ 인 땜납볼을 사용하기 때문 이다.

본 발명에서는 두께 5㎛ 로 무전해 Ni 도금된 BGA 기판의 직경 0.61㎜ 의 전극을 직경 0.76㎜ 의 땜납볼로 납땜하여 땜납 범프를 형성하고, 이 때 납땜된 땜납볼을 클램퍼로 접합면에 대하여 직각 방향으로 리프팅 속도 30㎜/초로 잡아당기는 풀 강도 시험을 실시하였을 때의 파단 강도를 풀 강도로 한다.

본 발명에 의하면, 풀 강도 시험에서 땜납 접합부로부터 절단되지 않는 것, 즉 대부분의 절단부가 땜납 자체, 혹은 BGA 기판으로부터 파단되는 것인 것이 바람직하다. 이 때의 파단 강도는 40 뉴턴 (N) 이상이다. 왜냐하면 휴대전화나 PC 등의 전자 기기를 1m 의 높이에서 낙하시켰을 때에, 이들 전자 기기에 장착된 전자 부품의 납땜부는 강한 충격을 받는다. 동일 조건에 있어서의, 일반적인 납 프리 땜납의 강도는 약 25N 이고, 가능한 한 강한 접합 강도가 요구된다. 전자 기기가 강한 충격을 받았을 때, 납땜 계면에서의 박리를 억제하는 것은 부품 혹은 땜납 조성의 설계에 대하여, 큰 자유도를 주어 신뢰성을 현저하게 향상시킨다.

바꾸어 말하면, 본 발명은 접합 강도 40N 이상을 나타내는 땜납 파이프의 접합 방법이다.

본 예에서는 표 1 에 나타내는 각 조성의 납 프리 땜납 합금의 땜납볼을 사용하여, 무전해 Ni 도금이 실시된 BGA 기판 전극을 납땜하였다. 무전해 Ni 도금은 관용법에 의해 Ni 원으로서의 황산니켈, 환원제로서의 차아인산나트륨을 함유 하는 Ni-P 도금액을 사용하여 도금층 두께 5㎛ 가 될 때까지 행하였다.

얻어진 땜납 조인트에 풀 강도 시험을 실시하여, 풀 강도를 구하고, 그 결과를 표 1 에 나타낸다.

본 예에 있어서 풀 강도의 계측, 박리율의 결정은 다음의 요령으로 실시하였다.

풀 강도 (N) 의 측정 :

도 3 에 나타내는 바와 같이, BGA 기판 (10) 에는 원형의 전극 (11) 이 형성되어 있고, 그 주위는 레지스트 (12) 로 피복되어 있다. 전극 (11) 은 그 전극보다 대경의 땜납볼로 납땜되어, 땜납 범프 (13) 가 형성되어 있다. BGA 기판 (10) 의 전극 (11) 에 형성된 땜납 범프 (13) 를 한 쌍의 클램퍼 (14, 14) 사이에 두고 고속으로 상방으로 리프팅함으로써, 땜납 범프 (13) 를 전극 (11) 으로부터 떼어내고, 그 때의 풀 강도 (N) 를 측정한다. 풀 강도 시험에 있어서, 본 발명에서 사용한 납 프리 땜납의 풀 강도의 평균값 (시료수 50 개) 은 40N 이상이었다. 이 때의 측정 조건은 다음과 같았다.

땜납볼 : 직경 0.76㎜

전극 : 직경 0.61㎜

리프팅 속도 : 30㎜/초

박리율의 결정 :

풀 강도 시험에서 땜납 범프를 전극으로부터 떼어낼 때, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 땜납 범프 (13) 가 전극 (11) 의 접합부로부터 박리되는 경우를 A 모드 (A mode) 로 한다. A 모드는 땜납 접합부에 SnNi 의 금속간 화합물이 두껍게 성장하고 있음과 함께, 무전해 Ni 도금 표면에 P 층이 두껍게 존재하고 있어, 이곳으로부터 박리된 것으로, 바람직한 박리 상태는 아니다.

도 4 는 땜납 범프 (13) 도중, 즉 땜납 자체로부터 파단된 것으로, 이것을 B 모드 (B mode) 로 한다. B 모드는 땜납 접합부가 땜납 범프 자체보다 강도가 강한 것으로, 바람직한 파단 상태이다.

도 5 는 전극이 땜납 범프와 함께 기판으로부터 박리된 것으로, 이것을 C 모드 (C mode) 로 한다. C 모드도, 땜납 접합부가 전극과 기판의 접합부보다 강한 것으로, 바람직한 박리 상태이다. 박리율 (시료수 50) 은 이하의 계산식에 의해 산출되는 것으로, 이 수치는 10％ 이하이어야 한다. 본 발명에서 사용한 납 프리 땜납의 박리율은 10％ 이하이었다.

박리율 = 100 × A / A + B + C (A, B, C : 각 모드에서의 박리수, A + B + C = 50)

표 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, P 를 0.03 ∼ 0.1 질량％ 함유하는 바람직한 납 프리 땜납으로 땜납 범프를 형성한 BGA 기판은 접합부의 접합 강도가 우수함과 함께, 박리율도 모두 10％ 이하로서, 신뢰성이 우수하다. 한편, 0.03 질량％ 미만의 P 함유량의 납 프리 땜납, 또는 P 를 전혀 함유하지 않는 납 프리 땜납으로 땜납 범프를 형성한 BGA 기판에서는 접합 강도가 약하고, 게다가 박리율이 60％ 이상이라는 박리되기 쉬운 것이었다.

표 1 의 적합 땜납 No.6 의 납 프리 땜납 (Sn-0.03P-4Ag-0.5Cu) 으로 무전해 Ni 도금 부분을 납땜하였을 때의 접합부의 전자 현미경 사진을 도 2 에 나타낸다. 도시하지 않는 BGA 기판의 Cu 전극 표면에는 무전해법으로 Ni 도금 (1) 이 실시되어 있다. 그 Ni 도금 상에, Sn-0.03P-4Ag-0.5Cu 의 납 프리 땜납의 땜납볼로 납땜하여, 땜납 범프 (2) 를 형성하면 무전해 Ni 도금 (1) 과 땜납 범프 (2) 의 접합부에는 전술한 P 무첨가의 Sn-4Ag-0.5Cu 납 프리 땜납으로 납땜하였을 때의 SnNi 의 금속간 화합물층 (4) 보다 얇은 SnNi 의 금속간 화합물 (3) 이 형성되었다. 그 금속간 화합물층 아래에는 무전해 Ni 도금 중의 Ni 의 확산으로 잔존한 P 가 역시 전술한 납 프리 땜납일 때보다 얇은 P 층 (4) 으로 되어 존재하였다. 이 결과로부터, 본 발명에서는 무른 성질의 SnNi 의 금속간 화합물의 성장이 적고, 게다가 그 금속간 화합물과 무전해 Ni 도금 사이에는 역시 무른 성질의 P 층이 매우 얇아져 있기 때문에, 접합 강도가 강한 것이다.

본 발명에서는 BGA 기판의 특히 무전해 Ni 도금한 전극에 대한 납땜 방법에 대하여 설명하였으나, BGA 기판 이외에도 납 프리 땜납볼을 사용하여 납땜하는 CSP, MCM 에도 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 무전해 Ni 도금을 실시한 납땜부라면 어떠한 납땜부에도 적용할 수 있는 것이다.

Claims

Sn 주성분이고, 게다가 P 가 0.03 ∼ 0.1 질량％ 첨가된 Sn-P-Ag 계 및 Sn-P-Cu 계에서 선택된 어느 하나의 납 프리 땜납으로, 무전해 Ni 도금이 실시된 납땜부를 납땜함으로써, 납땜부의 접합 강도를 향상시킨 것을 특징으로 하는 무전해 Ni 도금부의 납땜 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 납 프리 땜납은 액상선 온도가 250℃ 이상이고, 250℃ 의 온도에서 P 화합물의 고상률이 0.2％ 이하로서 잔부가 용융 상태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 무전해 Ni 도금부의 납땜 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 납 프리 땜납에는 기계적 강도 향상 효과가 있는 Ni, Cr, Fe, Mn, Co, Sb, Ti 에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상이 합계로 1 질량％ 이하 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 무전해 Ni 도금부의 납땜 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 납 프리 땜납에는 융점 강하 원소인 Ag, Cu, Bi, In, Zn, Ge, Ga 에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상이 합계로 15 질량％ 이하 첨가되어 있는 것을 특징으 로 하는 무전해 Ni 도금부의 납땜 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 Sn-P-Ag 계 땜납이, P : 0.03 ∼ 0.1 질량％, Ag : 1 ∼ 4 질량％, 그 외에 필요에 따라 Cu : 0.1 ∼ 1.0 질량％, In : 0.1 ∼ 1.0 질량％, Ni : 0.015 ∼ 1.0 질량％ 에서 선택된 적어도 1 종, 잔부 Sn 인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 Sn-P-Cu 계 땜납이, P : 0.03 ∼ 0.1 질량％, Cu : 0.1 ∼ 1.0 질량％, 그 외에 필요에 따라 In : 0.1 ∼ 1.0 질량％, Ni : 0.015 ∼ 0.2 질량％ 에서 선택된 적어도 1 종, 잔부 Sn 인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,

상기 납 프리 땜납은 직경이 0.04 ∼ 1.0㎜ 인 땜납볼인 것을 특징으로 하는 무전해 Ni 도금부의 납땜 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

두께 5㎛ 의 무전해 Ni 도금을 한 전극에, 직경 0.76㎜ 의 납 프리 땜납의 땜납볼을 만들어 납땜하고, 직경 0.61㎜ 의 BGA 기판의 전극에 땜납 범프를 형성하여 풀 강도 시험을 실시하였을 때에, 납땜부 계면에서 파괴되지 않는 접합 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 무전해 Ni 도금부의 납땜 방법.