KR20090059143A - 고온에서 개선된 특성을 갖는 무연납 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Sn-In-Ag 땜납 합금 계열로서 88 내지 98.5 중량%의 Sn, 1 내지 10 중량%의 In, 0.5 내지 3.5 중량%의 Ag, 0 내지 1 중량%의 Cu를 포함하며 그리고 결정화 개질제, 특히 최대 100 ppm의 네오디뮴을 구비한 도핑(doping) 그리고 0-3 %의 Ga, Sb, Bi를 포함하는 무연 연납에 관한 것이다. 이 납은 210 ℃를 초과하는 용융 온도, 고온에서의 우수한 내피로성 및 금속간 상의 낮은 성장을 갖는다. 이 합금은 웨이퍼 범핑 기술에서 전자 부품의 납땜에 사용 가능하다.

Description

고온에서 개선된 특성을 갖는 무연납{LEAD-FREE SOFT SOLDER HAVING IMPROVED PROPERTIES AT ELEVATED TEMPERATURES}

본 발명은 그 사용 범위가 최대 200 ℃, 특히 150 내지 190 ℃인 물질용 연납에 관한 것이다.

이러한 높은 온도로 인해 주석-은-구리(SAC) 납땜부는 금속간 상 성장으로 인해 매우 빠르게 노화된다. 인장강도는 고온에서 더 낮으며 항복강도는 금속간 상의 성장과 함께 진행되는 재료 피로로 인해 저하된다.

유럽연합 지침 2002/96/EC "Waste Electrical and Electronic Equipment" = WEEE 및 2002/95/EC "Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment" = RoHS (http://ec.europa.eu/environment/waste/weee_index.htm)에 따르면 납 함유성 땜납의 사용은 엄격하게 제한되며 무연 땜납의 사용이 규정되어 있다. 그에 따르면 무연 땜납은 납 함량이 최대 0.1 중량%인 땜납을 의미한다.

미국 특허 공보 US 5,938,862에는 8 내지 10 중량%의 인듐, 2.3 중량%의 은 및 1 중량%의 구리가 포함된 포함하는 SAC 연납이 공개되어 있다. 높은 인듐 함량은 납 합금을 매우 연하게 하며 변형(구멍들)이 발생하므로 이 인듐 합금은 칩 제 조용 솔더 볼(solder ball)의 제조에 적합하지 않다.

독일 공개 특허 공보 DE 10 2004 050 441 A1에는 열 영향에 의한 재료 조대화를 지연하기 위해 철금속과 조합적인 란탄족 원소의 사용이 공개되어 있다. 바람직하게도 철금속 합금으로서 주입된 네오디뮴이 모합금으로 인해 상응하는 금속간 상으로서 정의되는 것으로 가정되는데, 그 이유는 그에 사용된 혼합 금속이 산소에 대한 그 높은 친화도로 인해 종래 방식으로는 합금으로 제조할 수 없기 때문이다.

유럽 공개 특허 공보 EP 1 623 791 A2에는 예를 들어 네오디뮴의 주입을 통해 발생하는 슬래그의 형성 문제와 관련하여 그 분리 방법이 설명되어 있다. 이로써 예를 들어 국제 공개 공보 WO 03/051572에 따른 땜납 세정이 가능하다. 국제 공개 공보 WO 03/051572에는 인듐을 포함하며 경우에 따라서 네오디뮴이 첨가되는 SAC 땜납이 공개되어 있다. 5 내지 20 중량%의 거의 공정합금(eutectic alloy)이 생산된다. 이는 합금이 단시간에 급격하게 응고되며 이때 매끈한 표면이 형성되는 이점을 갖는다. 높은 은 함량으로 인해 높은 Ag₃Sn 상 함량이 나타나는데, 이런 상은 열부하 조건에서 더욱 성장하고 조직을 조대화할 수 있다.

국제 공개 공보 WO 03/051572 A1에는 0.8 내지 1.2 중량%의 인듐 및 0.01 내지 0.2 중량%의 네오디뮴을 포함하는 SAC 합금 계열의 무연납이 공개되어 있다. 이 연납은 거친 주석 수지상정의 형성을 방지하며 용융 후에 땜납의 매끄럽고 균일한 표면을 보장한다. 이외에도 땜납은 가능한 한 높은 피로 강도를 가지므로 이 연납을 통해 매우 다양한 열팽창계수의 소재도 서로 결합이 가능하다.

국제 공개 공보 WO 97/43456에서는 자동차 분야에서 온도 변화로 인한 재료 피로의 문제점이 언급되어 있다. 또한 68.2 내지 91.8 중량%의 주석, 3.2 내지 3.8 중량%의 은 및 5 내지 5.5 중량%의 인듐이 포함된 포함하는 무연납이 설명되어 있는데, 이런 연납은 경우에 따라서 최대 3 중량%의 비스무트 및 최대 1.5 중량%의 구리를 포함한다. 실험예로서 89.8 중량%의 주석, 3.7 중량%의 은, 5 중량%의 인듐 및 1.5 중량%의 구리가 포함된 포함하는 합금이 명시되어 있다.

본 발명의 목적은 최대 200 ℃의 온도, 특히 150 내지 190 ℃ 사이의 온도 범위에서 발생하는 재료 피로를 억제하는 것이다.

땜납의 융점은 최대 사용 온도를 초과하는 적어도 10 ℃, 더욱 바람직하게는 20 ℃이다.

이 목적은 독립항의 특징을 통해 달성된다. 종속항은 바람직한 실시를 설명한다.

본 발명의 핵심은 주석-인듐-은 합금 계열의 연납이 금속간 상의 형성 및 성장을 억제하는 것이다. 본 발명에서는 이미 그 조성으로 인해 금속간 상의 형성 및 성장의 경향이 낮아지도록 주석, 인듐, 은 및 경우에 따라서는 구리 성분의 중량 백분율이 선택된다. 또한 Ag₃Sn 금속간 상의 형성이 억제되며, 특히 재료 조대화를 발생시키는 그 성장이 긍정적인 방향으로 억제된다.

본 발명에서는 입자 미세화를 위한 종래 기술에서 제공되는 란탄족 원소가 땜납의 응고에 사용될 수는 있지만 100 ppm을 초과하는 란탄족 원소 농도 특히 Nd 농도에서는 땜납 특성이 저하될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 사용된 양은 주석에서의 란탄족 원소, 특히 네오디뮴의 용해도 한계를 항상 초과하므로 란탄족 원소, 특히 네오디뮴이 항상 금속간 상에 존재한다. 하지만 금속간 상은 특히 고온에서 산화성이므로 높은 사용 온도에서는 많은 문제를 발생시킬 수 있고 따라서 이러한 상은 150 ℃ 이상의 온도에 노출되는 땜납에서 지양해야 한다.

본 발명에서는 금속 상의 형성이 낮게 유지되며 금속간 상의 결정화가 개질된다. 더 높은 구리 또는 은 함량이 금속간 상의 형성을 증가시킨다. 이와 관련하여 1 내지 8 중량%의 인듐, 특히 1.5 내지 5 중량%의 인듐 함량에서 Cu 표면에 땜납을 적용(application)할 때 Cu₃Sn 상의 형성이 현저하게 억제된다. 또한 결정화 성장이 개질된다. 이 두 가지 효과는 높은 온도에서 특히 은 함량이 최대 3.5, 특히 3 중량%로 한정될 경우에 재료 피로를 감소시킨다. Ag₃Sn 상의 결정 성장의 개질을 위하여 본 발명에서는 결정화 개질제, 특히 네오디뮴이 사용된다. 네오디뮴은 개질제로서 30 ppm의 ICP 검출한계 미만의 양으로 결정 성장을 추가적으로 개질할 수 있다. 따라서 네오디뮴은 100 ppm, 특히 30 ppm 미만의 양으로 연납에 부가될 수 있다. 낮은 농도로 인해 네오디뮴이 기질에 용해되어 있을 경우, 네오디뮴은 금속간 상의 형성을 억제하므로 형성된다 하더라도 별 모양으로 형성된다.

기질에 용해된 네오디뮴이 100 ppm을 초과하는 네오디뮴 농도에서는 형성된 네오디뮴 금속간 상에 의해 흡입되며 따라서 더 높은 농도에서는 네오디뮴 금속간 상의 근처에서 더 이상 기질에 용해되지 않는 것으로 가정된다. 따라서 금속간 상의 형성이 100 ppm을 초과하는 네오디뮴 농도에서는 네오디뮴 농도의 증가와 함께 감소하지 않고 증가하는 것으로 가정된다.

특히 네오디뮴에 의한 결정 성장의 개질은 150 ℃를 초과하는 온도에서 즉 땜납의 융점 미만에서 응고된 땜납에 거친 결정판 또는 결정 니들(crystal plates or needles)대신 미세하게 분기된 결정이 형성되는 데 그 원인이 있다.

이런 효과는 예를 들어 칩 제조 특히 웨이퍼 범핑에서 납땜 결합부의 미세화와 관련하여 큰 의미를 갖는다. 특히 150 ℃를 초과하는 온도의 운전 조건에서는 경계면에서 Cu₃Sn 상 또는 Cu₆Sn₅ 상의 상 성장으로 인해 납땜 접합부의 더 많은 Sn 함량이 결합된다. 그로 인해 증가하는 나머지 땝납에서의 Ag 함량은 전술된 3.0 중량%의 임계값 초과 시 Ag₃Sn 상의 강한 결정 성장을 발생시킨다.

Ag₃Sn 상의 판 형태 또는 바늘 형태의 형성으로 인해 상이 납땜 접합부에서 성장하고 단락을 야기시킨다. 이는 Nd 도핑으로 인해 억제된다.

따라서 Ag₃Sn 상의 미세하게 분기된 결정 성장은 30 ppm의 검출한계 미만의 미세한 양으로 네오디뮴이 존재하는 것에 대한 증거로서 충분하다. 하지만 본 발명에 따른 연납이 개질제, 특히 네오디뮴으로 도핑되는 것이 중요하다. 천연 불순물로는 충분하지 않다. 네오디뮴은 최대 약 100 ppm까지 적용이 가능하다. 주석에서의 네오디뮴의 용해도 한계는 100 ppm 미만이다. 이외에도 네오디뮴은 주석-네오디뮴 금속간 상에서 분리된다. 더 많은 양의 네오디뮴은 산화된 SnNd 상의 분리로 인해 합금의 품질을 저하시킨다. 0.05 내지 0.2 중량%의 네오디뮴은 대기 조건에서 네오디뮴의 산화로 인해 땜납 표면에서 산화피막을 발생시킨다. 0.01 중량%의 농도로 용융물에서 네오디뮴을 유지시키기 위해, 환원 조건 또는 진공의 제공이 필요할 것이다. 0.2 중량%의 네오디뮴이 포함된 합금은 종래 제조 방법에서 솔더 파우더로 가공이 불가능하며 납땜부 경계면에서 산화된 함유물로 인해 균열 형성을 야기시킨다.

마찬가지로 인듐의 도핑이 중요한 의미를 갖는다. 인듐은 Cu₃Sn 상의 성장을 억제하는 것으로 보인다. Cu₃Sn 상의 형성을 효과적으로 억제하기 위해 1 내지 2 중량%의 인듐이 필요하다. 1 % 및 그 미만의 인듐에서는 Cu₃Sn 상의 상 성장이 순수한 SAC(Sn, Ag, Cu) 연납에서와 유사하다. 1.75 중량%에서는 Cu₃Sn 상의 현저히 더 낮은 상 성장이 관찰되었으며 그와 함께 더 우수한 고온내성이 나타났다. 인듐은 모든 성분 중 가능 고가이며 이미 이러한 이유에서 최대한 절약적으로 사용된다. 5 내지 8 중량% 인듐의 범위에서 이런 고가 인듐의 효과가 상대적으로 낮다. 8 %를 초과하는 인듐 농도에서는 본 발명에 따른 연납으로 달성하고자 하는 고내온성을 구현하기에 연납의 융점이 너무 낮다. 인장강도는 인듐 함량에 따라 증가하며, 따라서 이러한 측면에서는 4 내지 10 중량%, 특히 4 내지 8 중량%의 인듐 함량이 적합할 수 있다.

본 발명에 따른 연납은 150 ℃ 이상의 온도에서 탁월한 온도 변화 안정성을 갖는다.

바람직하게도 본 발명에 따른 땜납의 융점은 210 ℃, 특히 215 ℃를 초과한다.

본 발명에 따른 납 합금의 기대되는 기계적 강도는 다음의 함수를 통해 충분히 정확하게 설명된다:

최대 인장강도: Rm (MPa 단위)

Rm = 16 MPa + 4.3 MPa Ag [중량%] + 4.4 MPa In [중량%] + 10 MPa Cu [중량%]

항복강도 Rp_0.2 (MPa 단위)

Rp0.2 = 7 Mpa + 2.2 MPa Ag [중량%] + 4.8 MPa In [중량%]

납 합금의 강도는 시편 직경이 3.2 mm이고 측정 길이가 15 mm인 주조된 인장 시편에서 측정되었다. 시편은 시험 6주 전에 실온에서 보관되었다.

땜납의 융점이 너무 높지 않고 너무 많은 인듐이 융점 낮춤에 필요하게 되지 않도록 하기 위해 은의 함량은 0.5 중량%, 바람직하게는 1 중량%를 초과해야 한다. 은 함량이 3.5 중량%를 초과하는 경우 Ag₃Sn 상의 함량은 필요 이상으로 높게 된다. 따라서 은은 0.5 내지 3.5 중량% 사이 특히 1 내지 3 중량% 사이의 양으로 투입되어야 한다. 경우에 따라서는 최대 1 중량%의 구리가 포함될 수 있다. 1 중량%를 초과할 경우 구리는 의도치 않게 더 많이 Cu₆Sn₅ 상을 형성하는데, 이 상은 높은 온도에서 너무 빠르게 성장한다.

주석의 함량은 88 내지 98.5 중량% 사이에 있어야 한다. 88 중량%에 미달될 경우 융점이 고온 용도로는 너무 낮게 된다. 또한 Ag 및 Cu 상의 함량은 인듐 사용을 불필요하게 증가시킨다. 98.5 중량%를 초과하는 경우 융점이 너무 높게 되고 인장강도가 너무 낮게 된다.

본 발명에 따른 연납에서는 최대 1 %의 첨가물, 특히 Ni, Fe, Co, Mn, Cr, Mo 또는 Ge 및 기타 불순물이 허용된다. 1 %보다 현저히 낮은 미량으로 Nd가 저렴한 희토류 금속 혼합물로서(예를 들어 Ce, La 또는 Pr과의 조합으로) 첨가될 수도 있다. 고가의 In을 절약하기 위해 최대 3 %의 Sb 또는 Bi 또는 Ga의 첨가를 통하여 경우에 따라 필요한 땜납 융점 및 강도에 대한 조정이 가능하다. 전체적으로 Sb, Bi 및 Ga 원소의 합은 3 중량%를 초과하지 않는다. 비스무트와 관련하여 납 사용에서 알려진 문제점들이 발생할 수 있으므로, 비스무트를 지양하거나 적어도 그 함량을 1.0 중량% 미만으로 낮추는 것이 권장된다.

본 발명에 따른 땜납은 140 내지 200 ℃ 사이, 특히 150 내지 190 ℃ 사이 범위의 전자장치 사용 온도에서 또는 높은 온도 변화 조건에서 더욱 신뢰성 있는 전자장치 기능을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 땜납은 전력 전자장치 및 고온 어플리케이션, 특히 고온 어플리케이션에서 전력 전자장치의 신뢰성을 증대시킨다. 전력 전자장치의 예시로서 DCB(direct copper bonding), COB(chip on board), 하이브리드 회로, 반도체, 웨이퍼 범핑, SIP(system in packaging) 및 MCM(multi chip module), 특히 스택 패키지(stack-package)를 들 수 있다. 웨이퍼 범핑에서와 같이 인접한 납땜 접합부의 단락 에서 Ag₃Sn 상의 성장으로 인한 전기적 단락의 위험은 본 발명에 따른 땜납으로 현저하게 감소된다.

140 내지 200 ℃ 사이, 특히 150 내지 190 ℃ 사이의 온도 범위는 기계 제조, 특히 자동차 제조에서 전자 부품의 납땜 접합부에 있어 매우 큰 의미를 가지며, 따라서 본 발명에 따른 땜납은 기계 제조 및 자동차 제조에서 전자 장치와 관련하여 증가된 안정성을 제공한다. 특히 이 범위에서는 열부하 외에도 온도 변화 안정성도 의미를 가지며 본 발명에 따른 땜납을 통해 개선된다. 고온 범위에서 본 발명에 따른 땜납을 통해 개선된 안정성은 자동차, 산업용 전자장치, 철도 차량 및 우주공학 분야에서 특히 중요하다. 특히 엔진, 동력전달장치 또는 제동장치 분야에 사용되는 전자장치는 이미 외부 열부하에 노출되어 있으며 그럼에도 불구하고 최상의 신뢰성을 가져야 하고 전력 전자장치에서는 전자장치에 의해 발생된 열이 신뢰성을 저하시킨다. 본 발명에 따른 땜납은 이러한 기술 분야에서 전술된 문제점들을 억제하는데 기여한다. 또한 본 발명에 따른 땜납은 태양광에 노출된 전자장치, 특히 직사광에 노출된 전자장치 뿐 아니라 간접적 태양광에 영향을 받는 전자장치들이 더욱 개선된 신뢰성을 갖는데 기여한다.

하기에서 본 발명은 표 1 및 도면을 근거로 한 예시를 통해 설명된다.

표 1

도면은 다음과 같다:

도 1은 본 발명에 따라 In을 포함하고 Nd로 도핑된 SAC 납땜부와 비교하여 구리 기판에서의 SAC 납땜부의 Ag₃Sn 상의 형성과 관련된 개략적 구조를 나타낸다.

도 2는 기존 방식을 형성된 Ag₃Sn 상과 비교하여 사진을 근거로 본 발명에 따른 땜납으로 형성된 Ag₃Sn 상을 나타낸다.

도 3은 인듐 함량에 대한 인장강도의 상관관계를 나타낸다.

도 4는 인듐 함량에 대한 용융범위의 상관관계를 나타낸다.

도 5는 단락을 발생시키는 금속간 상의 형성이 포함된 비교 실험예를 나타낸다.

도 6은 네오디뮴을 포함하는 금속간 상의 산화 정도를 나타낸다.

제조 방법의 실시예

본 발명에 따른 납 합금의 제조에 있어서 모합금을 통해 Nd 도핑을 수행하는 것이 바람직하다.

솔더 파우더 제조에 있어 500 ℃ 미만의 일반적으로 매우 낮은 용융 온도로 인해 원소로 투입된 Nd가 순수한 금속 또는 희토류 금속 혼합물로서 낮은 밀도로 인해 일차 용융된 땜납에서 부유하고 즉시 산화되는 위험이 존재한다. 산화네오디뮴 형태에서 그는 더 이상 효과를 갖지 않으며 슬래그에 농축된다.

이를 억제하기 위하여 모합금을 통해 하나 또는 복수의 납 합금 성분이 네오 디뮴에 추가적으로 도핑된다. 이를 통하여 이미 합금화된 네오디뮴의 산화가 억제되며 결정 개질제의 균일한 분포가 달성된다.

모합금으로서 예를 들어 다음이 적합하다:

- Sn Nd 2-10

- Cu Nd 10-20

- Ag Nd 10-20

- Ag Cu 10-40 Nd 5-15

(농도 범위의 단위는 중량%)

이 모합금은 적합한 용융 방법을 통해 쉽게 제조가 가능하다. 균질한 분포를 달성하기 위하여 800 ℃를 상회하는 온도에서 네오디뮴을 합금화하고 완성된 모합금이 1000 ℃ 미만, 바람직하게는 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 것이 바람직한 것으로 입증되었다. 이는 500 ℃ 미만의 납땜 용융물에서 모합금의 원활한 용해를 보장한다.

비교 실험예 1

Sn 96.5, Ag 3.5는 19 MPa의 항복강도 Rp 0.2 및 32 MPa의 인장강도를 갖는다. 이 합금은 강한 Ag₃Sn 상 성장 경향을 가지며 따라서 150 ℃ 이상의 온도에서 강한 재료 피로를 나타낸다. 은 함량의 증가와 함께 Ag₃Sn 상의 형성이 유리하게 된다.

비교 실험예 2

Sn 96.5, Ag 3, Cu 0.5는 18 MPa의 항복강도 및 35 MPa의 인장강도를 갖는다. 이 연납은 비교 실험예 1에서와 같이 납땜 공정에서 구리 베이스의 표면에 뚜렷한 Cu₃Sn 층을 형성한다. Cu₃Sn 금속간 상이 성장하고 150 ℃를 초과하는 온도에서 구리에 대한 경계면이 취성을 갖게 하며 납땜 접합부의 재료 피로을 발생시킨다.

비교 실험예 3

Sn 96.99, Ag 2.5, Cu 0.5, Nd 0.01은 18.3 MPa의 항복강도 및 32.5의 인장강도를 갖는다. 또한 구리 스트립에서 이 합금의 용융 시 150 ℃의 온도에서 성장하는 Cu₃Sn이 형성된다.

비교 실험예 4에 따라 비교 실험예 3과 달리 1 중량%의 인듐의 첨가는 항복강도를 19.9로 증가시키며 인장강도를 37.0으로 증가시키는 작용을 한다. 하지만 Cu₃Sn 상의 형성 및 150 ℃를 초과하는 온도에서 이 상과 동반되는 재료 피로와 관련하여 비교 실험예 3과 비교하여 큰 차이점이 존재하지 않는다.

비교 실험예 4

금속간 상을 형성하는 네오디뮴 함량이 포함된 연납은 빠르게 노화된다. 도 6은 네오디뮴을 포함하는 금속간 상을 나타내는데, 이 금속간 상은 175 ℃에서 120 시간동안 보관함에 따라 그 경계면이 완전하게 산화되었고 이러한 방식으로 차후 재료 품질 저하의 출발점에 해당하는 뚜렷한 재료 피로를 나타낸다.

실험예 1

Sn 95.49, Ag 2, Cu 0.5, In 2, Nd 0.01은 비교 실험예 4에 대한 다른 개선된 기계적 특성 외에도 Cu₃Sn 상의 억제된 형성 및 150 ℃를 초과하는 온도에서 그의 더 낮은 성장을 나타낸다. 이로써 본 발명에 따른 이 실험예를 통해 탁월한 기계적 특성에서 재료 피로가 현저하게 느리게 진행된다.

비교 실험예 5에 따라 실험예 1에서 네오디뮴의 도핑이 이루어지지 않을 경우, Cu₃Sn 상의 형성이 초기에는 낮지만 Ag₃Sn 상은 150 ℃를 초과하는 온도에서 거친 판 또는 니들의 성장 및 형성 경향을 나타내며 따라서 수용할 수 없을 정도의 재료 피로 및 Ag₃Sn 결정으로 인한 단락 형성의 위험을 발생시킨다.

실험예 1에 비해 인듐 농도가 1 중량% 증가된 실험예 2에서는 더욱 개선된 기계적 특성이 나타난다. 구리 스트립에서 납땜 시 Cu₃Sn 상의 형성은 실험예 1에 비해 더욱 감소되며 재료 피로는 150 ℃를 초과하는 온도에서 더욱 감소된다.

실험예 3에 따라 인듐을 1 중량%만큼 더욱 증가시킬 경우 더욱 개선된 기계적 특성 외에도 실험예 2에 비해 Cu₃Sn 상의 형성이 감소되는 효과가 나타나지 않는다. 150 ℃를 초과하는 온도에서 재료 피로는 실험예 2에 비해 감소된다.

실험예 3에 비해 인듐을 3 중량% 더 증가시키면 실험예 3에 비해 더욱 현저하게 개선된 기계적 특성이 달성된다. 하지만 실험예 2 및 실험예 3에 비해 구리 스트립 상에서의 납땜 시 Cu₃Sn 상 형성의 현저한 감소가 나타나지 않는다. 실험예 3에 비해 150 ℃를 초과하는 온도에서 재료 피로와 관련하여 약간의 개선이 존재하 지만 그에 반해 용융범위의 고상선(solidus)이 이미 200.4 ℃로 하강했다.

도 3은 2.5 중량%의 은 및 0.5 중량%의 구리가 포함된 주석 계열 연납의 인듐 함량에 대한 용융범위의 상관관계를 나타낸다.

도 4는 상응하는 인장강도의 증가를 나타낸다.

하기에서는 표 2를 근거로 하여 In을 통한 Cu₃Sn 상의 성장 억제 방법이 설명된다. 개선된 고온내성은 Cu₃Sn 상의 억제된 상 성장을 통해 설명된다.

In이 없는 경우 Cu₃Sn/Cu₆Sn₅ 상의 비율이 175 ℃에서 120 시간동안 보관한 후에 약 1/2이다. 2 %의 In을 통해 이 비율이 1/3으로 감소되며, 경계면에서의 CuSn 상의 총 두께는 약 45 % 감소된다.

표 2: 175 ℃에서 120 시간 보관한 후에 CuSn 상의 층 두께

개선된 고온내성은 CuSn 상의 특성에서 설명된다. Cu₃Sn의 경도는 320 HV10이고 상은 매우 약한 취성 및 균열 경향을 나타내며 Cu₆Sn₅의 경도는 "단지" 105 HV10이고 현저하게 더 낮은 취성을 갖는다. 형성되는 Cu₃Sn 및 Cu₆Sn₅ 상의 개선된 특징화를 위해 용융 방식으로 제조된 상의 경도가 측정되었다. 이 방법이 선택된 이유는, 납땜된 시편의 경계면에서 금속분석 미세절단(metallographic microsection)에서의 경도 측정 결과가 ㎛ 단위의 좁은 층 두께로 인해 정확하지 않기 때문이다.

따라서 고온 신뢰성에 있어 온도 부하 조건에서 형성되는 취성 Cu₃Sn 상의 두께가 중요한 의미를 갖는다. 상 성장이 느리고 취성 Cu₃Sn 상의 층 두께가 얇을수록 경계면에서의 응력이 더욱 양호하게 저하되고 그로 인해 고온 신뢰성이 증대될 수 있다.

다른 이점은 감소된 상 성장으로 인해 Cu 스트립 도체가 증가된 가동 온도에서 현저하게 느리게 CuSn 상으로 변환되는데, 이를 역합금(de-alloying)이라고도 한다. 스트립 도체의 납땜된 면에서 Cu 층 두께가 너무 얇게 되면, 이 스트립 도체가 베이스 재료에서 분리되고 부품의 전기적 고장이 발생한다.

본 발명은 연납에 이용될 수 있다.

Claims (11)

1. 다음을 포함하는 Sn-In-Ag 납 합금 계열의 무연납

   - 88 내지 98.5 중량%의 Sn,

   - 1 내지 10 중량%의 In,

   - 0.5 내지 3.5 중량%의 Ag,

   - 0 내지 1 중량%의 Cu,

   - 응고된 땜납에서 금속간 상의 성장을 억제하는 결정화 개질제가 포함된 도핑.
2. 다음을 포함하는 제1항에 따른 Sn-In-Ag 납 합금 계열의 무연납

   - 88 내지 98.5 중량%의 Sn,

   - 1 내지 8 중량%의 In,

   - 0.5 내지 3.5 중량%의 Ag,

   - 0 내지 1 중량%의 Cu,

   - 전체적으로 0 내지 3 중량%의 Ga, Sb, Bi,

   - 최대 1 중량%의 첨가제 또는 불순물,

   - 결정화 개질제가 포함된 도핑.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결정화 개질제가 네오디뮴이며 최대 100 ppm의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 연납.
4. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서, 1.5 내지 5 중량%의 인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 연납.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 1 내지 3 중량%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 연납.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 210 ℃를 초과하는 용융 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 연납.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, Ag₃Sn 상의 형성이 온도 부하 조건에서 별 모양으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연납.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 결정화 개질제가 기질에 용해되는 것을 특징으로 하는 연납.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 연납의 제조 방법에 있어서, Sn-In-Ag 땜납의 구성 성분 중 하나를 포함하는 Nd이 나머지 구성 성분으로 희석되는 모 합금으로서 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 웨이퍼 범핑 기술에서 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 합금의 사용.
11. 140 내지 200 ℃, 특히 150 내지 190 ℃의 사용 온도에서 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따라 제조된 땜납 재질의 납땜부의 사용.

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