KR20110038615A

KR20110038615A - 수축공이 억제된 납프리 땜납 합금

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Publication number: KR20110038615A
Application number: KR1020107025971A
Authority: KR
Inventors: 유지 가와마타; 미노루 우에시마; 민 강; 가야코 나카가와; 야스아키 고쿠부
Original assignee: 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2011-04-14
Also published as: CN102066043A; EP2275224A1; JPWO2009131178A1; JP5287852B2; WO2009131178A1; MY153585A; US20110204121A1; CN102066043B; EP2275224B1; KR101318454B1; US9227258B2; EP2275224A4

Abstract

미세 요철이나 수축공이 억제된, 개선된 표면 성상을 갖는 납프리 땜납 합금은, Ag : 0.1∼1.5 %, Bi : 2.5∼5.0 %, Cu : 0.5∼1.0 %, 경우에 따라 Ni : 0.015∼0.035 %, 및/또는 Ge 및 Ga 의 1 종 혹은 2 종 : 0.0005∼0.01 %, 잔부가 Sn 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다.

Description

수축공이 억제된 납프리 땜납 합금{LEAD-FREE SOLDER ALLOY SUPPRESSED IN OCCURRENCE OF SHRINKAGE CAVITY}

본 발명은, 수축공(shrinkage cavity)이 억제된 납프리 땜납 합금과, 이 땜납 합금을 사용한 솔더 페이스트 및 납땜 방법에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 납프리 땜납의 주류는 Sn-Ag-Cu 계 땜납 합금이다. Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납은, 온도 사이클 특성이 우수하고, 또한 납프리 땜납 중에서는 젖음성이 양호하고, 또 종래의 Sn-Pb 계 땜납과 동일하게 어떠한 형태로도 가공이 가능하다. 그러나, Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납은, Sn-Ag 계 납프리 땜납과 동일하게, 응고의 불균일성에서 땜납 표면이 거칠어져 (미세 요철) 거의 광택을 나타내지 않고, 또한 수축공으로 불리는 균열과 같이 보이는 응고 결함을 발생시키는 경우가 있다. 이들 현상은, Sn-Ag 의 과공정 (過共晶) 에서 기인되는 수지상 (樹枝狀) 결정 (덴드라이트) 의 성장에 원인이 있다.

Sn-Ag 계 또는 Sn-Ag-Cu 계의 납프리 땜납에서는, 용융된 땜납이 응고될 때, 먼저 Sn 의 덴드라이트가 초정 (初晶) 으로서 석출되고, 이어서 Sn-Ag 또는 Sn-Ag-Cu 공정 조직이 응고되는데, 이 때의 체적 수축에 의해, 땜납 표면에 미세한 요철이나 수축공이 발생한다. 상세하게 관찰하면, 수축공은, 덴드라이트를 따라 발생하는 것을 알 수 있다.

이와 같이 수축공은 덴드라이트의 결정립계를 따라 발생하는 응고 균열로서, 땜납의 표면만으로 그친다. 그 때문에, 수축공은, 크랙의 기점이 되어 크랙을 유발하지는 않아, 납땜의 신뢰성을 저해하는 것은 아니라고 여겨져 왔다. 그러나, 외관상으로는 수축공과 크랙의 차이를 용이하게 식별하지 못해, 수축소의 크기에 따라서는, 납땜의 신뢰성에 영향을 미칠 가능성을 배제할 수 없기 때문에, 다음에 서술하는 바와 같이, 수축공의 발생이 문제시되고 있다.

즉, 납땜 간격은 더욱 더 미세화되고 있으므로, 검사원에 의한 육안 외관 검사에 있어서 수축공과 크랙 사이의 구별이 보다 어려워지고 있고, 경우에 따라서는 전자 현미경 등의 매우 고가의 장치로 확인하지 않으면 판단할 수 없다. 그러나, 전자 현미경으로 관찰할 수 있는 시료의 크기는 한정되고, 또 관찰하기 위한 시간은 통상적인 외관 검사 장치의 수백배 이상 걸리므로, 전수 검사에 사용하는 것은 불가능하다.

솔더 페이스트를 사용한 리플로우법에 의한 납땜의 경우, 납땜 간격의 미세화에 수반하여, 솔더 페이스트의 인쇄 두께도 50 ㎛ 정도까지 얇아지는 경우가 있다. 그 경우, 리플로우 후에 생성된 땜납 접합부 (땜납 필렛) 의 두께는 25 ㎛ 정도가 되어 땜납량이 적어진다. 이와 같은 얇은 땜납 접합부에 10 ㎛ 정도의 수축공이 발생하면, 국소적으로 땜납 접합부의 두께가 10 ㎛ 정도가 되어, 납땜의 신뢰성에 악영향을 미칠 것이 우려된다.

리플로우법에서의 대표적인 땜납 공급 방법인 솔더 페이스트를 사용한 프린트 기판의 실장에서는, 소정 부위에 솔더 페이스트를 인쇄에 의해 도포하고, 리플로우에 의해 납땜부를 형성한 기판을, 화상 인식 등의 광학적인 방법으로 검사하여 납땜 상태를 확인한다. 현재 판매되고 있는 광학적인 검사 기기는, 납프리 땜납용으로서, 광택도가 낮은 땜납을 인식할 수 있도록 설계되어 있다. 그러나, Sn-Ag 계 납프리 땜납이나 Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납에서 발생하는, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공은, 땜납 조성만의 요인에 의해 발생하는 것은 아니고, 납땜 조건이나 냉각 조건 등의 외부 인자에 따라 변동되므로, 광도의 평균값을 포착하기 어렵기 때문에, 검사 문제를 일으키기 쉽다.

본 출원인은, Sn-4.0∼6.0 질량% Ag-1.0∼2.0 질량% Cu 의 조성을 갖는, 볼 표면 상태가 양호하고, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공이 억제된, 납프리 땜납 볼을 먼저 개시하였다 (하기 특허문헌 1). 또, 플로우 솔더링의 납땜 방법에 관해서, Sn-Ag-Cu 계의 납프리 Sn 기 땜납 합금을 이용하여 플로우법으로 납땜할 때, 땜납욕의 Ag 농도를 3.8 질량% 초과 4.2 질량% 이하, Cu 농도를 0.8∼1.2 질량% 로 관리하면서 납땜을 실시함으로써 납땜부의 수축공을 방지하는 방법도 개시하였다 (하기 특허문헌 2).

이들 특허문헌은, 현재 납프리 땜납 합금으로서 널리 사용되고 있는 Sn-3.5 Ag-0.7 Cu 및 Sn-3.0 Ag-0.5 Cu 의 조성에 비해, Ag 및 Cu 를 보다 다량으로 첨가함으로써, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공을 저감시키는 것을 의도하고 있다. 즉, Ag 나 Cu 의 함유량을 증가시키고, 상대적으로 Sn 함유량을 감소시킴으로써, Sn 의 덴드라이트의 발생이 저감되고, 표면 요철이나 수축공의 발생이 억제된다. 그러나, 특히 고가의 Ag 를 보다 다량으로 함유하므로, 재료 비용이 높아진다. 또, Ag 및 Cu 의 함유량의 증대에 의해, 땜납의 용융 온도 (특히 액상선 온도) 가 높아져, 리플로우법에는 사용하기 어려워진다.

일본 공개특허공보 2003-1481호 일본 공개특허공보 2005-186160호

본 발명의 하나의 목적은, Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납의 내온도 사이클 특성을 저해하지 않고, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공이 억제된 납프리 땜납 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 고가의 Ag 의 함유량을 증대시키지 않고, 또한 땜납의 액상선 온도가 종래의 Sn-Ag-Cu 계 땜납과 동일한 정도의 납프리 땜납 합금에 의해, 납프리 땜납 표면의 미세 요철이나 수축공의 발생을 억제하는 것이다.

본 발명자는, Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납의 Ag 를 줄임으로써, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공이 저감되는 것, 줄인 Ag 대신에 Bi 를 첨가함으로써 내온도 사이클 특성을 저해하지 않고 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공이 저감되어, 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 알아냈다.

즉, 전술한 특허문헌 1 및 2 에서와 같은 Sn 함유량의 저감에 의한 덴드라이트 생성의 저감이 아니고, Sn-Ag-Cu 공정 조직의 생성량을 대폭 억제함으로써도 수축공을 억제할 수 있고, 이 목적에 있어서 Ag 함유량을 1.5 질량% 이하로 하는 것이 유효하다. 그러나, Ag 함유량이 저하되면, 땜납의 강도도 저하되고, 땜납 접합부의 내열피로 특성 (내온도 사이클 특성) 이 저하된다. 그 때문에, 수축공을 억제할 수 있어도, 땜납 접합부의 신뢰성이 저하된다. 그런데, 일반적으로는 무르고, 땜납의 신뢰성을 저하시킨다고 생각되고 있는 Bi 를 의도적으로 첨가함으로써, Sn-3 Ag-0.5 Cu 와 동등 이상 내열피로 특성을 갖는 납프리 땜납 합금이 얻어진다. Bi 의 첨가는, 수축공 발생에 영향을 미치지 않고, 땜납 접합부의 보이드 발생도 저감시킬 수 있다.

본 발명은, 질량% 로 Ag : 0.1∼1.5 %, Bi : 2.5∼5.0 %, Cu : 0.5∼1.0 %, Ni : 0∼0.035 %, Ge 및 Ga 의 1 종 혹은 2 종 : 0∼0.01 %, 잔부가 Sn 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 납프리 땜납 합금이다.

Ni, Ge 및 Ga 는 임의 첨가 합금 원소이다. Ni 는, 후술하는 그 첨가 목적을 달성하기 위해서는, 0.015∼0.035 질량% 의 양으로 함유시키는 것이 바람직하다. 동일하게, Ge 및 Ga 의 1 종 또는 2 종을 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0005∼0.01 질량% 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 상기 땜납 합금의 분말과 플럭스의 혼합물로 이루어지는 납프리 솔더 페이스트, 및 이 솔더 페이스트를 사용하는 것을 특징으로 하는 리플로우법에 의한 프린트 기판의 납땜 방법도 제공된다.

본 발명은 또, 상기 납프리 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 접합부, 및 상기 납프리 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 볼도 제공한다.

본 발명의 납프리 땜납 합금에서는, 전형적인 Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납보다 Ag 함유량을 저감시키고, 덴드라이트를 생성하는 Sn 량을 증가시킴으로써, 수축공의 발생이 억제된다. 이것은, Sn 덴드라이트끼리의 결합이 촉진되어, 응고 균열이 발생하기 어려워지기 때문이 아닐까 추측된다. 그러나, Ag 량의 저감에 의해, Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납이 갖는 우수한 내온도 사이클 특성이 악영향을 받는다.

그래서, Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납에 첨가하는 강도 첨가 원소로서 발견한 것이 Bi 이다. Bi 는, In 이나 Zn 과 함께, 납프리 땜납의 용융 온도를 저하시키는 첨가 원소로서 잘 알려져 있는 금속 원소이다. Bi 는 금속 단체로는 단단하고, 무른 금속으로, 납프리 땜납에 Bi 를 첨가하면 단단하고, 땜납의 신장이 감소되는 경향이 있다. 그러나, Sn-Ag-Cu 계 납프리 땜납에 대한 Bi 의 첨가량이 2.5∼5.0 질량% 의 범위 내에서는, 땜납 합금의 신장은 다소 저하되어도, 강도가 증가하기 때문에, 내열피로 특성은 향상되는 것으로 판명되었다. Bi 의 첨가에 의해, Ag 량을 1.5 질량% 이하까지 저감시켜도, 내온도 사이클성이 Sn-3.5 Ag-0.7 Cu 나 Sn-3.0 Ag-0.5 Cu 의 그것에 가까운 수준까지 개선된다.

본 발명에 관련된 Sn-Bi-Ag-Cu 계 납프리 땜납은, 내온도 사이클 특성이 우수함과 함께, 종래의 Sn-Ag-Cu 납프리 땜납의 결점인, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공의 발생이 현저하게 억제된다. 또, Bi 의 첨가에 의해, 보이드 발생을 억제하고, 안정적인 품질을 갖는 신뢰성이 높은 땜납 접합부를 형성하는 것이 가능해진다.

본 발명에 관련된 땜납 합금은, 공지된 땜납의 사용 형태 중 어느 것에 있어서도 사용할 수 있다. 예를 들어, 프린트 기판의 실장에 많이 사용되고 있는, 땜납 합금 분말을 플럭스와 혼합한 솔더 페이스트의 형태로 리플로우 납땜법에 의해 사용하기에 적합하다. 또, 땜납 볼의 형태로 리플로우 납땜법에 의해 사용할 수도 있다.

본 발명에 관련된 땜납 합금은, 일반적인 Sn-3 Ag-0.5 Cu 및 Sn-3.5 Ag-0.75 Cu 땜납 합금과 비교하여, 액상선이 약간 높은 경우가 있는데, 그런데도 차이는 수 ℃ 이내이므로, 플로우 솔더링에 대한 이용도 충분히 가능하다. 또한, 땜납 합금으로서 충분한 연성을 갖고 있으므로, 일반적인 Bi 함유 땜납에서는 불가능했던 신선 (伸線) 이 가능하고, 봉 땜납, 선 땜납, 및 로진코어 땜납의 형태로도 사용할 수 있다. 또, 땜납 프리폼의 형태로도 사용할 수 있다.

도 1 은 실시예에 있어서 수축공 길이가 0.5 ㎜ 이하인 땜납 표면을 나타내는 현미경 사진. 우측의 자의 1 눈금은 0.5 ㎜ 이다.
도 2 는 수축공 길이가 0.5 ㎜ 를 초과한 땜납 표면을 나타내는 현미경 사진. 자의 눈금은 도 1 과 동일하다.

발명을 실시하기 위한 형태

본 발명을 이하에 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 땜납 합금 조성에 관한 % 는, 특별히 지정하지 않는 한 질량% 이다.

본 발명에 관련된 Sn-Bi-Ag-Cu 계 땜납 합금은, Ag 를 저감시키고, Sn 을 증가시킴으로써, Sn 덴드라이트끼리의 결합을 촉진시키고, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공의 발생을 적게 한다. 그에 따른 땜납 접합부의 내열피로 특성의 저하를, 특정량의 Bi 의 첨가에 의해 방지한다. Sn 에 Bi 만을 첨가해도, 땜납의 내열피로 특성을 유지하는 것은 어렵다. Sn 과 금속간 화합물을 형성하는 금속 원소인 Ag 및 Cu 를 첨가하지 않으면, 땜납의 내열피로 특성 (내열 사이클 특성) 이 나빠진다.

Ag 의 함유량은 0.1∼1.5 % 이다. Ag 의 함유량이 1.5 % 를 초과하면, 땜납 표면의 미세한 요철이나 수축공의 발생이 많아진다. Ag 가 0.1 % 를 밑돌면, Bi 를 첨가해도 땜납의 내열 사이클 특성을 개선할 수 없게 된다. Ag 의 바람직한 함유량은 0.3∼1.0 % 이다.

Cu 의 함유량은 0.5∼1.0 % 이다. Cu 는, 땜납의 내온도 사이클 특성을 유지하기 위해 0.5 % 이상 첨가한다. 본 발명에서는, 수축공 발생의 억제를 위해 Ag 함유량을 1.5 % 이하로 제한하고 있으므로, Cu 함유량이 0.5 % 미만에서는, Bi 를 2.5 % 이상 첨가해도, 내온도 사이클 특성이 열화된다. Cu 함유량이 1.0 % 를 초과하면, 땜납 합금의 액상선 온도가 상승하고, 통상적인 리플로우 온도에서는 땜납이 완전하게 용융되지 않고, 보이드가 많아져, 결국, 내온도 사이클 특성이 나빠진다. 바람직한 Cu 함유량은 0.6∼0.9 % 이다.

Bi 함유량은 2.5∼5.0 % 의 범위 내이다. Ag 함유량을 1.5 % 이하로 제한한 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금에서는, Bi 함유량이 2.5 % 보다 적으면 내온도 사이클 특성이 저하된다. Bi 함유량이 5.0 % 를 초과하면, 접합부에서의 Bi 정출이 증가하여, 내온도 사이클 특성이 다시 저하된다. Bi 함유량은 바람직하게는 3∼4.5 % 이다.

본 발명의 Sn-Bi-Ag-Cu 계 땜납 합금은, Cu 나 Ni 전극의 용해를 방지하기 위해, Ni 를 0.015∼0.035 % 의 양으로 함유하고 있어도 된다. 이와 같은 Ni 의 미량 첨가에서는, 땜납 합금의 용융 온도도 거의 상승하지 않고, 납땜 후에 보이드가 증가하는 등의 문제도 발생하지 않는다.

본 발명의 Sn-Bi-Ag-Cu 계 땜납 합금에, 젖음성 개선의 목적에서, Ge 및/또는 Ga 를 0.0005∼0.01 % (2 종인 경우에는 합계량으로 한다) 첨가해도 된다. 그에 의해, 납땜 후의 보이드 발생이 억제된다. 이 양이 0.01 % 를 초과하면, 용융 땜납의 표면 장력이 증가하고, 접합부의 보이드 발생이 증가한다.

본 발명에 관련된 Sn-Bi-Ag-Cu 계 땜납 합금은, 합계로 0.05 % 이하, 바람직하게는 0.01 % 이하, 더욱 바람직하게는 0.005 % 이하의 미량이면, 상기 이외의 1 종 또는 2 종 이상의 합금 원소를 추가로 함유할 수 있다. 이 납프리 땜납의 잔부는 Sn 및 불가피 불순물이다. Sn 의 함유량은 바람직하게는 93 % 이상 96.5 % 이하이고, 보다 바람직하게는 94 % 이상 96 % 이하이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금은, 땜납 볼, 솔더 페이스트를 비롯한 각종 형태로 사용할 수 있다.

솔더 페이스트는, 땜납 분말을 소량의 플럭스와 혼합하여 페이스트상으로 한 것으로, 리플로우 납땜법에 의한 프린트 기판에 대한 전자 부품의 실장에 널리 이용되고 있다. 솔더 페이스트에 사용하는 플럭스는, 수용성 플럭스와 비수용성 플럭스 중 어느 것이어도 되는데, 전형적으로는, 적당한 활성제, 용제, 틱소제를 함유하는 로진 베이스의 비수용성 플럭스인 로진계 플럭스이다.

땜납 볼은, 전형적으로는 직경 0.05∼1.0 ㎜ 정도의 구형의 땜납이고, BGA (볼 그리드 어레이) 등의 반도체 패키지의 전극이나 기판의 범프 형성에 사용된다. 상기 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 유중조구법 (油中造球法) 을 비롯한 각종 땜납 볼의 제조법이 알려져 있다. 땜납 볼은, 웨이퍼나 기판에 대한 탑재시에 팰릿 상에 굴러 팰릿의 구멍에 들어가 정렬시킨다는 조작을 받는 경우가 있으므로, 완전한 구상으로 할 필요가 있다. 웨이퍼나 기판에 탑재된 땜납 볼은 화상 인식에 의해 검사되므로, 그 표면에 흠집이나 변색이 있어서는 안된다. 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금으로부터 형성된 땜납 볼은, 표면의 미세 요철이나 수축공의 발생이 억제되어 있어, 표면 성상이 우수하다.

본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금을 사용한 프린트 기판의 납땜은, 플로우법과 리플로우법 중 어느 방법을 이용하여 실시할 수도 있다. 모두, 통상적인 방법에 따라 실시하면 된다. 납땜은 일반적으로 땜납 합금의 고상선 온도보다 수 ℃∼20 ℃ 높은 온도에서 실시된다. 본 발명에 관련된 땜납 합금은, 전형적으로는 고상선 온도가 188∼203 ℃, 액상선 온도는 219∼223 ℃ 의 범위 내이고, 일반적인 Sn-3 Ag-0.5 Cu 납프리 땜납과 동일한 납땜 조건을 이용하여 동일하게 납땜을 실시할 수 있다.

이렇게 하여 형성된 땜납 접합부는, 표면의 미세 요철이 적고, 특히 수축공의 발생이 현저하게 억제되어 있다. 그 때문에, 육안 검사에 의한 크랙의 식별이 용이해지고, 또 화상 인식을 이용한 광학적인 검사 장치에 의한 검사도 보다 원활하게 실시할 수 있다.

실시예 1

표 1 에 나타낸 조성을 갖는 땜납 합금을 제조하고, 이하에 서술하는 바와 같이 하여 시험을 실시하였다. 측정 결과도 표 1 에 함께 나타낸다.

[시험 방법]

1) DSC 에 의한 융점의 측정

시료를 10∼40 ㎎ 채취하고, 시차 주사 열량 측정 장치 (DSC) 에 의해, 승온 속도 5 ℃/min 으로, 고상선 온도와 액상선 온도를 측정하였다.

2) 온도 사이클 후의 접합 강도

두께 1.6 ㎜ 의 6 층 프린트 기판에 소정 패턴으로 배치된 각 납땜부 (1.6 × 1.2 ㎜) 에 3.2 × 1.6 × 0.6 ㎜ 의 칩 저항을 납땜하였다. 납땜은, 각 땜납 합금의 분말과 로진계 플럭스로부터 제조한 솔더 페이스트를 납땜부에 150 ㎛ 의 두께로 인쇄 도포하고, 피크 온도가 245 ℃ 인 리플로우 노에서 가열하는 리플로우법에 의해 실시하였다.

이렇게 하여 각 납땜부에 동일한 칩 저항이 실장된 프린트 기판을, -55 ℃ 와 +125 ℃ 에 각각 30 분씩의 온도 사이클로 1000 사이클 노출하여 시험 시료 (온도 사이클에 노출한 칩 저항) 를 얻었다. 이 시험 시료를, 접합 강도 시험기로 가로 방향으로 힘을 가함으로써 박리시키고, 그 때의 강도 (N : 뉴턴) 를 측정하여 접합 강도로 하였다. 측정한 칩 저항 (시험 시료) 의 수는 각 땜납 합금에 대해 20 개씩으로 하고, 얻어진 접합 강도의 평균값 및 최소값을 표 1 에 나타낸다.

3) 보이드 발생

상기 온도 사이클 시험을 실시한 기판에 있어서, 잔류하는 칩 저항의 땜납 필렛부 10 지점을, 투과 X 선 장치에 의해 배율 15 배로 관찰하여, 직경이 300 ㎛ 이상인 보이드의 총수를 세었다. 단, 부품하의 보이드는 고려되지 않았다.

4) 수축공

14 × 18 × 0.3 ㎜ 의 구리판을, 중앙의 직경 10 ㎜ 의 Cu 노출부를 제외하고 솔더 레지스트로 피복하였다. 이 구리판의 Cu 노출부에, 땜납 합금 1 g 을 놓고, 추가로 로진계 플럭스를 도포하였다. 이 구리판을 270 ℃ 로 유지되어 있는 땜납조에 띄운 20 × 20 × 0.3 ㎜ 의 구리 기판 상에 놓고, 30 초간 방치하여 땜납 합금을 용융시켰다. 그 후, 구리판을 꺼내어 공랭시켰다.

응고된 땜납 중앙부의 표면을, 50 배의 실체 현미경으로 25 ㎟ 의 범위를 관찰하고, 폭 20 ㎛ × 길이 200 ㎛ 이상의 수축공의 총 연장 거리를 각 3 회 측정하고, 그 평균값을 수축공 길이로 하였다. 본 시험에 의해 구한 수축공 길이가 1 ㎜ 이하이면, 실사용상 문제 없다.

[측정 결과]

1) 융점

본 발명에 관련된 땜납 합금의 액상선 온도는 모두 230 ℃ 이하이고, 고상선 온도는 170 ℃ 이상이었다. 전자 부품이나 프린트 기판에 대한 열 영향을 고려하면, 액상선 온도는 230 ℃ 이하가 바람직하다. 또 고온시에 있어서의 접합 강도를 약하게 하지 않기 위해서는, 고상선 온도는 170 ℃ 이상이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 관련된 땜납 합금은, 전자 부품의 프린트 기판에 대한 납땜에 적합한 용융 특성을 갖는다.

2) 온도 사이클 후의 접합 강도

본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금은, 온도 사이클 (히트 사이클) 시험 후의 접합 강도가 평균 30 N 이상, 최소값이 20 N 이상이었다.

온도 사이클 시험에서는 주로 크랙의 발생에 의해 접합 강도는 저하되고, 크랙 진전이 격렬할수록 접합 강도는 낮아진다. 이 온도 사이클 시험에서는 크랙이 완전하게 관통하면, 접합 강도는 10 N 이하가 된다. 요컨대, 1000 사이클 후에 평균 20 N 이상, 또한 최소값으로 15 N 이상이면, 충분한 접합 상태를 유지하고 있는 것으로 생각된다. 그러나, 일반적인 실장 기판에는 더욱 내열피로 특성을 요구시키는 것도 있다. Sn-3 Ag-0.5 Cu 합금에 있어서의 1000 사이클의 온도 사이클 시험 후의 접합 강도의 평균값과 최소값이 각각 27 N, 18 N (표 1 의 비교예 10) 인 것을 고려하여, 그것과 동등 이상의 내열피로성을 갖도록, 온도 사이클 후의 접합 강도는, 평균 30 N, 또한 최소값이 20 N 이상을 합격으로 한다. 실시예의 땜납 합금은 모두 합격이었다.

3) 보이드 발생

Sn-3 Ag-0.5 Cu 합금에서는 보이드가 45 개이다. 보이드 저감을 목적으로 하여 개발된 Sn-1 Ag-0.7 Cu 합금이나 Sn-0.3 Ag-0.7 Cu 합금에서는 보이드가 30 전후이다. 따라서, 보이드가 25 개 이내이면, 보이드 저감 효과는 충분하다. 본 발명에 관련된 납프리 땜납 합금은 보이드 발생에 관해서도 충분히 만족할 수 있는 결과를 나타냈다.

4) 수축공 시험

도 1 은, 수축공 시험에 있어서의 본 발명에 관련된 땜납 합금의 표면을, 도 2 는, 수축공 길이가 긴 비교예의 땜납 합금의 표면을 나타낸다. 도 1 의 땜납 합금에서는, 표면이 거의 완만하고, 수축공도 매우 폭이 작다. 한편, 도 2 의 비교예의 땜납 합금에서는, 표면이 보다 거칠고, 큰 균열로 보이는 패임이 발생되었다. 이것이 수축공이다. 상기 서술한 바와 같이, 수축공 길이가 1 ㎜ 이하이면, 실사용상 문제 없고, 본 발명에 관련된 땜납 합금은 모두 이 조건을 만족하였다. 즉, 수축공이나 표면의 미세 요철에 관해서, 종래의 Sn-Ag-Cu 땜납에 비해 현저한 개선이 달성되었다.

본 발명의 Sn-Bi-Ag-Cu 계 납프리 땜납은, 고상선 온도와 액상선 온도의 차이가 적고, 현재 일반적으로 사용되고 있는 Sn-3.0 % Ag-0.5 % Cu 의 리플로우 조건 (피크 온도 218 ℃) 을 이용해도, 220 ℃ 에서의 용해량이 50 % 를 초과하므로, 대용이 가능하다. 현재의 납프리용 전자 부품은, Sn-3.0 % Ag-0.5 % Cu 를 기초로 내열성이 설계되어 있으므로, 본 발명의 땜납 합금은, 현재 사용되고 있는 전자 부품을, 설계 변경하지 않고 그대로 납땜에 사용할 수 있다.

또한, 수축공, 내온도 사이클 및 보이드 발생의 결과도 양호하여, 본 발명의 납프리 땜납 합금은 높은 신뢰성을 갖고 있는 것을 알 수 있다.

Claims

질량% 로 Ag : 0.1∼1.5 %, Bi : 2.5∼5.0 %, Cu : 0.5∼1.0 %, Ni : 0∼0.035 %, Ge 및 Ga 의 1 종 혹은 2 종 : 0∼0.01 %, 잔부가 Sn 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 납프리 땜납 합금.
제 1 항에 있어서,
Ni 를 0.015∼0.035 % 함유하는 땜납 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
Ge 및 Ga 의 1 종 또는 2 종을 합계로 0.0005∼0.01 % 함유하는 땜납 합금.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금의 분말과 플럭스의 혼합물로 이루어지는 납프리 솔더 페이스트.
제 4 항에 기재된 솔더 페이스트를 사용하는 것을 특징으로 하는 프린트 기판의 납땜 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 납프리 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 접합부.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 납프리 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 볼.