KR20120015147A - 저융점 무연 솔더 조성물 - Google Patents

저융점 무연 솔더 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저융점 무연 솔더 조성물에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 설명하면, 주석(Sn), 인듐(In), 비스무스(Bi) 및 구리(Cu)을 포함하는 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 무연 솔더 조성물은 납을 사용하지 않아 친환경적이면서도 저융점을 가지며 젖음성, 기계적 특성 및 신뢰성이 우수하다.

Description

저융점 무연 솔더 조성물{Lead-free Solder composition having low melting point}
본 발명은 저융점 무연 솔더(solder) 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인쇄 회로기판 등의 전자 기판에 납땜하는데 특히 유용한 솔더 조성물에 관한 것으로서 납을 사용하지 않으면서도 기계적 특성이 우수하고 저융점을 갖는 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.
종래에는 전자산업에 적용되는 전형적인 땜납은 주석-납의 합금을 사용하여 왔는데, 납은 합금의 젖음성, 강도, 기계적 특성을 결정하는 성분으로 작용하여 왔으며, 특히 납이 포함됨으로써 융점이 183℃까지 낮출 수 있어서, 전자부품과 반도체 공정의 솔더링(soldering) 공정시 발생하는 열적 손상(damage)를 방지할 수 있었다. 그러나, 유해물질에 대한 국제규제정책으로 인하여 납의 사용이 금지되어 대체 재료가 필요하다. 즉, 납이 포함되지 않은 무연 솔더가 필요한 실정이었다.
주석-납의 합금의 대체 재료로 현재 사용되는 무연 솔더는 작업 온도(융점)가 높아 전자제품 및 반도체 장치에 손상을 줄 수 있으며, 젖음성이 부족할 뿐만 아니라 기계적 특성이 떨어져서 신뢰성이 부족한 실정이다.
따라서, 융점이 주석-납의 합금과 유사한 수준이거나 저온 솔더링이 가능한 수준이고, 젖음성 및 기계적 특성이 우수한 새로운 무연 솔더 재료에 대한 개발이 더욱 요청되는 실정이다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 납을 사용하지 않으면서도 저융점을 가지며 젖음성, 기계적 특성 및 신뢰성이 우수한 새로운 저융점 무연 솔더 조성물을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 주석(Sn), 인듐(In), 비스무스(Bi) 및 구리(Cu)를 포함하는 저융점 무연 솔더 조성물 및 이들의 최적의 조성비를 제공한다.
본 발명의 무연 솔더 조성물을 사용할 경우, 납을 사용하지 않아 친환경적이면서도, 저융점을 가지며 젖음성, 기계적 특성 및 신뢰성이 우수하다.
도 1의 A 및 B 각각은 실시예에서 사용한 무연 솔더 합금의 젖음성 특성 변화 및 융점 변화를 측정한 기기이다.
도 2는 실시예 1 ~ 2, 실시예 4 및 비교예 1에서 제조한 무연 솔더 합금의 젖음성 특성 변화 측정 결과이다.
도 3은 실시예 1 ~ 2, 실시예 5 및 비교예 1에서 제조한 무연 솔더 합금의 융점 변화 측정 결과이다.
도 4는 실시예 6 ~ 9 및 비교예 2에서 제조한 무연 솔더 합금의 접착력 측정 결과이다.
도 5는 실시예 10 ~ 13 및 비교예 3 ~ 4에서 제조한 무연 솔더 합금의 융점 변화 측정 결과이다.
본 발명은 주석(Sn), 인듐(In), 비스무스(Bi) 및 구리(Cu)을 포함하는 저융점 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명의 저융점 무연 솔더 조성물은 주석 70 ~ 90 중량%, 인듐 5 ~ 20 중량%, 비스무스 3 ~ 10 중량% 및 구리 0.1 ~ 2 중량%를 포함하고 있다.
상기 인듐은 열피로 저항성이 우수하고 솔더의 유동성을 증가시켜 납땜성을 향상시키는 역할을 하며, 본 발명은 다량의 인듐을 첨가함으로써, 솔더의 젖음성을 향상시킬 수 있고, 동시에 납이 포함된 종래의 주석(Sn)-납(Pb)계 솔더와 유사한 온도에서도 솔더링이 가능하다. 즉, 저온 솔더링이 가능하도록 융점을 낮추어 접합 모재가 되는 전자부품의 열충격으로 인한 손상을 최소화 할 수 있다. 또한, 솔더링(soldering)으로 하여금 접합된 구조물 사이의 열팽창계수가 불일치할 경우 이를 수용할 수 있게 하는 척도가 되는 연성을 증가시켜 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 무연 솔더 조성물 총 중량 중 상기 인듐의 함량은 5 ~ 20중량%인 것이, 더욱 바람직하게는 10 ~ 15 중량%인 것이 좋다. 이때, 조성물 총 중량 중 인듐이 5 중량% 미만인 경우, 비스무스의 첨가로 인해 생긴 취성을 감소시키기 힘들고, 융점 감소 효과가 미약하며, 20 중량% 초과하여 첨가하더라도, 그 사용량 증가로 인한 융점 감소 효과가 없는 바, 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 있어서, 상기 비스무스는 주석의 융점을 하강시키는 역할을 수행하는데, 상기 비스무스는 무연 솔더 조성물 총 중량 중 3 ~ 10 중량%를, 더욱 바람직하게는 4 ~ 7 중량%를 사용하는 것이 좋다. 이때, 비스무스의 함량이 3 중량% 미만이면, 주석의 융점을 하강시키지 못할 수 있고, 젖음성을 향상시키는 효과가 거의 없을 수 있으며, 비스무스 함량이 10 중량%를 초과하면 공정온도 범위에서 벗어나기 때문에 취성과 응고범위 증가가 나타나 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있을 뿐만 아니라 젖음성이 오히려 좋지 않은 문제가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 구리는 무연 솔더 조성물 총 중량 중 0.1 ~ 2 중량%를 사용하는 것이 바람직한데, 이때, 구리를 2 중량%를 초과하여 사용하는 경우, 액상선 온도와 고상선 온도가 벌어져서 고상, 액상 공존영역이 증가하고 Cu6Sn5상의 분율이 증가하여 솔더 합금의 기계적 특성을 지나치게 강하게 하며 계면 반응층의 성장 속도를 증가시키는 단점이 있다.
또한, 상기 주석은 무연 솔더 조성물 총 중량 중 75 ~ 90 중량%로 포함하고 있으며, 주석의 함유량은 다른 성분의 함유량에 의해 상대적으로 정해지게 된다.
앞서 설명한 본 발명의 무연 솔더 조성물은 액상선 온도의 강하를 위하여 은(Ag)을 더 포함할 수 있으며, 이때, 은의 함량이 주석(Sn), 인듐(In), 비스무스(Bi) 및 구리(Cu)을 포함하는 상기 저융점 무연 솔더 조성물 100 중량부에 대하여 1 ~ 5 중량부가 되도록, 더욱 바람직하게는 1 ~ 3.5 중량부가 되도록 사용하는 것이 좋다. 여기서, 은의 함량이 1 중량부 미만이면, 솔더의 융점을 낮추는 효과가 없을 수 있으며, 5 중량부를 초과하여 사용하는 경우, 액상선 온도의 강하가 거의 이루어 지지 않고 원가 절감을 저해하는 단점이 있다.
그리고, 본 발명의 무연 솔더 조성물은 기계적 특성이 우수하나 기계적 특성을 더욱 강화하기 위해 선택적으로 안티몬, 갈륨 및 인 중에서 선택된 1 종 이상의 금속을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 무연 솔더 조성물로 제조한 무연 솔더는 합금의 형태일 수 있다.
본 발명의 무연 솔더 조성물을 사용하여 집적회로 칩을 회로화된 기판에 전기적으로 접속시키는 방법으로는 웨이브 솔더링 부착법, 전착법 또는 솔더링 페이스트로서 적용될 수도 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명을 한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1 ~ 5 및 비교예 1
하기 표1의 조성을 갖는 시료를 사용하여 무연 솔더 합금을 제조하였으며, 제조한 무연 솔더 합금의 젖음성 특성 변화 및 융점 변화를 측정하여 그 결과를 도 2과 도 3에 각각 나타내었다.
상기 젖음성 특성 변화 측정은 Wetting balance 시험법으로 일반적으로 통용되는 wetting balance 시험법으로서, 이러한 시험방법은 일본전자기계공업회규격인 EIAJ ET-7404,26) IEC 600068-2-54, MIL-STD883C, KS C0236 등에 소개되어 있으며 Meniscograph법이라 부르기도 한다. 이 방법은 일정크기의 솔더를 용탕(bath)속에 넣고 규정 온도로 가열한 후 구리쿠폰 등을 침지시켜, 시험편에 가해지는 부력과 젖음력을 측정하여 작용력 대 시간곡선을 해석함으로서 젖음성을 평가하는 방법으로 solder checker : SAT-5000를 이용하여 측정하였으며, 실험에 사용한 기기는 도 1의 A에 나타내었다.
솔더볼의 융점은 솔더부의 접합신뢰성과 밀접한 관계가 있는데, 상기 융점 변화 측정은melting point 방법으로 DSC(differential scanning calorimeter) 이용하여 측정하였으며, 실험에 사용한 기기는 도 1의 B에 나타내었다.
구분
(단위:중량%)		 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1
주석(Sn) 81 79 77 76 74 83
인듐(In) 15 15 15 15 15 15
비스무스(Bi) 3 5 7 8 10 1
구리(Cu) 1 1 1 1 1 1
도 2의 젖음성(Zero-cross Time) 특성 변화 및 도 3의 융점 변화를 살펴보면, 비스무스를 3중량% 미만인 1 중량% 포함하고 있는 무연 솔더 합금의 경우, Zero-cross Time이 0.65 sec 이상으로 너무 높을 뿐만 아니라, 융점이 245 ~ 250℃ 너무 높았다.
그리고, 도 2의 젖음성 특성 변화를 살펴보면, 비스무스 함량의 증가에 따라 Zero-cross Time이 낮아지다가, 비스무스 함량 5 중량%를 기점으로 Zero-cross Time이 다시 높아지는 경향을 보였다. 따라서, 무연 솔더 합금의 Zero-cross Time이 0.5 sec이하 범위가 되도록 비스무스를 3 ~ 10 중량% 범위 내에서 포함하는 것이 바람직함을 확인하였다.
실시예 6 ~ 9 및 비교예 2
하기 표 2의 조성을 갖는 시료를 사용하여 무연 솔더 합금을 제조하여, 제조한 무연 솔더 합금의 접착력 측정 실험을 접합강도 측정방법에 의거하여, 실시하였으며, bonding tester(Rhesca Co. Ltd., PTR-1000)를 이용하여 평가하였고, 그 결과는 도 4에 나타내었다.
구분
(단위:중량%)		 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 비교예 2
주석(Sn) 89 84 79 74 85
인듐(In) 5 10 15 20 -
비스무스(Bi) 5 5 5 5 -
구리(Cu) 1 1 1 1 -
납(Pb) - - - - 15
도 4의 접착력 측정 실험 결과를 살펴보면, 인듐의 함유량 5중량% ~ 20 중량% 범위일 때, 12 mN 이상의 높은 접착력을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 기존의 주석-인듐의 2계 무연 솔더 합금인 비교예 2의 경우, 6 mN 이하의 매우 낮은 접착력을 보였다.
실시예 10 ~ 13 및 비교예 3 ~ 4
상기 실시예 7의 무연 솔더 조성물 100 중량부에 대하여 은(Ag)을 하기 표 3과 같은 양으로 첨가하여, 무연 솔더 합금을 제조한 후, 융점 변화를 측정하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
구분 실시예 10 실시예 11 실시예 12 실시예 13 비교예 3 비교예 4
은(Ag) 1 중량부 2 중량부 3 중량부 5 중량부 - 7 중량부
도 5의 실험결과를 살펴보면, 은을 함유하지 않는 비교예 3의 경우, 융점의 변화가 없으나, 은을 첨가한 실시예 10 ~ 13의 경우, 비교예 3 보다 융점이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 은을 5 중량부를 초과하여, 7 중량부를 첨가한 비교예 4의 경우, 추가적인 융점 저하 효과가 거의 없는 바, 본 발명이 제시하는 범위 내에서 은을 첨가하는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.
앞서 실시한 실시예를 통하여, 본 발명의 무연 솔더 조성물은 융점이 낮을 뿐만 아니라, 접착력 및 기계적 물성이 좋기 때문에 솔더링성이 우수함을 확인할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 주석(Sn), 인듐(In) 비스무스(Bi) 및 구리(Cu)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 저융점 무연 솔더 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 주석 70 ~ 90 중량%, 인듐 5 ~ 20 중량%, 비스무스 3 ~ 10 중량% 및 구리 0.1 ~ 2 중량%를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 저융점 무연 솔더 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서, 은(Ag), 안티몬(Sb), 갈륨(Ga) 및 인(P)중에서 선택된 1 종 이상을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 저융점 무연 솔더 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서, 주석, 인듐, 비스무스 및 구리를 포함하는 상기 조성물 100 중량비에 대하여, 은(Ag) 1 ~ 5 중량비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저융점 무연 솔더 조성물.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중에서 선택된 상기 조성물로 제조된 것을 특징으로 하는 저융점 무연 솔더 합금.
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