KR20150037426A - 무연솔더 페이스트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In의 합금 금속을 포함하고, 상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%인 무연솔더 페이스트에 관한 것으로, 본 발명에 의할 경우 납 사용 금지에 관한 친환경적 국제규격을 만족시키며 접합부의 강도를 향상시키고 저하율을 최소화하며 이에 따른 자동차 전장품 등의 장기 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

무연솔더 페이스트{LEAD-FREE SOLDER PASTE}

본 발명은 무연솔더 페이스트에 관한 것으로, 보다 구체적으로 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In의 합금 금속을 포함하고, 상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%인 무연솔더 페이스트에 관한 것이다.

전자기기는 전자 부품을 프린트 기판 등의 회로 상에 배치하여 특정한 기능을 갖게 한 것으로, 전자 부품과 프린트 기판 등의 회로 접합에는 낮은 온도에서 접합할 수 있고 저렴하고 접합 신뢰성도 높아서 예로부터 솔더(solder, 땜납)가 사용되어 왔다.

종래에 솔더링에 사용되던 솔더 합금은 납(Pb)과 주석(Sn)의 합금이었다. 이 Pb-Sn 합금의 솔더는 대부분 Pb-63%Sn의 공정 조성이고, 융점은 183℃로서 전자부품을 열적으로 손상시키지 않고 BGA의 전극이나 인쇄회로기판의 랜드에 대한 젖음성이 우수하기 때문에 솔더링 불량도 적은 특징이 있다.

그러나, 이러한 Pb-Sn 솔더 합금은 이 솔더 합금이 사용된 전자기기가 폐기될 경우 솔더 속의 납 성분으로 인해 환경오염의 원인이 되어 납 성분에 대한 규제가 강화됨에 따라 더 이상 사용되기 어렵게 되었다.

따라서, 최근에는 Pb를 함유하지 않는 무연솔더를 사용하고 있다. 관련 기술로서 특허출원 제10-2006-0099218호에서 Sn-Ag-Cu 3원계 무연솔더 합금에 란탄, 세륨 등을 혼합하는 5원계 합금을, 특허출원 제10-2007-0059517호에서 주석, 은 및 비스무스를 포함하는 무연솔더 등을 개시하고 있다.

그러나, 솔더 조성 개발시 솔더링 후 응고 과정에서의 외부 충격에 의한 결함 발생 방지를 위해 액상선과 고상선의 범위가 없거나 짧은 공융(Eutectic) 조성을 선정하는 것이 중요하다.

이에 최근에는, 도 1과 같이, Sn-Ag계에 Cu를 첨가한 무연 솔더 중 Sn-3Ag-0.5Cu가 납땜성, 접합강도 및 내열피로 특성이 우수하여 많은 전자기기의 솔더링 및, BGA 범프나 볼을 형성하기 위한 솔더 합금으로 널리 사용되고 있다.

그러나, 상기 Sn-3Ag-0.5Cu 무연솔더는 217~219℃의 높은 융점을 지니기 때문에, 고온에서 솔더링이 진행되어야 해서 전자부품의 열손상을 초래하는 문제점이 있다. 또한, 열싸이클 시험 후 솔더의 피로 노화 및 기판과 솔더 계면의 금속간 화합물 성장에 의해 접합강도가 50% 이상 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하여 최근 급증하는 IT 전장품 및 전자제품 PCB에의 회로부품 접합 무연솔더 페이스트에 관한 니즈를 충족시키는 발명 개발이 절실한 실정이나 이에 관하여 개시된 바를 거의 찾아볼 수가 없다.

이에 본 발명자는 이를 개선하기 위해 예의 노력을 계속하던 중, 기존의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성에 Bi, In 금속을 일정 비율로 추가함으로써, 솔더 접합부 강도 향상, 열싸이클 시험 후 접합강도 저하율 최소화 및, 자동차 전장품의 장기 신뢰성 향상 등의 효과를 지니는 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 무연솔더 접합부의 강도를 향상시키고 열싸이클 시험 후 접합강도 저하율을 최소화하는 친환경 무연솔더 페이스트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자동차 전장품 등의 장기 신뢰성을 향상시키는, 무연솔더 페이스트를 활용한 무연솔더 접합부, 인쇄회로기판 및 전자기기에 관한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 하나의 관점은 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In의 합금 금속을 포함하고, 상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%인 무연솔더 페이스트에 관한 것이다.

구체예에서, 상기 무연솔더 페이스트는, 2.5 내지 3.5wt%의 Ag, 0.3 내지 0.7wt%의 Cu 및 89 내지 93 wt%의 Sn을 함유할 수 있다.

구체예에서, 상기 무연솔더 페이스트는 하기 식 1에 의한 강도 저하율이 40% 미만일 수 있다 :

[식 1]

(S0-S1)/S0 * 100

(상기 식 1에서, S0는 초기 접합강도, S1는 -40~150℃에서 1000회 열사이클 후 접합강도임).

본 발명의 다른 하나의 관점은 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In을 포함하는 금속을 용융하여 합금 금속을 제조하고, 상기 합금 금속을 분말로 제조한 후 플럭스를 혼합하여 무연솔더 페이스트를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%인 무연솔더 페이스트의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 하나의 관점은, 상기 무연솔더 페이스트를 사용하여 형성된 무연솔더 접합부에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 하나의 관점은, 상기 무연솔더 접합부를 갖는 인쇄회로기판에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 하나의 관점은, 상기 인쇄회로기판을 포함하는 전자기기에 관한 것이다.

본 발명에 의한 무연솔더 페이스트는 납 사용 금지에 관한 국제규격을 만족시키는 친환경적 물질로써, 접합부의 강도를 향상시키고 저하율을 최소화하며 이에 따른 자동차 전장품 등의 장기 신뢰성을 향상시키는 효과를 지니고 있다.

도 1은 종래에 솔더 조성시 널리 활용되던 Sn-Ag-Cu 3원계 공융(Eutectic) 조성 상태도이다.
도 2는 열충격 시험 결과를 1 cycle에서의 온도 프로파일(temperature profile)로 나타낸 그래프이다 ((a)10분간 유지, (b)온도변화속도: 최소 8℃/분).
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 시료의 무연솔더 접합부 이미지를 나타내는 모식도이다.
도 4는 무연솔더 접합부의 접합강도 시험방법을 (A)측면과 (B)상면에서 각 이미지로 나타낸 모식도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다.

또한, 설명의 편의를 위하여 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 구성요소의 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1” 또는 “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니된다. 예를들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수도 있다.

또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

무연솔더 페이스트

본 발명의 하나의 관점인 무연솔더 페이스트는 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In의 합금 금속을 포함하고, 상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%이다.

도 1을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명에 의한 무연솔더 페이스트는, 솔더링 합금으로서 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi) 및 인듐(In)을 혼합하여 사용한다.

본 발명에서, 솔더링(soldering, 납땜)은 450℃ 이하의 융점을 가지는 솔더(solder, 땜납)을 이용하여 접합하고자 하는 피접합 재료를 접합시키는 기술로서, 모재는 녹이지 않고 솔더만 녹여 접합시키는 기술이다.

전자 기기에 사용되는 전자 부품에는 부품 리드 등의 프린트 기판에 접합시킬 단자가 필요한 바, 부품 본래의 기능을 완수하는 부품 소자와 부품 리드 등의 단자를 전자 부품 내부에서 접합시키는 지점에 솔더링이 사용되고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 공융조성을 통한 무연 솔더는 높은 융점으로 인해 솔더링시 전자부품의 열손상을 초래하게 되고, 또한, 열싸이클 시험 후 솔더의 피로 노화 및, 기판과 솔더 계면의 금속간 화합물 성장에 의해 접합강도가 50% 이상 저하되는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명에 의한 솔더 페이스트는, 후술되는 표 2에 나타난 바와 같이, 초기 접합강도가 기존 조성 대비 최대 43%까지 향상되고 열싸이클 시험 후 접합강도 저하율이 최대 1000%까지 향상될 수 있는 장점이 있다.

이는 납이 환경오염 및 인체에 치명적인 악영향을 미친다는 이유로 사용이 제한된 결과 그간 개발된 무연솔더가 솔더링 접합성을 만족하면서 종래의 유연솔더(Sn37Pb)의 접합강도를 만족할 수 없기 때문에 대부분의 무연솔더는 Sn에 Cu, Ag, Zn, Bi, In 등을 소량 첨가하여 이를 구현하고 있으나 더 이상 그 개발이 진전되지 않았고, 따라서 본 발명과 같이 Sn, Ag, Cu 이외에, Bi 및 In을 일정 중량 비율로 더 포함함으로써 무연솔더의 탁월한 접합강도를 도모하게 된 것이다.

구체예에서, 상기 무연솔더 페이스트에서 상기 Bi(비스무스)의 함량은 3.0 내지 5.0wt%, 인듐(In)은 1.0 내지 3.0wt%이다. 이는 기존의 Sn, Ag 및 Cu 3원계 솔더에 Bi, In이 고용됨으로써 전위(Dislocation) 이동을 방해하여 강도를 향상시키는 고용강화 및 강도 향상 메커니즘에 의한 것이다.

상기 Bi 함유량이 3% 미만인 경우 고용강화 효과가 미비하여 무연솔더 합금의 기계적특성 향상이 미비하며, Bi 함유량이 5% 초과인 경우 Bi의 Brittle한 특성에 의해 무연솔더 합금의 연신률이 떨어져 내열충격성이 저하하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 상기 In 함유량이 1% 미만인 경우 고용강화 효과가 미비하고 무연솔더 합금의 내열충격성이 오히려 저하되며, In 함유량이 3% 초과인 경우 무연솔더 합금의 인장강도를 저하시키기 때문에 바람직하지 않고, 아울러 In 함유량이 3%보다 많은 무연솔더 조성을 적용한 페이스트의 경우 실장부품 주변에 솔더볼 발생률을 증가시키기 때문에 바람직하지 않다.

구체예에서, 상기 무연솔더 페이스트는, 2.5 내지 3.5wt%의 Ag, 0.3 내지 0.7wt%의 Cu, 89 내지 93 wt%의 Sn, 3.0 내지 5.0wt%의 Bi, 1.0 내지 3.0wt%의 In을 함유할 수 있다.

구체예에서, 상기 은(Ag)의 함량은, 2.5 내지 3.5wt%, 바람직하게는 2.8 내지 3.2wt%, 더욱 바람직하게는 3.0wt%일 수 있고, 또한, 구리(Cu)의 함량은, 0.3 내지 0.7wt%, 바람직하게는 0.4 내지 0.6wt%, 더욱 바람직하게는 0.5wt%일 수 있다.

상기 중량 조건 범위에서, 상기 무연솔더 페이스트를 사용하여 형성된 무연솔더 접합부의 열충격 내성 및 낙하 내성이 현저하게 향상될 수 있고 용융 온도 저하에 의한 무연솔더 페이스트의 리플로우성이 개선될 수 있으며 접합강도 저하율을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 주석(Sn)은 상기 합금 금속 전체 중량 기준 89 내지 93wt%로 포함하고 있으며, 이러한 주석의 함유량은 다른 금속 성분의 함유량에 의해 상대적으로 정해지게 된다.

구체예에서, 상기 무연솔더 페이스트는 하기 식 1에 의한 강도 저하율이 40% 미만일 수 있다 :

[식 1]

(S0-S1)/S0 * 100

(상기 식 1에서, S0는 초기 접합강도, S1는 -40~150℃에서 1000회 열사이클 후 접합강도임)

본 발명에서 상기 무연솔더 페이스트에 관한 식 1은, 후술되는 도 4와 같이, 접합강도 시험 측정장치를 기판상에 솔더 페이스트와 칩간에 지지되는 공간에 일정 힘을 가하여 그 결과를 측정한 것으로, 이를 통해 본원발명에 의할 경우 초기 접합강도는 기존 조성대비 최대 43%까지 향상시킬 수 있고 또한 -40 내지 150℃에서 1000번의 열싸이클 시험 후 접합강도 저하율은 기존 조성대비 최대 1000% 향상시킬 수 있는 등 현저한 효과를 지니고 있음을 알 수 있다 (표 2 참조).

또한, 본 발명은 한 구체예에서, 상기 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In 금속 분말 이외에 플럭스를 더 포함할 수 있다.

상기 플럭스는 솔더링하고자 하는 모재 표면의 오염물이나 산화막과 반응하여 이를 제거하고 금속 산화물과 반응하는 동안 형성된 금속염을 제거하며 모재 표면이나 솔더 표면에 공기 차단막을 형성하여 산화를 방지하고 솔더링이 진행되는 동안 가해지는 열이 골고루 퍼지도록 하고 솔더와 모재면 사이의 표면장력을 줄여서 솔더링성(solderability)을 좋게하는 역할 등을 한다.

이러한 플럭스로는 본 발명의 한 구체예에 따른 무연솔더 페이스트에 적합한 것이라면 특별히 제안없이 사용 가능하다. 구체예로는, 로진(rosin, 송진)을 주성분으로 한 로진계 플럭스, 로진계 플럭스 외에, 유기산 또는 아민, 아민 할로겐 염을 활성제로 첨가한 수용성 플럭스를 사용하기도 한다. 로진계 플럭스는 대체 프레온, 디에틸렌 글리콜 헥실 에테르와 같은 탄화 수소계와 같은 극성이 작은 세정용매를 사용하여 세정을 하며, 수용성 플럭스는 알콜류나 물과 같이 극성이 큰 용매를 세정 용매로 사용한다.

본 발명에서는 플럭스로써 로진계 플럭스가 사용되었다.

또한, 한 구체예에서, 상기 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In 금속 분말 대 플럭스의 중량비는, 88 : 12 내지 90 : 10 일 수 있다.

중량비가 상기 조건 범위를 만족하는 경우, 플럭스 함유량이 많아지므로 해서 솔더링성이 향상되고, 기판 표면의 플럭스 잔사가 적게 나타나므로 표면이 깨끗한 장점을 가질 수 있다.

또한, 한 구체예에서, 상기 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In 금속 분말의 평균 입경은 20㎛ 내지 38㎛ 일 수 있다.

평균입경이 상기 범위를 만족하는 경우, 입경이 너무 작아져서 제조시에 발생하는 산화 문제를 방지할 수 있고, 점차 기판과 표면 실장 부품이 소형화 되고 배선 피치가 좁아지는 경향에 맞추어 효과적인 솔더링이 가능할 수 있다.

무연솔더 페이스트의 제조방법

본 발명의 다른 하나의 관점인, 무연솔더 페이스트의 제조방법은 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In을 포함하는 금속을 용융하여 합금 금속을 제조하고, 상기 합금 금속을 20㎛ 내지 38㎛의 평균입경을 갖는 분말로 제조한 후 플럭스를 혼합하여 무연솔더 페이스트를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%이다.

상기 합금 금속을 균일하게 제조한 후 용융된 무연솔더 합금을 분말 제조장치에 투입하여 분말 형태로 제조하고 그 뒤 플럭스를 혼합하여 페이스트 형태로 제작하여 사용하면, 열충격 및 접합강도 저하율 등의 물성 측정을 용이하게 할 수 있다.

상기 중량비는 Sn, Ag, Cu, Bi 및 In 금속 분말의 합금 금속 전체 중량 기준 상대적인 wt%비를 설정한 것이다.

본 발명에서 상기 합금 금속은 400 내지 600℃에서 용융할 수 있다.

한 구체예에서, 상기 무연솔더 페이스트의 전체적인 용융 온도는 197 내지 210℃가 되고, 무연솔더 페이스트를 이용한 솔더링 작업 온도는 240 내지 250℃가 될 수 있다. 상기 온도 범위에서 기존 발명과 대비하여 접합강도 저하율을 크게 향상시킬 수 있고 이에 따른 자동차 전장품 등에의 장기 신뢰성을 증대시킬 수 있다.

또한 전술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 제조방법에 의해 제조된 무연솔더 페이스트는 합금의 형태일 수 있다.

무연솔더 접합부, 인쇄회로기판 및 전자기기

본 발명의 다른 하나의 관점은, 상기 무연솔더 페이스트를 사용하여 형성된 무연솔더 접합부, 인쇄회로기판 및 전자기기에 관한 것이다.

본 발명에 의한 전자기기는 예로서 컴퓨터, 노트북, PDA, 휴대전화, 디지털 카메라, MP3 플레이어, 텔레비전 및 게임기 등 일상에서 활용되는 기기를 의미하나, 전자적 장치로 활용되는 것이라면 그 범위가 이에 제한되지 않는다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 한 구체예에 의한 무연솔더 접합부(110)는 인쇄회로기판(120)과 칩 저항(100)간을 연결하여 지지하는 구성을 띈다. 여기서, 도면에 명시되지는 않았지만 인쇄회로기판(120)과 적층 세라믹 커패시터 등의 전자부품은 무연솔더 접합부(110)를 통하여 전기적으로 접합되어 있다.

이때 무연솔더 접합부(110)는 인쇄회로기판(120)상에 무연솔더 페이스트를 도포한 후 상기 무연솔더 페이스트상에 전자부품을 탑재하고 그후 소정 온도에서 가열처리를 행하면 상기 무연솔더 접합부(110)가 형성된다. 즉, 인쇄회로기판(120)과 전자부품은 무연솔더 접합부(110)을 통하여 접합되고 전기적으로 접속되며 이에 의해 전자기기가 제조되는 것이다.

따라서, 상기 본 발명에 의한 무연솔더 페이스트를 함유하는 무연솔더 접합부, 이를 포함하는 인쇄회로기판 및 전자기기는 납 사용 금지에 관한 친환경적 국제규격을 만족시키며 접합부의 강도를 향상시키고 저하율을 최소화하며 이에 따른 자동차 전장품 등의 장기 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

이하에서 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세히 설명하지만 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1

하기 표 1의 조성 및 배율과 같이 99.9% 순도의 주석(Sn), 은(Ag), 및 구리(Cu), 비스무스(Bi) 및 인듐(In)을 균일하게 자른 후 에탄올을 이용하여 세척하였다.

이후 상기 세척된 금속 분말들을 중량비(1kg 기준으로 각 중량(wt)%비로 첨가)에 따라 삽입하였고, 그 뒤 500℃에서 교반 상태를 유지하여 본원발명의 무연솔더 합금을 수득하였다.

이후 상기 제조된 무연솔더 합금을 이용하여 분말을 제조한 후 10 내지 12wt%의 플럭스와 혼합하여 무연솔더 페이스트를 수득하였다.

실시예 2 내지 5

하기 표 1의 조성 및 배율로 제조한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 무연솔더 페이스트를 제조하였다.

비교예 1

하기 표 1의 조성 및 배율로 제조한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 무연솔더 페이스트를 제조하였다.

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교예1
Sn	90.5	90.5	90.5	91.0	89.5	96.5
Ag	3.0	3.0	3.0	3.0	3.0	3.0
Cu	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
Bi	3.0	4.0	5.0	5.0	5.0	-
In	3.0	2.0	1.0	2.0	3.0	-

(단위: 중량%)

무연솔더 페이스트의 물성 측정

열충격 시험

본 발명에 의한 무연솔더 페이스트의 열충격 성능을 시험하기 위해 ESPEC社의 열충격시험 장치(TSA-71L-A)를 이용하여, -40~150℃ 조건하에서 도 2와 같은 온도프로파일 조건으로 실험을 수행하였다.

접합강도 시험

본 발명에 의한 무연솔더 페이스트의 접합강도 저하율을 시험하기 위해 Dage社의 접합강도시험 장치(Dage4000)를 이용하여 상온(20~25℃)에서 실험을 수행하였다.

보다 구체적으로 도 4에 도시된 바와 같이, 접합강도 시험 측정장치(140)를 기판(130)상에 무연솔더 페이스트(111)와 칩(101)간에 지지되는 공간에 H=0.2mm의 높이에서 Push되는 힘(150) 5mm/분의 시험속도로 가하여 (A)측면 및 (B)상면에서 각각 그 결과를 관측하였다.

물성 측정 결과

열충격 시험결과

본 발명에 의한 무연솔더 페이스트의 열충격 성능 시험결과, 도 2의 온도 프로파일과 같이 -40℃에서 최저값을 지니며 10분간 유지되고 150℃에서 최대값을 지니며 10분간 유지되며(도 2의 (a)), 또한 최고값에서 최저값으로 온도가 하강하거나 최저값에서 최고값으로 온도가 상승시 그 온도 변화는 최소 8℃/분의 속도를 유지함을 알 수 있다 (도 2의 (b)).

이러한 온도변화는 -40 내지 150℃에서 1000번의 열싸이클 시험을 통해 수득한 것으로, 이를 통해 본원발명의 무연솔더 페이스트가 (A) 초기 조건과 대비하여 (B) -40 내지 150℃에서 1000번의 열싸이클 시험을 수행한 후 접합강도 저하율의 변화가 현저함을 확인할 수 있었다.

접합강도 시험결과

본 발명에 의한 접합강도 시험을 수행한 결과, 본 발명에 의한 무연솔더 페이스트는 하기 표 2와 같이, 초기 접합강도는 기존 조성대비 최대 43%까지 향상시킬 수 있고 또한 -40 내지 150℃에서 1000번의 열싸이클 시험 후 접합강도 저하율은 기존 조성대비 최대 1000% 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

	초기 (N)	-40~150℃, 1000cyc 후 (N)	접합강도 저하율(%)
비교예 1	49.1	23.3	52.5
실시예 1	66.9	42.9	35.9
실시예 2	83.9	51.7	38.4
실시예 3	53.2	40.6	23.7
실시예 4	51.6	48.9	5.2
실시예 5	70.5	47.9	32.1

이상 살펴본 바와 같이, 상기 본 발명에 의한 무연솔더 페이스트 및 이를 함유하는 무연솔더 접합부, 인쇄회로기판 및 전자기기는 납 사용 금지에 관한 친환경적 국제규격을 만족시키며 접합부의 강도를 현저히 향상시키고 저하율을 최소화하며 이에 따른 자동차 전장품 등의 장기 신뢰성을 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있다 (표 2 참조).

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 칩(Chip) 저항, 101 : 칩(Chip)
110 : 무연솔더 접합부, 111 : 무연솔더 페이스트
120 : 인쇄회로기판(PCB), 130 : 기판
140 : 접합강도 측정장치, 150 : 미는 힘(Push)

Claims (7)

1. Sn, Ag, Cu, Bi 및 In의 합금 금속을 포함하고,
   상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%인 무연솔더 페이스트.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 무연솔더 페이스트는, 2.5 내지 3.5wt%의 Ag, 0.3 내지 0.7wt%의 Cu 및 89 내지 93 wt%의 Sn을 함유하는 것을 특징으로 하는 무연솔더 페이스트.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 무연솔더 페이스트는 하기 식 1에 의한 강도 저하율이 40% 미만인 것을 특징으로 하는 무연솔더 페이스트 :
   [식 1]
   (S0-S1)/S0 * 100
   (상기 식 1에서, S0는 초기 접합강도, S1는 -40~150℃에서 1000회 열사이클 후 접합강도임)
   
4. Sn, Ag, Cu, Bi 및 In을 포함하는 금속을 용융하여 합금 금속을 제조하고,
   상기 합금 금속을 분말로 제조한 후 플럭스를 혼합하여 무연솔더 페이스트를 형성하는 단계;를 포함하고,
   상기 합금 금속 전체 중량 기준 상기 Bi는 3.0 내지 5.0wt%, In은 1.0 내지 3.0wt%인 무연솔더 페이스트의 제조방법.
   
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 무연솔더 페이스트를 사용하여 형성된 무연솔더 접합부.
   
6. 제5항에 따른 무연솔더 접합부를 갖는 인쇄회로기판.
   
7. 제6항에 따른 인쇄회로기판을 포함하는 전자기기.

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