KR20150127445A - 은-비함유 및 납-비함유 솔더 조성물 - Google Patents

Abstract

은-비함유 납-비함유 솔더 조성물은, 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물 100 중량%를 기준으로, 2 중량% 내지 8 중량%의 Bi, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.01 중량% 내지 0.2 중량%의 Ni, Fe, 및 Co 중 하나 이상, 및 나머지량의 Sn을 포함한다.

Description

은-비함유 및 납-비함유 솔더 조성물{SILVER-FREE AND LEAD-FREE SOLDER COMPOSITION}

본 발명은, 전자 컴포넌트를 납땜하는데 사용하기에 적합한 솔더 조성물, 더욱 특히 은-비함유 및 납-비함유 솔더 조성물에 관한 것이다.

종래 기술에서는 보통 Sn-Pb 합금이 전자 컴포턴트용 솔더로서 사용된다. 납 및 이의 화합물에 의해 야기되는 심각한 환경 오염 및 증가하는 환경 보호 경각심 때문에 납 솔더의 사용은 최근에는 점차적으로 금지되고 있다. 따라서, 납 솔더는 점차적으로 납-비함유 솔더로 대체되고 있다.

납-비함유 솔더 중에서, Sn-Ag-Cu(SAC305) 납-비함유 솔더 및 Sn-Cu 납-비함유 솔더, 특히 Sn-Ag-Cu(SAC305) 솔더가 가장 널리 사용되고 있다. 은 가격의 증가로 인해 Sn-Ag-Cu 합금 솔더의 가격이 더 높아져 이를 사용하는 전자 컴포넌트 패키지의 비용이 증가하게 되었다.

따라서, 패키징 비용을 줄이기 위해, 낮은 은 함량의 Sn-Ag-Cu 솔더 또는 은-비함유 Sn-Ag-Cu 솔더가 전자 패키징 산업에서 보통 사용된다. 그러나, 상기 낮은 은 함량 또는 은-비함유 솔더는 인장 강도가 매우 불량하고 솔더의 젖음 성능이 불충분하다. 따라서, 솔더 범프와 기재 사이의 솔더링 접점에서 솔더링 강도가 비교적 약하다. 불충분한 젖음 성능 때문에, 솔더링 범프는 쉽게 균열이 가거나 박리되며, 이로 인해 접합 강도가 감소된다. 따라서, 전자 제품은 다시 작업하거나 폐품 처리할 필요가 있을 수 있다.

따라서, 당업계에는, Pb 및 Ag가 없고 종래 기술과 관련된 단점을 극복할 수 있는 솔더 조성물을 제공할 필요성이 있다.

본 발명의 목적은, 인장 강도, 접합 강도 및 젖음 성능을 개선할 수 있고 제조 비용을 감소시킬 수 있는 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물 100 중량%를 기준으로, 2 중량% 내지 8 중량%의 Bi, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.01 중량% 내지 0.2 중량%의 Ni, Fe, 및 Co 중 하나 이상, 및 나머지량의 Sn을 포함하는 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물을 제공한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 바람직한 실시양태에 대한 하기 상세한 설명에서 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물의 바람직한 실시양태는, 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물 100 중량%를 기준으로, 2 중량% 내지 8 중량%의 Bi, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.01 중량% 내지 0.2 중량%의 Ni, Fe, 및 Co 중 하나 이상, 및 나머지량의 Sn을 포함한다. 본 발명에서, 비스무쓰는 은을 대체하여 제조 비용을 상당히 감소시키기 위해 사용된다. 또한, 인장 강도 및 젖음 성능이 놀랍게 증가되어, 본 발명의 솔더 조성물은 통상적인 Sn-Ag-Cu 솔더 조성물과 동등하거나 그보다 더 우수한 성능을 제공한다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물에 Ni, Fe 및 Co 중 하나 이상을 첨가함으로써 접합 강도가 증대될 수 있다.

바람직하게는, 본 실시양태에서, 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물은 추가로, 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물 100 중량%를 기준으로, Ge, Ga 및 P 중 하나 이상을 0.003 중량% 내지 0.03 중량% 포함한다. 따라서, 웨이브-솔더링 공정에서의 솔더 조성물의 산화방지 작용이 증대될 수 있고, 찌꺼기(dross)의 생성이 감소될 수 있다.

실시예

실시예 1 내지 52 및 비교예 1 내지 39의 솔더 조성물의 제조

실시예 1 내지 52 및 비교예 1 내지 39의 솔더 조성물은, 하기 표 1 내지 4에 기재된 성분들을 혼합함으로써 제조되었다.

본 발명의 효과는, 젖음 성능(또는 납땜성), 인장 강도, 접합 강도 및 산화방지 작용성을 결정함으로써 입증되었다.

평가 방법

1. 습윤 균형 분석법을 사용하여 젖음 성능을 측정하였다. 실시예 및 비교예 각각의 솔더 조성물을 250℃에서 가열하여 용융된 솔더 욕(bath)을 형성하였다. 폭 10mm, 길이 20mm 및 두께 0.3mm의 구리 패드를 솔더링 플럭스에 적용하고, 상기 구리 패드를 수직으로 정치시킴으로써 과잉의 솔더링 플럭스를 배수제거한 후, 상기 구리 패드를 상기 용융된 솔더 욕내로 침지하였다. 용융된 솔더 조성물의 젖음 시간(즉, 습윤 공정 중에 용융된 솔더 조성물이 상기 구리 패드에 완전히 접착하는데 걸리는 시간)을 측정하고 계산하였다. 솔더 조성물의 습윤 성능은 하기와 같은 기준에 따라 결정하였다:

○: 젖음 시간 < 2초;

△: 2초 ≤ 젖음 시간 < 3초; 및

×: 젖음 시간 ≥ 3초.

2. 인장 강도는, 50 gw 하중을 15초간 적용하면서 비커스 피라미드 다이아몬드 인덴터(Vickers Pyramid Diamond Indenter)를 사용하여 측정하였다. 인장 강도를 측정하기 위해, 리플로우 솔더링에 의해 구리 패드 상에 실시예 및 비교예 각각의 솔더 조성물의 솔더 범프를 형성하였다. 상기 솔더 범프를 절단하여 절단면을 형성하고, 상기 절단면에 대해 비커스 피라미드 다이아몬드 인덴터를 사용하여 측정을 수행하였다. 미소경도(microhardness)(Hv)를 계산하기 위해 상기 솔더 범프의 상기 절단면 상에 형성된 인덴테이션(indentation)을 측정하였다. 인장 강도는 하기와 같은 기준에 따라 결정하였다:

○: 미소경도 > 20 Hv;

△: 15 Hv < 미소경도 ≤ 20 Hv; 및

×: 미소경도 ≤ 15 Hv.

3. 접합 강도는, 솔더 범프의 취성 파쇄 정도를 검출하는 대역 전단(zone shear) 접합 시험을 사용하여 결정하였다. 실시예 및 비교예 각각의 솔더 조성물을 구리 패드로 리플로우하고, 이어서, 고속 접합 시험기를 사용하여 상기 솔더 조성물로부터 형성된 솔더 범프와 상기 구리 패드 간의 접점을 파괴하였다. 접합 강도는 하기와 같은 기준에 따라 평가하였다:

○: 취성 파쇄 비율 < 10%;

△: 10% ≤ 취성 파쇄 비율 < 15%; 및

×: 취성 파쇄 비율 ≥ 15%.

4. 산화방지 작용성은, 오븐에서 대기 공기를 통기하면서 200℃에서 30분 동안 실시예 38 내지 54 각각의 솔더 조성물을 가열하고, 상기 솔더 조성물로부터 형성된 솔더 제품의 표면 상의 밝기 변화를 관찰함으로써 결정하였다. 구체적으로, 산화방지 작용성은 하기와 같은 기준을 기초로 색 변화에 대한 내성에 의해 결정하였다:

○: 솔더 제품의 표면이 금속 밝기를 가짐;

△: 솔더 제품의 표면이 황색 색상을 나타냄; 및

×: 솔더 제품의 표면이 황색, 청색, 보라색 또는 비교적 진한 색상을 나타냄.

[표 1]

표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 12의 결과는, Bi 함량이 2 내지 8 중량% 범위인 경우, 솔더 조성물은 보다 우수한 인장 강도 및 접합 강도를 나타내고 보다 높은 젖음 성능을 나타냄을 보여준다. 비교예 1 내지 8에서 보여지듯이, 솔더 조성물이 비스무쓰를 함유하지 않거나 1.0 중량%의 비스무쓰를 함유하는 경우, 솔더 조성물은 열등한 인장 강도 및 젖음 성능을 나타낸다. 비교예 9 및 10에서 보여지듯이, 솔더 조성물이 10중량%의 비스무쓰를 함유하는 경우, 젖음 성능 및 인장 강도는 실시예 9 내지 12에 비해 추가로 개선되지 않는다. 더욱이, 높은 Bi 함량 때문에, 접합 강도는 나쁜 영향을 받으며, 솔더 조성물의 융점이 바람직하지 않게 감소되어 이 합금 조성물을 사용할 수 없었다.

한편, 비교예 11 내지 14에서 알 수 있듯이, 솔더 조성물이 비스무쓰를 함유하지 않고 1 중량%의 Ag를 함유하는 경우, 이는 인장 강도 및 젖음 성능 면에서 극히 불량하다. 비교예 15 내지 20에서 보여지듯이, 솔더 조성물이 비스무쓰를 함유하지 않고 2 중량% 또는 3 중량%의 Ag를 함유하는 경우, 인장 강도 및 젖음 성능은 다소 개선되지만 여전히 불충분하다. 비교예 21 및 22에서 보여지듯이, 솔더 조성물이 비스무쓰를 함유하지 않고 8 중량%의 Ag를 함유하는 경우, 인장 강도는 개선되지만 젖음 성능은 불량하여 고융점으로 인해 사용하기에 적합하지 않다. 한편, 접합 강도 역시 역영향을 받는다.

또한, 실시예 1 내지 4의 솔더 조성물(각각 2.0 중량%의 Bi 함유)의 특성은, 8.0 중량%의 Ag를 함유하는 비교예 21 및 22의 것에 비해 우수하다. 따라서, Ag를 가진 솔더 조성물과 비교할 때 동일량의 Bi를 함유하는 솔더 조성물이 더 우수한 특성을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 은을 비스무쓰로 대체하고 Bi 함량을 2 내지 8 중량% 범위 내로 제어함으로써, 인장 강도 및 젖음 성능을 개선하고 제조 비용을 감소시켜 본 발명의 솔더 조성물의 시장 경쟁성을 증가시킬 수 있었다.

[표 2]

표 2를 참조하면, 실시예 13 내지 19에서 알 수 있는 바와 같이, 솔더 조성물의 구리 함량이 0.1 내지 1.0 중량% 범위인 경우, 솔더 조성물은 더욱 우수한 젖음 성능, 인장 강도 및 접합 강도를 갖는다.

비교예 23 내지 25에서 보듯이, 솔더 조성물이 Cu가 없거나 0.05 중량%의 Cu를 함유하는 경우, 젖음 성능 및 접합 강도가 불량해진다. 비교예 26 및 27에서 보여지듯이, 솔더 조성물이 1.2 중량%의 Cu를 함유하는 경우, 과량의 Cu 함량으로 인해 솔더 조성물의 융점이 증가되며 젖음 성능 및 접합 강도가 더 낮아진다. 따라서, Cu 함량이 0.1 내지 1.0 중량% 범위인 경우, 바람직한 효과가 달성될 수 있다.

[표 3]

표 3을 참조하면, 실시예 20 내지 25에서 보듯이, Ni, Fe 또는 Co 중 하나 이상의 함량이 0.01 중량%인 경우, 솔더 조성물은 보다 우수한 인장 강도 및 충분한 젖음 성능 및 접합 강도를 갖는다. 실시예 26 내지 37에서 보듯이, Ni, Fe 또는 Co 중 하나 이상의 함량이 0.1중량% 또는 0.2중량%인 경우, 접합 강도가 추가로 개선된다. Ni, Fe 또는 Co의 첨가는 취성 Cu₃Sn 금속상의 생성을 억제하고 비취성 Cu₆Sn₅ 금속상의 형성을 촉진한다. 따라서, 솔더 범프와 구리 패드 간의 접합 강도가 상당히 증가될 수 있다.

비교예 28 내지 33에서 보여지듯이, Ni, Fe 또는 Co 중 하나 이상의 함량이 0.005 중량%인 경우, Ni, Fe 또는 Co의 함량은, 취성 Cu₃Sn 금속상의 생성을 억제하기에는 불충분하여, 접합 강도가 감소된다. 비교예 34 내지 39에서 보여지듯이, Ni, Fe 또는 Co 중 하나 이상의 함량이 0.3 중량%인 경우, 과량의 Ni, Fe 또는 Co 함량으로 인한 느슨한 구조로 인해 접합 강도가 또한 감소된다.

[표 4]

표 4를 참조하면, 실시예 42 내지 50에서 보듯이, Ge, P 또는 Ga 중 하나 이상의 함량이 0.003 내지 0.03 중량% 범위인 경우, 솔더 조성물은 보다 우수한 젖음 성능, 인장 강도, 접합 강도 및 산화방지 작용성를 갖는다. 이는, Ge, P 또는 Ga 원소가 솔더 제품의 표면 상에 산화방지층을 형성하여 주변환경의 산소를 격리시키고 솔더 조성물의 산화방지 작용성을 개선하기 때문이다.

실시예 38 내지 41에서 보여지듯이, 솔더 조성물이 Ge, P 또는 Ga 중 하나 이상을 함유하지 않거나 함량이 0.001 중량%인 경우, 산화방지 작용성이 불량해진다. 실시예 51 및 52에서 보여지듯이 Ge 또는 Ga의 함량이 0.05 중량%인 경우, 그 효과는 실시예 42 내지 50과 동일하며(즉, 젖음 성능, 인장 강도, 접합 강도 및 산화방지 작용성이 추가로 개선되지 않음), 재료 소비가 중가되어 제조 비용의 증가를 초래한다.

따라서, Ge, P 또는 Ga 중 하나 이상의 함량이 0.003 내지 0.03 중량% 범위인 경우, 산화방지 작용 효과가 달성될 수 있다.

요약하면, 본 발명에서는, 값비싼 은을 비스무쓰로 대체함으로써, 제조 비용을 감소시키면서도 인장 강도 및 젖음 성능을 개선하여 본 발명의 솔더 조성물의 시장 경쟁력을 증가시킬 수 있다. 동시에, 솔더 조성물의 접합 강도 및 젖은 성능은, 구리 함량을 0.1 내지 1.0 중량% 범위로 제어함으로써 개선될 수 있다. 접합 강도는 또한, Ni, Fe 또는 Co 중 하나 이상의 함량을 0.01 내지 0.2 중량% 범위로 조절함으로써 증대될 수 있다. 추가로, 솔더 조성물의 산화방지 작용성은, Ge, P 또는 Ga 중 하나 이상을 0.003 내지 0.03 중량% 첨가함으로써 개선될 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 은-비함유 및 납-비함유 솔더 조성물은 상술한 매우 우수한 특성 및 감소된 비용을 갖는다.

본 발명을, 가장 실용적이고 바람직한 실시양태로 간주되는 것과 관련하여 기술하였지만, 본 발명은 기술된 실시양태에 국한되지 않으며 가장 넓은 해석의 진의 및 범주 내에 포함되는 다양한 구성 및 등가 구성을 포괄하도록 의도하는 것임을 이해해야 한다.

Claims (2)

1. 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물 100 중량%를 기준으로,
   2 중량% 내지 8 중량%의 Bi,
   0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 Cu,
   0.01 중량% 내지 0.2 중량%의 Ni, Fe, 및 Co 중 하나 이상, 및
   나머지량의 Sn
   을 포함하는, 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물.
2. 제 1 항에 있어서,
   은-비함유 납-비함유 솔더 조성물 100 중량%를 기준으로, Ge, Ga 및 P 중 하나 이상을 0.003 중량% 내지 0.03 중량% 추가로 포함하는, 은-비함유 납-비함유 솔더 조성물.