KR20160021648A

KR20160021648A - 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160021648A
Application number: KR1020140107209A
Authority: KR
Inventors: 샤르마 아슈토시; 샤르마 무케시; 정재필; 윤종현; 백범규; 손흥락; 임송희; 윤종혁
Original assignee: 주식회사 경동원; 이성후
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2016-02-26
Also published as: US10286498B2; CN106660178A; KR101671062B1; JP2019188474A; JP2019188475A; JP6842500B2; CN113977132B; EP3184234B1; JP2021053704A; CN113977132A; US20170225277A1; JP2017528327A; EP3184234A1; EP3184234A4; WO2016028058A1

Abstract

본 발명은 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 무연 솔더 합금 조성물은 무연솔더 Sn-(0.1~2)wt%Cu, Sn-(0.5~5)wt%Ag, Sn-(0.1~2)wt%Cu-(0.5~5)wt%Ag 에 세라믹 분말이 첨가된다.
본 발명에 의하면, 종래의 무연 솔더(lead-free solder)에 대한 대체품으로 작용하는 새로운 무연 솔더 합금 조성을 제공하므로, 퍼짐성, 젖음성, 그리고 기계적인 성질에서 종래의 솔더들 보다 우수한 효과가 있다.

Description

무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법 {LEAD-FREE SOLDER COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD OF LEAD-FREE SOLDER COMPOSITION}

본 발명은 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비독성의 조성을 가지고 있으며, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화하는 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, Sn-Pb계 유연(有鉛) 솔더는 오랜 기간 동안 전자기기의 가장 유효한 접합재료로 사용되어 왔다. 그러나 솔더를 사용한 전자기기의 폐기시에 산성비에 의해 솔더중에 함유된 납(Pb) 성분이 용출되어 지하수를 오염시키고 이것이 인체에 흡수되면 지능저하, 생식기능저하 등 인체에 해를 미치는 환경오염 물질로 지적되고 있다. 이러한 유연 솔더를 이용한 접합기술로서, 특히 인쇄회로기판에 반도체칩이나 저항칩과 같은 소형 전자부품을 실장하기 위한 접합재로 이용되고 있다.

특히, 납(Pb)을 포함한 제품은 엄격하게 제한되고 있는 실정으로, Sn-Pb 솔더는 무연 솔더로 대체되고 있다. 마이크로 전자 기기에 Pb 사용을 금지하는 다양한 규제들이 존재한다. 그러므로 Sn-Pb 솔더는 환경적인 무연 솔더 개발을 위해 Pb free Sn-Ag 솔더로 대체되어야 한다. 이러한 이유로 최근에는 솔더 합금의 제조시 납 사용을 규제하거나 배제함으로써 환경 친화적인 무연 솔더 조성물은 다양하게 개발되고 시도되어 왔다.

이러한 무연 솔더와 관련된 기술이 등록특허 제0209241호 및 등록특허 제0814977호에 제안된 바 있다.

이하에서 종래기술로서 등록특허 제0209241호 및 등록특허 제0814977호에 개시된 무연 솔더 조성물 그리고 고온계 무연 솔더 조성물과 이를 이용한 전자기기 및 인쇄회로기판을 간략히 설명한다.

등록특허 제0209241호인 종래기술 1의 무연솔더 조성물은 주석(Sn)과, 은(Ag)과, 비스무스(Bi)와, 인듐(In)으로 구성된 무연 솔더 조성물에 있어서, 상기 주석(Sn)은 82-93중량%, 은(Ag)은 2중량%, 비스무스(Bi)는 3-10중량%, 인듐(In)은 2-6중량%가 배합되어 조성된 것을 특징으로 한다.

그러나 종래기술 1에 의한 무연솔더 조성물을 구현하기 위해 필요한 인듐(In)이 고가이며, 비스무스(Bi)를 포함하는 솔더는 비스무스(Bi) 함량의 증가에 따라 연성이 안 좋아져 취성을 일으키는 문제점이 있었다.

도 1은 등록특허 제0814977호(이하 '종래기술 2'라 함)에서 무연솔더 조성물의 산화물 발생량 억제원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술 1의 고온계 무연 솔더 조성물은 동 2~5중량%, 니켈 0.001~1.0중량%, 실리콘 0.001~0.05 미만 중량%, 인 0.001~0.2중량%, 코발트 0.001~0.01 미만 중량% 및 주석을 잔부로 포함한다.

그러나 종래기술 2 역시 고온계 무연 솔더 조성물을 구현하기 위해 필요한 인듐이 고가이므로 사용하는데 한계가 있는 문제점이 있었다.

또한, 도면에는 도시하지 않았지만 최근 Sn, Ag, Bi, Cu, In, Zn, 등을 포함하는 솔더의 발달에서 특히 Sn, Ag, Cu를 포함하는 조성에 관심이 집중되고 있다. 각각 언급된 무연 솔더는 문제점들을 가지고 있다. 예를 들어 Zn은 산화와 그에 따른 솔더링성의 감소에 예민하다. Bi를 포함하는 솔더는 Bi 함량의 증가에 따라 연성이 안 좋아져 취성을 일으킨다. Sn-Cu 솔더는 값이 싸지만 젖음성이 매우 안 좋다. In을 포함한 솔더는 비싸다. Ag를 포함한 솔더에서는 조대한 침상의 금속간 화합물인 Ag₃Sn을 형성하기 쉬워서 솔더링성과 접합부의 강도를 감소시킨다. 결론적으로 무연 솔더 뿐만 아니라 앞에서 말한 단점(특히 젖음성)을 최소화시키는 것이 요구된다.

더욱이, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, SAC₃0₅ solder (96.5wt%Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu) 미세구조는 수지상과 Sn, Ag₃Sn, Cu₆Sn₅으로 구성된 공정상을 포함한다. 하지만, Ag₃Sn과 Cu₆Sn₅의 모양과 구조는 솔더의 신뢰성을 위한 중요한 요소이다. 만약 기지 내에서 Ag의 함유량이 2wt%보다 많으면 Ag₃Sn의 조대한 판상이 발생되고, 이는 솔더링성을 악화시킨다. 반면, Sn-Ag합금 내에서 Ag의 함유량이 2wt%보다 적으면 이는 액상온도를 높이고, 액상+고상 공존영역을 크게 하며 접합부의 강도를 감소시키는 단점이 있다. 그러므로 이러한 금속간 화합물의 성장은 세라믹 나노 분말 첨가 강화제를 사용하여 억제될 필요가 있다.

KR 0209241 B1 KR 0814977 B1

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Sn-Cu와 첨가제, Sn-Ag과 첨가제, Sn-Ag-Cu와 첨가제를 기반으로 하는 Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu 합금을 사용하여 마이크로 전자 패키징에 사용되는 기판 및 전자부품에 대해서 우수한 젖음성과 퍼짐성을 갖고, 특히 인간 환경에 무해한 솔더 합금을 제조할 수 있게 한 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu 합금에 세라믹 나노 분말을 첨가제로 첨가하는 과정에서 나노 분말 첨가제를 통해 솔더 입자의 크기를 감소시키고, 치명적인 침상의 Ag₃Sn 크기와 두께를 최소화하므로 접합강도를 증가시키며 젖음성을 향상시키는 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 솔더 접합 신뢰성과 젖음성에 대한 신뢰도 높은 솔더 미세구조를 얻을 수 있고, 나노 분말 첨가제에 의해 Ag₃Sn 등 금속간 화합물의 미세구조가 미세해지고 그 두께가 감소되며, 솔더의 입자 크기 또한 나노입자 첨가제의 첨가로 감소하므로 솔더 접합부의 크립(creep)과 피로 특성도 개선시킬 수 있게 한 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 솔더 재료에 의해 젖음(wetting)성 저하를 방지하여 접합부에서 피접합물들 간에 접촉 불량을 방지하므로 우수한 기계적 특성과 젖음성 뿐만 아니라 미세화되고 균일한 미세구조를 갖는 솔더를 개발 가능한 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 무연솔더 Sn-(0.1~2)wt%Cu, Sn-(0.5~5)wt%Ag, Sn-(0.1~2)wt%Cu-(0.5~5)wt%Ag 에 세라믹 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물을 통해 달성된다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 첨가하는 첨가제는 La₂O₃, SiC, Cu coated CNT(Cu-CNT) 및 ZrO₂ 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말의 함량은 La₂O₃이 0.01~1.0wt%, SiC는 0.01~1.0wt%, Cu-CNT는 0.005~1.0wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말의 크기는 10 μm이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 La₂O₃와 SiC의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 SiC와 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 La₂O₃와 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 La₂O₃와 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.1 wt%이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 SiC와 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 SiC의 함유량은 0.01~1.0 wt%이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 Cu-CNT와 ZrO₂의 혼합 첨가시 상기 Cu-CNT의 함유량은0.005~1.0 wt%이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 La₂O₃, SiC 및 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%이며, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 세라믹 분말에 La₂O₃, SiC, Cu-CNT 및 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.001~0.1 wt%이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~1.0 wt%이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~1.0 wt%이며, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, Sn-Cu, Sn-Ag 및 Sn-Cu-Ag계 중 적어도 하나의 솔더 분말을 혼합하는 단계; 상기 혼합 솔더 분말을 진공 상태에서 용융시키는 단계; 및 상기 용융된 솔더 분말에 첨가제를 첨가하는 단계를 포함하는 무연 솔더 합금의 제조 방법을 통해 달성된다.

또한, 본 발명에서의 상기 용융 단계 수행시 상기 혼합 솔더 분말의 진공 용해 온도는 450~550℃이고, 용해 유지 시간은 20~40분이며, 승온속도는 5~15℃/분인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 첨가제 첨가 단계 수행시 상기 첨가제는 La₂O₃, SiC, Cu coated CNT(Cu-CNT) 및 ZrO₂ 중 적어도 하나의 세라믹 분말인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 첨가제 첨가 단계 수행시 상기 세라믹 분말의 함량은 La₂O₃이 0.01~1.0wt%, SiC는 0.01~1.0wt%, Cu-CNT는 0.005~1.0wt%인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래의 무연 솔더(lead-free solder)에 대한 대체품으로 작용하는 새로운 무연 솔더 합금 조성을 제공하므로, 퍼짐성, 젖음성, 그리고 기계적인 성질에서 종래의 솔더들 보다 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 솔더들이 Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu를 기반 금속으로 한 세 가지 다른 합금계를 기초로 하며, 이에 추가된 나노미터 크기의 세라믹 입자는 솔더 합금의 기지조직과 Ag₃Sn 금속 화합물을 균일하게 미세화하고, 퍼짐성을 향상시키는 효과가 있다. 즉, 큰 Ag₃Sn 금속 화합물은 균열과 공공을 일으킴으로써 솔더 연결부에 손상을 입히고 솔더 연결부의 신뢰도를 떨어뜨리므로, 미세한 Ag₃Sn 화합물을 포함하는 본 발명의 솔더는 신뢰도와 솔더 연결부의 수명을 증가시킨다.

또한, 본 발명은, 제조된 솔더 합금을 통해 나노 분말이 첨가되지 않은 종래의 Sn-Ag-Cu 합금에 비해 더 높은 경도를 갖아 충격에 대한 저항이 큰 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 유동성(flow)과 젖음성(wetting properties)이 향상되어 납땜부의 불량을 억제하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술 2에 의한 무연솔더 조성물의 산화물 발생량 억제원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 나노 분말이 첨가되지 않은 솔더와 나노 분말이 첨가된 솔더의 금속간 화합물 평균 두께를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 나노 분말이 첨가되지 않은 솔더와 나노 분말이 첨가된 솔더의 평균 결정립 크기를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 Sn-Cu, Sn-Ag 및 Sn-Cu-Ag 무연 솔더와 첨가제가 첨가된 Sn-Cu, Sn-Ag 및 Sn-Cu-Ag 무연 솔더의 퍼짐성을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 Sn-Cu-Ag 무연 솔더와 첨가제가 첨가된 Sn-Cu-Ag 무연 솔더의 젖음성을 측정한 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 Sn-Cu-Ag 무연 솔더와 첨가제가 첨가된 Sn-Cu-Ag 무연 솔더의 경도를 측정한 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 무연 솔더 합금의 제조 방법을 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물을 이용하여 무연 솔더 페이스트를 제조 방법을 도시한 블록도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법에 대한 실시 예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 나노 분말이 첨가되지 않은 솔더와 나노 분말이 첨가된 솔더의 금속간 화합물 평균 두께가 사진으로 나타나 있고, 도 3에는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 나노 분말이 첨가되지 않은 솔더와 나노 분말이 첨가된 솔더의 평균 결정립 크기가 사진으로 나타나 있고, 도 4에는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 Sn-Cu, Sn-Ag 및 Sn-Cu-Ag 무연 솔더와 첨가제가 첨가된 Sn-Cu, Sn-Ag 및 Sn-Cu-Ag 무연 솔더의 퍼짐성을 비교한 그래프가 나타나 있고, 도 5에는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 Sn-Cu-Ag 무연 솔더와 첨가제가 첨가된 Sn-Cu-Ag 무연 솔더의 젖음성을 측정한 결과 그래프가 나타나 있으며, 도 6에는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물 구현시 Sn-Cu-Ag 무연 솔더와 첨가제가 첨가된 Sn-Cu-Ag 무연 솔더의 경도를 측정한 결과 그래프가 나타나 있다.

이들 도면에 의하면, 본 발명의 무연 솔더 합금 조성물은 무연솔더 Sn-(0.1~2)wt%Cu, Sn-(0.5~5)wt%Ag, Sn-(0.1~2)wt%Cu-(0.5~5)wt%Ag에 세라믹 분말이 첨가된다.

이때, 상기 세라믹 분말에 첨가하는 첨가제는 La₂O₃, SiC 및 Cu coated CNT(Cu-CNT) 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 세라믹 분말의 함량은 La₂O₃이 0.01~1.0wt%, SiC는 0.01~1.0wt%, Cu-CNT는 0.005~1.0wt%이다. 그리고 상기 세라믹 분말의 크기는 10 μm이하인 것이 바람직하다.

즉, 개발된 솔더 합금은 젖음성과 퍼짐성을 개선한 강화된 것으로, Sn-Cu와 첨가제, Sn-Ag와 첨가제, Sn-Ag-Cu와 첨가제로 이루어져 있다. 선택된 첨가제들은 La₂O₃, SiC, Cu-CNT(CNT: 탄소나노튜브)와 같은 나노미터급 크기의 세라믹 분말이다. 대표적인 무연 솔더인 Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu계의 솔더 합금, 솔더볼, 솔더 페이스트를 포함하는 솔더 접합부 및 공정은 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 등의 강화된 금속간 화합물을 포함하는 솔더 접합부를 생성한다.

이때, 상기 무연 솔더 합금 조성물은 Sn-Cu 솔더합금에서 Cu의 함량은 0.1wt%에서 2wt%(바람직하게는 0.7wt%)로 구성되어 있다. 그리고 Sn-Ag 합금은 0.5에서 5wt%(바람직하게는 3.5wt%)의 Ag로 구성되어 있다. 또한, Sn-Ag-Cu 합금은 0.5에서 5wt%( 바람직하게는 3wt%)의 Ag와 0.1에서 2wt%(바람직하게는 0.5wt%)의 Cu로 구성되어 있다. 솔더에 가한 첨가제는 La₂O₃, SiC, Cu-코팅CNT(탄소나노튜브)이다. 첨가제 각각의 조성은 0.01에서 1.0wt%(바람직하게는 0.05wt%)의 La₂O₃, 0.01에서 1.0wt%(바람직하게는 0.05wt%)의 SiC, 0.005에서 1.0wt%(바람직하게는 0.01wt%)의 Cu-CNT이다.

무연 솔더 합금은 약 96.5wt%의 Sn, 3.0wt%의 Ag, 0.5wt%의 Cu와 나노미터급 크기의 분말 첨가 강화제로 이루어져 있다. 첨가 강화제의 조성은 0.01에서 1.0wt%(바람직하게는 0.05wt%)의 La₂O₃, 0.01에서 1.0wt%(바람직하게는 0.05wt%)의 SiC, 0.005에서 1.0wt%(바람직하게는 0.01wt%)의 Cu-CNT로 이루어져 있다. 첨가제가 없는 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305) 솔더 합금과 비교해보면, 젖음성(wettability) 향상을 위해 영점시간(zero cross time)은 짧은 것이 좋은데, Sn-3.0%Ag-0.5%Cu합금의 영점시간은 1.08sec, Sn-3.0%Ag-0.5%Cu합금에 La₂O₃를 첨가한 경우 약 73.6%( 0.285sec)로 나타났고, SiC를 첨가한 경우 76.8%(0.25sec), Cu-CNT를 첨가한 경우 27.7%(0.78sec)로 나타났다.

그리고 무연 솔더 합금은 약 96.5wt%의 Sn, 3.0wt%의 Ag, 0.5wt%의 Cu에 La₂O₃, SiC, Cu-CNT와 같은 나노 분말 첨가 강화제로 이루어져 있다. 단일 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더의 경우 평균 결정립도는 약 30μm로 관찰되었다. 첨가제가 포함된 솔더와 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더를 비교해보면, La₂O₃가 첨가되었을 때 평균 결정립도는 33.5% 감소된 20μm, SiC가 첨가된 경우 40% 감소된 17.69μm, Cu-CNT가 첨가된 경우 28.64% 감소된 21.07μm로 나타났다. 즉, 첨가제 첨가에 따라 솔더의 결정립이 미세화되었다. 일반적으로, 금속의 결정립이 미세화되면 Hall-Petch식에 의해 항복강도와 인장강도가 증가한다.

: 항복강도, d: 평균 결정립 직경,

: 상수

본 발명에 의한 조성을 사용하여 솔더를 제조할 경우에 솔더 합금 내에 미세한 두께를 갖는 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)을 갖는다는 것을 알 수 있다. 평균 금속간 화합물 두께는 첨가제가 없는 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu (SAC3055) 솔더 합금의 경우 평균 금속간 화합물 두께는 약 2.7μm이다. 첨가제가 포함된 솔더와 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더를 비교해보면, La₂O₃가 첨가되었을 때의 평균 금속간 화합물 두께는 18% 감소된 2.2μm로 나타나고, SiC가 첨가된 경우 37% 감소된 1.84μm, Cu-CNT가 첨가된 경우 7.8% 감소된 2.71μm로 나타났다.

세라믹 나노 분말이 첨가된 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 합금은 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더의 퍼짐성과 비교해서 상당히 높은 퍼짐성을 갖는다. 이렇게 증가된 퍼짐성은 전자 회로 및 전기 시스템의 솔더 조립에 큰 장점이 된다. 이러한 퍼짐성이 좋은 솔더는 납땜시에 민감한 전자부품이나, 회로기판에 잘 퍼져 납땜부가 잘 형성되므로 납땜부의 불량 감소와 강도향상 등의 장점으로 작용한다.

나노 크기의 La₂O₃, SiC, Cu-CNT가 첨가된 솔더의 경우, 납땜시 용융된 후 응고될 때, 융점이 Sn(231℃)에 비해 훨씬 높은 La₂O₃, SiC, Cu-CNT은 미세한 나노 크기의 고체로 존재하며, 이로 첨가된 분말이 응고시 고체 핵생성 위치(seed, 접종제)로 작용한다. 이로 인해, 첨가된 나노 분말들은 많은 핵생성 위치를 제공하여 이곳에서 고체 결정이 생성되므로, 첨가제가 없는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더에 비해 결정립이 미세화된다. 또한, 나노 크기의 La₂O₃, SiC, Cu-CNT는 솔더 중의 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 등 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)의 성장을 방해하여, 금속간 화합물이 미세화되므로 솔더가 더 좋은 강도와 특성을 갖는데 기여한다.

본 발명에서의 첨가 강화제의 구성은 0.01~1.0 wt% La₂O₃(바람직하게는 0.05 wt%); 0.01~1.0 wt%의 SiC(바람직하게는 0.05 wt%); 0.005~1.0 wt% Cu-CNT(바람직하게는 0.01 wt%)로 다양하다. La₂O₃와 SiC의 함유량이 0.01 wt%보다 적을 때는, 솔더링성의 향상은 나타나지 않았다. 반면에 1.0wt%이상 과다 첨가된 경우에는 솔더링성이 저하되고 젖음 불량인 디웨팅(dewetting) 현상이 일어난다.

동일하게, Cu-CNT가 0.005wt%이하로 첨가되면 젖음성의 변화는 없으며, Cu-CNT가 1.0wt% 이상 과다 첨가되면 디웨팅 현상이 일어난다.

하기에서는 본 발명에서 솔더의 구성 및 조건을 표 1에 나타내었다.

성분	함량
Sn-Cu	0.1 ~ 1.0 wt%Cu, 잔량 Sn
Sn-Ag	0.5 ~ 4.0 wt% Ag, 잔량 Sn
Sn-Ag-Cu	0.5 ~ 4.0 wt% Ag, 0.1 ~ 1.0 wt%Cu, 잔량 Sn
La₂O₃	0.01 ~ 1.0 wt%
SiC	0.01 ~ 1.0 wt%
Cu-CNT	0.005 ~ 1.0 wt%
ZrO₂	0.01 ~ 1.0 wt%
La₂O₃ , SiC	0.01 ~ 0.5 wt% La₂O₃, 0.01 ~ 0.5 wt% SiC
SiC, Cu-CNT	0.01 ~ 0.5 wt% SiC, 0.005 ~ 0.5 wt%Cu-CNT
La₂O₃ , Cu-CNT	0.01 ~ 0.5 wt% La₂O₃, 0.005 ~ 0.5 wt%Cu-CNT
La₂O₃ , SiC, Cu-CNT	0.01 ~ 0.5 wt% La₂O₃, 0.01 ~ 0.5 wt% SiC, 0.005 ~ 0.5 wt% Cu-CNT
La₂O₃ , ZrO₂	0.001 ~ 0.1 wt% La₂O₃, 0.01 ~ 1.0 wt% ZrO₂
SiC, ZrO₂	0.01 ~ 1.0 wt% SiC, 0.01 ~ 1.0 wt% ZrO₂
Cu-CNT, ZrO₂	0.005 ~ 1.0 wt% Cu-CNT, 0.01 ~ 1.0 wt% ZrO₂
La₂O₃ , SiC, Cu-CNT, and ZrO₂	0.001~ 0.1 wt% La₂O₃, 0.01 ~ 1.0 wt% SiC, 0.005 ~ 1.0 wt% Cu-CNT, and 0.01 ~ 1.0 wt% ZrO₂
Sn	잔량
SAC305 입자크기	20-38 μm
La₂O₃ 입자크기	30 nm
SiC 입자크기	70 nm
Cu-CNT 직경	20 nm
ZrO₂	10 nm

한편, 상기 표 1에서와 같이 나노 세라믹 분말을 아래와 같이 두 가지 혼합하여 첨가하는 경우 함유량은 다음과 같다.

(1) La₂O₃와 SiC의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%(바람직하게는 0.02 wt%)이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%(바람직하게는 0.03 wt%)이다.

(2) SiC와 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%(바람직하게는 0.04 wt%)이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%(바람직하게는 0.01 wt% Cu-CNT)이다.

(3) La₂O₃와 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%(바람직하게는 0.04 wt% La₂O₃)이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%(바람직하게는 0.01 wt%)이다.

(4) La₂O₃와 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.1 wt%(바람직하게는 0.005 wt%)이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%(바람직하게는 0.5 wt%)이다.

(5) SiC와 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 SiC의 함유량은 0.01~1.0 wt%(바람직하게는 0.05 wt%)이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%(바람직하게는 0.5 wt%ZrO₂)이다.

(6) Cu-CNT와 ZrO₂의 혼합 첨가시 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~1.0 wt% (바람직하게는 0.01 wt%)이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%(바람직하게는 0.5 wt%ZrO₂)이다.

다음으로, 나노 세라믹 분말을 아래와 같이 세 가지 혼합하여 첨가하는 경우 함유량은 다음과 같다.

즉, La₂O₃, SiC 와 Cu-CNT 의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%(바람직하게는 0.02 wt%)이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%(바람직하게는 0.02 wt%)이며, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%(바람직하게는 0.01 wt%)이다.

다음으로, 나노 세라믹 분말을 아래와 같이 네 가지 혼합하여 첨가하는 경우 함유량은 다음과 같다.

즉, La₂O₃, SiC, Cu-CNT 및 ZrO₂ 네가지 첨가제를 혼합하는 경우, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.001~0.1 wt%(바람직하게는 0.005 wt%)이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~1.0 wt%(바람직하게는 0.05 wt%)이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~1.0 wt% (바람직하게는 0.01 wt%)이며, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%(바람직하게는 0.4 wt%ZrO₂)이다.

본 발명의 주요 요소로서 Sn이 함유된 무연 솔더 Sn-Cu와 Sn-Ag와 Sn-Ag-Cu 합금으로, Sn-Cu와 첨가제, Sn-Ag와 첨가제 및 Sn-Ag-Cu와 첨가제이다. 첨가제의 첨가는 솔더의 젖음성과 퍼짐성을 향상시킨다.

본 발명의 무연 솔더 합금 조성물에서 합금들인 Sn-Cu 합금은 중량비 0.1~2wt%의 Cu(바람직하게 0.7wt%)로 되어있고, Sn-Ag합금은 중량비 0.5~5wt%의 Ag(바람직하게 3.5wt%)로 되어있으며, Sn-Ag-Cu합금은 기본적으로 중량비 0.5~5wt%의 Ag(바람직하게 3wt%)와 중량비 0.1~2wt%의 Cu(바람직하게 0.5wt%)로 되어있다.

본 솔더 합금은 세라믹 나노입자 혹은 탄소나노튜브를 첨가제로 하고 있다. 선택된 첨가제로는 Lanthanum oxide(La₂O₃), Silicon carbide(SiC), 구리 코팅 탄소나노튜브(copper-coated carbon nanotube, Cu-CNT) 등이다.

본 발명의 합금으로 제조할 수 있는 솔더 페이스트의 예로서, 솔더 분말의 크기가 20-38μm(솔더 페이스트 규격에서 type 4로 분류됨)인 분말 합금을 사용할 수 있다. 나노 입자 첨가제는 La₂O₃, SiC, Cu-CNT이며 각각 대략 30nm, 70nm, 20nm인 평균 직경을 가진다. 첨가제들은 솔더의 미세 구조의 특성을 개선하고 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 등 솔더 내의 금속간 화합물(IMC) 크기를 미세화하여 솔더의 기계적 강도와 젖음성을 향상시킨다.

솔더의 최적의 솔더링성(납땜성)을 실현하기 위한 젖음성을 향상을 위하여, 첨가제를 가한 솔더 의 구성 요소를 최적의 조성으로 하는 것이 필요하다.

실시 예로서 각각의 솔더의 최적의 조성은 다음과 같다.

솔더 재료는 기본재료와 첨가제로 구성되고, 각각의 첨가재료는 주어진 비율로 포함되어야 한다. La₂O₃는 0.01~1.0wt%(바람직하게는 0.05wt%)가 포함되고, SiC는 0.01~1.0wt%(바람직하게는 0.05wt%)가 포함되며, 그리고 Cu-CNT는 0.005~1.0wt%(바람직하게는 0.01wt%)가 포함된다.

만약, La₂O₃나 SiC의 비율이 0.01wt%보다 낮다면 솔더 재료의 IMC는 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 합금 솔더의 IMC보다 두껍게 되며, 반면 La₂O₃나 SiC의 조성이 1.0wt% 이상 과다하면 솔더는 취성을 가짐에 따라 접합면의 균열 발생 및 솔더링성이 악화될 수 있다. 마찬가지로 만약 Cu-CNT의 비율이 0.005wt%보다 낮다면 젖음성 향상에 영향이 없으며, 만약 Cu-CNT의 비율이 1.0wt% 이상 과다하면 유동성이 낮아지는 경향이 있고 솔더링성이 저하된다.

본 발명의 무연 솔더 합금 제조 및 특성 시험- 미세구조와 IMC 분포를 알아보기 위해 SEM으로 측정하였다. 또, 솔더링성을 측정하기 위해 퍼짐성, 젖음성, 미소경도 시험을 실시하였다.

1. 본 특허 솔더 합금 제조를 위해 SnAgCu, SnAg, SnCu와 첨가물들을 500℃에서 30분간 진공로에서 용융

2. 미세구조 관찰: 결정립 크기(Grain size), 금속간 화합물(IMC) 크기

3. 경도 측정

4. 젖음성시험(Wetting balance test): 영점시간(Zero cross time), at 250℃

5. 퍼짐성시험(Spreading tests): JIS-Z-3197

용융을 위한 제조조건은 표2에 나타냈다.

혼합 솔더 분말의 진공 용해 온도	500 ℃
500 ℃에서 유지시간, 승온속도.	30 분, 10 ℃/분

<시험>

* 퍼짐성 시험

퍼짐성 실험은 JIS-Z-3197 규격에 따라 실시했다. 우선 A 30 mm × 30 mm × 0.3 mm 구리조각을 연마한 뒤 알코올로 세척한다. 건조 후, 균일한 산화막을 생성하기 위해 150℃의 온도에서 1시간 동안 가열한다.

0.3g의 솔더 분말을 0.03g의 플럭스와 혼합하고, 구리조각의 중앙에 놓는다. 그 조각을 300℃로 가열되어 용융된 솔더 조(solder bath)에 놓는다. 잠시 후, 구리조각 중앙에 위치한 솔더 분말이 녹기 시작한다. 구리 조각을 300℃ 용융된 솔더 조에 30초 동안 유지하여 솔더 분말이 완전히 녹아서 퍼지면, 구리 조각을 솔더 조에서 꺼내고 상온에서 냉각시킨다. 냉각된 구리판 상에 퍼진 솔더를 사용하여 퍼짐성 실험을 한다.

*젖음성 시험

본 발명의 합금 젖음성 측정을 위해 웨팅밸런스시험기 (RESCA SAT 5000)를 사용하고, 젖음성 시험편은 99.99% 무산소 구리판 10mm × 1mm × 30㎜의 크기를 사용했다. 구리 시험편은 표면 산화층 및 외부 불순물을 제거하기 위하여 탄화규소 사포(입자크기 #1200 & #2400)를 이용하여 기계적 연마하였으며, 이후 초음파 세정하였다. 웨팅밸런스 시험 이전에, 구리 시편은 BGA타입의 플럭스(SENJU, Sparkle Flux WF-6063M5)로 약간 코팅하고, 추가로 30초 동안 솔더 용탕 위에서 활성화 시켰다. 구리 시편은 250℃의 용융 솔더(본 발명의 솔더)에 5초 동안 2mm의 깊이까지 2.5mm/s의 속도로 담갔다. 젖음성 시험에서 각 시편의 평균 영점 시간 (zero cross time)이 측정된다.

<개발기술의 동작설명>

솔더 Sn-0.7wt%Cu, Sn-3.5wt%Ag 및 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 에 평균 입자 크기 30nm 인 La₂O₃, 70nm 인 SiC, 20nm 인 Cu-CNT를 첨가한다. 이를 알루미나 도가니에 넣어 10℃/min의 승온속도로 가열되는 진공로에서 500℃의 온도에서 1시간 동안 용융한다. 솔더 응고 후, 샘플을 채취하여 연마 에칭한 후 미세 구조를 관찰한다.

*측정결과

미세구조: 나노입자가 첨가된 Sn-3.0wt% Ag-0.5 wt% Cu 솔더와 나노 입자가 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더 미세구조를 비교하였을 때, 결정립 크기와 침전물, 기지의 분산에서 명확한 차이가 나타난다. La₂O₃가 첨가된 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 Ag₃Sn 등 금속간 화합물은 미세해졌고 잘 분산되었다. 반면 나노 입자가 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더의 경우 Ag₃Sn 등 금속간 화합물이 조대화 되었다.

상용 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더 미세구조의 미세화는 세라믹 나노입자 첨가에 의해 그 물리적 특성이 향상됨을 나타낸다. Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu에 세라믹 나노입자를 첨가함에 따라 미소 경도는 증가하는데, 나노 입자가 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더와 비교하여, La₂O₃가 첨가될 경우 경도가 5% 증가되고, SiC가 첨가될 경우 12.01%, Cu-CNT가 첨가될 경우 3.72%가 증가한다.

결정립크기(도 2 참조)는 전자현미경으로 측정한 미세구조를 통해 확인하였다. 나노 입자가 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더의 평균 결정립 크기는 대략 30μm이다. 반면, La₂O₃가 첨가된 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더의 평균 결정립 크기는 대략적으로 20μm이다. SiC를 첨가한 경우 평균 결정립 크기는 17.69μm이고 Cu-CNT를 첨가한 경우 결정립 크기는 21.07μm이다.

또한, 나노 분말이 첨가된 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더의 금속간 화합물의 두께를 측정하였다. La₂O₃, SiC, Cu-CNT이 첨가되거나 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt%의 Cu 솔더의 합금의 금속간 화합물의 두께의 대략적인 측정은 도 3에서 알 수 있다.

Sn-3.0wt% Ag-0.5wt%의 Cu 솔더에서 합금 내의 금속간 화합물(IMC)은 대부분 Ag₃Sn이다. 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt%Cu 솔더에서의 평균 IMC 두께는 2.97μm인 반면, La₂O₃가 첨가된 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt%Cu 솔더의 IMC 두께는 2.37μm이다. SiC 가 첨가된 것은 1.84μm이고 Cu-CNT 가 첨가된 것은 2.71μm이다. 나노 세라믹 입자의 첨가로 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt Cu는 IMC두께가 얇아지고 강도를 증가시킨다. 미세한 입자를 갖는 합금은 전위 이동에 더 많은 방해를 해서, 합금의 기계적 특성을 증가시킨다.

*퍼짐성 : 본 발명에서 제조한 솔더들의 퍼짐성을 도 4에 나타내었다. 대략적으로 0.03g의 플럭스(flux)와 약 0.3g의 시료 솔더 합금을 구리 박판의 중앙에 놓는다. 그리고 구리 박판은 300℃에서 유지되는 용융 솔더 조(bath)에 올려놓는다. 시료 솔더는 곧 용융되기 시작하며 30초 후에 구리 박판을 솔더 조에서 꺼내고 상온에서 식혀서 퍼짐 비율을 측정한다.

퍼짐율(spreading ratio)은 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu는 77.77%이고, La₂O₃가 첨가된 경우 13% 증가하여 88.19%를 보이고, SiC가 첨가된 경우 1% 증가하여 78.7%를 보인다. 그리고 Cu-CNT가 첨가된 경우 76.38% 정도가 된다.

그리고 Sn-0.7Cu 합금의 퍼짐율은 71%, La₂O₃가 첨가된 경우 퍼짐 비율은 73%이고 SiC가 첨가된 경우 74%이다. 과 비교해서 Cu-CNT가 Sn-0.7Cu합금에 첨가된 경우 75%를 보인다.

Sn-3.5Ag 합금의 퍼짐율은 72%, La₂O₃가 첨가된 경우 퍼짐율은 74%를 보이고, SiC를 첨가한 경우 74%, Cu-CNT를 첨가한 경우 75%의 퍼짐율을 보인다.

*젖음성 : Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu에 0.01에 1.0Wt%의 La₂O₃를 첨가한 경우(바람직하게는 0.05wt%의 La₂O₃), 순수한 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더와 비교하여 훨씬 낮은 zero cross time으로 최상의 젖음성을 가진다. 두 합금의 젖음 특성의 비교는 도 6에서 나타내었다.

여기서, 도 6은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu와 La₂O₃, SiC, Cu-CNT, ZrO₂가 첨가된 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 의 경도 측정를 나타낸 그래프이다.

젖음성 테스트는 어떤 솔더가 주어진 시간 안에 기판이나 PCB에 더 강한 결합으로 젖을 수 있는지에 대한 정보를 제공한다. 이 젖음성에서 대한 중요한 변수(parameter)는 영점시간(zero force time) (T0)이다. 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu의 영점시간은 1.08초, La₂O₃가 첨가된 경우 0.285초, SiC 가 첨가된 경우 0.25초, Cu-CNT 가 첨가된 경우는 0.78초로 향상되었다.

*경도 : 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu의 경도는 11.49 VHN이고, Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu에 La₂O₃를 첨가한 경우의 경도 값은 12.05VHN이고, SiC를 첨가한 경우의 경도값은 12.01VHN, Cu-CNT를 첨가한 경우의 경도값은 11.86VHN, ZrO₂를 첨가한 경우는 13.3VHN으로 증가된 것을 도 6을 통해 알 수 있다. 단단하고 미세하게 분산된 Ag₃Sn 상은 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu에서 나타나는 넓게 형성된 Ag₃Sn보다 좀 더 효과적으로 압력에 저항하여 경도가 증가한다.

본 발명은 땜납재로 사용된다. 구체적으로는 솔더 페이스트(paste), 솔더 볼, 솔더 봉(bar), 솔더 와이어 등과 이를 활용한 전자제품의 납땜에 사용된다. 현대 전자기기들의 고 집적, 저 전력 또는 휴대성, 크기, 작동 전압 등의 요구에 따른 수요를 충족시키기 위해서 작아지고 있다. 하나의 심각한 이슈는 전자기기의 솔더링부의 젖음성, 퍼짐성과 그들의 강도이다. 이를 개선하기 위해 향상된 젖음성과 미세화된 Ag₃Sn 화합물로 이루어진 솔더에 대한 요구가 증가하고 있는데, 본 개발 솔더는 이러한 단점을 개선하는데 사용될 수 있다.

도 7에는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금의 제조 방법이 블록도로 도시되어 있다.

본 발명에 의한 무연 솔더 합금의 제조 방법은 솔더 분말 혼합 단계(S100), 혼합 솔더 분말 용융 단계(S110) 및 첨가제 첨가 단계(S120)를 포함한다.

솔더 분말 혼합 단계(S100)는 Sn-Cu, Sn-Ag 및 Sn-Cu-Ag계 중 적어도 하나의 솔더 분말을 혼합하는 단계이다.

혼합 솔더 분말 용융 단계(S110)는 혼합 솔더 분말을 진공 상태에서 용융시키는 단계로, 혼합 솔더 분말의 진공 용해 온도는 450~550℃이고, 용해 유지 시간은 20~40분이며, 승온속도는 5~15℃/분이다.

첨가제 첨가 단계(S120)는 용융된 솔더 분말에 첨가제를 첨가하는 단계로, 상기 첨가제는 La₂O₃, SiC 및 Cu coated CNT(Cu-CNT) 중 적어도 하나의 세라믹 분말인 것을 특징으로 하며, 상기 세라믹 분말의 함량은 La₂O₃이 0.01~1.0wt%, SiC는 0.01~1.0wt%, Cu-CNT는 0.005~1.0wt%이다.

도 8에는 본 발명에 의한 무연 솔더 합금 조성물을 이용한 무연 솔더 페이스트를 제조 방법이 블록도로 도시되어 있다.

본 발명에 무연 솔더 합금 조성물을 이용한 무연 솔더 페이스트를 제조 방법은 분말 혼합 단계(S200), 플럭스와 분말의 혼합 단계(S210), 혼합된 솔더 용해 단계(S220) 및 실험 특성 분석 단계(S230)를 포함한다.

분말 혼합 단계(S200)는 볼 밀(ball mill)에서 분말 혼합하는 단계로, SAC (유형 4, 20~38μm 크기), La₂O₃(30㎚), 혼합 조건(200rpm, 1시간)으로 수행한다.

플럭스와 분말의 혼합 단계(S210)는 적절 비율로 플럭스와 분말을 혼합하는 단계로, 솔더와 플러스 혼합 비율을 9:1로 혼합한다.

혼합된 솔더 용해 단계(S220)는 진공에서의 혼합된 솔더를 용해하는 단계로, 500℃의 온도에서 30분간 지속하고, 승온속도는 5℃/분로 냉각한다.

실험 특성 분석 단계(S230)는 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅의 미세 결정립 구조(S232), 퍼짐성 측정(S234), 젖음성 측정(S236) 및 미소 경도(S238) 측정을 포함한다.

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 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

무연솔더 Sn-(0.1~2)wt%Cu, Sn-(0.5~5)wt%Ag, Sn-(0.1~2)wt%Cu-(0.5~5)wt%Ag에 세라믹 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 첨가하는 첨가제는 La₂O₃, SiC, Cu coated CNT(Cu-CNT) 및 ZrO₂ 중 적어도 하나를 포함하는 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말의 함량은 La₂O₃이 0.01~1.0wt%, SiC는 0.01~1.0wt%, Cu-CNT는 0.005~1.0wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말의 크기는 10 μm이하인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 La₂O₃와 SiC의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 SiC와 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 La₂O₃와 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 La₂O₃와 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.1 wt%이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 SiC와 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 SiC의 함유량은 0.01~1.0 wt%이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 Cu-CNT와 ZrO₂의 혼합 첨가시 상기 Cu-CNT의 함유량은0.005~1.0 wt%이고, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 La₂O₃, SiC 및 Cu-CNT의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.01~0.5 wt%이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~0.5 wt%이며, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~0.5 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 세라믹 분말에 La₂O₃, SiC, Cu-CNT 및 ZrO₂의 혼합 첨가시, 상기 La₂O₃의 함유량은 0.001~0.1 wt%이고, 상기 SiC의 함유량은 0.01~1.0 wt%이고, 상기 Cu-CNT의 함유량은 0.005~1.0 wt%이며, 상기 ZrO₂의 함유량은 0.01~1.0 wt%인 무연 솔더 합금 조성물.
Sn-Cu, Sn-Ag 및 Sn-Cu-Ag계 중 적어도 하나의 솔더 분말을 혼합하는 단계;
상기 혼합 솔더 분말을 진공 상태에서 용융시키는 단계; 및
상기 용융된 솔더 분말에 첨가제를 첨가하는 단계를 포함하는 무연 솔더 합금의 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 용융 단계 수행시 상기 혼합 솔더 분말의 진공 용해 온도는 450~550℃이고, 용해 유지 시간은 20~40분이며, 승온속도는 5~15℃/분인 무연 솔더 합금의 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 첨가제 첨가 단계 수행시 상기 첨가제는 La₂O₃, SiC, Cu coated CNT(Cu-CNT) 및 ZrO₂ 중 적어도 하나의 세라믹 분말인 무연 솔더 합금의 제조 방법.
제15항에 있어서,
상기 첨가제 첨가 단계 수행시 상기 세라믹 분말의 함량은 La₂O₃이 0.01~1.0wt%, SiC는 0.01~1.0wt%, Cu-CNT는 0.005~1.0wt%인 무연 솔더 합금의 제조 방법.