KR20160040655A - 무연 땜납 합금 - Google Patents

Abstract

질량％로, Bi:31 내지 59％, Sb:0.15 내지 0.75％, 또한 Cu:0.3 내지 1.0％ 및／또는 P:0.002 내지 0.055％를 함유하고, 잔부가 Sn으로 본질적으로 이루어지는 무연 땜납 합금은, 납땜 중의 얇은 기판 변형의 억제가 가능한 낮은 융점을 갖는다. 이 땜납 합금은 P를 함유하는 Ni 피막을 갖는 전극에의 납땜에 사용한 경우라도, P 리치층의 성장이 억제되어 땜납 접합부의 전단 강도가 개선된다. 또한, 이 땜납 합금은 합금의 연성 및 인장 강도가 높으므로, 신뢰성이 높은 납땜 조인트를 형성할 수 있다.

Description

무연 땜납 합금{LEAD-FREE SOLDER ALLOY}

본 발명은, Sn-Bi-Sb계 무연 땜납 합금, 특히, 접속 신뢰성이 우수한 Sn-Bi-Sb계 무연 땜납 합금에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화 등의 전자 기기는 소형화, 박형화하는 경향이 있다. 그와 같은 전자 기기에 사용되고 있는 반도체 장치 등의 전자 부품에서는, 두께를 수㎜정도로부터 1㎜ 이하로 얇게 한 기판이 사용되도록 되어 오고 있다.

한편, 종래, 무연 땜납으로서 Sn-Ag-Cu 땜납 합금이 널리 사용되고 있다. Sn-Ag-Cu 땜납 합금은 비교적 융점이 높고, 공정 조성인 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금에서도 220℃ 정도를 나타낸다. 이로 인해, 전술한 바와 같은 얇은 기판의 단자(전극)를 Sn-Ag-Cu 땜납 합금으로 납땜을 행하면, 접합 시의 열로 기판이 변형되어, 접합 불량이 발생할 경우가 있다.

이와 같은 접합 불량에 대해, 납땜을 저온으로 행함으로써 얇은 기판의 변형을 억제하여 접속 신뢰성을 높이는 것이 행해지고 있다. 이 목적을 위해 사용 가능한 저융점 땜납 합금으로서, Sn-Bi 땜납 합금이 알려져 있다. 이 Sn-Bi 땜납 합금 중에서도, Sn-58Bi 땜납 합금은 융점이 140℃ 정도로 매우 낮아, 기판의 변형을 억제할 수 있다.

그러나, Bi는 원래 무른 원소이며, Sn-Bi 땜납 합금도 무르다. Sn-Bi 땜납 합금의 Bi의 함유량을 저감해도, Bi가 Sn 중에 편석됨으로써 이 땜납 합금은 취화된다. Sn-Bi 땜납 합금을 사용해서 납땜을 행한 납땜 조인트는, 다대한 응력이 가해지면 그 취성에 의해 균열이 발생해서 기계적 강도가 열화될 우려가 있다.

또한, 전자 부품의 소형화에 대응하므로, 그에 사용하는 기판의 면적을 좁게 하지 않으면 안되고, 전극의 소형화나 전극간의 저 피치화를 실현하지 않으면 안된다. 게다가, 각 전극을 납땜하기 위한 땜납 합금의 사용량이 저감되므로, 땜납 접합부의 기계적 강도가 저하된다.

이들 문제점으로부터, 기판의 변형을 억제하는 것이 가능한 저융점인 Sn-Bi 땜납 합금에 어떠한 원소를 첨가하여, 기계적 강도를 비롯한 다양한 특성의 향상을 도모하는 검토가 이루어져 있다.

특허문헌 1에는, Sn-Bi 땜납 합금에 Sb를 첨가함으로써 연성을 개선하는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, Sn-Bi 땜납 합금에 Sb 및 Ga를 첨가함으로써, Sn-Bi 땜납 합금의 취약함을 개선시켜 접합 강도가 향상되는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 3에는, Sn-Bi 땜납 합금에 Cu를 첨가함으로써 전극의 Cu 침식을 억제하고, 또한, Sb를 첨가함으로써 땜납 합금의 기계적 강도의 향상을 도모하는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 4에는, Sn-Bi 땜납 합금에 Ag, Cu, In, Ni를 필수 원소로서 첨가함으로써 신장률이나 균열 발생까지의 경과 시간으로 나타내어지는 기계적 피로 강도(균열 발생 수명)의 저하가 완화되는 것이 개시되어 있다. 그 문헌에는, Sb를 첨가함으로써 균열 발생 수명이 저하되는 것도 기재되어 있다.

상술한 바와 같이, 최근 전자 부품의 소형화는 납땜 조인트의 소형화도 초래한다. 이에 의해, 단자(전극)를 접합하는 땜납 페이스트의 사용량도 적고, 땜납 접합 강도도 저하된다. 따라서, 특허문헌 5에는, 땜납 접합 강도를 보충하기 위해, Sn-Bi계 땜납 합금에 열경화성 접착제를 함유한 땜납 접합 재료가 개시되어 있다. 열경화성 접착제는 틱소제, 경화제 및 플럭스 등을 함유하는 열경화성 접착제 성분의 형태로 사용해도 되는 것이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2010-167472호 공보 일본 특허 공개 평07-040079호 공보 일본 특허 공개 평11-320177호 공보 일본 특허 공개 제2004-017093호 공보 일본 특허 공개 제2007-090407호 공보

일반적으로, 구리(Cu)로 이루어지는 전자 부품의 단자(전극)는, 무전해 Ni 도금의 후, Au 도금 또는 Pd 도금과 Au 도금의 조합과 같은 귀금속 도금에 의해 처리되는 경우가 많다. Au 도금은, 그 하층의 Ni 도금을 산화로부터 방호하고, 용융 땜납에 의한 표면의 습윤성을 향상시키기 위해 설치된다. 무전해 Ni 도금은, 일반적으로, 상당한 양의 인(P)을 함유하는 Ni 피막을 형성한다. 이 인은, 주로 무전해 도금에 사용하는 환원제(예를 들어, 차아인산나트륨)에서 유래한다. 통상, 이와 같은 Ni 도금 피막의 P 함유량은 수 질량％ 이상, 예를 들어, 2 내지 15％ 질량％이다.

특허문헌 1 및 2에 개시된 발명에서는, 예를 들어, 무전해 Ni 도금 처리된 단자(전극)에 납땜을 행하면, 땜납 합금 중에의 Ni의 확산 계수가 P의 확산 계수보다 크므로, 도금 피막 중의 Ni가 우선적으로 땜납 합금 중에 확산되어 버린다. 그리고, 땜납 접합부와의 계면에 Ni보다 P가 많이 석출되고, 계면에 소위 P 리치(고농도)층이 형성된다. Au 피막과 같은 귀금속 피막이 Ni 피막 상에 존재해서 Ni/Au 도금 피막을 형성하고 있어도, 후술하는 바와 같이, Au 그 밖의 귀금속 도금 피막은 매우 얇고, Ni의 확산을 저지할 수는 없으므로, Ni의 우선적 확산은 일어난다.

이 P 리치층은 단단하고 무르기 때문에 땜납 접합부의 전단 강도를 열화시킨다. 이와 같은 P 리치층을 갖는 땜납 접합부가 전단에 의해 파단되면, Ni 도금층이 노출되는 현상이 종종 발생한다. 이것은, 땜납 접합부 자체의 파단이 아니라, 단자(전극)로부터의 P 리치층의 박리 누락에 의해 파단이 일어나는 것을 의미한다. 따라서, P 리치층의 생성은 땜납 접합부의 접속 신뢰성에 악영향을 미친다.

특허문헌 3에는, Sb나 Cu의 첨가에 의한 효과가 기재되어 있지만, 그 함유량은 정해지지는 않고, Sb를 첨가한 것의 효과도 입증되어 있지 않다. 또한, Cu를 첨가함으로써 납땜 조인트의 기계적 강도가 향상되는 점에 대해서는 다루어져 있지 않다.

특허문헌 4에는, Sb와 Cu의 양쪽을 첨가하면, 열발생 수명의 저하가 커지는 경향이 있는 것이나, 필수의 원소인 In의 첨가에 의해 신장률이 향상되는 것이 기재되어 있다. 그러나, Sb 및 Cu를 첨가함으로써 땜납 합금의 연성이나 땜납 접합부의 기계적 강도가 향상되는 것에 대해서는 일절 개시되어 있지 않다.

특허문헌 5는, Sn-Bi계 땜납 합금과 열경화성 수지를 포함하는 땜납 접합 재료가, 또한 Sb나 Cu를 함유해도 되는 것을 개시하고 있다. 이 특허문헌 5에는, 땜납 합금의 조직의 조대화를 억제하여 고수명화를 도모하기 위해 Sb나 Cu를 첨가하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이로 인해, 특허문헌 5에는, Sb나 Cu의 첨가에 의해, 땜납 합금의 연성이나 인장 강도가 향상되고, 땜납 접합부의 전단 강도가 향상되는 것에 대한 입증은 이루어져 있지 않다. 또한, 구체적으로 어떠한 합금 조성 및 배합비의 땜납 합금을 사용해서 그와 같은 효과를 발휘하는 것인지 불분명하다.

본 발명의 과제는, 접속 신뢰성이 우수한 납땜 조인트를 형성할 수 있는 Sn-Bi-Sb계 무연 땜납 합금을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 전형적으로는 무전해 Ni 도금에 의해 형성되는 P 함유 Ni 피막을 갖는 전극에의 납땜의 경우, 땜납 합금에의 Ni의 확산 계수가 P의 확산 계수와 비교해서 큰 것에 착안하여, 납땜 중 합금 중에의 Ni의 확산을 억제함으로써, P 리치층의 성장을 억제하는 것이 가능한 것을 알았다.

이를 실현하기 위해, 본 발명자들은, Sn-Bi-Sb 땜납 합금에 Cu 및 P의 한쪽 또는 양쪽을 첨가하면, 저융점과, 우수한 연성 및 높은 인장 강도를 유지하면서, Ni의 확산을 억제함으로써, P 리치층의 성장이 현저하게 억제되어, 땜납 접합부의 전단 강도가 현저하게 개선되는 것을 알았다.

본 발명의 무연 땜납 합금은, 질량％로, Bi:31 내지 59％, Sb:0.15 내지 0.75％ 및 Cu:0.3 내지 1.0％ 및 P:0.002 내지 0.055％로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부 Sn으로 본질적으로 이루어지는 합금 조성을 갖는다.

또한, 본 발명의 납땜 조인트는, Ni 도금층을 갖는 Cu 전극 상에 상기 무연 합금을 사용해서 형성된다.

또한, 본 발명의 기판은, 각각 Ni 도금층을 갖는 복수의 Cu 전극을 구비하고, 두께가 5㎜ 이하이고, 상기의 무연 땜납 합금을 사용해서 형성되는 납땜 조인트를 갖는다.

본 발명의 무연 땜납 합금은, 땜납 접합 시의 기판의 열변형을 억제하는 데 충분한 저융점을 갖고, 연성이 우수하고 인장 강도가 높고, 또한 무전해 Ni 도금에 의해 처리된 전극에의 납땜 중에 접합 계면에 있어서의 P 리치층의 생성을 억제하여, 땜납 접합부의 전단 강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 납땜 조인트는, 상기의 땜납 합금의 땜납 접합부의 전단 강도의 향상에 수반하여, 전극과 땜납 접합부와의 계면에서 파단이 일어나기 어려워지고, 종래보다도 얇은 기판을 사용했다고 한 경우라도 우수한 접속 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 기판은, 납땜 시에 변형이 저감되어, 우수한 접속 신뢰성을 달성하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 무전해 Ni/Au 도금 처리된 Cu 전극에 Sn-58Bi 땜납 합금을 사용해서 납땜을 행하고, 형성된 땜납 접합부를 전단 제거한 후에 있어서의, 전극의 표면 SEM 사진이다.
도 2a는 Sn-58Bi 땜납 합금을 사용해서, 무전해 Ni/Au 도금 처리를 행한 Cu 전극에 납땜을 행하여 형성한 납땜 조인트에 있어서의, 땜납 접합부와 전극과의 계면 근방의 단면 SEM 사진이다.
도 2b는 본 발명에 따른 Sn-40Bi-0.5Sb-0.5Cu 땜납 합금을 사용해서, 무전해 Ni/Au 도금 처리를 행한 Cu 전극에 납땜을 행하여 형성한 납땜 조인트에 있어서의, 땜납 접합부와 전극과의 계면 근방의 단면 SEM 사진이다.
도 2c는 Sn-58Bi 땜납 합금을 사용해서, 무전해 Ni/Pd/Au 도금 처리를 행한 Cu 전극에 납땜을 행하여 형성한 납땜 조인트에 있어서의, 땜납 접합부와 전극과의 계면 근방의 단면 SEM 사진이다.
도 2d는 본 발명에 따른 Sn-40Bi-0.5Sb-0.5Cu 땜납 합금을 사용해서, 무전해 Ni/Pd/Au 도금 처리를 행한 Cu 전극에 납땜을 행하여 형성한 납땜 조인트에 있어서의, 땜납 접합부와 전극과의 계면 근방의 단면 SEM 사진이다.

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

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, Sn-Bi-Sb 땜납 합금에 Cu 및/또는 P를 함유시킨 것이다. 이 땜납 합금은, Sn-Bi-Sb 땜납 합금이 원래 갖는 저융점 및 고연성을 나타낸다. 또한, 특히 전극에 무전해 Ni/Au 도금 처리 또는 무전해 Ni/Pd/Au 도금 처리된 전극과 같은 무전해 Ni 도금을 받은 전극에 사용되고 있는 경우에는, 본 땜납 합금은, Ni의 땜납 합금에의 확산을 억제함으로써 P 리치층의 성장을 억제하여 땜납 접합부의 전단 강도를 대폭으로 개선할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 관한 무연 땜납 합금에서는, 납땜 중의 얇은 기판의 변형을 억제하면서, 우수한 접속 신뢰성(땜납 접합부의 접속 신뢰성)을 확보할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일반적으로 무전해 Ni 도금에 계속해서 Au 도금 또는 Pd/Au 도금과 같은 다른 귀금속에 의한 도금 처리가 실시되어 있다. 따라서, Ni 도금층 상에 Au 도금이 적층되어 있다. 그러나, 이와 같은 Au 도금층 또는 다른 귀금속 도금층은 0.05㎛ 정도로 얇고, 납땜 중에 땜납 합금 중에 확산함으로써 상실되어 버린다. 그로 인해, 본 발명에 있어서, 다양한 특성을 평가하는 데 있어서는 Au 도금층 또는 다른 귀금속 도금층에 대해 특히 고려할 필요는 없다.

본 발명에 관한 땜납 합금은 하기의 금속 조성을 갖는다.

Bi의 함유량은 31 내지 59％이다. Bi는 땜납 합금의 융점을 저하시킨다. Bi의 함유량이 31％보다 적으면 융점이 높아져 납땜 시에 기판이 변형되는 경우가 있다. Bi의 함유량이 59％보다 많으면, Bi의 석출에 의해 인장 강도 및 연성이 열화된다. Bi의 함유량은, 바람직하게는 32 내지 58％이며, 더 바람직하게는 35 내지 58％이다.

Sb의 함유량은 0.15 내지 0.75이다. Sb는 땜납 합금의 연성을 향상시킨다. Sb의 함유량이 0.15％보다 적으면 연성(신장)이 열화되고, Sb의 함유량이 0.75％보다 많으면 화합물의 형성에 의해 연성이 저하된다. Sb의 함유량은, 바람직하게는 0.2 내지 0.75％이며, 더 바람직하게는 0.2 내지 0.7％이다.

Cu의 함유량은 0.3 내지 1.0％이다. Cu는 무전해 Ni 도금에 의해 형성한 Ni 도금층과 땜납 접합부와의 계면에 생성하는 P 리치층의 성장을 억제한다. Cu의 함유량이 0.3％보다 적으면, P 리치층의 형성을 억제할 수 없어, 전단 강도가 저하된다. Cu의 함유량이 1.0％보다 많으면, 땜납 합금 중에 Sn과 Cu와의 금속간 화합물이 과잉으로 형성되고, 땜납 합금의 연성이 저하된다. 또한, Cu의 함유량이 1.0％를 초과하면, 땜납 합금의 융점이 현저하게 상승하여, 땜납 합금의 습윤성을 저하시킨다. 또한, 기판의 변형이 발생함으로써 작업성이 악화된다. Cu의 함유량은, 바람직하게는 0.3 내지 0.8％이며, 더 바람직하게는 0.3 내지 0.7％이다.

P의 함유량은 0.002 내지 0.055％이다. Cu와 마찬가지로, P도 P 리치층의 성장을 억제한다. P의 함유량이 0.002％보다 적으면, P 리치층의 형성을 억제할 수 없어, 전단 강도가 저하된다. P의 함유량이 0.055％보다 많으면, 특히 Cu 전극을 사용한 경우나 땜납 합금이 Cu를 함유하는 경우에는, 땜납 합금 중이나 접합 계면에 Sn, Cu 및 P의 화합물이 형성되고, 전단 강도가 저하된다. P의 함유량은 0.003 내지 0.055％가 바람직하고, 0.003 내지 0.05％인 것이 더 바람직하다.

이와 같이, Cu 및 P는, 모두 Sn-Bi-Sb 무연 땜납 합금에 첨가되면, 특히 무전해 Ni/Au 도금층이 형성된 전극의 납땜에 있어서, Ni의 땜납 합금 중에의 확산을 억제하고, P 리치층의 성장을 억제함으로써, 전단 강도를 현저하게 향상시키는 효과를 발현한다. 본 발명에서는, Cu와 P 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 첨가하는 것이 가능하다. 땜납 합금의 P 함유량이 많은 경우에 발생하는 인 화합물의 생성을 확실하게 회피하는 관점에서, P보다 Cu를 우선적으로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금을 사용해서 무전해 Ni층을 갖는 전극 상에 형성된 접합부에서는, 땜납 접합부를 전단 제거했을 때에, 무전해 Ni층이 노출되는 일이 없다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 관한 무연 땜납은, 무전해 도금층 중에 포함되는 Ni의 땜납 합금에의 확산을 억제함으로써, 도금층의 표면에 형성되는 P 리치층의 성장을 억제할 수 있다. 이 결과, 본 땜납 합금에서는, 전극과 땜납 접합부의 계면의 기계적 특성, 특히 전단 강도가 현저하게 향상된다.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 프리폼, 와이어, 솔더 페이스트, 땜납 볼 등의 형태로 사용할 수 있다. 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 높은 인장 강도 및 연성에 추가하여, 높은 전단 강도를 가지므로, 땜납 볼의 형태로 사용하는 경우, 종래의 땜납 볼보다 작게 하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 전자 부품 등에 사용하는 기판의 박형화나 전극의 소형화에 충분히 대응할 수 있다.

본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, IC 칩 등의 패키지의 단자(전극)와 프린트 배선판[Printed Circuit Board(이하 PCB라고 함)] 등의 기판의 단자(전극)를 접속하는 데 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 관한 무연 땜납 합금은, 높은 연성 및 인장 강도를 유지하면서, 우수한 전단 강도를 갖는다. 이로 인해, 납땜 중의 리플로우 시에 기판에 약간의 변형이 생겨도, 단자(전극)와 땜납 접합부와의 계면에서 파단이 일어나지 않는다. 그 결과, 종래보다도 얇은 기판을 사용했다고 한 경우라도 우수한 접속 신뢰성을 확보할 수 있다.

[실시예]

표 1에 나타내는 조성을 갖는 땜납 합금을 제작했다. 이들 땜납 합금에 대해서는, 그 융점, 인장 강도, 신장(연성), P 리치층의 두께, 전단 강도 및 도금 노출률이 이하에 기재되도록 하여 구해졌다. 결과를 표 1에 병기한다.

(땜납 합금의 융점)

각 땜납 합금의 융점(℃)은, 시차 주사 열량계(Differential scanning calorimetry)(세이코 인스트루먼츠사제:DSC6200)를 사용해서, 승온 속도 5℃/min의 조건에 의해 측정되었다.

[인장 강도, 신장(연성)]

표 1에 나타낸 각 조성의 땜납 합금으로부터 인장 시험용의 시험편을 제작하고, 인장 시험기(시마즈 세이사꾸쇼사제, AUTO GRAPH AG-20kN)를 사용하고, 스트로크 스피드 6.0㎜/min, 변형 스피드 0.33％/sec의 조건에 의해 시험편의 인장 강도(㎫) 및 신장(％)이 측정되었다. 땜납 합금의 인장 강도가 70㎫ 이상이며, 신장이 70％ 이상이면, 그 땜납 합금은 실용상 문제없이 사용할 수 있다고 생각된다.

(P 리치의 두께)

표 1에 나타내는 조성의 땜납 합금을 사용해서, 두께가 1.2㎜인 PCB의 Cu 전극에의 납땜이 행해졌다. 각 전극은 직경이 0.3㎜이며, 통상의 방법에 의해 무전해 Ni/Au 도금 처리가 실시되었다. 각 땜납 합금으로부터 제작한 직경 0.3㎜의 땜납 볼을, 수용성 플럭스(센주 금속사제:WF-6400)를 사용해서 회로 기판의 각 전극 상에 적재하고, 피크 온도가 210℃인 리플로우 프로파일로 리플로우 납땜에 의해, 납땜이 행해져, 납땜 조인트이 형성된 샘플이 얻어졌다.

땜납 합금의 땜납 접합부와 Ni 도금층과의 접합 계면 근방에서의 샘플 단면을 SEM에 의해 관찰하고, 얻어진 SEM 화상 해석 장치(니혼덴시사제:JSM-7000F)를 사용해서 해석하여, 다른 층과는 색이 다른 P 리치층을 특정하고, 특정된 P 리치층의 두께(㎛)를 측정함으로써, 각 샘플의 P 리치층의 두께(㎛)가 구해졌다. 동일 조건에 의해 제작한 5개의 샘플에 대해, 마찬가지로 P 리치층의 두께를 측정하고, 그 평균값이 P 리치층의 두께로 되었다.

(전단 강도)

P 리치층의 두께 측정에 사용한 전극과 마찬가지의 PCB의 전극에 대해, Cu 전극인 상태 및 무전해 Ni/Au 도금 처리된 전극의 2종류를 사용하고, 표 1에 나타내는 조성의 땜납 합금에 의해 납땜을 행하고, 땜납 접합부가 형성되었다. 이들 땜납 접합부의 전단 강도(N)가, 고속 접합 시험기(Dage사제:SERIES 4000HS)를 사용해서 1000㎜/sec의 조건에 의해 측정되었다. 전단 강도가, Cu 전극에 대해서는 2.21N 이상이며, 무전해 Ni/Au 도금한 Cu 전극에 대해서는 2.26N 이상이면, 그 합금은 실용상 문제없이 사용할 수 있다고 생각된다.

(도금 노출률)

Ni/Au 도금층을 갖는 PCB 전극에 납땜하여 땜납 합금의 전단 강도 시험을 행한 후, 전단 시험의 결과로서 땜납 접합부가 전단에 의해 제거된 전극 표면에 대해 SEM 사진이 촬영되었다. 이 사진에 대해 EDS 해석을 실시하여, Ni 도금이 노출되는 영역을 특정하고, 특정된 면적이, 세이카 산교 가부시끼가이샤제의 화상 해석 소프트(Scandium)를 사용해서 측정되었다. 이렇게 해서 구한 Ni 도금이 노출되는 영역의 면적을 전극 전체의 면적으로 나누어, 도금 노출률(％)이 산출되었다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 내지 36에서는, 어느 쪽의 땜납 합금도, 융점이 190℃보다 낮고, 인장 강도가 70㎫ 이상, 신장이 70％ 이상이었다. 무전해 Ni/Au 도금에 의해 처리된 전극 상에 형성된 땜납 접합부에 있어서의 P 리치층의 두께가 0.022㎛ 이하이고, 전단 강도는 Cu 전극에서는 2.21N 이상, 무전해 Ni/Au 도금 전극 상에서는 2.26N 이상이었다. Ni/Au 도금 처리한 전극에의 납땜에 사용한 경우의 전극으로부터 전단 박리 후의 도금 노출률은 모두 0％이었다.

한편, 표 2에 나타내는 바와 같이, Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금인 비교예 1은 융점이 높고, 인장 강도가 낮고, P 리치층의 두께가 두껍고, 무전해 Ni/Au 도금 처리한 전극에의 납땜에 사용한 경우의 전단 강도가 현저하게 떨어졌다. 표 1에는 기재되어 있지 않지만, 기판에 큰 변형이 확인되었다.

Sn-Bi 땜납 합금을 예시하는 비교예 2 내지 7에서는, Bi 함유량의 증가와 함께 인장 강도 및 신장이 열화되어, P 리치층의 두께가 두꺼워지고, 무전해 Ni/Au 도금 전극 상의 땜납 접합부의 전단 강도가 열화되어, 도금 노출률도 높은 결과가 되었다. Sn-Bi-Sb 땜납 합금을 예시하는 비교예 8 내지 21은, Sn-Bi 땜납 합금과 비교해서, 전체적으로 인장 강도나 신장이 개선되어 있지만, P 리치층의 두께가 두꺼워, 전단 강도가 불량이며, 전단에 의한 땜납 접합부의 박리 후에 Ni 도금층이 노출되었다.

Cu의 함유량이 적은 비교예 22 및 P의 함유량이 적은 비교예 23에서는, P 리치층의 두께가 두꺼워져, 무전해 Ni/Au 도금에 대한 전단 강도가 불량이며, 땜납 접합부의 전단 제거 후에 Ni 도금층이 노출되었다.

P의 함유량이 많은 비교예 24에서는 신장이 열화되어, 전단 강도가 무전해 Ni 도금 Cu 전극 및 무전해 Ni/Au 도금 중 어느 쪽의 플레이트이어도 불량이 되었다.

도 1은 무전해 Ni/Au 도금 처리된 Cu제의 전극 상에 Sn-58Bi 땜납 합금을 사용해서 땜납 접합부를 형성하고, 이 땜납 접합부를 상술한 전단 강도 시험에서 전단 제거한 후에 있어서의, 전극의 전단면의 SEM 사진이다. 비교예 2 내지 23에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, Ni 도금층이 노출되었다. 이 노출은 P 리치층이 성장하고, P 리치층과 Ni 도금층과의 계면에서 전단에 의한 파단이 생겼기 때문이라고 생각된다.

도 2a 및 도 2b는, 각각 종래의 Sn-58Bi 합금 및 본 발명에 따른 Sn-40Bi-0.5Sb-0.5Cu 합금을 사용해서 무전해 Ni/Au 도금 처리를 행한 Cu 전극에 납땜을 행하여 형성한 납땜 조인트에 있어서의, 땜납 접합부와 전극과의 계면 근방의 단면 SEM 사진이다. 도 2c 및 도 2d는, 각각 종래의 Sn-58Bi 합금 및 본 발명에 따른 Sn-40Bi-0.5Sb-0.5Cu 합금을 사용해서 무전해 Ni/Pd/Au 도금 처리를 행한 Cu 전극에 납땜을 행하여 형성한 납땜 조인트에 있어서의, 땜납 접합부와 전극과의 계면 근방의 단면 SEM 사진이다. 도 2a 및 도 2c로부터, Sn-58Bi(비교예 6:무전해 Ni/Au 도금 상에서의 전단 강도는 2.01N임)에서는 땜납 합금이 Cu를 함유하고 있지 않음으로써, P 리치층이 성장하고 있는 것이 명백하게 되었다. 한편, 도 2b 및 도 2d로부터, 본 발명에 관한 Sn-40Bi-0.5Sb-0.5Cu(실시예 5:무전해 Ni/Au 도금 상에서의 전단 강도는 2.96N임)에서는 Cu의 존재에 의해, P 리치층의 성장이 억제되어 있는 것이 명백하게 되었다. 이와 같이, 도 2a 내지 도 2d에 의하면, P 리치층의 성장을 억제함으로써 전단 강도가 현저하게 향상되는 것을 알 수 있었다.

Claims (5)

1. 질량％로, Bi:31 내지 59％, Sb:0.15 내지 0.75％, 또한 Cu:0.3 내지 1.0％ 및 P:0.002 내지 0.055％로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부 Sn으로 본질적으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 무연 땜납 합금.
2. Ni 도금층을 갖는 Cu 전극 상에, 제1항에 기재된 무연 땜납 합금을 사용해서 형성된 납땜 조인트.
3. 제2항에 있어서,
   Ni 도금층이 P 함유 무전해 도금층인 납땜 조인트.
4. 각각 Ni 도금층을 갖는 복수의 Cu 전극을 구비한, 두께가 5㎜ 이하인 기판이며, 제1항에 기재된 무연 땜납 합금을 사용해서 형성된 납땜 조인트를 포함하는 기판.
5. 제4항에 있어서,
   상기 Ni 도금층이 P 함유 무전해 도금층인 기판.

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