KR20180000369A - 전자부품 실장용 땜납 합금 및 납땜 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플럭스 및 페이스트가 혼합된 전자부품 실장용 땜납 합금 및 상기 땜납 합금을 이용하여 납땜하는 방법에 관한 것으로써, 구체적으로는 Bi 56~58중량%, Cu 0.05~0.15중량%, Ag 0.3~0.5중량% 및 Co 0.01~0.03중량% 및 Sn 잔부로 이루어진 저융점 땜납 합금과, Bi 0.01~0.1중량%, Cu 0.45~0.55중량%, Ag 2.8~3.2중량% 및 Sn 잔부로 이루어진 고융점 땜납 합금이 혼합된 전자부품 실장용 땜납 합금 및 상기 땜납 합금을 이용하여 납땜하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 저융점의 땜납 합금이 먼저 용융된 후 고융점의 땜납 합금이 용융되어 서로 확산이 발생하며 전자부품의 접착 강도를 높인 효과가 있다.
본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 통상의 온도보다 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 위스커, 보이드, 브릿지, 마이그레이션의 발생을 감소시킨 효과가 있다.
본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 제조 시 진공 상태에서 용융됨으로써 드로스의 발생을 감소시키고 납땜성을 향상시킨 효과가 있다.

Description

전자부품 실장용 땜납 합금 및 납땜 조성물{ELECTRONIC PARTS FOR MOUNTING LEAD FREE SOLDER, AND SOLDERING COMPOSITION}

본 발명은 플럭스 및 페이스트가 혼합된 전자부품 실장용 땜납 합금 및 상기 땜납 합금을 이용하여 납땜하는 방법에 관한 것으로써, 구체적으로는 Bi 56~58중량%, Cu 0.05~0.15중량%, Ag 0.3~0.5중량% 및 Co 0.01~0.03중량% 및 Sn 잔부로 이루어진 저융점 땜납 합금과, Cu 0.45~0.55중량%, Ag 2.8~3.2중량% 및 Sn 잔부로 이루어진 고융점 땜납 합금이 혼합된 전자부품 실장용 땜납 합금 및 상기 땜납 합금을 이용하여 납땜하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 저융점 땜납 합금 및 고융점 땜납 합금이 진공 상태에서 용융되는 것을 특징으로 하고, 전자부품용 땜납 합금과 플럭스의 중량비가 4~12:1~3인 것을 특징으로 하며, 상기 전자부품용 땜납 합금에 혼합되는 플럭스는 수지 91~95중량%, 첨가제 3~7중량%, 용제 2~6중량%로 이루어진 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 저융점 땜납 합금이 먼저 용융된 후 고융점 땜납 합금이 용융되어 서로 확산이 발생하며 전자부품의 접착 강도를 높이는 효과가 있다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 통상의 온도보다 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 위스커(Whisker), 보이드(Void), 브릿지(Bridge), 마이그레이션(Migration)의 발생을 감소시킨 효과가 있다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 제조 시 진공 상태에서 용융됨으로써 금속의 산화를 억제시켜 드로스(dross)의 발생을 감소시키고 납땜성을 향상시킨 효과가 있다.

인쇄회로기판에 실장되는 회로부품은 실장형태에 따라 인쇄회로 표면상에 실장되는 표면실장부품(Surface Mounting Device)과 인쇄회로기판을 관통하여 실장되는 삽입실장부품(Insert Mounting Device)로 크게 나눌 수 있다. 이러한 표면실장부품과 삽입실장부품은 하나의 인쇄회로기판 상에 혼재되도록 실장되며, 접합하는 방법으로는 표면실장부품을 리플로우 납땜(Reflow Soldering) 공정을 이용해 납땜한 후, 삽입실장부품을 리플로우 납땜 공정을 이용해 납땜하는 방법이 널리 이용되고 있다.

납땜에 이용되는 땜납 합금은 납(Pb)의 용융 온도보다 낮은 온도에서 용융되는 연납과, 용융 온도가 450℃ 이상인 경납으로 크게 분류될 수 있다.

낮은 융점의 연납은 낮은 융점을 갖는 금속인 주석(Sn)과 납(Pb)으로 구성되어 이들의 젖음성, 융점, 기계적 강도 등 여러 면에서 뛰어난 점을 이용하여 오래 전부터 사용되던 접합재료 중의 하나이지만, 납(Pb)이 환경 및 인체에 미치는 영향이 문제시되어 토양을 오염시키는 심각한 환경문제를 발생시키는 동시에 인체 내에 계속 축적되어 심각한 병을 초래하는 문제점이 부각되고, 특히 어린이의 지능을 저하시키는 작용을 유발시킬 수 있다는 보고가 있었다. 따라서 근래에는 납이 포함되지 않는 무연 땜납이 다양하게 연구되어 왔다.

그러나 지금까지 개발된 무연 땜납은 융점이 높고 작업성이 좋지 않은 경향이 있어 저융점 땜납 합금과 접합 신뢰성 및 작업성이 우수한 합금들이 계속 개발되고 있으며, 고융점 땜납 합금과 저융점 땜납 합금을 혼합하여 융점을 낮추는 기술이 제시되어 있다(특허문헌 1 참조).

앞서 언급한 표면실장부품은 내열성으로서, 납땜 온도 조건에 맞추어 리플로우 납땜 공정을 수행할 경우 접착강도를 높이기 위하여 고융점 땜납 합금을 이용하여 표면실장부품을 납땜하게 되는데, 상대적으로 저내열성인 삽입실장부품은 이 때 높은 열로 인해 파손될 수 있다.

그러나 삽입실장부품의 파손을 방지하기 위하여 저융점 땜납 합금을 이용하여 납땜 공정을 수행할 경우 접합강도가 약화되며, 그로 인해 낙하 충격과 같은 외력이 가해질 경우 납땜된 부품의 접합이 분리되는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 접합강도를 향상시키기 위하여, 열경화성 수지류를 포함하는 플럭스, 또는 이에 납땜용 합금분말을 혼합하는 페이스트를 접합재료로 사용하는 방법이 제안되고 있다. 이러한 플럭스 또는 페이스트를 사용한 접합부는 땜납층 주위에 전자부품과 회로기판의 간극을 충전하여 밀착성을 보강하는 경화 수지막이 형성되므로 강도가 향상되는 것으로 판단되는 것이다.

특허문헌 1에는 플럭스를 이용하여 땜납 합금을 접합한 기술이 기재되어 있으나, 땜납 합금의 용융을 진공 상태에서 수행하지 않아 드로스가 발생될 확률이 높다는 문제점이 있다.

이에 본 출원인은 융점이 상반된 두 종류의 땜납 합금을 혼합하고 이들 땜납 합금의 조성을 제어함으로써 납땜 시, 용융 온도를 제어하여 접합 공정을 단순화하고 접합 불량이 발생하는 것을 최소화하며, 접합강도를 강화하고 드로스의 발생을 낮출 수 있는 땜납 합금을 제공할 수 있다고 판단하여 본 발명을 안출하였다.

일본 특허공개공보 2011-056527호(2011.03.24.)

본 발명의 목적은, 저융점의 땜납 합금이 먼저 용융된 후 고융점의 땜납 합금이 용융되어 서로 확산이 발생하며 전자부품의 접착 강도를 높인 전자부품 실장용 땜납 합금을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 목적은 통상의 온도보다 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시킨 전자부품 실장용 땜납 합금을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 Bi 56~58중량%, Cu 0.05~0.15중량%, Ag 0.3~0.5중량% 및 Co 0.01~0.03중량% 및 Sn 잔부로 이루어진 저융점 땜납 합금과, Cu 0.45~0.55중량%, Ag 2.8~3.2중량% 및 Sn 잔부로 이루어진 고융점 땜납 합금이 혼합된 전자부품용 땜납 합금을 제공함으로써 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명에서 저융점 땜납 합금은 25 내지 35중량%, 고융점 땜납 합금은 65 내지 75중량%인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 저융점 땜납 합금은 융점이 137 내지 141℃인 것을 특징으로 하고, 고융점 땜납 합금은 융점이 217 내지 221℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 저융점 땜납 및 고융점 땜납이 진공 상태에서 용융되는 것을 특징으로 하고, 전자부품용 땜납 합금과 플럭스의 중량비가 4~12:1~3인 것을 특징으로 하며, 상기 전자부품용 땜납 합금에 혼합되는 플럭스는 수지 91~95중량%, 첨가제 3~7중량%, 용제 2~6중량%로 이루어진 전자부품용 땜납 합금을 제공함으로써 기술적 과제를 해결하고자 한다.

또한 본 발명은 전자부품용 땜납 합금 85~90중량%와 잔부 플럭스를 포함하여 구성된 납땜 조성물을 제공함으로써 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 저융점의 땜납 합금이 먼저 용융된 후 고융점의 땜납 합금이 용융되어 확산이 발생하며 전자부품의 접착 강도를 높인 효과가 있다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 통상의 온도보다 낮은 온도에서 납땜 공정을 수행함에 따라 납땜 공정을 단순화하여 전자부품 제조공정의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 위스커, 보이드, 브릿지, 마이그레이션의 발생을 감소시킨 효과가 있다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 땜납 합금은, 제조 시 진공 상태에서 용융됨으로써 드로스의 발생을 감소시키고 납땜성을 향상시킨 효과가 있다.

도 1은 땜납 합금의 reflow profile을 나타낸 것이다.
도 2는 reflow profile을 간략화하고, 아래에 구간별 속도 및 온도를 나타낸 것이다.
도 3은 낙하 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 낙하 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 각 땜납 합금의 최초 균열 높이를 측정한 것이다.
도 6은 접합강도 측정 실험의 설계 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 각 땜납 합금의 접합강도 및 수축도를 나타낸 것이다.
도 8은 인장 시험에 사용되는 시험편의 모양을 나타낸 것이다.
도 9는 젖음성 측정 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.
도 10은 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 젖음성을 육안으로 확인한 것이다.
도 11은 고융점+저융점 땜납 합금의 젖음성을 육안으로 확인한 것이다.
도 12는 고융점 땜납 합금의 젖음성을 육안으로 확인한 것이다.
도 13은 열 충격 시험 횟수 증가에 따른 접합강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 14는 85℃/85% 1000hr 조건에서 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 납땜하고 위스커를 육안으로 확인한 것이다.
도 15는 -40℃/80% 1000cycle 조건에서 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 납땜하고 위스커를 육안으로 확인한 것이다.
도 16은 설정된 인쇄 패턴을 나타낸 것이다.
도 17은 고융점+저융점 땜납 합금의 보이드를 확인한 것이다.
도 18은 땜납 합금의 브릿지를 확인하기 위한 reflow profile이다.
도 19는 0.2~0.4mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.
도 20은 0.2~0.4mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.
도 21은 0.2~0.5mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.
도 22는 0.2~0.7mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.
도 23은 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금에 절연저항값을 확인하여 마이그레이션의 발생 유무를 나타낸 것이다.
도 24는 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금에 빛을 투과하여 마이그레이션의 발생 유무를 나타낸 것이다.
도 25는 납땜 페이스트 접합강도의 변화를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. 도면들 중 본 발명의 요지를 불필요하게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

<실시예 1> : 고융점 + 저융점 플럭스 땜납 합금의 제조

1) 저융점 땜납 합금 분말 용해물의 제조 단계

원소 Bi 56~58중량%, Cu 0.05~0.15중량%, Ag 0.3~0.5중량% 및 Co 0.01~0.03중량%, Sn 잔부가 필수적으로 포함되며, 그 밖에 Pb, Sb, Au, In, Al, As, Cd, Fe, Ni 및 Zn 등의 원소가 추가적으로 0.1~1.0중량% 포함될 수 있다. 땜납 분말의 크기는 10 내지 500㎛로 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 22 내지 38㎛가 바람직하다.

상기 조성의 원소를 포함하는 땜납 합금은 대기 중에서 포트(pot) 또는 도가니 등을 사용하여 가열, 교반 또는 용해하는 통상의 방법에 의해 주조되어 제조될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

Ag는 납땜의 유동성을 개선하고 납땜 시 땜납 합금의 융점을 낮추기 위하여, Cu는 계면반응층의 성장속도를 향상시키기 위하여 첨가된다.

이 때, 대기 중에서 용해하는 경우 금속원료 중의 불순물 또는 비금속 개재물과 합금용탕이 대기와 반응하여 땜납 합금 내에 용존가스가 잔류하게 되며, 이로 인해 땜납 모재 표면의 젖음성을 방해하여 납땜성이 저하되거나 접합부에 보이드가 발생되기 때문에 열 전도도, 열 피로 특성 및 제품 신뢰성에 문제가 발생될 소지가 있다.

따라서 합금 제조시 진공 상태에서 용융함으로서 발생되는 불순물이나 물과 합금 내의 용존가스를 최소화하여 납땜성을 향상시키고 드로스 발생을 최소화하는 방법이 바람직하나, 용융 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.

2) 고융점 땜납 합금 분말 용해물의 제조 단계

원소 Cu 0.45~0.55중량%, Ag 2.8~3.2중량%, Sn 잔부가 필수적으로 포함되며, 그 밖에 Pb, Sb, Bi, Au, In, Al, As, Cd, Fe, Ni 및 Zn 등의 원소가 추가적으로 0.1~1.0중량% 포함될 수 있다. 땜납 분말의 크기는 10~500㎛로 할 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 40㎛로 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 조성의 원소를 포함하는 땜납 합금은 대기 중에서 포트(pot) 또는 도가니 등을 사용하여 가열, 교반 또는 용해하는 통상의 방법에 의해 주조되어 제조될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

3) 합금 분말 혼합물의 제조 단계

저융점 땜납 합금 분말 용해물과 고융점 땜납 합금 분말 용해물을 혼합하여 합금 분말 혼합물을 제조한다.

저융점 땜납 합금 분말 용해물 2~3중량부 기준으로 고융점 땜납 합금 분말 용해물 7~8중량부를 혼합할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

4) 플럭스의 제조 단계

단계 3)의 땜납 합금 분말 혼합물에 수지 91~95중량%, 첨가제 3~7중량%, 용제 2~6중량%를 혼합하여 제조한 플럭스를 혼합한다.

이 때 수지는 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지 또는 그 변성 수지, 아크릴 수지 등의 열경화성 수지군 또는 폴리아미드 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리메타크릴 수지, 폴리카보네이트 수지, 셀룰로오스 수지 등의 열가소성 수지 군으로부터 택일되거나 2가지 이상 혼합될 수 있다.

땜납 합금 분말 혼합물과 플럭스의 중량비는 유동적으로 변경될 수 있으며, 바람직하게는 4~12:1~3로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

5) 납땜 페이스트의 제조 단계

단계 4)의 과정으로 제조된 플럭스에 3)의 과정으로 제조된 합금 분말 혼합물을 혼합한다. 혼합 시 중량비는 유동적으로 변경될 수 있다.

<실험예 1> : 각 땜납 합금의 특성치 측정

1) 실험 방법

실시예 1의 단계 1) 내지 5)에 기재된 방법으로 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 제조하였다.

실시예 1의 단계 3)에 기재된 방법으로 고융점+저융점 땜납 합금을 제조하였다.

실시예 1의 단계 2)에 기재된 방법으로 고융점 땜납 합금을 제조하였다.

실시예 1의 단계 1)에 기재된 방법으로 저융점 땜납 합금을 제조하였다.

상기 합금들로 실험을 수행하였으며, 상기 합금들을 땜납 합금이라고 통칭하도록 한다.

하기 [표 1]은 실시예 1에서 제조된 저융점 땜납 합금과 고융점 땜납 합금을 혼합비율을 나타낸 것이다.

	고융점+ 저융점	고융점+ 저융점	고융점+ 저융점	고융점+ 저융점	고융점+ 저융점	고융점+ 저융점	고융점+ 저융점
저융점 땜납 합금(중량%)	40	35	30	25	20	0	100
고융점 땜납 합금(중량%)	60	65	70	75	80	100	0

2) 온도 측정

땜납 합금 각각에 DSC(Differential Scanning Calorimetry)를 이용하여 분말들이 용융되는 온도 구간을 측정하였다.

3) 실험 결과

도 1은 땜납 합금의 reflow profile을 나타낸 것이다.

도 2는 reflow profile을 간략화하고, 아래에 구간별 속도 및 온도를 나타낸 것이다.

하기 [표 2]는 본 발명의 저융점 납땜 합금과 고융점 납땜 합금의 적정한 범위를 구하기 위하여 일정한 중량으로 혼합된 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금, 고융점+저융점 땜납 합금, 고융점 땜납 합금 및 저융점 땜납 합금을 각각의 용융 온도 구간의 측정한 결과를 나타낸 것이다.

	고융점+저융점 플럭스 땜납 합금	고융점+저융점 땜납 합금	고융점 땜납 합금	저융점 땜납 합금
용융 온도 범위(℃)	139~226	139~222	217~226	139~141

[표 2]를 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땝납 합금은 용융 온도 범위가 139~226℃로 용융되는 온도 범위가 가장 넓으며, 고융점+저융점 땜납 합금은 139~222℃로 용융 온도 범위가 2순위로 넓음을 알 수 있다.

또한 고융점 땜납 합금은 217~226℃로 용융 온도 범위가 3순위로 넓으며, 저융점 땜납 합금은 139~141℃로 용융 온도 범위가 가장 좁음을 알 수 있다.

용융 온도를 고려하여 볼 때, 본 발명에서 용융이 시작되는 온도에는 차이가 없으나, 고융점 땜납 합금과 저융점 땜납 합금이 혼합되면서 용융 온도 범위가 더 넓어진 것을 알 수 있다.

<실험예 2> : 각 땜납 합금의 내구성 측정

1) 실험 과정

실시예 1에 기재된 방법으로 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금, 고융점+저융점 땜납 합금, 고융점 땜납 합금 및 저융점 땜납 합금을 제조하였다.

동장 적층판에 각 땜납 합금을 이용하여 구리 펠렛을 납땜한 후, 70g의 추를 구리 펠렛에 낙하시켜, 구리 펠렛의 접합부가 최초로 균열되는 시점의 추 높이를 측정하는 방식으로 실험이 수행되었다.

추를 낙하시키는 높이는 5cm부터 시작하여 1cm씩 높였다.

2) 실험 결과

도 3은 땜납 합금 낙하 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.

도 4는 땜납 합금 낙하 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.

도 5는 각 땜납 합금의 최초 균열 높이를 측정한 것이다.

도 5를 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 최초 파손 높이는 33cm로 가장 높았으며, 고융점+저융점 땜납 합금의 최초 파손 높이는 18cm로 2순위로 높았다. 고융점 땜납 합금의 최초 파손 높이는 17cm로 3순위로 높았다. 저융점 땜납 합금의 최초 파손 높이는 14.5cm로 가장 낮았다.

최초 균열 높이와 내구성은 비례하므로, 위 실험 결과로 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 내구성이 가장 높으며, 고융점+저융점 땜납 합금의 내구성이 2순위로 높고, 고융점 땜납 합금이 내구성이 3순위로 높으며, 저융점 땜납 합금의 내구성이 가장 낮음을 알 수 있다.

<실험예 3> : 각 땜납 합금의 접합강도 및 수축도 측정

1) 실험 방법

실시예 1에 기재된 방법으로 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금, 고융점+저융점 땜납 합금 및 고융점 땜납 합금을 제조하였다.

2125 Type의 칩 resister 및 0.65mm Pitch QFP를 납땜한 후, 각 땜납 합금의 접합강도와 수축도를 각각 측정하였다.

땜납 합금에 사용된 플럭스(flux)는 시중에서 판매되고 있는 것으로 할로겐을 함유하지 않은 로진계 유기산 플럭스를 사용하였고, 플럭스 함유량은 전체 중량에서 11중량%가 되도록 하였다.

2) 실험 결과

도 6은 접합강도 측정 실험의 설계 구조를 나타낸 것이다.

도 7은 각 땜납 합금의 접합강도 및 수축도를 나타낸 것이다.

도 7을 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금은 약 45kgf의 접합강도를 보였으며, 고융점+저융점 땜납 합금은 44kgf의 접합강도를 보였고, 고융점 땜납 합금은 43.5kgf의 접합강도를 보여, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 접합강도가 가장 높음을 알 수 있다.

또한 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금은 27%의 수축도를 보였으며, 고융점+저융점 땜납 합금은 22%의 수축도를 보였다. 또한 고융점 땜납 합금은 15%로 현저히 낮은 수축도를 보였다.

위 실험 결과로, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 접합강도 및 수축력이 가장 높은 것을 알 수 있다. 즉, 고융점 땜납 합금과 저융점 땜납 합금을 혼합하고, 플럭스를 혼합하면 접합강도 및 수축도가 증가한다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 4> : 각 땜납 합금의 인장 강도 측정

1) 실험 방법

실시예 1에 기재된 방법으로 제조된 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금, 고융점+저융점 땜납 합금 및 고융점 땜납 합금을 제조하고, 각 땜납 합금의 인장 길이 및 인장 정도를 측정하였다.

인장시 속도는 5.0mm/min으로 설정되었다.

도 8은 인장 시험에 사용되는 시험편의 모양을 나타낸 것이다.

2) 실험 결과

하기의 [표 3]은 각 땝납 합금의 인장 길이 및 인장 정도를 비교한 것이다.

	고융점 땜납 합금	고융점+저융점 땜납 합금	고융점+저융점 플럭스 땜납 합금
인장 길이(MPa)	22.9	31.4	32.8
인장 정도(％)	29	39	41

표를 토대로 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 인장 길이는 32.8MPa, 인장 정도는 41%로 가장 높은 것을 알 수 있다.

고융점+저융점 땜납 합금의 인장 길이는 31.4MPa, 인장 정도는 39%로 2순위로 높았으며, 고융점 땜납 합금의 인장 길이는 22.9MPa, 인장 정도는 29%로 가장 낮았다.

위 실험 결과로, 고융점 땜납 합금과 저융점 땜납 합금을 혼합하고, 플럭스를 혼합하면 인장 길이 및 인장 정도가 증가한다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 5> : 각 땜납 합금의 젖음성 측정

1) 실험 방법

실시예 1에 기재된 방법으로 제조된 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금, 고융점+저융점 땜납 합금 및 고융점 땜납 합금을 제조하였다.

용융된 각 땜납 합금에 측정기를 담갔다가 빼는 방식으로 각 땜납 합금의 젖음성을 측정하였다. 젖음성 측정은 젖음 시간, 젖음력을 측정하여 이루어졌다.

침지 속도 5.0mm/sec, 침지 깊이 4.0mm, 침지 시간 10초의 조건으로 젖음 시간과 젖음력을 측정하였다.

도 9는 젖음성 측정 실험 설계 구조를 나타낸 것이다.

도 10은 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 젖음성을 육안으로 확인한 것이다.

도 11은 고융점+저융점 땜납 합금의 젖음성을 육안으로 확인한 것이다.

도 12는 고융점 땜납 합금의 젖음성을 육안으로 확인한 것이다.

2) 실험 결과

하기의 [표 4]는 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금, 고융점+저융점 땜납 합금 및 고융점 땜납 합금 실험군의 젖음 시간 및 젖음력을 측정한 것이다.

	젖음 시간(sec) Wetting Time(sec)	젖음력(mN） Wetting Force(mN）
고융점 땜납 합금	3.0	2.1
고융점+저융점 땜납 합금	2.9	2.5
고융점+저융점 플럭스 땜납 합금	1.6	2.8

[표 4]를 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땜납 함금의 젖음 시간이 1.6초로 가장 짧았으며, 젖음력이 2.8mN로 가장 높았다.

다음으로는 고융점+저융점 땜납 합금의 젖음 시간이 2.9초로 2순위로 짧았으며, 젖음력이 2.5mN로 2순위로 높았다.

고융점 땜납 합금은 젖음 시간이 1.6초로 가장 느리고 젖음력이 2.1mN으로 가장 낮았다.

또한 도 10을 도 11 및 12와 비교해보면, 땜납 합금 주위 부분의 젖은 면적이 현저히 높음을 확인할 수 있다.

위 실험 결과로, 고융점+저융점 금속을 혼합하고, 플럭스를 혼합함에 따라 땜납 합금의 젖음성이 강화되었다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 6> : 각 땜납 합금의 납땜 이음 신뢰성 측정

1) 실험 방법

실시예 1에 기재된 방법으로 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금, 고융점+저융점 땜납 합금 및 고융점 땜납 합금을 제조하였다.

열 충격 시험 조건은 40℃／30min⇔85℃／30min로 하였으며, 접합강도 속도는 0.25mm/sec에서 측정되었다.

2) 실험 결과

도 13은 열 충격 시험 횟수 증가에 따른 접합강도의 변화를 나타낸 것이다.

도 13을 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 초기 접합강도가 50kgf로 가장 높았다가 열 충격 시험 횟수를 증가시킬수록 감소하여, 최종적으로는 39kgf로 감소한 것을 알 수 있다.

또한 고융점+저융점 땜납 합금의 초기 접합강도는 45kgf였다가 열 충격 시험 횟수를 증가시킬수록 감소하여, 최종적으로는 35kgf로 감소한 것을 알 수 있다.

고융점 땜납 합금의 초기 접합강도는 38kgf였다가 열 충격 시험 횟수를 증가시킬수록 감소하여, 최종적으로는 30kgf로 감소한 것을 알 수 있다.

위 실험 결과로서, 고융점+저융점 금속을 혼합하고, 플럭스를 혼합함에 따라 땜납 합금의 젖음성이 강화되었다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 7> : 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 위스커 측정

위스커란 장시간 방치된 금속결정의 표면에서 성장한 다수의 ㎛ 단위의 수염 모양 결정으로, CuCl, CuBr, FeCl2, FeBr2 등의 할로겐화 화합물을 약 650~750℃의 수소 증기층에서 가열할 때 생성된다.

위스커는 전기 도금피막 특유의 산성 도금용액 및 알칼리 용액에 발생하기 쉬우며, 광택용액, 특히 amine aldehyde 계에 의해서도 발생하기 쉽다.

위스커는 전자공업에서는 문제가 되고 있는데, 위스커는 회로, 예를 들어 릴레이식의 전화교환기의 커넥터에서 단락사고를 일으키므로 위스커는 되도록 생성되지 않는 것이 좋다.

1) 실험 방법

실시예 1에 기재된 방법으로 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금이 제조되었으며, 상기 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금이 PCB에 인쇄되고, 0.5mm 피치 QFP를 reflow한 것을 실험하였다.

고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 85℃/85% 1000hr 조건과, -40℃/80% 1000cycle 조건에서 정치한 후 납땜 부분의 위스커 발생 유무를 관찰하였다.

2) 실험 결과

도 14는 85℃/85% 1000hr 조건에서 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 납땜하고 위스커를 육안으로 확인한 것이다.

도 15은 -40℃/80% 1000cycle 조건에서 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 납땜하고 위스커를 육안으로 확인한 것이다.

도 14 및 15를 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 85℃/85% 1000hr 조건, -40℃/80% 1000cycle 조건 모두에서 납땜한 표면이 매끄러우며, 수염 모양 결정을 발견할 수 없다.

위 실험 결과로, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금은 위스커가 발생하지 않는다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 8> : 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 보이드 함량 측정

앞서 언급한 바와 같이, 보이드는 납땜을 수행할시 발생하는 기공으로, 다양한 메커니즘에 의하여 발생된다.

Macrovoid는 솔더접합부에서 가장 흔히 관찰되는 void 종류로, 솔더링 공정 중에 flux의 휘발이나 솔더 페이스트의 유기물질이 증발될 때 솔더의 표면으로 나가지 못하고 내부에 갇히게 되면서 형성된다.

또한 Planar microvoid는 Cu 전극에 Immersion silver로 표면처리를 할 경우 copper의 거친 표면으로 인하여 형성된다.

Microvia void는 솔더의 양이 충분하지 않거나 전극과 솔더 간의 낮은 젖음성 특성으로 인하여 Microvia 내부를 솔더가 채우지 못하여 형성된다. 보이드가 발생되면 땜납 내부의 단면적을 작게 하므로, 열 이송 능력을 약화시킨다. 따라서 보이드의 열 전도도, 열 피로 특성 및 제품 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다.

작은 보이드가 혼합되어 큰 보이드를 형성하는 경우도 대다수이며, 보이드의 크기가 커질 수록 접합 신뢰성이 감소한다.

1) 실험 방법

인쇄 두께를 가로 0.325mm, 세로 0.5mm로 설정하여 고융점+저융점 땜납 합금의 납땜을 수행한 후, 땜납을 X-ray로 찍어 보이드를 확인하고, 보이드의 함량을 측정하였다.

2) 실험 결과

도 16은 설정된 인쇄 패턴을 나타낸 것이다.

도 17은 고융점+저융점 땜납 합금의 보이드를 확인한 것이다.

도 17을 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 땜납 합금의 보이드의 크기가 크지 않은 것을 발견할 수 있다.

또한 측정 결과, 보이드의 면적 비율은 2.9%였다. 이는 땜납 합금의 전체 비중에서 볼 때 낮은 비율이다.

위 실험 결과로, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금에서 보이드의 발생이 현저히 낮다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 9> : 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 브릿지 확인

브릿지는 땜납 합금을 용융하여 납땜을 하는 과정에서 납땜 구역 간의 납이 연결되는 형태의 불량을 지칭한다.

1) 실험 방법

0.1mm씩 증가되는 간격을 각각 0.2~0.4mm 간격, 0.2~0.5mm 간격, 0.2~0.7mm의 간격으로 설정하고, 실시예 1의 과정으로 제조된 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 이용하여 납땜을 수행하며 브릿지를 확인하였다.

2) 실험 결과

도 18은 땜납 합금의 브릿지를 확인하기 위한 reflow profile이다.

도 19는 0.2~0.4mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.

도 20은 0.2~0.4mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.

도 21은 0.2~0.5mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.

도 22는 0.2~0.7mm 간격에서의 브릿지를 확인한 것이다.

도 18 내지 21을 토대로 하여 살펴보면, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금을 이용하여 납땜을 수행하였을시, 0.7mm로 간격이 가장 먼 납땜 구역은 물론, 0.2mm로 간격이 가장 좁은 납땜 구역 역시 어떤 브릿지도 발견되지 않음을 알 수 있다.

위 실험 결과로, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금은 브릿지가 발생하지 않는다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 10> : 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 마이그레이션 확인

마이그레이션은 전해 이행, 전해 부식이라고 한다. 흡습성이 비교적 큰 절연물 중 두 개의 전극간에 전압이 걸리면 애노드(anode)에서 전극금속이 이온이 되어 용출하여 전해 부식되는 현상을 말한다. 애노드란 금속성 도체가 전해질 등의 이온 전도를 하는 물체와 접촉하고 있을 때, 전류가 접촉면을 통하여 금속에서 전해질 용액으로 흐르는 경우 그 금속성 도체를 지칭한다.

마이그레이션의 형태는 다양하며, 아래와 같은 형태들이 있다.

나뭇가지 형태의 마이그레이션{수지상(樹枝狀) 형태, dendrite migration}은 양극에서 음극 향으로 금속이 가지치는 모습으로 이동하는 형태가 되는 경우이며, 대부분의 경우 나뭇가지 형태는 절연체의 표면에서 관찰된다. 이 현상은 IC 소자와 프린트된 PCB(배선 보드)에서 관찰된다.

콜로이달(colloidal) 마이그레이션은 금속이 양극에서 절연체를 통과하여 발생하며, 이 경우는 양극에서 전극의 방향이 아닌 쪽으로 금속이 흘러나오는 듯 한 현상이 관찰되는 경우다. 이러한 마이그레이션은 PCB 기판과 터미널(접합단자) 근처에서 발견된다.

절연체 내부에서 마이그레이션은 금속이 필름을 찢고 투과해 레진 안쪽으로 들어가 표면에 도달한다.

금속 중 특히 Ag가 마이그레이션을 일으키기 쉬우며 애노드 부근에서는 2AgOH=Ag2O+H2O가 되어 Ag2O의 콜로이드가 생성된다. Ag2O는 절연물 중의 환원성 물질, 또는 외적 요인에 의해 환원되며 Ag 이온이 되어 캐소드(cathode)에 침상결정으로써 석출되어 전기적 단락 또는 절연파괴의 원인이 된다. 캐소드는 금속성 도체가 이온 전도를 하는 물체와 접촉하고 있을 때, 전류가 접촉면을 통해 전해질 용액에서 금속으로 흘러가는 경우 그 금속성 도체를 지칭한다.

1) 실험 방법

실시예 1의 과정으로 제조된 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금의 절연저항을 시간의 경과에 따라 측정하는 방법과, 땜납 합금에 투과광을 비춰 확인하는 방법을 사용하여 실험을 수행하였다.

2) 실험 결과

도 23은 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금에 절연저항 값을 확인하여 마이그레이션의 발생 유무를 나타낸 것이다.

도 24는 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금에 빛을 투과하여 마이그레이션의 발생 유무를 나타낸 것이다.

도 23을 토대로 하여 살펴보면, 일시적으로 절연저항 값이 급격히 감소하다가 100h가 지나는 시점부터 다시 증가하기 시작하여 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

또한 도 24를 토대로 하여 살펴보면, +극 및 극 사이에서 금속의 석출이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.

위 실험 결과로서, 고융점+저융점 플럭스 땜납 합금에서 마이그레이션 발생이 현저히 낮다는 결론을 도출할 수 있다.

<실험예 11> : 납땜 페이스트의 특성치 측정

1) 실험 방법

실시예 1에 기재된 방법으로 실험군(납땜 페이스트 1, 납땜 페이스트 2 및 납땜 페이스트 3)을 제조하였다.

비교군으로는 에폭시 수지 대신 송진에 첨가제와 용제를 사용하였다.

하기의 [표 5]는 실험군(납땜 페이스트 1, 납땜 페이스트 2 및 납땜 페이스트 3) 및 비교군의 에폭시 수지, 첨가제 및 용제의 조성을 비교한 것이다.

	납땜 페이스트 1	납땜 페이스트 2	납땜 페이스트 3	비교군
에폭시 수지	60	70	91	45(송진)
첨가제	30	23	3	25
용제	10	7	6	30

2) 실험 결과

하기의 [표 6]은 납땜 페이스트의 특성치를 항목별로 측정한 것이다.

	납땜 페이스트 1	납땜 페이스트 2	납땜 페이스트 3	비교군
부식성	◎	◎	◎	○
절연성	◎	◎	◎	○
납땜성	◎	○	△	◎
건조도	◎	◎	◎	△
마이그레이션	◎	◎	◎	△
◎:매우 양호, ○:양호, △:보통, ×:나쁨

[표 6]의 납땜 페이스트 실험군의 부식성, 절연성, 건조도 및 마이그레이션은 비교군에 비해 우수한 특성을 보였으며, 납땜성은 다소 미흡하였다.

특히 건조도는 수지 대신 송진을 첨가한 비교예에 비하여 매우 우수한 특성을 보였다.

이는 플럭스 잔사가 경화되어 플럭스 내에 있는 활성물질이 금속과 반응하지 않아 특성치가 향상되었기 때문인 것으로 판단된다.

<실험예 12> : 납땜 페이스트의 접합강도 확인

1) 실험 방법

실험예 1에 기재된 실험군 중 일부인 납땜 페이스트 3을 실시예 1에 기재된 방법으로 제조하였다. 납땜 페이스트 3의 조성은 [표 5]에 기재된 바와 같다.

제품 시험 기판에 reflow된 납땜 페이스트를 인쇄한 후 Sn 도금 0.5mm 피치 QFP을 탑재하고. -40℃/125℃ 1000cycle로 설정한 후, 인장 시험 속도를 5mm/min로 하여 250 cycle마다 접합강도를 측정하였다.

2) 실험 결과

도 25는 납땜 페이스트 접합강도의 변화를 나타낸 것이다.

도 25를 토대로 하여 살펴보면, cycle이 반복됨에 따라 납땜 페이스트의 접합강도가 14N에서 12N으로 감소하고 있으나, 1000 cycle이 반복되는 동안 감소폭은 2N밖에 감소하지 않은 것을 확인할 수 있다.

위 실험 결과로서, 납땜 페이스트의 접합강도는 매우 높다는 결론을 도출할 수 있다.

Claims (8)

1. 전자부품용 땜납 합금에 있어서,
   Bi 56~58중량%, Cu 0.05~0.15중량%, Ag 0.3~0.5중량% 및 Co 0.01~0.03중량% 및 Sn 잔부로 구성된 저융점 땜납 합금과,
   Cu 0.45~0.55중량%, Ag 2.8~3.2중량% 및 Sn 잔부로 구성된 고융점 땜납 합금이 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는, 전자부품용 땜납 합금.
2. 청구항 1에 있어서,
   저융점 땜납 합금은 25 내지 35중량%이고, 고융점 땜납 합금은 65 내지 75중량%인 것을 특징으로 하는, 전자부품용 땜납 합금.
3. 청구항 1에 있어서,
   저융점 땜납 합금은 융점이 137 내지 141℃인 것을 특징으로 하고, 고융점 땜납 합금은 융점이 217 내지 221℃인 것을 특징으로 하는, 전자부품용 땜납 합금.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 저융점 땜납 합금 및 고융점 땜납 합금은 진공 상태에서 용융되는 것을 특징으로 하는, 전자부품용 땜납 합금.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 전자부품용 땜납 합금에 혼합되는 플럭스는 수지 91~95중량%, 첨가제 3~7중량%, 용제 2~6중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전자부품용 땜납 합금.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지 또는 그 변성 수지, 아크릴 수지로 구성되는 열경화성 수지군 또는 폴리아미드 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리메타크릴 수지, 폴리카보네이트 수지, 셀룰로오스 수지로 구성되는 열가소성 수지 군으로부터 선택되는 1종을 포함하며,
   상기 첨가제는 활성제, 칙소제, 경화제, 산화방지제와 점도 안정도를 포함하고,
   상기 용제는 알코올, 글리콜에테르, 글리시딜 에테르로부터 선택되는 1종을 포함하며,
   상기 활성제는 아민계 염산염, 아민계 브롬염, 유기카르복실산, 유기산 할로겐염으로부터 선택되는 1종을 포함하고,
   상기 칙소제는 오일, 왁스로부터 선택되는 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자부품용 땜납 합금.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 전자부품용 땜납 합금과 플럭스의 중량비는 4~12:1~3인 것을 특징으로 하는, 전자부품용 땜납 합금.
8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 전자부품용 땜납 합금 85~90중량%와 잔부 플럭스를 포함하여 구성되는 납땜 조성물.

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