KR20190028985A - 납 프리 땜납 합금, 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치 - Google Patents

Abstract

한란의 차가 심하고, 진동이 부하되는 가혹한 환경 하에서도 땜납 접합부의 균열 진전을 억제할 수 있고, 또한 Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품을 사용하여 땜납 접합을 한 경우에 있어서도 전자 부품과 땜납 접합부의 계면 부근에 있어서의 균열 진전을 억제할 수 있는 납 프리 땜납 합금, 및 당해 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치를 제공한다. Ag를 1중량％ 이상 4중량％ 이하로, Cu를 1중량％ 이하로, Sb를 3중량％ 이상 5중량％ 이하로, Ni를 0.01중량％ 이상 0.25중량％ 이하 포함하고, 잔부가 Sn을 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금이다.

Description

납 프리 땜납 합금, 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치{LEAD-FREE SOLDER ALLOY, ELECTRONIC CIRCUIT BOARD AND ELECTRONIC CONTROL UNIT}

본 발명은 납 프리 땜납 합금, 및 당해 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치에 관한 것이다.

종래부터 프린트 배선판이나 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 상에 형성되는 전자 회로에 전자 부품을 접합할 때에는, 땜납 합금을 사용한 땜납 접합 방법이 채용되고 있다. 이 땜납 합금에는 납을 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 환경 부하의 관점에서 RoHS 지령 등에 의해 납의 사용이 제한되었기 때문에, 최근에는 납을 함유하지 않는, 소위 납 프리 땜납 합금에 의한 땜납 접합 방법이 일반화되고 있다.

이 납 프리 땜납 합금으로서는, 예를 들어 Sn-Cu계, Sn-Ag-Cu계, Sn-Bi계, Sn-Zn계 땜납 합금 등이 잘 알려져 있다. 그 중에서도 텔레비전, 휴대 전화 등에 사용되는 민생용 전자 기기나 자동차에 탑재되는 차량 탑재용 전자 기기에는, Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금이 많이 사용되고 있다.

납 프리 땜납 합금은, 납 함유 땜납 합금과 비교하여 납땜성이 다소 떨어지지만, 플럭스나 납땜 장치의 개량에 의해 이 납땜성의 문제는 커버되고 있다. 그 때문에, 예를 들어 차량 탑재용 전자 회로 기판이라도, 자동차의 차 실내와 같이 한란차는 있지만 비교적 온화한 환경 하에 놓이는 것에 있어서는, Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금을 사용하여 형성한 땜납 접합부에서도 큰 문제는 발생하고 있지 않다.

그러나 최근에는, 예를 들어 전자 제어 장치에 사용되는 전자 회로 기판과 같이, 엔진 컴파트먼트나 엔진 직재, 모터와의 기전 일체화와 같은 한란차가 특히 심하고(예를 들어 -30℃ 내지 110℃, -40℃ 내지 125℃, -40℃ 내지 150℃와 같은 한란차), 게다가 진동 부하를 받는 가혹한 환경 하에서의 전자 회로 기판의 배치의 검토 및 실용화가 이루어지고 있다. 이와 같은 한란차가 매우 심한 환경 하에서는, 실장된 전자 부품과 기판의 선팽창 계수의 차에 의한 땜납 접합부의 열변위 및 이에 수반되는 응력이 발생하기 쉽다. 그리고 한란차에 의한 소성 변형의 반복은 땜납 접합부에 균열을 야기하기 쉽고, 또한 시간의 경과와 함께 반복하여 부여되는 응력은 상기 균열의 선단 부근에 집중되기 때문에, 당해 균열은 땜납 접합부의 심부까지 횡단적으로 진전하기 쉬워진다. 이와 같이 현저하게 진전된 균열은, 전자 부품과 기판 상에 형성된 전자 회로의 전기적 접속의 절단을 야기해 버린다. 특히 심한 한란차에 더하여 전자 회로 기판에 진동이 부하되는 환경 하에 있어서는, 상기 균열 및 그 진전은 더 발생하기 쉽다.

그 때문에, 상술한 가혹한 환경 하에 놓이는 차량 탑재용 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치가 증가되는 가운데, 충분한 균열 진전 억제 효과를 발휘할 수 있는 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금에의 요망은, 향후 점점 커질 것이 예상된다.

또한, 차량 탑재용 전자 회로 기판에 탑재되는 QFP(Quad Flat Package), SOP(Small Outline Package)와 같은 전자 부품의 리드 부분에는, 종래, Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 행해진 부품이 다용되었다. 그러나 최근의 전자 부품의 저비용화나 기판의 다운 사이징화에 수반하여, 리드 부분을 Sn 도금으로 교체한 전자 부품이나 Sn 도금된 하면 전극을 갖는 전자 부품의 검토 및 실용화가 이루어지고 있다.

땜납 접합 시에 있어서, Sn 도금된 전자 부품은, Sn 도금 및 땜납 접합부에 포함되는 Sn과 리드 부분이나 상기 하면 전극에 포함되는 Cu의 상호 확산을 발생시키기 쉽다. 이 상호 확산에 의해, 땜납 접합부와 상기 리드 부분이나 상기 하면 전극의 계면 부근의 영역(이하, 본 명세서에 있어서는 「계면 부근」이라 함)에서, 금속간 화합물인 Cu₃Sn층이 요철 형상으로 크게 성장한다. 상기 Cu₃Sn층은 원래 단단하여 깨지기 쉬운 성질을 갖고, 또한 요철 형상으로 크게 성장한 Cu₃Sn층은 더 깨지기 쉽다. 그 때문에, 특히 상술한 가혹한 환경 하에서는, 상기 계면 부근은 땜납 접합부와 비교하여 균열이 발생하기 쉽고, 또한 발생한 균열은 이것을 기점으로 하여 단숨에 진전하기 때문에, 전기적 단락이 발생하기 쉽다.

따라서, 금후에는 상술한 가혹한 환경 하에서 Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품을 사용한 경우라도 상기 계면 부근에 있어서의 균열 진전 억제 효과를 발휘할 수 있는 납 프리 땜납 합금에의 요망도 커질 것이 예상된다.

지금까지도 Sn-Ag-Cu계 땜납 합금에 Ag나 Bi와 같은 원소를 첨가함으로써 땜납 접합부의 강도와 이에 수반되는 열 피로 특성을 향상시키고, 이에 의해 상기 땜납 접합부의 균열 진전을 억제하는 방법은 몇 가지 개시되어 있다(특허문헌 1 내지 특허문헌 7 참조).

땜납 합금에 Bi를 첨가한 경우, Bi는 땜납 합금의 원자 배열의 격자에 들어가 Sn과 치환됨으로써 원자 배열의 격자를 왜곡시킨다. 이에 의해 Sn 매트릭스가 강화되어, 합금 강도가 향상되기 때문에, Bi의 첨가에 의한 땜납 균열 진전 특성의 일정한 향상은 예상된다.

그러나 Bi의 첨가에 의해 고강도화된 납 프리 땜납 합금은 연신성이 악화되고, 취성이 강해진다는 단점이 있다. 출원인이 Bi를 첨가한 종래의 납 프리 땜납 합금을 사용하여 기판과 칩 저항 부품을 땜납 접합하고 이것을 한란차가 심한 환경 하에 둔 결과, 칩 저항 부품측에 있는 필렛 부분에 있어서, 칩 저항 부품의 긴 변 방향에 대하여 약 45°의 방향으로부터 균열이 직선 형상으로 생겨 전기적 단락이 발생하였다. 따라서, 특히 한란의 차가 심한 환경 하에 놓이는 차량 탑재용 기판에 있어서는 종래와 같은 Bi 등의 첨가에 의한 고강도화만으로는 균열 진전 억제 효과는 충분하지 않고, 고강도화 외에 새로운 균열 진전 억제 방법의 출현이 요망된다.

또한 Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품을 사용하여 땜납 접합을 한 경우, 상기 계면 부근에서 금속간 화합물인 Cu₃Sn층이 요철 형상으로 크게 성장하기 때문에, 이 계면 부근에 있어서의 균열 진전의 억제는 어렵다.

일본 특허 공개 평5-228685호 공보 일본 특허 공개 평9-326554호 공보 일본 특허 공개 제2000-190090호 공보 일본 특허 공개 제2000-349433호 공보 일본 특허 공개 제2008-28413호 공보 국제 공개 팸플릿 WO2009/011341호 일본 특허 공개 제2012-81521호 공보

본 발명은 상기 과제를 해결하는 것이며, 한란의 차가 심하고, 진동이 부하되는 가혹한 환경 하에서도 땜납 접합부의 균열 진전을 억제할 수 있고, 또한 Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품을 사용하여 땜납 접합을 한 경우에 있어서도 상기 계면 부근에 있어서의 균열 진전을 억제할 수 있는 납 프리 땜납 합금, 및 당해 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

(1) 본 발명의 납 프리 땜납 합금은, Ag를 1중량％ 이상 4중량％ 이하로, Cu를 1중량％ 이하로, Sb를 3중량％ 이상 5중량％ 이하로, Ni를 0.01중량％ 이상 0.25중량％ 이하 포함하고, 잔부가 Sn을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

(2) 상기 (1)에 기재된 구성에 있어서, 본 발명의 납 프리 땜납 합금은 Co를 0.001중량％ 이상 0.25중량％ 이하 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서, Sb의 함유량은 3.5중량％ 이상 5중량％ 이하인 것을 그 특징으로 한다.

(4) 또한 본 발명의 다른 구성으로서, 본 발명의 납 프리 땜납 합금은, Ag를 1중량％ 이상 4중량％ 이하로, Cu를 1중량％ 이하로, Sb를 3중량％ 이상 5중량％ 이하로, Ni를 0.01중량％ 이상 0.25중량％ 이하로, Co를 0.001중량％ 이상 0.25중량％ 이하 포함하고 잔부가 Sn을 포함하며, Ag와 Cu와 Sb와 Ni와 Co의 각각의 함유량(중량％)이 하기 식 (A) 내지 (D) 모두를 만족시키는 것을 그 특징으로 한다.

1.6≤Ag 함유량+(Cu 함유량/0.5)≤5.4 … A

0.73≤(Ag 함유량/4)+(Sb 함유량/5)≤2.10 … B

1.1≤Sb 함유량/Cu 함유량≤11.9 … C

0<(Ni 함유량/0.25)+(Co 함유량/0.25)≤1.19 … D

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서, 본 발명의 납 프리 땜납 합금은, In을 6중량％ 이하 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서, 본 발명의 납 프리 땜납 합금은, P, Ga 및 Ge 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서, 본 발명의 납 프리 땜납 합금은, Fe, Mn, Cr 및 Mo 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

(8) 본 발명의 전자 회로 기판은, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 그 특징으로 한다.

(9) 본 발명의 전자 제어 장치는, 상기 (8)에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 납 프리 땜납 합금, 및 당해 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치는, 한란의 차가 심하고, 진동이 부하되는 가혹한 환경 하에서도 땜납 접합부의 균열 진전을 억제할 수 있고, 또한 Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품을 사용하여 땜납 접합을 한 경우에 있어서도, 상기 계면 부근에 있어서의 균열 진전을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 것이며, 전자 회로 기판의 일부를 도시한 부분 단면도.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 시험 기판에 있어서, 칩 부품의 필렛부에 보이드가 발생한 단면을 나타내는 전자 현미경 사진.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시험 기판에 있어서, 칩 부품의 전극 아래의 영역 및 필렛이 형성되어 있는 영역을 나타내는, X선 투과 장치를 사용하여 칩 부품측으로부터 촬영한 사진.

이하, 본 발명의 납 프리 땜납 합금, 및 전자 회로 기판 및 전자 제어 장치의 일 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명이 이하의 실시 형태에 한정되지 않는 것은 물론이다.

(1) 납 프리 땜납 합금

본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, 1중량％ 이상 4중량％ 이하의 Ag를 함유시킬 수 있다. Ag를 첨가함으로써, 납 프리 땜납 합금의 Sn 입계 중에 Ag₃Sn 화합물을 석출시켜, 기계적 강도를 부여할 수 있다.

단, Ag의 함유량이 1중량％ 미만인 경우, Ag₃Sn 화합물의 석출이 적어, 납 프리 땜납 합금의 기계적 강도 및 내열충격성이 저하되므로 바람직하지 않다. 또한 Ag의 함유량이 4중량％를 초과하면, 납 프리 땜납 합금의 연신성이 저해되어, 이것을 사용하여 형성되는 땜납 접합부가 전자 부품의 전극 박리 현상을 일으킬 우려가 있으므로 바람직하지 않다.

또한 Ag의 함유량을 2중량％ 이상 3.8중량％ 이하로 하면, 납 프리 땜납 합금의 강도와 연신성의 밸런스를 보다 양호하게 할 수 있다. 더욱 바람직한 Ag의 함유량은 2.5중량％ 이상 3.8중량％ 이하이다.

본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, 1중량％ 이하의 Cu를 함유시킬 수 있다. 이 범위에서 Cu를 첨가함으로써, 전자 회로의 Cu 랜드에 대한 Cu 침식 방지 효과를 발휘함과 함께, Sn 입계 중에 Cu₆Sn₅ 화합물을 석출시킴으로써 납 프리 땜납 합금의 내열충격성을 향상시킬 수 있다.

또한, Cu의 함유량을 0.5중량％ 내지 1중량％로 하면 양호한 Cu 침식 방지 효과를 발휘할 수 있다. 특히 Cu의 함유량이 0.7중량％ 이하인 경우, Cu 랜드에 대한 Cu 침식 방지 효과를 발휘할 수 있음과 함께, 용융 시의 납 프리 땜납 합금의 점도를 양호한 상태로 유지할 수 있어, 리플로우 시에 있어서의 보이드의 발생을 억제하고, 형성하는 땜납 접합부의 내열충격성을 향상시킬 수 있다. 나아가, 용융한 납 프리 땜납 합금의 Sn 결정립계에 미세한 Cu₆Sn₅가 분산됨으로써, Sn의 결정 방위의 변화를 억제하여, 땜납 접합 형상(필렛 형상)의 변형을 억제할 수 있다.

또한 Cu의 함유량이 1중량％를 초과하면, 땜납 접합부의 전자 부품 및 전자 회로 기판과의 계면 근방에 Cu₆Sn₅ 화합물이 석출되기 쉬워져, 접합 신뢰성이나 땜납 접합부의 연신성을 저해할 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.

본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, 3중량％ 이상 5중량％ 이하의 Sb를 함유시킬 수 있다. 이 범위에서 Sb를 첨가함으로써, Sn-Ag-Cu계 땜납 합금의 연신성을 저해하지 않고 땜납 접합부의 균열 진전 억제 효과를 향상시킬 수 있다. Sb의 함유량을 3중량％ 이상 5중량％ 이하, 더욱 바람직하게는 3.5중량％ 이상 5중량％ 이하로 하면, 균열 진전 억제 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

여기서, 한란의 차가 심한 가혹한 환경 하에 장시간 노출된다고 하는 외부 응력에 견디기 위해서는, 납 프리 땜납 합금의 인성(응력-왜곡 곡선으로 둘러싸인 면적의 크기)을 높여, 연신성을 양호하게 하고, 또한 Sn 매트릭스에 고용하는 원소를 첨가하여 고용 강화를 하는 것이 유효하다고 생각된다. 그리고, 충분한 인성 및 연신성을 확보하면서, 납 프리 땜납 합금의 고용 강화를 행하기 위해서는 Sb가 최적의 원소로 된다.

즉, 실질적으로 모재(본 명세서에 있어서는 납 프리 땜납 합금의 주요한 구성 요소를 가리킴. 이하 동일함)를 Sn으로 하는 납 프리 땜납 합금에 상기 범위에서 Sb를 첨가함으로써, Sn의 결정 격자의 일부가 Sb로 치환되어, 그 결정 격자에 왜곡이 발생한다. 그 때문에, 이와 같은 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부는, Sn 결정 격자의 일부의 Sb 치환에 의해 상기 결정 중의 전이에 필요한 에너지가 증대되어 그 금속 조직이 강화된다. 나아가, Sn 입계에 미세한 SnSb, ε-Ag₃(Sn, Sb) 화합물이 석출됨으로써, Sn 입계의 미끄럼 변형을 방지함으로써 땜납 접합부에 발생하는 균열의 진전을 억제할 수 있다.

또한, Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금에 비해, 상기 범위에서 Sb를 첨가한 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성한 땜납 접합부의 조직은, 한란의 차가 심한 가혹한 환경 하에 장시간 노출시킨 후에도 Sn 결정이 미세한 상태를 확보하고 있어, 균열이 진전되기 어려운 구조인 것을 확인하였다. 이것은 Sn 입계에 석출되어 있는 SnSb, ε-Ag₃(Sn, Sb) 화합물이 한란의 차가 심한 가혹한 환경 하에 장시간 노출시킨 후에 있어서도 땜납 접합부 내에 미세하게 분산되어 있기 때문에, Sn 결정의 조대화가 억제되어 있는 것으로 생각된다. 즉, 상기 범위 내에서 Sb를 첨가한 납 프리 땜납 합금을 사용한 땜납 접합부는, 고온 상태에서는 Sn 매트릭스 중으로의 Sb의 고용이, 저온 상태에서는 SnSb, ε-Ag₃(Sn, Sb) 화합물의 석출이 일어나기 때문에, 한란의 차가 심한 가혹한 환경 하에 장시간 노출된 경우에도, 고온 하에서는 고용 강화, 저온 하에서는 석출　강화의 공정이 반복됨으로써, 우수한 내냉열 충격성을 확보할 수 있다고 생각된다.

또한, 상기 범위에서 Sb를 첨가한 납 프리 땜납 합금은, Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금에 대하여 연신성을 저하시키지 않고 그 강도를 향상시킬 수 있기 때문에, 외부 응력에 대한 충분한 인성을 확보할 수 있고, 잔류 응력도 완화할 수 있다.

여기서, 연신성이 낮은 땜납 합금을 사용하여 형성된 땜납 접합부를 한란의 차가 심한 환경 하에 둔 경우, 반복하여 발생하는 응력은 당해 땜납 접합부의 전자 부품측에 축적되기 쉬워진다. 그 때문에, 심부 균열은 전자 부품의 전극 근방의 땜납 접합부에서 발생하는 경우가 많다. 이 결과, 이 균열 근방의 전자 부품의 전극에 응력이 집중되어 버려, 땜납 접합부가 전자 부품측의 전극을 박리해 버리는 현상이 발생할 수 있다. 그러나 본 실시 형태의 땜납 합금은 상기 범위에서 Sb를 첨가한 것에 의해, Bi와 같은 땜납 합금의 연신성에 영향을 미치는 원소를 함유시켜도 그 자체의 연신성이 저해되기 어렵고, 따라서 상술한 바와 같은 가혹한 환경 하에 장시간 노출된 경우라도 전자 부품의 전극 박리 현상도 억제할 수 있다.

또한 Sb의 함유량이 3％ 미만인 경우, Sn 결정 격자의 일부에 있어서는 Sb 치환에 의해 결정 중의 전이에 필요한 에너지가 증대되어 그 금속 조직을 고용 강화할 수 있지만, SnSb, ε-Ag₃(Sn, Sb) 등의 미세한 화합물은 Sn 입계에 충분히 석출될 수 없다. 그 때문에 이와 같은 땜납 합금을 사용하여 형성한 땜납 접합부를 한란차가 심한 가혹한 환경 하에 장시간 노출시키면 Sn 결정이 비대화되어 균열이 진전되기 쉬운 구조체로 변화되어 버리고, 따라서 땜납 접합부에 충분한 내열 피로 특성을 확보하는 것은 어렵다.

또한 Sb의 함유량이 5중량％를 초과하면, 납 프리 땜납 합금의 용융 온도가 상승해 버려, 고온 하에서 Sb가 재고용되기 않게 된다. 그 때문에, 한란의 차가 심한 가혹한 환경 하에 장시간 노출시킨 경우, SnSb, ε-Ag₃(Sn, Sb) 화합물에 의한 석출 강화만이 행해지기 때문에, 시간의 경과와 함께 이들 금속간 화합물이 조대화되어, Sn 입계의 미끄럼 변형의 억제 효과가 실효되어 버린다. 또한 이 경우, 납 프리 땜납 합금의 용융 온도의 상승에 의해 전자 부품의 내열 온도도 문제로 되기 때문에, 바람직하지 않다.

본 실시 형태에 있어서의 납 프리 땜납 합금은, 그 구성에 의해, Sb의 함유량을 3중량％ 이상 5중량％ 이하로 해도, 납 프리 땜납 합금의 용융 온도의 과도한 상승을 억제하고, 또한 형성되는 땜납 접합체에 양호한 강도를 부여한다. 그 때문에, 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에 있어서는, Bi를 그 필수 원소로 하지 않더라도, 형성되는 땜납 접합부의 균열 진전 억제 효과를 충분히 발휘하는 것이 가능해진다.

본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, 0.01중량％ 이상 0.25중량％ 이하의 Ni를 함유시킬 수 있다. 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금의 구성이면, 이 범위에서 Ni를 첨가함으로써, 용융한 납 프리 땜납 합금 중에 미세한 (Cu, Ni)₆Sn₅가 형성되어 모재 중에 분산되기 때문에, 땜납 접합부에 있어서의 균열의 진전을 억제하고, 또한 그 내열 피로 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금은, Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품을 땜납 접합하는 경우라도, 땜납 접합 시에 Ni가 상기 계면 부근으로 이동하여 미세한 (Cu, Ni)₆Sn₅를 형성하기 때문에, 그 계면 부근에 있어서의 Cu₃Sn층의 성장을 억제할 수 있어, 상기 계면 부근의 균열 진전 억제 효과를 향상시킬 수 있다.

단, Ni의 함유량이 0.01중량％ 미만이면, 상기 금속간 화합물의 개질 효과가 불충분해지기 때문에, 상기 계면 부근의 균열 억제 효과는 충분히는 얻어지기 어렵다. 또한 Ni의 함유량이 0.25중량％를 초과하면, 종래의 Sn-3Ag-0.5Cu 합금에 비해 과냉각이 발생하기 어려워져, 땜납 합금이 응고되는 타이밍이 빨라져 버린다. 그 때문에, 형성되는 땜납 접합부의 필렛에서는, 땜납 합금의 용융 중에 밖으로 빠져나가려고 한 가스가 그 안에 남은 채로 응고되어 버려, 필렛 중에 가스에 의한 구멍(보이드)이 발생해 버리는 케이스가 확인된다. 이 필렛 중의 보이드는, 특히 -40℃ 내지 140℃, -40℃ 내지 150℃라는 한란차가 심한 환경 하에서 땜납 접합부의 내열 피로 특성을 저하시켜 버린다.

또한, 상술한 바와 같이 Ni는 필렛 중에 보이드를 발생시키기 쉬운 것이지만, 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금의 구성에 있어서는, Ni와 다른 원소의 함유량의 밸런스로부터, Ni를 0.25중량％ 이하 함유시켜도 상기 보이드의 발생을 억제할 수 있다.

또한 Ni의 함유량을 0.01중량％ 이상 0.15중량％ 이하로 하면 양호한 상기 계면 부근의 균열 진전 억제 효과 및 내열 피로 특성을 향상시키면서, 보이드 발생의 억제를 향상시킬 수 있다.

본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, Ni 외에 0.001중량％ 이상 0.25중량％ 이하의 Co를 함유시킬 수 있다. 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금의 구성이면, 이 범위에서 Co를 첨가함으로써, Ni 첨가에 의한 상기 효과를 높임과 함께 용융한 납 프리 땜납 합금 중에 미세한 (Cu, Co)₆Sn₅가 형성되어 모재 중에 분산되기 때문에, 땜납 접합부의 크리프 변형의 억제 및 균열의 진전을 억제하면서, 특히 한란차가 심한 환경 하에서도 땜납 접합부의 내열 피로 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금은, Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품을 땜납 접합하는 경우라도, Ni 첨가에 의한 상기 효과를 높임과 함께, Co가 땜납 접합 시에 상기 계면 부근으로 이동하여 미세한 (Cu, Co)₆Sn₅를 형성하기 때문에, 그 계면 부근에 있어서의 Cu₃Sn층의 성장을 억제할 수 있어, 상기 계면 부근의 균열 진전 억제 효과를 향상시킬 수 있다.

단, Co의 함유량이 0.001중량％ 미만이면, 상기 금속간 화합물의 개질 효과가 불충분해지기 때문에, 상기 계면 부근의 균열 억제 효과는 충분히는 얻어지기 어렵다. 또한 Co의 함유량이 0.25중량％를 초과하면, 종래의 Sn-3Ag-0.5Cu 합금에 비해 과냉각이 발생하기 어려워져, 땜납 합금이 응고되는 타이밍이 빨라져 버린다. 그 때문에, 형성되는 땜납 접합부의 필렛에서는, 땜납 합금의 용융 중에 밖으로 빠져나가려고 한 가스가 그 안에 남은 채로 응고되어 버려, 필렛 중에 가스에 의한 보이드가 발생해 버리는 케이스가 확인된다. 이 필렛 중의 보이드는, 특히 한란차가 심한 환경 하에서 땜납 접합부의 내열 피로 특성을 저하시켜 버린다.

또한, 상술한 바와 같이 Co는 필렛 중에 보이드를 발생시키기 쉬운 것이지만, 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금의 구성에 있어서는, Co와 다른 원소의 함유량의 밸런스로부터, Co를 0.25중량％ 이하 함유시켜도 상기 보이드의 발생을 억제할 수 있다.

또한 Co의 함유량을 0.001중량％ 이상 0.15중량％ 이하로 하면 양호한 균열 진전 억제 효과 및 내열 피로 특성을 향상시키면서, 보이드 발생의 억제를 향상시킬 수 있다.

여기서 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에 Ni와 Co를 병용하는 경우, Ag와 Cu와 Sb와 Ni와 Co의 각각의 함유량(중량％)은 하기 식 (A) 내지 (D) 모두를 만족시키는 것이 바람직하다.

1.6≤Ag 함유량+(Cu 함유량/0.5)≤5.4 … A

0.73≤(Ag 함유량/4)+(Sb 함유량/5)≤2.10 … B

1.1≤Sb 함유량/Cu 함유량≤11.9 … C

0<(Ni 함유량/0.25)+(Co 함유량/0.25)≤1.19 … D

Ag와 Cu와 Sb와 Ni와 Co의 함유량을 상기 범위 내로 함으로써, Bi를 필수 원소로 하지 않더라도, 땜납 접합부의 연신성 저해 및 취성 증대의 억제, 땜납 접합부의 강도 및 열 피로 특성의 향상, 필렛 중에 발생하는 보이드의 억제, 한란의 차가 심한 가혹한 환경 하에 있어서의 땜납 접합부의 균열 진전 억제, Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 전자 부품의 땜납 접합 시에 있어서의 상기 계면 부근의 균열 진전 억제 효과 모두를 밸런스 좋게 발휘시킬 수 있어, 땜납 접합부의 신뢰성을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, 6중량％ 이하의 In을 함유시킬 수 있다. 이 범위 내에서 In을 첨가함으로써, Sb의 첨가에 의해 상승한 납 프리 땜납 합금의 용융 온도를 저하시킴과 함께 균열 진전 억제 효과를 향상시킬 수 있다. 즉, In도 Sb와 마찬가지로 Sn 매트릭스 중에 고용되기 때문에, 납 프리 땜납 합금을 더욱 강화할 수 있을 뿐만 아니라, AgSnIn 및 InSb 화합물을 형성하고 이것을 Sn 입계에 석출시킴으로써 Sn 입계의 미끄럼 변형을 억제하는 효과를 발휘한다.

본 발명의 땜납 합금에 첨가하는 In의 함유량이 6중량％를 초과하면, 납 프리 땜납 합금의 연신성을 저해함과 함께, 한란의 차가 심한 가혹한 환경 하에 장시간 노출되어 있는 동안에 γ-InSn₄가 형성되어, 납 프리 땜납 합금이 자기 변형되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.

또한, In의 보다 바람직한 함유량은, 4중량％ 이하이고, 1중량％ 내지 2중량％가 특히 바람직하다.

또한 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, P, Ga 및 Ge 중 적어도 1종을 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 함유시킬 수 있다. 이 범위 내에서 P, Ga 및 Ge 중 적어도 1종을 첨가함으로써, 납 프리 땜납 합금의 산화를 방지할 수 있다. 단, 이들 함유량이 0.05중량％를 초과하면 납 프리 땜납 합금의 용융 온도가 상승하고, 또한 땜납 접합부에 보이드가 발생하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.

또한 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, Fe, Mn, Cr 및 Mo 중 적어도 1종을 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 함유시킬 수 있다. 이 범위 내에서 Fe, Mn, Cr 및 Mo 중 적어도 1종을 첨가함으로써, 납 프리 땜납 합금의 균열 진전 억제 효과를 향상시킬 수 있다. 단, 이들 함유량이 0.05중량％를 초과하면 납 프리 땜납 합금의 용융 온도가 상승되고, 또한 땜납 접합부에 보이드가 발생하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, 그 효과를 저해하지 않는 범위에서, 다른 성분(원소), 예를 들어 Cd, Tl, Se, Au, Ti, Si, Al, Mg, Zn, Bi 등을 함유시킬 수 있다. 또한 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금에는, 당연히 불가피 불순물도 포함되는 것이다.

또한 본 실시 형태의 납 프리 땜납 합금은, 그 잔부는 Sn을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 바람직한 Sn의 함유량은 83.4중량％ 이상 95.99중량％ 미만이다.

본 실시 형태의 땜납 접합부의 형성은, 예를 들어 플로우 방법, 땜납 볼에 의한 실장, 솔더 페이스트 조성물을 사용한 리플로우 방법 등, 땜납 접합부를 형성할 수 있는 것이면 어떤 방법을 사용해도 된다. 또한 그 중에서도 특히 솔더 페이스트 조성물을 사용한 리플로우 방법이 바람직하게 사용된다.

(2) 솔더 페이스트 조성물

이와 같은 솔더 페이스트 조성물로서는, 예를 들어 분말상으로 한 상기 납 프리 땜납 합금과 플럭스를 혼련하여 페이스트상으로 함으로써 제작된다.

이와 같은 플럭스로서는, 예를 들어 수지와, 틱소제와, 활성제와, 용제를 포함하는 플럭스가 사용된다.

상기 수지로서는, 예를 들어 톨유 로진, 검 로진, 우드 로진 등의 로진 및 수소 첨가 로진, 중합 로진, 불균일화 로진, 아크릴산 변성 로진, 말레산 변성 로진 등의 로진 유도체를 포함하는 로진계 수지; 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴산의 각종 에스테르, 메타크릴산의 각종 에스테르, 크로톤산, 이타콘산, 말레산, 무수 말레산, 말레산의 에스테르, 무수 말레산의 에스테르, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 염화비닐, 아세트산비닐 등 중 적어도 1종의 모노머를 중합하여 이루어지는 아크릴 수지; 에폭시 수지; 페놀 수지 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 복수를 조합하여 사용할 수 있다.

이들 중에서도 로진계 수지, 그 중에서도 특히 산 변성된 로진에 수소 첨가를 한 수소 첨가 산 변성 로진이 바람직하게 사용된다. 또한 수소 첨가 산 변성 로진과 아크릴 수지의 병용도 바람직하다.

상기 수지의 산가는 10mgKOH/g 이상 250mgKOH/g 이하인 것이 바람직하고, 그 배합량은 플럭스 전량에 대하여 10중량％ 이상 90중량％ 이하인 것이 바람직하다.

상기 틱소제로서는, 예를 들어 수소 첨가 피마자유, 지방산 아미드류, 옥시 지방산류를 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 복수를 조합하여 사용할 수 있다. 상기 틱소제의 배합량은, 플럭스 전량에 대하여 3중량％ 이상 15중량％ 이하인 것이 바람직하다.

상기 활성제로서는, 예를 들어 유기 아민의 할로겐화수소염 등의 아민염(무기산염이나 유기산염), 유기산, 유기산염, 유기 아민염을 배합할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 디페닐구아니딘 브롬화수소산염, 시클로헥실아민 브롬화수소산염, 디에틸아민염, 산염, 숙신산, 아디프산, 세바스산 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 복수를 조합하여 사용할 수 있다. 상기 활성제의 배합량은, 플럭스 전량에 대하여 5중량％ 이상 15중량％ 이하인 것이 바람직하다.

상기 용제로서는, 예를 들어 이소프로필알코올, 에탄올, 아세톤, 톨루엔, 크실렌, 아세트산에틸, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 글리콜에테르 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 복수를 조합하여 사용할 수 있다. 상기 용제의 배합량은, 플럭스 전량에 대하여 20중량％ 이상 40중량％ 이하인 것이 바람직하다.

상기 플럭스에는, 납 프리 땜납 합금의 산화를 억제할 목적으로 산화 방지제를 배합할 수 있다. 이 산화 방지제로서는, 예를 들어 힌더드 페놀계 산화 방지제, 페놀계 산화 방지제, 비스페놀계 산화 방지제, 폴리머형 산화 방지제 등을 들 수 있다. 그 중에서도 특히 힌더드 페놀계 산화제가 바람직하게 사용된다. 이들은 단독으로 또는 복수를 조합하여 사용할 수 있다. 상기 산화 방지제의 배합량은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로는 플럭스 전량에 대하여 0.5중량％ 이상 5중량％ 정도 이하인 것이 바람직하다.

상기 플럭스에는, 그 밖의 수지, 및 할로겐, 소광제, 소포제 및 무기 필러 등의 첨가제를 첨가해도 된다.

상기 첨가제의 배합량은, 플럭스 전량에 대하여 10중량％ 이하인 것이 바람직하다. 또한 이들의 더욱 바람직한 배합량은 플럭스 전량에 대하여 5중량％ 이하이다.

상기 납 프리 땜납 합금과 플럭스의 배합 비율은, 땜납 합금 : 플럭스의 비율로 65 : 35 내지 95 : 5인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 배합 비율은 85 : 15 내지 93 : 7이고, 특히 바람직한 배합 비율은 87 : 13 내지 92 : 8이다.

(3) 전자 회로 기판

본 실시 형태의 전자 회로 기판의 구성을 도 1을 사용하여 설명한다. 본 실시 형태의 전자 회로 기판(100)은 기판(1)과, 절연층(2)과, 전극부(3)와, 전자 부품(4)과, 땜납 접합체(10)를 갖는다. 땜납 접합체(10)는 땜납 접합부(6)와 플럭스 잔사(7)를 갖고, 전자 부품(4)은 외부 전극(5)과, 단부(8)를 갖는다.

기판(1)으로서는, 프린트 배선판, 실리콘 웨이퍼, 세라믹 패키지 기판 등, 전자 부품의 탑재, 실장에 사용되는 것이면 이들에 한하지 않고 기판(1)으로서 사용할 수 있다.

전극부(3)는 땜납 접합부(6)를 통해 전자 부품(4)의 외부 전극(5)과 전기적으로 접합되어 있다.

또한 땜납 접합부(6)는 본 실시 형태에 따른 땜납 합금을 사용하여 형성되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 실시 형태의 전자 회로 기판(100)은 땜납 접합부(6)가 균열 진전 억제 효과를 발휘하는 합금 조성이기 때문에, 땜납 접합부(6)에 균열이 발생한 경우라도 그 균열의 진전을 억제할 수 있다. 특히 전자 부품(4)에 Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있지 않은 경우라도, 땜납 접합부(6)와 전자 부품(4)의 계면 부근에 있어서의 균열 진전 억제 효과도 발휘할 수 있다. 또한 이에 의해 전자 부품(4)의 전극 박리 현상도 억제할 수 있다.

이와 같은 전자 회로 기판(100)은, 예를 들어 이하와 같이 제작된다.

우선, 소정의 패턴으로 되도록 형성된 절연층(2) 및 전극부(3)를 구비한 기판(1) 상에, 상기 솔더 페이스트 조성물을 상기 패턴에 따라 인쇄한다.

계속해서 인쇄 후의 기판(1) 상에 전자 부품(4)을 실장하고, 이것을 230℃ 내지 260℃의 온도에서 리플로우를 행한다. 이 리플로우에 의해 기판(1) 상에 땜납 접합부(6) 및 플럭스 잔사(7)를 갖는 땜납 접합체(10)가 형성됨과 함께, 기판(1)과 전자 부품(4)이 전기적 접합된 전자 회로 기판(100)이 제작된다.

또한 이와 같은 전자 회로 기판(100)을 내장함으로써, 본 실시 형태의 전자 제어 장치가 제작된다.

[실시예]

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

플럭스의 제작

이하의 각 성분을 혼련하여, 실시예 및 비교예에 따른 플럭스를 얻었다.

수소 첨가 산 변성 로진(제품명 : KE-604, 아라카와 가가쿠 고교(주)제) 51중량％

경화 피마자유 6중량％

도데칸디오산 10중량％(제품명 : SL-12, 오카무라세이유(주)제)

말론산 1중량％

디페닐구아니딘 브롬화수소산염 2중량％

힌더드 페놀계 산화 방지제(제품명 : 이르가녹스245, BASF 재팬(주)제) 1중량％

디에틸렌글리콜모노헥실에테르 29중량％

솔더 페이스트 조성물의 제작

상기 플럭스 11.0중량％와, 표 1 내지 표 2에 기재된 각 납 프리 땜납 합금의 분말(분말 입경 20㎛ 내지 38㎛) 89.0중량％를 혼합하여, 실시예 1 내지 실시예 24 및 비교예 1 내지 19에 따른 각 솔더 페이스트 조성물을 제작하였다.

(1) 땜납 균열 시험(-40℃ 내지 125℃)

ㆍ3.2㎜×1.6㎜ 칩 부품(칩 A)

3.2㎜×1.6㎜의 사이즈의 칩 부품(Ni/Sn 도금)과, 당해 사이즈의 칩 부품을 실장할 수 있는 패턴을 갖는 솔더 레지스트 및 상기 칩 부품을 접속하는 전극(1.6㎜×1.2㎜)을 구비한 유리 에폭시 기판과, 동일 패턴을 갖는 두께 150㎛의 메탈 마스크를 준비하였다.

상기 유리 에폭시 기판 상에 상기 메탈 마스크를 사용하여 각 솔더 페이스트 조성물을 인쇄하고, 각각 상기 칩 부품을 탑재하였다.

그 후, 리플로우로(제품명 : TNP-538EM, (주)다무라 세이사쿠쇼제)를 사용하여 상기 각 유리 에폭시 기판을 가열하여 각각에 상기 유리 에폭시 기판과 상기 칩 부품을 전기적으로 접합하는 땜납 접합부를 형성하고, 상기 칩 부품을 실장하였다. 이때의 리플로우 조건은, 프리히트를 170℃ 내지 190℃에서 110초간, 피크 온도를 245℃로 하고, 200℃ 이상의 시간이 65초간, 220℃ 이상의 시간이 45초간, 피크 온도로부터 200℃까지의 냉각 속도를 3℃ 내지 8℃/초로 하고, 산소 농도는 1500±500ppm으로 설정하였다.

다음에, -40℃(30분간) 내지 125℃(30분간)의 조건으로 설정한 냉열 충격 시험 장치(제품명 : ES-76LMS, 히타치 어플라이언스(주)제)를 사용하고, 냉열 충격 사이클을 1,000, 1,500, 2,000, 2,500, 3,000사이클 반복하는 환경 하에 상기 각 유리 에폭시 기판을 각각 노출시킨 후 이것을 취출하여, 각 시험 기판을 제작하였다.

계속해서 각 시험 기판의 대상 부분을 잘라내고, 이것을 에폭시 수지(제품명 : 에포마운트(주제 및 경화제), 리파인테크(주)제)를 사용하여 밀봉하였다. 또한 습식 연마기(제품명 : TegraPol-25, 마루모토 스트루어스(주)제)를 사용하여 각 시험 기판에 실장된 상기 칩 부품의 중앙 단면을 알 수 있도록 하는 상태로 하고, 형성된 땜납 접합부에 발생한 균열이 땜납 접합부를 완전히 횡단하여 파단에 이르고 있는지 여부를 주사 전자 현미경(제품명 : TM-1000, (주)히타치 하이테크놀러지즈제)을 사용하여 관찰하고, 이하의 기준에서 평가하였다. 그 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 또한, 각 냉열 충격 사이클에 있어서의 평가 칩수는 10개로 하였다.

◎ : 3,000사이클까지 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생하지 않음

○ : 2, 501 내지 3,000사이클 동안에 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생

△: 2,001 내지 2, 500사이클 동안에 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생

× : 2,000사이클 미만에서 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생

ㆍ2.0×1.2㎜ 칩 부품(칩 B)

2.0×1.2㎜의 사이즈의 칩 부품(Ni/Sn 도금)과, 당해 사이즈의 칩 부품을 실장할 수 있는 패턴을 갖는 솔더 레지스트 및 상기 칩 부품을 접속하는 전극(1.25㎜×1.0㎜)을 구비한 유리 에폭시 기판을 사용한 것 이외는 3.2㎜×1.6㎜ 칩 부품과 동일 조건에서 시험 기판을 제작하고, 또한 동일한 방법에 의해 평가하였다. 동일 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

(2) Sn 도금 SON에 있어서의 땜납 균열 시험

6㎜×5㎜×0.8t㎜ 사이즈의 1.3㎜ 피치 SON(Small Outline Non-leaded package) 부품(단자수 8핀, 제품명 : STL60N3LLH5, STMicroelectronics사제)과, 당해 SON 부품을 실장할 수 있는 패턴을 갖는 솔더 레지스트 및 상기 SON 부품을 접속하는 전극(메이커 권장 설계에 준거)을 구비한 유리 에폭시 기판과, 그 패턴을 갖는 두께 150㎛의 메탈 마스크를 준비하였다.

상기 유리 에폭시 기판 상에 상기 메탈 마스크를 사용하여 각 솔더 페이스트 조성물을 인쇄하고, 각각에 상기 SON 부품을 탑재하였다. 그 후, 냉열 충격 사이클을 1,000, 2,000, 3,000사이클 반복하는 환경 하에 각 유리 에폭시 기판을 두는 것 이외는 상기 땜납 균열 시험 (1)과 동일한 조건에서 상기 유리 에폭시 기판에 냉열 충격을 부여하여, 각 시험 기판을 제작하였다.

계속해서 각 시험 기판의 대상 부분을 잘라내고, 이것을 에폭시 수지(제품명 : 에포마운트(주제 및 경화제), 리파인테크(주)제)를 사용하여 밀봉하였다. 또한 습식 연마기(제품명 : TegraPol-25, 마루모토 스트루어스(주)제)를 사용하여 각 시험 기판에 실장된 상기 SON 부품의 중앙 단면을 알 수 있도록 하는 상태로 하고, 땜납 접합부에 발생한 균열이 땜납 접합부를 완전히 횡단하여 파단에 이르고 있는지 여부에 대하여 주사 전자 현미경(제품명 : TM-1000, (주)히타치 하이테크놀러지즈제)을 사용하여 관찰하였다. 이 관찰에 기초하여, 땜납 접합부에 대하여, 땜납 모재(본 명세서에 있어서 땜납 모재란, 땜납 접합부 중 SON 부품의 전극의 계면 및 그 부근 이외의 부분을 가리킴. 이하 동일함. 또한 표 3 및 표 4에 있어서는 간단히 「모재」라고 표기함)에 발생한 균열과, 땜납 접합부와 SON 부품의 전극의 계면(의 금속간 화합물)에 발생한 균열로 나누어 이하와 같이 평가하였다. 그 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 또한, 각 냉열 충격 사이클에 있어서의 평가 SON수는 20개로 하고, SON 1개당 게이트 전극의 1단자를 관찰하고, 합계 20단자의 단면을 확인하였다.

·땜납 모재에 발생한 균열

◎ : 3,000사이클까지 땜납 모재를 완전히 횡단하는 균열이 발생하지 않음

○ : 2,001 내지 3,000사이클 동안에 땜납 모재를 완전히 횡단하는 균열이 발생

△ : 1, 001 내지 2,000사이클 동안에 땜납 모재를 완전히 횡단하는 균열이 발생

× : 1,000사이클 미만에서 땜납 모재를 완전히 횡단하는 균열이 발생

ㆍ땜납 접합부와 SON 부품의 전극의 계면에 발생한 균열

◎ : 3,000사이클까지 상기 계면을 완전히 횡단하는 균열이 발생하지 않음

○ : 2, 001 내지 3,000사이클 동안에 상기 계면을 완전히 횡단하는 균열이 발생

△ : 1, 001 내지 2,000사이클 동안에 상기 계면을 완전히 횡단하는 균열이 발생

× : 1,000사이클 미만에서 상기 계면을 완전히 횡단하는 균열이 발생

(3) 땜납 균열 시험(-40℃ 내지 150℃)

차량 탑재용 기판 등은 한란차가 매우 심한 가혹한 환경 하에 놓이기 때문에, 이것에 사용되는 땜납 합금은, 이와 같은 환경 하에서도 양호한 균열 진전 억제 효과를 발휘하는 것이 요구된다. 그 때문에, 본 실시예에 따른 땜납 합금이 이와 같은 보다 가혹한 조건 하에서도 당해 효과를 발휘할 수 있는지 여부를 명확하게 하기 위해, 액조식 냉열 충격 시험 장치를 사용하여 -40℃ 내지 150℃의 한란차에 있어서의 땜납 균열 시험을 행하였다. 그 조건은 이하와 같다.

우선 땜납 접합부 형성 후의 각 유리 에폭시 기판을 -40℃(5분간) 내지 150℃(5분간)의 조건으로 설정한 액조식 냉열 충격 시험 장치(제품명 : ETAC WINTECH LT80, 구스모토(주)제)를 사용하여 냉열 충격 사이클을 1,000, 2,000, 3,000사이클 반복하는 환경 하에 노출시키는 것 이외는 상기 땜납 균열 시험 (1)과 동일한 조건에서, 3.2×1.6㎜ 칩 부품 탑재 및 2.0×1.2㎜ 칩 부품 탑재의 각 시험 기판을 제작하였다.

계속해서 각 시험 기판의 대상 부분을 잘라내고, 이것을 에폭시 수지(제품명 : 에포마운트(주제 및 경화제), 리파인테크(주)제)를 사용하여 밀봉하였다. 또한 습식 연마기(제품명 : TegraPol-25, 마루모토 스트루어스(주)제)를 사용하여 각 시험 기판에 실장된 상기 칩 부품의 중앙 단면을 알 수 있도록 하는 상태로 하고, 형성된 땜납 접합부에 발생한 균열이 땜납 접합부를 완전히 횡단하여 파단에 이르고 있는지 여부를 주사 전자 현미경(제품명 : TM-1000, (주)히타치 하이테크놀러지즈제)을 사용하여 관찰하고, 이하의 기준에서 평가하였다. 그 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 또한, 각 냉열 충격 사이클에 있어서의 평가 칩수는 10개로 하였다.

◎ : 3,000사이클까지 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생하지 않음

○ : 2, 001 내지 3,000사이클 동안에 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생

△ : 1, 001 내지 2,000 사이클 동안에 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생

× : 1,000사이클 미만에서 땜납 접합부를 완전히 횡단하는 균열이 발생

(4) 보이드 시험

상기 땜납 균열 시험 (1)과 동일한 조건에서, 2.0×1.2㎜ 칩 부품을 탑재한(땜납 접합부를 형성한) 각 시험 기판을 제작하였다.

계속해서 각 시험 기판의 표면 상태를 X선 투과 장치(제품명 : SMX-160E, (주)시마즈 세이사쿠쇼제)로 관찰하고, 각 시험 기판 중 40개소의 랜드에 있어서, 칩 부품의 전극 아래의 영역(도 3의 파선으로 둘러싼 영역(a))에 차지하는 보이드의 면적률(보이드의 총 면적의 비율. 이하 동일함)과 필렛이 형성되어 있는 영역(도 3의 파선으로 둘러싼 영역(b))에 차지하는 보이드의 면적률의 평균값을 구하고, 각각에 대하여 이하와 같이 평가하였다. 그 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

◎ : 보이드의 면적률의 평균값이 3％ 이하로서, 보이드 발생의 억제 효과가 매우 양호

○ : 보이드의 면적률의 평균값이 3％ 초과 5％ 이하로서, 보이드 발생의 억제 효과가 양호

△ : 보이드의 면적률의 평균값이 5％ 초과 8％ 이하로서, 보이드 발생의 억제 효과가 충분

× : 보이드의 면적률의 평균값이 8％를 초과하여, 보이드 발생의 억제 효과가 불충분

이상에 나타내는 바와 같이, 실시예에 따른 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성한 땜납 접합부는, 한란의 차가 심하고 진동이 부하되는 가혹한 환경 하에 있어도, Bi를 필수 원소로 하지 않더라도, 그 칩의 사이즈를 막론하고, 또한 전극에 Ni/Pd/Au 도금이나 Ni/Au 도금이 이루어져 있는지 여부에 상관없이, 땜납 접합부 및 상기 계면 부근에 있어서의 균열 진전 억제 효과를 발휘할 수 있다. 특히 액조식 냉열 충격 시험 장치를 사용하여 한란의 차를 -40℃ 내지 150℃로 한 매우 가혹한 환경 하에서도, 실시예의 땜납 접합부는 양호한 균열 억제 효과를 발휘하는 것을 알 수 있다.

특히 Ni와 Co를 병용한 실시예 13 내지 실시예 24에 있어서는, 어느 조건 하에 있어서도 양호한 땜납 접합부 및 상기 계면 부근의 균열 진전 억제 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 예를 들어 실시예 12나 실시예 15와 같이 Ni나 Co를 0.25중량％ 함유시킨 경우라도, 필렛에 있어서의 보이드의 발생을 억제할 수 있다.

따라서, 한란차가 심하고 또한 이와 같은 땜납 접합부를 갖는 전자 회로 기판은 차량 탑재용 전자 회로 기판과 같은 높은 신뢰성이 요구되는 전자 회로 기판에도 적합하게 사용할 수 있다. 또한 이와 같은 전자 회로 기판은, 보다 한층 더 높은 신뢰성이 요구되는 전자 제어 장치에 적합하게 사용할 수 있다.

1 : 기판
2 : 절연층
3 : 전극부
4 : 전자 부품
5 : 외부 전극
6 : 땜납 접합부
7 : 플럭스 잔사
8 : 단부
10 : 땜납 접합체
100 : 전자 회로 기판

Claims (28)

1. Ag를 1중량％ 이상 4중량％ 이하로, Cu를 1중량％ 이하로, Sb를 3중량％ 이상 5중량％ 이하로, Ni를 0.01중량％ 이상 0.25중량％ 이하 포함하고, 잔부가 Sn을 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
2. 제1항에 있어서,
   Co를 0.001중량％ 이상 0.25중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
3. 제1항에 있어서,
   Sb의 함유량이 3.5중량％ 이상 5중량％ 이하인 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
4. 제2항에 있어서,
   Sb의 함유량이 3.5중량％ 이상 5중량％ 이하인 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
5. Ag를 1중량％ 이상 4중량％ 이하로, Cu를 1중량％ 이하로, Sb를 3중량％ 이상 5중량％ 이하로, Ni를 0.01중량％ 이상 0.25중량％ 이하로, Co를 0.001중량％ 이상 0.25중량％ 이하 포함하고 잔부가 Sn을 포함하며,
   Ag와 Cu와 Sb와 Ni와 Co의 각각의 함유량(중량％)이 하기 식 (A) 내지 (D) 모두를 만족시키는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
   1.6≤Ag 함유량+(Cu 함유량/0.5)≤5.4 … A
   0.73≤(Ag 함유량/4)+(Sb 함유량/5)≤2.10 … B
   1.1≤Sb 함유량/Cu 함유량≤11.9 … C
   0<(Ni 함유량/0.25)+(Co 함유량/0.25)≤1.19 … D
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   In을 6중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   P, Ga 및 Ge 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
8. 제6항에 있어서,
   P, Ga 및 Ge 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   Fe, Mn, Cr 및 Mo 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
10. 제6항에 있어서,
    Fe, Mn, Cr 및 Mo 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
11. 제7항에 있어서,
    Fe, Mn, Cr 및 Mo 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
12. 제8항에 있어서,
    Fe, Mn, Cr 및 Mo 중 적어도 1종을 합계로 0.001중량％ 이상 0.05중량％ 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납 프리 땜납 합금.
13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
14. 제6항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
15. 제7항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
16. 제8항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
17. 제9항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
18. 제10항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
19. 제11항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
20. 제12항에 기재된 납 프리 땜납 합금을 사용하여 형성되는 땜납 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 회로 기판.
21. 제13항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
22. 제14항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
23. 제15항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
24. 제16항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
25. 제17항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
26. 제18항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
27. 제19항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.
28. 제20항에 기재된 전자 회로 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 제어 장치.

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