KR20210008568A - 고 충격 인성 땜납 합금 - Google Patents

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바와 싱흐
시울리 사카르
수자싸 체구디
아닐 케이. 엔. 쿠마르
카마니오 차토패드하이
도미닉 랏지
모가나 드 아빌라 리바스
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Abstract

고 충격 인성 합금이 개시된다. 본 발명은 합금, 바람직하게는 무연 땜납 합금을 제공하며, 이는 35 내지 59 wt% Bi, 0 내지 1.0 wt% Ag, 0 내지 1.0 wt% Au, 0 내지 1.0 wt% Cr, 0 내지 2.0 wt% In, 0 내지 1.0 wt% P, 0 내지 1.0 wt% Sb, 0 내지 1.0 wt% Sc, 0 내지 1.0 wt% Y, 0 내지 1.0 wt% Zn, 및 0 내지 1.0 wt% 희토류 원소를 포함하고, 0보다 크고 1.0 wt%까지의 Al, 0.01 내지 1.0 wt% Ce, 0보다 크고 1.0 wt%까지의 Co, 0보다 크고 1.0 wt%까지의 Cu, 0.001 내지 1.0 wt% Ge, 0보다 크고 1.0 wt%까지의 Mg, 0보다 크고 1.0 wt%까지의 Mn, 0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및 0보다 크고 1.0 wt%까지의 Ti 중 하나 이상과, 임의의 불가피한 불순물과 함께 잔여부 Sn을 포함한다.

Description

고 충격 인성 땜납 합금 {HIGH IMPACT TOUGHNESS SOLDER ALLOY}
본 발명은 합금, 특히, 무연 땜납 합금(lead-free solder alloy)에 관한 것이다.
다수의 무연 땜납 합금이 공지되어 있으며, 이는 가장 널리 사용되는 땜납 합금-공융 37%Pb-63%Sn 합금-에 대한 무독성의 대안을 제공한다. 이런 무연 합금의 예는 이원 공융 58%Bi-42%Sn 합금(예로서, US 5,569,433 B 참조) 및 이원 40%Bi-60%Sn 합금(예로서, US 6,574,411 A 참조)을 포함한다. 이런 합금은 높은 변형률에서 연성 손실을 나타내고, 이는 1 wt%까지의 은을 추가함으로써 개선될 수 있다(예로서, US 5,569,433 B 참조). 그러나, 샤르피(Charpy) 충격 시험을 사용하여 측정된 이들 합금이 나타내는 충격 에너지는 비교적 낮다. 따라서, 개선된 충격 인성을 나타내는 무연 땜납 합금을 개발할 필요가 있다.
또한, 웨이브 및 리플로우 납땜 같은 납땜 방법에 사용되는 이런 무연 합금을 위해서, 합금은 구리, 니켈 및 니켈 인("무전해 니켈(electroless nickel)") 같은 다양한 기재 재료에 관하여 양호한 습윤성을 나타내어야만 한다. 이런 기재는 습윤성을 개선시키기 위해 예로서, 주석 합금, 은, 금 또는 유기 코팅(OSP)에 의해 코팅될 수 있다. 또한, 양호한 습윤성은 모세관 갭 내로 유동하고 인쇄 회로 기판내의 관통 도금 구멍의 벽을 타고오르는 용융 땜납의 능력을 향상시킴으로써 양호한 구멍 충전을 달성한다.
본 발명은 종래 기술과 연계된 문제점 중 적어도 일부를 해결하거나, 그에 대한 상업적으로 수용가능한 대안을 제공하는 것을 목적으로 한다.
제 1 양태에서, 본 발명은 합금, 바람직하게는 무연 땜납 합금을 제공하며, 이는
35 내지 59 wt% Bi와,
0 내지 1.0 wt% Ag와,
0 내지 1.0 wt% Au와,
0 내지 1.0 wt% Cr과,
0 내지 2.0 wt% In과,
0 내지 1.0 wt% P와,
0 내지 1.0 wt% Sb와,
0 내지 1.0 wt% Sc와,
0 내지 1.0 wt% Y와,
0 내지 1.0 wt% Zn, 및
0 내지 1.0 wt% 희토류 원소를 포함하고,
0보다 크고 1.0 wt%까지의 Al,
0.01 내지 1.0 wt% Ce,
0보다 크고 1.0 wt%까지의 Co,
0보다 크고 1.0 wt%까지의 Cu,
0.001 내지 1.0 wt% Ge,
0보다 크고 1.0 wt%까지의 Mg,
0보다 크고 1.0 wt%까지의 Mn,
0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
0보다 크고 1.0 wt%까지의 Ti
중 적어도 하나와,
임의의 불가피한 불순물과 함께 잔량부 Sn을 포함한다.
놀랍게도, 소량의 Ce, Ni 및 Ge 중 하나 이상의 통합은 대응하는 Sn-Bi 기반 합금, 또는, 합금이 Ag를 포함하는 경우에는 대응하는 Sn-Bi-Ag 기반 합금에 비해 증가된 충격 에너지를 나타내는 합금을 도출한다는 것을 발견하였다. 이는 합금의 개선된 강도 및 연성을 나타낸다. 이들 요소의 통합에 의해 합금에 제공되는 다른 장점은 개선된 습윤성, 증가된 열적 전도성, 증가된 항복 강도 및 증가된 인장 강도를 포함한다.
추가적으로, Ni의 존재는 Cu 용해율의 저하, 열적 피로 특성의 개선, 증가된 노화 안정성(특히, Cu와 결합시) 및 합금의 마이크로구조의 정제를 초래한다. Ge의 존재는 산화를 감소시키고, 땜납 함금으로서 사용될 때, 광택성 조인트(lustrous joint)를 초래한다. Al 및/또는 Mg의 존재는 합금의 산화 내성을 증가시킬 수 있고, 습윤성을 개선시킨다. Co의 존재는 더 높은 인성, 더 낮은 Cu 용해율, 더 높은 인장 강도 및 더 많이 정제된 마이크로구조(특히, Cu와 결합시)를 초래한다. 땜납 합금으로서 사용될 때, Co의 존재는 광택성 조인트를 초래하고 개방된 땜납 탱크의 상단에 형성되는 찌꺼기 수준의 저감을 초래한다. 합금 내의 Cu의 존재는 연성을 증가시키고, 구리 침출 발생을 감소시키며, 열적 피로에 대한 내성을 증가시킨다. Cu의 존재에 의해 유발되는 이들 특성은 Ag가 없을 때 특히 두드러진다. 특히, SnBiAg 기반 합금에서 Cu 대신 Ag를 치환하면 특히 감소된 Cu 용해율, 특히 개선된 기계적 특성(특히, Co와 결합될 때), 특히 개선된 낙하 충격 내성(특히, Ni와 결합될 때), 및 특히 개선된 크리프 파열 내성을 초래한다. Mn 및/또는 Ti의 존재는 합금의 개선된 낙하 충격 성능을 초래한다. Ti의 존재는 증가된 열적 전도성 및 증가된 열적 피로 수명을 초래한다.
정의:
*
*본 명세서에서 사용되는 용어 "땜납 합금"은 90 내지 400℃의 범위의 융점을 갖는 가용성 금속 합금을 지칭한다.
샤르피 v-노치 시험(Charpy v-notch test)이라고도 공지된, 본 명세서에서 언급되는 "샤르피 충격 시험"은 파괴 동안 재료에 의해 흡수되는 에너지의 양을 결정하는 표준화된 고 변형율 시험이다. 이 흡수된 에너지는 주어진 재료의 인성의 척도이고, 온도 의존성 취성-연성 전이를 연구하기 위한 도구로서 작용한다. 이 시험에 관한 추가적 세부사항은 그 내용이 인용에 의해 본원에 포함되는 Charpy Impact Test: Factors and Variables, J. M. Holt, ASTM STP 1072에서 찾을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "습윤성"은 습윤가능한 표면 상에 땜납이 분산되는 정도를 지칭한다. 습윤성은 액체 땜납의 표면 장력 및 습윤성 표면과 반응하는 그 능력에 의해 결정된다. 또한, 습윤은 기재 상에서 용융되고 후속하여 굳어진 땜납 합금의 접촉각에 관하여 설명될 수 있으며, 낮은 접촉각은 높은 접촉각에 비해 바람직하다.
본 명세서에 사용되는 용어 "웨이브 납땜"은 전기적 조립체를 형성하기 위해 인쇄 회로 기판(PCB)에 전자 부품을 납땜하는 대규모 납땜 프로세스를 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "리플로우 납땜"은 땜납 페이스트가 인쇄 또는 분배되거나 땜납 예비성형체가 인쇄 회로 기판의 표면 상에 배치되고 부품이 배치된 땜납 내에 또는 그 부근에 배치되며, 조립체가 땜납 합금의 액화점을 초과하는 온도로 가열되는 프로세스를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "희토류 원소"는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택된 요소를 지칭한다.
이제, 본 발명을 추가로 설명한다. 이하의 문단에, 본 발명의 다른 양태가 더욱 상세히 정의되어 있다. 이렇게 정의된 각 양태는 명백히 달리 언급되지 않는 한 임의의 다른 양태 또는 양태들과 결합될 수 있다. 특히, 바람직한 또는 유리한 것으로 설명된 임의의 특징은 바람직한 또는 유리한 것으로 설명된 임의의 다른 특징 또는 특징들과 결합될 수 있다.
합금은 35 내지 55 wt% Bi, 바람직하게는, 35 내지 50 wt% Bi, 더욱 바람직하게는 35 내지 45 wt% Bi, 그리고, 더 더욱 바람직하게는 약 40 wt% Bi를 포함할 수 있다. 유리하게는, 이런 Bi 함량은 더 높은 Bi 레벨을 갖는 합금에 비해 증가된 연성을 나타내는 합금을 초래한다. 대안적으로, 합금은 57 내지 59 wt% Bi, 바람직하게는 약 58 wt% Bi를 포함할 수 있다. 유리하게는, 이런 Bi 함량은 더 낮은 레벨의 Bi를 포함하는 합금에 비해 합금의 융점을 감소시킨다.
바람직하게는, 합금은 0.01 내지 0.5 wt% Ce, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.1 wt% Ce를 포함한다.
바람직하게는, 합금은 0.01 내지 0.5 wt% Ni, 더욱 바람직하게는 0.025 내지 0.1 wt% Ni, 더 더욱 바람직하게는 0.025 내지 0.05 wt% Ni, 가장 바람직하게는 약 0.03 wt% Ni를 포함한다.
바람직하게는, 합금은 0.001 내지 0.1 wt% Ge, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.01 wt% Ge를 포함한다.
바람직하게는, 합금은 0.01 내지 0.8 wt% Ag, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.7 wt% Ag, 더 더욱 바람직하게는 0.4 내지 0.6 wt% Ag, 또한 더 더욱 바람직하게는 약 0.5 wt% Ag를 포함한다. Ag의 존재는 합금의 연성을 증가시키고, 또한, 표면 산화를 감소시킨다.
바람직하게는, 합금은 0 내지 0.7 wt% Al, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.6 Al, 더 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.5 wt% Al과,
0.001 내지 1.0 wt% Au, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.7 Au, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.5 wt% Au와,
0 내지 0.5 wt% Co, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.5 wt% Co, 더 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.07 wt% Co, 또한 더 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.04 wt% Co, 또한 더 더욱 바람직하게는 약 0.03 wt% Co와,
0.001 내지 1.0 wt% Cr, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.7 Cr, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.5 wt% Cr과,
0 내지 0.5 wt% Cu, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.4 wt% Cu, 더 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.3 wt% Cu, 또한 더 더욱 바람직하게는 약 0.2 wt% Cu와,
0 내지 1.5 wt% In, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1.0 wt% In, 더 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1.0 wt% In, 또한 더 더욱 바람직하게는 약 1.0 wt% In과,
0 내지 0.2 wt% Mg, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.18 wt% Mg, 더 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.1 wt% Mg와,
*0 내지 0.2 wt% Mn, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.18 wt% Mn, 더 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.1 wt% Mn과,
0 내지 0.01 wt% P, 더 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.01 wt% P, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.01 wt% P와,
0.001 내지 1.0 wt% Sb, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.7 Sb, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.5 wt% Sb와,
0.001 내지 1.0 wt% Sc, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.7 Sc, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.5 wt% Sc와,
0 내지 0.2 wt% Ti, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.18 wt% Ti, 더 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.1 wt% Ti와,
0.001 내지 1.0 wt% Y, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.7 Y, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.5 wt% Y와,
0.001 내지 1.0 wt% Zn, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.7 Zn, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.5 wt% Zn과,
0.001 내지 1.0 wt% 희토류 원소, 더욱 바람직하게는 0.003 내지 0.7 희토류 원소, 더 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.5 wt% 희토류 원소
중 하나 이상을 포함한다.
In의 존재는 합금의 연성을 증가시키고 표면 산화를 감소시킨다. 합금 내의 Au의 존재는 합금의 연성을 증가시킨다. 합금 내의 Zn의 존재는 Bi 농후 상을 정제 및 재분산시킨다. 계면 IMC 층이 형성되고 이는 Bi 농후 분리 층 형성을 방지한다. P의 존재는 합금의 산화를 감소시킨다. Sb의 존재는 합금의 연성을 개선시킨다.
바람직하게는 합금은 Al과 Ni 중 단지 하나를 포함한다.
바람직하게는, 합금은 Co 및 Ni 중 하나 이상과 Cu를 포함한다. 특히 바람직한 합금은
57 내지 59 wt% Bi와,
0.1 내지 0.3 wt% Cu와,
0.02 내지 0.04 wt% Co와 0.02 내지 0.04 wt% Ni 중 하나 이상, 및
임의의 불가피한 불순물과 함께 잔량부 Sn을 포함한다.
바람직하게는, 이 합금은
약 58 wt% Bi,
약 0.2 wt Cu,
약 0.03 wt% Co 및 약 0.03 wt% Ni 중 하나 이상, 및
임의의 불가피한 불순물과 함께 잔량부 Sn을 포함한다. Ni 및 Co 중 하나 이상과 Cu를 포함하는 전술된 합금은 선택적으로 전술된 선택적 원소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
Cu와 Ni 및/또는 Co를 포함하는 전술된 합금은 유리하게는 대응하는 SnBi 기반 합금에 대해 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 예로서, 이들 합금은 SnBi 기반 합금에 비해 대략 9% 더 높은 인장 강도, 대략 11% 더 높은 탄성 계수, 대략 8.4% 더 높은 인성(샤르피 충격 내성 시험에 기초함), 대략 8% 더 높은 크리프 신장 및 대략 11% 더 긴 크리프 파열 시간(80℃, 2.3 kg 부하)을 나타낸다.
Cu와 Ni 및/또는 Co를 포함하는 전술된 합금은 유리하게는 SnBi 기반 합금에 대해 우수한 열적 피로 내성을 나타낸다. 예로서, 가속화 열적 사이클링(조건: TC3/NTC-C, -40 ℃ 내지 125 ℃, 10분 체류)을 수행할 때, 1000 사이클까지 칩 구성 요소에 대해 어떠한 균열도 관찰되지 않았다. 추가적으로, 단지 200 사이클 이후 SnBi 기반 합금에서 균열이 관찰된 것에 비해 500 내지 800 사이클까지 동안 어떠한 균열도 볼 그리드 어레이(BGA) 구성 요소에 관찰되지 않았다.
Cu와 Ni 및/또는 Co를 포함하는 전술된 합금은 유리하게는 개선된 낙하 충격 내성, 특히, SnBi 기반 합금에 비해 표준 낙하 충격 내성 시험에서 낙하 수의 대략 40%의 증가를 나타낸다.
Cu와 Ni 및/또는 Co를 포함하는 전술된 합금은 유리하게는 SnBi 기반 합금에 비해 약 4% 더 높은 열적 및 전기적 전도성 및 약 30배 더 낮은 Cu 용해율을 나타낸다. 따라서, 이들 합금은 광전 리본 용례를 위해 특히 적합하다. 합금은 약 138℃의 융점을 갖는 공융체이고, SnBi 기반 합금에 대비해서, 노화 열화를 나타내지 않는다. 또한, 합금은 개선된 더욱 정제된 마이크로구조를 나타내고, 이는 아마도 그 개선된 기계적 특성에 기여한다.
또한, 합금 또는 합금 분말이 각각 400 kg 및 50 kg 규모로 제조될 때 Cu와 Ni 및/또는 Co를 포함하는 합금의 전술된 특성이 나타났으며, 이는 산업적 규모로 이들 합금을 제조하는 산업적 가능성을 나타낸다.
합금은 땜납 합금일 수 있다.
바람직하게는, 합금은 무연 또는 실질적으로 무연이다. 납의 유독성 특성 때문에 무연 땜납 합금이 유리하다.
본 발명의 합금은 바아, 스틱, 중실 또는 플럭스 코어 와이어, 포일 또는 스트립, 필름, 예비성형체 또는 분말이나 페이스트(분말과 플럭스의 혼합물) 또는 볼 그리드 어레이 조인트에 사용하기 위한 땜납 구체 또는 예비성형된 땜납 단편 또는 리플로우되거나 응고된 땜납 조인트의 형태일 수 있거나, 광전 용례를 위한 구리 리본 같은 임의의 납땜 가능한 재료에 사전 적용될 수 있다.
바람직하게는, 합금은 대응 Sn-Bi 기반 합금, 또는, 합금이 Ag를 포함하는 경우에는, 대응 Sn-Bi-Ag 기반 합금의 것보다 적어도 5% 더 큰, 샤르피 충격 시험을 사용하여 측정될 때의 충격 에너지를 나타낸다. 바람직하게는, 충격 에너지는 적어도 8% 더 크고, 더욱 바람직하게는 적어도 10% 더 크고, 더 더욱 바람직하게는 적어도 12% 더 크다.
본 발명에 따른 합금은 불가피한 불순물을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이며, 이들은 전체적으로 조성의 1 wt%를 거의 초과하지 않는다. 바람직하게는, 합금은 조성물의 0.5 wt% 이하, 더욱 바람직하게는 조성물의 0.3 wt% 이하, 더 더욱 바람직하게는 조성물의 0.1 wt% 이하의 양의 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명에 따른 합금은 전술된 원소를 주 구성으로 하여 구성될 수 있다. 따라서, 필수적인 이들 원소(즉, Sn과, Bi와, Ce, Ni, Ge, Ti, Mn, Mg, Al, Cu 및 Co 중 적어도 하나)에 추가로, 조성물의 본질적 특성이 그 존재에 의해 본질적으로 영향을 받지 않는다면, 다른 명시되지 않은 원소가 조성물에 존재할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
제 2 양태에서, 본 발명은 합금을 제공하며, 이 합금은
41 내지 43 wt% Sn을 포함하고,
0 내지 1.0 wt% Ag,
0 내지 1.0 wt% Al,
0 내지 1.0 wt% Au,
0 내지 1.0 wt% Co,
0 내지 1.0 wt% Cr,
0 내지 1.0 wt% Cu,
0 내지 2.0 wt% In,
0 내지 1.0 wt% Mn,
0 내지 1.0 wt% P,
0 내지 1.0 wt% Sb,
0 내지 1.0 wt% Sc,
0 내지 1.0 wt% Ti,
0 내지 1.0 wt% Y,
0 내지 1.0 wt% Zn,
0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
0.01 내지 1.0 wt% Ce,
0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
0.001 내지 1.0 wt% Ge
중 적어도 하나 이상과,
임의의 불가피한 불순물과 함께 잔량부 Bi를 포함한다.
제 3 양태에서, 본 발명은 합금을 포함하고, 이 합금은
41 내지 43 wt% Sn과,
0 내지 1.0 wt% Ag를 포함하고,
0 내지 1.0 wt% Al,
0 내지 1.0 wt% Au,
0 내지 1.0 wt% Co,
0 내지 1.0 wt% Cr,
0 내지 1.0 wt% Cu,
0 내지 2.0 wt% In,
0 내지 1.0 wt% Mn,
0 내지 1.0 wt% P,
0 내지 1.0 wt% Sb,
0 내지 1.0 wt% Sc,
0 내지 1.0 wt% Ti,
0 내지 1.0 wt% Y,
0 내지 1.0 wt% Zn,
0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
0.01 내지 1.0 wt% Ce,
0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
0.001 내지 1.0 wt% Ge
중 하나 이상과,
임의의 불가피한 불순물과 함께 잔량부 Bi를 포함한다.
제 4 양태에서, 본 발명은 합금을 제공하고, 이 합금은
50 내지 65 wt% Sn을 포함하고,
0 내지 1.0 wt% Ag,
0 내지 1.0 wt% Al,
0 내지 1.0 wt% Au,
0 내지 1.0 wt% Co,
0 내지 1.0 wt% Cr,
0 내지 1.0 wt% Cu,
0 내지 2.0 wt% In,
0 내지 1.0 wt% Mn,
0 내지 1.0 wt% P,
0 내지 1.0 wt% Sb,
0 내지 1.0 wt% Sc,
0 내지 1.0 wt% Ti,
0 내지 1.0 wt% Y,
0 내지 1.0 wt% Zn,
0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
0.01 내지 1.0 wt% Ce,
0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
0.001 내지 1.0 wt% Ge
중 하나 이상과,
임의의 불가피한 불순물과 함께 잔량부 Bi를 포함한다.
제 5 양태에서, 본 발명은 합금을 제공하고, 이 합금은
50 내지 65 wt% Sn와,
0 내지 1.0 wt% Ag를 포함하고,
0 내지 1.0 wt% Al,
0 내지 1.0 wt% Au,
0 내지 1.0 wt% Co,
0 내지 1.0 wt% Cr,
0 내지 1.0 wt% Cu,
0 내지 2.0 wt% In,
0 내지 1.0 wt% Mn,
0 내지 1.0 wt% P,
0 내지 1.0 wt% Sb,
0 내지 1.0 wt% Sc,
0 내지 1.0 wt% Ti,
0 내지 1.0 wt% Y,
0 내지 1.0 wt% Zn,
0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
0.01 내지 1.0 wt% Ce,
0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
0.001 내지 1.0 wt% Ge
중 하나 이상과,
임의의 불가피한 불순물과 함께 잔량부 Bi를 포함한다.
제 6 양태에서, 본 발명은 제 1 내지 제 5 양태로부터 선택된 합금을 포함하는 납땜된 조인트를 제공한다.
제 7 양태에서, 본 발명은 납땜 방법에서의 제 1 내지 제 5 양태의 합금의 용도를 제공한다. 이런 납땜 방법은 웨이브 납땜, 표면 장착 기술(SMT) 납땜, 다이 부착 납땜, 열적 계면 납땜, 핸드 솔더링, 레이저 및 RF 유도 납땜 및 재가공 납땜을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
제 8 양태에서, 본 발명은
0 내지 10 wt% Ag와,
35 내지 59 wt% Bi를 포함하고,
0.01 내지 1.0 wt% Ce,
0.01 내지 1.0 wt% Ni,
0.001 내지 1.0 wt% Ge, 및
0.001 내지 1.0 wt% Al
중 하나 이상을 포함하는 합금을 제공한다.
이제, 이하의 도면을 참조로 단지 예로서 본 발명을 설명한다.
도 1은 기준 예와 본 발명의 제 1 양태에 따른 3개 합금에 대한 샤르피 충격 시험의 결과를 도시하는 플롯이며,
도 2는 3개 기준 예와 본 발명의 제 1 양태에 따른 3개 합금에 대한 샤르피 충격 테스트의 결과를 도시하는 플롯이며,
도 3은 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금의 구리 유기 납땜성 보전제(OSP)에 대한 mm 단위의 선형 분산(linear spread)의 플롯이며,
도 4는 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금을 위한 벌크 전단 테스트(Bulk Shear Test)의 결과를 도시하는 플롯이며,
도 5는 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금을 위한 경도 테스트의 결과를 도시하는 플롯이며,
도 6은 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금의 항복 강도의 플롯이며,
도 7은 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금의 인장 강도의 플롯이며,
도 8은 다수의 기준 예와 칩 구성 요소 상에 통합될 때 본 발명에 따른 다수의 합금을 위한 벌크 전단 테스트의 결과를 도시하는 플롯이며,
도 9는 다수의 기준 예와 쿼드 플랫 패키지(QFP) 구성 요소에 통합될 때 본 발명에 따른 다수의 합금을 위한 리드 견인 시험(Lead Pull Test)의 결과를 도시하는 플롯이며,
도 10은 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금의 열적 전도성의 플롯이며,
도 11 내지 도 13은 각각 Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.45Bi0.5Ag0.05Ni 및 Sn57.4Bi0.5Ag0.1Ce의 마이크로구조의 전자 현미경 이미지를 도시하며,
도 14는 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금의 Cu 용해율을 위한 시간을 도시하며,
도 15는 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금을 위한 낙하 충격 시험의 결과를 도시하며,
도 16은 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금을 위한 열적 피로 시험의 결과를 도시하며,
도 17은 다수의 기준 예와 본 발명에 따른 다수의 합금을 위한 열적 피로 시험의 결과를 도시한다.
도 1을 참조하면, 네 개의 합금(좌측으로부터 우측으로), Sn57.5Bi0.5Ag, Sn57.4Bi0.5Ag0.1Ce, Sn57.495BiO.5Ag0.005Ge 및 Sn57.45Bi0.5Ag0.05Ni 상에 샤르피 충격 시험이 수행되었다(샘플 크기 55 x 10 x 15 mm). 결과는 Ce, Ge 및 Ni의 존재가 Sn57.5Bi0.5Ag 기반 합금에 비해 약 10 내지 12%의 충격 에너지의 증가를 나타내는 합금을 초래한다는 것을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 샤르피 충격 시험은 6개 합금(좌측으로부터 우측으로), Sn58Bi, Sn57.5Bi0.5Ag, Sn45Bi, Sn57.4Bi0.5Ag0.1Ce, Sn57.4555Bi0.5Ag0.005Ge 및 Sn57.45Bi0.5Ag0.05Ni 상에 샤르피 충격 시험이 수행되었다(샘플 크기 55 x 10 x 10 mm). 이 결과는 Bi의 레벨의 감소와 Ag, Ce, Ge 및 Ni의 추가가 합금의 인성을 개선시킨다는 것을 나타낸다. 합금 Sn57.54BiO.4AgO.03Ni0005Mn, Sn57.75Bi0.2Cu0.03Ni, Sn57.7BiO.2CuO.03Co, Sn45Bi0.03Ni 및 Sn45Bi0.1Cu0.034Co 상에 수행된 샤르피 충격 테스트는 이들 합금 각각이 225 kJ를 초과하는 충격 에너지를 나타낸다는 것을 보여주었다. Sn57.7BiO.2CuO.03Co는 230kJ를 초과하는 충격 에너지를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.5Bi0.5Ag0.005Ge, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ni 및 Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ce에 대하여 선형 분산이 결정되었다. 결과는 본 발명의 합금이 그 Sn-Bi-Ag 기반 합금에 비해 개선된 습윤성을 나타낸다는 것을 보여준다. 합금 Sn58BiO.2CuO.03Ni, Sn58BiO.2CuO.03Co 및 Sn58BiO.4AgO.03Ni에 대해 유사한 결과가 얻어지며, 양 샘플들은 실험실에서 400 kg 규모로 제조되었다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 합금이 그 Sn-Bi-Ag 기반 합금에 비해 증가된 전단 강도, 경도, 항복 강도 및 인장 강도를 나타낸다는 것이 예시되어 있다. 도 4에서, 이하의 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn45Bi, Sn58Bi, Sn57.6Bi0.4Ag, Sn58BiO.5AgO.5Ce, Sn58BiO.5Ag0.005Ge, Sn57.6BiO.4Ag0.02Ti, Sn57.6Bi0.4Ag0.02Ti0.05Ni. Sn45Bi0.2CuO.005Mn, Sn58BiO.005A1, Sn58Bi0.005Mn 및 Sn57.75Bi0.2Cu0.05Ni를 위한 벌크 전단 시험 결과가 나타나 있다. 도 5에서, 이하의 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn58Bi, Sn58BiO.4AgO.02Ti, An58BiO.4AgO.02TiO.05Ni, Sn58Bi0.005A1 , Sn58BiO.2CuO.02Ni, Sn58BiO.2CuO.02NiO.005Ge, Sn58BiO.005Mn, Sn58Bi0.4Ag0.005Mn 및 Sn58BiO.4Ag0.05Ni0.005Mn에 대한 경도 값이 도시되어 있다. 도 6에서, 이하의 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn57.5Bi0.5Ag, Sn45Bi, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ce, Sn57.5Bi0.5Ag0.005Ge, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ni 및 Sn57.5Bi0.5Ag0.05(Ce, Ni)0.005Ge를 위한 항복 강도 값이 도시되어 있다. 도 7에서, 이하의 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn57.5Bi0.5Ag, Sn45Bi, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ce, Sn57.5Bi0.5Ag0.005Ge, Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ni 및 Sn57.5Bi0.5Ag0.05(Ce, Ni)0.005Ge를 위한 인장 강도가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 칩 구성 요소에 통합될 때 합금에 의해 전단 강도의 개선이 또한 나타난다는 것이 예시되어 있다. 결과는 이하의 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.6Bi0.4Ag0.05Ni, Sn57.6Bi0.4Ag0.005Ge 및 Sn57.6BiO.4Ag0.05Ce를 위해 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 합금이 QFP 구성 요소에 통합될 때, 납땜 이후 칩으로부터 리드를 빼내기 위해 필요한 힘은 그 Sn-Bi-Ag 기반 합금에 비해 증가된다는 것이 예시되어 있다. 도 9에서, 이하의 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn57.6BiO.4Ag, Sn57.6BiO.4AgO.05Ni, Sn57.6BiO.4Ag0.005Ge 및 Sn57.6BiO.4AgO.05Ce을 위한 결과가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 합금이 그 Sn-Bi/Sn-Bi-Ag 기반 합금에 비해 개선된 열 전도성을 나타낸다는 것이 예시되어 있다. 합금 Sn58Bi(작은 정사각형), Sn57.5Bi0.5Ag(삼각형), Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ce(큰 정사각형) 및 Sn57.5Bi0.5Ag0.05Ni(다이아몬드)를 위한 결과가 도시되어 있다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 특정 요소의 소량의 추가는 마이크로구조를 정제하여 예로서 개선된 기계적 특성을 초래하는 유리한 효과를 갖는다는 것이 예시되어 있다. 합금 Sn57.8BiO.2CuO.03Ni 및 Sn57.8BiO.2CuO.03Co의 전자 현미경 이미지는 더 더욱 정제된 마이크로구조를 보여준다.
도 14를 참조하면 합금 Sn58BiO.2CuO.06 및 Sn58BiO.2CuO.03Co는 매우 낮은 Cu 용해율을 나타낸다는 것이 예시되어 있다. 따라서, 이들 합금이 또한 높은 전기 전도성을 나타내기 때문에, 이들은 광전 용례에 특히 적합하다. 도 14에서, 합금(좌측으로부터 우측으로) Sn58Bi0.4Ag, Sn58BiO.4AgO.03Ni, Sn58BiO.4AgO.03Ti, Sn58Bi0.4Ag0.007Mn, Sn58BiO.2CuO.06Ni, Sn58BiO.2CuO.03Co, Sn45Bi, Sn45Bi0.1Cu, Sn45Bi0.02Ni 및 Sn45BiO.1CuO.06Co를 위한 결과가 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 합금 Sn58BiCuO.2NiO.06(원, 파괴까지 평균 낙하 수: 324.5), Sn58BiCuO.2CoO.03(정사각형, 파괴까지 평균 낙하 수 289.9), Sn58Bi0.04Ag(다이아몬드, 파괴까지 평균 낙하 수 174.7) 및 Sn58BiO.4AgO.05Ni(삼각형, 파괴까지 평균 낙하 수 259.0)을 위한 낙하 충격 시험 결과가 나타나 있다. 낙하 충격 시험은 JEDEC 표준 JESD22-B111(시험 조건: 1500 Gs, 0.5 밀리초 기간, 하프-사인 펄스)을 따랐다. 보드에는 모든 15개 가용 위치에서 볼 그리드 어레이(BGA) 구성 요소가 배치되었다. 결과는 본 발명의 합금이 Sn58Bi0.4Ag 합금에 비해 개선된 낙하 충격 내성을 나타낸다는 것을 보여준다.
도 16을 참조하면, 합금 Sn58Bi(다이아몬드), Sn57.6BiO.4Ag(중실 삼각형), Sn57.6BiO.4AgO.03Ni(중공 원), Sn57.6BiO.4AgO.0033Ge(중공 삼각형), Sn57.6BiO.4AgO.056Ce(정사각형) 및 Sn45Bi(십자) 상에 열적 피로 시험이 수행되었다. 열적 사이클링 조건은 표준 TC3/NTC-C(-40 내지 125℃, 10 분 체류 시간)에 대응한다. 본 발명의 합금은 Sn58Bi 및 Sn45Bi 합금의 것들에 비해 1500 사이클 이후 전단 강도의 매우 미소한 변화를 나타내었다. 추가적으로, 본 발명의 합금 중 어떤 것에서도 1500 사이클 이후 어떠한 균열도 관찰되지 않았다.
도 17을 참조하면, 합금 Sn57.6BiO.4Ag(다이아몬드, 1000 사이클 이후 3번째 높은 전단력), Sn58Bi(정사각형, 1000 사이클 이후 5번째 높은 전단력), Sn57.6BiO.2CuO.03Ni(삼각형, 1000 사이클 이후 가장 높은 전단력), Sn57.6BiO.2CuO.03Co(검은 원, 1000 사이클 이후 2번째 높은 전단력), Sn57.6BiO.4AgO.03Ni(십자, 1000 사이클 이후 가장 낮은 높은 전단력) 및 Sn57.1Bi0.9Ag(밝은 원, 1000 사이클 이후 4번째 높은 전단력) 상에 열적 피로 시험이 수행되었다. 열적 사이클링 조건은 도 16에 도시된 시험을 위해 사용된 것들과 동일하였다. 36개 BGA84 보드가 합금마다 시험을 위해 사용되었다. SnBi0.4Ag 보드 중 단지 26개 및 Sn58Bi 보드 중 24개만이 1000 사이클을 견뎠다. 이에 비해, Sn57.6BiO.2CuO.03Ni, Sn57.1Bi0.9Ag 및 Sn57.6BiO.4AgO.03Ni의 모든 36개 보드와 Sn57.6BiO.2CuO.03Co의 35개 보드가 1000 사이클을 견뎠다.
전술된 상세한 설명은 설명 및 예시로 제공된 것이며, 첨부된 청구범위의 범주를 제한하는 것을 의도하지 않는다. 본 기술 분야의 통상적 지식을 가진 자는 본 명세서에 예시된 현재의 양호한 실시예의 다수의 변형을 명백히 알 수 있을 것이며, 이들은 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범주 내에 있다.

Claims (20)

  1. 합금, 바람직하게는 무연 땜납 합금으로서,
    35 내지 59 wt% Bi,
    0 내지 1.0 wt% Ag,
    0 내지 1.0 wt% Au,
    0 내지 1.0 wt% Cr,
    0 내지 2.0 wt% In,
    0 내지 1.0 wt% P,
    0 내지 1.0 wt% Sb,
    0 내지 1.0 wt% Sc,
    0 내지 1.0 wt% Y,
    0 내지 1.0 wt% Zn, 및
    0 내지 1.0 wt% 희토류 원소를 포함하고,
    0보다 크고 1.0 wt%까지의 Al,
    0.01 내지 1.0 wt% Ce,
    0보다 크고 1.0 wt%까지의 Co,
    0보다 크고 1.0 wt%까지의 Cu,
    0.001 내지 1.0 wt% Ge,
    0보다 크고 1.0 wt%까지의 Mg,
    0보다 크고 1.0 wt%까지의 Mn,
    0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
    0보다 크고 1.0 wt%까지의 Ti
    중 하나 이상과,
    임의의 불가피한 불순물과 함께 잔여부 Sn을 포함하는,
    합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    35 내지 55 wt% Bi를 포함하는,
    합금.
  3. 제 1 항에 있어서,
    57 내지 59 wt% Bi를 포함하는,
    합금.
  4. 합금으로서,
    41 내지 43 wt% Sn을 포함하고,
    0 내지 1.0 wt% Ag,
    0 내지 1.0 wt% Al,
    0 내지 1.0 wt% Au,
    0 내지 1.0 wt% Co,
    0 내지 1.0 wt% Cr,
    0 내지 1.0 wt% Cu,
    0 내지 2.0 wt% In,
    0 내지 1.0 wt% Mn,
    0 내지 1.0 wt% P,
    0 내지 1.0 wt% Sb,
    0 내지 1.0 wt% Sc,
    0 내지 1.0 wt% Ti,
    0 내지 1.0 wt% Y,
    0 내지 1.0 wt% Zn,
    0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
    0.01 내지 1.0 wt% Ce,
    0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
    0.001 내지 1.0 wt% Ge
    중 하나 이상과,
    임의의 불가피한 불순물과 함께 잔여부 Bi를 포함하는,
    합금.
  5. 합금으로서,
    41 내지 43 wt% Sn과,
    0 내지 1.0 wt% Ag를 포함하고,
    0 내지 1.0 wt% Al,
    0 내지 1.0 wt% Au,
    0 내지 1.0 wt% Co,
    0 내지 1.0 wt% Cr,
    0 내지 1.0 wt% Cu,
    0 내지 2.0 wt% In,
    0 내지 1.0 wt% Mn,
    0 내지 1.0 wt% P,
    0 내지 1.0 wt% Sb,
    0 내지 1.0 wt% Sc,
    0 내지 1.0 wt% Ti,
    0 내지 1.0 wt% Y,
    0 내지 1.0 wt% Zn,
    0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
    0.01 내지 1.0 wt% Ce,
    0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
    0.001 내지 1.0 wt% Ge
    중 하나 이상과,
    임의의 불가피한 불순물과 함께 잔여부 Bi를 포함하는,
    합금.
  6. 합금으로서,
    50 내지 65 wt% Sn을 포함하고,
    0 내지 1.0 wt% Ag,
    0 내지 1.0 wt% Al,
    0 내지 1.0 wt% Au,
    0 내지 1.0 wt% Co,
    0 내지 1.0 wt% Cr,
    0 내지 1.0 wt% Cu,
    0 내지 2.0 wt% In,
    0 내지 1.0 wt% Mn,
    0 내지 1.0 wt% P,
    0 내지 1.0 wt% Sb,
    0 내지 1.0 wt% Sc,
    0 내지 1.0 wt% Ti,
    0 내지 1.0 wt% Y,
    0 내지 1.0 wt% Zn,
    0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
    0.01 내지 1.0 wt% Ce,
    0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
    0.001 내지 1.0 wt% Ge
    중 하나 이상과,
    임의의 불가피한 불순물과 함께 잔여부 Bi를 포함하는,
    합금.
  7. 합금으로서,
    50 내지 65 wt% Sn과,
    0 내지 1.0 wt% Ag를 포함하고,
    0 내지 1.0 wt% Al,
    0 내지 1.0 wt% Au,
    0 내지 1.0 wt% Co,
    0 내지 1.0 wt% Cr,
    0 내지 1.0 wt% Cu,
    0 내지 2.0 wt% In,
    0 내지 1.0 wt% Mn,
    0 내지 1.0 wt% P,
    0 내지 1.0 wt% Sb,
    0 내지 1.0 wt% Sc,
    0 내지 1.0 wt% Ti,
    0 내지 1.0 wt% Y,
    0 내지 1.0 wt% Zn,
    0 내지 1.0 wt% 희토류 원소,
    0.01 내지 1.0 wt% Ce,
    0.01 내지 1.0 wt% Ni, 및
    0.001 내지 1.0 wt% Ge
    중 하나 이상과,
    임의의 불가피한 불순물과 함께 잔여부 Bi를 포함하는,
    합금.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.01 내지 0.5 wt% Ce, 바람직하게는, 0.05 내지 0.1 wt% Ce를 포함하는,
    합금.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.01 내지 0.5 wt% Ni, 바람직하게는, 0.025 내지 0.1 wt% Ni, 더욱 바람직하게는 0.025 내지 0.05 wt% Ni를 포함하는,
    합금.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.001 내지 0.1 wt% Ge, 바람직하게는, 0.001 내지 0.01 wt% Ge를 포함하는,
    합금.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.01 내지 0.8 wt% Ag, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 wt% Ag, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 0.6 wt% Ag, 더 더욱 바람직하게는 약 0.5 wt% Ag를 포함하는,
    합금.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    0 내지 0.7 wt% Al,
    0 내지 0.5 wt% Co,
    0 내지 0.5 wt% Cu,
    0 내지 1.5 wt% In,
    0 내지 0.5 wt% Mg,
    0 내지 0.2 wt% Mn,
    0 내지 0.01 wt% P, 및
    0 내지 0.1 wt% Ti를 포함하는,
    합금.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.003 내지 0.5 wt% Co,
    0.1 내지 0.5 wt% Cu, 및
    0.2 내지 1.0 wt% In
    중 하나 이상을 포함하는,
    합금.
  14. 제 1 항에 있어서,
    57 내지 59 wt% Bi와,
    0.1 내지 0.3 wt% Cu를 포함하고,
    0.02 내지 0.04 wt% Co, 및
    0.02 내지 0.04 wt% Ni
    중 하나 이상과,
    임의의 불가피한 불순물과 함께 잔여부 Sn을 포함하는,
    합금.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    합금은 땜납 합금, 바람직하게는 무연 땜납 합금인,
    합금.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바아, 스틱, 중실 또는 플럭스 코어 와이어, 포일 또는 스트립, 필름, 예비성형체 또는 분말이나 페이스트(분말과 플럭스의 혼합물) 또는 볼 그리드 어레이 조인트에 사용하기 위한 솔더 구체 또는 예비성형된 솔더 부재 또는 리플로우된 또는 응고된 땜납의 형태이거나, 광전 용례를 위한 구리 리본 같은 임의의 납땜 가능한 재료상에 사전 적용되는,
    합금.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    샤르피 충격 시험을 사용하여 측정될 때 대응 Sn-Bi 기반 합금 또는 합금이 Ag를 포함하는 경우에는 대응 Sn-Bi-Ag 기반 합금의 충격 에너지보다 적어도 5% 더 큰, 바람직하게는 적어도 10% 더 큰 충격 에너지를 나타내는,
    합금.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 합금을 포함하는,
    납땜된 조인트.
  19. 납땜 방법에서 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 규정된 바와 같은 합금의 용도.
  20. 제 19 항에 있어서,
    납땜 방법은 웨이브 납땜, 표면 장착 기술(SMT) 납땜, 다이 부착 납땜, 열적 계면 납땜, 핸드 솔더링, 레이저 및 RF 유도 납땜 및 재가공 납땜으로부터 선택되는,
    합금의 용도.
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