KR20240056780A - 땜납 합금, 땜납 볼, 땜납 프리폼, 땜납 페이스트 및 솔더 조인트 - Google Patents

Abstract

습윤성이 우수하고, 솔더 조인트의 파단이 억제됨으로써, 높은 신뢰성을 구비하는 땜납 합금 및 솔더 조인트를 제공한다. 땜납 합금은, 질량％로, Ag: 1.0 내지 3.7％, Cu: 0.4 내지 0.8％, Sb: 0.50 내지 2.90％, In: 5.00 내지 10.00％, Ni: 0.01 내지 0.06％ 및 잔부가 Sn을 포함하는 합금 조성을 갖는다.

Description

땜납 합금, 땜납 볼, 땜납 프리폼, 땜납 페이스트 및 솔더 조인트

본 발명은 다양한 전자 기기에 사용되는 땜납 합금, 땜납 볼, 땜납 프리폼, 땜납 페이스트 및 솔더 조인트에 관한 것이다.

근년, 퍼스컴 등의 민생 전자 기기의 고기능화에 의해, 기판에 탑재되는 전자 부품의 성능이 비약적으로 향상되고 있다. 전자 부품이 고성능이 됨에 따라 전자 부품에 대전류가 통전되기 때문에, 민생 전자 기기의 기판에 사용되는 솔더 조인트는 고온에 노출되는 경우가 있다. 또한, 기판과 전자 부품이 스텝 솔더링에 의한 납땜으로 접합되는 경우에는, 솔더 조인트는 150℃ 정도의 고온에 노출된다. 한편, 민생 전자 기기가 한랭지에서 사용되는 것은, 용이하게 상정된다.

솔더 조인트가 가혹한 환경하에 노출되는 용도로서, 민생 전자 부품 외에도, 차량 탑재 전자 기기 혹은 산업 전자 기기를 들 수 있다. 자동차는 카 일렉트로닉스화가 진행되어, 가솔린차로부터 하이브리드 차를 거쳐 전기 자동차로 이행하고 있다. 이에 수반하여, 차량 탑재 전자 기기의 기판은, 용도의 확장에 의해 엔진 룸 등의 고온에 노출되는 개소에 배치되는 경우가 있다. 한편, 엔진 정지 시에는, 한랭지이면 -40℃ 이하라고 하는 저온에 노출된다. 또한, 사용 환경에 따라서는, 충격 등의 물리적인 외력이 전자 기기에 가해지는 경우가 있다.

또한, 산업 전자 기기는, 작업자에 있어서 작업이 곤란한 장소 등에서 사용된다. 이 때문에, 산업 전자 기기의 기판은, 차량 탑재 전자 기기의 기판과 마찬가지로, 한난차가 심한 환경에 노출되거나 외력이 전자 기기에 가해지는 것이 상정된다.

그런데, 기판과 전자 부품을 접속하는 합금으로서 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금이 널리 사용되고 있다. 땜납 합금의 적용 범위는 확대되어 가고 있지만, 그에 수반하여, 차량 탑재 등의 용도로 대표되는 바와 같이, 가혹한 환경에서 장기간 사용해도, 솔더 조인트에 파단이나 열화가 생기지 않는 높은 접속 신뢰성이 요구되도록 되어 오고 있다.

그러나, 전자 회로가 상술한 바와 같은 한난차에 노출되면, 전자 부품과 프린트 기판의 열팽창 계수의 차이에 의해, 솔더 조인트에 응력이 집중된다. 또한, 외력이 전자 기기에 가해진 경우, 단면적이 작은 솔더 조인트에 응력이 집중된다. 이 때문에, 종래의 Sn-3Ag-0.5Cu 땜납 합금을 사용하면 솔더 조인트가 파단될 우려가 있어, 이를 억제하는 땜납 합금이 요구되고 있다.

예를 들어 특허문헌 1에는, 기판의 스루홀에 필렛을 형성했을 때의 리프트오프를 억제하여, 용융 땜납의 습윤 확산성이 우수하고, 냉열 사이클에 의한 크랙 진전도가 낮은 땜납 합금으로서, Sn-Ag-Cu-Sb-In 땜납 합금에, 임의 원소로서 Ni 등을 함유할 수 있는 합금 조성이 개시되어 있다. 동일 문헌의 비교예 6에는, Ag: 3.5질량％, Cu: 0.8질량％, Sb: 1.0질량％, In: 6.0질량％, Ni: 0.07질량％ 및 잔부가 Sn인 땜납 합금이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 금속간 화합물의 조직이 작고 내크랙성이 우수하고, 보이드 및 Cu 침식이 억제됨과 함께, 냉열 사이클 후에 있어서의 크랙의 진전이 억제됨으로써 내구성이 우수한 땜납 합금으로서, Sn-Ag-Bi-Ni-Co계 땜납 합금에, 임의 원소로서 Sb, In 등을 함유할 수 있는 합금 조성이 개시되어 있다. 동일 문헌의 실시예 40에는, Ag: 3.0질량％, Cu: 0.5질량％, Sb: 1.5질량％, In: 4.3질량％, Ni: 0.05질량％, Bi: 0.5질량％, Co: 0.005질량％ 및 잔부가 Sn인 땜납 합금이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2019-063830호 공보 일본 특허 공개 제2014-037005호 공보

그러나, 특허문헌 1 및 2에 기재된 땜납 합금은, 전술한 바와 같이, 주로 히트 사이클 특성에 주목한 합금 설계가 이루어져 있다. 전자 기기가 히트 사이클에 노출되면, 기판과 전자 부품의 열팽창 계수의 차이로 인해 솔더 조인트에 응력이 가해진다. 한편, 진동이 차량 탑재 전자 회로에 가해질 경우, 그 응력이 가해지는 방법은, 히트 사이클 시에 발생하는 프린트 기판이나 전자 부품의 신축에 의한 응력과는 다르다고 생각된다. 이와 같이, 근년의 전자 기기의 고기능화나 용도의 확장에 의한 사용 환경의 열악화로 인해, 솔더 조인트에 다양한 응력이 가해졌다고 해도, 솔더 조인트의 파단을 피하기 위해서는, 땜납 합금 자체의 강도를 향상시킬 필요가 있다.

또한, 솔더 조인트의 파단은, 솔더 조인트를 구성하는 땜납 합금의 파단 외에도, 땜납 합금의 습윤성이 떨어지는 것에 의해 생기는 접합 계면에서의 파단도 들 수 있다. 이와 같이, 종래보다 신뢰성이 높은 솔더 조인트를 형성하기 위해서는, 공지된 합금 조성을 재검토할 필요가 있다.

본 발명의 과제는, 습윤성이 우수하고, 솔더 조인트의 파단이 억제됨으로써 높은 신뢰성을 구비하는 땜납 합금, 땜납 볼, 땜납 프리폼, 땜납 페이스트 및 솔더 조인트를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, Sn-Ag-Cu 땜납 합금에 있어서, 다양한 응력을 완화할 수 있는 합금 조성을 검토하였다. 종래에는, 냉열 사이클 시에 체적 변화가 큰 땜납 합금은, 기판의 선팽창 계수와의 차에 의해 솔더 조인트가 파단된다고 생각되고 있었다. 그러나, 체적 변화가 작으면, 가해진 응력이 변형 에너지로서 땜납 합금에 축적되어, 오히려 파단을 촉진할 우려가 있다.

우선, 냉열 사이클의 가열 시에 가해지는 응력이 완화되도록, 굳이, 땜납 합금의 체적 변화가 생기는 In에 주목하였다. In은, 함유량에 따라 βSn과 γSn의 고상 변태를 촉진하기 때문에, 고상 변태에 의한 체적 변화를 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명자들은, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, In 함유량을 많게 한 땜납 합금에 대하여 검토하였다.

단, 체적 변화가 크면 솔더 조인트가 접합 계면에서 파단된다. 이에 따라, 본 발명자들은, 용융 땜납의 습윤성, 그리고, 땜납 합금 중의 합금 조직 및 접합 계면에서의 합금 조직의 미세화의 관점에서, Cu, Sb 및 Ni의 함유량에 대하여 상세하게 검토를 행하였다. 또한, 본 발명자들은, 냉열 사이클 시에 솔더 조인트의 온도가 상승할 때, 즉시 βSn으로부터 γSn으로의 고상 변태가 발생하면 신속하게 응력이 완화되는 것에 주목하여, Ag의 함유량에 대해서도 상세하게 검토하였다. 그 결과, 첨가 원소인 Ag, Cu, Sb, In 및 Ni의 함유량이 동시에 소정의 범위 내인 땜납 합금에서는, 습윤성이 우수하고, 솔더 조인트의 파단이 억제되는 지견이 얻어져, 본 발명은 완성되었다.

이들 지견에 의해 얻어진 본 발명은 이하와 같다.

(1) 질량％로, Ag: 1.0 내지 3.7％, Cu: 0.4 내지 0.8％, Sb: 0.50 내지 2.90％, In: 5.00 내지 10.00％, Ni: 0.01 내지 0.06％ 및 잔부가 Sn을 포함하는 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.

(2) 또한, 질량％로, Co: 0.100％ 이하를 함유하는, 상기 (1)에 기재된 땜납 합금.

(3) 또한, 질량％로, Bi: 5.0％ 이하를 함유하는, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금.

(4) 또한, 질량％로, Zr, Fe, Ge, Ga, P, As, Pb, Zn, Mg, Cr, Ti, Mn, Mo, Pt, Pd, Au, Al 및 Si 중 적어도 1종을 합계로 0.1％ 이하를 함유하는, 상기 (1) 내지 상기 (3) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금.

(5) 합금 조성은, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는, 상기 (1) 내지 상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금.

132≤(In/Sb)×(Sn/Ag)≤450 (1)

251≤In/(Cu×Sb×Ni)≤699 (2)

상기 (1) 식 및 (2) 식 중, In, Sb, Sn, Ag, Cu 및 Ni는, 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(6) 상기 (1) 내지 상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 솔더 조인트.

(7) 상기 (1) 내지 상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 포함하는 땜납 프리폼.

(8) 상기 (1) 내지 상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 포함하는 땜납 분말을 갖는 땜납 페이스트.

(9) 상기 (1) 내지 상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 솔더 조인트.

도 1은 땜납 합금의 단면 SEM 사진이며, 도 1의 (a)는 실시예 6이며, 도 1의 (b)는 비교예 3이며, 도 1의 (c)는 비교예 8이다.

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

1. 땜납 합금

(1) Ag: 1.0 내지 3.7％

Ag는, βSn이 γSn으로 상변태하는 온도를 낮춤으로써, 승온 시에 변형 에너지를 신속하게 완화하여, 솔더 조인트의 파단을 억제할 수 있다. 또한, Ag₃Sn의 네트워크를 형성하고, 땜납 합금 자체의 강도를 향상시킬 수 있다. Ag 함유량이 1.0％ 미만이면, βSn으로부터 γSn으로의 상변태 온도가 내려가지 않고 상변태가 발생하지 않아, 솔더 조인트의 파단을 억제할 수 없다. 또한, 미세한 Ag₃Sn의 네트워크가 형성되지 않고 강도가 저하된다. Ag 함유량의 하한은 1.0％ 이상이고, 바람직하게는 1.5％ 이상이고, 보다 바람직하게는 2.0％ 이상이다. 한편, Ag 함유량이 3.7％를 초과하면 조대한 Ag₃Sn의 초정이 정출되어 버려, 강도가 열화된다. Ag 함유량의 상한은 3.7％ 이하이고, 바람직하게는 3.0％ 이하이고, 보다 바람직하게는 2.3％ 이하이다.

(2) Cu: 0.4 내지 0.8％

Cu는, 액상선 온도를 억제함으로써 용융 땜납의 습윤성을 향상시킬 수 있다. Cu 함유량이 0.4％ 미만이거나 또는 0.8％를 초과하는 경우에는, 액상선 온도가 상승해 버려, 접합 온도에서의 유동성이 저하됨으로써 습윤성이 열화된다. 또한, Cu 함유량이 0.8％를 초과하면 Sn과의 화합물이 석출되어, 접합 계면에 형성된 금속간 화합물이 단단해진다. Cu 함유량의 하한은 0.4％ 이상이고, 바람직하게는 0.5％ 이상이다. Cu 함유량의 상한은 0.8％ 이하이고, 바람직하게는 0.7％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.6％ 이하이다.

(3) Sb: 0.50 내지 2.90％

Sb는, In을 소정량 함유하는 땜납 합금에 첨가되면, 미세한 InSb 화합물을 정출시켜, 땜납 합금 자체의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, Sb는, 실온을 포함하는 사용 온도역에 있어서 Sn에 대한 고용 한도가 변화하기 때문에, 온도 변화에 의해 Sn으로의 Sb의 고용과 석출이 반복된다. 또한, Sb는, 고온역에서는 과포화 고용체를 형성하기 때문에, 땜납 합금이 고용 강화에 의해 벌크 강도가 향상된다. 이에 수반하여 액상선 온도가 저하되기 때문에 습윤성이 향상된다.

Sb 함유량이 0.50％ 미만이면, 고용 강화 및 분산 석출 강화에 의한 벌크 강도의 향상이 도모되지 않는다. 또한, InSb 화합물이 미세하게 되지 않아, 벌크 강도가 향상되지 않는다. Sb 함유량의 하한은 0.50％ 이상이고, 바람직하게는 0.70％ 이상이고, 보다 바람직하게는 1.00％ 이상이다. 한편, Sb 함유량이 2.90％를 초과하면 조대한 InSb 화합물의 정출에 의해, 분산 석출 강화의 지속성이 소실된다. Sb 함유량의 상한은 2.90％ 이하이고, 바람직하게는 2.50％ 이하이고, 보다 바람직하게는 2.30％ 이하이다.

(4) In: 5.00 내지 10.00％

In은, 온도 변화에 의해 변태점에 도달하면, 점차 βSn을 γSn으로 상변태시킴으로써, 이에 의해 변형 에너지를 완화하여, 솔더 조인트의 파단을 억제할 수 있다. 종래에는 냉열 사이클 시의 체적 변화가 큰 경우에 솔더 조인트가 파단되기 쉽다고 생각되고 있었지만, 굳이, 본 발명에서는 체적 변화가 커지도록 합금 조성이 조제되어 있기 때문에, 종래의 땜납 합금보다 솔더 조인트의 파손을 억제할 수 있다. In 함유량이 5.0％ 미만이면 Sn상의 고상 변태가 발생하지 않는다. In 함유량의 하한은 5.0％ 이상이고, 바람직하게는 6.00％ 이상이고, 보다 바람직하게는 7.50％ 이상이다. 한편, In 함유량이 10.00％를 초과하면 액상선 온도가 너무 내려가고, 또한 Sn상의 고상 변태가 발생하지 않는다. In 함유량의 상한은 10.00％ 이하이고, 바람직하게는 9.00％ 이하이다.

(5) Ni: 0.01 내지 0.06％

Ni는, 납땜 후에 Sn으로의 Cu의 확산을 저해하고, 접합 계면에 석출되는 금속간 화합물의 성장을 억제하고, 또한 접합 계면에 석출되는 금속 화합물의 조대화를 억제함으로써, 접합 계면의 강화를 도모할 수 있다. Ni 함유량이 0.01％ 미만이면 접합 계면의 강화를 도모할 수 없다. Ni 함유량의 하한은 0.01％ 이상이고, 바람직하게는 0.02％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.03％ 이상이다. 한편, Ni 함유량이 0.06％를 초과하면 액상선 온도의 상승에 의해 습윤성이 저하된다. Ni 함유량의 상한은 0.06％ 이하이고, 바람직하게는 0.05％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.04％ 이하이다.

(6) 잔부: Sn

본 발명에 관한 땜납 합금의 잔부는 Sn이다. 전술한 원소 외에 불가피적 불순물을 함유해도 된다. 불가피적 불순물을 함유하는 경우에도, 전술한 효과에 영향을 미치는 일은 없다.

(7) Co: 0.100％ 이하

Co는, 금속간 화합물의 성장을 억제하여, 합금 조직을 미세하게 하는 효과가 있는 임의 원소이다. Co 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.100％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.050％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.010％ 이하이다. Co 함유량의 하한은 특별히 한정되지는 않지만, 합금 조직의 미세화가 도모되는 관점에서, 바람직하게는 0.001％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.003％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.005％ 이상이고, 보다 더 바람직하게는 0.006％ 이상이고, 특히 바람직하게는 0.007％ 이상이고, 가장 바람직하게는 0.008％ 이상이다.

(8) Bi: 5.0％ 이하

Bi는, Sn상에 고용되어, 땜납 합금의 강도를 향상시킬 수 있는 임의 원소이다. 또한, 적량이 첨가되면 땜납 합금이 취화되지 않고, 높은 강도를 유지하는 경우가 있다. Bi 함유량의 상한은, 바람직하게는 5.0％ 이하이고, 보다 바람직하게는 1.0％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.3％ 이하이다. Bi 함유량의 하한은 특별히 한정되지는 않지만, 고용 강화가 충분히 도모되는 관점에서, 0.1％ 이상이면 된다.

(9) 그 외의 임의 원소

본 발명에 관한 땜납 합금은, 상기 외에도, Zr, Fe, Ge, Ga, P, As, Pb, Zn, Mg, Cr, Ti, Mn, Mo, Pt, Pd, Au, Al 및 Si 중 적어도 1종을 합계로 0.1％ 이하의 양으로 함유해도 된다. 이들 원소가 0.1％ 이하 함유되어도, 조대한 화합물이 석출되는 일 없이, 본 발명의 상기 효과를 발휘할 수 있다. 이들 원소의 함유량의 합계는, 바람직하게는 0.1％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.09％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.05％ 이하이다. 각각의 원소의 함유량에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 0.0003 내지 0.02％이다. 이들 중에서, Fe는 Ni와 마찬가지로, 납땜 후에 Sn으로의 Cu의 확산을 저해하고, 접합 계면에 석출되는 금속간 화합물의 성장을 억제하고, 또한 접합 계면에 석출되는 금속 화합물의 조대화를 억제함으로써, 접합 계면의 강화를 도모할 수 있다.

(10) (1) 식, (2) 식

132≤(In/Sb)×(Sn/Ag)≤450 (1)

251≤In/(Cu×Sb×Ni)≤699 (2)

상기 (1) 식 및 (2) 식 중, In, Sb, Sn, Ag, Cu 및 Ni는, 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 발명에 관한 땜납 합금은 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는 것이 바람직하다. 양쪽 식을 충족시키면 땜납 합금 자체의 강도가 향상됨과 함께, 액상선 온도의 적정화에 의해 습윤성의 향상을 도모할 수 있다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, (1) 식을 충족시키면, Ag₃Sn이 치밀하게 정출됨과 함께 InSb가 미세하게 정출됨으로써, 상승적으로 벌크 강도의 한층 더한 향상을 도모할 수 있다. 각 금속간 화합물이 치밀하며 또한 미세하게 정출되기 위해서는, 각 금속간 화합물의 구성 원소가 밸런스 좋게 함유되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 금속간 화합물의 정출량이 어느 한쪽으로 치우치지 않고 분산되어 있음으로써, 금속간 화합물의 조대화가 억제되는 것으로 추정된다. (1) 식의 하한은, 바람직하게는 132 이상이고, 보다 바람직하게는 150 이상이고, 특히 바람직하게는 180 이상이다. (1)의 상한은, 바람직하게는 450 이하이고, 보다 바람직하게는 430 이하이고, 더욱 바람직하게는 410 이하이다.

또한, 본 발명에 관한 땜납 합금은, (2) 식을 충족시키면, 액상선 온도를 더욱 적정한 범위로 조정할 수 있다. 이를 위해서는, 함유량이 많으면 액상선 온도가 저하되는 In, 및 함유량이 많으면 액상선 온도가 상승하는 Cu, Sb 및 Ni가, 균형을 유지하도록 함유되는 것이 바람직하다. 특히 Cu, Sb 및 Ni는, Sn보다 융점이 높은 금속간 화합물을 형성하기 때문에, 액상선 온도의 적정화를 도모하기 위해서는, In의 함유량과 함께 종합적으로 조정하는 것이 바람직하다. (2) 식의 하한은, 바람직하게는 251 이상이고, 보다 바람직하게는 300 이상이고, 특히 바람직하게는 345 이상이다. (2) 식의 상한은, 바람직하게는 699 이하이고, 보다 바람직하게는 600 이하이고, 더욱 바람직하게는 500 이하이다.

본 발명에 관한 땜납 합금은, 상술한 바와 같이 기계적 특성의 향상을 도모하기 위해, Ag₃Sn이 치밀하게 정출됨과 함께 InSb가 미세하게 정출되는 것이 바람직하다. 치밀이나 미세의 평가는, 일반적으로 평균 결정 입경으로 평가되고 있다. 그러나, 조대한 화합물이 하나라도 존재하면, 땜납 합금의 기계적 특성은 열화될 가능성이 있다. 이에 따라, 본 발명에서는, 이들 화합물의 최대 결정 입경에 주목하여, 최대 결정 입경이 작으면, 치밀, 미세한 조직이라고 평가할 수 있다. Ag₃Sn에서는, 네트워크를 형성하기 위해 최적의 크기의 입경인 것이 바람직하고, 최대 결정 입경이 5 내지 15㎛인 것이 바람직하고, 5 내지 10㎛인 것이 보다 바람직하고, 10㎛ 초과 15㎛ 이하여도 된다. InSb에서는, 최대 결정 입경이 7㎛ 이하인 것이 바람직하고, 5㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 1.8㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

2. 땜납 볼

본 발명에 관한 땜납 합금은, 땜납 볼로서 사용할 수 있다. 본 발명에 관한 땜납 볼은, BGA(볼 그리드 어레이) 등의 반도체 패키지의 전극이나 기판의 범프 형성에 사용된다. 본 발명에 관한 땜납 볼의 직경은 1 내지 1000㎛의 범위 내가 바람직하다. 땜납 볼은, 일반적인 땜납 볼의 제조법에 의해 제조할 수 있다.

3. 땜납 프리폼

본 발명에 관한 땜납 프리폼의 형상은, 특별히 한정되는 것은 아니며, 판상, 링 형상, 원통 형상, 리본 형상, 스퀘어 형상, 디스크 형상, 와셔 형상, 칩 형상, 와이어 형상 등의 형태로 사용할 수 있다. 땜납 프리폼은, 융점이 땜납 합금보다 높고, 용융 땜납에 습윤되기 쉬운 고융점 금속 입자(예를 들어 Ni 입자나 Cu 입자, 및 Ni나 Cu를 주성분으로 하는 합금 분말)를 내부에 함유해도 된다.

4. 땜납 페이스트

본 발명에 관한 땜납 합금은, 땜납 페이스트로서 사용할 수 있다. 땜납 페이스트는, 땜납 합금 분말을 소량의 플럭스와 혼합하여 페이스트상으로 한 것이다. 본 발명에 관한 땜납 합금은, 리플로 납땜법에 의한 프린트 기판에 대한 전자 부품의 실장에, 땜납 페이스트로서 이용해도 된다. 땜납 페이스트에 사용되는 플럭스는, 수용성 플럭스와 비수용성 플럭스 중 어느 것이어도 된다. 전형적으로는 로진 베이스의 비수용성 플럭스인 로진계 플럭스가 사용된다.

5. 솔더 조인트

본 발명에 관한 솔더 조인트는, 반도체 패키지에서의 IC 칩과 그 기판(인터포저)의 접속, 혹은 반도체 패키지와 프린트 기판을 접합하여 접속한다. 즉, 본 발명에 관한 솔더 조인트는 전극의 접속부를 말하고, 일반적인 납땜 조건을 사용하여 형성할 수 있다.

본 발명에 관한 땜납 합금을 사용한 접합 방법은, 예를 들어 리플로법에 의한 스텝 솔더링 등을 사용하여 통상의 방법에 따라 행하면 된다. 가열 온도는 칩의 내열성이나 땜납 합금의 액상선 온도에 따라 적절히 조정해도 된다. 이 외의 접합 조건은, 땜납 합금의 합금 조성에 따라 적절히 조정할 수 있다.

실시예

표 1 및 표 2에 나타내는 합금 조성을 포함하는 땜납 합금을 조제하여, 평가 1로서 액상선 온도를 측정하고, 평가 2로서 Ag₃Sn의 치밀성을 평가하고, 평가 3으로서 InSb의 미세화를 평가하고, 평가 4로서 Sn상의 고상 변태를 평가하고, 평가 5로서 접합 계면의 균일 미세화를 평가하였다.

· 평가 1: 액상선 온도

표 1의 각 땜납 합금을 제작하여, 땜납 합금의 액상선 온도를 측정하였다. 액상선 온도는, JIS Z 3198-1의 고상선 온도의 측정 방법과 마찬가지의 DSC에 의한 방법으로 실시하였다. 액상선 온도가 200 내지 215℃일 경우에는 「○」로 평가하고, 215℃를 초과하는 경우에는 「×」로 평가하고, 200℃를 하회하는 경우에도 「×」로 하였다.

· 평가 2, 3: Ag₃Sn의 치밀성, InSb의 미세화

소정의 금형에 표 1에 나타내는 합금 조성을 포함하는 땜납 합금을 주입하고, 얻어진 땜납 합금을 수지로 몰드하여 연마하고, 땜납 합금이 절반 정도 연마된 개소를 FE-SEM으로 1000배의 배율로 촬영하였다. 단면 관찰 및 EDS에 의한 매핑 조성 분석에 의해 Ag₃Sn의 치밀성 및 InSb의 미세화를 평가하였다. 매핑 조성 분석에 의해 각각의 화합물을 동정하고, 눈으로 보아 최대의 결정립을 선택하였다. 그 결정립에 대하여, 간격이 최대가 되도록 평행한 2개의 접선을 긋고, 그 간격을 최대 결정 입경으로 하였다. Ag₃Sn의 최대 결정 입경이 5㎛ 이상 10㎛ 이하일 경우에는 「◎」로 하고, 10㎛ 초과 15㎛ 이하일 경우에는 「○」로 하고, 5㎛ 미만일 경우 및 15㎛를 초과하는 경우에는 「×」로 하였다. 또한, InSb의 최대 결정 입경이 1.8㎛ 이하일 경우에는 「◎」로 하고, 1.8㎛ 초과 7㎛ 이하일 경우에는 「○」로 하고, 7㎛를 초과하는 경우에는 「×」로 하였다.

· 평가 4: Sn상의 고상 변태

표 1에 나타내는 각 땜납 합금으로부터, φ0.6mm의 땜납 볼을 조제하였다. 이 땜납 볼을 항온조를 사용하여, -40℃⇔125℃ 조건의 히트 사이클 환경에 200사이클 노출시키고, Sn상의 고상 변태가 발생하는 환경하에서 평가를 실시하였다. 그 후, 항온조로부터 꺼낸 땜납 볼의 진구도를 평가하였다. 진구도는, CNC 화상 측정 시스템으로 측정하였다. 장치는, 미츠토요사제의 울트라 퀵 비전, ULTRA QV350-PRO이다. 진구도가 0.95 미만이면 「◎」로 평가하고, 진구도가 0.95 이상 0.99 미만이면 「○」로 평가하고, 진구도가 0.99 이상이면 「×」로 평가하였다.

· 평가 5: 접합 계면의 균일 미세화

표 1에 나타내는 각 땜납 합금으로부터, φ0.6mm의 땜납 볼을 조제한 땜납 볼을 Cu 퍼트 상에 탑재한 후, 245℃에서 리플로를 행하여, 땜납 범프를 제작하였다. 땜납 범프와 Cu 퍼트의 접합 계면의 단면을 촬영한 단면 SEM 사진으로부터, 금속간 화합물(IMC)의 두께를 측정함으로써 접합 계면의 균일 미세화를 평가하였다. 접합 계면이 균일하고 미세하게 되어 있는 경우에는 금속간 화합물층이 얇아지기 때문에, 평가 5에서는, 균일 미세화의 평가를 금속간 화합물의 두께로 평가하였다. 단면 SEM 사진을 화상 해석 소프트웨어(세이카 산교 가부시키가이샤제: Scandium)에 의해 해석하여, 금속간 화합물층의 두께를 계측하였다. 금속간 화합물의 두께가 1.5㎛ 이하이면 「◎」, 1.5㎛ 초과 2.5㎛ 이하이면 「○」, 2.5㎛ 초과이면 「×」로 평가하였다.

평가 결과를 표 1 내지 3에 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

표 1 내지 3으로부터 명확한 바와 같이, 실시예 1 내지 48는 구성 원소가 어느 것이나 모두 적정하기 때문에, 액상선 온도가 소정의 범위 내의 온도를 나타내었다. 또한, Ag₃Sn이 치밀하고 InSb가 미세하며, βSn으로부터 γSn으로의 고상 변태가 확인되어, 접합 계면의 조직이 균일하고 미세하게 되어 있었다. 특히, (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는 실시예 3 내지 8, 14, 15 및 18 내지 48는, 모든 평가에서 우수한 결과를 나타내는 것이 확인되었다.

한편, 비교예 1은, Ag 함유량이 적고 In을 함유하지 않기 때문에, 벌크 강도가 향상될 정도로 Ag₃Sn이 치밀하게 되지 않고, 또한 Sn상의 고상 변태를 확인할 수 없었다.

비교예 2 및 3은, Ag 함유량이 적정이 아니기 때문에, 벌크 강도가 향상될 정도로 Ag₃Sn이 치밀하게 되지 않았다.

비교예 4 내지 6은, Cu 함유량이 적정이 아니기 때문에 우수한 습윤성을 나타내는 액상선 온도는 되지 않았다.

비교예 7 및 8은, Sb 함유량이 적정이 아니기 때문에, 벌크 강도가 향상될 정도로 InSb가 미세하게 되지 않았다.

비교예 9 내지 11은, In 함유량이 적정이 아니기 때문에 Sn상의 고상 변태를 확인할 수 없었다. 또한, 비교예 11은 Sb를 함유하지 않기 때문에, InSb 화합물이 석출되지 않았다.

비교예 12 및 13은, Ni 함유량이 적기 때문에 접합 계면의 균일 미세화를 확인할 수 없었다. 또한, 비교예 12는 Sb를 함유하지 않기 때문에, InSb 화합물이 석출되지 않았다.

비교예 14는, Ni 함유량이 많기 때문에 우수한 습윤성을 나타내는 액상선 온도는 되지 않았다.

이들 결과를, 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은 땜납 합금의 단면 SEM 사진이며, 도 1의 (a)는 실시예 6이며, 도 1의 (b)는 비교예 3이며, 도 1의 (c)는 비교예 8이다. 도 1의 (b)에 나타내는 Ag₃Sn은, 파선으로 둘러싸인 부분의 결정 입경을 측정하였다. 도 1로부터 명확한 바와 같이, 실시예 6에서는 Ag₃Sn이 10㎛ 이하이며 치밀하게 정출됨과 함께 InSb가 미세하게 정출되는 것을 알 수 있었다. 또한, 접합 계면에 석출된 금속간 화합물이 균일하고 미세한 것에 의해 얇은 것도 알 수 있었다. 한편, 비교예 3은, Ag₃Sn이 조대한 것을 알 수 있었다. 또한, 비교예 8은, InSb가 조대한 것을 알 수 있었다.

Claims (10)

1. 질량％로, Ag: 1.0 내지 3.7％, Cu: 0.4 내지 0.8％, Sb: 0.50 내지 2.90％, In: 5.00 내지 10.00％, Ni: 0.01 내지 0.06％ 및 잔부가 Sn을 포함하는 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.
2. 제1항에 있어서,
   또한, 질량％로, Co: 0.100％ 이하를 함유하는, 땜납 합금.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   또한, 질량％로, Bi: 1.0％ 이하를 함유하는, 땜납 합금.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   또한, 질량％로, Zr, Fe, Ge, Ga, P, As, Pb, Zn, Mg, Cr, Ti, Mn, Mo, Pt, Pd, Au, Al 및 Si 중 적어도 1종을 합계로 0.1％ 이하를 함유하는, 땜납 합금.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   또한, 질량％로, Bi: 5.0％ 이하를 함유하고, Zr, Ge, Ga, As, Pb, Mg, Cr, Ti, Mn, Mo, Pt, Pd 및 Si 중 적어도 1종을 합계로 0.1％ 이하를 함유하는, 땜납 합금.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 합금 조성은, 하기 (1) 식 및 (2) 식을 충족시키는, 땜납 합금.
   132≤(In/Sb)×(Sn/Ag)≤450 (1)
   251≤In/(Cu×Sb×Ni)≤699 (2)
   상기 (1) 식 및 (2) 식 중, In, Sb, Sn, Ag, Cu 및 Ni는, 상기 합금 조성의 함유량(질량％)을 나타낸다.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 포함하는 땜납 볼.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 포함하는 땜납 프리폼.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 포함하는 땜납 분말을 갖는 땜납 페이스트.
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 솔더 조인트.