KR960007000B1 - 내피로성이 개선된 공융솔더 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

내피러성이 개선된 공융솔더
본 발명은 납-주석 공융솔더에 관한 것으로, 특히 납-주석 공융솔더의 내피로성의 개선에 관한 것이다.
공융 및 근-공융 납 -주속 솔더합금은 각종 전자장치에 솔더접합부를 제공하기 위하여 이용된다. 솔더 접합부는 전기적 접속을 제공함과 아울러, 전자장치와 접속부 사이에 긴요한 기계적 링크도 제공한다.
많은 전기장치들은 작동중 진도 및 빈번한 온도변화를 겪기 쉽다. 솔더 접합부와 그 주변에 있는 각종 물질은 열팽창계수가 상이한 경우가 많다. 그 결과, 빈번한 온도변화를 겪게 되면 솔더 접합부가 응력의 변화 및 변형을 계속 받게 된다. 또한, 솔더 접합부는 진동 및 접합부에 가해지는 기타의 힘으로 인해 빈번한 응력변화를 경험할 수도 있다.
따라서, 구조적으로 강하고, 기계적 또는 열적 응력 및 변형으로 인한 피로에 저항할 수 있는 솔더 접합부를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 그러한 내피로성 솔더는 극심한 열변동 및 기계적 속박을 받기 쉬운 전잔장비에 이용하기에 특히 아주 적합할 것이다. 더욱이, 내피로성 솔더는 긴 유효수명이 필요한 전자장치에 이용하기에 적합할 것이다.
본 발명에 따르면, 종래의 납-주석 공융솔더보다 피로 및 파괴에 대한 내성이 큰 개선된 납-주석 공융솔더가 제공된다. 본 발명은 카드뮴, 인듐 또는 안티몬등과 같은 도펀트를 약 1.0 중량% 미만으로 첨가하면 납-주석 공융솔더의 내피로성이 개선된다는 점의 발견에 기초를 두고 있다.
본 발명의 특징으로서, 납-주석 공융솔더의 내피로성의 양호한 증가는 약 0.1 내지 0.8 중량%의 도펀트를 첨가함으로써 달성됨이 발견되었다. 또한, 내피로성의 보다 양호한 증가는 인듐 및 카드뮴과 같은 도펀트들의 혼합물을 첨가함으로써 달성됨이 발견되었다. 내피로성의 큰 증가는 납-주석 공융 혼합물을 0.2 중량%의 카드뮴과 0.2 중량%의 인듐으로 도핑할 때 얻을수 있다.
본 발명의 다른 특징으로서, 2개의 금속표면을 함께 결합시키기 위하여 도핑형 납-주석 공융솔더를 이용하는 방법이 개시된다. 이 방법은 각종 전자 접속부를 함께 솔더링하는데 특히 아주 적합하다.
또한, 본 발명은 상술한 도펀트를 함유한 납-주석 공융솔더로부터 솔더접합부를 형성함으로써 납-주석 솔더접합부의 내피로성을 향상시키는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 개선된 납-주석 공융솔더는 종래의 공융솔더와 동일한 전기전도성 및 접속을 제공함과 동시에, 솔더접합부의 피로 및 접합부파열에 대한 내성이 증가되기 때문에 현재 이용중인 납-주석 공융솔더보다 개선된다.
본 발명의 특징 및 그에 따른 장점은 이하의 바람직한 실시예에 대한 설명을 참조하면 더욱 명료히 이해될 것이다.
본 발명은, 납-주석 공융솔더에 소량의 특정 도펀트를 도핑하면 솔더접합부에 발생되는 빈번한 응력 및 변형으로 야기된 피로 및 파열에 대한 솔더의 내성을 증가시킬 수 있다는 발견에 기초를 두고 있다.
본 발명에 따른 납-주석 공융솔더는 카드뮴, 인듐, 안티몬 또는 그것들의 혼합물로 된 도펀트가 약 1.0 중량%미만으로 도핑된 통상적인 공용 솔더를 구비한다.
도핑대상의 통상적인 납-주석 공융솔더란 널리 공지되어 있는 것으로서, 63중량%의 주석과 37 중량%의 납을 함유하는 공융솔더 물질에 널리 이용되는 것을 말한다. 또한, 본 발명은 납의 중량비가 63/37 중량%의 공융혼합물보다 약 3중량 % 더 높거나 낮은 근-공융 납-주석 솔더에도 이용가능하다. 본원에 이용되는 "공융"이란 용어는 다른 말이 명시되지 않는 한 "근-공융" 조성물도 포함하는 의미로 사용하고자 한다.
납-주석 공융솔더에 첨가하는 도펀트의 바람직한 양은 약 0.1 내지 0.8 중량%이다. 바람직한 도펀트는 카드뮴과 인듐이다. 도펀트들은 솔더에 개별적으로 첨가할 수도 있고 혼합하여 첨가할 수도 있다. 더욱이, 납-주석 공융솔더에 약 0.5 중량% 미만의 총 도핑레벨의 인듐과 카드뮴의 양자를 도핑하면 내피로성이 훨씬 더 증가됨이 발견되었다. 도펀트들의 혼합물을 이용하는 경우, 도펀트들은 동일한 양으로 첨가될 수도 있고 상이한 양으로 첨가될 수도 있다.
본 발명에 따른 도펀트는 널리 알려져 있는 납-주석 솔더의 도핑 방법중 일 방법에 의해서 솔더에 제공된다. 바람직한 것은 입상형태의 도펀트를 입상형태의 솔더성분에 첨가한 다음, 이 솔더 예비혼합물을 액체를 형성하기에 충분한 온도까지 가열하는 것이다. 솔더 및 도펀트는 도펀트가 솔더전체에 균일하게 분포될수 있도록 하기에 충분한 시간동안 액체로 유지된다. 경우에 따라서는 입상의 도펀트와 공융 납-주석 솔더를 응용하여 도펀트를 합금할 수도 있다. 이 도핑된 솔더는 그 후 즉시 사용될 수도 있고, 미래의 사용을 위해서 고화돈 다음 저장 될 수도 있다. 그러나, 도펀트가 솔더 혼합물 전체에 균일하게 분포될 수 있다면 또 다른 솔더 도핑 방법도 가능하다.
본 발명에 따른 도핑형 납-주석 솔더는 통상적인 납-주석 솔더와 동일한 방법으로 사용된다. 도핑형 솔더는 와이어, 핀 및 기타의 전기적 상호 접속부를 서로 접속하는데 아주 적합하다. 도핑형 솔더의 바람직한 용도는 빈번한 열적 또는 기계적 응력 및 변형을 받기 쉬운 접합부를 제공하는데 있다. 그러나, 본 발명에 따른 도핑형 솔더는 강하고 고체이면서 내피로성이 큰 솔더 접합부가 필요한 곳이면 어떠한 곳이든지 납-주석 솔더를 대체하여 사용될 수 있다.
이하는 실시예에 대한 것이다.
[실시예1]
이 실시예는 1%의 카드뮴으로 도핑된 62.0 중량%의 주석과 37.0 중량%의 납을 함유하는 납-주석 공융솔더의 제조 및 그것의 시험에 대하여 기술한다. 도핑은 솔더 혼합물내에 1.0 중량%의의 카드뮴 레벨을 제공하기에 충분한 양의 카드뮴 고체를 적당한 양의 납과 주석의 과립에 건조 혼합(dry mixing)시킴으로써 수행되었다. 그런다음 도펀트의 균일한 분포를 보증하기 위하여 카드뮴을 제어된 아르콘 분위기하에서 약 250 ℃에서 적어도 30분동안 용융된 공융 솔더내에 긴밀하게 합금하였다. 이 카드뮴 도핑형 공융 솔더는 비도핑형 공융솔더와 동등한 솔더 특성을 나타내었다. 개뼈 형상의 인장재료를 제조한 다음, 미합중국 매사추세츠 캔톤 소재의 인스트론(Instron)사로부터 구입한 시험기를 이용하여 상온에서 기계적 시험을 수행하였다. 카드뮴 도핑형 시료를 시험기상에 적재하였다. 0.001㎐의 주기적 톱니형 응력파형을, 피크 인장응력이 실온에서 납-주석 솔더의 일반적인 항복점의 약 110%가 되도록 공급하였다. 카드뮴 도핑형 개뼈형상 시료는 35사이클 후 파괴 되었다. 비도핑형 납-주석 공융솔더로부터 동일한 개뼈형상 시료를 준비하였다. 이러한 비도핑형 공융솔더에 상기와 동일한 인장피로 시험을 하였더니 2 사이클만에 파괴되었다.
[실시예2]
카드뮴을 용융 상태의 공융물내에 합금하며, 산화를 방지하기 위해서 표면이 온화하게 활성화된 솔더 플럭스 로진 층으로 언제나 완전히 덮여 있게 한 것을 제외하곤 제 1 실시예에 기술된 것과 동일한 방식을 이용하여 납-주석 공융솔더를 0.8 중량%의 카드뮴으로 도핑하였다. 합금공정은 흐르는 질소분위기 내에서 약 8시간동안 약 250 ℃의 온도에서 수행되었다. 0.8 중량%의 도펀트의 첨가로 인해 공융솔더의 솔더링 특성이 변경되지 않았다. 솔더에 의해서 접합되는 원통형상 구리제 로드로 제조된 비틀림 시험용 시료를 준비하였다. 이러한 시료를 실온에서 인스트론(Instron)사의 시험기로 솔더 접합부의 비틀림(전단)피로 시험을 받게 하였다. 사이클링 주파수는 0.01㎐ 이었고, 솔더상에 가해지는 주기당 소성 변형범위는 대략 10%이었다. 0.8%로 카드뮴 도핑된 공융솔더의 파손되기까지의 평균 사이클 횟수는 34 였다. 통상적인 납-주석 공융솔더 시료에 대하여 동일한 비틀림 시험을 실시한 결과 파손되기까지 평균 사이클 횟수는 18이었다.
[실시예3]
납-주석 공융솔더를 제 2 실시예와 동일한 방식으로 0.4 중량%의 카드뮴으로 도핑하였다. 또한 비틀림 시험용 시료를 준비하여 제 2 실시예와 동일한 방식으로 시험을 받게 하였다. 이 시료는 평균적으로 32 사이클 후 파손되었다.
[실시예4]
납-주석 공융솔더를 제 2 실시예에 기술한 방법을 좆아서 0.2 중량%의 카드뮴으로 도핑하였다. 또한, 비틀림 시험용 시료를 준비하여 제 2 실시예와 동일한 조건하에서 시험을 받게 하였다. 파손되기까지 시료의 평균 사이클 횟수는 34였다.
[실시예5]
카드뮴을 1%의 인듐으로 대체한 것을 제외하곤 제 1 실시예와 동일한 방식으로 도핑형 납-주석 공융솔더의 개뼈 형상 시료를 준비하였다. 파손되기까지 사이클 횟수를 설정하기 위한 인장 시험조건은 제 1 실시예와 동일하였다. 인듐으로 도핑된 이 샘플은 파손되기 전에 5사이클을 견뎌냈다.
[실시예6]
안티몬을 1%의 도펀트로 이용한 것을 제외하곤 제 1 내지 제 5 실시예와 동일한 도핑형 납-주석 공융솔더의 개뼈 형상 시료를 준비하여 시험하였다. 안티몬으로 도핑된 납-주석 공융솔더의 파손되기까지의 사이클 횟수는 4였다.
[실시예7]
납-주석 공융솔더를 제 2,3 및 4 실시예와 동일한 방식을 이용하여 0.1 중량%의 카드뮴과 0.1 중량%의 인듐으로 도핑하였다. 제 2 실시예에 설명한 바와 동일한 비틀림 피로 시험공정이 이용되었다. 이러한 혼합형 카드뮴-인듐 도핑형 공융솔더의 파손되기까지의 평균 사이클 횟수는 53이었다.
[실시예8]
납-주석 공융솔더를 제 2,3,4 및 7 실시예와 동일한 방식을 이용하여 0.2 중량%의 카드뮴과 0.2 중량%의 인듐으로 도핑하였다. 제 2 실시예에 설명한 것과 동일한 비틀림 피로 시험공정이 이용되었다. 혼합된 카드뮴-인듐 도핑형 공융솔더의 파손되기까지의 평균 사이클 횟수는 120 이었다.
상술한 실시예로부터 명백히 알 수 있는 바와같이, 본 발명에 따른 납-주석 공융솔더의 도핑은 피로 파손에 대한 솔더의 내성을 상당히 증가시킨다. 더욱이, 0.5중량% 미만의 총 도펀트 레벨을 제공하도록 카드뮴과 인듐을 혼합한 결과, 단일 도펀트를 이용할 때 얻었던 것보다 훨씬 더 큰 내피로성의 증가가 제공되었다.
이상에서는 본발명의 예시적 실시예가 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 채 단지 예시만을 목적으로 한 전술한 기술내용의 다른 각종 변형예, 응용예 및 변경예를 만들 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명은 진술한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며 이하의 청구범위로만 한정된다.

Claims (3)

  1. 일 조성물로부터 납-주석 솔더 접합부를 형성하는 것을 포함하는 납-주석 솔더 접합부의 내피로성 개선 방법에 있어서, 상기 조성물은:(a)납-주석 공융솔더와:(b)카드뮴과 인듐의 혼합물, 및 카드뮴과 인듐과 안티몬의 혼합물로 구성된 군로부터 선택된 약 0.1 내지 0.8 중량%의 도펀트를 포함하는 납-주석 솔더 접합부의 내피로성 개선 방법.
  2. 제2항에 있어서, 상기 납-주석 공융솔더는 약 0.2 중량%의 카드뮴과 약 0.2 중량%의 인듐을 포함하는 납-주석 솔더 접합부의 내피로성 개선방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 납-주석 공융솔더는 약 60 내지 66 중량%의 주석과 약 34 내지 40 중량%의 납을 포함하는 납-주석 솔더 접합부의 내피로성 개선방법.
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