KR101165426B1

KR101165426B1 - 무연 솔더 합금

Info

Publication number: KR101165426B1
Application number: KR1020100116460A
Authority: KR
Inventors: 이동녕; 김상범; 강규식
Original assignee: 일진머티리얼즈 주식회사
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-07-12
Also published as: JP5210323B2; US20100092335A1; EP2101951A4; KR101042031B1; JP2010514931A; TW200927358A; TWI366497B; KR20080063176A; CN101588889A; WO2008082191A1; EP2101951A1; KR20100132470A

Abstract

본 발명은 납을 사용하지 않으면서도 동시에 위스커 발생을 억제할 수 있는 무연 솔더 합금을 제공하기 위한 것으로, 이를 위하여, 납을 포함하지 않고, 제1원소로서 주석(Sn) 및 제2원소로서 붕소(B)를 포함하는 무연 솔더 합금을 제공한다.

Description

무연 솔더 합금{Pb-free solder alloy}

본 발명은 납 성분이 함유되어 있지 않은(이하, ‘무연’이라 한다) 솔더 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 붕소를 포함해 위스커가 발생하지 않는 무연 솔더 합금에 관한 것이다.

솔더링(soldering)은 450℃ 이하의 융점을 가지는 솔더(solder)를 이용하여 접합하고자 하는 피접합재료를 접합시키는 기술로서, 모재는 녹이지 않고 솔더만 녹여 접합시키는 기술이다.

종래에 이러한 솔더링에 사용되던 솔더합금은 Pb(lead)와 Sn(tin)의 합금이었다. 이 Pb-Sn 합금의 솔더는 대부분 Pb-63%Sn의 공정(eutectic) 조성이고, 융점은 183℃로서 전자부품을 열적으로 손상시키지 않는 적당한 온도로 되어 있을 뿐만 아니라, BGA의 전극이나 인쇄회로기판의 랜드에 대한 젖음성이 우수하기 때문에 솔더링 불량도 적다는 우수한 특징이 있다.

그러나, 이러한 Pb-Sn 솔더합금은 이 솔더합금이 사용된 전자기기가 폐기될 경우 솔더 속의 납성분으로 인해 환경오염의 원인이 되어, 납 성분에 대한 규제가 강화됨에 따라 더 이상 사용되기 어렵게 되었다.

따라서, 최근에는 Pb를 전혀 함유하지 않는 무연 솔더를 사용하고 있다. 이러한 무연 솔더의 가장 대표적인 것은 Sn을 주성분으로 한 Sn-Ag계, Sn-Cu계, Sn-Bi계, Sn-Zn계 및 상기한 계열의 합금에 다시 Ag, Cu, Zn, In, Ni, Cr, Fe, Co, Ge, P 및 Ga 등을 적절히 첨가한 것이다.

Sn-Ag계에 Cu를 첨가한 무연 솔더 중 Sn-3Ag-0.5Cu는 납땜성(solderability), 접합강도 및 내열피로성 등의 특성이 우수하기 때문에, 현재에는 많은 전자기기의 솔더링(soldering)에 사용되고 있고, 또한 BGA의 범프 및 볼을 형성하기 위한 솔더합금으로도 사용되고 있다.

그러나, Sn-Ag-Cu 계 무연 솔더합금을 솔더로 장시간 사용한 경우, 솔더의 표면에 위스커(whisker)가 형성되기 쉽다. 이 위스커는 서로 다른 물질이 접합되어 상호 확산될 때에, 그 표면에서 발생되는 돌출된 결정을 말한다. 이러한 위스커는 열과 습기에 민감하다. 이러한 위스커가 솔더합금의 표면에 형성되면, 회로 내에서는 전기적 단락(short)이 발생되어 BGA 패키지 및 플립 칩 패키지의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 납을 사용하지 않으면서도 동시에 위스커의 발생을 억제할 수 있는 무연 솔더 합금을 제공하는 데에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 납을 포함하지 않고, 제1원소로서 주석(Sn) 및 제2원소로서 붕소(B)를 포함하고, 상기 제2원소는 상기 제1원소의 결정 구조 내의 격자간 자리에 삽입되도록 구비되는 무연 솔더 합금을 제공한다.

상기 제2원소는 붕소(B)로, 0.003 중량% 내지 0.5 중량% 포함되고, 나머지는 상기 제1원소를 포함하도록 구비될 수 있다.

상기 제3원소로서 구리(Cu)가 더 포함될 수 있다.

상기 제3원소는 0.1 중량% 내지 5.0 중량% 포함될 수 있다.

상기 제2원소는 붕소(B)로, 0.003 중량% 내지 0.5 중량% 포함되고, 나머지는 상기 제1원소 및 제3원소를 포함하도록 구비될 수 있다.

제4원소로서 은(Ag)을 더 포함할 수 있다.

상기 제2원소는 붕소(B)로, 0.003 중량% 내지 0.5 중량% 포함되고, 나머지는 상기 제1원소 및 제4원소를 포함하도록 구비되거나, 상기 제1원소, 제3원소 및 제4원소를 포함하도록 구비될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의해 위스커의 발생을 억제할 수 있는 무연 솔더 합금 조성물을 제공할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이, 종래의 Sn-Ag-Cu 계 무연 솔더는 표면의 위스커가 문제가 되고 있다. 그런데, 이러한 위스커의 발생 원인이 아직까지도 명확하게 밝혀져 있지 않다.

본 발명자들은 솔더가 Cu로 형성된 패드와 접합할 경우, 이 솔더와 Cu와의 접합 계면에서 주석보다 구리가 확산 속도가 더욱 빠르다는 점에 주목하였다.

즉, 솔더와 Cu 패드와의 접합 계면에서는 구리의 확산 속도가 솔더의 주 성분인 주석(Sn)의 확산 속도보다 더 빠르기 때문에, 패드의 Cu 성분이 솔더 쪽의 결정립계(Grain boundary) 방향으로 확산되게 된다. 이 후, 솔더에는 금속간 화합물(Intermetallic compound)이 Cu6Sn5의 조성으로 형성된다.

본 발명자들은 이 금속간 화합물이 솔더의 Sn 내부에 압축 응력(Compressive Stress)을 주어, Sn이 솔더 표면에 수염 형태의 단결정인 위스커를 성장시켜 이 압축 응력을 해소하는 것으로 생각하였다.

따라서, 본 발명자들은 주석(Sn)의 결정 구조 내의 격자간 자리(Interstitial site)에 원자 크기가 작은 금속을 삽입하여 금속간 확산을 억제함으로써 Sn 내부의 압축 응력 발생을 감소시키고, 이에 따라 위스커의 발생 자체를 억제하고자 한 것이다.

이를 위한 상기 원자 크기가 작은 금속으로는 B를 사용하는 것이 바람직하다.

도 1 (a) 내지 (d)는 각각 실험예1의 시편을 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.
도 2 (a) 내지 (d)는 각각 실험예2의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 3 (a) 내지 (d)는 각각 실험예3의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
*도 4 (a) 내지 (d)는 각각 실험예4의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 5 (a) 내지 (d)는 각각 실험예5의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 6 (a) 내지 (d)는 각각 실험예6의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.
도 7 (a) 내지 (d)는 각각 실험예7의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.
도 8 (a) 내지 (d)는 각각 실험예8의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.
도 9 (a) 내지 (d)는 각각 실험예9의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 10 (a) 내지 (d)는 각각 실험예10의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 11 (a) 내지 (d)는 각각 실험예11의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 12 (a) 내지 (d)는 각각 실험예12의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 13 (a) 내지 (d)는 각각 비교예1의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 14 (a) 내지 (d)는 각각 비교예2의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 15 (a) 내지 (d)는 각각 비교예3의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 16 (a) 내지 (d)는 각각 비교예4의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 17 (a) 내지 (d)는 각각 비교예5의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.
도 18 (a) 내지 (d)는 각각 비교예6의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

본 발명에 따른 무연 솔더 합금은 주석(Sn)을 중심 원소로 하는 주석계 다원합금이다. 따라서, 본 발명에 있어, 주석(Sn)은 적어도 80중량% 이상 함유하고 있는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 주된 목적은 무연 솔더 합금에 있어 위스커의 발생을 억제하기 위한 것이다. 특히, 본 발명자들은 Sn계 솔더와 Cu의 패드가 접합했을 때에 Sn과 Cu의 확산을 저해함으로써 Sn 결정 내에 압축응력의 형성을 억제하는 역할로서 베릴륨(Be) 또는 붕소(B)를 착안하였다. 따라서, 본 발명의 무연 솔더 합금은 주석(Sn)을 주로 하는 무연 솔더 합금에서 제2원소로서 베릴륨(Be) 또는 붕소(B)를 포함하면 된다. 이 때, 주석(Sn)을 주로 한다는 것은 합금 전체에서 주석의 함량이 80 중량% 이상이 되는 것을 말하는 것으로 주석계 합금이라고도 한다.

본 발명은 상기 베릴륨(Be)이 0.001 중량% 내지 0.4 중량% 포함되도록 하거나, 붕소(B)가 0.003 중량% 내지 0.5 중량% 포함되도록 할 수 있다.

이 때에는, 제2원소인 베릴륨(Be) 또는 붕소(B)가 각각 0.001 중량% 미만 또는 0.003 중량% 미만으로 함유될 경우에 비해, 제1원소인 주석(Sn)의 격자간 자리에 제2원소인 베릴륨(Be) 또는 붕소(B)가 삽입되는 양이 충분하기 때문에 전술한 바와 같이 주석과 구리의 금속간 화합물 성장을 억제하는 효과가 크고, 후술하는 바와 같은 열충격 시험, 항온항습시험 등 가혹 조건 하에서도 위스커가 발생되지 않게 될 수 있다. 한편, 제2원소인 베릴륨(Be) 또는 붕소(B)가 각각 0.4 중량% 초과 또는 0.5 중량% 초과로 함유될 경우, 주석(Sn)의 격자간 자리에 들어가는 베릴륨 또는 붕소가 포화되기 때문에 비용이 상승되고 경제성이 떨어진다.

한편, 상기 솔더 합금은 제3원소로서 구리(Cu)를 더 함유할 수 있다. 이 때, 상기 구리는 0.1 중량% 내지 5.0 중량%로 함유될 수 있다. 상기 구리의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에 비해 기계적 강도가 향상될 수 있고, 상기 구리의 함량이 5.0 중량%를 초과하는 경우에 비해 솔더의 젖음성이 향상될 수 있다.

상기 솔더 합금은 제4원소로서 은(Ag)을 더 함유할 수 있다. 은은 1.0 중량% 내지 3.0 중량% 함유할 수 있다. 이 경우, 상기 은의 함량이 1.0 중량% 미만인 경우에 비해 열충격 내성이 현저하게 향상되며, 상기 은의 함량이 3.0 중량%를 초과하는 경우에 비해 낙하 내성이 향상될 수 있다.

이러한 무연 솔더는 볼(ball), 크림(cream), 봉(bar) 또는 선재(wire)를 비롯한 여러가지 형태로 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

실시예1은 Sn-Be-Cu의 삼원계 합금이다.

실시예1에서, Be-Cu 합금을 먼저 제조한 후, 도가니에 Sn을 용융시킨 다음, Be-Cu 합금을 용융시켜 용탕을 만든다. 상기 용탕의 온도를 600 ℃ 내지 650 ℃로 일정시간 유지시킨 후, 출탕시켜 봉 형태의 시편으로 주조하였다.

JIS 2형의 빗 형태의 기판(Cu base)의 표면을 연마한 후, 그 표면에 일본 다무라화연 제 EC-19S-8를 플럭스(Flux)로서 도포하였다. 이후, 상기 준비된 솔더 합금의 일정량을 퓨즈드 실리카 튜브(fused sillica tube)에 용해시킨 후, 여기에 상기 기판을 3초간 침지하여, 딥 솔더링(Dip soldering)하였다. 그 다음, 이 솔더링 기판을 초산에틸(Ethyl acetate)에 담근 후, 초음파 세척을 통해서 상기 플럭스의 잔사를 없애 시험용 시편을 제조하였다.

하기 표 1은 실시예1에 따라 제조된 시험예들의 주석(Sn), 베릴륨(Be) 및 구리(Cu)의 함량을 나타낸 것이다. 표 1에 도시된 함량은 중량%이며, 표 1에서는 용탕에 투입한 원소들의 함량을 표기한 것으로, 하기 원소들 이외에도 인(P), 니켈(Ni) 및 코발트(Co) 등이 불순물로서 미량 더 함유되어 있을 수는 있을 것이다.

표 1에서 ‘제조직후’는 제조된 직후의 시편에 대해 위스커 발생 여부를 확인한 것이고, ‘열충격’은 제조된 시편을 -55 ℃에서 80℃사이에서 1회당 20분 유지한 것을 1,000회 반복한 열충격 실험을 거친 다음의 표면의 위스커 발생 여부를 확인한 것이다. ‘항온항습’은 제조된 시편을 90%의 습도와 80℃의 온도 조건 하에서 1,000 시간 유지한 항온항습실험을 거친 다음의 표면의 위스커 발생 여부를 확인한 것이다. ‘상온방치’는 제조된 시편을 상온에서 12개월 동안 방치한 후의 표면의 위스커 발생 여부를 확인한 것이다. 하기 표 1을 비롯한 이하의 모든 표들에서 ‘미발견'은 제조된 실험예들에서 위스커가 발견되지 않은 것을 나타내고, '발견'은 제조된 실험예들에서 위스커가 발견된 것을 나타낸다.

실험예	Sn	Be	Cu	제조직후	열충격	항온항습	상온방치
실험예1	99.9833	0.0005	0.0162	미발견	발견	발견	발견
실험예2	99.967	0.001	0.032	미발견	미발견	미발견	미발견
실험예3	99.484	0.020	0.496	미발견	미발견	미발견	미발견
실험예4	94.804	0.200	4.996	미발견	미발견	미발견	미발견
실험예5	94.604	0.400	4.996	미발견	미발견	미발견	미발견

도 1의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예1의 시편을 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.

도 2의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예2의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 3의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예3의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 4의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예4의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 5의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예5의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

위 표 1 및 도 1(a) 내지 도 5(d)에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 Sn-Be-Cu의 삼원계 합금은 제조 직후에 봤을 때 표면에 위스커의 발생이 없었다. 그러나, 베릴륨의 함량이 0.001 중량%보다 적은 실험예1의 경우 열충격시험, 항온항습시험, 상온방치시험 후에는 그 표면에 위스커가 발생된 것을 알 수 있다.

이 때, 실험예1에서 열충격시험, 항온항습시험, 상온방치시험 후에 그 표면에서 발견된 위스커의 길이는 평균 3.4㎛ 였고, 단위 면적당 위스커의 개수가 3 개/㎟ 였다.

비록 실험예1에서 가혹 조건 후에 위스커가 발생하기는 했지만, 그 길이가 후술하는 비교예들에 비해 현격히 짧고, 단위 면적당 개수가 적어 우수한 효과가 있음을 알 수 있다.

한편, 위 표1에서, 베릴륨의 함량이 0.001 중량% 이상 포함된 실험예2 내지 실험예5는 모두 위스커가 전혀 발견되지 않았으므로, 본 발명은 베릴륨의 함량이 0.001 중량% 이상인 것이 바람직하다.

<실시예 2>

실시예2는 Sn-Be-Cu-Ag의 사원계 합금이다.

실시예2에서, Be-Cu 합금을 먼저 제조한 후, 도가니에 Sn을 용융시킨 다음, Be-Cu 합금 및 Ag를 용융시켜 용탕을 만든다. 상기 용탕의 온도를 600 ℃ 내지 650 ℃로 일정시간 유지시킨 후, 출탕시켜 봉 형태의 시편으로 주조하였다.

이를 위 실시예1과 동일한 방법으로 시험용 시편으로 제조하였다.

하기 표 2는 실시예2에 따라 제조된 시험예들의 주석(Sn), 베릴륨(Be), 구리(Cu) 및 은(Ag)의 함량을 나타낸 것이다. 표 2에 도시된 함량은 중량%이며, 표 2에서는 용탕에 투입한 원소들의 함량을 표기한 것으로, 하기 원소들 이외에도 인(P), 니켈(Ni) 및 코발트(Co) 등이 불순물로서 미량 더 함유되어 있을 수는 있을 것이다.

표 2의 경우에도 표 1에서와 동일한 조건으로, 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면의 위스커 발생 여부를 확인하였다.

실험예	Sn	Ag	Cu	Be	제조직후	열충격	항온항습	상온방치
실험예6	98.900	1.000	0.097	0.003	미발견	미발견	미발견	미발견
실험예7	98.300	1.000	0.679	0.021	미발견	미발견	미발견	미발견
실험예8	96.900	3.000	0.097	0.003	미발견	미발견	미발견	미발견
실험예9	94.00	3.00	2.88	0.12	미발견	미발견	미발견	미발견

도 6의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예6의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.

도 7의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예7의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.

도 8의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예8의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후의 표면 상태를 나타낸 SEM 사진들이다.

도 9의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예9의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

위 표 2 및 도 6(a) 내지 도 9(d)에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 Sn-Be-Cu-Ag의 사원계 합금은 제조 직후, 열충격 시험 후, 항온항습 시험 후, 상온방치 시험 후, 표면에 위스커의 발생이 없었다.

<실시예 3>

실시예3은 Sn-B-Cu의 삼원계 합금이다.

실시예3에서, 도가니에 Sn을 용융시킨 다음, B 및 Cu를 용융시켜 용탕을 만든다. 상기 용탕의 온도를 600 ℃ 내지 650 ℃로 일정시간 유지시킨 후, 출탕시켜 봉 형태의 시편으로 주조하였다.

하기 표 3은 실시예3에 따라 제조된 시험예들의 주석(Sn), 붕소(B) 및 구리(Cu)의 함량을 나타낸 것이다. 표 3에 도시된 함량은 중량%이며, 표 3에서는 용탕에 투입한 원소들의 함량을 표기한 것으로, 하기 원소들 이외에도 인(P), 니켈(Ni) 및 코발트(Co) 등이 불순물로서 미량 더 함유되어 있을 수는 있을 것이다.

표 3의 경우에도 표 1 및 표 2에서와 동일한 조건으로, 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면의 위스커 발생 여부를 확인하였다.

실험예	Sn	B	Cu	제조직후	열충격	항온항습	상온방치
실험예10	99.989	0.001	0.010	미발견	발견	발견	발견
실험예11	99.987	0.003	0.010	미발견	미발견	미발견	미발견
실험예12	98.5	0.5	1.0	미발견	미발견	미발견	미발견

도 10의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예10의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 11의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예11의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 12의 (a) 내지 (d)는 각각 실험예12의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

위 표 3 및 도 10(a) 내지 도 12(d)에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 Sn-B-Cu의 삼원계 합금은 제조 직후에 봤을 때 표면에 위스커의 발생이 없었다. 그러나, 붕소의 함량이 0.003 중량%보다 적은 실험예10의 경우 열충격시험, 항온항습시험, 상온방치시험 후에는 그 표면에 위스커가 발생된 것을 알 수 있다.

이 때, 실험예10에서 열충격시험, 항온항습시험, 상온방치시험 후에 그 표면에서 발견된 위스커는 그 평균 길이가 3.0㎛ 였고, 단위 면적당 위스커의 개수가 5 개/㎟ 였다.

실험예10에서도 가혹 조건 후에 위스커가 발생하기는 했지만, 그 길이가 후술하는 비교예들에 비해 현격히 짧고, 단위 면적당 개수가 적어 우수한 효과가 있음을 알 수 있다.

한편, 위 표3에서, 붕소의 함량이 0.003 중량% 이상 포함된 실험예11 내지 실험예12는 모두 위스커가 전혀 발견되지 않았으므로, 본 발명은 붕소의 함량이 0.003 중량% 이상인 것이 바람직하다.

<비교예>

비교예들은 Sn-Cu의 이원계 합금 및 Sn-Ag-Cu 삼원계 합금이다. 비교예들은 삼화비철공업(주)의 Sn-Cu 잉곳 및 Sn-Ag-Cu 잉곳을 사용하였다. 이를 이용해 위 실시예1과 동일한 방법으로 시험용 시편으로 제조하였다. 하기 표 4에 도시된 함량은 중량%이다.

표 4의 경우에도 표 1 내지 표 3에서와 동일한 조건으로, 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면의 위스커 발생 여부를 확인하였다.

비교예	Sn	Ag	Cu	제조직후	열충격	항온항습	상온방치
비교예1	99.9	0.0	0.1	미발견	발견	발견	발견
비교예2	99.3	0.0	0.7	미발견	발견	발견	발견
비교예3	95.0	0.0	5.0	미발견	발견	발견	발견
비교예4	98.9	1.0	0.5	미발견	발견	발견	발견
비교예5	98.0	3.0	0.5	미발견	발견	발견	발견
비교예6	94.0	3.0	1.0	미발견	발견	발견	발견

도 13의 (a) 내지 (d)는 각각 비교예1의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 14의 (a) 내지 (d)는 각각 비교예2의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 15의 (a) 내지 (d)는 각각 비교예3의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 16의 (a) 내지 (d)는 각각 비교예4의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

도 17의 (a) 내지 (d)는 각각 비교예5의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

*도 18의 (a) 내지 (d)는 각각 비교예6의 시편을 전술한 실험예1과 동일한 조건하에서 제조직후, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후의 표면 상태를 나타낸 SEM사진들이다.

위 표 4 및 도 13(a) 내지 도 18(d)에서 볼 수 있듯이, 본 발명과 같은 베릴륨 또는 붕소가 포함되지 않은 Sn계 솔더 합금은 모두 표면에 위스커가 발생했다.

한편, 위 실시예1 내지 3 및 비교예들에 대한 실험에서, 열충격실험 후, 항온항습실험 후, 및 상온 방치 후에 표면에 위스커가 발생된 것은 실험예1, 실험예10, 비교예1 내지 6이었다. 하기 표 5는 이 때 발생된 위스커의 평균 길이와 단위면적당 위스커의 개수를 나타낸 것이다.

	평균 위스커 길이	단위면적당 위스커 개수
실시예1	3.4㎛	3개/㎟
실시예10	3.0㎛	5개/㎟
비교예1?3	14.4㎛	11개/㎟
비교예4?6	11.8㎛	14개/㎟

표 5에서 볼 수 있듯이, 실시예1 및 실시예10은 비교예1~3의 Sn-Cu 솔더합금과 비교예4~6의 Sn-Ag-Cu 솔더합금에 비해 위스커의 길이가 현저히 짧고 단위면적당 개수도 현저히 적음을 알 수 있다.

따라서, 주석에 베릴륨이 0.001 중량% 미만의 극소량 첨가된 경우, 또는 주석에 붕소가 0.003중량% 미만의 극소량 첨가된 경우라 하더라도 첨가되지 않은 비교예들에 비해 현저히 우수한 효과를 얻게 됨을 알 수 있다.

이처럼 본 발명에 의하면 악조건에서도 위스커의 발생이 억제될 수 있는 솔더 합금을 제공할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

상술한 바와 같은 본 발명은 각종 기계 및 전자 기기의 배선들의 솔더링에 사용될 수 있다.

Claims

납을 포함하지 않고, 주석(Sn), 은(Ag) 및 붕소(B)를 포함하며, 상기 붕소는 상기 주석의 결정 구조 내의 격자간 자리에 삽입되도록 구비되고, 상기 은은 1.0중량% 내지 3.0중량% 함유되고, 나머지는 주석 및 붕소인 무연 솔더 합금.
제1항에 있어서, 상기 붕소는 0.003 중량% 내지 0.5 중량% 함유된 무연 솔더 합금.
납을 포함하지 않고, 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu) 및 붕소(B)를 포함하며, 상기 붕소는 상기 주석의 결정 구조 내의 격자간 자리에 삽입되도록 구비되고, 상기 은은 1.0중량% 내지 3.0중량% 함유되고, 나머지는 주석, 구리 및 붕소인 무연 솔더 합금.
제3항에 있어서, 상기 구리는 0.1 중량% 내지 5.0 중량% 함유된 솔더 합금.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 붕소는 0.003 중량% 내지 0.5 중량% 함유된 무연 솔더 합금.
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