KR102194027B1 - 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납 및 땜납 이음매 - Google Patents

Abstract

저융점인 것에 의해 미융합의 발생을 억제하고, 우수한 기계적 특성 및 내충격성을 가짐과 함께 우수한 히트 사이클 내성도 갖는 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납 및 땜납 이음매를 제공한다. 합금 조직의 미세화를 도모하기 위해, 질량%로, Bi: 35∼68%, In: 0.5%∼3.0%, Pd: 0.01∼0.10%, 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는다. 합금 조성은, 질량%로, In: 1.0∼2.0%로 할 수 있고, 질량%로, Pd: 0.01∼0.03%로 할 수 있고, 질량%로, Co, Ti, Al 및 Mn 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1% 이하 함유할 수 있다. 땜납 합금은, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납, 땜납 이음매에 적합하게 이용할 수 있다.

Description

땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납 및 땜납 이음매

본 발명은 저융점의 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납 및 땜납 이음매에 관한 것이다.

근년, CPU(Central Processing Unit) 등의 전자 디바이스는 소형화가 요구되고 있다. 전자 디바이스의 소형화가 진행되면 납땜 시의 열적 부하가 커지기 때문에, 저온에서의 납땜이 요망되고 있다. 납땜 온도가 저온이 되면 신뢰성이 높은 회로 기판의 제조가 가능해진다. 저온에서 납땜을 행하기 위해서는, 저융점의 땜납 합금을 이용할 필요가 있다.

저융점의 땜납 합금으로서는, JIS Z 3282(2017)에 개시되어 있는 바와 같이, Sn-58Bi나 Sn-52In을 들 수 있다. 이들 합금의 용융 온도는 각각 139℃, 119℃로, 모두 저융점 땜납을 대표하는 합금 조성이다. 특히, Sn-58Bi는 저비용임과 함께 우수한 젖음성을 갖는 땜납 합금으로서 널리 이용되고 있다.

그러나, 상기와 같이 Bi의 함유량이 많은 Sn-Bi 땜납 합금은, 응고 시에 Sn 중에 Bi가 편석하여 조대한 Bi상이 석출된다. Bi상은 딱딱하고 무른 성질을 나타내기 때문에, 땜납 합금의 기계적 특성을 열화시킨다. 그래서, 융점의 상승을 억제함과 함께 기계적 특성을 향상시키기 위해서 여러 가지 땜납 합금이 검토되고 있다.

예를 들면 특허문헌 1에는, 유효량의 물리적 기계적 성질을 강화하기 위해, Sn-Bi 땜납 합금에 제 3 성분으로서 In, Cu, Ag, Cu와 Ag, 및 이들의 합성물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 2중량% 정도 함유하는 땜납 합금이 개시되어 있다. 특허문헌 2에는, 인장 강도 및 신도가 소정치 이상의 값을 나타내도록 하기 위해서, Sn-Bi 땜납 합금에 0.5% 이상 50% 미만의 In을 함유하는 땜납 합금이 개시되어 있다.

일본 특허공개 평7-001179호 공보 일본 특허공개 평8-150493호 공보

특허문헌 1 및 2에는, In을 첨가하는 것에 의해 저융점 땜납 합금의 기계적 특성을 향상시키는 것이 기재되어 있다. 이들 문헌에 기재된 발명은, In이 Sn의 고용 강화형 원소인 것에 기초하여 이루어진 것이라고 생각된다. 그러나, Sn-Bi 땜납 합금의 기계적 특성이 열화되는 이유의 하나로서는, 딱딱하고 무른 취성상인 조대한 Bi상이 존재하는 것을 들 수 있다. 이 때문에, 아무리 Sn상이 In에 의해 고용 강화되었다고 하더라도, 응력이 땜납 합금에 가해진 경우에는 땜납 합금이 Bi상을 기점으로 해서 파단된다. 또, 근년에는 기판의 용도가 다양화되고 있어, 충격이 가해지는 것과 같은 용도에도 대응할 수 있는 땜납 이음매의 형성이 요망되고 있지만, 조대한 Bi상의 존재에 의해 낙하와 같은 충격으로 파단될 우려도 있다. 한편, Bi상의 생성을 억제하기 위해서 Bi 함유량을 저감하면, 융점이 상승해 버려, 땜납 합금이 종래의 리플로 온도에서 충분히 용융되지 않아 미융합이 발생할 우려가 있다. 융점이 높은 땜납 합금을 용융시키기 위해서 리플로 온도를 올려 버리면, 가열 시에 기판이나 패키지에 휨이 발생하여, 땜납 합금과 전극이 떨어져 버린다. 이 경우, 냉각 시에서는 기판이나 패키지의 휨의 완화보다 땜납 합금의 응고 쪽이 빠르기 때문에, 땜납 합금과 전극이 떨어진 채로 땜납 합금이 응고되어, 미융합이 발생하는 경우가 있다.

또한, 특허문헌 2의 도 1 및 도 2에는 In 함유량이 많아질수록 인장 강도가 저하됨과 함께 연성(延性)이 향상되는 결과가 나타나 있다. 이 때문에, 특허문헌 1 및 2에는, In을 첨가하는 것에 의해, 기계 특성 중에서도 연성이 향상되지만, 인장 강도는 오히려 저하되는 것이 나타나 있는 것이 된다. 또, In은 함유량에 따라서는 히트 사이클 후에 땜납 합금이 변형되는 원인이 되기 때문에, 히트 사이클 내성이 저하되는 원인이 될 수 있다.

이와 같이, 종래의 땜납 합금에서는, 저융점에 의한 미융합의 억제, 기계적 특성 및 히트 사이클 내성 모두를 동시에 향상시키는 것이 곤란하다. 전자 디바이스의 소형화에 의한 전자 회로의 신뢰성의 저하를 억제하기 위해서는, 이들 특성이 모두 우수할 필요가 있다.

본 발명의 과제는, 저융점인 것에 의해 미융합의 발생을 억제하고, 우수한 기계적 특성 및 내충격성을 가짐과 함께 우수한 히트 사이클 내성도 갖는 땜납 합금, 땜납 페이스트, 땜납 볼, 수지 내장 땜납 및 땜납 이음매를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 우선은, 융점이 낮은 Sn-Bi 땜납 합금의 기계적 특성을 향상시키기 위해, 땜납 합금의 합금 조직을 미세하게 하는 점에 주목하여 검토를 행했다. 그 결과, Sn의 고용 강화 원소로서 알려져 있던 In을 소정량 첨가하는 것에 의해, 우연히도, 합금 조직이 어느 정도 미세해지고, 또한 연성의 대폭적인 향상을 확인할 수 있었다. 또한, 인장 강도는 Sn-Bi 땜납 합금과 비교해서 동등한 것도 확인할 수 있었다. 단, 히트 사이클을 거치면 합금 조직이 조대해져 히트 사이클 내성이 저하되는 것을 감안하면, 합금 조직을 더 미세하게 할 필요가 있는 것에 생각이 미쳤다. 여기에서, In 함유량이 더 증가하면 합금 조직이 보다 미세해진다고도 생각되지만, In의 다량 첨가는 저융점상의 생성을 촉진하기 때문에 히트 사이클 내성의 열화가 염려된다.

본 발명자들은, 합금 조직의 미세화에 의한 히트 사이클 내성의 향상을 도모하기 위해, 더 상세한 검토를 행했다. 귀금속은 일반적으로 고비용임과 함께 Sn과의 조대한 화합물을 형성하는 것이 알려져 있으므로, 종래에는 귀금속이 Sn을 주성분으로 하는 땜납 합금에 어느 정도의 양으로 함유되는 것은 피해지고 있었다. 단, Ni/Pd/Au 도금은 Pd를 중간층에 개재시키는 것에 의해, 땜납 중으로의 Cu의 확산을 막기 때문에 높은 실장 신뢰성을 나타낸다. 즉, 상기 도금의 경우에는, Pd가 들어감으로써 필요 이상의 Cu의 확산을 억제한다고 생각된다. 이 때문에, 특히 실장 후에 히트 사이클과 같은 열이력을 거치더라도 결정립의 성장을 억제할 수 있어, 높은 히트 사이클 내성을 나타낼 수 있다고 생각했다.

그래서, Sn 및 Bi에 고용되는 In을 소정량 함유시킨 다음, 일부러 귀금속인 Pd를 소정량 함유시킨 바, 우연히도, 땜납 합금의 조직이 미세해지는 지견이 얻어졌다. 특히, 취성상인 Bi상이 미세해져, 우수한 인장 강도 및 연성, 및 우수한 내충격성을 나타내는 지견이 얻어졌다.

게다가, Sn-Bi 땜납 합금이 In 및 Pd의 양 원소를 소정량 함유하면, 융점의 상승이 허용 범위에 들어가, 미융합의 발생을 억제하는 지견이 얻어졌다.

이에 더하여, Sn-Bi 땜납 합금이 In 및 Pd의 양 원소를 함유하면 합금 조직이 미세해지기 때문에, 히트 사이클과 같이 장시간 온도가 변화하는 환경하에 있어서 합금 조직의 조대화가 억제되어, 히트 사이클 내성이 우수한 지견이 얻어졌다.

이들 지견에 의해 얻어진 본 발명은 다음과 같다.

(1) 질량%로, Bi: 35∼68%, In: 0.5∼3.0%, Pd: 0.01∼0.10%, 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.

(2) 합금 조성은, 질량%로, In: 1.0∼2.0%인, 상기 (1)에 기재된 땜납 합금.

(3) 합금 조성은, 질량%로, Pd: 0.01∼0.03%인, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 땜납 합금.

(4) 합금 조성은, 추가로, 질량%로, Co, Ti, Al 및 Mn 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1% 이하 함유하는, 상기 (1)∼상기 (3) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금.

(5) 합금 조성은, 추가로, 질량%로, P, Ge 및 Ga 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1% 이하 함유하는, 상기 (1)∼상기 (4) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금.

(6) 상기 (1)∼상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 페이스트.

(7) 상기 (1)∼상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 볼.

(8) 상기 (1)∼상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 수지 내장 땜납.

(9) 상기 (1)∼상기 (5) 중 어느 한 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 이음매.

도 1은 땜납 합금의 SEM 사진이고, 도 1(a)는 비교예 1의 땜납 합금의 단면 SEM 사진이고, 도 1(b)는 비교예 2의 땜납 합금의 단면 SEM 사진이고, 도 1(c)는 실시예 2의 땜납 합금의 단면 SEM 사진이다.

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

1. 땜납 합금의 합금 조성

(1) Bi: 35∼68%

Bi는, 땜납 합금의 융점을 낮추는 것에 의해 미융합의 발생을 억제하고, 우수한 히트 사이클 내성을 나타내기 위해서 필요한 원소이다. Sn-Bi 공정 합금은 융점이 139℃로 낮기 때문에, Bi는 땜납 합금의 융점을 낮춰, 미융합을 억제할 수 있다. 또한, Bi를 소정량 함유하는 땜납 합금은 초소성을 나타내는 것이 알려져 있어, 우수한 연성을 나타낸다. 이 때문에, Bi를 소정량 함유하는 땜납 합금은 연성이 우수함과 함께 히트 사이클 내성이 우수하다.

Bi 함유량이 35% 미만이면, 융점이 상승되기 때문에 미융합이 발생하는 경우가 있고, 또한 인장 강도 및 히트 사이클 내성이 열화되는 경우가 있다. Bi 함유량의 하한은, 35% 이상이고, 바람직하게는 45% 이상이고, 보다 바람직하게는 50% 이상이며, 더 바람직하게는 54% 이상이다. 한편, Bi 함유량이 68%를 초과하면 융점이 상승하기 때문에 미융합이 발생하는 경우가 있고, 또한 딱딱하고 무른 조대한 Bi상이 다량으로 석출되기 때문에 땜납 합금 자체가 딱딱해져, 연성이 열화된다. Bi 함유량의 상한은, 68% 이하이고, 바람직하게는 65% 이하이고, 보다 바람직하게는 63% 이하이며, 더 바람직하게는 58% 이하이다.

(2) In: 0.5∼3.0%

In은, 땜납 합금의 융점을 낮춤과 함께, 합금 조직을 미세하게 하여, 우수한 연성, 내충격성 및 히트 사이클 내성의 개선을 위해서 필요한 원소이다. In은 고용 강화형 원소이고, In이 Sn 및 Bi에 고용되어 결정핵이 되기 때문에 합금 조직이 균일하고 미세해져, 연성이 향상된다. 또한, In을 소정량 함유하는 땜납 합금은 히트 사이클 내성이 우수하다. 또한, In 함유량이 상기 범위 내이면, 히트 사이클 시에 βSn과 γSn의 변태가 억제되기 때문에 높은 히트 사이클 내성이 얻어진다.

In 함유량이 0.5% 미만이면, 상기 효과를 발휘할 수 없다. 또한, 융점이 상승하기 때문에 미융합이 발생하는 경우가 있다. In 함유량의 하한은 0.5% 이상이고, 바람직하게는 0.7% 이상이며, 보다 바람직하게는 1.0% 이상이다. 한편, In 함유량이 3.0%를 초과하면, 금속간 화합물이 다량으로 석출되기 때문에 인장 강도가 열화된다. 또한, β 히트 사이클 시험 중에 Sn이 γSn으로 변태되어 땜납 합금의 체적이 변화하기 때문에, 히트 사이클 내성이 열화된다. In 함유량의 상한은, 3.0% 이하이고, 바람직하게는 2.5% 이하이고, 보다 바람직하게는 2.2% 이하이며, 특히 바람직하게는 2.0% 이하이다.

(3) Pd: 0.01∼0.10%

Pd는, 땜납 합금의 연성을 유지한 채로 인장 강도를 향상시키기 위해서 필요한 원소이다. Bi 함유량 및 In 함유량이 상기 범위 내인 Sn-Bi-In-Pd 땜납 합금에 있어서 Pd 함유량이 소정의 범위 내이면, Sn과 Pd의 조대한 화합물을 억제할 수 있다. 이 상세는 불명하지만, 이하와 같이 추측된다.

Sn 및 Bi 중에 In이 고용되어 Sn의 확산 속도가 느려지는 드래깅 효과에 의해, Sn과 Pd의 조대한 화합물의 형성이 억제된다. 이 때문에, Pd는 Bi 함유량 및 In 함유량이 소정의 범위 내인 Sn-Bi-In 땜납 합금에 소정량 함유되면, Sn과 Pd의 조대한 화합물의 석출이 억제되어, 합금 조직이 미세해진다. 상세하게는, 응력 완화상인 Sn상과 비교해서 취성상인 Bi상이 보다 미세해져, 특히 우수한 연성을 나타낸다. 이와 같은 미세한 합금 조직은, Sn에 Bi와 In을 동시에 함유함과 함께 Pd도 함유하는 합금 조성에 있어서 비로소 얻어지는 것이다. 또, Pd를 함유하는 합금 조성에서는, Pd의 응고핵이 다수 생성되기 때문에, 각각의 주위에 석출되는 Sn상의 성장이 서로 억제되어, 조직 전체가 미세해진다. 이에 수반하여, 미세한 Sn과 Pd의 화합물이 석출되는 것에 의해 기계 강도나 내충격성이 향상된다.

Pd 함유량이 0.01% 미만이면 상기 효과를 발휘할 수 없다. Pd 함유량의 하한은 0.01% 이상이다. 한편, Pd 함유량이 0.10%를 초과하면, 조대한 Sn과 Pd의 화합물이 석출된다. 또한, 융점이 상승하기 때문에 미융합이 발생하는 경우가 있다. Pd 함유량의 상한은, 0.10% 이하이고, 바람직하게는 0.08% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.05% 이하이며, 특히 바람직하게는 0.03% 이하이다.

(5) Co, Ti, Al 및 Mn 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1% 이하

이들 원소는, 상기의 효과를 저해하지 않는 정도이면 함유해도 되는 임의 원소이다. 화합물의 형성을 억제하여 합금 조직의 미세화를 유지하는 것에 의해 기계 특성, 내충격성 및 히트 사이클 내성을 유지하는 관점에서, 이들 원소의 함유량은, 바람직하게는 합계로 0.1% 이하이다.

(6) 질량%로, P, Ge 및 Ga 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1% 이하

이들 원소는, Sn의 산화를 억제함과 함께 젖음성을 개선할 수 있는 임의 원소이다. 이들 원소의 함유량이 0.1%를 초과하지 않으면, 땜납 표면에 있어서의 땜납 합금의 유동성이 저해되는 경우가 없다. 이들 원소의 함유량의 합계는, 보다 바람직하게는 0.003∼0.01%이다. 각각의 원소의 함유량에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전술한 효과가 충분히 발현되도록 하기 위해, P의 함유량은 바람직하게는 0.002∼0.005%이고, Ge의 함유량은 바람직하게는 0.002∼0.006%이며, Ga의 함유량은 바람직하게는 0.002∼0.02%이다.

(7) 잔부: Sn

본 발명에 따른 땜납 합금의 잔부는 Sn이다. 전술한 원소 외에 불가피적 불순물을 함유해도 된다. 불가피적 불순물을 함유하는 경우여도, 전술한 효과에 영향을 주는 경우는 없다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 발명에서는 함유하지 않는 원소가 불가피적 불순물로서 함유되더라도 전술한 효과에 영향을 주는 경우는 없다.

(8) Zr, Ni, Al+Ag, Fe, Ca, Pt, Mg, Sb

본 발명에 따른 땜납 합금은, 이들 원소를 함유하지 않는 것이 바람직하다. Al 및 Ag의 동시 첨가, Zr, 및 Ni는, 조대한 화합물을 형성하기 때문에 균일하고 미세한 합금 조직의 형성을 방해한다. Fe, Ca, Pt 및 Mg는, 합금 조직의 조대화를 촉진한다. Sb는 In과 조합하면 연성이 현저하게 저하된다. 한편, 이들 원소가 불가피적 불순물로서 함유되는 경우에는 전술한 효과에 영향을 주는 경우가 없다.

2. 땜납 페이스트

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

또한, 본 발명에 따른 땜납 페이스트는, 기판측의 전극에 도포되는 것에 의해 BGA측의 Sn-Ag-Cu 땜납 볼과의 접합에 이용해도 된다.

3. 땜납 볼

본 발명에 따른 땜납 합금은, 땜납 볼로서 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 땜납 볼은, BGA(볼 그리드 어레이) 등의 반도체 패키지의 전극이나 기판의 범프 형성에 이용된다. 본 발명에 따른 땜납 볼의 직경은 1∼1000μm의 범위 내가 바람직하다. 땜납 볼은, 일반적인 땜납 볼의 제조법에 의해 제조할 수 있다.

4. 수지 내장 땜납

본 발명에 따른 땜납 합금은, 미리 땜납 중에 플럭스를 갖는 수지 내장 땜납에 적합하게 이용된다. 또한, 인두에 땜납을 공급하는 관점에서, 선 땜납의 형태로 이용할 수도 있다. 게다가, 선 땜납에 플럭스가 봉지되어 있는 수지 내장 선 땜납에 적용할 수도 있다. 각각의 땜납의 표면에 플럭스가 피복되어 있어도 된다. 이에 더하여, 땜납 중에 플럭스를 갖지 않는 땜납의 표면에 플럭스가 피복되어 있어도 된다.

땜납 중의 플럭스 함유량은, 예를 들면 1∼10질량%이고, 플럭스 중의 로진 함유량은 70∼95%이다. 일반적으로, 로진은 유기 화합물이고 탄소나 산소를 함유하기 때문에, 본 발명에서는 말단의 작용기 등에 한정되는 경우가 없다.

5. 땜납 이음매

본 발명에 따른 땜납 이음매는, 반도체 패키지에 있어서의 IC 칩과 그 기판(인터포저)의 접속, 혹은 반도체 패키지와 프린트 배선판을 접합하여 접속한다. 즉, 본 발명에 따른 땜납 이음매는 전극의 접속부를 말하고, 일반적인 납땜 조건을 이용하여 형성할 수 있다.

6. 그 외

본 발명에 따른 땜납 합금은, 상기 외에, 프리폼, 선재 등의 형태로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 땜납 합금의 제조 방법은 통상적 방법에 따라 행하면 된다. 본 발명에 따른 땜납 합금을 이용한 접합 방법은, 예를 들면 리플로법을 이용하여 통상적 방법에 따라 행하면 된다. 플로 솔더링을 행하는 경우의 땜납 합금의 용융 온도는 대체로 액상선 온도로부터 20℃ 정도 높은 온도이면 된다. 또한, 본 발명에 따른 땜납 합금을 이용하여 접합하는 경우에는, 응고 시의 냉각 속도를 고려한 편이 합금 조직을 더 미세하게 할 수 있다. 예를 들면 2∼3℃/s 이상의 냉각 속도로 땜납 이음매를 냉각한다. 이 외의 접합 조건은, 땜납 합금의 합금 조성에 따라서 적절히 조정할 수 있다.

본 발명에 따른 땜납 합금은, 그의 원재료로서 저α 선재를 사용하는 것에 의해 저α 선합금을 제조할 수 있다. 이와 같은 저α 선합금은, 메모리 주변의 땜납 범프의 형성에 이용되면 소프트 에러를 억제하는 것이 가능해진다.

실시예

표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 땜납 합금을 조정하여, 합금 조직을 관찰하고, 융점(액상선 온도)을 측정하고, 인장 강도, 연성, 내충격성 및 히트 사이클 내성을 평가했다.

·합금 조직의 관찰

소정의 금형에 표 1에 나타내는 합금 조성으로 이루어지는 땜납 합금을 주입(鑄入)하고, 얻어진 땜납 합금을 수지로 몰드하고 연마하여, 땜납 합금이 반분 정도 연마된 개소를 FE-SEM으로 1000배의 배율로 촬영했다.

·액상선 온도

표 1의 각 땜납 합금을 제작하여, 땜납 합금의 액상선 온도를 측정했다. 액상선 온도는, JIS Z 3198-1의 고상선 온도의 측정 방법과 마찬가지의 DSC에 의한 방법으로 실시했다. 액상선 온도가 170℃ 이하인 경우에는 「○」라고 평가하고, 170℃를 초과하는 경우에는 「×」라고 평가했다.

·인장 강도, 연성

인장 강도는 JIS Z 3198-2에 준하여 측정되었다. 표 1에 기재된 각 땜납 합금에 대하여, 금형에 주입하여, 게이지 길이가 30mm, 직경 8mm인 시험편을 제작했다. 제작한 시험편은, Instron사제의 Type5966에 의해, 실온에서, 6mm/min의 스트로크로 인장하여, 인장 강도를 측정했다. 또한, 동형의 시험편을 이용하여, Instron사제의 Type5966에 의해, 실온에서, 0.6mm/min의 스트로크로 인장하여, 시험편이 파단되었을 때의 신도(연성)를 계측했다. 본 실시예에서는, 인장 강도가 70MPa 이상인 경우를 「○」라고 평가하고, 70MPa 미만인 경우를 「×」라고 평가했다. 신도(연성)가 120% 이상인 경우, 실용상 문제없는 레벨이라고 판단하여 「○」라고 평가하고, 120% 미만인 경우를 「×」라고 평가했다.

·내충격성

표 1의 땜납 합금을 아토마이즈하여 땜납 분말로 했다. 송지, 용제, 활성제, 틱소제, 유기산 등으로 이루어지는 납땜 플럭스와 혼화하여, 각 땜납 합금의 땜납 페이스트를 제작했다. 땜납 페이스트는, 두께가 0.8mm인 프린트 기판(재질: FR-4)에 두께가 120μm인 메탈 마스크로 인쇄한 후, 10개의 BGA 부품을 마운터로 실장하고, 최고 온도 190℃, 유지 시간 60초의 조건에서 리플로 납땜을 하여, 시험 기판을 제작했다.

다음으로, BGA 부품이 대좌(台座)측을 향하도록 시험 기판의 양 끝을 볼트로 대좌에 고정했다. 그 상태로 JEDEC 규격에 준하여 가속도 1500G의 충격을 주어 내충격성을 평가했다. 그 후, 저항값을 측정했다. 초기의 저항값으로부터 1.5배 미만인 경우에는 「○」로 하고, 1.5배 이상인 경우에는 「×」로 했다.

·히트 사이클 내성

표 1의 땜납 합금을 아토마이즈하여 땜납 분말로 했다. 송지, 용제, 활성제, 틱소제, 유기산 등으로 이루어지는 납땜 플럭스와 혼화하여, 각 땜납 합금의 땜납 페이스트를 제작했다. 땜납 페이스트는, 두께가 0.8mm인 프린트 기판(재질: FR-4)에 두께가 100μm인 메탈 마스크로 인쇄한 후, 15개의 BGA 부품을 마운터로 실장하고, 최고 온도 190℃, 유지 시간 60초의 조건에서 리플로 납땜을 하여, 시험 기판을 제작했다.

각 땜납 합금으로 납땜한 시험 기판을 저온 -40℃, 고온 +100℃, 유지 시간 10분의 조건으로 설정한 히트 사이클 시험 장치에 넣고, 초기의 저항값인 3∼5Ω으로부터 적어도 1개의 BGA 부품에서의 저항값이 15Ω을 초과한 시점에서의 사이클수를 구했다. 1700사이클 이상을 「○」로 하고, 1700 사이클 미만을 「×」로 했다.

평가 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼22에서는, 인장 강도, 연성, 및 내충격성이 우수한 것을 알 수 있었다. 또한, 모두 액상선 온도가 낮기 때문에 미융합의 발생이 억제되고, 또한 합금 조직이 미세하기 때문에 히트 사이클 후에 있어서도 합금 조직의 조대화를 억제하여, 히트 사이클 내성이 우수한 것을 알 수 있었다.

한편, 비교예 1은, In 및 Pd를 함유하지 않기 때문에, 합금 조직이 미세해지지 않아, 인장 강도, 연성, 내충격성, 히트 사이클 내성 모두 뒤떨어졌다. 비교예 2는, Pd를 함유하기 때문에 Sn과 Pd의 화합물이 석출되는 것에 의해 기계 강도가 비교예 1보다 향상되었지만, In을 함유하지 않기 때문에 연성이 뒤떨어졌다. 한편, 비교예 2는 연성이 뒤떨어지기 때문에, 히트 사이클 내성 및 내충격성의 평가를 행하지 않았다. 비교예 3은, Pd를 함유하지 않기 때문에 인장 강도, 및 내충격성이 뒤떨어졌다.

비교예 4는 Bi 함유량이 적기 때문에 액상선 온도가 170℃를 초과했다. 비교예 5는 Bi 함유량이 많기 때문에 액상선 온도가 170℃를 초과했다. 비교예 6은 In 함유량이 적기 때문에 액상선 온도가 170℃를 초과했다. 비교예 7은 In 함유량이 많기 때문에 인장 강도가 저하되었다. 비교예 8은 Pd 함유량이 많기 때문에 액상선 온도가 170℃를 초과함과 함께 연성이 뒤떨어졌다. 이들은 액상선 온도, 인장 강도, 연성 중 적어도 1개가 뒤떨어지기 때문에, 히트 사이클 내성 및 내충격성의 평가를 행하지 않았다.

비교예 9는 In과 Sb가 공존하기 때문에 연성이 뒤떨어졌다. 이 때문에, 히트 사이클 내성 및 내충격성의 평가를 행하지 않았다.

비교예 10∼16은 합금 조직이 조대해지기 때문에 연성 등이 뒤떨어졌다. 이 때문에, 히트 사이클 내성 및 내충격성의 평가를 행하지 않았다.

표 1 중의 비교예 1, 2 및 실시예 2의 합금 조직을 관찰한 결과를 나타낸다. 도 1은 땜납 합금의 SEM 사진이고, 도 1(a)는 비교예 1의 땜납 합금의 단면 SEM 사진이고, 도 1(b)는 비교예 2의 땜납 합금의 단면 SEM 사진이고, 도 1(c)는 실시예 2의 땜납 합금의 단면 SEM 사진이다. 도 1(a)∼도 1(c) 중, 백색 부분이 Bi상이고, 회색 부분이 β-Sn상이다.

비교예 1을 나타내는 도 1(a)에서는 In 및 Pd를 함유하지 않기 때문에, 조대한 Bi상이 존재하는 것을 알 수 있었다. 비교예 2를 나타내는 도 1(b)에서는 In을 함유하기 때문에 도 1(a)와 비교해서 합금 조직이 미세하지만, 원하는 특성이 얻어질 정도로 충분히 미세해져 있지 않은 것을 알 수 있었다. 실시예 2를 나타내는 도 1(c)에서는 In 및 Pd를 함유하기 때문에 합금 조직이 가장 미세한 것을 알 수 있었다. 특히, 취성상인 Bi상의 미세화가 현저한 것을 알 수 있었다. 다른 실시예에서도 도 1(c)에 나타내는 정도의 미세한 합금 조직인 것을 관찰했다.

이상으로부터, Sn-Bi-In-Pd 땜납 합금은, 조직이 미세하기 때문에, 우수한 인장 강도, 연성, 내충격성, 및 히트 사이클 내성을 나타내는 것이다.

11, 21, 31 Bi상
12, 22, 32 Sn상

Claims (9)

1. 질량%로, Bi: 35∼68%, In: 0.5∼3.0%, Pd: 0.01∼0.10%, 잔부가 Sn으로 이루어지는 합금 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 땜납 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 합금 조성은, 질량%로, In: 1.0∼2.0%인, 땜납 합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 합금 조성은, 질량%로, Pd: 0.01∼0.03%인, 땜납 합금.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 합금 조성은, 추가로, 질량%로, Co, Ti, Al 및 Mn 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1% 이하 함유하는, 땜납 합금.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 합금 조성은, 추가로, 질량%로, P, Ge 및 Ga 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1% 이하 함유하는, 땜납 합금.
6. 제 1 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 페이스트.
7. 제 1 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 볼.
8. 제 1 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 수지 내장 땜납.
9. 제 1 항에 기재된 땜납 합금을 갖는 땜납 이음매.

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