KR101265449B1 - 차재 실장용 무납 땜납과 차재 전자 회로 - Google Patents

Abstract

차재 전자 회로의 납땜에 사용할 수 있는, 우수한 내열사이클성이나 기계적 강도를 구비한 Sn―Ag―Cu―Bi 무납 땜납을 제공한다. Ag : 2.8 ∼ 4 질량％, Bi : 1.5 ∼ 6 질량％, Cu : 0.9 ∼ 1.2 질량％, 잔부 Sn 으로 구성된다.

Description

차재 실장용 무납 땜납과 차재 전자 회로{LEAD-FREE SOLDER FOR VEHICLE,AND IN-VEHICLE ELECTRONIC CIRCUIT}

본 발명은 온도 변화가 큰 가혹한 조건에서 사용하는 무납 땜납, 예를 들어 자동차의 엔진 근방과 같이 사용시와 정지시에 온도차가 커지는 환경하에서 사용하는 무납 땜납과, 그것을 사용한 차재 전자 회로에 관한 것이다.

납은 인체에 악영향을 미치는 점에서 납이 들어가는 땜납이 규제되고 있어, Sn 주성분의 무납 땜납이 널리 사용되고 있다. 현재, 텔레비젼, 비디오, 휴대 전화, PC 등의 소위 「민생용 전자 기기」에 많이 사용되고 있는 무납 땜납은, Sn―3Ag―0.5 Cu 땜납이다. 이 무납 땜납은, 납땜성이 종래의 Pb―Sn 땜납보다 다소 떨어지지만, 플럭스나 납땜 장치의 개량에 의해 문제없이 사용되고 있으며, 민생용 전자 기기의 내용연수 (耐用年數) 기간 중의 통상적인 사용시에 박리되는 문제는 발생하지 않았다.

민생용 전자 기기에서는, 납땜부의 내구 시험으로서 열사이클 시험을 채용하고 있다. 민생용 전자 기기에서 많이 채용하고 있는 열사이클 시험은, 3.2 × 1.6 × 0.6 (㎜) 크기의 칩 저항 부품을 프린트 기판에 납땜하고, 납땜부를 －40 ℃, ＋85 ℃ 의 각 고온도 및 저온도로 30 분간, 유지하는 가열·냉각의 반복을 500 사이클 실시한다. 그 후에, 도체간의 통전 상태를 측정하여, 통전하고 있으면 합격이라고 하는 정도이다.

그런데 자동차에도 프린트 기판에 전자 부품을 납땜한, 요컨대 실장한 전자 회로 (이하, 차재 전자 회로라고 한다) 가 탑재되어 있어, 차재 전자 회로에서도 열사이클 시험을 실시하고 있다. 차재 전자 회로에서 채용되는 열사이클 시험은, 후술하지만, 전술한 민생용 전자 기기에서의 열사이클 시험에서는 생각할 수 없을 정도로 매우 가혹한 조건에서의 시험이다.

종래에 있어서도 내열사이클성이 우수한 무납 땜납은 다수 제안되었다. 특허문헌 1 내지 3 참조.

그러나, 차재 전자 회로의 납땜부에 현재 요구되는 열사이클 시험을 실시했을 때 충분한 내열사이클성을 나타내는 것은 없었다.

일본 공개특허공보 평5-228685호 일본 공개특허공보 평9-326554호 일본 공개특허공보 2000-349433호

실제, 특허문헌 1 내지 3 의 실시예에 개시된 구체적 조성예에 대하여, 현재 요구되고 있는 기준에 기초하여, 상기 서술한 －40 ℃ 내지 ＋85 ℃ 에 대한 열사이클을 500 사이클 실시하는 열사이클 시험, 및 －55 ℃ 내지 ＋125 ℃ 에 대한 열사이클을 1500 사이클 실시하는 열사이클 시험을 실시한 결과, 모두 만족하는 결과를 얻을 수 없었다.

예를 들어, 땜납의 내열사이클성은, 현재 행해지고 있는 벌크에서의 특성값 시험, 예를 들어, 인장 강도 시험, 크리프 시험, 피로 시험에서는 평가를 할 수 없다. 땜납 이음부의 내열사이클성을 평가하기 위해서는, 실제로 부품을 실장한 프린트 기판의 열사이클 시험을 실시하는 것이 베스트라고 알려져 있다. 특히, 차재 전자 회로에서의 열사이클 시험은 민생용 전자 기기에서의 열사이클 시험 (－40 ℃ ∼ ＋85 ℃ 의 가열·냉각 500 사이클에서 통전되는지의 여부를 측정) 보다 어려워, －55 ℃ ∼ ＋125 ℃ 의 가열·냉각 사이클에서, 적어도 1500 사이클, 더욱 바람직하게는 3000 사이클이라는 매우 가혹한 열사이클 시험에 있어서, 소정의 접합 강도를 가질 것이 요구된다. 그러나, 종래의 무납 땜납에서는, 이 기준을 만족할 수 있는 것은 없었다.

그런데, 차재 전자 회로는, 엔진, 파워 스티어링, 브레이크 등을 전기적으로 제어하는 기기에 사용되고 있으며, 자동차의 주행에 있어 매우 중요한 보안 부품이기 때문에, 장기간에 걸쳐 고장없이 안정된 상태로 가동할 수 있는 것이 아니면 안된다. 특히, 엔진 제어용 차재 전자 회로는, 엔진 근방에 설치되어 있는 것도 있어, 상당히 가혹한 사용 환경을 갖는다. 실제, 이와 같은 차재 전자 회로가 설치되는 엔진 근방은, 엔진의 회전시에는 100 ℃ 이상의 고온이 되고, 엔진의 회전을 멈추었을 때에는 외기 온도, 예를 들어 북미나 시베리아 등의 한랭지라면 동계에 －30 ℃ 이하의 저온이 된다. 따라서, 차재 전자 회로는 엔진 운전과 엔진 정지의 반복으로 －30 ℃ 이하, ＋100 ℃ 이상의 열사이클에 노출된다.

차재 전자 회로가, 그와 같이 온도가 크게 변화되는 환경 (이하, 열사이클 환경이라고 한다) 에 장기간 놓여지면, 땜납과 프린트 기판이 각각 열팽창·수축을 일으킨다. 그러나 금속의 땜납과 수지제의 프린트 기판에서는 열팽창률이 상이하기 때문에 양방에 스트레스가 가해진다. 이 때 수지제의 프린트 기판은 신축하기 때문에 문제는 없지만, 금속 땜납은 장기간의 팽창·수축에 의해 금속 피로를 일으켜, 장기간 경과 후에는, 균열이 발생하여 파단되는 경우가 있었다.

요컨대, 금속 피로는 장기간의 스트레스에 의해 발생하기 때문에, 차재 전자 회로에서는, 신차의 사용 개시 후 당분간은 문제가 없더라도, 장기간에 걸쳐 주행하면, 납땜부의 땜납이 박리되는 것도 생각할 수 있다. 이 원인은, 납땜부가 열사이클 환경에서, 파단될 정도는 아니지만 접합 강도가 약해지고 있을 때, 노면으로부터 받는 큰 충격이나 엔진으로부터 받는 연속된 작은 진동에 의해 박리되는 것에서 기인한다.

따라서, 차재 전자 회로에 사용하는 땜납에는, 열사이클 환경에서, 우수한 내열사이클성을 나타낼 것이 요구되고 있다. 차재 전자 회로의 남땜으로서, 민생용 전자 기기에 이미 사용되고 있는 Sn―3Ag―0.5Cu 의 무납 땜납을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 무납 땜납은 가혹한 열사이클 환경에 대해 충분한 내열사이클성을 갖지 않기 때문에, 자동차와 같이 고온도와 저온도의 차가 매우 큰 어려운 열사이클 환경이 되는 곳에는 사용할 수 없다.

그래서, 본 발명에 있어서는, 차재 전자 회로용으로서 현상황에서는 어렵다고 생각되는 －55 ℃ ∼ ＋125 ℃ 의 열사이클을 기준으로 하여 그것의 1500 사이클에 견딜 수 있는 땜납 합금의 개발을 목표로 하였다.

그런데, 차재 전자 회로에 사용하는 땜납으로는, 당연히 납땜성이 우수할 뿐만 아니라, 납땜시에 전자 부품이나 프린트 기판에 열 영향을 미치지 않는 온도에서 납땜할 수 있는 것이 아니면 안된다. 일반적으로, 납땜 온도는, 땜납의 액상선 ＋10 ∼ 30 ℃ 라고 알려져 있으며, 땜납의 액상선 온도가 높아지면, 납땜 온도도 높아지지 않을 수 없고, 납땜 온도가 높으면 전자 부품이나 프린트 기판을 열 손상시키거나, 기능을 열화시킨다. 전자 부품이나 프린트 기판을 리플로우 납땜하는 경우, 납땜 온도가 250 ℃ 이하이면 전자 부품이나 프린트 기판을 열 손상시키지 않는다. 따라서, 250 ℃ 이하의 납땜 온도가 필요하다고 하면, 액상선 온도는 240 ℃ 이하, 바람직하게는 235 ℃ 이하가 된다.

또한 차재 전자 회로에 사용하는 땜납으로는, 고상선 온도가 170 ℃ 이상인 것이 바람직하다. 그 이유는, 납땜부가 놓여진 환경이 고온이 되었을 때, 그 높은 온도와 땜납의 고상선 온도가 가까울수록, 땜납의 접합 강도가 약해지기 때문이다. 요컨대 차재 전자 회로가 설치되는 지점이 엔진룸 내이면 엔진룸 내는 100 ℃ 에 가까운 고온이 되기 때문에, 고상선 온도는 엔진룸의 온도보다 적어도 70 ℃ 이상 높은 170 ℃ 이상이 바람직하다.

여기에, 본 발명의 목적은, 차재 전자 회로의 납땜에 사용할 수 있고, 높은 신뢰성을 발휘하는 무납 땜납 및 그것을 사용한 차재 전자 회로를 제공하는 것이다.

보다 구체적으로는, 본 발명은 －55 ℃ 및 ＋125 ℃ 의 각 온도로 30 분 유지하는 열사이클 시험에서, 1500 사이클 경과 후에도 땜납 이음부에 균열의 관통을 관찰되지 않는, 우수한 내열사이클성을 발휘하는 차재 전자 회로용 무납 땜납 합금 및 그것을 사용한 차재 전자 회로를 제공하는 것이다.

파워 모듈이나 세라믹 기판이나 금속 기판을 사용한 하이브리드 반도체 회로는, 입력 전원의 전압이나 전류나 주파수를 변환시키는 기능이 주요하다. 그 입력 전원은, 고출력의 리튬 이온 전지나, 자동차나 이륜차에 사용되는 납축전지나, 자동차나 전철 등의 모터에 의한 발전이나 송전선이나, 100 V 내지 220 V 의 가정용 전원이다. 이들의 입력 전원을 변환시킴으로써 모터의 구동부를 가동시키거나, 자동차의 헤드라이트와 같은 대전력을 필요로 하는 헤드라이트를 점등시키거나, 또한 모터 제동시에 전자 코일에서 발생하는 전기를 변환시켜, 리튬 전지나 납축전지에 충전하거나 한다. 그 때문에, 회로 내에서 발생하는 열량이 많다. 또, 전자 회로를 형성하는 데에 필수인 저항이나 콘덴서 등의 칩 부품도, 3216 사이즈의 대형 부품이 사용된다. 따라서, 이들 전자 회로에서는, 프린트 기판과의 접합부가 열사이클에 의해 파괴되기 쉽다.

파워 모듈은, 그 전자 회로 내에 파워 트랜지스터를 사용한 회로로, 전원 회로 등에 사용된다. 방열판 등이 배치되는 경우가 많아, 대전류가 흐르기 때문에, 그 배선은 굵고, 접합부의 면적이 넓은 것이 특징이다.

하이브리드 반도체 회로는, 혼성 집적 회로라고도 하며, 배선과 저항이나 콘덴서 등을 형성한 세라믹 기판에 반도체 칩을 부착한 것이다. 이와 같은 전자 회로는, 한 세대 이전의 집적 회로이지만, 실리콘 웨이퍼를 사용한 집적 회로는 열에 약하다는 결점을 갖고 있기 때문에, 대전류가 흐르고, 또 열에 강한 하이브리드 반도체 회로는, 차재용으로서는 아직 사용되고 있다. 이와 같은 하이브리드 반도체 회로에서는, 사용되는 칩 부품도 대형이 사용된다.

본 발명은 파워 모듈이나 하이브리드 반도체 회로에 가장 적합한 차재 전자 회로용 무납 땜납 합금 및 그것을 사용한 차재용 파워 모듈이나 하이브리드 반도체 회로를 제공하는 것이다.

본 발명자는, 종래의 내열사이클성이 우수하다고 알려져 있는 무납 땜납에서는 차재 전자 회로용으로서, 더 나은 고신뢰성을 만족할 수 없어, 더욱 더 개량이 필요한 것을 알았다. 따라서, 본 발명자는 각종 조성 및 조직의 땜납 합금에 대하여, 실제로 전자 부품을 실장한 프린트 기판을 사용하여, 열사이클 시험 후의 전자 부품과 기판의 접합 강도를 측정한 결과, 특정 조성의 땜납 합금, 특히, 석출 복원형 고용체 조직을 가진 합금이, 열사이클 시험에 의한 접합 강도의 열화 억제에 효과가 있는 것을 알아내어 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은 고용 원소를 함유하는 Sn―Ag―Cu 계 땜납 합금으로서, 또한, 실온에서는 과포화 고용체, 혹은 고용 원소가 석출된 고용체로 이루어지는 합금 조직을 갖고, 열사이클 환경에서의 고온시에는, 저온에서 석출된 고용 원소가 Sn 매트릭스 중에 재고용되는 고용체로 이루어지는 합금 조직을 갖는 합금으로 이루어지는 무납 땜납이다.

본 발명에 의하면, 열사이클 환경에서 사용중인 땜납의 강도를 현저하게 개선할 수 있다.

본 명세서에서는, 본 발명 합금이 구비하는 상기 서술한 합금 조직을, 고온하 및 실온하의 경우도 포함하고, 또, 고용체 또는 과포화 고용체로 이루어지는 합금 조직의 경우도 포함하여, 포괄적으로 「석출물 복원형 고용체 조직」이라고 한다.

도 1 은, 본 발명에 관련된 합금의 고온도, 저온도 환경하에서의 온도 변화에 수반하는 조직 변화의 설명도이다. 충분한 고용한도를 확보할 수 있는 고온 상태에서는 Sn 매트릭스 중에 Bi 가 고용되어 고용체를 나타낸다. 그러나, 상태도 상에서는 이것이 냉각되면 Bi 의 석출이 일어나고, 또한, Bi 와 같이 Sn 중에 많이 고용되는 원소는 그 석출물은 간단히 조대화되어, Bi 자신은 Sn 의 기계적 특성에 거의 기여하지 않을 것이다. 그러나, 본 발명에서는, 유한의 시간에 고온 저온 환경을 반복하여 부하하는 열사이클 시험에서는, 일단, 고온하에서 Sn 에 고용된 Bi 는 냉각시에도, 조대하게 석출되지 않고, 과포화 고용체, 혹은 주사형 전자 현미경으로는 관찰할 수 없을 정도의 과포화 고용체로부터의 미세한 석출물로서 Sn 중에 존재하는 것이 판명되었다. 그러나, Bi 의 배합량이 적으면 실온에서 과포화 고용체 혹은, 과포화 고용체로부터의 미세한 석출물로서 Bi 는 존재할 수 없기 때문에, 열사이클 시험에서의 균열의 진전은 억제할 수 없고, Bi 가 지나치게 많으면, 응고 초기의 Bi 편석에 의해, 균열의 진전이 현저하게 빨라지는 경우가 있다. 본 발명의 경우, 합금 조성을 조정함으로써 항상 실온에서 과포화되는 비율로 Bi 가 배합되어 있기 때문에, 열사이클 환경이 냉각 단계에 들어가면 즉시 과포화 고용체가 된다.

－55 ℃ 및 ＋125 ℃ 의 각 온도로 30 분 유지하는 열사이클에 있어서 상기 서술한 바와 같은 「석출물 복원형 고용체 조직」을 나타낸다는 것은 예상 밖이었다. 상태도에 있어서는 항상 평형 상태를 생각하고 있기 때문에, 본 발명에 관련된 조성을 갖는 합금이, 모두 실온이나 저온 환경에서 Bi 의 조대화가 진행되는 것은 예측할 수 있지만, 상기 서술한 바와 같이 가열 30 분, 냉각 30 분이라는 열사이클을 1500 내지 3000 사이클 반복한 후에도, Bi 의 조대화를 억제할 수 있고, 또한, 과포화 고용체, 혹은 과포화 고용체로부터의 미세한 석출물로서 Bi 가 Sn 중에 계속 존재하는 것, 그리고, 그에 따라 지금까지 생각할 수 없었던 우수한 작용 효과가 발휘되는 것은 전혀 예상 밖이었다.

또한, 응고 초기의 조대한 Bi 에 관해서도, 125 ℃, 200 시간의 열처리나 －55 ℃ ∼ ＋125 ℃ 의 500 사이클로 각 30 분간의 열사이클 시험함으로써, 실온에서도 과포화 고용체, 혹은 과포화 고용체로부터의 미세한 석출물로서 Bi 를 Sn 중에 분산시킬 수 있어, 열사이클이나 고온 방치 등의 열 부하를 부여함으로써, 접합부의 신뢰성이 향상되는 것도 예상 밖이었다.

여기에, 본 발명에 있어서의 과포화 고용체로부터의 Bi 의 석출과, 응고시의 편석에 의한 조대한 Bi 의 편석은 그 효과는 상이하여, 전자에서는 Sn 매트릭스 중에 과포화 고용체 혹은 과포화 고용체로부터의 미세한 석출물로서, 균일하게 미세한 Bi 가 존재함으로써, 기계적 강도가 향상되지만, 후자에서는 최종 응고부, 결정 입계, 그리고 덴드라이트 아암 사이에, 각각 고용 원소인 Bi 가 조대하게 편석되기 때문에, 전위 (轉位) 의 이동을 억제하여 강도를 개선하는 효과는 기대할 수 없다. 이와 같은 「응고 편석형 합금 조직」은 상기 서술한 「석출물 복원형 고용체 조직」와는 그 생성 기구, 야금 (冶金) 학적 조직, 작용 효과의 면에서도 명확하게 구별된다.

바꿔 말하면, 본 발명에 있어서는, 그와 같은 Bi 의 편석이 발생하지 않도록 합금을 조제할 필요가 있다. 구체적으로는, Bi 함유량을 조정하거나, 합금 조제시에 있어서 급냉 응고시키거나, 혹은 납땜시에도 용융 땜납의 급속 응고를 도모하거나 파워 디바이스와 같이 열 부하가 큰 기판 실장에 사용하고, 도통시에 열 처리하거나 열 부하가 작은 부품에 관해서는 일단, 125 ℃ 에서 50 ∼ 300 시간 열 처리하여 응고 편석에 의해 발생한 조대한 Bi 를 과포화 고용체나 과포화 고용체로부터의 미세한 석출물로 개선하는 등의 수단이 바람직하다. 또한 덴드라이트 결정의 성장은 배제하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명자는, Sn―Ag―Cu 공정 (共晶) 근방의 합금에서는 Cu 함유량에 따라 신뢰성이 변화되는 것을 밝혀내었다. 즉, Cu 0.8 질량％ 이상의 첨가에 의해 차재 전자 회로용 땜납으로서 신뢰성이 개선되는 것을 알아냄과 함께, Bi 첨가와 병용함으로써, 전자 부품을 실장한 차재 전자 회로에 요구되는 내열사이클성이 만족되는 것을 확인하였다.

본 명세서에서 말하는 「차재 전자 회로에 요구되는 내열사이클성」은, 일반적으로는 자동차 사용시에 경험되는 열사이클 환경에서도 장기간 안정적으로 사용할 수 있다는 것인데, 구체적으로는 땜납 이음매를 －55 ℃ 및 ＋125 ℃ 의 각 온도로 30 분 유지하는 열사이클 시험을 실시했을 때, 납땜부에 1500 사이클 경과 후에도 균열의 관통을 볼 수 없는 특성을 말한다.

이와 같이, 본 발명에 관련된 석출물 복원형 고용체 조직에 의하면, 고용체가 냉각되면, 매트릭스 중의 고용한도를 초과한 고용 원소가 과포화 고용체에 의한 통상의 고용체에서는 얻을 수 없는 정도의 고용체 경화나 과포화 고용체로부터 미세하게 석출되는 석출 강화에 의해 강도가 개선된다. 이것은 금속간 화합물의 석출에 의한 강도 개선 효과와 동일하지만, 금속간 화합물에서는 열사이클의 진행과 함께 미세한 침 형상 결정으로부터 덩어리 형상 결정의 화합물이 되어, 강도 개선 효과가 현저히 저하된다. 그러나, 상기 「석출물 복원형 고용체 조직」에 있어서의 과포화 고용체나 과포화 고용체로부터 석출된 Bi 에서는, 고용 원소가 열사이클 환경의 고온시에는 다시 고용되고, 한편, 실온이나 저온에서는, 다시 Bi 는 과포화 고용체나 과포화 고용체로부터 미세하게 석출되는 Bi 로서 Sn 매트릭스 중에 석출된다. 따라서, 상기 석출물 복원형 고용체 조직에 의하면, 열 피로의 진행에 의하지 않고, 과포화 고용체나 과포화 고용체로부터 석출된 Bi 에 의한 강도 개선 효과를 기대할 수 있다. 요컨대, 과포화 고용체나 과포화 고용체로부터 석출된 Bi 조직은, 열사이클 환경에서의 사용중에 반복하여 복원되기 때문에, 강도 개선 효과가 반영구적으로 지속되는 것이다. 따라서, 열사이클 환경하에서의 접합 강도의 열화를 억제할 수 있어, 내열사이클성을 향상시킬 수 있다.

Cu 첨가량이 1.5 질량％ 에서는 Bi 의 첨가가 없는 경우에도 차재 전자 회로용으로서 만족하는 내열사이클성을 얻을 수 있지만, 액상선 온도가 250 ℃ 를 초과하기 때문에 실장이 곤란하여, 본 발명에 있어서, 일반적인 프린트 기판을 대상으로 한 땜납 합금에서는 Cu 첨가량의 상한은 1.2 질량％ 까지이다. 바람직하게는 1.0 질량％ 이하이다.

일반적으로, 땜납의 매트릭스 중에 금속간 화합물이 존재하면, 내열사이클성이 향상된다고 알려져 있다. 본 발명자가 금속간 화합물이 존재하는 무납 땜납의 내열사이클성에 대하여 예의 연구한 결과, 금속간 화합물이 존재하더라도, 그 형상이나 크기, 분포 상황에 따라 내열사이클성이 크게 좌우되는 것을 알 수 있었다. 예를 들어, 금속간 화합물이 침 형상 결정이면, 균열이 발생한 경우, 이 결정이 마치 콘크리트 중의 철근 역할을 하여 균열의 진행을 억제한다. 그러나, 그 후 열사이클 환경에서의 사용이 계속되면, 이 침 형상 결정이 구상이 되고, 게다가 그것이 수 ㎛ 정도로 조대화되면, 내열사이클성에 기여하지 않게 된다.

또, 열사이클 환경에서, 납땜부의 땜납에 균열이 발생하면, 균열의 진행 방향에 존재하는 금속간 화합물은 균열의 응력에 의해 구상화됨과 함께 조대화되는 것을 알 수 있었다. 그 때문에 조대화된 금속간 화합물은, 이미 균열의 진행을 억제할 수 없게 된다.

여기에서, Sn 주성분의 무납 땜납에 있어서, Ag 나 Cu 를 첨가한 경우에 Sn 매트릭스 중에 형성되는 금속간 화합물인 Ag₃Sn 이나 Cu₆Sn₅ 의 미세한 침 형상 결정이 조대화되어, 입상 결정이 되는 메커니즘을 간단히 설명한다.

Ag₃Sn 이나 Cu₆Sn₅ 는 미세한 결정 상태에서는, Sn 매트릭스와의 계면 면적이 매우 커, 계면 에너지의 총합이 매우 높은 상태가 되었다. 한편, 자연 현상에서는 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 반응이 진행되기 때문에, Ag₃Sn 이나 Cu₆Sn₅ 와 Sn 매트릭스와의 계면 면적이 작아진다. 요컨대 금속간 화합물은, 미세한 침 형상 결정으로부터 큰 구상 결정으로 변화하게 된다. 이와 같은 금속간 화합물의 조대화는 열사이클 환경에서의 고온시에 일어나기 쉽고, 이 변화가 진행되면, 이미 금속간 화합물에 의한 내열사이클성의 개선 효과는 기대할 수 없다. 덧붙여서, 금속간 화합물의 조대화는 비교적 응력이 부하되기 어려운 필렛 선단부에서는 거의 발생하지 않고, 응력이 집중되는 칩 부품의 저부와 같은 접합부에서 현저하다. 그리고 균열이 발생한 경우에는, 금속간 화합물의 구상화와 조대화가 균열의 진행 방향을 따라 일어나, 조대화된 금속간 화합물은 균열의 진행을 멈출 수 없게 된다.

한편, 본 발명에 관련된 「석출물 복원형 고용체 조직」에 있어서도 상기 서술한 금속간 화합물이 적으면, 균열의 진전을 억제하기 곤란하기 때문에, 적어도 Ag₃Sn 과 Cu₆Sn₅ 와 Sn 의 공정 조직의 체적이 40 ％ 이상을 차지할 필요가 있으며, Ag 첨가량은 2.5 ％ 이상, Cu 첨가량은 0.8 ％ 이상 필요하다. 가능하면, Ag 첨가량은 2.8 ％ 이상, Cu 첨가량은 0.9 ％ 이상이 바람직하다.

본 발명자의 지견에 의하면, 본 발명에 관련된 석출물 복원형 합금 조직에 있어서의 Bi 의 작용 효과는 다음과 같다.

본 발명에 관련된 Bi 를 고용한 고용체, 및 Bi 과포화 고용체, 또한 Bi 미세 석출물을 함유하는 고용체에 의하면, 어떠한 형태라도, 무납 땜납의 내열사이클성이 향상된다. 여기에, 고용체는, 용매 금속의 결정 격자 사이의 안정된 위치에 용질 원자가 끼어들거나, 용매와 용질의 원자가 공통된 결정 격자점을 서로 치환한 것이다. 본 발명 무납 땜납에서는 Sn 매트릭스 중에 Bi 가 고용되지만, 용매 원자인 Sn 과 용질 원자인 Bi 는, 크기가 상이하기 때문에 변형을 일으켜 경화된다. 여기에서, 과포화 고용체로부터 Bi 가 석출되는 경우를 생각하면, 땜납이 완전히 응고되었을 때에는 과포화 고용체로서 응고되지만, 그 후의 온도 저하에 수반하여, 고용한도를 초과한 Bi 가 미세하게 석출되고, 그 때의 석출물과 Sn 매트릭스 간의 격자 변형에 의해 경화되고, 내열사이클성이 향상된다.

따라서, Sn 매트릭스 중에 미세한 금속간 화합물이 존재함과 함께 Sn 에 Bi 가 고용되고, 또한, 과포화 고용체로부터 Bi 가 석출되는 땜납 합금은, 이들의 상승 작용에 의해, 더욱 내열사이클성이 향상되는 것이다.

그러나, 차재 전자 회로가 전술과 같이 열사이클 환경에 노출되어, 무납 땜납 중의 금속간 화합물이 크게 구상화됨으로써, 금속간 화합물에 의한 균열 억제 효과가 없어진다. 그러나, Bi 를 고용시킨 Sn 매트릭스 자체, 및 과포화 고용체로부터 미세한 Bi 를 석출한 Sn 매트릭스가 내열사이클성 향상의 효과를 갖고 있으면, 균열의 진행을 억제할 수 있다. 그러나, 미세한 금속간 화합물이 조대화될 때까지는, 균열 억제 효과는 충분하여, 균열 진전을 억제시키는 효과를 지속시키기 위해서는, 적어도 Ag₃Sn 과 Cu₆Sn₅ 와 Sn 의 공정 조직의 체적이 40 ％ 이상을 차지할 필요가 있으며, Ag 첨가량은 2.5 ％ 이상, Cu 첨가량은 0.8 ％ 이상 필요하다. 가능하면, Ag 첨가량은 2.8 ％ 이상, Cu 첨가량은 0.9 ％ 이상이 바람직하다.

특히, Bi 는 125 ℃ 에서는 Sn 매트릭스 중에 12 질량％ 이상 고용되기 때문에, 본 발명에 있어서의 Bi 함유량에서는, 실온으로 되돌아오면 과포화 고용체가 되고, Bi 의 미세한 석출물은 열 피로와는 관계없이 존재하여, Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 등의 금속간 화합물과 같이, 열사이클의 경과와 함께 합금의 강도 개선 효과가 저하되는 경우는 없다.

따라서, Sn 주성분의 무납 땜납에서는 납땜한 것을 열사이클 환경에 두었을 경우, Sn 매트릭스 중에 금속간 화합물이 존재함과 함께, Bi 가 고용되어 있으면, 그들의 상승 효과에 의해, 초기에는 우수한 내열사이클성을 유지할 수 있다. 그리고 열사이클 환경에 장기간 놓여져 금속간 화합물이 큰 구상이 되어, 예를 들어, 납땜부의 땜납에 균열이 발생했다 하더라도, Bi 를 고용시킨 Sn 매트릭스가 균열의 진행을 억제하기 때문에, 납땜부가 완전히 박리될 때까지의 수명이 연장된다.

이와 같이 Sn 매트릭스 중에 Bi 를 고용시킨 무납 땜납에서는, 예를 들어 －55 ℃ ∼ ＋125 ℃ 의 각 온도로 30 분간, 1500 사이클 또는 3000 사이클 노출하는 민생용 전자 기기에서는 생각할 수 없는 매우 가혹한 열사이클 환경에 두어도, Sn 매트릭스 중에 존재하는 Bi 가 고용되고, 또, 과포화 고용체로부터의 미세 Bi 의 석출물에 의해 우수한 내열사이클성을 유지할 수 있다. 특히, Bi 는, 납땜 초기에는 응고 편석에 의해 일부 조대하게 석출되는 경우가 있지만, 그와 같은 경우에도 Bi 함유의 무납 땜납으로 납땜한 것을 열사이클 환경에 두면, 열사이클 환경 초기에 조대했던 Bi 가 시간의 경과와 함께 서서히 미세해져, 내열사이클성을 향상시킨다. 그러나, 바람직하게는, 당초보다 Bi 의 응고 편석은 가급적 소량으로 한다.

여기에, 본 발명은 다음과 같다.

(1) Ag : 2.8 ∼ 4 질량％, Bi : 1.5 ∼ 6 질량％, Cu : 0.8 ∼ 1.2 질량％, 잔부 Sn 으로 이루어지고, 더욱 구체적으로는, 석출물 복원형 고용체 조직을 구비한 것을 특징으로 하는, 차재 전자 회로용 무납 땜납.

(2) Ag : 3 ∼ 3.4 질량％, Bi : 2.5 ∼ 5 질량％, Cu : 0.9 ∼ 1.1 질량％, 잔부 Sn 으로 이루어지는, 상기 (1) 에 기재된 무납 땜납.

(3) Sn 의 일부 대신에, Ni, Fe 및 Co 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로 0.005 ∼ 0.05 질량％ 함유하는, 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 무납 땜납.

(4) Sn 의 일부 대신에, P, Ge 및 Ga 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로, 0.0002 ∼ 0.02 질량％ 함유하는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 무납 땜납.

(5) Sn 의 일부 대신에, In : 1 질량％ 이하 함유하는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 무납 땜납.

(6) Sn 의 일부 대신에, Zn : 1 질량％ 이하 함유하는, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 무납 땜납.

(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 무납 땜납으로 이루어지는 땜납 이음부를 갖는 차재 전자 회로.

(8) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 무납 땜납으로 이루어지는 땜납 이음부를 갖는, 하이브리드 반도체 회로인 차재 전자 회로.

여기에, 본 발명에 있어서의 열사이클 시험은, 프린트 기판의 납땜 패턴 (1.6 × 1.2 (㎜)) 에 무납의 솔더 페이스트를 150 ㎛ 의 두께로 인쇄 도포하고, 3.2 × 1.6 × 0.6 (㎜) 의 칩 저항 부품을 올려 놓고, 피크 온도가 245 ℃ 인 리플로우 노에서 납땜하고, 그 후, 그 칩 저항 부품이 실장된 프린트 기판을 －55 ℃ ∼ ＋125 ℃ 로 각각 30 분씩 유지하는 조작을 1 사이클로 하여, 1500 사이클 실시하는 것이다.

본 발명에 있어서, 「내열사이클성이 우수하다」는 것은, 상기 서술한 열사이클 시험 후에 프린트 기판 상의 칩 저항 부품에, 접합 강도 시험기로 옆에서 수평 방향으로 힘을 가해 칩 저항 부품을 벗겨 내고, 그 때의 강도가 평균 20 N (뉴턴) 이상, 최소값이 15 N 이상일 때, 내열사이클성이 우수한 것으로 한다.

본 발명에 관련된 땜납 합금은, 땜납을 용융시켜 플로우 납땜에 사용해도 되고, 적절히 플럭스를 배합하여 솔더 페이스트로 하여 리플로우 납땜에 사용해도 되고, 나아가서는, 땜납 인두로 납땜하는 진이 들어간 땜납이나, 펠릿, 리본, 볼과 같은 프리폼 형태로 사용해도 되며, 특별히 제한은 없지만, 바람직하게는 솔더 페이스트로 하여 사용한다.

본 발명의 무납 땜납은, 내열사이클성이 우수한 조성을 갖고 있고, 열사이클 환경에서, 초기에는 미세한 침 형상 결정의 금속간 화합물의 존재와 Sn 매트릭스 중에 Bi 가 고용되어 있음으로써, 그리고, 과포화 고용체로부터의 Bi 의 미세 석출물에 의해, 내열사이클성을 충분히 발휘할 수 있다.

또 본 발명의 무납 땜납은, 장기간에 걸쳐 열사이클 환경에 놓여져, 미세한 침 형상 결정의 금속간 화합물이 조대한 구상 결정이 되어, 금속간 화합물에 의한 균열의 진행을 억제할 수 없게 되어도, Bi 가 고용되거나, 과포화 고용체로부터 석출되는 Bi 가 분산됨으로써 매트릭스 자체가 양호한 내열사이클성을 갖고 있기 때문에, 장기간에 걸쳐 안정된 신뢰성을 발휘할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에 관련된 「석출물 복원형 고용체 조직」에 있어서도 상기 서술한 금속간 화합물이 적으면, 균열의 진전을 억제하기 곤란하기 때문에, 적어도 Ag₃Sn 과 Cu₆Sn₅ 와 Sn 의 공정 조직의 체적이 40 ％ 이상을 차지할 필요가 있으며, Ag 첨가량은 2.5％ 이상, Cu 첨가량은 0.8％ 이상 필요하다. 가능하면, Ag 첨가량은 2.8 ％ 이상, Cu 첨가량은 0.9 ％ 이상이 바람직하다.

또한, 본 발명의 무납 땜납은, Sn―Ag―Cu 합금 중에 액상선 온도를 낮추는 Bi 가 적당량, 즉 고상선 온도를 지나치게 낮추지 않는 양만큼 함유되어 있기 때문에, 현재 전자 기기의 납땜에 다용되고 있는 Sn―3Ag―0.5Cu 의 무납 땜납과 동일한 조건에서 납땜할 수 있어, 기존의 납땜 장치를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 전자 부품에 대한 열 영향이 적다는 특장을 갖고 있다.

본 발명에 관련된 땜납 합금 및 땜납 이음매는, 열사이클 시험을 1500 사이클 실시해도, 신뢰성을 충분히 발휘할 수 있는 것이다.

본 발명의 다른 양태에 있어서는, Ni, Fe, Co 중 적어도 1 종을 합계로 0.005 ∼ 0.05 질량％ 추가로 함유한 것을 특징으로 하는 무납 땜납은, 열사이클 시험을 1500 사이클 실시해도, 신뢰성을 충분히 발휘할 수 있음과 동시에, 땜납 인두를 사용한 경우에 그 인두 끝의 수명을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서는, P, Ge, Ga 중 적어도 1 종을 합계로 0.0002 ∼ 0.02 질량％ 함유한 것을 특징으로 하는 무납 땜납은, 열사이클 시험을 1500 사이클 실시해도, 신뢰성을 충분히 발휘할 수 있음과 동시에, 납땜 후의 고온 환경에서 땜납 표면의 변색을 방지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 범위의 땜납에서는, 열사이클 시험을 추가로 3000 사이클 실시해도, 신뢰성을 충분히 발휘할 수 있다.

본 발명의 무납 땜납은, 사용시에 열을 발하는 파워 트랜지스터나 코일이 실장된 전자 기기의 납땜에도 사용할 수 있는 것은 말할 필요도 없고, 특히, 차재 전자 회로용으로 사용함으로써 그 특성이 보다 효과적으로 발휘된다. 여기에, 차재 전자 회로란, 이른바 자동차 전자 제어 장치의 센트럴 컴퓨터에 삽입되는 회로로서, 엔진 출력 제어, 브레이크 제어 등을 제어하기 위한 장치이며, 통상 엔진 근방에 형성된다.

도 1 은 본 발명에 있어서 이용하는 「석출물 복원형 고용체 조직」의 모식적 설명도이다.
도 2 는 실시예 2 의 시험 1 에서 얻어진 시험 기판의 단면도이다.
도 3 은 실시예 2 의 시험 2 에서 얻어진 시험 기판의 단면도이다.
도 4 는 실시예 2 의 시험 3 에서 얻어진 시험 기판의 단면도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명에 있어서 땜납 조성을 규정한 이유에 대하여 설명한다.

Bi 의 첨가량의 상한은 6 질량％ 이지만, Bi 를 이보다 많이 첨가하면 납땜시에 Bi 의 응고 편석에 의해 발생한 Sn―Bi 공정 조직이 많아지고, 열사이클 환경하에서는, Bi 가 Sn 에 고용되지 않고, 매트릭스 중에 정출 (晶出) 된 과잉의 Bi 가 조대화되어, 오히려 내열사이클성을 저하시킨다. Bi 첨가량이 1.5 질량％ 보다 적으면 상온에서의 고용한도 때문에 포화 고용체로부터의 Bi 석출을 거의 기대할 수 없어, 목표로 하는 내열사이클성을 만족시킬 수 없다. 요컨대, Bi 의 고용체와 과포화 고용체로부터의 석출의 상호 작용에 의해, 내열사이클성은 크게 개선된다. Bi 함유량은, 바람직하게는 2.5 ∼ 5.5 질량％ 이다. 보다 바람직하게는, 2.5 질량％ 이상, 5 질량％ 미만이다.

Ag 는, Sn 과 금속간 화합물 Ag₃Sn 을 형성하여 내열사이클성 향상에 기여한다. 또 Ag 는, 납땜시에는 납땜부에 대한 젖음성을 양호하게 함과 함께, Sn 의 액상선 온도를 저하시키는 효과가 있다. Ag 의 첨가량이 2.8 질량％ 보다 적으면 내열사이클성이 저하되고, 그런데 4 질량％ 보다 많아지면, 첨가한 만큼 내열사이클성이나 젖음성의 향상을 기대할 수 없을 뿐만 아니라, 액상선 온도가 상승하여, 납땜성이 저하한다. 또한, 고가인 Ag 의 첨가량이 많아지는 것은 경제적으로 바람직한 것은 아니다. Ag 함유량은, 바람직하게는 3 ∼ 3.4 질량％ 이다.

Cu 는, 실장 기판의 Cu 회로나 전자 부품의 Cu 전극의 용해를 방지하기 위해 필요하다. 통상적인 납땜에서는 접합부가 복수 회 용융되고, 수정 공정에서는 통상의 납땜 온도보다 접합부의 온도가 고온이 되어, 기판이나 부품의 Cu 가 용해되는 Cu 용식이 일어난다. 특히, Sn 주성분의 무납 땜납에서는 Cu 의 용해가 빨라 기판이나 부품의 Cu 가 침식된다.

본 발명에서는 Cu 를 함유시킴으로써 그와 같은 Cu 용식을 방지한다.

한편, 반도체 소자나 세라믹 기판의 Ni 도금에 있어서, 도금 두께가 얇은 경우는 Sn 주성분의 무납 땜납을 사용하여, 납땜을 실시하면 Ni 의 용해가 격렬하여 Ni 도금 하지의 금속이 노출되어, Ni 도금의 배리어층으로서의 기능이 없어진다.

특히, 차재 전자 회로에서는 안전상 중요한 실장 기판이나 전자 부품이 많아, 납땜시에 단선이나 전자 부품의 기능 저하는 완전히 방지할 필요가 있어, 피납땜부의 Cu 의 용해를 방지하는 것은 중요하다. Cu 용식을 방지하기 위해서는 Cu 는 적어도 0.8 질량％ 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 Cu 를 1.2 질량％ 초과하여 첨가하면 액상선 온도가 240 ℃ 를 초과하기 때문에, 납땜 온도를 높게 하지 않으면 안되어, 전자 부품이나 프린트 기판을 오히려 열 손상시킨다. 또한, Cu 첨가량은 열사이클 환경에서의 강도 열화를 억제하는 효과도 있어, 특히, Bi 첨가량이 5 질량％ 보다 적은 경우는 Cu 의 첨가량이 0.8 질량％ 미만에서는 신뢰성이 차재 전자 회로의 기준까지 도달하지 않는다. 바람직한 Cu 함유량은, 0.9 ∼ 1.0 질량％ 이다.

본 발명에서는, 내열사이클성을 더욱 향상시킴과 함께, 땜납 자체의 기계적 강도, Cu 용식의 억제 등과 같은 특성을 향상시킬 것을 목적으로, Ni, Fe, 및 Co 로 이루어지는 군에서 선택한 1 종 이상을 합계로 0.005 ∼ 0.05 질량％ 첨가할 수도 있다. 이들 첨가물은 합계로 0.005 질량％ 보다 적으면 상기 특성 향상 효과는 나타나지 않고, 그런데, 합계로 0.05 질량％ 보다 많아지면 액상선 온도가 240℃ 를 초과한다.

또한, 본 발명에서는, 땜납의 산화를 방지하여 땜납의 변색을 억제하기 위해, P, Ge, 및 Ga 로 이루어지는 군에서 선택한 1 종 이상을 합계로 0.0002 ∼ 0.02 질량％ 첨가할 수도 있다. 이들 첨가량이 합계로 0.0002 질량％ 보다 적으면 산화 방지 효과는 없고, 그런데 합계로 0.02 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 납땜성을 저해하게 된다.

그 밖에, 본 발명에 있어서는, In 이나 Zn 을 필요에 따라 배합해도 된다. 용융 온도를 저하시키기 위해 In 을 배합하는 경우, 1 질량％ 를 초과하여 첨가하면, Bi 와 In 쌍방이 응고 편석되고, 125 ℃ 이하에서 일부 땜납이 용융된다. 125 ℃ 에서의 고온하에서 Sn 매트릭스 중에 일부 In 과 Bi 가 농화된 Sn 의 액상이 존재해도, 강도는 그다지 변하지 않지만, 연성, 이른바 신장률은 크게 저하되고, 1 질량％ 보다 많은 첨가에서는 연성이 거의 없어져, 땜납 합금으로서는 사용하기 곤란해진다. 그 때문에, Sn―Ag―Cu―Bi 합금에 대한 In 의 첨가량은 1 질량％ 이하이다.

Zn 은 산화가 격렬한 한편, 금속과의 반응성을 높이기 때문에, 불활성 분위기 중에서의 납땜성을 양호하게 한다. 그러나, Zn 은, Sn―Ag―Cu―Bi 합금에 대해, 과잉으로 첨가하면 액상선 온도가 상승하기 때문에, 그 첨가량은 1 질량％ 이하가 바람직하다.

본 발명에 관련된 합금 조성에서는, 예를 들어 100 ℃ 이상의 고온시에는 Bi 함유 고용체, 필요에 따라 일부 금속간 화합물이 분산되어 있는 Bi 함유 고용체로서 소용의 강도를 발휘하고, 한편, 예를 들어 25 ℃ 이하의 저온에서는 Bi 과포화 고용체에 의해, 또는 Bi 의 석출 강화에 의해 소용의 강도를 발휘한다. 이와 같은 기능을 구비한 땜납 이음매는 지금까지 볼 수 없었다.

따라서, 본 발명은 그와 같은 땜납 이음부를 구비한 차재 전자 회로, 특히, 하이브리드 반도체 회로이다. 또, 본 발명은 땜납 이음부의 우수한 내열성을 고려하면, 파워 모듈에 사용할 수도 있다.

실시예 1

본 예에서는 표 1 에 기재하는 각 조성의 땜납 합금을 조제하고, 후술하는 요령으로 그 특성을 평가하였다.

본 발명에 있어서의 실시예와 비교예의 특성 평가의 결과를 표 1 에 정리하여 기재한다.

표 1 에 있어서의 융점 측정, 열사이클 시험, Cu 용식 시험은 하기와 같이 실시하였다.

융점 측정 (*1) :

시차 주사 열량 측정 장치 (DSC) 에 의해, 고상선 온도와 액상선 온도를 측정하였다. 시차 주사 열량 측정 장치의 승온 속도는 5 ℃/min, 샘플량은 약 15 g 이었다.

납땜시에 전자 부품이나 프린트 기판에 대한 열 영향을 고려하면, 액상선 온도는 240 ℃ 이하가 바람직하다. 또 고온시의 접합 강도를 약하게 하지 않기 위해서는, 고상선 온도는 170 ℃ 이상이다.

열사이클 시험 (*2) :

표 1 에 기재하는 땜납 합금으로부터 평균 입경이 30 ㎛ 인 땜납 분말을 조제하여, 하기 조성의 플럭스와 배합·혼합함으로써 솔더 페이스트로 하였다.

분말 땜납 : 89 질량％

플럭스 : 11 질량％

플럭스 조성 :

중합 로진 55 질량％

수소 첨가 피마자유 7 질량％

디페닐구아니딘 HBr 1 질량％

디에틸렌글리콜모노헥실에테르 37 질량％

사이즈가, 1500 ㎜ × 1400 ㎜, 두께가 1.6 ㎜ 인 6 층 FR―4 의 유리 에폭시 기판 내의 납땜 패턴 (1.6 × 1.2 (㎜)) 에 크기가 3.2 × 1.6 × 0.6 (㎜) 인 칩 저항 부품을 납땜하였다. 납땜은, 150 ㎛ 두께의 금속 마스크를 사용하여, 솔더 페이스트를 전극 부분에 인쇄한 후, 피크 온도가 245 ℃ 로 설정된 리플로우 노에서 가열하였다. 그 후, 그 칩 저항 부품이 실장된 프린트 기판을, －55 ℃ 와 ＋125 ℃ 로 각각 30 분씩 유지하는 조건으로 설정한 열사이클조에 투입하고, 1500 사이클과 3000 사이클 반복하는 열사이클 환경에 노출된 실장 기판을 시험 시료로 하였다. 그 시험 시료의 칩 저항 부품에 대해, 전단 강도 시험 장치로 전단 속도 5 ㎜/min 로 칩 저항 부품을 벗겨 내고, 그 때의 박리 강도 (N : 뉴턴) 를 측정하였다. 시험 시료 수는 각 15 ∼ 20 개 실시하였다. 결과를 표 1 에 기재한다. 표 1 의 데이터는, 15 ∼ 20 개의 평균값 및 최저값이다.

열사이클 시험에서는 주로 균열의 발생에 의해 접합 강도는 저하되지만, 균열의 진행이 격렬할수록 접합 강도는 낮아진다. 이 열사이클 시험에서는 균열이 완전히 관통하면, 그 강도는 10 N 이하가 된다. 1500 사이클의 열사이클 시험에서는, 평균 30 N 이상, 또한 최소값이 20 N 이상인 접합 강도가 있으면, 균열이 완전히 접합부를 관통하지 않아, 신뢰성 면에서는 충분하다. 그리고 더욱 어려운 조건인 3000 사이클에 있어서도 평균 30 N 이상, 또한 최소값이 20 N 이상인 접합 강도가 있으면, 더욱 장기간 신뢰성을 약속할 수 있는 것이 된다.

Cu 용식 시험 (※3)

용량 15 ㎏ 의 소형 분류 (噴流) 땜납조 중에 각 합금을 투입하고, 260 ℃ 의 용융 상태로 한다. 그리고 뷴류 땜납조의 분류구로부터의 분류 높이가 5 ㎜ 가 되도록 조정한다.

본 시험에서 사용하는 시험 시료는, 구리 배선의 두께가 35 ㎛ 인 FR―4 유리 에폭시 기판을 적절한 크기로 재단한 것이다.

시험 방법은, 시험 시료의 구리 배선면에 프리 플럭스를 도포하고, 약 60 초간 예비 가열하여 기판 온도를 약 120℃ 로 한다. 그 후, 그 시험 시료를 분류 땜납조의 분류구로부터 2 ㎜ 상부에 올려 놓고, 분류된 용융 땜납 중에 3 초간 침지시킨다. 이 공정을 반복하여 실시하고, 시험 시료의 구리 배선의 사이즈가 반감될 때까지의 침지 횟수를 측정한다. 차재 전자 회로의 신뢰성을 고려하면, 침지 횟수가 4 회 이상에서도 반감되지 않는 것이어야 한다. 침지 횟수가 4 회에서 반감되지 않는 것을 「없음」, 3 회 이하에서 반감된 것을 「있음」이라고 하였다.

표 1 에 기재하는 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 무납 땜납은, 내열사이클성이 우수할 뿐만 아니라, Cu 용식도 일어나지 않는다.

또한 본 발명의 무납 땜납은, 고상선 온도가 180 ℃ 이상이기 때문에, 본 발명의 무납 땜납으로 납땜한 차재 전자 회로를 자동차의 본넷 근방에 설치하고 고온 상태에 두어도 용이하게 박리되지 않는다. 또, 액상선 온도가 230 ℃ 이하이기 때문에, 납땜시에 전자 부품이나 프린트 기판을 열 손상시키는 경우도 없다.

한편, 내열사이클성이 우수하다고 알려져 있는 종래예의 무납 땜납에서는, 차재 전자 회로에서 요구되는 내열사이클성을 만족하지 않거나, 고상선 온도나 액상선 온도가 지나치게 높거나, 지나치게 낮거나 한 것으로, 차재 전자 회로의 납땜에는 적합하지 않은 것이었다.

실시예 2

본 예에서는, 유사한 하이브리드 반도체 회로의 땜납 이음부를 본 발명에 관련된 무납 땜납으로 구성하고, 그 때의 땜납 이음부의 평가 결과를 나타낸다.

시험 1 :

크기 30 ㎜ × 40 ㎜ × 0.3 ㎜ 의 구리가 부착된 알루미늄 기판 (1) 과, 50 ㎜ × 50 ㎜ × 3.5 ㎜ 의 Cu 베이스 기판 (금속 기판) (2) 사이에, 두께 200 ㎛, 30 ㎜ × 40 ㎜ 의 판 형상의 표 2 에 기재된 땜납 조성의 땜납 펠릿을 올려 놓고, 수소 환원 분위기 중에서 260 ℃ 의 피크 온도 조건에서 리플로우 납땜하여, 시험 기판으로 하였다.

도 2 에, 본 시험에서 얻은 시험 기판의 단면도를 도시한다. 시험 기판을 －55℃ ∼ ＋125℃ 에서, 이행 시간을 0 분으로, －55 ℃ 와 ＋125 ℃ 로 각각 30 분씩 유지하는 조건으로 설정한 열사이클조에 투입하고, 2000 사이클 후의 균열 진전율을 단면에서 관찰했다. 표 2 에 2000 사이클 후의 땜납 이음부 최대 길이의 단면을 광학 현미경으로 관찰하고, 땜납 이음부 최대 길이에 대한 균열 길이의 평균값을 나타낸다.

시험 2 :

크기 35 ㎜ × 70 ㎜ × 0.2 ㎜ 알루미늄이 부착된 알루미늄 기판 (5) 과 50 ㎜ × 120 ㎜ × 3 ㎜t Cu 베이스 기판 (6) 사이에, 두께 200 ㎛, 35 ㎜ × 70 ㎜ 의 판 형상의 표 2 에 기재된 땜납 조성의 땜납 펠릿을 올려 놓고, 수소 환원 분위기 중에서 260 ℃ 의 피크 온도 조건으로 리플로우 납땜하여, 시험 기판으로 하였다.

도 3 에, 본 시험에서 얻은 시험 기판의 단면도를 도시한다. 시험 1 과 동일한 조건으로, 2000 사이클 후의 균열 진전율을 단면에서 관찰하였다. 동일하게 표 2 에 2000 사이클 후의 땜납 이음부 최대 길이의 단면을 광학 현미경으로 관찰하고, 땜납 이음부 최대 길이에 대한 균열 길이의 평균값을 나타낸다.

시험 3 :

크기 7 ㎜ × 7 ㎜ × 400 ㎜ 의 Si 소자 (9) 와 20 ㎜ × 20 ㎜ × 0.3 t Cu 리드 프레임 (10) 사이에 두께 100 ㎛ 이고, 7 ㎜ × 7 ㎜ 의 판 형상의 표 2 에 기재된 땜납 조성의 땜납 펠릿을 설치한 후, 수소 환원 분위기 중에서 260 ℃ 의 피크 온도 조건으로 리플로우 납땜하여, 시험 기판으로 하였다.

도 4 에, 본 시험에서 얻은 시험 기판의 단면도를 나타낸다. 시험 1 과 동일한 조건으로, 2000 사이클 후의 균열 진전율을 단면에서 관찰하였다. 동일하게 표 2 에 2000 사이클 후의 땜납 이음부 최대 길이의 단면을 광학 현미경으로 관찰하고, 땜납 이음부 최대 길이에 대한 균열 길이의 평균값을 나타낸다.

표 2 로부터는, 시험 1, 시험 2 및 시험 3 중 어떠한 형식의 하이브리드 반도체 회로에서도, Sn―Bi―Ag―Cu 조성의 땜납을 사용하여 형성된 하이브리드 반도체 회로는, 비교예의 Sn―Ag―Cu 조성의 땜납을 사용한 하이브리드 반도체 회로에 비해, 균열 길이의 성장이 늦어, 신뢰성이 높은 것을 알 수 있다.

Claims (21)

1. Ag : 2.8 ∼ 4 질량％, Bi : 1.5 ∼ 6 질량％, Cu : 0.9 ∼ 1.2 질량％, 잔부 Sn 으로 이루어지고, 석출물 복원형 고용체 조직을 구비하고, 칩 저항 부품을 실장한 프린트 기판을, －55 ℃ ~ ＋125 ℃ 로 각각 30 분씩 유지하는 것을 1 사이클로 하는 열사이클 시험을 1500 사이클 실시했을 때에 상기 칩 저항 부품의 접합 강도가 평균으로 20 N 이상, 최소가 15 N 이상임을 특징으로 하는 차재용 무납 땜납.
2. 제 1 항에 있어서,
   Ag : 3 ∼ 3.4 질량％, Bi : 2.5 ∼ 5 질량％, Cu : 0.9 ∼ 1.1 질량％, 잔부 Sn 으로 이루어지는 차재용 무납 땜납.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   Sn 의 일부 대신에, Ni, Fe 및 Co 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로 0.005 ∼ 0.05 질량％ 함유하는, 차재용 무납 땜납.
5. 제 2 항에 있어서,
   Sn 의 일부 대신에, Ni, Fe 및 Co 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로 0.005 ∼ 0.05 질량％ 함유하는, 차재용 무납 땜납.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   Sn 의 일부 대신에, P, Ge 및 Ga 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로, 0.0002 ∼ 0.02 질량％ 함유하는, 차재용 무납 땜납.
8. 제 2 항에 있어서,
   Sn 의 일부 대신에, P, Ge 및 Ga 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로, 0.0002 ∼ 0.02 질량％ 함유하는, 차재용 무납 땜납.
9. 삭제
10. 제 4 항에 있어서,
    Sn 의 일부 대신에, P, Ge 및 Ga 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로, 0.0002 ∼ 0.02 질량％ 함유하는, 차재용 무납 땜납.
11. 제 5 항에 있어서,
    Sn 의 일부 대신에, P, Ge 및 Ga 로 이루어지는 군에서 선택한 적어도 1 종을 합계량으로, 0.0002 ∼ 0.02 질량％ 함유하는, 차재용 무납 땜납.
12. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 10 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    Sn 의 일부 대신에, In : 1 질량％ 이하 함유하는, 차재용 무납 땜납.
13. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 10 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    Sn 의 일부 대신에, Zn : 1 질량％ 이하 함유하는, 차재용 무납 땜납.
14. 제 12 항에 있어서,
    Sn 의 일부 대신에, Zn : 1 질량％ 이하 함유하는, 차재용 무납 땜납.
15. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 10 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    파워 모듈에 사용되는 것을 특징으로 하는 차재용 무납 땜납.
16. 제 12 항에 있어서,
    파워 모듈에 사용되는 것을 특징으로 하는 차재용 무납 땜납.
17. 제 13 항에 있어서,
    파워 모듈에 사용되는 것을 특징으로 하는 차재용 무납 땜납.
18. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 10 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 무납 땜납을 사용한 것을 특징으로 하는 차재용 하이브리드 반도체 회로.
19. 제 12 항에 기재된 무납 땜납을 사용한 것을 특징으로 하는 차재용 하이브리드 반도체 회로.
20. 제 13 항에 기재된 무납 땜납을 사용한 것을 특징으로 하는 차재용 하이브리드 반도체 회로.
21. 제 14 항에 있어서,
    파워 모듈에 사용되는 것을 특징으로 하는 차재용 무납 땜납.

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