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KR100797161B1 - 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물 - Google Patents

주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물 Download PDF

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KR100797161B1
KR100797161B1 KR1020070050905A KR20070050905A KR100797161B1 KR 100797161 B1 KR100797161 B1 KR 100797161B1 KR 1020070050905 A KR1020070050905 A KR 1020070050905A KR 20070050905 A KR20070050905 A KR 20070050905A KR 100797161 B1 KR100797161 B1 KR 100797161B1
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KR
South Korea
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solder
composition
lead
indium
silver
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KR1020070050905A
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Inventor
이종현
이창우
김정한
Original Assignee
한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물에 관한 것으로, 그 목적은 Ag의 함량 감소에 따른 젖음성(wettability)의 저하를 억제하고, 열 사이클링(thermal cycling) 및 기계적 충격(impact)에 대한 내성을 최적화 할 수 있도록 인듐(In)을 적정량 첨가함과 더불어 은(Ag)의 함량을 최적화하여 무연솔더 조성물의 원가 상승을 억제할 수 있도록 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 0.3wt.%이상 2.5wt.%미만의 은(Ag)과, 0.1wt.%이상 2wt.%미만의 구리(Cu)와, 0.1wt.%이상 1.2wt.%이하의 인듐(In)과, 나머지는 주석(Sn)으로 이루어진 주석-은-구리-인듐 4원계 무연솔더 조성물에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
무연솔더, 4원계, 인듐, 젖음성, 열 사이클링, 기계적 충격

Description

주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물{Quaternary Pb-free Solder Composition Incorporating Sn-Ag-Cu-In}
도 1 은 가열 상태에서 종래의 솔더 조성에 따른 흡열 피크를 나타낸 결과,
도 2 는 가열 상태에서 본 발명의 솔더 조성에 따른 흡열 피크를 나타낸 결과,
도 3 은 용융 후 냉각 상태에서 종래의 솔더 조성에 따른 발열 피크를 나타낸 결과,
도 4 는 용융 후 냉각 상태에서 본 발명의 솔더 조성에 따른 발열 피크를 나타낸 결과,
도 5 는 종래의 솔더 조성에서 솔더링 온도에 따른 제로 크로스 타임값(zero cross time value)을 나타낸 그래프,
도 6 은 본 발명의 솔더 조성에서 솔더링 온도에 따른 제로 크로스 타임값(zero cross time value)을 나타낸 그래프,
도 7 은 종래의 솔더 조성에서 솔더링 온도에 따른 2초 후 젖음력(wettting force at 2 seconds)의 변화를 나타낸 그래프,
도 8 은 본 발명의 솔더 조성에서 솔더링 온도에 따른 2초 후 젖음력(wettting force at 2 seconds)의 변화를 나타낸 그래프,
도 9 는 종래의 솔더 조성에서 솔더링 온도에 따른 최종 젖음력(final wettting force)의 변화를 나타낸 그래프,
도 10 은 본 발명의 솔더 조성에서 솔더링 온도에 따른 최종 젖음력(final wettting force)의 변화를 나타낸 그래프,
도 11 은 종래의 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.5Ni 솔더 조성을 인장시편으로 제작하여 시험한 결과를 나타낸 그래프,
도 12 는 본 발명의 솔더 조성에서 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 및 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.2In, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.6In, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.8In, Sn-1.0Ag-0.5Cu-1.0In 조성을 인장시편으로 제작하여 시험한 결과를 나타낸 그래프.
본 발명은 무연솔더(Pb-free) 조성물에 관한 것으로, 특히 인듐의 사용으로 은의 사용량을 감소시킨 주석(Sn)-은(Ag)-구리(Cu)-인듐(In)의 4원계 무연솔더 조성물에 관한 것이다.
현재 무연솔더 조성의 경우 Sn-Ag-Cu계가 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 대표적인 조성으로는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성을 들 수 있다. 또한 이러한 조성의 내산화성을 향상시키기 위하여 P, Ge, Ga, Al, Si 등이 각각 수십~수천 ppm 양으로 추 가 첨가되기도 하며, 기계적 특성 및 계면 반응 특성 등의 향상을 위하여 Ni, Co, Fe, Bi, Au, Pt, Pb, Mn, V, Ti, Cr, Nb, Pd, Sb, Mg, Ta, Cd, 희토류(Rare Earth) 금속 등이 각각 수십~수천 ppm 양으로 추가 첨가되기도 한다.
그러나 최근 전자 패키징 분야를 중심으로 원가 절감에 대한 노력이 점차 확대되면서 첨가 원소 중 가장 고가인 Ag 원소의 양을 줄이기 위한 연구들이 시도되고 있는데, 그 예로 Sn-2.5Ag-0.5Cu 및 Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성이 적용되기도 하고, 최근에 들어서는 Sn-0.3Ag-0.5Cu 조성에 대한 특성 평가까지도 이루어지고 있는 실정이다.
Sn-Ag-Cu계 솔더에서 Ag 양에 따른 금속학적, 기계적인 특성 변화를 요약하면 다음과 같다.
1) 첨가 Ag 양이 감소할수록 액상선 온도와 고상선 온도가 벌어져 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 증가한다.
2) 첨가 Ag 양이 감소할수록 1)의 결과 등으로 젖음성(wettability)이 감소한다.
3) 첨가 Ag 양이 감소할수록 합금의 강도 및 내 크리프(creep) 특성이 감소한다.
4) 첨가 Ag 양이 감소할수록 3)의 결과 등으로 열 사이클링(thermal cycling) 실험에 따른 솔더 조인트(solder joint)의 파단 속도가 증가한다.
5) 첨가 Ag 양이 감소할수록 합금의 연신율(elongation)이 증가하면서 기계적 충격(impact) 실험에 따른 솔더 조인트(solder joint)의 파단 속도가 감소한다.
따라서 상기 1)의 경우는 솔더 내 Ag 함량에 따른 금속학적 특성 변화 현상에 해당하므로, Ag 함량을 감소시킬 경우는 적절한 Ag 양을 설정하는 한편, 기존 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성에 근접하는 젖음성(wettability)을 확보해야 솔더 재료로서의 적용이 원활해지고, Ag 함량의 절감을 통한 궁극적인 원가 절감이 가능해진다.
또한 상기 4)와 5)의 경우에는 솔더의 Ag 함량의 감소에 따라 서로 상치되는 특성을 보여준다고 할 수 있으므로, 역시 적절한 Ag 양을 설정하는 한편, 합금원소의 첨가 등에 의하여 기계적 특성의 향상을 보완해야 열 사이클링(thermal cycling) 및 기계적 충격(impact)에 대한 내성을 동시에 확보할 수 있는 이상적인 솔더 조성의 설계가 이루어지고, 더불어 Ag 함량의 절감을 통한 원가의 절감까지 확보하는 것이 가능해진다.
그러나 상기와 같은 조건을 만족하는 무연솔더 조성은 아직까지 개발되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 Ag의 함량 감소에 따른 젖음성(wettability)의 저하를 억제하고, 열 사이클링(thermal cycling) 및 기계적 충격(impact)에 대한 내성을 최적화 할 수 있도록 인듐(In)을 적정량 첨가함과 더불어 은(Ag)의 함량을 최적화하여 무연솔더 조성물의 원가 상승을 억제하고, 솔더 재료로서의 공정성과 기계적 특성을 충분히 확보할 수 있도록 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 0.3wt.%이상 2.5wt.%미만의 은(Ag)과, 0.1wt.%이상 2wt.%미만의 구리(Cu)와, 0.1wt.%이상 1.2wt.%이하의 인듐(In)과, 나머지는 주석(Sn)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징으로 갖는 무연솔더 조성물은 무연솔더 조성물의 원가를 낮추기 위해 은의 첨가량을 감소시킴으로써 발생되는 젖음성(wettability) 저하 및 열 사이클링(thermal cycling)과 기계적 충격(impact) 신뢰성의 불균일함을 인듐(In) 첨가에 의해 보완함으로써 보다 낮은 가격으로 우수한 품질의 무연솔더 조성물을 제공할 수 있도록 한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 특징을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 무연솔더 조성물에서 은(Ag)의 첨가비율은 0.3 내지 2.5wt.%이다. 이는 0.3wt.% 미만으로 은(Ag)이 첨가될 경우 액상선 온도의 강하가 거의 이루어지지 않아 솔더의 융점 및 실장 공정 온도가 증가되는 단점이 있고, 2.5wt.% 이상으로 은(Ag)이 첨가될 경우 본 발명이 추구하는 원가 절감을 저해하는 단점이 있다. 따라서 은(Ag)의 첨가비율은 0.3wt.%이상 2.5wt.%미만이 첨가되며, 바람직하게는 1.2wt.% 첨가된다.
또한 본 발명의 무연솔더 조성에서 구리(Cu)의 첨가비율은 0.1 내지 2wt.%이다. 이는 0.1wt.% 미만으로 구리(Cu)가 첨가될 경우 액상선 온도의 강하가 미미하고, Cu6Sn5 상의 분율이 거의 존재하지 않아 솔더 합금의 강도가 지나치게 감소하는 단점이 있고, 2wt.% 이상으로 구리(Cu)가 첨가될 경우 액상선 온도와 고상선 온도가 벌어져 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 증가하고, Cu6Sn5 상의 분율이 증가하여 솔더 합금의 기계적 특성을 지나치게 강하게 하며, 계면 반응층의 성장 속도를 증가시키는 단점이 있다. 따라서 구리(Cu)의 첨가비율은 0.1wt.%이상 2wt.%미만으로 첨가되며, 바람직하게는 0.5wt.% 첨가된다.
또한 본 발명의 무연솔더 조성에서 인듐(In)의 첨가비율은 0.1 내지 1.2wt.%이다. 이는 0.1wt.% 미만으로 인듐(In)이 첨가될 경우 In의 첨가에 의한 젖음성의 개선 및 기계적 특성의 개선이 미미한 단점이 있고, 1.2wt.%를 초과하여 인듐(In)이 첨가될 경우 젖음성의 개선 및 기계적 특성의 개선이 In의 첨가량에 비례하여 향상되지 않는 한편, 솔더 합금의 가격은 급속히 증가하는 단점이 있다. 따라서 인듐(In)의 첨가비율은 0.1wt.%이상 1.2wt.%이하 첨가되며, 바람직하게는 0.4wt.% 첨가된다.
한편 상기 각 첨가원소의 바람직한 첨가비율에 따르면 가장 이상적인 무연솔더 조성물은 Sn-1,2Ag-0.5Cu-0.4In 으로, 본 발명의 가장 이상적인 조성인 Sn-1,2Ag-0.5Cu-0.4In 및 그 외 여러 연구 조성과 종래의 Sn-3.0Ag-0.5Cu과 Sn-1.0Ag-0.5Cu 및 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.5Ni 조성을 동일한 실험과정을 통해 평가한 결과 가 도 1 내지 도 11에 도시되어 있다.
도 1 및 도 2는 가열 상태에서 솔더 조성에 따른 흡열 피크를 나타낸 결과를 보여준다. 도 1, 2의 결과는 차동주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter)를 사용하여 약 8 mg의 솔더 합금을 50 ml/min의 질소 흐름 분위기에서 10 oC/min의 승온속도로 가열할 때 생성되는 흡열 피크를 측정한 결과이다. 도 1에 나타나 있듯이, Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 경우는 217~218 oC의 흡열 피크 온도를 나타내었으며, 이는 이 합금의 융점과 일치함을 알 수 있다. 반면 Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성의 경우 218~219 oC의 1차 흡열 피크와 226 oC의 2차 흡열 피크를 나타내어 각각 액상선 온도와 고상선 온도로 관찰되었으며, 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 매우 증가했음을 알 수 있다. Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.05Ni 조성의 경우 219~220 oC의 1차 흡열 피크와 225~226 oC의 2차 흡열 피크를 나타내어 각각 액상선 온도와 고상선 온도로 관찰되었으며, 역시 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 매우 증가했음을 관찰할 수 있었다.
한편 도 2에 나타나 있듯이, Sn-1.0Ag-0.5Cu-1.0In 조성의 경우 216 oC의 1차 흡열 피크와 224~225 oC의 2차 흡열 피크를 나타내어 각각 액상선 온도와 고상선 온도로 관찰되었으며, 역시 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 매우 증가했으나, 액상선 온도와 고상선 온도가 전체적으로 저온으로 다소 떨어졌 음을 알 수 있다. 이러한 액상선 온도와 고상선 온도의 저온 전이 결과는 저온에서의 솔더 젖음성에 우수한 효과를 나타내는 주요 원인임을 알 수 있다. Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.5In 조성의 경우 217 oC의 1차 흡열 피크와 225 oC의 2차 흡열 피크를 나타내어 각각 액상선 온도와 고상선 온도로 관찰되었으며, 역시 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 매우 증가했으나, 액상선 온도와 고상선 온도가 전체적으로 저온으로 다소 떨어졌음을 알 수 있다.
Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.8~0.4In 조성의 경우 217~218 oC의 1차 흡열 피크와 224~225 oC의 2차 흡열 피크를 나타내어 각각 액상선 온도와 고상선 온도로 관찰되었으며, 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 매우 증가했으나, 역시 액상선 온도와 고상선 온도가 전체적으로 저온으로 다소 떨어졌음을 알 수 있다. 그러나 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.2In 조성의 경우 219~220 oC의 1차 흡열 피크와 226 oC의 2차 흡열 피크를 나타내어 각각 액상선 온도와 고상선 온도로 관찰되었으며, 고상, 액상 공존영역(pasty range 또는 mush zone)이 매우 증가했으나, Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성에 비하여 액상선 온도와 고상선 온도가 저온으로 떨어지지 않았음을 알 수 있다. 이러한 결과는 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.2In 조성의 경우 저온에서의 솔더 젖음성이 Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성에 비하여 크게 개선되지 않은 주요 원인임을 알 수 있다.
도 3 및 도 4는 용융 후 냉각 상태에서 솔더 조성에 따른 1차 발열 피크를 나타낸 결과를 보여준다. 도 3, 4의 결과 역시 차동주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter)를 사용하여 약 8 mg의 솔더 합금을 50 ml/min의 질소 흐름 분위기에서 10 oC/min의 속도로 250 oC까지 가열한 후 냉각할 때 생성되는 1차 흡열 피크를 측정한 결과이다. 도 3에 나타나 있듯이, Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 경우는 약 194 oC의 1차 발열 피크 온도를 나타내었으며, 이는 이 합금의 실제 응고 온도와 일치함을 알 수 있다. 금속학적으로 합금의 용융 온도와 실제 응고 온도의 차, 즉, 이 경우에서는 약 23~24 oC를 언더 쿨링(undercooling) 또는 수퍼 쿨링(supercooling) 이라고 칭한다. 함금 내의 Ag 함량에 따라서 이러한 언더 쿨링의 크기는 증가하게 되는데, 일 예로 Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성의 경우 약 188 oC의 1차 발열 피크를 나타내어 언더 쿨링이 증가함을 보여주었다. 한편 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.05Ni 조성의 경우 약 206~207 oC의 1차 발열 피크를 나타내어 Ni의 소량 첨가가 언더 쿨링을 매우 크게 감소시킴을 알 수 있었다.
In을 첨가했을 경우의 결과는 도 4와 같다. Sn-1.0Ag-0.5Cu-1.0In 조성의 경우는 약 200 oC의 1차 발열 피크 온도가 관찰되었으며, Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.5In 조성의 경우는 약 190~191 oC의 1차 발열 피크 온도가 관찰되었다. 따라서 In 또한 언더 쿨링을 매우 감소시키는 원소로 분석되었다. 또한 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.8In 조성의 경우는 약 192~193 oC의 1차 발열 피크가, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.6In 조성의 경우는 약 197~198 oC의 1차 발열 피크가, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성의 경우는 약 200~201 oC의 1차 발열 피크가, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성의 경우는 약 202~223 oC의 1차 발열 피크가 관찰되었다.
도 5 및 도 6은 솔더링 온도에 따른 제로 크로스 타임값(zero cross time value)을 나타내고 있다. 1회의 젖음 실험은 제로 크로스 타임값(zero cross time value), 2초 후 젖음력(wettting force at 2 seconds), 최종 젖음력(final wettting force) 등을 한꺼번에 측정하도록 하는데, 하기 각 결과들은 10회 이상의 시험 값을 평균한 결과를 보여준다. 젖음 실험에 사용한 시편은 3 mm의 폭과 10 mm의 길이의 Cu 조각이었으며, 센쥬(SENJU)사의 수용성(water-soluble type) 플럭스(flux)를 Cu 조각의 표면에 도포한 후 용융 솔더 내로 장입시켰으며, 그 장입 깊이는 2 mm였다. 그리고 Cu 조각의 장입 속도와 이탈 속도는 각각 5 mm/sec였다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.05Ni 및 Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성의 경우 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 비해 제로 크로스 타임값이 매우 크게 측정되었고, 특히 230~240 oC의 저온에서 제로 크로스 타임값은 보다 증가하는 것으로 측정되었다. 반면에 도 6과 같이 In을 첨가한 경우에서는 눈에 띄게 제로 크로스 타임값이 감소함이 관찰되었고, 230~240 oC의 저온에서 제로 크로스 타임값이 보다 효과적으로 감소하는 것이 측정되었다. 특히 본 발명에 따른 대표 조성인 Sn-1,2Ag-0.5Cu-0.4In 조성의 경우 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성과 유사하거나 다소 우수한 제로 크로스 타임값을 나타내어 솔더 재료로서 매우 우수한 젖음 특성을 보유하고 있음을 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 솔더링 온도에 따른 2초 후 젖음력(wettting force at 2 seconds)의 변화를 나타내고 있다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, Sn-1.0Ag-0.5Cu 및 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.05Ni 조성의 경우 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 비하여 2초 후 젖음력(wetting force at 2 seconds)이 매우 작게 측정되며, 특히 230~240 oC의 낮은 온도에서 2초 후 젖음력(wetting force at 2 seconds)의 저하는 더욱 두드러지게 측정되었다. 반면에 도 8과 같이 In을 첨가한 경우에서는 눈에 띄게 2초 후 젖음력(wetting force at 2 seconds)이 증가함이 관찰되었고, 230~240 oC의 저온에서 2초 후 젖음력(wetting force at 2 seconds)은 보다 효과적으로 증가하는 것이 측정되었다. 특히 본 발명의 대표 조성인 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성의 경우, Sn-3.0Ag-0.5Cu에 유사하거나 다소 우수한 2초 후 젖음력(wetting force at 2 seconds)을 구비하고 있음을 확인할 수 있다.
상기와 같은 결과를 볼 때 본 발명의 조성은 매우 저렴한 합금 가격에도 불구하고 우수한 젖음성(wettability) 특성을 나타내어 솔더링(soldering) 재료로서 매우 적합한 특성을 보유하고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 무연솔더 조성물은 솔더 페이스트, 솔더 볼, 솔더 바, 솔더 와이어(wire), 솔더 범프(bump), 솔더 박판, 솔더 분말과 솔더 펠렛(pellet), 솔더 입자(granule), 솔더 리본(ribbon), 솔더 와셔(washer), 솔더 링(ring), 솔더 디스크(disk)와 같은 솔더 프리폼(preform)의 제조에 적용될 수 있다.
도 9 및 도 10은 솔더링 온도에 따른 최종 젖음력(final wettting force)의 변화를 나타내고 있다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, Sn-1.0Ag-0.5Cu 및 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.05Ni 조성의 경우 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 비하여 최종 젖음력(final wetting force)이 매우 작게 측정되며, 특히 230~240 oC의 낮은 온도에서 최종 젖음력(final wetting force)의 저하는 더욱 크게 측정되었다. 반면에 도 10과 같이 In을 첨가한 경우에서는 흥미로운 결과가 관찰되었는데, Sn-1.2Ag-0.5Cu-xIn 조성을 기준으로 볼 때, In의 양이 0.8wt.%와 같이 많은 경우에는 용융 In의 낮은 표면 장력값에 의하여 최종 젖음력의 개선이 미미했고, In의 양이 0.2wt.%와 같이 적은 경우에는 젖음력의 개선이 미미하여 최종 젖음력의 향상 또한 이루어지지 않았으나, 본 발명의 대표 조성인 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성의 경우, Sn-3.0Ag-0.5Cu에 유사하거나 다소간 열악한 최종 젖음력(final wetting force)을 구비하고 있음을 확인할 수 있다. 특히 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성은 230~240 oC의 낮은 온도에서의 최종 젖음력(final wetting force)이 기타 저 Ag 함유 조성에 비하여 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
도 11은 종래의 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.5Ni 조성을 인장시편으로 제작하여 시험한 결과를 나타내고 있다. 인장 시험편은 KS규격 13A에 따른 비례 인장 시험편으로 제작되었으며, 그 두께는 2 mm, 그 길이는 27 mm이었고, 인장시험 온도는 상온, 인장시험 속도는 7.8 mm/min이었다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 경우, 강도(strength)는 크지만 연신율(elongation)이 매우 작아 솔더 조인트(joint) 재료로 사용될 경우 열 사이클링(thermal cycling)에 대한 내성은 우수하나, 기계적 임팩트(impact)에 대한 내성은 매우 열악한 특성을 나타낼 것으로 예상되었다. 반면 Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성의 경우 연신율(elongation)은 다소 증가되지만, 강도(strength)가 매우 작아 기계적 임팩트(impact)에 대한 내성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성에 비해 상대적으로 향상되나, 열 사이클링(thermal cycling)에 대한 내성은 열악한 특성을 나타낼 것으로 예상되었다. 또한 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.5Ni 조성의 경우, 상기 언급된 두 조성, 즉,Sn-3.0Ag-0.5Cu와 Sn-1.0Ag-0.5Cu의 중간적 특성을 나타냄을 관찰할 수 있었다.
도 12는 본 발명의 대표 조성인 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성과 기타 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.2In, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.6In, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.8In, Sn-1.0Ag-0.5Cu-1.0In 조성을 인장시편으로 제작하여 시험한 결과를 보여주고 있다. Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In의 경우 유사조성인 Sn-1.0Ag-0.5Cu에 비하여 강도(strength)가 크게 향상되었고, 더욱이 연신율(elongation) 또한 매우 향상되면서 전체적으로 합금의 인성(toughness)이 매우 향상되었음을 알 수 있다. 이와 같은 특성은 기계적 임팩트(impact)에 대한 가장 우수한 내성을 나타내면서도 열 사이클링(thermal cycling)에 대한 내성 또한 비교적 우수할 것으로 예상되어 특히 기계적 충격 또는 진동에 노출되기 쉬운 모바일 제품(mobile product) 및 자동차 내부 일렉트로닉스(electronics)의 접합 재료로서 매우 적합한 솔더 조성으로 기대된다. Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.2In의 경우는 In 첨가에 의한 금속의 강화 현상이 감소하면서 강도 값이 떨어졌으며, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.6In과 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.8In의 경우는 In의 첨가량 증가로 연신율이 점차 감소하는 현상을 나타내었다. Sn-1.0Ag-0.5Cu-1.0In의 경우는 In의 첨가량이 큰 데에도 불구하고 우수한 강도 값이 관찰되지 않았다.
한편 본 발명에 따른 Sn-Ag-Cu-In의 4원계 무연솔더 조성물의 내산화성을 향상시키기 위하여 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 중 선택된 한개 또는 두개 이상의 원소를 혼합하여 0.0001wt.%이상 1wt.%미만 추가로 첨가할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 Sn-Ag-Cu-In의 4원계 무연솔더 조성물의 계면 반응 특성을 향상시키기 위하여 아연(Zn)과 비소(Bi) 중 선택된 하나의 원소 또는 두 원소를 혼합하여 0.0001 wt.%이상 2 wt.%미만 추가로 첨가할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 Sn-Ag-Cu-In의 4원계 무연솔더 조성물의 기계적 특성 및 계면 반응 특성을 향상시키기 위하여 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 납(Pb), 망간(Mn), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니오브(Nb), 팔라듐(Pd), 안티몬(Sb), 마그네슘(Mg), 탈탄(Ta), 카드뮴(Cd), 희토류(Rare Earth)금속 중 선택된 하나 또는 두개 이상의 원소를 혼합하여 0.0001wt.%이상 1wt.%미만 추가로 첨가할 수 있다.
상기와 같은 첨언은 본 발명에 따른 Sn-Ag-Cu-In의 4원계 무연솔더 조성물의 특허를 회피하고자 Sn-Ag-Cu-In의 4원계 무연솔더 조성물에 미량의 원소나 원소들을 첨부하는 방법 또한 본 발명에 속하는 기술 분야임을 알리고자 함이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 은(Ag)의 함량을 감소시키되 인듐(In)을 첨가함으로써 은(Ag)의 감소에 따른 젖음성(wettability)을 보완하고, 열 사이클링(thermal cycling) 및 기계적 임팩트(impact)에 대한 내성을 최적화하여 낮은 원가로 우수한 품질의 무연솔더 조성물을 제공할 수 있게 되었다.

Claims (5)

  1. 0.3wt.%이상 2.5wt.%미만의 은(Ag)과, 0.2wt.%이상 2wt.%미만의 구리(Cu)와, 0.2wt.%이상 0.8wt.%이하의 인듐(In)과, 나머지는 주석(Sn)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무연솔더 조성물의 내산화성 향상을 위해 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 중 선택된 한개 또는 두개 이상의 원소를 혼합하여 0.0001wt.%이상 1wt.%미만 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무연솔더 조성물의 계면 반응 특성 향상을 위해 아연(Zn)과 비소(Bi) 중 선택된 하나 또는 두 원소를 혼합하여 0.0001wt.%이상 2wt.%미만 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무연솔더 조성물에 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 납(Pb), 망간(Mn), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니오브(Nb), 팔라듐(Pd), 안티몬(Sb), 마그네슘(Mg), 탈탄(Ta), 카드뮴(Cd), 희토류(Rare Earth) 금속 중 선택된 하나 또는 두개 이상의 원소를 혼합하여 0.0001wt.%이상 1wt.%미만 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물.
  5. 제 1 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무연솔더 조성물은 솔더 페이스트, 솔더 볼, 솔더 바, 솔더 와이어(wire), 솔더 범프(bump), 솔더 박판, 솔더 분말과 솔더 펠렛(pellet), 솔더 입자(granule), 솔더 리본(ribbon), 솔더 와셔(washer), 솔더 링(ring), 솔더 디스크(disk)와 같은 솔더 프리폼(preform)의 제조에 적용되는 것을 특징으로 하는 주석-은-구리-인듐의 4원계 무연솔더 조성물.
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