KR930001686B1 - 낮은 용융온도 땜납 조성물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

낮은 용융온도 땜납 조성물

제1도는 본 발명의 구리가 도금된 관통공(through hole)의 길이에 따른 단면도로서, 관통공의 한 모서리가 공칭상 주석 54중량%/납 26중량%/인듐 20중량%의 저융점 땜납으로 납땜되어 있으며, 그러나 재작업(또는 재처리 : rework)은 행해 지지않은 상태를 나타낸다. 땜납에 있어서 공칭값(nominal value)이란 바람직한 상태로 실제 사용된 값을 말한다 이러한 공칭값에는 수용될 정도의 범위가 존재한다. 예를들어 주석 54중량%/납 26중량%/인듐 20중량%는 공칭값이지만 각 공칭값에는 ±2%의 수용 범위가 있는 것이다. 제1도는 배율이 800X인 사진이다.

제2도는 본 발명의 구리가 도금된 관통공의 한 모서리의 길이에 따른 단면도로서, 제1도에서 사용한 재료에 구리 0.14중량%를 도핑시킨 땜납을 사용하여 4번의 재작업을 행한 후의 사진이다. 이 사진의 배율도 800X이다.

제3도는 본 발명의 구리가 도금된 관통공의 한 모서리의 단면도로서, 제1도에 사용된 땜납을 사용하여 4번의 재작업이 행해진 경우이다. 이 땜납에는 구리가 도핑되지 않은 것이다.

제4도는 본 발명의 땜납의 조성을 나타낸 도표로서 무게백분율로 표시되어 있다. 이들 땜납은 이후의 도면에 나타낸 납땜성능, 구리의 용해도 및 피로강도(fatigue strength)에 대한 통계적 자료를 얻기 위한 시험용으로 사용되었다.

제5도는 표준 납땜성능 시험방법에 따라 시험한 제4도의 도표에 나열된 땜납들의 성능을 표시한 것이다.

제6도는 제5도의 도표에 얻어진 납땜성능 평가에 관한 표준시험 방법이다.

제7도는 제4도의 땜납들이 75초 동안 250℃로 가열될 때 구리가 용해되는 양을 표시한 것이다.

제8도는 제4도에 나열된 땜납들이 피로에 따른 이음새파괴가 일어나기 전의 파손 사이클의 수를 나타낸 도표이다.

제9도는 공칭조성 주석 54중량%/납 26중량%/인듐 20중량%로 구성되고 구리가 도핑된 3성분 땜납을 사용하여 관통공을 통한 납땜을 할 때 이를 200초동안 204℃로 가열하는 동안 관통공의 벽으로부터 용해되는 구리의 양을 나타낸 것이다.

본 발명은 저온납땜과 인쇄회로기판의 재작업(rework)에 알맞는 땜납 조성물에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 주석을 포함하는 저온땜납의 조성물에 관한 것으로, 이 땜납에는 구리가 2성분 주석-구리의 공정점(eutectic point)이하의 양으로 도핑되어 있다. 이러한 새로운 땜납은 액체 땜납(solder fountain)이나 다른 종래의 땜납기술을 사용하여 납땜되는 재료에 적용될 수 있다. 이 새로운 땜납은, 구리를 함유하는 다른 땜납에 비교해서 융점이 낮기 때문에, 지금까지 사용된 구리를 함유하는 땜납에 의해 납땜될 수 없던 물질의 비파괴납땜에도 사용될 수 있다.

더우기, 본 발명은 인쇄회로카드 또는 기판상에의 부품조립 및 재작업 용도에 알맞는 구리가 도핑된 저융점 땜납 조성물에 관한 것이다.

땜납 조성물이 광범위하게 선행기술에서 보고된 바 있다. 기본적인 성분과 비율을 잘 선택함으로서, 여러 특정한 용도에 알맞는 땜납이 고안되어 왔다. 예를들어, 탄소 및 반도체를 습윤 및 결합시키기 위한 것(1985.4.23일자 호소다(Hosoda)등의 미국 특허 제4,512,950호 및 1983.8.2일자 인트레이터(Intrater)의 미국특허 제4,396,677호), 산화물 형성을 방지하기 위한 것(1987.3.31일자 보스(Bose)의 미국특허 제4,654,275호), 인장강도를 증가시키기 위한 것(1986.5.13일자 쿠자스(Kujas)의 미국특허 제4,588,657호), 땜납 알루미늄을 연화시키기 위한 것(1978.1.24일자 아비브(Arbib)등의 미국특허 제4,070,192호), 반도체를 금속에 결합시키기 위한 것(1982.11.2일자 구안(Guan)의 미국특허 제4,357,162호), 진동을 사용하여 산화물 표면을 결합시키기 위한 것(1978.8.15일자 노마키(Nomaki)등의 미국특허 제4,106,930호), 음료수에 납이 녹아 나오지 않도록(lead-free) 이음새를 납땜하기 위한 것(1987.9.22일자 발렌틴(Ballentine)등의 미국특허 제4,695,428호) 및 귀금속의 변색저항을 개선하기 위한 것(1972.3.21일자 모나코(Monaco)의 미국특허 제3,650,735호)이 있다.

그러나, 본 발명에 의해 해결되는 문제는 전혀 상이한 것이다 : 관통 통로 접속부(through hall connection)의 벽면상에 입혀진 구리가 땜납속으로 용해되는 것이 억제되는 방식으로 인쇄 회로기판내의 관통공 접속부(through hole connection)를 조립하고, 재작업하는 방법에 관한 문제이다. 재작업(rework)이란 땜납을 이음새내에 다시 흘러들어가게 하는 것이다. 본 발명은 신규한 땜납 조성물에 관한 것으로서, 이 신규한 땜납 조성물은 관통공(though hole) 또는 일단폐쇄형 구멍(blind via)의 내부 및 주위의 구리의 용해를 지연시키고 또한 기존의 구리 함유 땜납에 의한 것 보다 더 낮은 온도에서 작용하므로, 인쇄회로기판의 관통공 내부 및 주위의 결함있는 납땜 접속부들의 조립 및 반복적인 재작업을 가능하게 함과 아울러 고온 재작업시에 일어나는 문제들, 즉 적층기판내의 층분리, 국부적인 기계적 비틀림 및 납땜 이음새의 손상과 같은 문제들을 피할 수 있고 또한 장착된 부품의 임계 온도를 초과하는 문제를 피할 수 있다.

1954.3.9일자 라우브메이어(Laubmeyer)등의 미국특허 제2,671,844호에서, 주석/납으로 된 땜납에 구리를 첨가하면, 땜납속으로 용해되어 들어가는 경향이 있었던 구리로된 전기 납땜인두(electrical soldering bit)의 마모를 감소시킬 수 있음이 판명되어 있다. 땜납에 구리를 3% 첨가하면 구리 인두끝의 용해속도가 21%까지 감소되고, 구리를 5% 첨가하면 구리인두의 용해속도가 구리가 포함되지 않은 땜납에서 보다는 10%까지 감소되었다. 땜납에 구리를 첨가한 결과 납땜 온도에 미치는 영향에 대해서는 설명되어 있지 않았으며, 이러한 기술은 땜납에 아무런 영향을 받지 않는 인두와 비접촉식 납땜 방법의 출현으로 쓸모없는 기술이 되어 버렸다. 미국특허 제2,671,844호는 땜납합금에서 주석과 구리의 공융합금은 필수적이고, 이 공융금속은 99% 주석과 1% 구리(column 2, 30-37행 참조)로 이루어진다고 설명하고 있다. 또 땜납에 포함된 구리의 양이 얼마이든 문제가 되지 않지만, 최소한 2성분 주석-구리의 공정점을 형성할 정도로는 충분하여야 한다고 설명하고 있다. 따라서, 50/50의 비율로 되어 있는 납/주석 땜납에서는 땜납의 총중량의 0.5%양의 구리가 첨가 되어야 한다.

1986.11.11일자 파웃스(Fouts) 등의 미국특허 제4,622,205호에서, 납/주석 땜납에 일정한 양의 구리를 첨가하면, 구리로 된 도선에 50℃-90℃ 정도의 온도에서 전류가 흐를때 구리도선과 납땜된 이음새 사이에서 일어나는 전자이동현상(electromigration)이 감소되므로 구리도선의 수명이 연장된다고 설명되어 있다. 이러한 전자이동현상과 관련한 난점의 원인은 땜납내의 Cu₃Sn 및 흔적량(trace)인 Cu₆Sn₅의 금속간 입자들의 분포가 불균일한 점이다. 그 문제점에 대한 해결은 주석과 금속간 결합을 형성하는 원소, 예를들어 구리를 땜납의 적어도 약 0.5% 내지 약 10% 미만의 적은 양으로, 바람직하게는 구리 3.5중량%를 땜납에 첨가하여 임계확산(grain boundary diffusion)을 느리게 함으로써 전자이동현상과 열적이동현상(thermomigration)을 감소시키는 것이었다.

구리를 함유하는 땜납은 적어도 약 1964년, 맥그로우-힐사, 에이치, 에이치 만코(H.H.Manko)가 저술한 "땜납과 납땜"(65-66페이지)의 공개일 이래로 시장에서 구입이 가능해졌다. 그러나, 이 참고문헌은 상업적으로 구입가능한 구리 함유 땜납의 특정한 조성이 제시되어 있지 않고, 다만 그 양이 "높다(high)"고만 언급하였다.

뉴욕, 웨스트베리 소재의 멀티코어(Multicore)사에서 새비트 1합금(Savbit 1 alloy)명으로 상업적으로 구입할 수 있는 제품은 약 1.5중량% 내지 약 2중량%의 구리를 포함하는데, 이 제품은 수동식 납땜기구에서 구리 납땜 인두 끝부분(copper soldering tips)의 수명을 연장시키기 위하여 사용되어 왔다. 그러나, 제품 규격서(product data sheet)를 보면 최소 272-294℃의 인두끝 온도를 권장하는데, 이러한 온도는 인쇄회로 기판의 비파괴 조립과 재작업에 요구되는 범위보다 높은 것이다.

땜납에 구리를 첨가한 결과로 얻어질 수 있는 다른 문제점들은 응고시간의 증가, 브리지(단락)의 형성, 냉간 땜납 이음새(cold solder joints)의 형성, 결절(nodules)의 형성 및 여러가지 부수적인 결함의 형성을 포함한다.

본 발명의 목적은 땜납의 기계적 성질과 납땜성(solderabillity)을 약화시키지 않고 구리표면위에 납땜을 하고 재작업을 할 수 있게 하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 구리표면에 장착된 소자의 기계적약화 및 성능의 약화를 발생시키는 일 없이 충분히 낮은 온도에서 구리 표면위에 납땜을 하고 재작업을 하게 하려는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 낮은 온도에서 구리표면에 납땜을 하는데 적합한 구리를 함유한 땜납을 제공하는 있다.

본 발명의 또다른 목적은 구리가 땜납속으로 용해되는 것을 억제하면서 구리가 도금된 관통공내에 납땜을 하고 재작업을 할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 납땜 조립과 재작업에서 구리 표면에 납땜하기에 적합한 구리를 합유한 땜납을 제공하는데 있다.

이미 알려진 기술과는 대조적으로, 본 발명에서 발견된 놀라운 사실은 2성분 주석-구리의 공정점 조성물보다 낮은 양으로 하되 0이 아닌 정도의 양으로 구리를 함유하도록 주석을 포함한 땜납을 도핑하면, 땜납의 납땜성을 저하시키지 않고 혹은 납땜온도를 상승시키지 않으면서 조립 및 재작업 동안 관통공의 벽면으로부터 구리가 도핑된 땜납속으로 구리가 용해되어 들어가는 양을 현저하게 감소시킨다는 사실이다. 또한 이미 알려진 기술과는 달리, 이러한 효과는 다중회로기판 조립체내의 층분리 혹은 다른 온도 관련 품질저하를 피하고, 좋은 피로특성을 제공할 수 있을 정도로 충분히 낮은 납땜온도를 갖는 구리가 함유된 주석 땜납에서 나타난다는 것을 발견하였다. 2성분 주석-구리의 공정점 이하라는 것은, 미국 금속학회가 발행한 "금속 조직학, 구조 및 상태도"("Metallography, Structures and Phase Diagrams")의 299페이지에 규정된 바와같은 주석 99.1중량% 및 구리 1.9중량% 내지는 주석 100중량%로서 규정된다.

액상공급방법(fountain process)을 이용하여 인쇄 회로 기판상의 부품조립 및 재조립 또는 재작업은 일반적으로 침니(Chimney)를 통해 액체화된 땜납을 밀어 넣음으로서 수행되고, 이때 땜납은 관통공으로 부품이나 접속선을 인쇄회로기판에 부착시킨다. 다른 방법으로 유동납땜(wave solder) 기법이나 땜납펜(solder pen)이 사용되기도 한다.

회로기판의 관통공의 벽에는 전형적으로 구리가 피복되며, 이 구리는 적어도 두 회로사이에 전기적 접촉을 형성한다. 부품은 그의 단자를 관통공내에 삽입하여 납땜을 함으로써 회로기판위에 장착될 수 있다. 종종, 부품단자와 관통공의 오배열(misalignment) 또는 오배향(misorientation)으로 인해서 또는 부품의 결함으로 인해서 결함이 있는 부품 또는 납땜된 접속단자를 제거하거나 재배열하여 이것을 재장착해야 할 필요가 있게 된다. 이러한 과정을 재작업이라고 부른다. 분명한 것은 이 재작업이 행해질 때마다 그 기판은 그 재작업 지점에서 국부적으로 열에 노출된다. 땜납조성은 땜납을 액체화하여 재작업을 수행하는데 필요한 온도를 결정하는 요인이 된다. 이 온도는 전형적으로 땜납 조성물의 액화온도보다 약 50℃ 높은 온도이다. 땜납의 유량(solder flow rate)은 납땜할 지역에 흘러 넘치지 않고 남아 있을 정도로 최소화되어야 한다. 납땜시간도 또한 최소화되어야 한다. 납땜 온도, 납땜시간 및 땜납의 유량을 최소화 하기 위한 것이다.

보편적으로 사용된 땜납중의 하나는 높은 공정점의 주석 63중량%/납 37중량% 땜납이며, 이것은 183℃에서 액화된다. 그러나, 인쇄회로기판위의 부품의 밀도가 높아지면 인쇄회로기판을 부가적으로 재작업 사이클에 노출시키는 것이 필요하게 된다. 고온 납땜에 반복적으로 노출시키게 되면, 적층체내의 유기합성 수지의 퇴화를 일으키고 재작업된 부품의 일부 지역내에서 층분리 및 비틀림을 발생시킬 수도 있다. 또한 고온 납땜(약 183℃+약 50℃)에 반복적으로 노출시키게 되면, 보다 많은 양의 구리가 관통공의 벽으로부터 용해되어 땜납내에 Cu₃Sn 및 Cu₆Sn₅의 사방결정계의 금속간 결합물(orthorhombic intermetallics)을 형성하게 된다.

부품밀도가 증가되면 또한 필연적으로 회로기판의 열부하 혹은 방열을 증가시키게 된다. 이것은 방열용 부품 및 기타 앞서 언급한 부품들의 용량을 증가시키게 되어 인쇄회로기판 부품들을 재작업하는데 보다 더 오랜 납땜 접촉시간이 필요하게 되고 또한 그 결과 구리가 도전성 관통공의 벽으로부터 땜납속으로 용해되므로, 본 발명의 필요성을 일으키게 된다.

공칭 조성 범위이내의 납과 주석, 선택적으로 인듐을 포함하는 구리가 도핑된 땜납은 인쇄회로기판내의 납땜된 관통공 및 일단폐쇄형 구멍의 접속부들의 조립과 다수회의 비파괴 저온 재작업을 허용하는 효과가 있음을 발견하였다. 다음 범위들내의 땜납 조성물도 이러한 목적에 효과적이라고 제시된다; 여기서 흔적량(trace amount)이란 0.02중량%인 것을 말하며, 이런 정도의 양은 의도적으로 첨가하지 않아도 존재할 수 있는 양이거나 가장 낮은 오차의 범위 이내로 존재하는 양이다. 흔적량은 사실상 중요한 것은 아니다.

주석 : 대략 53-55 중량%

납 : 대략 25-27 중량%

인듐 : 대략 18-22 중량%

구리 : 흔적량이상 내지 대략 0.50중량%이며 이 양은 2성분 주석-구리의 공정점보다 낮게 되도록 선택된 특정한 예의 양이다.

특히, 다음 공칭 조성도 비슷한 효과를 갖는다는 것을 발견하였다.

주석 : 54중량%

납 : 26중량%

인듐 : 20중량%

구리 : 2성분 주석-구리의 공정점보다 낮도록 선택된 흔적량이상의 양.

또한, 다음 공칭 조성도 비슷한 효과를 갖는다는 사실을 발견하였다.

주석 : 63중량%

납 : 37중량%

구리 : 2성분 주석-구리의 공정점보다 낮도록 선택된 흔적량이상의 양.

또한, 다음 조성도 비슷한 효과를 갖는다는 사실을 발견하였다.

주석 : 99중량%

구리 : 흔적량이상 내지 대략 1.0중량%이며 이 양은 2성분 주석-구리의 공정점보다 낮게 되도록 선택된 특정한 예의 양이다.

또한, 다음 조성도 비슷한 효과를 가지게 된다.

주석 : 50중량%

납 : 50중량%

구리 : 흔적량이상 내지 대략 0.5중량%이며 이 양은 2성분 주석-구리의 공정점보다 낮게 되도록 선택된 특정한 예의 양이다.

제1도는 구리가 도금된 관통공의 한 모서리의 단면도로서, 상기 관통공은 공칭값 주석 54중량%/납 26중량%인듐 20중량%의 저융점 땜납으로 납땜되어 있으며, 그러나 재작업은 행해지지 않은 상태를 나타낸다. 확대비는 800X이다.

제2도는 구리가 도금된 관통공의 한 모서리를 단면도로 표시한 것으로, 제1도에 도시된 것과 본질적으로 동일한 공칭조성의 땜납으로 4번의 재작업을 거친 것이고, 그러나 이 땜납은 구리 0.14중량%를 포함하도록 도핑되어 있다. 배율은 800X이다.

제3도는 구리가 도금된 관통공의 한 모서리를 단면도로 표시한 것으로, 제1도에 도시된 땜납과 동일한 조성의 땜납으로 4번의 재작업을 거친 것이다.

이들 도면의 검게 표시된 부분은 회로기판의 유전체이다. 층이 진 중간영역은 도금된 구리이다. 회색으로 표시된 영역은 땜납이다. 제1도에서 관통공은 납땜이 되어 있는 것이지만 재작업은 수행되지 않는 것이다. 이에 비해 제3도에 있은 사진에서, 관통공은 4번의 재작업이 수행된 결과이고, 구리 도금층은 더 이상 전기적으로 연속이 되지 않는다. 제3도와 같이 제2도의 관통공은 4번의 재작업이 수행된 결과이고, 그 차이점은 제2도에 사용된 땜납은 구리가 도핑된 것이고, 구리 도금층은 아직도 전기적인 연속 성질을 유지하고 있다.

이들 도면에 도시된 결과는 약 8500개의 관통공을 납땜하고, 재작업하고, 시험하여 일관성 있게 얻어진 결과들을 나타낸 것이다.

종래의 도핑되지 않은 납/주석의 땜납을 사용하여 4번의 재작업을 행한 구리가 도금된 관통공은 그 관통공 벽면상에 실질적으로 더 이상의 구리가 남아 있지 않음을 보여준다.

제4도는 땜납의 조성을 무게백분율로 나타낸 도표로서, 이들 땜납은 이후의 도면에 나타낸 납땜 성능, 구리의 용해도 및 피로강도에 대한 통계적 자료를 얻기 위한 시험용으로 사용되었다. 땜납은 공칭적으로 주석 63중량%와 납 37중량%이며, 이것에 0.13-1.52중량%정도의 구리가 도핑되어 있다.

제5도는 제6도에 도시된 바와같은 표준 땜납 볼 확산 테스트(standard solder ball spread test)에 의해 시험한 제4도에 나열된 땜납들의 성능을 나타낸 것이다.

구리가 도핑된 2성분 땜납들은 납땜성과 습윤성에 대하여 양호한 정도에서 완전한 정도의 범위로 평가를 받았다. 그러나 땜납 조성의 범위내에서, 가장 우수한 습윤성은 구리의 도핑 농도가 낮은 경우에 얻어진다고 말할 수 있으며, 다만 좋다고 하거나 아주 좋다고 할 수 있는 습윤성은 구리의 도핑농도가 큰 경우에 얻어진다고 말할 수 있다. 종합적으로 말하면, 시험에 사용된 모든 종류의 땜납 조성은 수용가능한 것이다. 구리가 1.52중량% 이상으로 도핑되는 경우, 습윤성은 더욱 저하될 것이고, 점점 더 악화되어 2성분 주석-구리의 공정점 이상으로 될 것이다. 또한, 땜납의 그리티니스(grittiness)가 2성분 주석-구리의 공정점 이상의 도핑농도에서는 증가될 것이다. 애크로이드(Ackroyd)등이 저술한 "주석과 납으로 이루어진 땜납의 습윤성질"(1975년 2월 금속기술지(Metals Technology) 73-78페이지)을 보면, 구리를 포함한 각종 불순물은 주석과 납으로 이루어진 땜납의 습윤성에 부정적인 효과를 나타낸다고 기술되어 있다.

제7도는 제4도에 주어진 여러 종류의 땜납 조성물속으로 용해되어 들어간 구리의 양을 마이크로 인치의 단위로 표시하는 것으로, 구리가 땜납에 노출되는 시간을 75초까지 관찰한 것이다. 이 자료는 다음과 같은 방법에 따라 얻은 것이다. 시료는 10인치×15인치의 얇은 재료위에 약 0.8mils의 두께로 구리를 전기도금함으로서 준비하였다. 이 시료를 1인치×0.5인치의 시편으로 잘라내었다. 처음의 비파괴성 측정은 X선 형광분석법에 의해 행하였다. 구리의 피막 두께는 SFT로부터 구입가능한 SFT/157 형광분석기인 X-선 피막 두께 게이지로 측정하였다. 측정은 ±1마이크로인치의 분해능과 ±150마이크로 인치의 시료변형을 사용하여 진행하였다. 땜납의 온도는 모든 경우에 있어서 약 250℃로 유지하였다. 모든 시편은 각각 15초, 30초, 45초, 60초 및 75초 동안 측정장비인 매니스코그라프 웨팅 발란스(Meniscograph Wetting Balance)를 통하여 정지한 액체 땜납속으로 10㎜의 깊이로 침지시켰다. 최종측정은 금속조직학적(metallographic)인 단면을 통해 수행하였다. 처음 측정치로부터 최종 측정치를 빼내어 구리의 용해량을 결정하였다. 각 시간 간격에 대해 이 값들의 평균치를 계산하여, "시간에 따른 구리의 용해량"을 그래프로 작성하였다. 제7도의 자료로부터, 시험에 사용된 범위의 땜납내에 함유된 구리의 중량%가 클수록, 관통공의 벽으로부터 용해되어 나오는 구리의 양은 적어진다는 것을 알 수 있다. 이 결과에 근거하면, 땜납내의 구리량이 2성분 주석-구리의 공정점보다 높게 되는 경우 땜납속으로 용해되어 들어간 구리량은 아주 적게 된다는 것을 기대할 수가 있다. 구리의 용해도를 보면, 땜납에 함유된 구리량이 2성분 주석-구리의 공정점 이상으로 될 이유는 거의 없을 것이며, 구리의 함량이 2성분 주석-구리의 공정점 이상이 되면 구리의 용해속도를 개선할지라도 극히 미미한 개선이 될 것이며 오히려 보다 높고 파괴적인 납땜온도를 요구할 것이다.

제8도는 제4도에 열거한 여러조성의 땜납에 대한 피로시험의 결과를 나타낸 것이다. 미국 금속학회가 발행한 금속 핸드북(Metals Handbook, Desk Edition)의 28-34 페이지에 규정된 ASTM #466 축방향 피로시험(Axial Fatigue Testing 방법으로 명시된 기법을 사용하여 시료를 준비하였고 그 자료를 얻었다. 파손에 관한 사이클의 수는 다음과 같은 방법으로 결정하였다. 피로시험봉(fatigue bar)의 양단부의 직경보다 작은 직경을 갖는 구리선의 중앙지역의 양단부를 피로시험봉에 납땜하였다. 다음에, 이 봉을 ASTM 규격에 부합하는 진동수 및 진폭 가변 피로시험기(fatigue machine)내에 장착하였다. 시간에 대한 저항의 변화곡선을 피로사이클로서 그릴 수 있는 레코더를 실온에서 땜납을 통하여 인가하였다. 전기저항이 10% 증가하면 땜납의 80-90%가 균열된다는 사실을 발견하였다. 땜납의 80-90%가 균열되는 것을 파손(failure)으로 규정하였다. 일반적으로 말하면, 0.13-0.47 중량% 정도의 낮은 양의 구리를 포함한 땜납들은 파손되기까지 대단히 많은 사이클에 견뎌낼 수 있지만, 0.82-1.52중량% 정도의 많은 양의 구리를 포함한 땜납들은 파손되기까지 앞의 경우보다 2/3 정도의 사이클만 견딜 수 있다는 사실이 제8도에 나타나 있다. 따라서, 2성분 주석-구리의 공정점보다 많은 양의 구리를 갖는 땜납은 피로를 견디는 능력이 약하게 된다고 말할 수 있다.

제9도는 관통공의 벽으로부터 용해된 구리의 두께를 나타낸 것으로, 이 관통공은 구리가 2성분 주석-구리의 공정점보다 낮은 양, 즉 0.1-0.2중량% 양으로 도핑된 3성분 땜납에 노출시켰다. 여기서 사용된 3성분 땜납의 공칭조성은 주석 54중량%, 납 26중량%, 인듐 20중량% 및 구리가 도핑된 것이었다. 제9도는 또한 비교할 목적으로 순수한, 즉 도핑되지 않은 땜납속으로 용해되어 들어간 구리의 양을 표시한다. 이 자료는 다음과 같은 방법으로 얻어진 것이다 : 시간의 영점 조정측정(time zero control measurements)은 금속조직학적인 단면을 통하여 가공되지 않은 원판(raw cards)에서 이루어졌다. 원판 기술에는 4가지가 있고, 최악상태의 제품시험을 대표하는 요소에는 8가지가 있다. 각 요소는 각 원판기술에 필요한 양만큼 최대로 액체땜납으로 재작업 하였다. 납땜 접촉시간은 각 요소에서 동일하게 유지하였고, 서로 다른 형태의 요소에 대해서는 약 200초 이내에서 총 납땜 접촉시간을 조금씩 변화시켰다. 최종적인 측정(재작업의 반복을 최대로 한 다음)은 모듈과 그 모듈의 다음에 근접해 있는 도금된 관통공내의 금속 조직학적인 단면을 통하여 수행하였다. 모든 점의 데이터는 각각의 모듈에 대해 평균값으로 계산하였다. 모든 평균값으로 계산된 모듈점 데이터는 각 모듈형태에 대해서도 평균값을 계산하기 위하여 사용하였다. 이렇게 평균화된 최종 측정값을 평균화된 최초 측정값에서 뺀 결과는 용해된 구리의 평균값을 결정해준다. 이렇게 얻은 값은 구리의 양에 대한 결과를 얻기 위하여 각각의 요소에 대해 평균화되고, "땜납속에 함유된 구리(%)에 대해 용해된 구리"에 관한 그래프로 표시하였다. 시간이 0일 때, 순수한 땜납을 사용해서 4번 재작업한 것과 0.14%의 구리를 도핑한 땜납을 사용해서 4번 재작업한 것의 현미경사진을 보면, 구리를 도핑한 땜납의 유리한 점을 분명히 알게 된다. 이 도면을 보면, 이미 설명한 2성분의 땜납뿐 아니라 3성분의 땜납에서, 용해된 구리의 양은 구리를 도핑한 것에서 급격히 감소되고, 도핑량이 많아질수록 계속 감소되며, 이런 현상은 시험에 사용된 한계점까지 계속됨을 할 수 있다.

요약컨데, 위의 실험은 2성분 주석-구리의 공정점보다 낮게 선택된 땜납조성이 다음과 같은 이유로 구리 및 구리가 입혀진 재료를 납땜하고 재작업하는데 바람직함을 보여주고 있다. (a) 이 땜납은 2성분 주석-구리의 공정점 보다 높게 선택된 땜납 조성물에 요구되는 납땜온도보다 낮은 납땜온도에서 부품조립과 재작업을 위해 사용될 수 있다. (b) 이 땜납은 2성분 주석-구리의 공정점 보다 높은 땜납 조성물에 비해서 개선된 피로성을 입증하고 있다. (c) 이 땜납은 2성분 주석-구리의 공정점 이상의 구리량을 포함하고 있는 땜납에 비교해서 가공부품으로부터 구리가 용해되는 속도를 아주 느리게 한다. (d) 이 땜납은 2성분 주석-구리의 공정점 이상의 땜납 조성물 보다 더 개선된 납땜성능을 입증한다.

본 발명에 의한 땜납 조성물은 구리가 피복된 인쇄회로 기판을 납땜하고 재작업하는데 매우 효율적이며, 구리를 포함한 어떤 재료를 납땜하는 것 또한 낮은 온도의 납땜이 요구되거나 필요로 하는 곳에는 언제든지 이용될 수 있음은 그 분야의 숙련된 자에게는 자명하다.

Claims (1)

1. 주석 54중량%, 납 26중량%, 인듐 20중량%로 구성되고, 0.12 내지 0.20중량%의 구리가 도핑된 낮은 용융온도 땜납 조성물.

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