鉛フリーはんだ合金及びその製造方法
【課題】 耐酸性及び軟性に優れた 鉛フリーはんだ合金、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 Ｓｎ−Ｚｎ系 鉛フリーはんだ合金に、Ａｇを１〜５重量％添加させ、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率を５〜２０体積％に形成することで、前記 鉛フリーはんだ合金の軟性だけではなく前記合金の耐酸性を大幅に改善させる。
【解決手段】 Ｓｎ−Ｚｎ系 鉛フリーはんだ合金に、Ａｇを１〜５重量％添加させ、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率を５〜２０体積％に形成することで、前記 鉛フリーはんだ合金の軟性だけではなく前記合金の耐酸性を大幅に改善させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は 鉛フリーはんだ合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の半導体パッケージは、プリント基板への実装手段としてリードフレームを使って来た。このような既存の半導体パッケージは、チップを封止しているパッケージ胴体の外側にリードフレームのリードが伸びた構造を持ち、前記リードを基板上にソルダリングすることで実装がなされる。
【０００３】
ところで、表面実装技術によって実装される既存の半導体パッケージは広い実装面積を必要とする。すなわち、既存の半導体パッケージは、その自体の大きさに相当する面積の外にパッケージ胴体の外側に伸びたリードフレームの前記リードの長さだけの追加面積を実装面積として要求するため、パッケージのサイズ減少によって実装面積を減らしても実装面積の減少に限界を持つことになる。よって、半導体産業において技術開発の主な趨勢の一つは半導体素子のサイズを縮小することである。
【０００４】
半導体パッケージの分野においても、小型コンピュータ及び携帯用電子機器などの需要急増によって小型のサイズを持ちながらも多数のピン（ｐｉｎ）を具現することができるファインピッチボールグリッドアレイ（Ｆｉｎｅ ｐｉｔｃｈ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ：ＦＢＧＡ）パッケージまたはチップスケールパッケージ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ：ＣＳＰ）などの半導体パッケージが開発されている。この際、このような半導体パッケージはソルダーボールを介して各基板の間に電気的な連結がなされる。
【０００５】
一方、従来電子機器に内蔵される電子回路基板において、基板と電子部品を接合するためにスズ−鉛系ソルダー材料、特に６３重量％のスズ（Ｓｎ）−３７重量％の鉛（３７Ｐｂ）など低融点（ｍ．ｐ．１８３℃）を持つ材料が一般的に使われて来たが、近年にはスズ−鉛系ソルダー材料に含まれる鉛が不適切な廃棄物処理によって環境汚染をもたらす可能性が高い関係で、鉛を含まない、いわゆる 鉛フリーはんだ（ｌｅａｄ ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ）材料の開発が活発に進んでいる。
【０００６】
このような 鉛フリーはんだ材料として有望なものの一つがＳｎ−Ａｇ−Ｃｕソルダー材料である。標準ソルダーＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の融点（２１６〜２２５℃）は既存のＳｎ−３７Ｐｂ共晶合金（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ａｌｌｏｙ）の融点（１８３℃）に比べて約３０℃以上高くなるとともに各種の部品及び基板の耐熱性の向上を要求して来た。
【０００７】
したがって、既存に使われて来た部品及び基板の耐熱性向上のために、工程変更（ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ）が不可避になった。このような工程変更の問題点を解決するために、既存のＳｎ−３７Ｐｂ共晶合金に似ている低融点の高信頼性ソルダー材料の確保のための多くの研究が進んで来た。
【０００８】
その中でも、Ｓｎ−９Ｚｎ共晶合金は、融点（１９９℃）が既存のＳｎ−３７Ｐｂ共晶合金と同等な融点を持つので、製造工程の変更なしに適用可能であるという利点を持っている。また、Ｓｎ−９Ｚｎ合金系は高い強度及びクリープ特性及び耐熱疲労性に優れて経済的である。しかし、酸素との反応性が高く、基板との湿潤性（ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ）が不良であるため、使用が制限されて来た。現在には雰囲気制御（真空（ｖａｃｕｕｍ）、ガスパージング（ｇａｓ ｐｕｒｇｉｎｇ）、酸素分圧（ｐａｒｔｉａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）など）及びフラックス（ｆｌｕｘ）の開発で酸化を抑制することができる代案が提示されている。
【０００９】
したがって、Ｓｎ−９Ｚｎ共晶合金の湿潤性及び界面信頼性を改善するために、第３元素（Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａなど）の添加などによる研究開発が活発に進んでいる。特に、湿潤性の向上及び低融点を実現するために、Ｂｉの添加に対する研究が多く進んで来た。Ｓｎ−９Ｚｎ共晶合金へのＢｉの添加は合金の低融点実現は可能であるが、同じ高温及び高湿の下（８５℃／８５％ＲＨ）でＳｎ−９Ｚｎ共晶合金に比べて酸化進行率が加速化することが報告されている。
【００１０】
一方、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ共晶合金においては、特許文献１及び２にＡｇをそれぞれ０．１〜３．５重量％及び０．０１〜２重量％含む共晶合金について開示しているが、これは前記合金の引張強度のような機械的特性及び耐食性向上のために添加されたもので、依然としてかかる合金は耐酸性が落ちる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】日本国特開平９−９４６８７号公報
【特許文献２】大韓民国登録特許第１０−６９０２４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
それで、本発明は、既存のＳｎ−Ｚｎ合金に最適の第３元素の添加及び最適組成によって酸化しやすいＺｎ金属をＡｇと先に合金化させた後、Ｓｎと混合させることで、ソルダーの耐酸性及び軟性を強化することができ、本発明はこれに基づいて完成された。
【００１３】
したがって、本発明の一目的は、耐酸性及び軟性に優れた 鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
本発明の他の目的は、耐酸性及び軟性に優れた 鉛フリーはんだ合金を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明による 鉛フリーはんだ合金は、１．０〜５．０重量％のＡｇ、７〜１０重量％のＺｎ、及び残りのＳｎでなる合金であって、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１０〜２０体積％であることを特徴とする。
【００１５】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることができる。
【００１６】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることができる。
【００１７】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記ソルダープリフォームが、ソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることができる。
【００１８】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることができる。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法は、１．０〜５．０重量％のＡｇと７〜１０重量％のＺｎを溶融させて合金ボールを形成させる段階；残りのＳｎを溶融させて溶融Ｓｎを提供する段階；及び前記溶融されたＳｎにＡｇ−Ｚｎの合金ボールを添加して溶融させてソルダー合金を形成させる段階；を含み、ここで、前記ソルダー合金において、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が５〜２０体積％であることを特徴とする。
【００２０】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることができる。
【００２１】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることができる。
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記ソルダープリフォームがソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることができる。
【００２２】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記合金ボールの直径が１〜２０μｍであることができる。
【００２３】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記合金ボールはアトマイジングによって形成されることができる。
【００２４】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記ソルダー合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、Ｓｎ−Ｚｎ系 鉛フリーはんだ合金に、Ａｇを１〜５重量％で添加させながらＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率を１０〜２０体積％に形成することで、前記 鉛フリーはんだ合金の機械的強度、例えば引張強度、軟性などを向上させるとともに前記合金の耐酸性を大幅に改善させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｓｎ及びＺｎの組成比による一般的なＳｎ−Ｚｎ相のダイアグラムである。
【図２】一般的なＳｎ−９Ｚｎソルダー合金の微細構造を示す走査電子燎微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。
【図３】従来のソルダー合金を８５℃／８５％ＲＨで１０００時間露出させた後、前記合金の微細構造の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、（ａ）はＳｎ−９Ｚｎソルダー合金であり、（ｂ）はＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金である。
【図４】本発明の一実施例よってＳｎ−ＺｎソルダーにＡｇの添加によるＺｎの酸化調節概念を概略的に示す図面で、（ａ）は通常のＳｎ−Ｚｎソルダー合金で、（ｂ）は本発明によってＡｇが添加されたＳｎ−Ｚｎソルダー合金である。
【図５】本発明の一実施例によってＡｇ−Ｚｎ合金を形成させた後、前記合金をＳｎと混合させたソルダー合金のＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析グラフである。
【図６ａ】本発明の一実施例によるＳｎ−Ｚｎ−Ａｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化によるＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、（ａ）はＳｎ−９Ｚｎ−１Ａｇソルダー合金、（ｂ）はＳｎ−９Ｚｎ−２Ａｇソルダー合金である。
【図６ｂ】本発明の一実施例によるＳｎ−Ｚｎ−Ａｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化によるＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、（ｃ）はＳｎ−９Ｚｎ−４Ａｇソルダー合金、（ｄ）はＳｎ−９Ｚｎ−５Ａｇソルダー合金である。
【図７ａ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金と従来のＳｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。
【図７ｂ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金と従来のＳｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。
【図８ａ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化による耐酸性変化を示す前記合金の断面の走査電子燎微鏡写真で、（ａ）はＳｎ−９Ｚｎ−１Ａｇソルダー合金、（ｂ）はＳｎ−９Ｚｎ−２Ａｇソルダー合金である。
【図８ｂ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化による耐酸性変化を示す前記合金の断面の走査電子燎微鏡写真で、（ｃ）はＳｎ−９Ｚｎ−４Ａｇソルダー合金、（ｄ）はＳｎ−９Ｚｎ−５Ａｇソルダー合金である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者がその自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されなければならない。よって、本明細書に記載された実施例の構成は本発明の好適な一例に過ぎないもので、本発明の技術的思想を全部表すものではないので、本出願の時点でこれらを取り替えることができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００２８】
以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者が本発明を容易に実施することができるように、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
【００２９】
前述したように、これまでＳｎ−Ｚｎ共晶合金に第３元素を添加してパッドとの湿潤性及び界面信頼性向上のための多くの先行研究を行っているが、耐酸性改善のための研究は非常に少ない。このために、本発明においては、既存のＳｎ−Ｚｎ合金に第３元素としてＡｇを選択し、これを酸化しやすいＺｎ金属と先に合金化させた後、Ｓｎと混合させることでソルダー合金の耐酸性を強化した。一方、本発明に使用された合金の組成に関する用語の表現方式において、その代表的な例を挙げて説明すれば、“Ｓｎ−９Ｚｎ”において９Ｚｎは９重量％のＺｎを意味し、よって、残りの成分はＳｎ、つまり９１重量％のＳｎを意味する。以下、合金の組成に対して同一表現方式で記述する。
【００３０】
図１はＳｎ及びＺｎの組成比による一般的なＳｎ−Ｚｎ相のダイアグラム、図２は一般的なＳｎ−９Ｚｎソルダー合金の微細構造を示す走査電子燎微鏡写真である。図１を参照すれば、ＳｎにＺｎを添加することにより、Ｓｎ−Ｚｎ合金の溶融温度が低くなることが分かる。特に、Ｚｎを約７〜１０重量％の範囲で添加する場合、現在業界で使っている汎用の融点範囲（約２０６〜２２４℃）内の約１９９〜２２０℃の溶融温度範囲を維持することができる。よって、本発明においては、さらに他の金属成分であるＡｇが融点を上昇させるために、前記Ｚｎの使用量は７〜１０重量％の範囲で使用する。
【００３１】
一方、図２を参照すれば、Ｓｎ−９Ｚｎソルダー合金は、合金後にも基地金属のＳｎに針状構造のＺｎが互いに独立して分散された形態で存在するため、酸素との反応性が高いＺｎが酸素と容易に反応して耐酸性が落ちるものである。このような従来のソルダー合金に対する耐酸性測定のために、Ｓｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金を８５℃／８５％ＲＨで１０００時間露出させた後、その結果を図３に示した。図３を参照すれば、（ａ）Ｓｎ−９Ｚｎのソルダー合金、及び（ｂ）Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉのソルダー合金の両方でＺｎＯが多量生成されることを確認することができる。
【００３２】
本発明によれば、第３の金属原素としてＡｇを添加することで、Ｚｎの合金化によって耐酸化性を向上させることができた。一般に、ソルダー合金の製造方法は、種々の金属組成を同時に溶融してよく混合させる方法を使うが、本発明では基地金属（Ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ）であるＳｎにＡｇ−Ｚｎ合金を混合させることを特徴とする。
【００３３】
従来のソルダー合金であるＳｎＰｂ、及びＳｎ−３Ａｇ−０．５ＣなどにＡｇ金属を添加すれば、Ｓｎ基地金属の合金相を形成するが、本発明では、Ｓｎ−Ｚｎソルダーにおいて酸化力の高いＺｎ金属をＡｇと優先的に溶融させてＺｎ金属を合金化させる。すなわち、低価のＳｎ−９Ｚｎ共晶合金において、Ｚｎに１〜５重量％のＡｇ金属を添加して一緒に溶融させることで、酸化しやすいＺｎ金属を先に合金化させ、Ｓｎと混合させることで、酸化を抑制することができた。
【００３４】
本発明において、Ａｇの使用量は１．０〜５．０重量％の範囲であるが、１重量％未満であれば耐酸性及び軟性などの向上のような添加効果がほとんどなく、５．０重量％を超えれば合金の溶融点が上昇する欠点がある。同時に、前記Ａｇの含量は現在業界で使っている汎用の範囲である約２０６〜２２４℃を満足させながら軟性及び耐酸性を最大限高めることができる範囲は４〜５重量％である。
【００３５】
ただ、本発明では、Ｚｎ及びＡｇを単にＳｎに添加して溶融させるものではなく、Ｚｎ及びＡｇを先に合金させ、これを合金ボール状に形成して使用する。前記合金ボールの直径は１〜２０μｍが好ましく、１μｍ未満であればボールが凝集する傾向があり、２０μｍを超えれば合金の軟性が低くなる傾向がある。このように形成されたＺｎ−Ａｇ合金ボールを溶融されたＳｎに添加して一緒に溶融させれば、前記ソルダー合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１０〜２０体積％、好ましくは１６〜２０体積％である 鉛フリーはんだ合金を得ることができる。前記分率が１０体積％未満であれば合金の耐酸性向上が低下し、２０体積％を超えれば耐酸性は向上するが、合金の溶融温度が上昇する傾向がある。
【００３６】
図４は本発明の一実施例よってＳｎ−Ｚｎソルダーに対するＡｇの添加によるＺｎの酸化調節の概念を概略的に示す図、（ａ）は通常のＳｎ−Ｚｎソルダー合金、（ｂ）は本発明によってＡｇが添加されたＳｎ−Ｚｎソルダー合金である。図４の（ｂ）場合において、針状構造のＺｎがＡｇと結合して基地金属のＳｎによく分散されているものである。
【００３７】
本発明によれば、前記合金ボールは当業者によく知られたアトマイジングによって形成できる。本発明で説明するアトマイジングとは、溶融合金をポット（ｐｏｔ）に入れた後、水または水が混合された高圧ガスが噴霧される領域に前記合金を流すことで、前記合金が前記水またはガスの運動エネルギーを受けて幾多の微細液滴に分割されるようにし、前記分割された微細液滴が表面エネルギーによって球形になったものを水または空気で冷却させて固相の球形ボールを得る工程を言う。
【００３８】
本発明の好適な一実施例によれば、金属原材料を合金ボールに形成するために、まず原材料を準備した後、準備した原材料を高周波誘導炉で溶融させる。周知のように、高周波誘導炉は高周波電気炉ともいうもので、被加熱物を溶解室に入れ、溶解室に巻き付けられたコイルに流れる高周波電流の誘導によって被加熱物に電流が流れるようにして被加熱物を溶解させる装置である。
【００３９】
その後、高周波誘導炉を通過した材料を水アトマイジング装置で粉末に形成する。この際、噴射器から噴射される水の圧力は１００〜２００ＭＰａの圧力を有することが好ましく、特に１５０ＭＰａの圧力を有することが好ましい。水アトマイジング器を通過した材料は乾燥器で乾燥させ、乾燥された材料をメッシュ方式の分離器で分離する。これにより金属粉末がサイズ別に分類される。
【００４０】
一方、本発明の 鉛フリーはんだ合金はソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用でき、前記ソルダープリフォームはソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリングまたはソルダーディスクのようなものがあるが、これらに制限されない。
このように、本発明は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ合金においてＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率を１０〜２０体積％に形成することが重要である。これは前記原料金属を単純に混合しては得ることができなく、先にＡｇ−Ｚｎ合金ボールを形成し、これをＳｎと溶融混合することで得ることができる。このように製造された本発明の 鉛フリーはんだ合金は軟性及び耐酸性が大幅に改善される効果がある。
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、下記例に本発明の範疇が限定されるものではない。
【００４１】
[実施例１]
まず、９Ｚｎ−１〜５Ａｇソルダー合金ボールを製造した。黒鉛原子炉にＺｎ、Ａｇをそれぞれの含量で混合した後、Ａｒガスを注入しながら約７００℃の温度で３０分間溶融させた。誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ９ｋＷ、５００Ｔｏｒｒにした。このように得た溶融合金をアトマイジング器で噴射して微細直径のボール状の金属粉末を得、これを篩（ｓｉｅｖｅ）で漉すことで、前記合金ボールの直径が１〜２０μｍの範囲にある合金ボールを得た。
【００４２】
これとは別に、Ｓｎを黒鉛原子炉に入れた後、Ａｒガスを注入しながら約４２０℃の温度で３０分間溶融させることで溶融Ｓｎを得た。この時の誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ９ｋＷ、５００Ｔｏｒｒにした。Ｓｎの含量は１００重量％からＡｇ及びＺｎ含量の和を差し引いた残量を意味する。
【００４３】
一方、黒鉛原子炉に前記得たＳｎとＺｎ−Ａｇ合金ボールを入れた後、Ａｒガスを注入しながら約３００℃の温度で３０分間溶融させた。この時の誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ９ｋＷ、５００Ｔｏｒｒにした。
【００４４】
このように得たソルダー合金に対し、Ａｇの添加によるＺｎの合金化変化を調べるためにＸＲＤ分析を実施し、その結果を図５に示した。その結果、ＡｇとＺｎを先に反応させてＡｇ−Ｚｎ合金を形成させることで、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）、エプシロン（ε）相が約１０％生成されることを確認した。
【００４５】
前述したように、Ａｇ添加量が増加するにつれて合金の融点は次第に上昇させる効果があるが、Ａｇを５重量％まで添加しても本発明による合金の融点範囲は現在業界で使っている汎用の範囲を持っている（２０６〜２２４℃）。これを下記の表１に示した。
【００４６】
【表１】
【００４７】
また、本発明の合金の組職学的特性を調べるために、ＳＥＭ写真を観察し、その結果を図６に示した。図６を参照すれば、９ＺｎにＡｇの添加量が増加するにつれてＺｎ元素がＡｇと反応する量が増えることを確認した。反対に、耐酸化性を阻害することができる全体Ｚｎ相は次第に減少する傾向を示し、図６ｂの（ｄ）のＳｎ−９Ｚｎ−５Ａｇ組成ではＺｎ相はほとんど観察されなかった。全体的にＡｇ−Ｚｎ合金相（γ、ε）の分率は１０〜２０体積％を有することが確認された。
【００４８】
図７は本発明のＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金と従来のＳｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。図７ａから分かるように、最大引張強度はＡｇ含有量が増加するにつれて増加する傾向を示し、４ｗｔ％からはＳｎ−９Ｚｎと同等な最大引張強度値を示している。一方、図７ｂから分かるように、軟性の面ではＡｇ添加が増加するにつれて軟性が増加する傾向を示している。
【００４９】
同時に、前記実施例１の合金に対する耐酸性の特性を調べるために、高温及び高湿テスト（８５℃／８５％ＲＨで１０００時間）を遂行した結果、全般的にＳｎ−９Ｚｎに比べて優れた耐酸化特性を示す。図８ａの（ａ）のＳｎ−９Ｚｎ−２Ａｇ組成の場合、少しの内部酸化が発生したが、残り合金組成では内部浸透酸化は発生しなかった。
【００５０】
このように、本発明による 鉛フリーはんだ合金は全体的に現在使われているリフロープロファイル（ｒｅｆｌｏｗ ｐｒｏｆｉｌｅ）に対応可能な範囲の融点を有し、Ｓｎ−９Ｚｎ合金に比べ、同等あるいはそれよりすぐれた強度及び軟性の特性を示し、Ｓｎ−９Ｚｎ合金に比べてすぐれた耐酸化性特性を示す。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、既存のＳｎ−Ｚｎ合金に最適の第３元素の添加及び最適組成によって酸化しやすいＺｎ金属をＡｇと先に合金化させた後、Ｓｎと混合させることで、ソルダーの耐酸性及び軟性を強化する 鉛フリーはんだ合金及びその製造方法に適用可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は 鉛フリーはんだ合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の半導体パッケージは、プリント基板への実装手段としてリードフレームを使って来た。このような既存の半導体パッケージは、チップを封止しているパッケージ胴体の外側にリードフレームのリードが伸びた構造を持ち、前記リードを基板上にソルダリングすることで実装がなされる。
【０００３】
ところで、表面実装技術によって実装される既存の半導体パッケージは広い実装面積を必要とする。すなわち、既存の半導体パッケージは、その自体の大きさに相当する面積の外にパッケージ胴体の外側に伸びたリードフレームの前記リードの長さだけの追加面積を実装面積として要求するため、パッケージのサイズ減少によって実装面積を減らしても実装面積の減少に限界を持つことになる。よって、半導体産業において技術開発の主な趨勢の一つは半導体素子のサイズを縮小することである。
【０００４】
半導体パッケージの分野においても、小型コンピュータ及び携帯用電子機器などの需要急増によって小型のサイズを持ちながらも多数のピン（ｐｉｎ）を具現することができるファインピッチボールグリッドアレイ（Ｆｉｎｅ ｐｉｔｃｈ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ：ＦＢＧＡ）パッケージまたはチップスケールパッケージ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ：ＣＳＰ）などの半導体パッケージが開発されている。この際、このような半導体パッケージはソルダーボールを介して各基板の間に電気的な連結がなされる。
【０００５】
一方、従来電子機器に内蔵される電子回路基板において、基板と電子部品を接合するためにスズ−鉛系ソルダー材料、特に６３重量％のスズ（Ｓｎ）−３７重量％の鉛（３７Ｐｂ）など低融点（ｍ．ｐ．１８３℃）を持つ材料が一般的に使われて来たが、近年にはスズ−鉛系ソルダー材料に含まれる鉛が不適切な廃棄物処理によって環境汚染をもたらす可能性が高い関係で、鉛を含まない、いわゆる 鉛フリーはんだ（ｌｅａｄ ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ）材料の開発が活発に進んでいる。
【０００６】
このような 鉛フリーはんだ材料として有望なものの一つがＳｎ−Ａｇ−Ｃｕソルダー材料である。標準ソルダーＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の融点（２１６〜２２５℃）は既存のＳｎ−３７Ｐｂ共晶合金（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ａｌｌｏｙ）の融点（１８３℃）に比べて約３０℃以上高くなるとともに各種の部品及び基板の耐熱性の向上を要求して来た。
【０００７】
したがって、既存に使われて来た部品及び基板の耐熱性向上のために、工程変更（ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ）が不可避になった。このような工程変更の問題点を解決するために、既存のＳｎ−３７Ｐｂ共晶合金に似ている低融点の高信頼性ソルダー材料の確保のための多くの研究が進んで来た。
【０００８】
その中でも、Ｓｎ−９Ｚｎ共晶合金は、融点（１９９℃）が既存のＳｎ−３７Ｐｂ共晶合金と同等な融点を持つので、製造工程の変更なしに適用可能であるという利点を持っている。また、Ｓｎ−９Ｚｎ合金系は高い強度及びクリープ特性及び耐熱疲労性に優れて経済的である。しかし、酸素との反応性が高く、基板との湿潤性（ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ）が不良であるため、使用が制限されて来た。現在には雰囲気制御（真空（ｖａｃｕｕｍ）、ガスパージング（ｇａｓ ｐｕｒｇｉｎｇ）、酸素分圧（ｐａｒｔｉａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）など）及びフラックス（ｆｌｕｘ）の開発で酸化を抑制することができる代案が提示されている。
【０００９】
したがって、Ｓｎ−９Ｚｎ共晶合金の湿潤性及び界面信頼性を改善するために、第３元素（Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａなど）の添加などによる研究開発が活発に進んでいる。特に、湿潤性の向上及び低融点を実現するために、Ｂｉの添加に対する研究が多く進んで来た。Ｓｎ−９Ｚｎ共晶合金へのＢｉの添加は合金の低融点実現は可能であるが、同じ高温及び高湿の下（８５℃／８５％ＲＨ）でＳｎ−９Ｚｎ共晶合金に比べて酸化進行率が加速化することが報告されている。
【００１０】
一方、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ共晶合金においては、特許文献１及び２にＡｇをそれぞれ０．１〜３．５重量％及び０．０１〜２重量％含む共晶合金について開示しているが、これは前記合金の引張強度のような機械的特性及び耐食性向上のために添加されたもので、依然としてかかる合金は耐酸性が落ちる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】日本国特開平９−９４６８７号公報
【特許文献２】大韓民国登録特許第１０−６９０２４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
それで、本発明は、既存のＳｎ−Ｚｎ合金に最適の第３元素の添加及び最適組成によって酸化しやすいＺｎ金属をＡｇと先に合金化させた後、Ｓｎと混合させることで、ソルダーの耐酸性及び軟性を強化することができ、本発明はこれに基づいて完成された。
【００１３】
したがって、本発明の一目的は、耐酸性及び軟性に優れた 鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
本発明の他の目的は、耐酸性及び軟性に優れた 鉛フリーはんだ合金を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明による 鉛フリーはんだ合金は、１．０〜５．０重量％のＡｇ、７〜１０重量％のＺｎ、及び残りのＳｎでなる合金であって、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１０〜２０体積％であることを特徴とする。
【００１５】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることができる。
【００１６】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることができる。
【００１７】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記ソルダープリフォームが、ソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることができる。
【００１８】
本発明による 鉛フリーはんだ合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることができる。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法は、１．０〜５．０重量％のＡｇと７〜１０重量％のＺｎを溶融させて合金ボールを形成させる段階；残りのＳｎを溶融させて溶融Ｓｎを提供する段階；及び前記溶融されたＳｎにＡｇ−Ｚｎの合金ボールを添加して溶融させてソルダー合金を形成させる段階；を含み、ここで、前記ソルダー合金において、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が５〜２０体積％であることを特徴とする。
【００２０】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることができる。
【００２１】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることができる。
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記ソルダープリフォームがソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることができる。
【００２２】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記合金ボールの直径が１〜２０μｍであることができる。
【００２３】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記合金ボールはアトマイジングによって形成されることができる。
【００２４】
本発明による 鉛フリーはんだ合金の製造方法において、前記ソルダー合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、Ｓｎ−Ｚｎ系 鉛フリーはんだ合金に、Ａｇを１〜５重量％で添加させながらＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率を１０〜２０体積％に形成することで、前記 鉛フリーはんだ合金の機械的強度、例えば引張強度、軟性などを向上させるとともに前記合金の耐酸性を大幅に改善させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｓｎ及びＺｎの組成比による一般的なＳｎ−Ｚｎ相のダイアグラムである。
【図２】一般的なＳｎ−９Ｚｎソルダー合金の微細構造を示す走査電子燎微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。
【図３】従来のソルダー合金を８５℃／８５％ＲＨで１０００時間露出させた後、前記合金の微細構造の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、（ａ）はＳｎ−９Ｚｎソルダー合金であり、（ｂ）はＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金である。
【図４】本発明の一実施例よってＳｎ−ＺｎソルダーにＡｇの添加によるＺｎの酸化調節概念を概略的に示す図面で、（ａ）は通常のＳｎ−Ｚｎソルダー合金で、（ｂ）は本発明によってＡｇが添加されたＳｎ−Ｚｎソルダー合金である。
【図５】本発明の一実施例によってＡｇ−Ｚｎ合金を形成させた後、前記合金をＳｎと混合させたソルダー合金のＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析グラフである。
【図６ａ】本発明の一実施例によるＳｎ−Ｚｎ−Ａｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化によるＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、（ａ）はＳｎ−９Ｚｎ−１Ａｇソルダー合金、（ｂ）はＳｎ−９Ｚｎ−２Ａｇソルダー合金である。
【図６ｂ】本発明の一実施例によるＳｎ−Ｚｎ−Ａｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化によるＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の変化を示す走査電子燎微鏡写真で、（ｃ）はＳｎ−９Ｚｎ−４Ａｇソルダー合金、（ｄ）はＳｎ−９Ｚｎ−５Ａｇソルダー合金である。
【図７ａ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金と従来のＳｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。
【図７ｂ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金と従来のＳｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。
【図８ａ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化による耐酸性変化を示す前記合金の断面の走査電子燎微鏡写真で、（ａ）はＳｎ−９Ｚｎ−１Ａｇソルダー合金、（ｂ）はＳｎ−９Ｚｎ−２Ａｇソルダー合金である。
【図８ｂ】本発明の一実施例によるＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金において、Ａｇの含量変化による耐酸性変化を示す前記合金の断面の走査電子燎微鏡写真で、（ｃ）はＳｎ−９Ｚｎ−４Ａｇソルダー合金、（ｄ）はＳｎ−９Ｚｎ−５Ａｇソルダー合金である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者がその自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されなければならない。よって、本明細書に記載された実施例の構成は本発明の好適な一例に過ぎないもので、本発明の技術的思想を全部表すものではないので、本出願の時点でこれらを取り替えることができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００２８】
以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者が本発明を容易に実施することができるように、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
【００２９】
前述したように、これまでＳｎ−Ｚｎ共晶合金に第３元素を添加してパッドとの湿潤性及び界面信頼性向上のための多くの先行研究を行っているが、耐酸性改善のための研究は非常に少ない。このために、本発明においては、既存のＳｎ−Ｚｎ合金に第３元素としてＡｇを選択し、これを酸化しやすいＺｎ金属と先に合金化させた後、Ｓｎと混合させることでソルダー合金の耐酸性を強化した。一方、本発明に使用された合金の組成に関する用語の表現方式において、その代表的な例を挙げて説明すれば、“Ｓｎ−９Ｚｎ”において９Ｚｎは９重量％のＺｎを意味し、よって、残りの成分はＳｎ、つまり９１重量％のＳｎを意味する。以下、合金の組成に対して同一表現方式で記述する。
【００３０】
図１はＳｎ及びＺｎの組成比による一般的なＳｎ−Ｚｎ相のダイアグラム、図２は一般的なＳｎ−９Ｚｎソルダー合金の微細構造を示す走査電子燎微鏡写真である。図１を参照すれば、ＳｎにＺｎを添加することにより、Ｓｎ−Ｚｎ合金の溶融温度が低くなることが分かる。特に、Ｚｎを約７〜１０重量％の範囲で添加する場合、現在業界で使っている汎用の融点範囲（約２０６〜２２４℃）内の約１９９〜２２０℃の溶融温度範囲を維持することができる。よって、本発明においては、さらに他の金属成分であるＡｇが融点を上昇させるために、前記Ｚｎの使用量は７〜１０重量％の範囲で使用する。
【００３１】
一方、図２を参照すれば、Ｓｎ−９Ｚｎソルダー合金は、合金後にも基地金属のＳｎに針状構造のＺｎが互いに独立して分散された形態で存在するため、酸素との反応性が高いＺｎが酸素と容易に反応して耐酸性が落ちるものである。このような従来のソルダー合金に対する耐酸性測定のために、Ｓｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金を８５℃／８５％ＲＨで１０００時間露出させた後、その結果を図３に示した。図３を参照すれば、（ａ）Ｓｎ−９Ｚｎのソルダー合金、及び（ｂ）Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉのソルダー合金の両方でＺｎＯが多量生成されることを確認することができる。
【００３２】
本発明によれば、第３の金属原素としてＡｇを添加することで、Ｚｎの合金化によって耐酸化性を向上させることができた。一般に、ソルダー合金の製造方法は、種々の金属組成を同時に溶融してよく混合させる方法を使うが、本発明では基地金属（Ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ）であるＳｎにＡｇ−Ｚｎ合金を混合させることを特徴とする。
【００３３】
従来のソルダー合金であるＳｎＰｂ、及びＳｎ−３Ａｇ−０．５ＣなどにＡｇ金属を添加すれば、Ｓｎ基地金属の合金相を形成するが、本発明では、Ｓｎ−Ｚｎソルダーにおいて酸化力の高いＺｎ金属をＡｇと優先的に溶融させてＺｎ金属を合金化させる。すなわち、低価のＳｎ−９Ｚｎ共晶合金において、Ｚｎに１〜５重量％のＡｇ金属を添加して一緒に溶融させることで、酸化しやすいＺｎ金属を先に合金化させ、Ｓｎと混合させることで、酸化を抑制することができた。
【００３４】
本発明において、Ａｇの使用量は１．０〜５．０重量％の範囲であるが、１重量％未満であれば耐酸性及び軟性などの向上のような添加効果がほとんどなく、５．０重量％を超えれば合金の溶融点が上昇する欠点がある。同時に、前記Ａｇの含量は現在業界で使っている汎用の範囲である約２０６〜２２４℃を満足させながら軟性及び耐酸性を最大限高めることができる範囲は４〜５重量％である。
【００３５】
ただ、本発明では、Ｚｎ及びＡｇを単にＳｎに添加して溶融させるものではなく、Ｚｎ及びＡｇを先に合金させ、これを合金ボール状に形成して使用する。前記合金ボールの直径は１〜２０μｍが好ましく、１μｍ未満であればボールが凝集する傾向があり、２０μｍを超えれば合金の軟性が低くなる傾向がある。このように形成されたＺｎ−Ａｇ合金ボールを溶融されたＳｎに添加して一緒に溶融させれば、前記ソルダー合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１０〜２０体積％、好ましくは１６〜２０体積％である 鉛フリーはんだ合金を得ることができる。前記分率が１０体積％未満であれば合金の耐酸性向上が低下し、２０体積％を超えれば耐酸性は向上するが、合金の溶融温度が上昇する傾向がある。
【００３６】
図４は本発明の一実施例よってＳｎ−Ｚｎソルダーに対するＡｇの添加によるＺｎの酸化調節の概念を概略的に示す図、（ａ）は通常のＳｎ−Ｚｎソルダー合金、（ｂ）は本発明によってＡｇが添加されたＳｎ−Ｚｎソルダー合金である。図４の（ｂ）場合において、針状構造のＺｎがＡｇと結合して基地金属のＳｎによく分散されているものである。
【００３７】
本発明によれば、前記合金ボールは当業者によく知られたアトマイジングによって形成できる。本発明で説明するアトマイジングとは、溶融合金をポット（ｐｏｔ）に入れた後、水または水が混合された高圧ガスが噴霧される領域に前記合金を流すことで、前記合金が前記水またはガスの運動エネルギーを受けて幾多の微細液滴に分割されるようにし、前記分割された微細液滴が表面エネルギーによって球形になったものを水または空気で冷却させて固相の球形ボールを得る工程を言う。
【００３８】
本発明の好適な一実施例によれば、金属原材料を合金ボールに形成するために、まず原材料を準備した後、準備した原材料を高周波誘導炉で溶融させる。周知のように、高周波誘導炉は高周波電気炉ともいうもので、被加熱物を溶解室に入れ、溶解室に巻き付けられたコイルに流れる高周波電流の誘導によって被加熱物に電流が流れるようにして被加熱物を溶解させる装置である。
【００３９】
その後、高周波誘導炉を通過した材料を水アトマイジング装置で粉末に形成する。この際、噴射器から噴射される水の圧力は１００〜２００ＭＰａの圧力を有することが好ましく、特に１５０ＭＰａの圧力を有することが好ましい。水アトマイジング器を通過した材料は乾燥器で乾燥させ、乾燥された材料をメッシュ方式の分離器で分離する。これにより金属粉末がサイズ別に分類される。
【００４０】
一方、本発明の 鉛フリーはんだ合金はソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用でき、前記ソルダープリフォームはソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリングまたはソルダーディスクのようなものがあるが、これらに制限されない。
このように、本発明は、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ合金においてＡｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率を１０〜２０体積％に形成することが重要である。これは前記原料金属を単純に混合しては得ることができなく、先にＡｇ−Ｚｎ合金ボールを形成し、これをＳｎと溶融混合することで得ることができる。このように製造された本発明の 鉛フリーはんだ合金は軟性及び耐酸性が大幅に改善される効果がある。
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、下記例に本発明の範疇が限定されるものではない。
【００４１】
[実施例１]
まず、９Ｚｎ−１〜５Ａｇソルダー合金ボールを製造した。黒鉛原子炉にＺｎ、Ａｇをそれぞれの含量で混合した後、Ａｒガスを注入しながら約７００℃の温度で３０分間溶融させた。誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ９ｋＷ、５００Ｔｏｒｒにした。このように得た溶融合金をアトマイジング器で噴射して微細直径のボール状の金属粉末を得、これを篩（ｓｉｅｖｅ）で漉すことで、前記合金ボールの直径が１〜２０μｍの範囲にある合金ボールを得た。
【００４２】
これとは別に、Ｓｎを黒鉛原子炉に入れた後、Ａｒガスを注入しながら約４２０℃の温度で３０分間溶融させることで溶融Ｓｎを得た。この時の誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ９ｋＷ、５００Ｔｏｒｒにした。Ｓｎの含量は１００重量％からＡｇ及びＺｎ含量の和を差し引いた残量を意味する。
【００４３】
一方、黒鉛原子炉に前記得たＳｎとＺｎ−Ａｇ合金ボールを入れた後、Ａｒガスを注入しながら約３００℃の温度で３０分間溶融させた。この時の誘導炉の電力とガス圧力の条件はそれぞれ９ｋＷ、５００Ｔｏｒｒにした。
【００４４】
このように得たソルダー合金に対し、Ａｇの添加によるＺｎの合金化変化を調べるためにＸＲＤ分析を実施し、その結果を図５に示した。その結果、ＡｇとＺｎを先に反応させてＡｇ−Ｚｎ合金を形成させることで、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）、エプシロン（ε）相が約１０％生成されることを確認した。
【００４５】
前述したように、Ａｇ添加量が増加するにつれて合金の融点は次第に上昇させる効果があるが、Ａｇを５重量％まで添加しても本発明による合金の融点範囲は現在業界で使っている汎用の範囲を持っている（２０６〜２２４℃）。これを下記の表１に示した。
【００４６】
【表１】
【００４７】
また、本発明の合金の組職学的特性を調べるために、ＳＥＭ写真を観察し、その結果を図６に示した。図６を参照すれば、９ＺｎにＡｇの添加量が増加するにつれてＺｎ元素がＡｇと反応する量が増えることを確認した。反対に、耐酸化性を阻害することができる全体Ｚｎ相は次第に減少する傾向を示し、図６ｂの（ｄ）のＳｎ−９Ｚｎ−５Ａｇ組成ではＺｎ相はほとんど観察されなかった。全体的にＡｇ−Ｚｎ合金相（γ、ε）の分率は１０〜２０体積％を有することが確認された。
【００４８】
図７は本発明のＳｎ−９Ｚｎ−ｘＡｇソルダー合金と従来のＳｎ−９Ｚｎソルダー合金及びＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダー合金の機械的特性を示すグラフである。図７ａから分かるように、最大引張強度はＡｇ含有量が増加するにつれて増加する傾向を示し、４ｗｔ％からはＳｎ−９Ｚｎと同等な最大引張強度値を示している。一方、図７ｂから分かるように、軟性の面ではＡｇ添加が増加するにつれて軟性が増加する傾向を示している。
【００４９】
同時に、前記実施例１の合金に対する耐酸性の特性を調べるために、高温及び高湿テスト（８５℃／８５％ＲＨで１０００時間）を遂行した結果、全般的にＳｎ−９Ｚｎに比べて優れた耐酸化特性を示す。図８ａの（ａ）のＳｎ−９Ｚｎ−２Ａｇ組成の場合、少しの内部酸化が発生したが、残り合金組成では内部浸透酸化は発生しなかった。
【００５０】
このように、本発明による 鉛フリーはんだ合金は全体的に現在使われているリフロープロファイル（ｒｅｆｌｏｗ ｐｒｏｆｉｌｅ）に対応可能な範囲の融点を有し、Ｓｎ−９Ｚｎ合金に比べ、同等あるいはそれよりすぐれた強度及び軟性の特性を示し、Ｓｎ−９Ｚｎ合金に比べてすぐれた耐酸化性特性を示す。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、既存のＳｎ−Ｚｎ合金に最適の第３元素の添加及び最適組成によって酸化しやすいＺｎ金属をＡｇと先に合金化させた後、Ｓｎと混合させることで、ソルダーの耐酸性及び軟性を強化する 鉛フリーはんだ合金及びその製造方法に適用可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１．０〜５．０重量％のＡｇ、７〜１０重量％のＺｎ、及び残りのＳｎでなる合金であって、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１０〜２０体積％であることを特徴とする、鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることを特徴とする、請求項１に記載の 鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
前記ソルダープリフォームが、ソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項３に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項５】
前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項６】
１．０〜５．０重量％のＡｇと７〜１０重量％のＺｎを溶融させて合金ボールを形成させる段階；
残りのＳｎを溶融させて溶融Ｓｎを提供する段階；及び
前記溶融されたＳｎにＡｇ−Ｚｎの合金ボールを添加して溶融させてソルダー合金を形成させる段階；を含み、
ここで、前記ソルダー合金において、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が５〜２０体積％であることを特徴とする、鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項７】
前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項８】
前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項９】
前記ソルダープリフォームがソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項８に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項１０】
前記合金ボールの直径が１〜２０μｍであることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項１１】
前記合金ボールはアトマイジングによって形成されることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項１２】
前記ソルダー合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項１】
１．０〜５．０重量％のＡｇ、７〜１０重量％のＺｎ、及び残りのＳｎでなる合金であって、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１０〜２０体積％であることを特徴とする、鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることを特徴とする、請求項１に記載の 鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
前記ソルダープリフォームが、ソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項３に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項５】
前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項６】
１．０〜５．０重量％のＡｇと７〜１０重量％のＺｎを溶融させて合金ボールを形成させる段階；
残りのＳｎを溶融させて溶融Ｓｎを提供する段階；及び
前記溶融されたＳｎにＡｇ−Ｚｎの合金ボールを添加して溶融させてソルダー合金を形成させる段階；を含み、
ここで、前記ソルダー合金において、Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が５〜２０体積％であることを特徴とする、鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項７】
前記Ａｇの含量が４〜５重量％であることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項８】
前記 鉛フリーはんだ合金がソルダープリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）の製造に適用されることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項９】
前記ソルダープリフォームがソルダーペースト、ソルダーボール、ソルダーバー、ソルダーワイヤ、ソルダーバンプ、ソルダー薄板、ソルダー粉末、ソルダーペレット、ソルダー粒子（ｇｒａｎｕｌｅ）、ソルダーリボン、ソルダーワッシャ（ｗａｓｈｅｒ）、ソルダーリング及びソルダーディスクよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項８に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項１０】
前記合金ボールの直径が１〜２０μｍであることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項１１】
前記合金ボールはアトマイジングによって形成されることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【請求項１２】
前記ソルダー合金において、前記Ａｇ−Ｚｎ合金相であるガンマ（γ）及びエプシロン（ε）相の分率が１６〜２０体積％であることを特徴とする、請求項６に記載の鉛フリーはんだ合金の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【公開番号】特開２０１３−１０７１３２（Ｐ２０１３−１０７１３２Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２８６３（Ｐ２０１２−２２８６３）
【出願日】平成２４年２月６日（２０１２．２．６）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月６日（２０１２．２．６）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]