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납땜을 포함한 용접기술은 오랜 역사를 가지고 있다. 이 기술이 시작한 것은 철기시대 이전으로 거슬러 올라간다. 납땜은 기원전 3000년경 청동기 시대부터 현재까지 5000년을 이어 왔다. 로마 유적에서는 서기 300년경의 것으로 추정되는 주석-납계 합금이 발굴되기도 했다. 그러나 이제는 폐기된 전자기기의 솔더에 포함된 납이 환경오염의 원인 중 하나로 지목되면서 ‘무연화’ 논쟁이 달아오르고 있다. 납은 산성비 등에 의해 용출되어 지하수나 하천을 오염시키고, 오염된 지하수나 음료수를 통해 인체에 흡수되어 인간의 중추신경에 영향을 미치게 된다. 이에 따라 지구환경 보전의 관점에서 그 대책이 마련되고 있다.
폐전자기기에서 배출되는 폐기물 중에서 총납량의 비율이 점차 증가하고 있다. 유럽의 통계에 따르면, 40% 정도를 차지하는 것으로 나타났다. 일부 조사에서는 성분 중 대부분은 그라운드 관에서 나온 것이지만, 산성비로 인해 용출된 납은 그라운드 관보다 기판의 납땜에서 나온 양이 많다고 한다.
예를 들어, 일본에서 연간 이용되는 납은 27만 톤이지만, 그 대부분은 리사이클 되는 자동차 등의 배터리에 이용되고 있다. 솔더로 이용되는 납의 양은 9,000톤, 전자산업에서만 5,000톤이며 현재 이것은 최종적으로는 폐기물로 처분되고 있다.
납 함유 솔더에 대한 법적 규제는 1990년 미국에서 법제화 검토로 시작됐다. 이 법안의 제출로 무연 솔더의 개발 움직임은 미국의 NCMS(National Center for Manufacturing Science) Lead-Free Soldering Project(1994~97) 및 EU의 IDEALS(Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacture of Electronic Assemblies by Lead-Free Soldering) Project(1996~99)로 이어졌다.
세계의 전기·전자기기에 있어서 납의 이용규제 움직임으로는 유럽의 WEEE 지령(Waste Electrical and Electronic Equipment, 폐전기전자기기지령)으로, 유해물질(납 함유 솔더 포함) 이용금지에 대한 규제안이 제출되어 있다.
시행은 2007년 1월 1일로 예정돼 있다. 자동차 관련 납 규제에 대해서는 전자부품 관련은 예외 항목으로 하고 있다. 또 미국에서는 법안이 의회를 통과하지 못했다. 그래서 1995년을 정점으로 미국 무연 솔더 연구는 급속히 저하됐다. 그러나 유럽 WEEE 지령의 초안이나 일본 기업이 무연화 영향으로 미국 IPC(Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits)는 1998년부터 무연 솔더 실용화를 위해 활발하게 대응하기 시작했다. 현재 미국은 무연 솔더 실용화에서 돼 높은 수준에 도달해 있다.
납땜 무연 기술은 다음의 기술부터 시작된다.
(1) 솔더 재료 기술
- 조성
- 제법
(2) 전자부품 접합기술
(3) 피접합재의 표면처리기술
(4) 납땜 방법·장치
(5) 무솔더 접합기술
솔더 재료 기술
솔더란 일반적으로 주석(Sn)과 납(Pb)의 이원합금으로 널리 알려져 왔으며, 낮은 온도에서 금속과 금속을 접합시키는 기술을 말한다 솔더는 일반적으로 융점이 낮고, 용융 솔더의 표면장력, 점성, 유동성이 적절하여 모재와 잘 젖어야 한다. 또 납땜 후에는 접합부의 강도나 전기전도도, 기계적 특성 등이 사용목적에 부합되어야 한다.
무연 솔더는 융점이 높은 순서대로, 그리고 조성별로 Zn계, Pb계, Sn계, Bi계, In(인듐)계 등으로 나누어진다. 특히 Sn-Pb 공정 솔더(183℃ 공정 온도)에 가까운 비납계는 Sn계이며, 구체적으로 Sn-In계(117℃ 공정), Sn-Bi계(139℃ 공정), Sn-Zn계(199℃ 공정), Sn-Ag계(221℃ 공정), Sn-Cu계(227℃ 공정), Sn-Sb계(안티몬, 235℃ 공정) 등이 있다.
침지용, 리플로용, 리페어(교환)용으로 이용되고 있는 조성은 Sn-Bi계, Sn-Zn계, Sn-Ag계, Sn-Cu계가 주를 이루지만, 특히 중요한 조성은 다음과 같다.
● 고융점계(Sn-Ag계, Sn-Cu계, Sn-Sb계를 포함)
● 중융점계(Sn-Zn계, Sn-Pb 공정 솔더의 융점에 가까움)
● 저융점계(Sn-Bi계, Sn-In계를 포함)
● 기타(Sn-Au계, Zn-Al계를 포함)
이 글에서는 무연 솔더 조성을 이러한 4항목으로 분류하고 있으며, 대부분의 무연 솔더 조성을 포괄한다.
Sn-In계는 저융점계에, Sn-Cu계와 Sn-Sb계는 고융점계에 포함된다. 또한 실제로는 2원계 합금만으로는 솔더에 요구되는 특성(젖음성, 기계적 강도 등)을 만족시킬 수 없는 부분이 있으므로, 몇 %의 첨가물을 더한 다원계가 특허로 많이 출원되고 있다.
고융점계
Sn-Ag계 솔더는 융점이 높은 솔더로 이미 실용화된 무연 솔더이다. 특히, 합금을 가진 미세구조 조직이므로 기계적 강도가 우수하다. 또한 신뢰성을 한층 높였다는 점에서 Sn-Pb 공정 솔더를 대체할 수 있는 유력한 재료로 판단되고 있다. Sn-3.5Ag(조성 단위는 wt%, 이하 같음)의 조성으로 221℃의 공정점을 갖는다. Sn-Ag계의 주요 솔더는 Cu, Bi를 첨가한 3원계, 4원계이다. 대표적인 조성은 다음과 같다.
① Sn-3.5Ag-0.6Cu, Sn-3~4Ag-1Cu, Sn-3.4~4.1Ag-0.45~0.9Cu
② Sn-3.4Ag-4.8Bi
③ Sn-3.5Ag
특히, Sn-Ag-Cu계의 삼원계에서 주목할 만한 해외 특허는 아이오와 주립대학, 샌디오 코퍼레이션 출원의 USP5,527,628이며, 솔더 구성은 Sn-3.5~7.7Ag-1.0~4.0Cu이다.
Sn-Ag-Cu계에 Bi, In, Sb, Ni 등을 첨가한 4원계와, Sn-Ag-Bi계에 In 등을 첨가한 4원계도 특허로 출원되어 있다. 모두 Sn-Ag계의 특징인 기계적 강도 등의 이점 이외에도 솔더 특성의 젖음성의 개선, 융점 저하 등을 전망하고 있다. Sn-Ag계의 일반적인 결함으로는 솔더 융점이 높아서, 실장된 전자부품 등의 내열온도를 기존보다 높이지 않으면 안된다.
고융점계에서는 Sn-Ag계 이외에 Sn-Cu계와 Sn-Sb계 조성의 솔더가 이용되고 있다. 특히, Sn-Cu계 솔더는 침지 납땜에 이용되고, Sn-0.7Cu 공정 솔더는 227℃의 융점을 나타낸다. 이 합금계는 조성이 단순하며 공급성도 좋다. Sn-Cu계는 250~255℃에서 3~4초로 납땜이 가능하다. 결점은 끊어짐이 나빠서 브리지형, 뿔형, 미납형의 납땜 불량 문제가 발생하기 쉽다. 대표적인 조성은 Sn-0.7Cu, Sn-0.7Cu-Ni이며, Sn-Cu계에 Ni를 첨가한 Sn-Cu-Ni계 솔더는 Sn-Pb 공정 솔더와 젖음성, 기계적 강도 등이 동등한 솔더 특성을 가짐으로써 주목받고 있다. NEMI(National Electronics Manufacturing Initiative)에서도 Sn-Cu계 솔더를 침지(플로), 딥 납땜에서 분류방식의 침지 솔더로 장려하고 있다.
중융점계
Sn-Zn계 솔더는 융점이 Sn-Pb 공정 솔더(183℃)에 가장 가까운 융점을 실현하기 때문에 기존과 온도조건을 바꾸지 않고 납땜 할 수 있다. Sn-9Zn의 조성에서 공정점(199℃)을 갖고, 또 기계적 강도도 양호하면서 비용도 저렴하다. 다만 Zn의 반응성이 높기 때문에 젖음성이 나쁘고 솔더 볼이 생기기 쉬운 결점이 있다. 주로 리플로 대응 제품으로 개발되고 있고, 솔더 페이스트로는 Zn의 반응성이 높기 때문에 산화되기 쉽고 보존성이 나쁘다. 리플로 오븐은 질소분위기를 이용한 것이 많은데, 최근 플럭스가 양호한 것이 나왔기 때문에 질소 리플로 오븐을 이용하지 않아도 된다. 또 내열성면에서는 Sn-9Zn 공정 솔더의 경우 공정점이 199℃이기 때문에 실장 시 부품의 내열온도가 150℃까지 견디는 규격도 납땜 가능하도록 저융점화 연구가 진행되고 있다. 그러나 솔더 융점이 Sn-Pb 공정 솔더 융점에 가깝기 때문에 실장 부품으로서 기존과 같은 내열온도의 전자부품 등을 그대로 이용할 수 있다는 이점이 있다. 2원계에서의 채택은 적고 3원계 또는 4원계의 솔더 조성이 이용된다. 3원계의 대표적 솔더는 다음과 같다.
① Sn-8Zn-3Bi, Sn-7.5Zn-3Bi
② Sn-8Zn-3In
③ Sn-9Zn
4원계에는 Ag, In, Cu 등이 첨가된 것이 특허 출원되어 있다. 이들은 기계적 강도, 젖음성, 가공성 등의 향상을 목적으로 한다.
저융점계
Sn-Bi계 솔더는 Sn-57Bi에서 139℃의 극히 낮은 공정점을 가진다. 이 조성계는 첨가원소에 의해 139℃~232℃까지의 공정점을 가지는데, 140℃를 넘으면 Bi 입자의 극단적인 조대화가 발생한다. 침지 납땜의 경우 스루홀에서 리프트 홀 현상(스루홀 단자부의 솔더 필렛의 박리)이 쉽게 발생한다. 또 Sn-Pb 솔더 도금 부품과의 적합성에 대해서는 박리가 생기지 않는지 확인이 필요하다.
Sn-Bi계는 기계적 강도가 높고 융점이 낮은 것이 특징이다. 2원계의 특허는 적고, 3원계와 4원계의 조성이 특허로 출원되어 있다. 대표적인 조성은 다음과 같다.
① Sn-57Bi-1.0In
② Sn-57Bi-1.0Ag
③ Sn-58Bi
Sn-Bi 합금에 In, Ag, Zn 등을 첨가함으로써 젖음성, 기계적 강도, 내열성, 유동성 등의 향상을 도모하고 있다.
기타
이외에도 Sn-Au계 및 Zn-Al계 솔더가 있다. 이들은 Sn-Ag계를 웃도는 고융점 솔더로, 한정된 용도로 이용된다.
국내외의 무연 솔더 표준화의 동향을 정리하면 다음과 같다.
NCMS(최종보고서·미국)
- Sn-3.4Ag-4.8Bi
- Sn-58Bi
- Sn-3.5Ag
IDEALS(EU)
- Sn-3.8Ag-0.7Cu-(0.25Sb)
NEMI(중간보고·미국)
- Sn-3.9Ag-0.6Cu(범용)
- Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu(Wave)
ITRI (International Tin Research Institute·영국)
-Sn-3.4~4.1Ag-0.45~0.9Cu
NEDO-JWES/JEITA(일본) Sn-3.5Ag
- Sn-3~4Ag-0.5~1.0Cu (주로 Sn-3Ag-0.5Cu)
- Sn-3~4Ag-2~5Bi
제법
무연 제법은 다음의 다섯 항목으로 분류된다.
(a) 봉상·선상 솔더 (d) 솔더 페이스트
(b) 박상 솔더 (e) 기타
(c) 구상 솔더(솔더 볼)
봉상·선상 솔더는 침지 솔더 조의 공급용으로 이용된다. 봉상 무연 솔더에는 특히 젖음성, 솔더 끊어짐, 드로스(dross, 솔더 산화물)의 발생이 적어야 한다. 와이어 솔더는 인두 솔더용으로 이용되고 있다.
박상 솔더는 반도체 칩과 리드프레임(회로기판)의 접합 등에 이용되며 전사 등에 의해 배치된다.
구상 솔더는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Size Package) 형상의 플립칩(반도체를 기판에 직접 접합하는 칩) 등의 범프로 이용된다. 무연 솔더를 이용한 구상 솔더는 지름 0.1~1.0mm 정도가 판매되고 있으며, 공차는 φ0.1mm±φ5μm 정도다. 표면 산화가 적고 진구도의 정도가 요구된다. 이 분야의 특허 내용은 구상 솔더를 만드는 방법과 표면 피막형성 방법이다.
솔더 페이스트는 무연 솔더 분말과 플럭스를 혼연한 것으로, 솔더 조성은 주로 Sn-Ag계, Sn-Zn계, Sn-Bi계이다. 플럭스는 솔더 조성에 대응한 것이 선정된다.
이 분야의 특허 내용은 점도, 도포성, 인쇄성, 젖음성, 접합강도, 보존성, 경년변화와 무세정화 등이다. 현재 실용화 되어 있는 솔더 페이스트는 Sn-9Zn, Sn-8Zn-3Bi, Sn-Bi-Ag계, Sn-Ag계이며 각 솔더 업체에서 카탈로그화 되어 판매되고 있다.
앞으로 기술적인 개발이 진행될 것으로 예측되는 형상은 구상 솔더와 솔더 페이스트이며, 솔더 조성계는 Sn-Pb 공정 솔더를 교체할 것으로 판단되는 Sn-Ag계다.
전자부품 접합기술
전자부품 접합기술은 다음의 네 항목으로 분류된다.
a. 전자부품 등의 기판에 납땜
b. 패키지 봉지
c. 반도체 등의 솔더 접합
d. 수동부품 등의 납땜
반도체의 솔더 접합에서는 정보통신 시스템의 고기능화, 고속화 요구에 따라 전자 디바이스의 고성능화, 고기능화가 진행되고 있으며 노트북 PC를 비롯해 휴대전화 등의 고기능·복합화, 소형화(박형경량화)에 대응하고 있다. 앞으로도 칩 접합이나 전자부품 등 기판의 납땜 특허 출원 건수는 증가할 것으로 전망된다.
전자부품 등의 기판 납땜은 PC판, FPC 기판, 다층(적층) 기판 등의 배선 기판과 배선 패턴, 이너리드, 스루홀, 랜드 등의 기판 구성요소와 무연 솔더의 종류, 전도성 접착제, 전도 페이스트의 복합에 의한 기판 실장 등을 다룬다. 특히 솔더의 산화, 브리지, 마이그레이션 등의 방지나 고온 특성, 접속신뢰성이 주요 요소가 된다.
패키지 봉지는 반도체 등의 패키지(캡) 봉지, 전자부품 봉지, 기밀단자의 봉지 등에 관해 내부 가스 빼기, 내습성, 접속부 열화 등이 있다.
반도체 등의 솔더 접합은 반도체 칩 접합과 반도체 패키지 접합, 그리고 세라믹 기판 접합으로 나눌 수 있다. 반도체 칩 접합은 반도체 칩(베어 칩)과 기판면 상의 전극 접합으로 솔더 볼, 범프, 패드, 패키지 등과 솔더 볼 캐리어(carrier), 칩 캐리어 등과 접합재로서 무연 솔더의 조성, 도전성 접착제 등이며 접합(단선, 강도, 박리, 균열 등) 신뢰성과 내열피로, 내고온성, 경년변화 등의 신뢰성이 내용이다. 특히 소형·박형화가 중요하다. 반도체의 패키지 접합은 패키지 단자와 기판 접합에 솔더 페이스트 또는 솔더 볼 등을 이용한다.
또 세라믹스 기판 접합은 주로 Si3N4(질화규소), AlN(질화알루미늄) 등의 세라믹 기판에 대해 금속화를 하여 금속화층과 반도체를 무연 솔더로 접합하는 기술이다. 강고한 금속화층의 형성방법, 기판과 반도체의 열팽창계수차의 완화, 기판의 방열성 향상, 내열 사이클성 등의 장기신뢰성 향상이 과제이다.
수동부품 등의 납땜은 기판 실장용 코일, 저항, 커패시터 등의 외부 전극 또는 리드 단자 접합에 대한 기술이다. 열팽창계수차에 의한 균열 발생 방지나 부품의 소형화에 의한 납땜 영역의 감소를 보충하는 납땜 강도의 향상 등이 과제다.
피접합재의 표면처리기술
접합재의 표면처리기술은 다음의 두 항목으로 분류된다.
(a). 도금 피막
(b). 기타 피막
도금 피막은 Sn계 도금 및 Sn계 이외의 도금으로 전해도금법, 무전해도금법을 이용하여 형성한다.
무연 솔더를 이용한 솔더 접합은 Sn-Pb 공정 솔더에 비해 젖음성 등의 솔더 특성이 떨어진다. 따라서 솔더 조성 기술과 함께 피접합재 기술로 결함을 해결할 필요가 있고, 솔더 조성 기술과 함께 납땜 무연 기술은 중요한 요소이다.
무연 솔더에 대응하여 피접합재도 기존부터 많이 이용되던 Sn-Pb 합금 솔더 도금부터 납을 포함하지 않은 Sn 도금이 이용되고 있다. 기판 배선, 리드선, 리드프레임 등과 전자부품의 접합 단자, 반도체 칩의 접합에 이용된 솔더 볼·금속 볼 등의 피복에 이용된다. 인터넷 상이나 카탈로그 등에 무연 솔더에 대응한 반도체 부품, 수동부품, 스위치·커넥터류 등이 공표되어 있으며, 그에 따르면 피접합재로서의 무연화가 큰 비중을 차지하며 실용화 되어 있다.
Sn계 도금은 Sn-Ag계 합금, Sn-Zn계 합금, Sn-Bi계 합금 도금이 주가 되고 특허 출원 건수도 무척 많다. Sn계 이 외의 도금 재료는 Pd(파라듐), Pd 합금, Au, Au 합금 및 Ni계가 주가 된다. 도금 방법은 전해 도금 또는 무전해 도금이 있는데, 무전해 도금은 적다. 특히 도금욕이 개발 대상이다. 또 도금 방법의 특허는 도금 조성과 중복된다.
그 외 피복은 전도 페이스트가 주류이며, Cu 분말과 페놀 수지로 된 전도 페이스트 전도 분말에 글래스 프릿(glass frit, 분말 글래스)을 함유한 도전 페이스트이며 접촉저항의 저감, 밀착강도 향상, 접합성·접착성의 향상으로 배선 기판, 전자부품의 전극이 대상이다.
납땜 방법·장치
납땜 방법·장치는 다음의 여섯 항목으로 분류된다.
(a) 전처리 (d) 후처리
(b) 납땜 방법 (e) 검사 및 평가 장치
(c) 납땜 장치 (f) 솔더 회수
전처리는 표면개질, 보호용 레지스트, 플럭스 재료, 플럭스 도포, 솔더 페이스트 도포, 예비 솔더 처리가 있다. 특히 납땜 무연 기술에 관계된 것은 플럭스 재료이다. 플럭스에는 유기계와 무기계가 있는데, 현재로서는 유기계가 주류이며 최근에는 아크릴계를 이용하는 경우도 많다. 산화되기 쉬운 Sn-Zn계 솔더에서는 플럭스의 역할이 특히 중요하다. 또 납땜 후 무세정과 파인 피치에 대응하는 것이 바람직하다.
납땜 방법은 수작업 납땜, 침지 납땜, 리플로 납땜, 그리고 기타가 있다. 이 분야에서 특히 무연 솔더에 관한 기술이 필요한 것은 침지 납땜과 리플로 납땜이다. 침지 납땜의 과제는 대량의 드로스 발생과 리프트오프 현상에 관한 것이다. 리플로 납땜에 관해서는 Sn-Pb 공정 솔더를 대체할 것으로 여겨지는 Sn-Ag계 솔더가 무연 솔더의 리플로 시 Sn-Pb 공정 솔더에 비해 기판 상의 온도편차 허용범위가 좁고, 또 납땜 온도가 약 10℃ 높다. 따라서 전자부품 등의 내열 특성 대응과 납땜 장치의 온도 프로파일, 온도제어의 향상이 필요하다. 또 Sn-Zn계 솔더는 산화되기 쉽기 때문에 플럭스 개량, 또는 납땜 장치의 질소분위기 오븐 등의 개량이 과제이다.
납땜 장치에는 부품 실장기, 빔 조사기, 솔더 페이스트 인쇄기, 예비 납땜기, 침지장치, 리플로 장치 등이 있다. Sn-Ag계 무연 솔더를 이용할 경우, 특히 중요한 것은 Sn-Pb 공정 솔더에 비하여 솔더 젖음성이 나쁘고 융점도 동일하지 않으며 일반적으로는 높아져서 납땜 온도 허용범위가 좁아진다는 점이다. 따라서 온도 프로파일의 정도 향상이 필요하며, 특히 피크 온도의 제어 정도가 중요하다. Sn-Zn계 솔더를 이용하는 경우 솔더 재료가 산화되기 쉬우므로 질소분위기의 리플로 장치가 필요하다.
후처리에서는 플럭스 제거, 유기용제 및 수용제 등이 있지만, 특히 무연 솔더에 관계된 특허는 적다.
검사장치 및 평가장치는 무연 솔더의 젖음성 등의 문제가 있으며, 따라서 검사장치가 필요하다. 특히 반도체 칩의 BGA 패키지 접합에서 3차원적인 검사로 솔더 볼의 결락, 접합상태(솔더 젖음성, 보이드, 균열 등) 검사가 대표적이다.
솔더 회수는 리사이클이 용이한 납땜 방법, 침지 솔더 장치에서의 드로스 회수·재이용 방법, 일단 공정 솔더 납땜을 한 기판을 무연 솔더로 치환하여 납 솔더를 회수하는 방법, 납땜 장치와 이용 솔더의 종류를 기판에 표시하는 방법이 있으며, 앞으로 이 분야의 특허 출원은 많아질 것으로 판단된다.
무솔더 접합기술
무솔더(solderless) 접합기술은 반도체 등의 접합에 이용되는 방법으로 솔더를 이용하지 않고 전기적으로 접속하는 기술이다. 도전성 접착제를 이용한 접합방법이 대표적이며 플럭스 프리, 무세정화와 함께 개발이 진행되고 있다. 도전성 접착제는 도전성 분말, 접착성 수지와 커플링제로 구성되어 있다.
기술적 과제로는 전도성 분말의 재질과 입자경, 접착성 수지와의 배합비, 커플링제의 재질, 전도성 필러 및 전도성 분말의 코팅 등이 있다. 또 무솔더 접합기술의 접합방법에 대해서는 접합 시 가압, 가열방법과 전도성 접착제의 과납 부분 경화방법과 절연처리 등의 과제가 있다. 전도성 접착제 이외의 무솔더 접합기술로는 이종 도금층의 가압과 가열에 의한 합금화 접합 등이 있다.
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