KR0168964B1 - 납땜성이 우수한 무연땜납 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 전자부품의 전자기기 배선용으로 사용되는 무연땜납을 제공함에 있다.

본 발명은 그 조성이 중량%로, Ag:3-4%, In:2-5%, Bi:6-14% 및 잔부 Sn으로 조성되는 납땜성이 우수한 무연납땜에 관한 것을 기술적 요지로 한다.

Description

납땜성이 우수한 무연땜납

제1도는 종래재와 본발명재에 대한 납땜특성을 나타낸 그래프.

제2도는 본 발명에 의한 무연납땜의 미세조직사진.

제3도는 종래재와 본발명재에 대한 기계적 특성을 나타낸 그래프.

본 발명은 전자부품의 전자기기배선용으로 사용되는 무연땜납에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 납땜성(solderability)이 우수한 주석-은-인듐-비스무스계 무연땜납에 관한 것이다.

납땜에 사용되는 땜납은 그 사용용도에 적합하도록 고유한 특성을 갖는데, 통상의 땜납에서는 그 용융온도 및 응고온도범위가 중요하다.

즉, 특정용도에 따라 선택된 땜납은 인접한 부품, 특히 온도에 민감한 부품에 손상을 주지 않을 정도로 낮은 용융온도를 가져야 할 뿐만 아니라 땜납후에는 사용중 접합상태가 열적으로 안정되도록 높은 용융온도 범위를 갖는 것이 필요하다.

또한, 땜납은 대부분 공정반응이 일어나는 성분계로 이루어지므로 공정조성이외의 특정조성을 갖게 되는 경우 납땜후 용융상태에서 응고가 시작되는 액상선을 통과하게 되어 액상과 고상이 공존하게 되고 이어서 완전히 응고가 종료되는 고상선에 이르는 응고 온도범위를 갖는데, 만일 땜납의 응고 온도범위가 큰 경우에는 납땜후 응고시간이 길어지고 수축현상이 생길 수 있으므로 가급적 적은 응고 온도범위를 갖는 것이 필요하다. 응고구간이 적은 범위를 갖는 땜납의 경우에는 연속적인 자동 납땜시 단게적인 납땜에 보다 유리한 점이 있다.

이외에도 때납은 납땜하고자 하는 모재 표면과 젖음성이 우수해야만 납땜성이 뛰어나 납땜후 접합강도가 우수하게 된다.

상기한 특성을 갖는 종래의 땝납으로는 예를들면 Sn-Pb계 합금을 들 수 있다. 이 Sn-Pb계 합금은 여러가지 기계적, 물리적 특성이 우수하여 주로 배관, 열교환기와 같은 구조용과 일반전자 산업용으로 다양하게 사용되고 있다.

그러나, Sn-Pb계 합금은 납을 함유하고 있고, 납은 분해되지 않는 금속으로 일단 섭취하면 방출되지 않고 체내에 축적되는데, 실례로 미국 질병 규제센터(center for disease control)에서 명시한 납의 독성은 혈중농도 10㎍/㎗ 이상이 되면 치명적이고 특히 어린이에게는 지능저하를 유발시킬 수 있을 뿐만 아니라 또한 납의 폐기물은 토양을 오염시키는 문제가 있다.

특히, 50Sn-50Pb 나 70Sn-30Pb 등과 같은 전통적인 배관용 땜납은 넓은 온도 범위에서 사용이 가능하고 강한 기계적 연결부위를 형성하며, 동파이프 용접에 매우 유용하지만, 납이 물에 녹아들어가 오랜시간 후에는 건강에 치명적인 해를 준다는 것이 발견되어 식수를 운반하는 파이프와 같은 배관용 땜납에서도 납사용이 규제되기 시작하였다.

납과 납 함유 조성에 대한 규제를 예를들면 미국의 경우 1978년 상용페인트(consumer paint) 분야에서 납사용이 전면 규제된 이래 미국환경보호청(EPA)에서는 독극물 취급법(Toxic substance Control Act, TSCA)하에서 납을 포함하는 회수에 대한 의무가 있다고 규정하였고, 미국 하원은 Pb제거(Pb-cleanup) 기금의 재원으로 100-200%의 세금을 부과하도록 제안(HR2479)하고 있으며, 미국 상원에서도 납방치 규제법(Lead Exposure Act. S-729)을 발표, 산업용 납의 전면규제를 제안하였다. 또한 미직업안전건강협회(OSHA)에서는 대기중에서와 작업장에서 허용되는 납의 농도를 규제하는 납표준을 제정하였고 대기중에 납을 많이 방출하는 상황에서 고용인의 납에 대한 노출을 최소화 해야 한다고 요구하고 있다. 이와같이 미국에서는 법으로 배관공에서 특히 50Sn-50Pb의 사용을 금지시키고, 음료와 관련된 모든 부분에서 납함유 땜납의 사용을 금지하였으며 배관이외의 다른 납함유 땜납에 대해서도 사용을 규제하고 있는데, 이러한 추세는 국내에서도 거의 대동소이한 실정이다.

한편, 이러한 납에 대한 규제조치가 대두됨에 따라 무연땜납이 개발되기 시작하는데, 예를 들면 미국특허 제5,256,370호에는 접합, 봉합, 전자부품 등에 사용되는 납땜용 무연땜납이 제시되어 있다. 상기 미국특허 제5,256,370호에 제시된 무연땜납은 Sn50-92%, Ag 1-6%, In4-35%의 조성을 갖는 땜납으로서 전자부품의 접합에 사용하기 위해서는 인듐을 다량 함유하고 있는데 특징이다. 그러나, 인듐은 가격이 비싸고, 특히 5%이상 첨가하는 경우에는 미세 조직상에 γ-Sn 상이 생기게 되어 온도변화에 따라 γ-Sn(Hexagonal)에서 β-Sn(face Centered Cubic)으로의 상변이가 일어나 납땜 접합부위의 신뢰성에 문제가 일어날 수 있다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명들은 상기한 종래의 무연땜납의 단점을 해결하고자 거듭된 연구와 실험을 하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 인듐과 비스무스를 복합첨가하여 미세조직상의 γ-Sn 형성을 억제하고 젖음성을 개선하므로서 전자부품의 전자기기 배선용으로 사용가능한 융점을 갖는 동시에 응고온도 범위가 좁고 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 특히 납땜성분이 우수한 무연납땜을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명은 중량비로, Ag:3-4%, In:2-5%, Bi:6-14% 및 잔부 Sn으로 조성되는 납땜성이 우수한 무연땜납에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세한 설명한다.

우선 본 발명의 무연땜납에 함유되는 Ag 성분은 땜납의 젖음성 및 열피로 특성을 개선시키는 역할을 하는 성분으로서, 그 함유량은 3-4중량%(이하, 단지 '%'라함) 함유됨이 바람직한데, 그 이유는 Ag 성분의 함유량이 3% 이하로 되면 젖음성과 열피로 특성이 저하되면, Ag 성분이 4% 이상으로 함유되면 용융온도를 급상승시키고 젖음성 개선에 크게 기여하지 못하기 때문이다.

또한, In 성분은 젖음성을 개선시키는 한편 용융온도를 낮추는 역할을 하는데, 2%이하로 함유되면 그 효과가 나타나지 않고, 5% 이상 함유되면 미세조직상에 γ-Sn상이 형성되어 온도변화에 따라 γ-Sn이 β-Sn으로 상변이가 일어나 납땜성이 저하되므로 In 성분은 2-5%의 범위로 함유됨이 바람직하다.

또한, In과 함께 첨가되는 Bi 성분은 땜납의 미세조직상에 γ-Sn상의 생성을 억제하므로서 젖음성을 개선하는데, 상기 Bi 성분이 6% 이하로 함유되면 그 첨가효과가 적고, 14% 이상 함유되면 용융온도 범위를 넓히기 때문에 상기 Bi 성분의 함유량은 6-14%로 제한함이 바람직하다.

상기조성을 갖는 땜납은 금속 원재료를 계량하여 대기중에서 포트(pot)나 도가니를 사용하여 가열, 교반하면서 용해하는 통상의 방법에 의해 주조되어 제조될수 있다. 이때, 대기중에서 용해하는 경우 금속 원료중의 불순물 또는 비금속 개재물과 합금용탕이 대기와 반응하여 땜납 합금중에 용존질소나 용존산소와 같은 용존가스가 잔류하게 되어 이로인해 땜납 모재표면에 젖음성을 방해하여 납땜성이 저하되거나 땜납접합부에 기공(void)가 발생되기 때문에 젖음성 뿐만아니라 열전도도, 열피로특성 및 제품신뢰성에 문제가 발생될 소지가 있다.

본 발명에서는 대기중에서 합금제조시 발생되는 불순물 또는 비금속 개재물과 합금중의 용존가스를 최소화하여 남땜성을 향상시키고 열피로 특성 및 제품신뢰성을 개선하고자 본 발명의 땜납제조시에는 진공상태 또는 불활성 분위기에서 용해하여 원료중 특히 Bi 등의 산화를 억제하여 드로스(dross) 발생을 최소화하는 용해방법이 보다 바람직하다.

이러한 방법에 의해 제조되는 본 발명의 무연땜납은 여러 가지 형태(ingot, rectangular, circular등)로 제조될 수 있으며, 또한 다양한 크기의 구형의 분말로도 제조될 수 있다. 또한, 분말 형태의 땜납의 경우 적당한 플럭스(flux)와 혼합하여 페이스트(solder paste)로도 제조가 가능하다.

이렇게 제조된 본 발명의 무연땜납은 일반전자부품의 전자기기 배선용으로 사용가능한 용점을 갖을 뿐만 아니라 응고범위가 좁아 단계적인 자동납땜에 매우 유리하고, 종래의 Sn-Pb계 보다도 기계적 강도가 증가되는 한편, 종래의 Sn-Ag-In계 무연땜납에 비하여 젖음성(납땜성)이 우수한 특징이 있다.

이하, 본 발명을 실시예을 구체적으로 설명하는데 본 발명은 이들 대표적인 실시예로 국한되지 않는다.

[실시예 1]

하기표 1과 같은 조성을 갖도록 고주파 유도로를 사용하여 대기중에서 용해하여 주조한 다음, 주조된 땜납에 대하여 고상선 온도와 액상선 온도를 측정하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

상기표에 나타난 바와 같이 Sn-Ag-In계 땜납 조성에 Bi가 첨가된 본 발명예(1-7)의 경우에는 액상선 온도가 202∼213℃ , 고상선온도가 187∼199℃고, 응고온도 범위가 11∼17.5℃의 범위로서, 이는 Sn-Ag-In으로 조성되고, 액상선온도가 189.1-207.5℃, 고상선온도가 178.5∼204.4℃이고 응고온도범위가 5.1∼10.6℃인 종래재(1-2)의 경우와 거의 동등한 수준임을 알 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1의 종래예(1)과 발명예(7)의 무연땜납에 대하여 모재에 대한 젖음성을 측정하고, 그 결과를 제1도에 나타내었다.

제1도에 나타난 바와 같이, Sn-Ag-In으로 조성된 종래예(1)에 비하여 여기에 Bi가 첨가된 발명예(7)의 경우 시간에 따른 젖음성이 더욱 우수함을 알 수 있는바, 결국 발명재(7)의 경우 종래예(1)에 비하여 거의 동등수준의 용융온도 및 응고온도 범위를 갖으면서도 납땜성이 우수함을 알 수 있다.

이러한 원인은 본발명재(7)에 대하여 미세조직사진을 관찰한 결과인 제2도에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 무연땜납의 경우 AgSn 석출상을 더욱 균일하게 하기 때문에 젖음성을 우수하게 하는 것으로 생각된다.

[실시예 3]

본 발명에 의한 무연땜납을 종래의 Sn-Pb계 납땜과의 특성을 비교하기 위하여 Sn-40Pb 땜납 합금과 본발명예(2)에 의한 무연땜납에 대하여 기계적 특성을 비교하고 그 결과를 제3도에 나타내었다.

제3도에 나타난 바와같이, 본발명예(2)의 경우 종래의 Sn-40Pb 납땜에 비하여 오히려 인장강도가 웃함을 알 수 있는데, 이는 결국 본발명의 무연땜납을 이용하는 경우가 종래의 Sn-Pb계 땜납보다고 최종 접합강도가 더 우수함을 의미한다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의한 무연땜납은 종래의 Sn-Pb계 땜납에 비하여 기계적 성질이 우수하여 납땜후 최종 접합강도가 기존의 땜납에 비하여 월등할 뿐만 아니라 납이 함유되지 않아 작업환경등이 개선될 수 있으며, 특히 종래의 Sn-Ag-In계 무연땜납과 거의 동등한 용융온도 및 응고온도구간을 갖으면서도 젖음성이 우수하여 납땜시 납땜성이 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중량비로, Ag:3∼4%, In:2∼5%, Bi:10% 초과 14% 이하 및 잔부 Sn으로 조성되는 납땜성이 우수한 무연땜납.