KR100443230B1

KR100443230B1 - 납땜용 무연합금

Info

Publication number: KR100443230B1
Application number: KR1020030072179A
Authority: KR
Inventors: 윤원규; 김관수
Original assignee: 희성금속 주식회사
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2004-08-05

Abstract

본 발명은 전기 및 전자제품 생산시 부품을 기판에 고정시키는 역할을 하는 납땜용 무연 합금에 관한 것으로, 납을 사용하지 않고도 기존의 땜납보다 훨씬 향상된 융점, 산화량, 납땜강도를 얻을 수 있으며, 합금 중에 납이 포함되지 않음에 따라 납땜시 발생되는 가스 등에 의해 인체에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다.

따라서 본 발명은 은(Ag) 0.1~2.0중량% 과 구리(Cu) 0.1~3.0중량% 와 인(P) 0.001~3.0중량% 과 갈륨(Ga) 0.001~0.5중량% 및 나머지는 주석(Sn)으로 조성된 납땜용 무연합금에 관한 것이다.

Description

납땜용 무연합금{Lead-free solder alloy}

본 발명은 납땜용 무연합금에 관한 것으로서, 납을 함유하지 않는 합금에 의해 납땜이 이루어지도록 하여 납의 중독 등에 의한 피해를 방지하도록 된 납땜용 무연합금에 관한 것이다.

일반적으로 납땜은 땜납을 용융하여 금속을 접합시키므로 접합할 금속보다 용융온도가 낮은 금속이 사용되는데, 납의 용융온도(327℃)보다 낮은 온도에서 용융되는 연납과, 용융온도가 대체적으로 450℃ 이상인 경납으로 대별된다.

연납의 성분은 납과 주석이며, 그 함유량에 따라서 인장강도 및 전단 강도가 각각 다르게 나타나게 된다.

한편 경납은 분말, 밴드, 와이어 등의 형상으로 형성되며, 구리(Cu),아연(Zn), 납(Pb)이 주성인 황동납과 은(Ag)을 첨가하여 유동성을 개선한 은납 등이 사용된다.

그러나 납은 분해되지 않는 금속이므로 일단 인체내에 섭취되면 방출되지 않고 축적되는데, 납땜 작업시 땜납의 용융으로 발생되는 가스 등에 작업자가 노출되면 호흡기를 통해 인체에 축적되어 납중독이라는 인체에 치명적인 영향을 미치는문제점들이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 땜납의 성분중 납을 포함하지 않고도 납땜이 이루어지도록 하여 납에 의해 인체가 입는 피해를 예방하기 위해 무연 합금을 제공하는데, 특히 이러한 무연합금에 미량함유된 금속, 즉 첨가물에 의해 무연합금의 성질이 크게 영향을 받고 그 함유량에 따라서 상당한 차이가 있다. 따라서, 본 발명은 주석(Sn)을 기본물질로 하고 여기에 작업성과 경도를 개선하여 기계적 특성을 증가시키고 무연땜납의 제조시 드로스되는 양을 최소화하고자 부가금속으로 은(Ag), 구리(Cu), 인(P), 갈륨(Ga)을 첨가하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

본발명은 은(Ag) 0.1~2.0중량% 과 구리(Cu) 0.1~3.0중량% 와 인(P) 0.001~3.0중량% 과 나머지는 주석(Sn)으로 조성된 납땜용 무연합금에 있어서, 갈륨(Ga) 0.001~0.5중량% 을 포함하는 것을 특징으로 하는 납땜용 무연합금이다.주석(Sn)은 자체 독성이 없고 접합모재에 대하여 젖음성을 제공하는 역할을 하는 땜납기재의 필수 금속이다.

은(Ag)은 원자반경이 작기 때문에 무연합금의 용융 중에 접합모재로의 확산속도를 빠르게 하여, 무연합금과 모재합금과의 접합강도를 상승하게 한다. 은의 함량이 0.1중량%보다 낮으면 땜납의 융점을 낮추는데 한계가 있고, 함량이 2.0중량%보다 높으면 융점의 고온화 및 유동성이 너무 커져 쉽게 퍼지게 되므로 은의 함량은 0.1 ~ 2.0 중량%가 바람직하다.

구리(Cu)는 무연합금에 첨가되어 합금의 조직을 미세화하여 접합강도를 향상시키는 동시에 전자부품이나 인쇄회로기판의 침식을 억제하는 역할을 하며 본 발명의 실시예에는 1.0 ~ 3.0 중량%가 함유되고 구리함유량이 0.1중량% 미만이면 저융점화의 효과가 미미하게 되고 3.0 중량%를 초과할 경우에는 융점의 응고범위가 넓어지게 된다.

인(P)의 첨가는 산화방지에 유효하며, 인을 첨가하여 무연땜납의 제조시 용융상태에서 인이 상부층으로 떠올라 공기중의 산소와 접촉하는 피막이 형성되도록 하여 드로스되는 양을 최소화할 수 있고, 본 발명에서는 0.001 ~ 3.0중량%가 함유된다.

그리고 상기의 무연합금에 0.001~0.5중량% 갈륨(Ga)이 첨가되어 융점을 저하시키고 기계적 특성을 증가시키며 산화방지에도 유효하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명하고자 한다.

은이 0.2중량%, 구리가 0.2중량%, 인이 0.001중량%, 갈륨이 0.001중량%,나머지가 주석인 무연합금을 제조하였다.

은이 0.9중량%, 구리가 0.5중량%, 인이 0.08중량%, 갈륨이 0.09중량%, 나머지가 주석인 무연합금을 제조하였다.

은이 1.4중량%, 구리가 0.8중량%, 인이 0.8중량%, 갈륨이 0.2중량%, 나머지가 주석인 무연합금을 제조하였다.

은이 2.0중량%, 구리가 1.0중량%, 인이 3.0중량%, 갈륨이 0.5중량%, 나머지가 주석인 무연합금을 제조하였다.

비교예로 주석이 63중량%, 납이 37중량%인 땜납을 제조하였다.

상기 표에서와 같이 본 발명의 무연합금은 고상온도가 200 ~ 210℃이며, 액상온도가 214 ~ 221℃로서 비교예의 땜납보다 훨씬 향상된 융점을 얻을 수 있다. 또한 갈륨의 추가로 인해 납땜강도 및 크리프수명이 증가하였고 본 발명의 무연합금은 기존의 땜납에 비하여 기계적 강도가 증가한 것을 알수 있다.

이렇게 제조된 무연합금은 일반 전자부품의 배선용으로 사용가능한 융점을 가질 뿐 아니라 응고범위가 좁아 단계적인 자동납땜에 매우 유리하며 종래의 Sn- Pb계보다 퍼짐성이 증가되는 특성을 갖는다.

0.001 ~ 3.0 중량%의 인(P)과 0.001~0.5중량%의 갈륨(Ga)을 첨가함으로써 용탕시 산소와 접촉되는 상층에 피막을 형성하여 첨가원소의 산화를 억제하므로 땜납시 발생되는 드로스양을 최소화할 수 있다.

소형분류납땜조에서, 납땜 10kg을 각반했을 때의 한시간 동안의 드로스 발생량을 표 2로 나타내었다.

본 실시예의 결과 종래의 무연합금 Sn-Ag-Cu에 P와 Ga을 첨가했을 때 고상선과 액상선의 변화없이 드로스량이 현저히 감소함을 알 수 있다.

<전기 저항 시험>

직경 0.8mm의 선(線)땜납 1미터를 4단자 측정법으로 측정한 결과 Sn의 저항값에 가까운 0.14Ω의 저항값을 얻었다. 저항값이 낮으면 전기의 전파속도가 올라가기 때문에 고주파 특성이 향상되고 음향특성도 변한다. 한편 Sn-Pb의 땜납의 전기저항은 0.17Ω이었다.)

<열 충격 시험>

-40~80 ℃에서 각 1시간의 열충격을 준 결과, 종래의 Sn-Pb 땜납의 500~600사이클보다 훨씬 우수한 1000사이클 이상의 내구성을 확인했다.

<침출 테스트>

260±2℃에서 용해하고 있는 땜납 조안에 RA타입의 야금을 붙인 직경 0.18mm의 동선을 담그고 흔들면서 선재가 잠식되어 없어질 때까지의 시간을 스탑와치로 측정하였더니, 종래의 Sn-Pb 땜납에서 약 1분안에 침출된 반면 본실시예에서는 약 2분안에 침출되었다. 이러한 차이는 본실시예의 땜납에 적정량의 구리(Cu)가 첨가되어 있기 때문이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 무연합금은 종래 Sn-Pb계 땜납에 비하여 납이 함유되어 있지 않아 작업환경을 개선시킴은 물론 환경오염을 방지하게 된다.

갈륨의 추가로 인하여 융점의 저하 및 무연합금의 기계적 특성을 증가시키고 산화방지 효과를 기할 수 있다. 또 인을 첨가함으로써, 용탕시 산소와 접촉되는 상층에 피막을 형성하여 첨가원소의 산화를 억제하므로 땜납시 발생되는 드로스양을 최소화할 수 있고, 은을 추가함으로써 무연합금과 모재합금과의 접합강도를 상승하게 하며, 땜납의 융점을 낮출 수 있게 된다. 또 구리를 추가함으로써 합금의 조직을 미세화하여 접합강도를 향상시키는 동시에 전자부품이나 인쇄회로기판의 침식을 억제할 수 있다. 또한 전기저항이 낮아서 전기의 전파속도가 올라가기 때문에 고주파 특성이 향상되며 종래의 Sn-Pb계 땜납보다 열충격에 대한 내구성이 우수하다. 또한 납을 사용하지 않고도 기존의 땜납과 거의 유사한 융점을 갖게 되므로 Sn-Pb계 땜납을 사용하던 장비를 그대로 사용할 수 있게 됨은 물론 무연합금의 사용량을 최소화하게 되므로 매우 경제적인 효과를 얻게 된다.

Claims

은(Ag) 0.1~2.0중량% 과 구리(Cu) 0.1~3.0중량% 와 인(P) 0.001~3.0중량% 과 나머지는 주석(Sn)으로 조성된 납땜용 무연합금에 있어서,

상기 무연합금은 갈륨(Ga) 0.001~0.5중량% 을 포함하는 것을 특징으로 하는 납땜용 무연합금.