KR100445350B1

KR100445350B1 - 납땜용 무연합금

Info

Publication number: KR100445350B1
Application number: KR1020030024320A
Authority: KR
Inventors: 윤원규; 김관수
Original assignee: 희성금속 주식회사
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-08-26

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 구리(Cu)가 0.1~ 2.0 중량% 이고, 니켈(Ni)이 0.02 ~ 1.0 중량%이고, 인(P)이 0.002 ~ 1.0중량%, 갈륨이 0.01 ~ 1.0중량%이며 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 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 미치는 문제점들이 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 불순물에 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 구리(Cu), 니켈(Ni), 인(P), 갈륨(Ga)을 첨가하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 인을 첨가했을때 분류시간에 대한 드로스량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

본 발명에 의한 무연합금은 구리(Cu)가 0.1 ~ 2.0 중량% 이고, 니켈(Ni)이 0.02 ~ 1.0 중량%이고, 인(P)이 0.002 ~ 1.0중량%, 갈륨이 0.01 ~ 1.0중량%이며 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것이다.

주석(Sn)은 자체 독성이 없고 접합모재에 대하여 젖음성을 제공하는 역할을하는 땜납기재의 필수 금속이다.

구리(Cu)는 무연합금에 첨가되어 합금의 조직을 미세화하여 접합강도를 향상시키는 동시에 전자부품이나 인쇄회로기판의 침식을 억제하는 역할을 하며 본 발명의 실시예에는 0.1~ 2.0 중량%가 함유되고 구리 함유량이 0.1중량% 미만이면 저융점화의 효과가 미미하게 되고 2.0 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 0.002 ~ 1.0중량%가 함유된다.

발명에서 구리(Cu)와 주석(Sn)의 반응결과로서 Cu6Sn5 등과 같은 중간생성물이 생성되고, 이러한 중간 생성물은 녹는점이 고온이므로 땜납의 흐름성을 방해하고 합금작용을 감소시킨다. 따라서 이를 해결하기 위해 0.02~1.0 중량%의 니켈(Ni)이 첨가되어 주석과 구리 금속간 화합물과 협력하여 이 화합물을 용해시킨다. 또한 니켈의 첨가에 의해 무연합금 자체는 매끄러운 표면구조를 갖게 되고 이것은 고체화된 후에도 유지되므로 퍼짐성이 개선된다.

그리고 상기의 무연합금에 0.01~ 1.0중량% 갈륨(Ga)이 첨가되어 융점을 저하시키고 기계적 특성을 증가시킨다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명하고자 한다.

구리가 0.5중량%, 니켈이 0.05중량%, 인이 0.08중량%, 갈륨이 0.5중량%, 나머지가 주석인 무연합금을 제조하였다.

구리가 0.8중량%, 니켈이 0.7중량%, 인이 0.8중량%, 갈륨이 1.0중량%, 나머지가 주석인 무연합금을 제조하였다.

비교예로 주석이 63중량%, 납이 37중량%인 땜납을 제조하였다.

상기 표에서와 같이 본 발명의 무연합금은 고상온도가 200 ~ 209℃이며, 액상온도가 212 ~ 216℃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.

이하에서는 Ni의 첨가에 의한 작업성의 개선 및 경도에 대하여 비교하기로 한다. Ni의 첨가의 결과를 퍼짐성시험, 젖음성시험, 경도시험으로 비교평가하였다.

(1) 퍼짐성 시험

*단 평균치는 최대치와 최소치를 제외한 시험조각의 평균치이다.

시험조건 : 30sec, HR - 19MF 사용, 산화동판으로 250℃ 가열

위의 실시예에서 퍼짐성 시험 결과, 종래의 무연합금에 Ni을 첨가함으로써 퍼짐성이 개선됨을 알 수 있다.

(2) 젖음성 시험

시험방법 : 메니스크그래프에 의한 제로크로스타입의 측정

시험조건 : 250℃, HR - 19MF ×도포, 동판(10mm×0.3)

침적시간 10sec, 침적깊이 2mm, 속도 16mm/sec

종래의 합금에 Ni을 첨가하여 젖음성 시험을 한 결과 Ni의 첨가에 의해 젖음성은 개선되었음을 알 수 있다.

(3) 경도

종래의 무연합금에 Ni을 첨가한 결과 Ni 0.1 ~ 0.15 %중량 부근에서 부드러운 합금이 되고 있으며 0.05%중량이 최적임을 알 수 있다.

이상과 같은 시험결과에 의해 Ni의 첨가는 분명히 종래의 무연합금의 작업성을 개선하는 효과가 있다는 것이 판명되었다.

또한 Ni 이외에도 0.002 ~ 1.0 %중량 인(P)을 첨가함으로써 용탕시 산소와 접촉되는 상층에 피막을 형성하여 첨가원소의 산화를 억제하므로 땜납시 발생되는 드로스양을 최소화할 수 있다.

소형분류납땜조에서, 납땜 10kg을 각반했을 때의 한시간동안의 드로스 발생량을 표 5로 나타내었다.

본 실시예의 결과 종래의 무연합금 Sn-Cu-Ni에 P를 첨가했을 때 고상선과 액상선의 변화없이 드로스량이 현저히 감소함을 알 수 있다.

또한 도 1과 도 2에서 나타내는 바와 같이 Sn-Cu-Ni-P의 분류실험 결과 인을 첨가함으로써 종래의 무연합금에 비해 드로스 발생량이 감소함을 알 수 있으며 특히 P의 농도가 0.008%중량일 때 최적임을 알 수 있다.

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

상기 실시예에서와 같이 니켈의 첨가에 의해 무연합금 자체는 매끄러운 표면구조를 갖게 되고 이것은 고체화된 후에도 유지되므로 퍼짐성이 개선되며 또한 젖음성이 개선됨으로써 무연합금의 작업성과 경도가 개선되는 효과가 있고 갈륨의 추가로 인하여 융점의 저하 및 무연합금의 기계적 특성을 증가시킬 수 있다. 또 인을 첨가함으로써, 용탕시 산소와 접촉되는 상층에 피막을 형성하여 첨가원소의 산화를 억제하므로 땜납시 발생되는 드로스양을 최소화할 수 있다.

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

구리(Cu)가 0.1 ~ 2.0 중량% 이고, 니켈(Ni)이 0.02 ~ 1.0 중량%이고, 인(P)이 0.002 ~ 1.0중량%, 갈륨이 0.01 ~ 1.0중량%이며 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것을 특징으로 하는 납땜용 무연합금.
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