KR100561525B1

KR100561525B1 - 무연솔더합금 및 이를 이용한 코일부품

Info

Publication number: KR100561525B1
Application number: KR1020027014275A
Authority: KR
Inventors: 이즈미다고이치; 다카노유키; 아베히토시; 모리바야시토시유키; 하지오고이치; 다케나카쥰이치
Original assignee: 스미다 코포레이션; 가부시키가이샤 니혼겐마
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2006-03-16
Also published as: KR20030014390A

Abstract

구리 또는 구리를 함유한 합금을 심선으로 하는 절연피막도체를 사용한 전자부품에 있어서의 상기 도체의 납땜시의 단선사고를 예방한다.

5.3 내지 7.0 wt%의 구리(Cu)와, 0.1 내지 0.5 wt% 미만의 니켈(Ni)을 함유하고, 나머지가 주석(Sn)인 무연솔더(solder)합금을 400℃ ~ 480℃의 범위로 용융하여 구리를 모재로 하는 절연피막도체의 접속부의 납땜을 한다.

무연솔더합금, 구리, 주석, 니켈, 절연피막재

Description

무연솔더합금 및 이를 이용한 코일부품{Unleaded solder alloy and coil components using it}

본 발명은, 납(Pb)을 포함하지 않는 솔더(solder)합금, 즉, 무연솔더합금과 이를 이용한 전자부품(특히, 코일부품)에 관한 것이다.

종래, 전자부품의 내부에서의 전기적 접속 또는 전자부품을 회로기판에 접속하기 위한 솔더로서 납을 많이 함유한 주석(Sn)-납(Pb) 계의 솔더(solder)합금이 많이 사용되고 있다.

근래, 납의 유해성이 문제시되어, 그 사용을 법적으로 제한하는 것이 검토되고 있다. 때문에, Sn-Pb 계의 솔더합금에 대신하는 것으로서 납의 함유량을 극단적으로 작게 한 솔더합금 또는 납성분을 전혀 포함하지 않는 무연솔더합금의 개발이 급한 실정이다.

무연솔더합금의 예로서는, 일본국 특허 제3036636호 및 미국특허 제4758407호를 들 수 있다.

일본국 특허 제3036636호는, 전자부품을 전자기기의 회로기판에 접착하기 위 한 무연솔더합금에 관한 것으로서, 주석(Sn)-구리(Cu)합금의 구리성분의 일부를 니켈(Ni)로 치환한 것으로서, 그 성분비를 Cu : 0.05 ~ 2.0 wt%, Ni : 0.001 ~ 2.0 wt%, Sn : 나머지로 함으로써 상기 접착부분의 기계적 강도를 높이는 것을 목적으로 하고 있다.

또한, 미국특허 제4758407호는, 수도배관에 사용되고 있는 연관으로부터 음료수에 납이나 카드뮴이 용출되는 것을 방지하기 위해, 수도배관으로서 동관, 놋쇠관을 사용할 것을 제창하고 있고, 이 특허발명은 이들 동관, 놋쇠관 및 이들을 잇기 위한 접속 슬리브를 용접하기 위한 솔더합금에 관한 것이다.

한편, 이 솔더(solder)합금의 주성분은 주석(Sn) 또는 주석(Sn)과 안티모니(Sb)로서, 어느 쪽의 솔더합금도 납(Pb) 및 카드뮴(Cd)을 함유하지 않도록 되어 있다.

여기서, 주석을 주로 한 솔더합금의 조성은, Sn : 92.5 ~ 96.9 wt%, Cu : 3.0 ~ 5.0 wt%, Ni : 0.1 ~ 2.0 wt%, Ag : 0.0 ~ 5.0 wt% 이다.

또한, 주석/안티모니를 주로 한 솔더합금의 조성은, Sn : 87.0 ~ 92.9 wt%, Sb : 4.0 ~ 6.0 wt%, Cu : 3.0 ~ 5.0 wt%, Ni : 0.0 ~ 2.0 wt%, Ag : 0.0 ~ 5.0 wt% 로 되어 있다.

한편, 일본국특허 제3036636호의 솔더합금의 용융온도는 230℃ 전후로서, 이 솔더합금은 상술한 바와 같이 전자부품을 회로기판의 도체부에 접착하기 위한 것이기 때문에 그 용융온도(리플로우시의 온도)는 가능한 한 낮은 편이 바람직하다.

또한, 미국특허 제4758407호의 솔더합금의 용융온도는 240℃ 전후로부터 330 ℃ 전후이지만 이 솔더합금은, 예를 들어, 가정용급탕기의 급수배관으로 이용하는 동관, 놋쇠관 및 이들의 슬리브의 용접에 사용되는 것이기 때문에, 용접시의 작업성등을 고려할 경우, 그 솔더합금의 용융온도는 낮은 편이 좋다.

그런데, 전자부품 중에는 선형상 또는 가느다란 띠 형상의 전기도체(이하 권선재라고 함)를 감아서 형성한 고주파 코일이나 트랜스(이하 코일부품이라고 함)가 있다. 그래서, 이들 코일부품의 권선재로서는, 구리심선에 에나멜이나 우레탄을 도포하여 절연피막을 만든 전선이 사용되고 있다.

상기 코일부품에 있어서, 보빈등에 감은 권선재의 시작부분과 끝부분의 각 단말부와 그 보빈의 하단에 설치한 단자핀등의 전극부를 전기적으로 접속하기 위해서는 납땜을 할 필요가 있다.

단자등에 납땜을 하여 전기적으로 접속하기 위해서는, 상기 전선의 선단의 절연피막재를 제거할 필요가 있다. 일반적으로, 절연피막재를 제거하는 방법으로서는, 기계적으로 깎아내는 방법, 약품에 의해 용해하는 방법, 고온가열에 의해 분해하거나 용해하거나 하는 방법이 있다.

그리하여, 종래부터 많은 경우, 고온가열에 의한 방법이 채용되고 있다.

예를 들어, 상기 코일부품을 제조하기 위해서는, 권선재의 시작부분과 끝부분의 각 단말부를 그 보빈의 하단에 설치된 단자핀등의 전극부에 감아준 후에, 이 감김부분을 고온으로 가열한 납땜액속에 침지함으로써 이루어진다. 즉, 납땜과 동시에 상기 권선재의 절연피막재를 제거하는 것이 일반적이다.

납땜할 때, 구리성분을 포함하지 않는 무연솔더합금을 사용한 경우, 전선의 선단이 용융솔더(솔더액)에 접속되어 있을 때, 모재인 구리가 솔더액중에 용해되어 가늘어지는 「동식(銅蝕)」이라고 불리우는 현상이 일어난다. 이 동식현상은 상기 코일부품과 같은 전자부품에 단선사고를 일으키는 커다란 요인이 되고 있다.

이 현상은 솔더의 용융온도가 높을수록 상기 솔더액중에 녹아들어간 구리의 양이 많게 되고, 또한, 구리가 녹는 속도도 빨라진다. 따라서, 전선의 굵기가 가느다랗게 됨에 따라 상기 단선사고가 일어나기 쉽다. 한편, 동식현상을 방지하기 위해, 일반적으로 상기 무연솔더합금에 미량의 구리를 첨가하는 수단이 알려져 있으나, 구리의 함유량이 너무 많아지면, 용융솔더(솔더액)의 점성이 강해져서, 납땜을 할 부위에 필요 이상의 솔더가 부착되어 고드름 형상으로 흘러내리는 현상이나 남은 솔더가 인접하는 부위에 걸쳐진 상태로 부착되는 브릿지 현상이 생긴다. 그 외에도, 구리의 함유량이 너무 많아지면, 도금두께(솔더 부착량)가 불균일하게 되어, 젖음성(또는 흐름성)이 나쁘게 되는 등의 문제가 발생한다.

또한, 용융솔더의 용융온도가 낮으면 에나멜이나 우레탄 등의 절연피막재가 완전히 용해되지 않아, 납땜이 불완전하게 되어, 도통불량을 일으키는 원인이 된다. 나아가, 상기 무연솔더합금의 용융온도가 구리의 함유량의 증가와 함께 높아지게 된다.

-발명의 개시-

본 발명의 첫번째는 5.3 내지 7.0 wt%의 구리(Cu)와, 0.1 내지 0.5 wt% 미만 의 니켈(Ni)을 함유하고, 나머지가 주석(Sn)인 무연솔더합금을 제공한다.

또한, 본 발명의 두번째는 심부(芯部)가 구리 또는 구리를 함유한 합금으로 구성되고, 그 심부에 절연피막을 씌운 도체를 사용한 전자부품에 있어서, 상기 도체를 또는 상기 도체와 그 전자부품의 다른 부위를 상기 5.3 내지 7.0 wt%의 구리(Cu)와, 0.1 내지 0.5 wt% 미만의 니켈(Ni)을 포함하고, 나머지가 주석(Sn)인 무연솔더합금에 의해 납땜된 것을 특징으로 하는 전자부품을 제공하는 것으로서, 이들에 의해, 상기 전자부품의 동식현상에 기인하는 단선사고를 예방한다.

본 발명의 세번째는, 두번째의 발명에 있어서, 상기 전자부품의 납땜시에, 상기 무연솔더합금의 용융온도를 400℃ 내지 480℃로 설정함으로써 상기 도체의 절연피막을 확실히 용해시키는 것을 특징으로 하고 있다.

도면 1은 코일부품의 일예를 나타낸 설명도이다.

-발명을 실시하기 위한 최량의 형태-

상술한 바와 같이, 전자부품 중에는 선 또는 가느다란 띠 형상의 전기도체(이하, 권선재라고 함)를 감아서 형성한 고주파 코일이나 트랜스(이하, 코일부품이라고 함)가 있다. 그리하여, 이들 코일부품의 권선재로서는, 구리심선에 에나멜이나 우레탄을 도포하여 절연피막을 씌운 전선이 사용되고 있다.

권선재로서, 구리심선에 에나멜이나 우레탄을 도포하여 절연피막을 씌운 전선을 사용한 코일부품의 일예를 도 1에 나타내었다.

도 1에 있어서, 1은 코일부품, 2는 보빈으로서, 본 실시예에서는 훼라이트로 일체적으로 형성되어 있다. 3은 구리심선에 에나멜이나 우레탄의 절연피막을 하여 형성된 권선재, 4는 상기 권선재(3)를 상기 보빈(2)의 몸통부에 감은 권선부, 5는 상기 보빈(2)의 하단에 매설한 단자핀, 6은 권선부(4)의 시작부 또는 마지막부의 인출단말로서 상기 단자핀(5)에 감겨서 전기적으로 접속되어 있다.

상기 단자핀(5)은 코일부품(1)을 회로기판(도시안됨)의 회로도체와 전기적으로 접속하기 위한 것이다. 상기 단자핀(5)에는 강철심선의 표면에 구리도금을 한 강철도선(HCP 선)이 많이 사용되고 있다.

여기서, 권선부(4)와 단자핀(5)을 전기적으로 접속하기 위해서는, 감김부(7)가 되는 인출단말(6)의 선단의 절연피막재를 제거할 필요가 있다. 상술한 바와 같이, 상기 권선재(3)의 절연피막재를 제거하는 방법으로서는, 기계적으로 깎아내는 방법, 약품에 의해 용해하는 방법, 고온가열에 의해 분해하거나 용해하는 방법이 있으나, 본 발명에 있어서는 고온가열에 의한 방법을 채용한다.

즉, 보빈(2)의 몸통부에 감은 권선부(4)의 인출단말(6)을 단자핀(5)에 감아준 후, 상기 감김부(7)를 솔더조내에 침지시킴으로써, 솔더액의 열로 그 절연피복전선의 피복재를 용해하여 제거하고, 동시에 납땜한다.

발명자들이 주석에 구리를 첨가한 무연솔더합금을 써서, 코일부품에 대하여 실험한 바, 납땜온도(솔더의 용융온도)가 350℃ 이하에서는 동선의 에나멜 피막을 완전히 제거할 수 없었다.

실험예

표 1은, 직경 0.4㎜의 에나멜 피복동선을 용융솔더액에 침지한 때의, 납땜온도와 납땜후의 동선직경의 관계를 보여주는 측정결과로서, 솔더합금의 조성함유량과 납땜온도 및 동식의 대소 및 납땜면의 상태의 관계 데이터를 나타낸다. 표 1의 「동식의 대소」는 에나멜 피막동선의 납땜 전의 도선직경(0.4㎜)을 기준으로 한 것으로서, 이것보다 10% 감소한 때를 「대」, 5% 이상 ~ 10% 미만 감소한 때를 「중」, 0 ~ 5% 미만 감소한 때를 「소」로 했다. 또한, 「비대」라는 것은 동선직경이 상기 기준치보다 증대된 때를 의미한다.

솔더조성 (Cu:4.0-8.0wt% Ni:0.0-0.6wt% Sn:나머지)	납땜온도(℃)	0.4㎜ 에나멜 피막동선의 납땜 후 직경(㎜)	동식의 대소	납땜면의 상태
Sn- 4Cu	480	0.302	대
Sn- 5.3Cu	480	0.343	대	두께불균일
Sn- 6Cu	480	0.349	대
Sn- 7Cu	480	0.360	대
Sn- 8Cu	480	0.365	중
Sn- 4Cu	450	0.345	대
Sn- 5.3Cu	450	0.356	대
Sn- 6Cu	450	0.370	중
Sn- 7Cu	450	0.391	소	두께불균일
Sn- 8Cu	450	0.408	약간비대	고드름
Sn- 4Cu	400	0.365	중
Sn- 5.3Cu	400	0.370	중
Sn- 6Cu	400	0.380	중
Sn- 7Cu	400	0.409	약간비대	고드름
Sn- 8Cu	400	0.417	비대	고드름
Sn- 4Cu-0.2Ni	480	0.320	대
Sn- 5.3Cu-0.1Ni	480	0.352	대
Sn- 5.3Cu-0.2Ni	480	0.359	대
Sn- 5.3Cu-0.5Ni	480	0.372	중
Sn- 5.3Cu-0.6Ni	480	0.374	중
Sn- 6Cu-0.1Ni	480	0.386	소
Sn- 6Cu-0.2Ni	480	0.382	소
Sn- 6Cu-0.5Ni	480	0.389	소
Sn- 6Cu-0.6Ni	480	0.395	소
Sn- 7Cu-0.1Ni	480	0.382	소
Sn- 7Cu-0.2Ni	480	0.378	중
Sn- 7Cu-0.5Ni	480	0.395	소
Sn- 7Cu-0.6Ni	480	0.411	비대
Sn- 8Cu-0.6Ni	480	0.418	비대
Sn- 5.3Cu-0.1Ni	450	0.378	중
Sn- 5.3Cu-0.2Ni	450	0.379	중
Sn- 5.3Cu-0.5Ni	450	0.383	소
Sn- 5.3Cu-0.6Ni	450	0.381	소
Sn- 6Cu-0.1Ni	450	0.382	중
Sn- 6Cu-0.2Ni	450	0.385	소

Sn- 6Cu-0.5Ni	450	0.392	소
Sn- 6Cu-0.6Ni	450	0.399	소
Sn- 7Cu-0.1Ni	450	0.380	중
Sn- 7Cu-0.2Ni	450	0.387	소
Sn- 7Cu-0.5Ni	450	0.395	소
Sn- 7Cu-0.6Ni	450	0.410	비대	고드름
Sn- 5.3Cu-0.1Ni	400	0.378	중
Sn- 5.3Cu-0.2Ni	400	0.384	소
Sn- 5.3Cu-0.5Ni	400	0.387	소
Sn- 5.3Cu-0.6Ni	400	0.387	소
Sn- 6Cu-0.1Ni	400	0.392	소
Sn- 6Cu-0.2Ni	400	0.389	소
Sn- 6Cu-0.5Ni	400	0.390	소
Sn- 6Cu-0.6Ni	400	0.410	비대
Sn- 7Cu-0.1Ni	400	0.381	소
Sn- 7Cu-0.2Ni	400	0.392	소
Sn- 7Cu-0.5Ni	400	0.405	소
Sn- 7Cu-0.6Ni	400	0.418	비대	고드름
Sn- 8Cu-0.6Ni	400	0.423	비대	두께불균일

상기 표 1의 실험예로부터 명백하듯이 주석-구리만의 솔더합금에서는, 구리의 함유량이 적을수록 동식의 비율이 크고, 예를 들어, 구리의 함유량 4wt%에서 나머지가 주석인 경우, 에나멜 피막동선의 직경은 24.5% 감소하였다.

또한, 주석-구리만의 솔더합금에서 구리의 함유량을 늘려가면 솔더의 용융온도가 낮은 영역에서는 용융솔더의 점성이 커져서 납땜부의 두께가 불균일하게 되어, 에나멜 피막도선의 직경이 기준치보다 비대하여 굵게 되거나, 여분의 솔더가 흘러 내리는 고드름 현상이 생겼다.

또한, 주석에 구리를 7wt% 첨가한 Sn-7Cu 및 주석에 구리를 8wt% 첨가한 Sn-8Cu 솔더합금에 있어서는, 용융온도 400℃ 일때, 고드름 현상이 발생했다. 이에 대해, 주석에 구리 5.3wt%와 니켈 0.2%를 첨가한 솔더합금(Sn-5.3 Cu-0.2 Ni)에서는, 용융온도 400℃에서 에나멜 피막도선의 직경이 기준치보다 4% 정도밖에 감소하지 않아서, 동식의 비율을 대표적으로 작게 할 수 있었고, 또한, 젖음성도 개선되었 다. 또한, 납땜부의 기계적 강도를 높일 수 있었다.

더욱이, 구리의 함유량이 소정량을 넘은 영역에서 니켈의 첨가량이 소정의 범위를 넘으면, 구리-니켈의 석출물이 용융솔더 중에 부유하여, 납땜부의 표면에 상기 석출물이 부착되기 때문에, 납땜부의 표면에 미세한 요철이 생겨서 거칠어진 상태가 되고, 솔더의 두께가 균일하지 않아, 브릿지 현상이나 고드름 현상이 일어나기 쉬우며, 또한 젖음성이 악화된다고 하는 좋지 않은 상황이 발생했다. 이러한 현상은 솔더합금의 용융온도가 낮은 영역에서 발생하기 쉽다는 것이 판명되었다.

다음에, 직경 0.7㎜의 HCP 선(불이 전선제품)을 반복하여 납땜했을 때, 표면광택이 검게 변화하기 까지의 납땜횟수를 표 2에 나타내었다.

솔더조성	납땜온도(℃)	반복 납땜했을 때의 단자 표면이 변색하기까지의 횟수	고드름발생상황
Sn- 4Cu	480	3	없음
Sn- 5.3Cu	480	3	없음
Sn- 6Cu	480	4	없음
Sn- 7Cu	480	5	없음
Sn- 8Cu	480	6	없음
Sn- 5.3Cu	450	5	없음
Sn- 6Cu	450	6	없음
Sn- 7Cu	450	9	없음
Sn- 8Cu	450	14	없음
Sn- 4Cu	400	4	없음
Sn- 5.3Cu	400	5	없음
Sn- 6Cu	400	5	없음
Sn- 7Cu	400	17	없음
Sn- 8Cu	400	20 이상	없음
Sn- 4Cu-0.1Ni	480	4	없음
Sn- 4Cu-0.2Ni	480	3	없음
Sn- 5.3Cu-0.1Ni	480	3	없음
Sn- 5.3Cu-0.2Ni	480	5	없음

Sn- 5.3Cu-0.5Ni	480	7	없음
Sn- 5.3Cu-0.6Ni	480	7	없음
Sn- 6Cu-0.1Ni	480	7	없음
Sn- 6Cu-0.2Ni	480	9	없음
Sn- 7Cu-0.1Ni	480	8	없음
Sn- 7Cu-0.2Ni	480	9	없음
Sn- 7Cu-0.5Ni	480	10	없음
Sn- 7Cu-0.6Ni	480	10	없음
Sn- 8Cu-0.6Ni	480	15이상	없음
Sn- 5.3Cu-0.1Ni	450	6	없음
Sn- 5.3Cu-0.2Ni	450	7 ~ 20	없음
Sn- 6Cu-0.1Ni	450	13	없음
Sn- 6Cu-0.2Ni	450	20 이상	없음
Sn- 7Cu-0.1Ni	450	20 이상	없음
Sn- 7Cu-0.2Ni	450	20 이상	없음
Sn- 5.3Cu-0.1Ni	400	20 이상	없음
Sn- 5.3Cu-0.2Ni	400	20 이상	없음
Sn- 6Cu-0.1Ni	400	20 이상	없음
Sn- 6Cu-0.2Ni	400	20 이상	없음
Sn- 7Cu-0.1Ni	400	20 이상	없음
Sn- 7Cu-0.2Ni	400	20 이상	없음
Sn- 7Cu-0.5Ni	400	20 이상	없음
Sn- 7Cu-0.6Ni	400	20 이상	있음
Sn- 8Cu-0.6Ni	400	20 이상	있음

상술한 바와 같이, 상기 HCP 선은 강철심선의 표면에 구리도금을 한 강철도선으로서, 도 1의 코일부품(1)의 단자핀(5) 기타의 전자부품의 단자도체로서 이용되고 있는 것이다.

표 2는, HCP 선의 구리도금이 벗겨져서 바탕인 강선부분이 표출되기까지의 횟수와 솔더합금의 조성 및 납땜시의 온도와의 관계를 나타낸 것으로서, 상기 횟수가 많을수록 구리도금이 벗겨지는 정도가 적은 것, 바꾸어 말하면, 동식이 일어나는 비율 및 동식의 양이 작은 것을 나타내고 있다.

특히, 니켈은 적당히 첨가했을 때는, 납땜시의 온도가 높은 영역에서도 동식이 일어나기 어렵다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 무연솔더합금은, 위에서 설명한 바와 같이, 납땜시의 온도가 높은 영역에서도 동식이 일어나기 어렵고, 또한 그 동식에 의한 구리의 감소량을 적게 할 수 있다.

따라서, 구리 또는 구리를 함유한 합금을 심선으로 하는 절연피막도체를 사용한 전자부품의 납땜시의 단선사고를 예방할 수 있고, 특히 절연피막도체의 굵기가 가느다란 것에 대해 현저한 효과가 있다.

또한, 고온에서 납땜함으로써 상기 절연피막도체의 절연피막재를 확실히 용해시킬 수 있으므로 절연피막재의 찌꺼기에 의한 도통불량을 방지할 수 있다.

Claims

5.3 내지 7.0 중량% 의 구리(Cu)와, 0.1 내지 0.5 중량% 미만의 니켈(Ni)을 함유하고, 나머지가 주석(Sn)이며, 400℃ 내지 480℃의 용융 온도에서 침지 용도로 사용되는, 무연솔더(solder)합금.
심부가 구리 또는 구리를 함유한 합금으로 구성되고, 그 심부에 절연피막을 한 도체를 권선하여 사용한 코일부품에 있어서, 상기 도체들 또는 상기 도체와 그 코일부품의 부위를, 5.3 내지 7.0 중량%의 구리(Cu)와, 0.1 내지 0.5 중량% 미만의 니켈(Ni)을 함유하고 나머지가 주석(Sn)인 무연솔더합금에 의해, 침지 납땜한 것을 특징으로 하는, 코일부품.
제2항에 있어서, 5.3 내지 7.0 중량% 의 구리(Cu)와, 0.1 내지 0.5 중량% 미만의 니켈(Ni)을 함유하고, 나머지가 주석(Sn)인 무연솔더합금을 400℃ 내지 480℃로 용융시켜서 납땜한 것을 특징으로 하는, 코일부품.