KR100621387B1 - 무납 땜납 합금 및 이를 사용한 전자부품 - Google Patents

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Abstract

구리 또는 구리의 합금을 코어선으로 하는 절연피막 전선으로 구성되며 인접하는 단자 사이의 간격이 좁은 전자부품에서, 상기 절연피막 전선과 상기 단자를 납땜할 때에 단선을 방지하고 또한 단자 사이가 단락되는 브릿지 현상 발생을 방지한다.
구리(Cu): 3.0∼5.5wt%, 니켈(Ni): 0.1∼0.5wt% 및 게르마늄(Ge): 0.001∼0.1wt%를 함유하며 잔부가 주석(Sn)으로 이루어진 무납 땜납 합금으로 구리를 모재로 하는 절연피막 전선과 단자부(접속부)를 납땜한다.

Description

무납 땜납 합금 및 이를 사용한 전자부품{NONLEADED SOLDER ALLOY AND ELECTRONIC PARTS USING IT}
본 발명은 납(Pb)을 함유하지 않은 땜납 합금, 즉 무납 땜납 합금과 이를 사용한 전자부품에 관한 것이다.
종래에 전자부품 내부에서의 전기적 접속 또는 전자부품을 회로기판에 접속시키기 위한 땜납으로서 납을 많이 함유한 주석(Sn)-납(Pb)계 땜납 합금이 많이 사용되었다.
최근 납의 유해성이 문제시되어 그 사용을 법적으로 제한하는 것이 검토되고 있다. 그래서, Sn-Pb계 땜납 합금을 대신하는 것으로서 납 함유량을 극단적으로 적게 한 땜납 합금 또는 납 성분을 전혀 함유하지 않은 무납 땜납 합금이 서둘러 개발되고 있다.
무납 땜납 합금의 예로는 예컨대 일본특허 제 3036636 호 및 미국특허 제 4758407 호를 들 수 있다.
일본특허 제 3036636 호는 전자부품을 전자기기의 회로기판에 접착시키기 위한 무납 땜납 합금에 관한 것으로, 주석(Sn)-구리(Cu) 합금의 구리 성분의 일부를 니켈(Ni)로 치환한 것으로, 그 성분비를 Cu: 0.005∼2.0wt%, Ni: 0.001∼2.0wt%, Sn: 잔부로 함으로써, 상기 접착부분의 기계적 강도를 높이는 것을 목적으로 한다.
이 땜납 합금은 상기 기술한 바와 같이 전자부품을 회로기판의 도체부에 접착시키기 위한 리플로에 사용되고 있고, 그 사용 온도(납땜할 때의 온도)는 230℃ 정도이다.
또, 미국특허 제 4758407 호는 수도배관에 사용하는 납관으로부터 음료수에 납이나 카드뮴이 용출되는 것을 방지하기 위해서, 수도배관으로서 구리관, 놋쇠관을 사용하는 것을 제창하고 있으며, 이 특허는 이들 구리관, 놋쇠관 및 이들을 다 잇기 위한 접속 이음매를 용접시키기 위한 땜납 합금에 관한 것이다.
그리고, 이 땜납 합금의 주성분은 주석(Sn) 또는 주석(Sn)과 안티몬(Sb)이며, 어느 땜납 합금도 납(Pb) 및 카드뮴(Cd)을 함유하지 않는다.
여기서, 주석 주체의 땜납 합금 조성은 Sn: 92.5∼96.9wt%, Cu: 3.0∼5.0wt%, Ni: 0.1∼2.0wt%, Ag: 0.0∼5.0wt%이다.
또, 주석-안티몬 주체의 땜납 합금 조성은 Sn: 87.0∼92.9wt%, Sb: 4.0∼6.0wt%, Cu: 3.0∼5.0wt%, Ni: 0.0∼2.0wt%, Ag: 0.0∼5.0wt%가 된다.
또한, 이 땜납 합금의 용융온도는 240℃ 전후 내지 330℃ 전후인데, 이 땜납 합금은 예컨대 가정용 급탕기의 급수배관으로 이용하는 구리관, 놋쇠관 및 이들 이음매 용접에 사용하는 것이기 때문에, 용접할 때의 작업성 등을 고려한 경우 이 땜납 합금의 용융 온도는 낮은 것이 바람직하다.
그러나, 전자부품 중에는 선 형상 또는 가는 띠 형상의 전기도체(이하, 권선재라고 함)를 감아 형성한 고주파 코일이나 트랜스(이하, 코일 부품이라고 함)가 있다. 그리고, 이들 코일 부품의 권선재로는, 구리 코어선에 에나멜이나 우레탄 등을 도포하여 절연피막을 실시한 절연피막 전선이 사용되고 있다.
상기 코일 부품에서 보빈 등에 감은 권선재의 인출 단말부는 보빈에 설치된 단자 등의 전극부와 전기적으로 접속하기 위한 납땜이 행해진다. 단자 등과 권선재의 인출선 단말부를 납땜으로 전기적으로 접속시키기 위해서는, 상기 인출선 단말부의 절연피막재를 제거할 필요가 있다. 일반적으로, 상기 절연피막 전선의 절연피막재를 제거하는 방법으로는, 기계적으로 절삭하는 방법, 약품으로 용해하는 방법, 고온 가열로 분해하거나 용해하거나 하는 방법이 있다.
종래부터 많이 이용되어 온 방법은 고온 가열에 의한 방법이 채택되었다.
코일 부품은 권선재의 인출선 단말부를 단자에 결합시킨 후, 이 결합부분을 고온으로 가열된 땜납욕조 중에 침지시킴으로써 제조되고, 땜납액의 열로 권선재의 절연피막재를 용해 제거하는 동시에 납땜이 행해진다.
상기 인출 단말과 단자의 결합부를 납땜할 때에, 구리 성분을 함유하지 않은 무납 땜납 합금을 사용한 경우, 상기 결합부가 용융 땜납(땜납액)에 접촉되어 있는 동안 절연피막 전선(권선재)의 모재가 되는 구리가 땜납액 중에 용해되어 가늘어지는 「구리 부식」이라는 현상이 일어난다. 이 「구리 부식」 현상은 상기 코일 부품과 같은 전자부품에서 단선 사고를 유발시키는 큰 요인이 된다.
이 현상은 땜납액의 용융 온도가 높을수록 상기 땜납액 중에 용해되는 구리의 양이 많아지고, 또 구리가 녹는 속도도 빨라진다. 따라서, 권선재의 직경이 가늘어짐에 따라 상기 단선 사고가 잘 일어나게 된다.
한편, 「구리 부식」 현상을 방지하기 위해서 일반적으로 상기 무납 땜납 합금에 미량의 구리를 첨가하는 수단이 알려져 있는데, 구리 함유량이 너무 많아지면, 용융 땜납(땜납액)의 점성이 높아져 납땜할 때에 인접하는 단자 사이 등을 납땜하는 부분에 필요 이상으로 땜납이 부착되어 단자끼리 전기적으로 단락되는 브릿지 현상이 발생하거나 도금 두께(땜납의 부착량)가 불균일해지거나 웨트성이 나빠지거나 하는 문제점이 발생한다.
브릿지 현상은 전자부품이 소형화되어 인접하는 단자 사이의 간격(피치)이 좁아질수록 잘 일어나게 된다.
그러나, 상기 무납 땜납 합금의 「구리 부식」을 적게 하기 위해서, 용융 땜납의 용융 온도를 낮게 하면, 권선재의 인출 단말의 에나멜이나 우레탄 등의 절연피막재가 완전히 용해되지 않고 상기 결합부분에 상기 피복재의 잔사가 부착되어 납땜이 불완전해지므로 도통 불량을 일으키는 요인이 된다. 또, 상기 잔사는 상기 브릿지 발생의 요인이 되기도 한다.
본 발명자들은 이미 주석(Sn)에 적당량의 구리(Cu)와 니켈(Ni)을 첨가한 무납 땜납 합금에서 니켈(Ni)을 첨가함으로써 「구리 부식」을 예방할 수 있고, 또 이 무납 땜납 합금을 납땜한 후의 기계적 강도가 커지는 것을 발견하였다.
그러나, 이 무납 땜납 합금에서도 「구리 부식」 현상을 충분히 예방하기 위해서는, 구리 함유량을 많게 하는 것이 바람직하지만, 구리 함유량이 많아짐에 따라 땜납 합금을 용융할 때의 점성이 커져 땜납액이 잘 끊어지지 않게 된다. 따라서, 상기한 바와 같은 단자 사이의 간격(피치)이 좁은 소형의 코일 부품과 같은 전자부품을 납땜하는 경우에는 브릿지 현상이 잘 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 주석-구리-니켈계 무납 땜납 합금의 「구리 부식」을 억제하는 성질을 충분히 유지하는 동시에, 용융 땜납(땜납액)의 점성을 낮게 한 무납 땜납 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 구리(Cu): 3.0∼5.5wt%, 니켈(Ni): 0.1∼0.5wt% 및 게르마늄(Ge): 0.001∼0.1wt%를 함유하며 잔부가 주석(Sn)인 무납 땜납 합금에 관한 것이다.
또, 본 발명은 코어부가 구리 또는 구리를 함유한 합금으로 구성되고, 이 코어부에 절연피막을 실시한 도체를 사용한 전자부품에서, 상기 도체끼리 또는 상기 도체와 이 전자부품의 다른 부위를, 구리(Cu): 3.0∼5.5wt%, 니켈(Ni): 0.1∼0.5wt% 및 게르마늄(Ge): 0.001∼0.1wt%를 함유하며 잔부가 주석(Sn)인 무납 땜납 합금으로 납땜한 것을 특징으로 하는 전자부품에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 주석에 구리와 니켈을 첨가한 무납 땜납 합금에서, 니켈 첨가량을 일정한 범위로 하는 동시에, 구리 첨가량을 일정한 범위로 설정하고, 또한 일정한 범위의 게르마늄을 첨가함으로써, 무납 땜납 합금을 사용하여 코일 부품을 납땜할 때의 「구리 부식」 현상에서 기인하는 단선 사고를 예방하는 동시에, 상기 코일 부품의 단자 사이에서의 브릿지 현상 발생을 저감시킬 수 있는 무납 땜납 합금에 관한 것이다.
본 발명의 무납 땜납 합금은 인접하는 단자와의 간격이 좁고, 이른바 파인 피치의 전자부품, 특히 코어부가 구리 또는 구리를 함유한 합금으로 구성되고, 그 표면에 절연피막을 실시한 절연피막 도선을 사용한 전자부품의 상기 절연피막 도선끼리 또는 상기 절연피막 도선과 다른 부위의 납땜에 바람직하다.
도 1, 도 2 및 도 3은 코일 부품의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 1은 코일 부품의 이면을 나타낸다.
도 2는 단자의 전선 접속부를 나타내는 부분 확대도이다.
도 3은 땜납 브릿지 생성상태를 나타내는 부분 확대도이다..
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
권선재로서 구리 코어선에 에나멜이나 우레탄을 도포하여 절연피막을 실시한 절연피막 전선을 사용한 코일 부품의 일례를 도 1, 도 2 및 도 3에 나타낸다.
도 1, 도 2 및 도 3에서, 부호 1은 고주파 트랜스의 보빈이고, 대향하는 양단에는 단자대(2)를 구비하고 있다. 부호 3은 단자대(2)에 일정한 간격을 두고 병렬 설치된 단자, 4는 보빈(1)에 감긴 절연피막 전선(권선재), 5는 절연피막 전선(4)의 인출 단말이고, 각각 단자대(2)에 배열된 각 단자(3)의 근원부에 결합되어 있다. 인출 단말(5)과 단자(3)는 땜납(6)에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
도 3에서 Brd는 인접하는 단자(3) 사이에 땜납이 과잉으로 부착되어 생성되는 브릿지 상태를 나타낸다. 또, 상기 단자(3)에는 구리 코어선 표면에 구리 도금을 실시한 HCP 선 또는 철 코어선 표면에 구리 도금을 실시한 CP선이 많이 사 용되고 있다.
여기서, 단자(3)와 권선재의 인출 단말(5)을 전기적으로 접속시키기 위해서는, 이 인출 단말(5)의 절연피막재를 제거할 필요가 있다. 절연피막재를 제거하는 방법은 상기 기술한 바와 같이 기계적으로 절삭하는 방법, 약품으로 용해하는 방법, 고온 가열로 분해하거나 용해하거나 하는 방법이 있다. 본 발명에서는 고온 가열로 용해 제거하는 방법이 채택된다.
즉, 권선재(4)의 인출 단말(5)을 단자(3)에 결합시킨 후, 이 결합부분을 땜납 용액에 침지시킴으로써, 권선재의 절연피막을 용해 제거하는 동시에 납땜을 행하는 것이다.
실시예
표 1은 도 1, 도 2 및 도 3에서, 권선재(4)로서 직경이 0.35㎜인 에나멜 피막 구리선을 사용하고, 또 단자(3)의 재질로서 철 코어부에 구리를 도금한 후프 형상의 CP선을 사용하며, 단자(3)의 폭을 0.5㎜, 인접하는 단자 사이의 간격(피치)을 1.0㎜로 한 고주파 트랜스의 보빈으로 이루어진 샘플을 고온(430℃)에서 용융된 땜납액에 침지시켰을 때의 단자 사이에 브릿지가 발생하는 비율과 땜납 합금 조성 함유량의 관계를 나타낸 것이다.
한편, 표 1에 「재차 땜납에 의한 수정 가능성」이라 함은, 최초에 용융 땜납액에 침지시켰을 때에, 브릿지가 발생한 샘플을 재차 용융 땜납액에 침지시킴으로써 이 브릿지를 없앨 수 있는지의 여부를 나타내는 것이다.
또, 주석(Sn)-구리(Cu)-니켈(Ni)계 무납 땜납 합금에 게르마늄(Ge)을 첨가하 면 땜납 합금의 용융 온도는 350℃ 정도가 된다.
그러나, 코일 부품의 권선재에 사용하는 절연피막 전선, 예컨대 에나멜 피막 구리선의 에나멜 피막을 제거하기 위해서는 무납 땜납 합금의 용융 땜납 온도(납땜 온도)를 350℃ 이상으로 할 필요가 있기 때문에, 절연피막 구리선을 사용한 전자부품을 납땜할 때에는, 상기 절연피막 구리선의 절연피막재를 확실하게 용해시키기 위해서 상기 무납 땜납 합금의 용융 땜납 온도(납땜 온도)를 400℃ 전후로 설정하는 것이 적당하다. 본 실시예에서는 상기 무납 땜납 합금의 용융 땜납 온도(납땜 온도)를 430℃로 설정하였다.
(용융 땜납 온도: 430℃)
땜납 합금 조성 브릿지가 생기는 비율 (샘플: 5개 중의 개수) 재차 땜납에 의한 수정 가능성(있음: ○, 없음: ×)
Sn-2Cu-0.2Ni 전체 개수 브릿지 없음
Sn-3Cu-0.2Ni 1
Sn-5Cu-0.2Ni 전체 개수 브릿지 있음 ×
Sn-6Cu-0.2Ni 전체 개수 브릿지 있음 ×
Sn-2Cu-0.05Ge 3
Sn-3Cu-0.05Ge 4
Sn-6Cu-0.05Ge 전체 개수 브릿지 있음 ×
Sn-2Cu-0.2Ni-0.001Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-2Cu-0.2Ni-0.05Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-3Cu-0.2Ni-0.001Ge 2
Sn-3Cu-0.2Ni-0.002Ge 1
Sn-3Cu-0.2Ni-0.005Ge 1
Sn-3Cu-0.2Ni-0.01Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-3Cu-0.2Ni-0.02Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-3Cu-0.1Ni-0.02Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-3Cu-0.2Ni-0.05Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-3Cu-0.2Ni-0.1Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-3Cu-0.5Ni-0.02Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-5Cu-0.2Ni-0.001Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-5Cu-0.2Ni-0.002Ge 1
Sn-5Cu-0.2Ni-0.01Ge 1
Sn-5Cu-0.2Ni-0.02Ge 1
Sn-5.5Cu-0.2Ni-0.02Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-5Cu-0.2Ni-0.03Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-5Cu-0.2Ni-0.05Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-5Cu-0.2Ni-0.1Ge 전체 개수 브릿지 없음
Sn-6Cu-0.2Ni-0.05Ge 전체 개수 브릿지 있음 ×
Sn-6Cu-0.2Ni-0.1Ge 전체 개수 브릿지 있음 ×
또, 표 2는 상기 단자(3)에 사용한 CP선을 고온(430℃)의 용융 땜납액에 침지시켰을 때에, CP선의 하지(코어부)인 철이 표출되어 변색될 때까지의 침지 회수와 땜납 합금 조성과 성분 함유량의 관계를 나타내는 측정 결과이다.
즉, 표 2는 땜납 합금 조성의 성분 함유량과 「구리 부식」의 대소의 관계를 나타내고, 상기 침지 회수가 많을수록 「구리 부식」이 작음을 나타낸다. 한편, 표 2에서 침지 회수는 10회 이상이면 된다.
(용융 땜납 온도: 430℃)
땜납 합금 조성 반복적으로 납땜했을 때 단자 표면이 변색될 때까지의 회수
Sn-2Cu-0.2Ni 1
Sn-3Cu-0.2Ni 10
Sn-5Cu-0.2Ni 20 이상
Sn-6Cu-0.2Ni 20 이상
Sn-2Cu-0.05Ge 1
Sn-3Cu-0.05Ge 4
Sn-6Cu-0.05Ge 7
Sn-2Cu-0.2Ni-0.001Ge 2
Sn-2Cu-0.2Ni-0.05Ge 2
Sn-3Cu-0.2Ni-0.001Ge 10
Sn-3Cu-0.2Ni-0.002Ge 10
Sn-3Cu-0.2Ni-0.005Ge 10
Sn-3Cu-0.2Ni-0.01Ge 11
Sn-3Cu-0.2Ni-0.02Ge 10
Sn-3Cu-0.1Ni-0.02Ge 10
Sn-3Cu-0.2Ni-0.05Ge 10
Sn-3Cu-0.2Ni-0.1Ge 10
Sn-3Cu-0.5Ni-0.02Ge 20
Sn-5Cu-0.2Ni-0.001Ge 20 이상
Sn-5Cu-0.2Ni-0.002Ge 20 이상
Sn-5Cu-0.2Ni-0.01Ge 20 이상
Sn-5Cu-0.2Ni-0.02Ge 20 이상
Sn-5.5Cu-0.2Ni-0.02Ge 20 이상
Sn-5Cu-0.2Ni-0.03Ge 20 이상
Sn-5Cu-0.2Ni-0.05Ge 20 이상
Sn-5Cu-0.2Ni-0.1Ge 20 이상
Sn-6Cu-0.2Ni-0.05Ge 20 이상
Sn-6Cu-0.2Ni-0.1Ge 20 이상
상기 표 1에서 알 수 있듯이 주석(Sn)-구리(Cu)-니켈(Ni)계 무납 땜납 합금에서, 니켈 함유량을 일정하게 하고 구리 함유량을 변화시킨 경우, 구리 함유량을 증가시켰을 때 땜납액의 점성이 높아져 인접하는 단자 사이에서의 브릿지 발생 비율이 증가하고, 재차 땜납에 의해서도 최초에 생긴 브릿지를 제거시킬 수 없게 된다.
니켈(Ni) 함유량을 일정하게 한 주석(Sn)-구리(Cu)-니켈(Ni)계 무납 땜납 합금에 게르마늄(Ge)을 첨가하고 구리 함유량과 게르마늄 함유량을 각각 변화시킨 경우, 게르마늄 함유량이 일정값(0.001wt%) 이상이며 구리 함유량을 5.5wt% 이하로 했을 때에, 브릿지는 거의 발생하지 않았다.
이와 같이 니켈(Ni)을 특정 범위로 함유하는 주석(Sn)-구리(Cu)-니켈(Ni)계 무납 땜납 합금에 게르마늄(Ge)을 적어도 0.001wt% 함유시킴으로써, 용융 땜납액의 점성이 조정되어 용융 땜납액이 끈적끈적하지 않은 상태로 되어 액체가 잘 끊어지기 때문에 단자 사이의 브릿지 발생 비율을 감소시킬 수 있다.
이 경우, 구리 함유량이 규정 범위이고 게르마늄(Ge) 함유량이 적어도 0.001wt% 이상일 때에, 브릿지 발생 비율을 매우 적게 할 수 있고, 또한 재차 땜납에 의해 최초에 생긴 브릿지를 제거시킬 수 있다. 그러나, 구리 함유량이 규정된 상한값을 넘은 영역에서는, 게르마늄(Ge) 함유량을 증가시켜도 브릿지 발생 비율을 감소시킬 수는 없고, 또한 재차 땜납에 의해서도 최초에 생긴 브릿지를 없앨 수는 없다.
또, 구리 함유량을 일정하게 한 경우, 게르마늄(Ge) 함유량을 0.1wt% 보다 많게 해도 브릿지 발생 비율에 변화는 볼 수 없었다.
또한, 게르마늄(Ge) 함유량에 따라 용융 땜납욕 중에 존재하는 부유물(구리/니켈의 석출물)량이 변화하는데, 게르마늄(Ge)이 존재하지 않는 경우에는 용융 땜납욕 중의 부유물량이 많아진다. 이 부유물은 납땜부 표면에 부착되어 납땜부 표면이 거칠어져 땜납 두께가 균일해지기 어렵다. 또한, 브릿지 현상이 잘 일어나게 된다.
그리고, 표 2에서 「구리 부식」 비율을 무납 땜납 합금의 니켈 함유량에 따라 조정할 수 있다. 즉, 주석(Sn)-구리(Cu)계 무납 땜납 합금에서는, 「구리 부식」의 대소는 구리 함유량에 따라 좌우되며, 구리 함유량이 적은 영역에서는 「 구리 부식」은 커지고, 구리 함유량이 많은 영역에서는 「구리 부식」은 작아지는 경향이 있는데, 구리 함유량이 적은 영역에서 니켈 함유량을 많게 하면 「구리 부식」을 작게 할 수 있다. 또, 구리 함유량이 많은 영역에서는 적은 함유량의 니켈로 「구리 부식」을 억제할 수 있다. 게르마늄(Ge) 함유량과 상기 「구리 부식」의 대소는 상관성이 없음을 알 수 있다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명의 무납 땜납 합금은 납땜할 때의 온도가 높은 영역에서도 「구리 부식」이 잘 일어나지 않고, 따라서 구리 또는 구리를 함유한 합금을 코어선으로 하는 절연피막 도체를 사용한 전자부품을 납땜할 때의 단선 사고를 예방할 수 있고, 또한 점성이 낮아 땜납액이 잘 끊어져 단자와 단자의 간격이 좁은 전자부품을 납땜할 때에 단자 사이가 땜납에 의해 단락되는 브릿지 현상 발생을 예방할 수 있다.

Claims (2)

  1. 구리(Cu): 3.0∼5.5wt%, 니켈(Ni): 0.1∼0.5wt% 및 게르마늄(Ge): 0.001∼0.1wt%를 함유하며 잔부가 주석(Sn)인 Sn-Cu-Ni-Ge 의 조성으로 이루어지는 땜납 합금이며, 350℃ 이상의 용융 땜납욕으로 침지 땜납 접합에 사용되는 무납 땜납 합금.
  2. 코어부가 구리 또는 구리를 함유한 합금으로 구성되고, 이 코어부에 절연피막을 실시한 도체를 사용한 전자부품에서, 상기 도체끼리 또는 상기 도체와 이 전자부품의 단자를, 구리(Cu): 3.0∼5.5wt%, 니켈(Ni): 0.1∼0.5wt% 및 게르마늄(Ge): 0.001∼0.1wt%를 함유하며 잔부가 주석(Sn)인 Sn-Cu-Ni-Ge 의 조성으로 이루어지는 무납 땜납 합금을 사용하여 침지법에 의해 납땜한 것을 특징으로 하는 전자부품.
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