KR101006936B1 - 주석합금에서 납을 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 전자, 전기기기 및 반도체 패키지의 접합소재인 솔더용 소재로 사용되는 주석합금에서 납(Pb)을 제거하는 방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 납이 함유된 용용된 상태의 주석합금에 C₂Cl₆(육염화에탄)을 첨가하고, 상기 주석합금에 포함된 납이 슬러그 형태로 발생되면 이를 제거함으로써 주석합금으로부터 납을 제거할 수 있는 주석합금에서 납을 제거하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 납이 함유된 주석합금이 융해된 용탕에 C₂Cl₆를 첨가하여서, 주석합금에 함유된 납과 상기 C₂Cl₆가 반응하여 생성된 슬러그를 제거함으로써 주석합금의 납을 제거하는 방법으로서, 주석합금에 포함된 납을 종래의 정련법보다 경제적이고 효율적으로 제거할 수 있다.

납, 주석합금, 정련, 솔더, 용해

Description

주석합금에서 납을 제거하는 방법 {Tin alloy refining method}

본 발명은 각종 전자, 전기기기 및 반도체 패키지의 접합소재인 솔더용 소재로 사용되는 주석합금에서 납(Pb)을 제거하는 방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 납이 함유된 용용된 상태의 주석합금에 C₂Cl₆(육염화에탄)을 첨가하고, 상기 주석합금에 포함된 납이 슬러그 형태로 발생되면 이를 제거함으로써 주석합금으로부터 납을 제거할 수 있는 주석합금에서 납을 제거하는 방법에 관한 것이다.

주석은 생산량의 약 40%정도가 전기, 전자기기 및 반도체 패키지의 접합소재인 솔더용 소재로 사용되고 있다.

상기 솔더용 주석합금으로는 유연 솔더합금인 Sn-37Pb 합금이 오랜 기간 동안 사용되어 왔으나, 상기 유연 솔더합금을 사용한 전자기기의 폐기시에 산성비에 의해 솔더 중에 함유된 납 성분이 용출되어 지하수와 토양을 오염시키고, 상기 용출된 납이 인체에 흡수되어 지능저하, 생식기능 저하 등과 같이 인체에 많은 악영 향을 끼치는 문제점이 있었다.

상기와 같이 솔더에 함유된 납으로 인한 문제점 때문에 대표적 공해 물질인 납성분에 대한 세계적인 규제(RoHS, WEEE)로 인하여 근래에는 납성분이 함유되지 않는 무연 솔더합금이 개발되어 유연 솔더합금을 대체하고 있는 상황이다.

그러나, 각종 전자 전기기기에 상기 무연 솔더합금을 솔더로 사용하더라도 제조과정 중에서 주석합금에 납 성분이 일정량 함유하게 된다.

따라서, 폐기된 전자, 전기기기 및 반도체 패키지로부터 솔더인 주석합금을 수거하고, 재활용하더라도 상기 수거된 주석합금으로부터 납을 제거하는 정련과정을 반드시 거쳐야 하는 실정이다.

주석합금에서 납을 제거하는 방법으로는 진공용해정련법, 반응고분리법, 플럭스 처리법 및 염소가스 처리법 등이 있다.

상기 진공용해정련법은 0.5×10^-3mmHg 이상의 고 진공도를 유지한 진공용해로에서 납이 함유된 주석을 약 1,300℃의 온도로 용해하여 납을 제거하는 방법으로서, 상기의 진공용해정련법은 고가의 진공용해장치가 필요하고, 0.5~1톤의 주석을 정련하는데 시간당 500~800kw의 전력이 소비되어 정련비용이 매우 높은 문제점이 있다.

또한, 상기 반응고분리법은 주석을 용해한 후에 용탕을 서서히 냉각시켜 반응고온도로 유지하고 이때, 응고된 결정을 분리하여 납을 제거하는 방법으로서, 상기의 반응고분리법은 반응고온도를 조절하기 위한 매우 정밀한 정련장치를 필요로 하고, 납 제거율이 낮아 고순도의 주석을 얻기가 어려운 문제점이 있다.

또한, 상기 플럭스 처리법은 SnCl₂ 등의 플럭스를 이용하여 다음의 반응식 1에 의한 화학반응에 의하여 납을 제거하는 방법으로서, 상기의 플럭스 처리법은 주석합금에 포함된 납 함유량을 0.5중량%에서 0.05중량%로 정련하는데 납 1kg당 70kg의 SnCl₂가 필요하기 때문에 플럭스 처리비용이 높고 또한, 정련 후 발생되는 드로스에 주석이 함유되기 때문에 주석회수율이 낮은 문제점이 있다.

[반응식 1]

SnCl₂ + Pb → Sn + PbCl₂

또한, 상기 염소가스 처리법은 주석을 용해한 후에 용탕 중에 염소가스(Cl₂)를 취입하여 다음의 반응식 2에 의한 화학반응에 의하여 납을 제거하는 방법으로서, 상기 염소가스 처리법은 염소가스를 사용하기 때문에 작업이 위험하고 또한, 1kg의 납을 정련하는데 4kg의 염소가스가 필요하기 때문에 처리비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

[반응식 2]

Pb + Cl₂ → PbCl₂

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 주석합금에 포함된 납을 종래의 정련법보다 경제적이고 효율적으로 제거할 수 있는 주석합금으로부터 납 제거방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 납이 함유된 주석합금이 용해된 용탕에 C₂Cl₆를 첨가하여서, 주석합금에 함유된 납과 상기 C₂Cl₆가 반응하여 생성된 슬러그를 제거함으로써 주석합금의 납을 제거하는 것을 특징으로 하는 주석합금에서 납을 제거하는 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 회수된 주석합금을 가열하여 용해하는 용해단계와; 용해된 주석합금 용탕에 C₂Cl₆를 첨가하여 교반하는 단계와; 교반된 주석합금을 650~700℃의 온도로 30~60분간 유지하는 보온단계와; 용탕의 표면에 떠오른 납이 함유된 슬러그를 분리 제거하는 분리단계;를 포함하여 주석합금에서 납을 제거하는 방법이 구성된다.

이때, 상기 주석합금 용탕과 C₂Cl₆ 혼합비는, 주석합금 용탕 90~99중량%와 C₂Cl₆ 1~10중량%가 혼합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 주석합금에서 납을 제거하는 방법은, 주석합금에 포함된 납을 종래의 정련법보다 경제적이고 효율적으로 제거할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

이하 본 발명에 의한 주석합금에서 납을 제거하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 주석합금에서 납을 제거하는 방법은 용해단계, 교반단계, 보온단계 및 분리단계를 포함하여 구성된다.

먼저, 각종 전자 전기기기 및 반도체 패키지로부터 회수된 납이 함유된 주석합금을 전기로 또는 버너로 등의 금속용해로를 이용하여 도가니에서 용해시키는 용해단계를 실시한다. 이때, 용탕온도는 이후 첨가되는 C₂Cl₆와 주석합금의 납이 화학반응할 수 있는 650℃ 이상의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.

상기의 용해단계를 통해 용해된 주석합금에 C₂Cl₆(육염화에탄)을 투입하고 교반하는 교반단계를 실시한다. 상기 교반단계는 공구를 이용하여 작업자가 직접 C₂Cl₆가 투입된 주석합금 용탕을 교반하거나, 회전모터에 연결된 교반자를 이용하여 C₂Cl₆가 투입된 주석합금 용탕을 교반하도록 하여 주석합금 용탕에 투입된 C₂Cl₆가 모두 화학 반응할 때까지 교반하도록 한다.

주석합금용탕 90~99중량%와 C₂Cl₆ 1~10중량%가 혼합되는 것이다.

실제로는 주석합금 용탕에 투입되는 C₂Cl₆의 양은 주석합금에 함유된 전체의 납과 충분히 화학 반응하고도 남을 만큼의 많은 양을 투입해도 무방하지만, 실제로 많은 양이 투입된 C₂Cl₆는 주석합금에 함유된 납의 양에 해당하는 C₂Cl₆양만 화학 반응에 사용되고 나머지 잔존물은 슬러그 형태로 용탕에 부유되어 버려지게 되므로, 경제적인 측면에서 주석합금 용탕과 C₂Cl₆ 혼합비는, 주석합금 용탕 90~99중량%와 C₂Cl₆ 1~10중량%를 혼합하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 주석합금 용탕에 C₂Cl₆가 투입되면 투입된 C₂Cl₆가 다음의 반응식 3과 같이 탄소(C)와 염소(Cl₂)로 분리되고, 상기 분리된 염소(Cl₂)와 납이 반응식 4와 같이 화학반응하여 PbCl₂가 생성된다.

[반응식 3]

C₂Cl₆ → 2C + 3Cl₂

[반응식 4]

Pb + Cl₂ → PbCl₂

상기 교반단계를 통해 C₂Cl₆ 가 모두 화학 반응하도록 한 후, 주석합금 용탕이 650~700℃의 온도를 30~60분간 유지하도록 하는 보온단계를 실시한다.

주석합금이 용해된 용탕에 투입된 C₂Cl₆와 납이 화학 반응하면 상기 반응식 4의 PbCl₂가 생성되는데, 상기 PbCl₂는 보온단계 동안 주석합금 용탕의 표면에 슬러그(Slug) 형태로 떠오르게 된다.

상기 보온단계에서 용탕의 온도를 650~700℃의 온도를 30~60분간 유지하는 것은 C₂Cl₆와 납이 화학반응하여 용탕의 표면에 떠오르며 주석합금 용탕으로부터 슬러그가 충분히 분리되도록 하는 최적의 온도와 시간조건이다.

상기의 보온단계를 통해 주석합금의 용탕 표면에 납성분이 함유된 슬러그가 떠오르면 이를 물리적으로 분리 제거하는 분리단계를 실시한다. 상기의 분리단계를 통해 주석합금이 용해된 용탕으로부터 납성분을 제거할 수 있는 것이다.

이후, 납이 제거된 주석합금을 주형에 넣어 굳히고, 처리하여 납성분이 제거된 주석합금을 무연 솔더로서 재활용하는 것이다.

즉, 본 발명의 기술적 핵심은 납이 함유된 주석합금을 용해하고, 그 용탕에 C₂Cl₆를 첨가하여 주석합금의 용탕에 함유된 납과 화학반응에 의해 주석합금으로부터 납을 분리 제거하는 것이다.

이후 납이 함유된 주석합금으로부터 납을 제거하는 데 있어, 본 발명에 의한 방법과 종래의 SnCl₂를 이용한 플럭스 처리방법을 비교하여 실험한 실시예를 설명한다.

납을 함유한 주석합금을 정련처리하여 RoHS, WEEE의 규제에 맞는 0.05중량% 이하의 납을 함유하는 주석합금을 얻기 위해 비교실시한 실험 결과는 다음의 표 1과 같다.

[표 1]

상기 표 1과 같이 비교실험에서 주석합금의 정련 전에는 0.14중량%의 납을 함유하고 있었으나 본 발명에 의한 납 제거방법에 의해 주석합금 99중량%와 C₂Cl₆ 1중량%를 혼합하였더니 화학반응에 의하여 주석합금의 납 함유량이 0.11중량%로 낮아졌고, 주석합금 98중량%와 C₂Cl₆ 2중량%를 혼합하였더니 화학반응에 의하여 주석합금의 납 함유량이 0.61중량%로 낮아졌으며, 주석합금 97중량%와 C₂Cl₆ 3중량%를 혼합하였더니 화학반응에 의하여 주석합금의 납 함유량이 0.03중량%로 낮아졌다.

반면에, 비교예로서 종래의 종래의 SnCl₂를 이용한 플럭스 처리방법은 0.11중량%의 납을 함유한 주석합금 98.5중량%와 SnCl₂ 1.5중량%를 혼합하였더니 화학반응에 의하여 주석합금의 납 함유량이 0.61중량%로 낮아졌고, 주석합금 95중량%와 SnCl₂ 5중량%를 혼합하였더니 화학반응에 의하여 주석합금의 납 함유량이 0.07중량%로 낮아졌으며, 주석합금의 중량대비 10중량% 즉, 주석합금 90중량%와 SnCl₂ 10중량%를 혼합하였더니 화학반응에 의하여 주석합금의 납 함유량이 0.056중량%로 낮아졌다.

즉, 종래의 SnCl₂를 이용한 플럭스 처리방법에 비하여 본 발명이 더욱 적은량의 투입량으로도 더욱 우수한 납 제거율을 나타내었다.

Claims (3)

1. 납이 함유된 주석합금이 용해된 용탕에 C₂Cl₆를 첨가하여서, 주석합금에 함유된 납과 상기 C₂Cl₆가 반응하여 생성된 슬러그를 제거함으로써 주석합금의 납을 제거하는 것을 특징으로 하는 주석합금에서 납을 제거하는 방법.
2. 회수된 주석합금을 가열하여 용해하는 용해단계와;

   용해된 주석합금 용탕에 C₂Cl₆를 첨가하여 교반하는 교반단계와;

   교반된 주석합금을 650~700℃의 온도로 30~60분간 유지하는 보온단계와;

   용탕의 표면에 떠오른 납이 함유된 슬러그를 분리 제거하는 분리단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 주석합금에서 납을 제거하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 주석합금 용탕과 C₂Cl₆ 혼합비는, 주석합금 용탕 90~99중량%와 C₂Cl₆ 1~10중량%가 혼합되는 것을 특징으로 하는 주석합금에서 납을 제거하는 방법.