KR101219754B1 - 다기능 솔더링용 플럭스 및 이를 포함하는 솔더 페이스트 - Google Patents

다기능 솔더링용 플럭스 및 이를 포함하는 솔더 페이스트 Download PDF

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KR101219754B1
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Abstract

본 발명은 우레탄 수지, 에폭시 수지, 경화제, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 초산비닐 수지, 모노카르복실산, 및 디카르복실산을 포함하고, 로진을 포함하지 않는 솔더링용 플럭스를 제공한다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 로진을 포함하지 않아 로진을 포함하는 솔더링용 플럭스에 비해 솔더링 작업 후의 고온다습 조건 등에서 비부식성, 고절연성, 장기안정성, 내습성, 무독성과 같은 특성이 유지되어 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시키고 친환경적이다. 또한, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 솔더링 작업 후 발생한 잔사가 소정의 접착력과 우수한 내충격성을 가져 언더필 수지를 대체할 수 있으므로 잔사 제거를 위한 별도의 세정 작업이 필요하지 않고 전자부품을 기판에 실장하는 과정에서 언더필 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스를 사용하여 전자부품을 기판에 실장하는 경우 공정의 간소화 및 비용 절감을 달성할 수 있다. 아울러 본 발명에 따른 솔더링용 플러스는 로진을 포함하는 솔더링용 플럭스와 동일하거나 유사한 퍼짐성을 갖는다.

Description

다기능 솔더링용 플럭스 및 이를 포함하는 솔더 페이스트{Multifunctional flux for soldering and solder paste comprising the same}
본 발명은 다기능 솔더링용 플럭스 및 이를 포함하는 솔더 페이스트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로진(rosin)을 포함하지 않으면서 비부식성, 고절연성을 가져 솔더링 작업 시 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시키고 친환경적이며, 소정의 접착력과 내충격성을 가져 솔더링 작업시 플럭스로서의 기능뿐만 아니라 언더필 수지(underfill resin)로서의 기능을 발휘하고 비용 절감에 의해 경제성이 우수한 솔더링용 플럭스 및 이를 포함하는 솔더 페이스트에 관한 것이다.
전기, 전자, 정밀기기나 반도체 산업에 사용되는 장치에서 부품의 경박단소 및 친환경 규제 등에 의해 솔더링(soldering)은 필수적인 접합 기술이 되었으며, 이러한 솔더링에 반드시 사용하여야 하는 플럭스의 역할도 대단히 중요해졌다. 솔더링은 접합공정의 일종으로서, 450℃ 이하의 온도에서 2개의 이종재료를 저융점의 삽입 금속으로 녹여서 접합하는 접합 방식이다. 납땜이라고도 알려져 있는 이 접합법은 Pb-Sn 제조 공정으로 오랫동안 처리되어 왔으나, 납의 유해성으로 인한 사용 규제화 방침에 따라 최근 무연(無鉛, Pb free) 솔더 또는 인체 유해 원소가 포함되지 않은 솔더의 개발이 활발히 진행되고 있다. 한편, 솔더링에 사용되는 플럭스의 역할은 (1) 솔더링하고자 하는 모재(母材) 표면의 오염물이나 산화막과 반응하여 이를 제거하는 것, (2) 금속 산화물과 반응하는 동안 형성된 금속염을 제거하는 것, (3) 모재 표면이나 솔더 표면에 공기차단막을 형성하여 산화를 방지하는 것, (4) 솔더링이 진행되는 동안 가해지는 열이 골고루 퍼지도록 하는 것, (5) 솔더와 모재면 사이의 표면장력을 줄여서 솔더성(solderability)을 좋게 하는 것을 포함한다.
이러한 플럭스로는 종래 로진(rosin, 송진)을 주성분으로 한 로진계 플럭스를 주로 사용하였다. 로진계 플럭스에서는 로진만으로는 활성력이 모자라기 때문에, 활성제로 유기아민의 할로겐화 수소산염, 유기산, 유기산과 유기아민 염을 첨가한다. 그러나, 로진계 플러스는 솔더링 작업 후 플럭스 잔사(찌꺼기)가 모재 표면에 잔류하게 되고, 이를 제거하기 위해 극성이 작은 세정용매(예컨대, 대체 프레온, 탄화 수소계)를 사용하여 세정을 하는 등 솔더링 공정의 비효율성을 야기하는 문제가 있다. 또한, 로진계 플러스는 솔더링 후 고온다습 조건 등에서 비부식성, 고절연성, 장기안정성, 내습성, 무독성과 같은 특성이 유지되지 못하고 사용자에게 신뢰성을 주지 못하는 문제가 있다. 또한, 로진계 플럭스의 주성분인 로진은 송진을 증류하여 얻는 천연 수지로서 제조원가가 높아 플럭스의 경제성에 문제가 있다.
로진은 소나무 수액을 통칭하는 말로서, 그 제조방법에 따라 크게 GUM ROSIN, WOOD ROSIN, TALL-OIL ROSIN 등으로 나뉘고, 여기에 탈수소, 수소첨가, 중합, 말단에 산(acid)의 부가, 산의 제거 등을 통해 보다 특성화된 제품이 된다. 일반적으로 GUM ROSIN의 조성은 abietic acid(7,13-abietadien-18 oic acid)가 25~35%, neo abietic acid(8(14),13(15)-abieradien-18-oic acid)가 13~17%, palustric acid(8,13-abieradien-18-oic aicd)가 4~8%, dehydro abietic acid(8,11,13-abietadien-18-oic acid)가 4~8%(여기까지가 abieric acid계열), 덱스트로 피마르산이 3~7%, 이소덱스트로 피마르산이 15~20%정도이다. 이러한 GUM ROSIN은 분자내의 방향족핵의 생성 또는 공명구조를 잃어버리게 되어(탈수소화 또는 수소첨가로 인해) 화학적으로 안정화되는데, 이렇게 안정화된 로진을 불균일화 로진(DISPROPORTIONATED ROSIN, DPR)이라 부르며, 플럭스에서 통상적으로 사용하는 로진은 불균일화 로진(DISPROPORTIONATED ROSIN, DPR)이다. GUM ROSIN의 DPR로의 변환되는 반응은 하기의 반응식 1과 같다.
[반응식 1]
Figure 112011053078661-pat00001
일반적으로 로진의 말단에 있는 카르보닐기(R-COOH)는 친수성이고, 대기중의 수분에 노출되면 하기의 반응식 2와 같이 이온화된 상태로 존재하여 도전성을 갖게 된다.
[반응식 2]
C19H29COOH + H2O → C19H29COO- + H+ + H2O
도 1은 로진을 포함하는 플럭스(제품명:CS-100; 제조사:청솔화학, 한국)로 리플로우 솔더링(Reflow soldering) 하였을 때 잔사로 남은 로진 성분을 나타낸 것이고, 도 2는 로진을 포함하는 플럭스(제품명:CS-100; 제조사:청솔화학, 한국)로 리플로우 솔더링(Reflow soldering) 한 후 장시간 방치하였을 때 잔사로 남은 로진 성분에 수분이 흡수된 것을 나타낸 사진이다. 상기 반응식 2, 도 1 내지 도 2로부터 로진을 포함하는 플럭스로 솔더링 하였을 때 플럭스에는 잔사로 로진 성분이 남게 되고 결과적으로 비부식성 및 절연성이 떨어진다는 것을 알 수 있다.
한편, 최근에는 칩과 같은 전자부품을 기판에 실장하는 경우 전자부품과 기판의 접합력을 향상시키고 실장에 대한 기술 유출을 방지하기 위해서 리플로우 솔더링 후 전자부품과 기판 사이의 간극에 언더필 수지(underfill resin)를 충전하거나 전체 패키지를 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy molding compound; EMC)로 밀봉하는 것이 일반적이다. 이 경우 플럭스로 로진계 플럭스를 사용하는 경우 리플로우 솔더링 후 잔사를 세정제로 제거해야 하고, 플럭스 잔사의 세정이 불충분한 경우 접합 신뢰성의 저하가 불가피하고 전자부품과 기판 사이에 보이드(void) 등이 발생하여 패키지 전체의 강도가 약해지는 문제가 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 비부식성 및 고절연성으로 인해 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시키고, 솔더링 작업 후 발생한 잔사가 소정의 접착력과 우수한 내충격성을 가져 언더필 수지를 대체할 수 있는 솔더링용 플럭스 및 이를 포함하는 솔더 페이스트를 제공하는데에 있다.
본 발명의 연구자들은 솔더링용 플럭스에 사용되는 성분과 언더필 수지에 사용하는 성분의 무수한 조합을 연구한 결과, 솔더링시 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시키고 솔더링 작업 후 발생한 잔사가 언더필 수지를 대체할 수 있는 솔더링용 플럭스의 성분 조합을 발견함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 우레탄 수지, 에폭시 수지, 경화제, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 초산비닐 수지, 모노카르복실산, 및 디카르복실산을 포함하고, 로진을 포함하지 않는 솔더링용 플럭스를 제공한다. 이때, 상기 솔더링용 플럭스는 바람직하게는 유동개질제(rheology modifier) 또는 증점제와 같은 보조 첨가제를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 솔더링용 플럭스 및 땜납 분말을 포함하는 솔더 페이스트를 제공한다. 이때, 상기 솔더 페이스트는 바람직하게는 크림 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 로진을 포함하지 않아 로진을 포함하는 솔더링용 플럭스에 비해 솔더링 작업 후의 고온다습 조건 등에서 비부식성, 고절연성, 장기안정성, 내습성, 무독성과 같은 특성이 유지되어 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시키고 친환경적이다. 또한, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 솔더링 작업 후 발생한 잔사가 소정의 접착력과 우수한 내충격성을 가져 언더필 수지를 대체할 수 있으므로 잔사 제거를 위한 별도의 세정 작업이 필요하지 않고 전자부품을 기판에 실장하는 과정에서 언더필 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스를 사용하여 전자부품을 기판에 실장하는 경우 공정의 간소화 및 비용 절감을 달성할 수 있다. 아울러 본 발명에 따른 솔더링용 플러스는 로진을 포함하는 솔더링용 플럭스와 동일하거나 유사한 퍼짐성을 갖는다.
도 1은 로진을 포함하는 플럭스로 리플로우 솔더링(Reflow soldering) 하였을 때 잔사로 남은 로진 성분을 나타낸 것이고, 도 2는 로진을 포함하는 플럭스로 리플로우 솔더링(Reflow soldering) 한 후 장시간 방치하였을 때 잔사로 남은 로진 성분에 수분이 흡수된 것을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
솔더링용 플럭스
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 우레탄 수지, 에폭시 수지, 경화제, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 초산비닐 수지, 모노카르복실산, 및 디카르복실산을 포함하고, 로진을 포함하지 않는 조성물이다.
본 발명에 따른 솔더링용 플러스의 일 성분인 우레탄 수지는 솔더링용 플럭스에 접착력 및 내충격성을 부여하는 성분으로서, 일반적으로 활성 수산기를 갖고 있는 폴리올과 이소시아네이트기(OCN-)를 갖고 있는 폴리이소시아네이트 화합물의 부가중합반응에 의하여 우레탄 결합(-NH-COO-)이 형성된 고분자를 총칭한다. 우레탄 수지를 구성하는 폴리이소시아네이트 화합물의 예로는 2,4-톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-톨루엔 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,3-트리메틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 2,4,4-트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,9-노나메틸렌 디이소시아네트, 1,10-데카메틸렌 디이소시아네이트, 1,4-시클로헥산 디이소시아네이트, 2,2'-디에틸에테르 디이소시아네이트, 디페닐메탄 디이소시아네이트, (o, m 또는 p)-크실릴렌 디이소시아네이트, 메틸렌비스(4-시클로헥실 이소시아네이트), 시클로헥산-1,3-디메틸렌 디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디메틸렌 디이소시아네트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, p-페닐렌 디이소시아네이트, 3,3'-메틸렌디톨릴렌-4,4'-디이소시아네이트, 4,4'-디페닐에테르 디이소시아네이트, 테트라클로로페닐렌 디이소시아네이트, 노르보르난 디이소시아네이트 등의 디이소시아네이트를 들 수 있다. 이들 디이소시아네이트는 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 우레탄 수지를 구성하는 폴리올의 예로는 폴리에테르폴리올(예를 들면, 폴리옥시알킬렌 폴리올(PPG), 변성 폴리에테르폴리올, 폴리테트라에틸렌 에테르 글리콜 등), 폴리에스테르폴리올(예를 들면, 축합 폴리에스테르폴리올, 락톤-기재 폴리에스테르폴리올, 폴리카보네이트데올, 등), C-C 결합을 갖는 백본으로 이루어진 폴리올(예를 들면, 아크릴폴리올, 폴리부타디엔 폴리올, 폴리올레핀 폴리올, 피마자유, 등) 등을 포함한다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스의 일 성분인 에폭시 수지는 솔더링 플럭스의 기판 표면에의 접착력 향상을 제공하고, 아울러 고온(약 200~300℃)에서 경화물을 형성하여 솔더링용 플럭스의 잔사를 언더필 수지로 이용할 수 있게 한다. 본 발명에서 사용 가능한 에폭시 수지의 종류는 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, o-크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 아민형 에폭시 수지, 헤테로시클릭 에폭시 수지 및 지환식 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성될 수 있고, 이중 기계적 특성, 밀착성 및 가용성의 면에서 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지가 바람직하다. 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스에서 에폭시 수지의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 50~150 중량부인 것이 바람직하고, 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성, 내충격성 등을 고려할 때 우레탄 수지 100 중량부 당 80~120 중량부인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스의 일 성분인 경화제는 주로 에폭시 수지의 열경화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서 솔더링용 플럭스 또는 이의 잔사의 밀착성, 내약품성 및 내열성 등의 특성을 추가적으로 향상시키기 위해서 사용된다. 이러한 경화제의 예로는 이미다졸 유도체; 아세토구아나민 및 벤조구아나민 등의 구아나민류; 디아미노디페닐메탄, m-페닐렌디아민, m-크실렌디아민, 디아미노디페닐술폰, 디시안디아미드, 우레아, 우레아 유도체, 멜라민 및 다염기 히드라지드 등의 폴리아민류; 이들의 유기산염 및/또는 에폭시 부가생성물; 3불화붕소의 아민 착물; 에틸디아미노-S-트리아진, 2,4-디아미노-S-트리아진 및 2,4-디아미노-6-크실릴-S-트리아진 등의 트리아진 유도체류; 트리메틸아민, 트리에탄올아민, N,N-디메틸옥틸아민, N-벤질디메틸아민, 피리딘, N-메틸몰포린, 헥사(N-메틸)멜라민, 2,4,6-트리스(디메틸아미노페놀), 테트라메틸구아니딘 및 m-아미노페놀 등의 아민류; 폴리비닐페놀, 폴리비닐페놀의 브롬화물, 페놀 노블락 및 알킬페놀 노볼락 등의 폴리페놀류; 트리부틸포스핀, 트리페닐포스핀 및 트리스-2-시아노에틸포스핀 등의 유기 포스핀류; 트리-n-부틸(2,5-디히드록시페닐)포스포늄 브로마이드 및 헥사데실 트리부틸포스포늄 클로라이드 등의 포스포늄염류; 벤질 트리메틸암모늄 클로라이드 및 페닐 트리부틸암모늄 클로라이드 등의 4급 암모늄염류; 다염기산 무수물; 디페닐 요오드늄 테트라플루오로보레이트, 트리페닐술포늄 헥사플루오로안티모네이트, 2,4,6-트리페닐티오피릴륨 헥사플루오로포스페이트 등의 광양이온성 중합 촉매; 스티렌-무수 말레산 수지; 페닐 이소시아네이트와 디메틸아민의 등몰 반응물; 및 톨릴렌 디이소시아네이트 또는 이소포론 디이소시아네이트 등의 유기 폴리이소시아네이트와 디메틸아민의 등몰 반응물 등이 있다. 이들 경화제는 단독으로 사용되어도 좋고, 또는 그 중 2종 이상을 혼합하여 사용해도 좋다. 본 발명에 따른 에폭시 수지는 약 200~300℃에서 이루어지는 솔더링 과정 중에 경화제와의 경화반응을 통해 3차원의 망상 구조를 가지게 된다. 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스에서 경화제의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 35~85 중량부인 것이 바람직하고, 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성, 내충격성 등을 고려할 때 우레탄 수지 100 중량부 당 45~75 중량부인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스의 일 성분인 아크릴 수지는 후술하는 모노카르복실산, 디카르복실산과 같은 활성제의 용해력을 향상시키고 금속 재료의 확산을 돕는 성분으로서, 특히 카르복실기, 수산기, 아미노기, 에폭시기 등과 가교반응하여 복잡한 3차원 구조를 형성하고, 솔더링 플럭스 잔사의 광안정성, 부착성, 내구성을 향상시킨다. 또한, 아크릴 수지는 리플로우 가열시 땜납부의 균열 방지와 플럭스 잔사에 생기는 균열을 방지한다. 본 발명에서 사용 가능한 아크릴 수지의 종류는 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴산의 에스테르, 메타크릴산의 에스테르, 크로톤산, 이타콘산, 말레산, 무수 말레산, 말레산의 에스테르, 무수 말레산의 에스테르, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아크릴아미드, 및 메타크릴아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 중합성 불포화기 함유 모노머가 중합하여 형성된 것일 수 있다. 상기 중합성 불포화기 함유 모노머의 중합은 예컨대 과산화물 등의 촉매를 이용하여 괴상 중합법, 용액 중합법, 현탁 중합법, 유화 중합법 등의 라디칼 중합에 의해 행해질 수 있다. 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스에서 아크릴 수지의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 10~40 중량부인 것이 바람직하고, 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성, 내충격성 등을 고려할 때 우레탄 수지 100 중량부 당 15~35 중량부인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스의 일 성분인 폴리에스테르 수지는 다른 수지 혼합물의 용해를 돕는 성분으로서, 불포화다염기산류의 무수말레인산이나 무수프탈산 등과 다가알코올의 프로필렌글리콜 등과의 에스테르반응으로 얻어진 불포화 합성수지이다. 본 발명에서 사용가능한 폴리에스테르 수지의 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 ε-카프로락톤과 펜타에리쓰리톨을 중합하여 형성된 것, 즉 ε-카프로락톤과 펜타에리쓰리톨의 중합체(epsilon-Caprolactone, pentaerythritol polymer; CAS 등록번호 35484-93-6)가 있다. 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스에서 폴리에스테르 수지의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 15~45 중량부인 것이 바람직하고, 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성, 내충격성 등을 고려할 때 우레탄 수지 100 중량부 당 20~40 중량부인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스의 일 성분인 초산비닐 수지는 솔더링용 플럭스의 금속 표면에의 접착성을 향상시키고 후술하는 모노카르복실산, 디카르복실산과 같은 활성제의 활성력을 향상시키는 성분으로서, 초산비닐 모노머를 중합시켜 만든 열가소성 수지이다. 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스에서 초산비닐 수지의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 15~45 중량부인 것이 바람직하고, 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성, 내충격성 등을 고려할 때 우레탄 수지 100 중량부 당 20~40 중량부인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스의 또 다른 성분인 모노카르복실산과 디카르복실산은 솔더링시 금속산화물의 제거 및 땜납 합금, 특히 Sn의 확산을 증가시키는 활성제 성분으로서 모노카르복실산과 디카르복실산을 조합하였을 때 활성 효과가 극대화된다. 본 발명에 사용 가능한 모노카르복실산의 종류는 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 카프릴산, 라우릴산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 아라크산, 베헨산, 리놀산, 올레산, 리놀레산, 락트산, 히드록시피발산, 디메틸롤푸로피온산, 말산, 글리세린산, 벤조산, 트리멜리트산, 및 피로멜리트산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성될 수 있고, 이중 벤조산, 트리멜리트산, 및 피로멜리트산과 같은 방향족 카르복실산인 것이 바람직하고, 벤조산인 것이 더 바람직하다. 또한, 본 발명에 사용 가능한 디카르복실산의 종류는 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 옥살산, 말론산, 숙신산, 프탈산, 아디프산, 글루타르산, 2,4-디에틸 글루타르산, 2,4-디메틸 글루타르산, 이소프탈산, 피멜산, 시트르산, 아젤라산, 세바스산, 시클로헥산 디카르복실산, 말레산, 푸마르산, 및 디글리콜산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성될 수 있고, 이중 숙신산인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스에서 모노카르복실산의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 10~30 중량부인 것이 바람직하고, 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성, 내충격성 등을 고려할 때 우레탄 수지 100 중량부 당 15~25 중량부인 것이 더 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스에서 디카르복실산의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 5~25 중량부인 것이 바람직하고, 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성, 내충격성 등을 고려할 때 우레탄 수지 100 중량부 당 10~20 중량부인 것이 더 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 바람직하게는 유동개질제(rheology modifier) 또는 증점제와 같은 보조 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 유동개질제 또는 증점제는 공지된 것이라면 그 종류가 제한되지 않으며, 예를 들어 아크릴레이트 고분자 화합물, 변성 셀룰로오스 등이 있다. 보조 첨가제의 함량은 우레탄 수지 100 중량부 당 약 1~10 중량부 내에서 선택된다.
본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 로진을 포함하지 않으면서 이소시아네이트기를 함유하는 우레탄 수지, 에폭시기를 함유하는 에폭시 수지, 불포화 이중결합기를 함유하는 아크릴 수지 및 초산비닐 수지를 포함하고 있고, 이들 결합기가 리플로우 솔더링시 플럭스 잔사 중의 활성 이온과 부가반응을 일으켜 플럭스 잔사 중의 활성 이온을 제거할 수 있고, 비부식성과 고절연성에 의한 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시킨다. 또한, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 에폭시기를 함유하는 에폭시 수지와 카르복실기를 함유하는 폴리에스테르 수지를 포함하고 있고, 리플로우 솔더링시 에폭시기와 카르복실기의 반응에 의해 3차원 가교 피막을 형성하고 피막의 에폭시기가 활성 이온을 포착하여 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시킨다.
솔더 페이스트
본 발명에 따른 솔더 페이스트는 전술한 솔더링용 플럭스 및 땜납 분말을 포함하는 것으로서, 크림 형태를 가진다. 크림 형태의 솔더 페이스트는 솔더링용 플럭스와 땜납 분말(일반적으로 합금 분말)을 혼합하여 크림 상태로 형성한 것이다. 크림 형태의 솔더 페이스트를 형성하기 위해 사용되는 솔더링용 플럭스는 일반적으로 유동개질제(rheology modifier) 또는 증점제와 같은 보조 첨가제를 포함한다. 땜납 분말로서는, 특별히 제한은 없고, 일반적으로 사용되고 있는 주석-납합금 외에, 이 주석-납합금에 은, 비스무트 또는 인듐 등을 첨가한 합금 등을 사용할 수 있다. 또, 땜납 분말의 입자 지름은, 5～50㎛가 적당하다. 본 발명에 따른 솔더 페이스트에서 솔더링용 플럭스와 땜납 분말의 중량비 (플럭스: 땜납 분말)은, 필요로 되는 솔더 페이스트의 용도나 기능에 따라 적당하게 설정하면 좋고, 예를 들어 5:95～20:80의 범위에서 선택될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 솔더 페이스트는 소정의 유기 용제를 포함할 수 있다. 유기 용제의 종류는 솔더 페이스트에 사용되는 것이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 에틸알콜, 이소프로필알콜, 에틸셀로솔브, 부틸카르비톨, 헥실 카르비톨 등의 알콜계 용제;아세트산 에틸, 아세트산 부틸 등의 에스테르계 용제;톨루엔, 테레핀유 등의 탄화수소계 용제 등을 들 수 있다. 유기 용제의 함량은 솔더 페이스트의 점도 등을 고려하여 선택될 수 있고, 예를 들어 솔더 페이스트 전체 중량을 기준으로 약 1~25 중량%의 범위에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 페이스트는 전자부품 등을 기판에 실장할 때 솔더 페이스트를 디스펜서(dispenser)나 스크린인쇄 등에 의해 기판상에 도포된다. 이후 약 150～200℃정도로 예열을 행하고, 약 2000～250℃ 정도에서 리플로우(reflow)를 행한다. 기판상에의 도포 및 리플로우는 대기중에서 행해도 좋고 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 기체 분위기 중에서 행해도 좋다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
1. 솔더링용 플럭스의 제조
실시예 1.
우레탄 수지(제품명 : KPU-300; 제조사 : 국도화학) 100 중량부, 비스페놀 A형 에폭시 수지(제품명 : YD-014; 제조사 : 국도화학) 50 중량부, 폴리이소시아네이트 경화제(제품명 : D-660; 제조사 : 애경화학) 35 중량부, 아크릴 수지(제품명 : AL-1157; 제조사 : 애경화학) 10 중량부, 폴리에스테르 수지(epsilon-Caprolactone, pentaerythritol polymer; CAS 등록번호 35484-93-6) 15 중량부, 초산비닐 수지 15 중량부, 벤조산 10 중량부, 및 숙신산 5 중량부를 혼합하여 솔더링용 플럭스를 제조하였다.
실시예 2.
우레탄 수지(제품명 : KPU-300; 제조사 : 국도화학) 100 중량부, 비스페놀 A형 에폭시 수지(제품명 : YD-014; 제조사 : 국도화학) 80 중량부, 폴리이소시아네이트 경화제(제품명 : D-660; 제조사 : 애경화학) 45 중량부, 아크릴 수지(제품명 : AL-1157; 제조사 : 애경화학) 15 중량부, 폴리에스테르 수지(epsilon-Caprolactone, pentaerythritol polymer; CAS 등록번호 35484-93-6) 20 중량부, 초산비닐 수지 20 중량부, 벤조산 15 중량부, 및 숙신산 10 중량부를 혼합하여 솔더링용 플럭스를 제조하였다.
실시예 3.
우레탄 수지(제품명 : KPU-300; 제조사 : 국도화학) 100 중량부, 비스페놀 A형 에폭시 수지(제품명 : YD-014; 제조사 : 국도화학) 100 중량부, 폴리이소시아네이트 경화제(제품명 : D-660; 제조사 : 애경화학) 60 중량부, 아크릴 수지(제품명 : AL-1157; 제조사 : 애경화학) 24 중량부, 폴리에스테르 수지(epsilon-Caprolactone, pentaerythritol polymer; CAS 등록번호 35484-93-6) 32 중량부, 초산비닐 수지 28 중량부, 벤조산 20 중량부, 및 숙신산 16 중량부를 혼합하여 솔더링용 플럭스를 제조하였다.
실시예 4.
우레탄 수지(제품명 : KPU-300; 제조사 : 국도화학) 100 중량부, 비스페놀 A형 에폭시 수지(제품명 : YD-014; 제조사 : 국도화학) 120 중량부, 폴리이소시아네이트 경화제(제품명 : D-660; 제조사 : 애경화학) 75 중량부, 아크릴 수지(제품명 : AL-1157; 제조사 : 애경화학) 35 중량부, 폴리에스테르 수지(epsilon-Caprolactone, pentaerythritol polymer; CAS 등록번호 35484-93-6) 40 중량부, 초산비닐 수지 40 중량부, 벤조산 25 중량부, 및 숙신산 20 중량부를 혼합하여 솔더링용 플럭스를 제조하였다.
실시예 5.
우레탄 수지(제품명 : KPU-300; 제조사 : 국도화학) 100 중량부, 비스페놀 A형 에폭시 수지(제품명 : YD-014; 제조사 : 국도화학) 150 중량부, 폴리이소시아네이트 경화제(제품명 : D-660; 제조사 : 애경화학) 85 중량부, 아크릴 수지(제품명 : AL-1157; 제조사 : 애경화학) 40 중량부, 폴리에스테르 수지(epsilon-Caprolactone, pentaerythritol polymer; CAS 등록번호 35484-93-6) 45 중량부, 초산비닐 수지 45 중량부, 벤조산 30 중량부, 및 숙신산 25 중량부를 혼합하여 솔더링용 플럭스를 제조하였다.
2. 솔더링용 플럭스의 비부식성, 고절연성 , 퍼짐성, 및 내충격성 시험
실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 솔더링용 플럭스에 대해 KS C 2509(납땜용 수지계 플럭스 시험 방법)에 의거하여 동판 부식 시험(KS C 2509 7.6.1), 절연 저항 시험(KS C 2509 7.8) 및 퍼짐 시험(KS C 2509 7.10)을 수행하였다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 솔더링용 플럭스에 대해 KS C 0242(전기, 전자 - 내반복 충격 시험 방법)에 의거하여 내반복 충격 시험을 수행하였다. 이때 비교 시험을 위한 솔더링용 플럭스로 로진계 플럭스인 CS-100(제조사 : 청솔화학, 한국)을 사용하였다. 로진계 플럭스인 CS-100의 조성 성분 및 성분비는 하기 표 1과 같다.
성분명 성분 함량(중량%)
폴리(에틸렌 글리콜-코-프로필렌 글리콜)의 알킬 에테르[poly(ethylene glycol-co-propylene glycol) monobutyl ether; CAS 등록번호 9038-95-3] 42±2
개질 로진(Modified rosin) 32±2
항산화제(Antioxidant) 8±1
아민계 계면활성제(Amine based surfactant) 5±1
헥사노익산(Hexanoic acid; CAS 등록번호 70248-25) 8±1
기타 5±1
솔더링용 플럭스의 동판 부식 시험, 절연 저항 시험, 퍼짐 시험 및 내반복 충격 시험에 대한 결과의 하기의 표 2에 나타내었다.
플럭스 구분 부식 유무 절연 저항(Ω) 퍼짐율(%) 파괴 시점의 내반복 충격 횟수
실시예 1의 플럭스 부식 발생하지 않음 2.0×1012 84% 550
실시예 2의 플럭스 부식 발생하지 않음 6.5×1012 83% 610
실시예 3의 플럭스 부식 발생하지 않음 1.0×1013 85% 1000
실시예 4의 플럭스 부식 발생하지 않음 7.5×1012 83% 700
실시예 5의 플럭스 부식 발생하지 않음 2.7×1012 82% 600
CS-100 로진계 플럭스 부식이 일부 발생함 1.0×1011 85% 41
표 2에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 비부식성, 고절연성, 적정 수준의 퍼짐성을 보이며, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 초산비닐 수지와 같은 접착력을 부여하는 성분을 포함하고 있어서 적정 수준의 접착력 및 우수한 내충격성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 솔더링용 플럭스는 전자부품을 기판에 실장하는 경우, 리플로우 솔더링 단계에서는 플럭스로 작용하여 솔더링 작업의 신뢰성을 향상시키고, 리플로우 솔더링 후 단계에서는 발생한 잔사가 기판과 전자부품 사이의 간극에 충전되어 언더필 수지(underfill resin)나 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy molding compound; EMC)에 의한 밀봉재를 대체할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않고서도 많은 변형을 실시하여 특정 상황 및 재료를 본 발명의 교시내용에 채용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명을 실시하는데 계획된 최상의 양식으로서 개시된 특정 실시 태양으로 국한되는 것이 아니며, 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 태양을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 우레탄 수지, 에폭시 수지, 경화제, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 초산비닐 수지, 모노카르복실산, 및 디카르복실산을 포함하고, 로진을 포함하지 않는 솔더링용 플럭스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 우레탄 수지 100 중량부 당 에폭시 수지 50~150 중량부, 경화제 35~85 중량부, 아크릴 수지 10~40 중량부, 폴리에스테르 수지 15~45 중량부, 초산비닐 수지 15~45 중량부, 모노카르복실산 10~30 중량부, 및 디카르복실산 5~25 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, o-크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 아민형 에폭시 수지, 헤테로시클릭 에폭시 수지 및 지환식 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 경화제는 아민, 4급 암모늄염, 산무수물, 폴리아미드, 질소함유 복소환 화합물, 및 유기금속 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 아크릴 수지는 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴산의 에스테르, 메타크릴산의 에스테르, 크로톤산, 이타콘산, 말레산, 무수 말레산, 말레산의 에스테르, 무수 말레산의 에스테르, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아크릴아미드, 및 메타크릴아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 중합성 불포화기 함유 모노머가 중합하여 형성된 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 ε-카프로락톤과 펜타에리쓰리톨을 중합하여 형성된 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 모노카르복실산은 카프릴산, 라우릴산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 아라크산, 베헨산, 리놀산, 올레산, 리놀레산, 락트산, 히드록시피발산, 디메틸롤푸로피온산, 말산, 글리세린산, 벤조산, 트리멜리트산, 및 피로멜리트산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 디카르복실산은 옥살산, 말론산, 숙신산, 프탈산, 아디프산, 글루타르산, 2,4-디에틸 글루타르산, 2,4-디메틸 글루타르산, 이소프탈산, 피멜산, 시트르산, 아젤라산, 세바스산, 시클로헥산 디카르복실산, 말레산, 푸마르산, 및 디글리콜산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 솔더링용 플럭스는 보조 첨가제로 유동개질제(rheology modifier) 또는 증점제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더링용 플럭스.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 솔더링용 플럭스 및 땜납 분말을 포함하는 솔더 페이스트.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 솔더 페이스트는 크림 형태인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
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