KR102272298B1

KR102272298B1 - 인듐-주석-은 베이스 무연 솔더

Info

Publication number: KR102272298B1
Application number: KR1020177022524A
Authority: KR
Inventors: 존 페레이라; 스테픈 씨. 안타야
Original assignee: 앱티브 테크놀러지스 리미티드
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2021-07-05
Also published as: CN107635717B; TWI652354B; JP2020124747A; EP3294489A1; WO2016186954A1; JP2018520005A; US9981347B2; CN116393868A; TW201807211A; KR20180006874A; CN112958943A; CN115139008A; CN115139008B; CN107635717A; US20170368642A1; EP3294489A4; JP7082641B2; JP6826995B2; CN112958943B

Abstract

무연 솔더로 사용하기에 적합한 인듐-주석-은 합금이 본원에 개시된다. 합금은 주로 인듐을 포함하거나 주로 주석을 포함할 수 있다. 합금은 구리, 니켈 그리고 철 또는 구리, 안티모니, 그리고 아연을 더 포함할 수 있다. 조성물은 전기 커넥터(18, 30)를 유리 부품(10) 상에 놓인 전기 접촉자 표면(16)에 솔더링하는 데 사용될 수 있다. 합금을 성형하는 방법이 또한 본원에 개시된다.

Description

인듐-주석-은 베이스 무연 솔더

본 출원은 2015년 5월 15일에 출원된 미국 가 특허 출원 제 62/161,966 호, 2015년 5월 29일에 출원된 미국 가출원 제 62/168,054 호의 특허 협력 조약의 제8 조의 우선권에 따른 이익을 주장하며, 이들 각각의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 인용되었다.

본 발명은 솔더(solder)에 관한 것이며, 구체적으로 인듐-주석-은 베이스 무연 솔더에 관한 것이다.

자동차와 같은 차량의 앞 유리 및 뒷 유리는 종종 유리 내에 또는 유리 상에 위치한 전자 기기를 포함한다. 전형적으로, 전자 기기는 안테나 또는 서리제거 장치이다. 이러한 전자 기기에 전기적 연결을 제공하기 위해, 유리에 작은 영역의 금속 코팅이 적용되어 전자 기기에 전기적으로 연결된 금속화된 표면을 만든다. 리드(lead)에 연결하기 위한 전기 커넥터 또는 리드 그 자체는 그리고 나서 금속화된 표면에 솔더링된다(soldered). 전기 커넥터는 일반적으로 납(Pb)을 함유하는 솔더로 유리의 금속화된 표면에 솔더링된다. 다양한 국가에서의 환경에 대한 우려 및/또는 규제 지시로 인해, 대부분의 산업체는 솔더 응용에 있어 무연 솔더를 사용하고 있거나 사용하기로 계획 중에 있다. 몇몇 산업체에서 채용중인 일반적인 무연 솔더는 주석을 80%보다 많이 함유하는 것과 같이 높은 주석(Sn) 함유율을 갖는다. 본원에 설명된 바와 같이 자동차 유리에 사용된 무연 솔더는 2001년 7월 3일에 John Pereira(이하 "Pereira"라고 하겠다)에게 발행된 미국 특허 제6,253,988 호에 개시되었다. 여러 무연 솔더 중에서, Pereira는 64.35% 에서 65.65%의 인듐(In), 29.7% 에서 30.3%의 주석(Sn), 4.05%에서 4.95%의 은(Ag), 0.25% 에서 0.75%의 구리(Cu)의 중량비를 갖는 솔더(이하, "65 인듐 솔더"라 한다)를 개시한다.

자동차 유리에 장치를 솔더링할 때 마주하는, 다른 응용에 존재하지 않는 어려움이 있다. 자동차 유리는 깨지기 쉬운 경향이 있으며, 다른 응용예에서 사용하기 적합한 주석 다량함유 무연 솔더는 전형적으로 자동차 유리의 균열을 야기할 수 있다. 세라믹과 실리콘 같은 물질이 자동차 유리와 어떤 면에서 비슷해 보일 수 있으나, 세라믹 또는 실리콘 장치에 솔더링하기 적합한 몇몇 솔더는 자동차 유리에 솔더링하기에 적합하지 않다. 이 경우의 유리와 구리 같이, 열팽창 계수(CTE)에 있어서 상당한 차이를 갖는 두 물질을 솔더링하는 것은, 성형 후 솔더 연결부의 냉각 도중 또는 후속 온도 편위 도중에 솔더에 응력을 부과한다. 높은 녹는점 및 그에 상응하는 높은 가공 온도가 CTE 불일치를 증대시켜 냉각 도중 더 큰 응력을 부과하기 때문에, 솔더는 솔더링공정 도중 자동차 유리의 균열을 야기하지 않도록 충분히 낮은 녹는점(액상선)을 가질 필요가 있다. 그러나, 솔더의 녹는점은, 예를 들어 창문이 닫힌 채 태양 아래 있거나 다른 극히 가혹한 환경 조건에 놓일 경우 차의 정상적인 사용 도중 녹지 않도록 충분히 높을 필요가 있다. 인듐을 포함하는 솔더는 그러나, 보통 다른 솔더보다 훨씬 낮은 녹는점을 갖는다. 예를 들어, 65 인듐 솔더는 납 솔더의 고상선 온도 160℃와 비교하여 고상선 온도 109℃를 갖고, 납 솔더의 액상선 온도 224℃와 비교하여 액상선 온도 127℃를 갖는다. 몇몇 차량 제조업자들은 유리 제품이 성능에 있어서 어떤 열화작용도 없이 상승된 온도(예를 들어 어떤 차량 제조 업자에게는 110℃ 그리고 다른 차량 제조업자에게는 120℃)에서 살아 남는 것이 가능하기를 소망한다.

그러므로, 본 응용 부분을 위한 다른 모든 소망되는 특성을 가지는 동시에, 현재 사용 가능한 조성보다 더 높이 상승된 온도를 견딜 수 있는, 유리에 사용하기에 적합한 무연 솔더에 대한 필요성이 있다.

배경기술에서 논의된 주제는 단순히 배경 기술에서 언급되었다는 이유만으로 종래 기술로 간주되어서는 안된다. 비슷하게, 배경 기술에서 언급된 문제 또는 배경 기술의 주제와 연관된 문제는 종래 기술에서 이미 인식된 것으로 간주되어서는 안된다. 배경 기술의 주제는 단순히 그 자체로 또한 발명일 수도 있는 상이한 접근법을 제시할 뿐이다.

본 발명의 실시예에 따라, 인듐-주석-은 베이스 솔더가 제공된다. 제1 실시예는 중량비 약 40%의 주석, 중량비 약 0.5%의 구리, 중량비 약 50%의 인듐, 중량비 약 4.5%의 은, 중량비 약 1.8%에서 약 2.1%의 니켈, 중량비 약 2.9%에서 약 3.2%의 철을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금이다. 합금은 중량비 약 1.8%의 니켈과 중량비 약 3.2%의 철을 포함할 수 있다. 대안적으로, 합금은 중량비 약 2.1%의 니켈과 중량비 약 2.9%의 철을 포함할 수 있다.

제2 실시예는 중량비 약 14%에서 약 15%의 주석, 중량비 약 1%의 안티모니, 중량비 약 1%의 구리, 중량비 약 5%에서 약 6%의 은, 중량비 약 1%에서 약 3%의 니켈, 중량비 약 1%의 아연, 그리고 중량비 약 75%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금이다. 합금은 중량비 약 14%의 주석, 중량비 5%의 은, 그리고 중량비 약 3%의 니켈을 포함할 수 있다. 대안적으로, 합금은 중량비 약 15%의 주석, 중량비 6%의 은, 그리고 중량비 약 1%의 니켈을 포함할 수 있다.

제3 실시예는 중량비 약 75%의 주석, 중량비 약 5%의 은, 그리고 중량비 약 20%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금이다.

제4 실시예는 중량비 약 7%의 주석, 중량비 약 3%의 은, 그리고 중량비 약 90%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금이다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 유리 부품상의 전기 연결부가 제공된다. 제5 실시예는 유리 부품, 유리 부품 상에 은을 포함하는 전기 접촉자 표면, 그리고 중량비 약 40%의 주석, 중량비 약 0.5%의 구리, 중량비 약 50%의 인듐, 중량비 약 4.5%의 은, 중량비 약 1.8%에서 약 2.1%의 니켈, 그리고 중량비 약 2.9%에서 약 3.2%의 철을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금 층이 있는 유리 부품 상에 놓인 전기 접촉자 표면에 솔더링된 전기 커넥터를 포함하는 유리 부품 상의 전기 연결부를 포함하는 유리 부품상의 전기 연결부이다. 합금은 중량비 약 1.8%의 니켈과 중량비 약 3.2%의 철을 포함할 수 있다. 대안적으로, 합금은 중량비 약 2.1%의 니켈과 중량비 약 2.9%의 철을 포함할 수 있다.

제6 실시예는 유리 부품, 유리 부품 상에 은을 포함하는 전기 접촉자 표면, 그리고 중량비 약 14%에서 약 15%의 주석, 중량비 약 1%의 안티모니, 중량비 약 1%의 구리, 중량비 약 5%에서 약 6%의 은, 중량비 약 1%에서 약 3%의 니켈, 중량비 약 1%의 아연, 그리고 중량비 약 75%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금 층이 있는 유리 부품 상에 놓인 전기 접촉자 표면에 솔더링된 전기 커넥터를 포함하는 유리 부품 상의 전기 연결부이다. 합금은 중량비 약 14%의 주석, 중량비 5%의 은, 그리고 중량비 약 3%의 니켈을 포함할 수 있다. 대안적으로, 합금은 중량비 약 15%의 주석, 중량비 6%의 은, 그리고 중량비 약 1%의 니켈을 포함할 수 있다.

제7 실시예는 유리 부품, 유리 부품 상에 은을 포함하는 전기 접촉자 표면, 그리고 중량비 약 75%의 주석, 중량비 약 5%의 은, 그리고 중량비 약 20%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금 층이 있는 유리 부품 상에 놓인 전기 접촉자 표면에 솔더링된 전기 커넥터를 포함하는 유리 부품 상의 전기 연결부이다.

제8 실시예는 유리 부품, 유리 부품 상에 은을 포함하는 전기 접촉자 표면, 그리고 중량비 약 7%의 주석, 중량비 약 3%의 은, 그리고 중량비 약 90%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로 사용하기에 적합한 합금 층이 있는 유리 부품 상에 놓인 전기 접촉자 표면에 솔더링된 전기 커넥터를 포함하는 유리 부품 상의 전기 연결부이다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 인듐-주석-은 베이스 솔더를 성형하는 방법이 제공된다. 제9 실시예는 합금을 성형하기 위해 주석, 구리, 인듐, 은, 니켈, 그리고 철을 함께 혼합하여 솔더로 사용하기에 적합한 합금을 성형하는 방법이다. 방법은 합금 중량의 약 40%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 0.5%를 제공하기 위해 구리를 추가하는 단계, 합금 중량의 약 50%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 4.5%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1.8%에서 약 2.1%를 제공하기 위해 니켈을 추가하는 단계, 그리고 합금의 중량의 약 2.9%에서 약 3.2%를 제공하기 위해 철을 추가하는 단계를 포함한다. 니켈을 추가하고 철을 추가하는 단계는 합금 중량의 약 5%를 제공하기 위해 니켈-철 합금을 추가함으로써 달성될 수 있고, 니켈-철 합금은 중량비 약 36%에서 약 42%의 니켈과 중량비 약 58%에서 약 64%의 철을 포함한다. 생성된 합금은 중량비 약 1.8%의 니켈과 중량비 약 3.2%의 철을 포함할 수 있다. 대안적으로, 생성된 합금은 중량비 약 2.1%의 니켈과 중량비 약 2.9%의 철을 포함할 수 있다.

제10 실시예는 합금을 성형하기 위해 주석, 안티모니, 구리, 인듐, 은, 니켈, 그리고 아연을 함께 혼합함으로써 솔더로 사용하기에 적합한 합금을 형성하는 방법이다. 방법은 합금 중량의 약 14%에서 약 15%를 제공하기 위한 주석을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%를 제공하기 위해 안티모니를 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%를 제공하기 위해 구리를 추가하는 단계, 합금 중량의 약 5%에서 약 6%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%에서 약 3%를 제공하기 위해 니켈을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%를 제공하기 위해 아연을 추가하는 단계, 그리고 합금 중량의 약 75%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계를 포함한다. 생성된 합금은 중량비 약 14%의 주석, 중량비 약 5%의 은, 그리고 중량비 약 3%의 니켈을 포함할 수 있다. 대안적으로, 합금은 중량비 약 15%의 주석, 중량비 6%의 은, 그리고 중량비 약 1%의 니켈을 포함할 수 있다.

제11 실시예는 합금을 성형하기 위해 주석, 인듐, 그리고 은을 함께 혼합함으로써 솔더로 사용하기에 적합한 합금을 성형하는 방법이다. 방법은 합금 중량의 약 75%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 5%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 그리고 합금 중량의 약 20%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계를 포함한다.

제12 실시예는 합금을 성형하기 위해 주석, 인듐, 그리고 은을 함께 혼합함으로써 솔더로 사용하기에 적합한 합금을 성형하는 방법이다. 방법은 합금 중량의 약 7%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 3%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 90%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계를 포함한다.

본원 발명은 첨부된 도면을 예시로서 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기적으로 작동하는 서리제거 장치를 포함하는 자동차 뒷 유리의 내부도이다.
도 2는 뒷 유리, 전기 접촉자 및 솔더가 일 실시예에 따른 부분에서 도시된, 도 1의 뒷 유리 상에 있는 전지 접촉자에 솔더링된 전기 커넥터의 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 본 발명의 솔더 조성으로 솔더링될 수 있는 전원 커넥터의 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 본 발명의 솔더 조성으로 자동차 앞 유리에 솔더링된 전원 커넥터의 개략도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 본 발명의 솔더 조성의 실시예의 온도 주기 시험의 일 주기 동안의 시간의 함수로서의 온도의 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 본 발명의 솔더 조성의 성능을 시험 하기 위한, 힘 게이지를 채용하는 당김 시험의 개략도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 본 발명의 솔더 조성의 성능을 시험 하기 위한, 중량을 채용하는 당김 시험의 개략도이다.

본원 발명은 유리 내부 또는 유리 상의 전자 기기에 전기적으로 연결하기 위해 전기 부품을 유리에 솔더링하는데 적합한 솔더 조성을 제공한다. 도 1을 참조하면, 유리 부품(10), 예를 들어, 자동차의 뒷 유리(10)[예를 들어, 유럽에서는 또한 백라이트(back light)라고 불린다]가 비 제한적인 설명적 예시로 채용된다. 뒷 유리(10)는 뒷 유리(10)의 내측 표면 내에 내장되거나 내측 표면 상에 증착된 전기 저항성 서리제거 선(14)으로 구성된 창문 서리제거장치(12)를 포함한다. 서리제거 선(14)은 뒷 유리(10)의 내측 표면에 위치한 한 쌍의 전기 접촉자 스트립(electrical contact strip, 16)[버스 바(buss bars)로 또한 불리는 전기 접촉자 표면]에 전기적으로 연결된다. 전기 접촉자 스트립(16)은 뒷 유리(10)의 내측 표면상에 증착된 전도성 막으로 구성된다. 전형적으로, 전기 접촉자 스트립(16)은 은을 함유하는 물질로부터 형성된다.

뒷 유리(10)는 또한, 또는 대안적으로, 뒷 유리(10)의 내측 표면상에 증착되거나 내측 표면 내에 내장된 전기 전도성 안테나 요소(26)를 가지며 무선 신호를 수신하는데 사용되는 안테나(24)[예를 들어, 무선 수신기에 연결된 안테나(도시되지 않음)]를 포함할 수 있다. 안테나 요소(26)는 뒷 유리(10)의 내측 표면상에 위치한 전기 접촉자 스트립(16)에 전기적으로 연결된다. 전기 접촉자 스트립(16)은 뒷 유리(10)의 내측 표면상에 증착된 전도성 막으로 구성된다. 전형적으로, 전기 접촉자 스트립(16)은 은을 함유하는 물질로부터 형성된다.

자동차 유리에 장치를 솔더링할 때 마주하는, 다른 응용에 존재하지 않는 어려움이 있다. 자동차 유리에 무연 솔더를 사용하는 것에 관한 OEM(본래의 장비 제조업자, original equipment manufacturer)의 일부 우려사항을 해결하기 위하여, CLEPA(유럽 자동차 공급자 협회)와 같은 자동차 유리 공급자들은 온도 주기, 일정한 기후 습도, 습도가 있는 기후 온도, 그리고 고온 보관을 포함하는 여러 시험을 개발하였다. 솔더의 녹는점에 대한 OEM의 우려 사항을 해결하기 위하여, 한 시험은 500 그램의 중량이 각 커넥터에 매달린 상태로 105℃에서 500시간동안 보관된 커넥터에 솔더링된 유리의 샘플을 포함했으며, 시험 시간 동안 어떤 커넥터도 유리로부터 떨어지지 않았다. 그러나 유럽 자동차 제조업자 협회(ACEA)와 같은 OEM은, 온도는 115℃에서 120℃까지 높을 수 있다고 제안하였다.

본 발명의 솔더 조성은 위에서 언급된 OEM의 우려를 해결하기 위해 개발되었다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 솔더 조성의 층(20)이, 저항 솔더링 장치 또는 화염, 마이크로 화염, 고온의 철, 고온 공기, 그리고 유도 가열과 같은 표준 솔더링 기술을 사용해 전원 커넥터(18) 또는 안테나 커넥터(30)를 뒷 유리(10) 상의 각 전기 접촉자 스트립(16)에 솔더링하기 위해 채용되었다. 솔더링은 주위 환경에서 수행될 수 있으며 불활성 가스 환경을 필요로 하지 않는다. 그리고 나서 전원 선(22)이 창문 서리제거 장치(12)에 전원을 제공하기 위해 전원 커넥터(18)에 전기적으로 연결되거나, 안테나 선(28)이 안테나(24)와 무선 수신기 사이의 연결을 제공하기 위해 안테나 커넥터(30)에 전기적으로 연결될 수 있다(도 1참조). 솔더 성능 시험 및 결과는 아래에서 제공된다.

솔더로서 사용하기에 적합한 인듐-주석-은 베이스 합금의 제1 실시예(이하, 합금 I 이라 하겠다)는, 주석 약 40%, 구리 약 0.5%, 인듐 약 50%, 은 약 4.5%, 니켈 약 1.8%에서 약 2.1%, 그리고 철 약 2.9%에서 약 3.2%의 중량비를 갖는 원소의 혼합물이다. 합금 I은 중량비 약 1.8%의 니켈 및 중량비 약 3.2%의 철을 포함할 수 있다. 대안적으로, 합금 I은 중량비 약 2.1%의 니켈 및 중량비 약 2.9%의 철을 포함할 수 있다.

본원에서 "약 X%"라는 표현은 합금의 중량비 25% 미만을 포함하는 원소에 대해서는 중량비 ± 0.5% 내의 차이를 가질 수 있고, 또는 합금의 중량비 25% 이상을 포함하는 원소에 대해서는 중량비 ± 2% 내의 차이를 가질 수 있다는 것을 의미할 수 있다.

합금 I 은 또한 중량비 약 40%의 주석, 약 0.5%의 구리, 약 4.5%의 은, 약 5%의 니켈-철 합금, 약 50%인 인듐의 혼합물로 특정지어질 수 있으며, 니켈-철 합금은 중량비 약 36%에서 약 42%의 니켈, 중량비 약 58% 에서 약 64%의 철을 포함한다. 특정 일 실시예에 따르면, 니켈-철 합금은 중량비 약 36%의 니켈 및 약 64%의 철을 포함한다. 이 특정 철-니켈 합금은 일반적으로 상표명 INVAR로 알려져 있다. 다른 특정한 실시예에 따르면, 니켈-철 합금은 중량비 약 42%의 니켈, 약 58%의 철을 포함한다. 이 특정한 철-니켈 합금은 상표명 ALLOY 42 또는 NILO 42로 알려져 있다. 합금 I은 약 109.18℃의 고상선 온도와 약 115.39℃의 액상선 온도를 갖는다.

고상선 온도는 사실상 합금이 녹기 시작하는 온도로 정의된다. 고상선 온도 아래에서, 물질은 용융 상이 없이 완전한 고체이다. 액상선 온도는 결정(녹지 않은 금속 또는 합금)이 용융물과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 위에서, 물질은 용융물만으로 구성되며 균질하다. 솔더 가공 온도는 액상선 온도보다 솔더링 기술에 의해 결정되는 온도만큼 높다.

솔더로 사용하기에 적합한 인듐-주석-은 베이스 합금의 제2 실시예(이하, 합금 II라 하겠다)는 중량비 약 14%에서 약 15%의 주석, 약 1%의 안티모니, 약 1%의 구리, 약 5%에서 약 6%의 은, 약 1%에서 약 3%의 니켈, 약 1%의 아연, 그리고 약 75%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물이다. 합금 II는 중량비 약 14%의 주석, 5%의 은, 그리고 약 3%의 니켈을 포함할 수 있으며, 이는 이하 합금 IIA라 하겠다. 대안적으로, 합금 II는 중량비 약 15%의 주석, 6%의 은, 그리고 약 1%의 니켈을 포함할 수 있으며, 이하 합금 IIB라 하겠다. 합금 IIA는 122.41℃의 고상선 온도를 갖고, 약 135.66℃의 액상선 온도를 갖는다. 합금 IIB는 약 123.68℃의 고상선 온도를 갖고, 약 138.38℃의 액상선 온도를 갖는다.

솔더로 사용하기에 적합한 인듐-주석-은 베이스 합금의 제3 실시예(이하, 합금 III라 한다)는, 중량비 약 75%의 주석, 약 5%의 은, 그리고 약 20%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물이다. 합금 III는 약 177.26℃의 고상선 온도, 그리고 약 188.29℃의 액상선 온도를 갖는다.

솔더로 사용하기에 적합한 인듐-주석-은 베이스 합금의 제4 실시예(이하, 합금 IV라 한다)은, 중량비 약 7%의 주석, 약 3%의 은, 그리고 약 90%의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물이다. 합금 IV는 약 134.58℃의 고상선 온도와 약 139.58℃의 액상선 온도를 갖는다.

본 발명의 다른 실시예는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 유리 부품, 유리 부품 상에 은을 포함하는 전기 접촉자 표면, 그리고 솔더 층과 함께 유리 부품상의 전기 접촉자 표면에 솔더링된 전기 커넥터를 포함하는, 유리 부품 상의 전기 연결에 관한 것이다. 이 전기 연결의 네 가지 다른 실시예들에서, 솔더는 합금I, II, III, 또는 IV 중 어느 하나일 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예들은 솔더로 사용하기에 적합한 합금을 성형하는 방법에 관한 것이다. 합금 I을 성형하는 방법의 제1 실시예에 따르면, 방법은 합금의 중량비 약 40%를 제공하도록 주석을 추가하는 단계, 합금의 중량비 약 0.5%를 제공하도록 구리를 추가하는 단계, 합금의 중량비 약 50%를 제공하도록 인듐을 추가하는 단계, 합금의 중량비 약 4.5%를 제공하도록 은을 추가하는 단계, 합금의 중량비 약 1.8%에서 약 2.1%를 제공하도록 니켈을 추가하는 단계, 그리고 합금의 중량비 약 2.9%에서 약 3.2%를 제공하도록 철을 추가하는 단계를 포함한다. 특정한 일 실시예에서, 합금 I은 중량비 1.8%의 니켈과 중량비 3.2%의 철을 포함한다. 다른 특정한 실시예에서, 합금 I은 중량비 2.1%의 니켈과 중량비 2.9%의 철을 포함한다.

니켈을 추가하는 단계와 철을 추가하는 단계는 합금 중량의 약 5%를 제공하도록 니켈-철 합금을 추가하는 방법에 의해 달성될 수 있으며, 니켈-철 합금은 중량비 약 36%에서 약 42%의 니켈과 약 58%에서 약 64%의 철을 포함한다. 특정한 일 실시예에서, 니켈-철 합금은 36%의 니켈과 64%의 철을 포함하고(INVAR), 다른 특정 실시예에서 니켈-철 합금은 42%의 니켈과 58%의 철을 포함한다(ALLOY 42). 이는 니켈의 첫 번째 양과 철의 두 번째 양을 따로 무게 측정하여 추가하기보다는 상업적으로 이용 가능한 니켈-철 합금의 하나의 양을 무게 측정하고 추가함으로써, 합금 I에 원소를 추가하는 공정을 단순화하는 이점을 제공한다.

합금 II를 성형하는 방법의 제2 실시예에 따르면, 방법은 합금 중량의 약 14%에서 약 15%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%를 제공하기 위해 안티모니를 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%를 제공하기 위해 구리를 추가하는 단계, 합금 중량의 약 5%에서 약 6%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%에서 약 3%를 제공하기 위해 니켈을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 1%를 제공하기 위해 아연을 추가하는 단계, 그리고 합금 중량의 약 75%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계를 포함한다. 특정한 일 실시예에 따르면, 합금 II는 중량비 약 14%의 주석, 중량비 5%의 은, 그리고 중량비 약 3%의 니켈을 포함한다. 다른 특정한 일 실시예에 따르면, 합금 II는 중량비 약 15%의 주석, 중량비 6%의 은, 그리고 중량비 약 1%의 니켈을 포함한다.

합금 III를 성형하는 방법의 제3 실시예에 따르면, 방법은 합금 중량의 약 75%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 5%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 그리고 합금의 중량의 약 20%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계를 포함한다.

합금 IV를 성형하는 방법의 제4 실시예에 따르면, 방법은 합금 중량의 약 7%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계, 합금 중량의 약 3%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 그리고 합금의 중량의 약 90%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계를 포함한다.

솔더 성능 시험 및 결과

Ⅰ. 온도 주기 시험

시험 샘플은 합금 II 및 합금 IV와 솔더링된 전원 커넥터 및 안테나 커넥터(18, 30)가 있는 자동차 앞 유리이다. 각각이 대향 단부에 이격되어 떨어진 두 개의 솔더 패드(solder pad, 19) 사이에서 연장하는 상승된 가늘고 긴 브리지(bridge)부분을 갖는 브리지 단자 전원 커넥터(18a, 18b)의 개략도가 도 3a 및 도 3b에 각각 도시된다. 전원 커넥터(18a, 18b)는 이하에서 전원 커넥터(18)라 하겠다. 각 솔더 패드(19)의 넓이는 약 64 mm²였고, 도 4에 도시된 바와 같이 솔더 조성물은 약 0.5mm의 두께를 가졌다. 솔더 주괴를 솔더 리본으로 압연하고, 솔더 리본을 베이스 구리 재료에 연속적인 줄무늬 모양으로 재용융 시키며, 솔더 줄무늬를 균일한 치수로 스카이빙(skiving) 하고, 표준 공구 세공을 이용하여 단자를 스탬핑(stamping) 및 성형하며, 용제를 솔더 표면에 적용하고, 저항 솔더링 장치를 사용하여 전원 커넥터(18)를 뒷 유리(10) 상의 전기 접촉자 스트립(16)의 목표 영역에 솔더링하며, 이때 에너지는 약 750와트-초와 약 1050와트-초 사이의 범위에서 투입되고(예를 들어 약 900와트-초), 그 다음으로는 전원 커넥터(18)가 약 8에서 약 12초 사이 범위의 시간 동안(예를 들어, 약 10초) 뒷 유리(10) 상의 위치에 유지되는 동안 냉각되어, 전원 커넥터(18)는 뒷 유리(10) 상으로 솔더링되었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 이 시험에서 기후 제어 챔버(chamber)의 온도는 총 8시간 동안 주위 온도(약 20℃)에서 -40℃로 변화하고, -40℃에서 90분 동안 유지된 후 120분 동안 105℃로 상승하고, 그 다음 주위 온도로 돌아오는 주기를 순환 하였으며, 도 5에 도시된 각각의 화살표로 표시된 바와 같이 14V의 전류 부하가 전원 라인(22)을 통하여 -40℃ 단계의 끝부터 시작하여 105℃ 단계의 끝에서 끝날 때까지 적용되었다. 20주기 후에, 도 6에 도시된 바와 같이, 각 전원 커넥터(18)는 당김 시험(300)에서 솔더 층(20)과 뒷 유리(10)에 일반적으로 수직을 이루는 방향으로 3초 동안 디지털 힘 게이지(310)로 50뉴턴의 힘으로 (주위 온도에서)당겨졌으며, 디지털 힘 게이지는 솔더 패드(19) 사이의 대략 중앙점에서 후크(hook, 320)에 의해 전원 커넥터(18)에 연결되며, 핸들(330)에 의해 수동으로 작동되었다. 이 시험 도중 고장은 없었다.

II. 열 흡수 시험

시험 샘플은 합금 II와 합금 IV로 솔더링된 전원 커넥터(18) 및 안테나 커넥터(30)가 있는 자동차 앞유리이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이 시험(400)에서, 14V의 전류 부하가 전원 라인(22)을 통하여 매 시간의 15분 동안 적용되며 기후 제어 챔버의 온도는 96시간동안 105℃로 유지되었다. 전원 커넥터(18)는 중력 가속도에 따라 수직 아래로 향하는 솔더 층(20)과 뒷 유리(10)에 일반적으로 수직한 방향으로 10 뉴턴의 기계적 하중을 총 96시간 동안 받았다[솔더 패드(19)의 대략 중앙점에 위치한 후크(420)에 의해 연결 중량(410)이 전원 커넥터(18)에 작용함]. 안테나 커넥터(30)는 비슷하게 3뉴턴의 기계적 하중을 받았다. 96시간의 시험 후, 각 전원 커넥터(18)는 도 6에 도시되고 위에서 설명된 바와 같이 디지털 힘 게이지로 280에서 360뉴턴의 힘으로 3초동안, (주위 온도에서)당겨진다(Mark-10 Long Island, NY, Model BG50). 이 시험 도중 전원 커넥터(18)의 실패는 일어나지 않았다. 안테나 커넥터(18)는 30에서 70뉴턴의 힘으로 비슷하게 시험되었다. 합금 IV와 솔더링된 18개 중 10개의 안테나 커넥터(18)가 고장났다.

III. 고온 보관 시험

시험 샘플들은 합금 II 및 합금 IV로 솔더링된 전원 커넥터(30)와 안테나 커넥터(18)가 있는 자동차 앞유리였다. 이 시험에서, 기후 제어 챔버(상대적으로 건조한 습도였으며, 제어되지는 않음)의 온도는 전원 커넥터(18)의 어떠한 전기적 또는 기계적 부하 없이 24시간동안 일정한 120℃ 에서 유지되었다. 24시간이 끝난 후, 각 전원 커넥터(18)는 도 6에 도시되고 위에서 설명된 바와 같이 디지털 힘 게이지로 210에서 290뉴턴의 힘으로 3초동안 (주위 온도에서)당겨졌다. 안테나 커넥터(30)는 50에서 75뉴턴의 힘으로 각 안테나 커넥터(18)를 당김으로써 비슷하게 시험되었다. 이 시험 도중 전원 커넥터(18) 또는 안테나 커넥터(30)의 고장은 발생하지 않았다.

IV. 전기 부하가 있는 장기 시험

시험 샘플들은 합금 II로 솔더링된 전원 커넥터(18) 및 안테나 커넥터(30)가 있는 자동차 앞유리였다. 이 시험에서, 기후 제어 챔버의 온도(상대적으로 건조한 습도였으며, 제어되지는 않음)는 500시간의 전체 시간 동안 14V의 전류 부하와 함께 일정한 105℃로 유지되었다. 500시간이 끝난 후, 각 전원 커넥터(18)는 도 6에 도시되고 앞에서 설명된 바와 같이 디지털 힘 게이지로 50뉴턴의 힘으로 3초동안 (주위 온도에서)당겨졌다. 이 시험 도중 파괴는 발생하지 않았다.

V. 열 충격 시험

시험 샘플들은 합금 IV로 솔더링된 전원 커넥터(18)와 안테나 커넥터(30)가 있는 자동차 앞유리였다. 이 시험에서, 한 주기는 기후 제어 챔버 내에서 전기적 또는 기계적 부하 없이 한 시간 동안 105℃로 샘플을 가열한 후 샘플을 냉수(냉장고에 보관되었던, 약 23℃ 또는 그 이하)에 완전히 담그는 것으로 구성되었다. 샘플은 각 주기 후에 압축된 공기로 건조되었다. 5주기 후 그리고 나서 10 주기 후에, 각 전원 커넥터(18)는 도 6에 도시되고 앞에서 설명된 바와 같이 디지털 힘 게이지로 17-에서 290뉴턴의 힘으로 3초동안 (주위 온도에서)당겨진다. 안테나 커넥터(18)는 50에서 80뉴턴의 힘으로 비슷하게 시험되었다. 이 시험 도중 고장은 발생하지 않았다.

VI. 고습도 테스트: 일정 기후

시험 샘플은 합금 II로 솔더링된 전원 커넥터(18)와 안테나 커넥터(30)가 있는 자동차 앞유리였다. 샘플은 환경적 챔버 내에서 일정한 80℃의 온도와 >96 %RH의 습도(증기 발생됨)에 총 504시간동안 노출되며, 14V(약 22A의 전류를 발생시킴) 의 전류 부하가 특정된 온도와 습도에 도달하고 10시간 후부터 시작하여 15분 동안, 그리고 그 이후 504시간이 끝날 때까지 매 24시간 마다 15분 동안 전원 커넥터(18)에 가해진다. 504시간이 끝난 후, 각 전원 커넥터(18)는 도 6에 도시되고 앞에서 설명된 바와 같이 디지털 힘 게이지로 50뉴턴의 힘으로 3초동안 (주위 온도에서)당겨진다. 이 시험 도중 실패는 발생하지 않았다.

VII. 스크린 워셔액에 대한 내성

시험 샘플은 합금 II 및 합금 IV로 솔더링된 전원 커넥터(18)와 안테나 커넥터(30)가 있는 자동차 앞유리였다. 이 시험에서, 전원 커넥터(18)와 안테나 커넥터(30)는 69.5%의 증류수, 20%의 에탄올, 10%의 이소프로판올, 0.5%의 에틸렌 글리콜, 그리고 0.09%의 라우릴 황산나트륨으로 만들어진 모의 앞유리 워셔 용액으로 적셔진 스폰지에 의해 24시간동안 23°C에서 습윤되었다. 24시간이 끝난 후, 각 전원 커넥터(18)는 도 6에 도시되고 앞에서 설명된 바와 같이 힘 게이지로 70에서 310뉴턴의 힘으로 2초동안 (주위 온도에서)당겨졌다. 각 안테나 커넥터(30)는 60에서 85뉴턴의 힘으로 비슷하게 시험되었다. 이 시험 도중 고장은 발생하지 않았다.

VII. 소금 스프레이 테스트

시험 샘플은 합금 II로 솔더링된 전원 커넥터(18)와 안테나 커넥터(30)가 있는 앞유리였다. 이 시험에서, 시험 샘플은 시험 챔버 내에서 96시간동안 소금 분무 안개에 노출되었다. 소금 농도는 5%였으며 pH 농도는 6.5와 7.2 사이였다. 소금 안개 온도는 +35℃ ±2℃에서 설정되고, 타워 온도는 +48℃로 설정되었으며, 기압은 16 에서 18psi 사이였다. 96시간이 끝난 후, 각 전원 커넥터(18)는 도 6에서 도시되고 앞에서 설명된 바와 같이 50뉴턴의 힘으로 2초동안 (주위 온도에서)당겨졌다. 이 시험 도중 소장은 발생하지 않았다.

본 발명의 솔더 조성은 소망되는 제조가능성을 제공함과 동시에 본 용도에 대해 필요에 따라 강도와 연성이 있는 기계적 특성 및 습윤 및 안정성에서의 물리적 특성을 가질 뿐만 아니라, 더 높은 사용온도를 제공하는 무연 합금이다. 소망되는 제조 가능성은 제조 과정에서 발생하기 쉬운 결함이나 고장 및 은을 포함하는 금속화된 전기 접촉자 표면을 솔더링할 때 종종 발생하는 은 침출(소기) 현상이 경감되거나 없어질 수 있도록 충분히 낮은 가공 온도를 가능하게 하는 것을 포함한다. 이것은 구리, 니켈, 그리고 철 또는 안티모니, 구리, 그리고 아연과 금속 공학적으로 합금되거나 촉발되거나 분산될 수 있는 인듐-주석-은 베이스 물질 또는 인듐-주석-은 베이스 물질에 의해 달성된다.

본 출원에서 사용된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 열거된 물질로 필수적으로 이루어지는 솔더 조성은 특정된 물질, 솔더 조성과 솔더 조성을 포함하는 전기 커넥터의 기초적이고 신규성 있는 특징에 물질적으로 영향을 미치지 않는 것들에 한정된다. 솔더 조성의 기본적이고 새로운 특징은 본원에서 설명된 열적(예를 들어, 액상선 및 고상선 온도) 및 기계적(예를 들어, 앞에서 설명된 성능 시험) 특성을 포함한다.

환경 친화적인 무연 물질을 제공하는 것에 더하여, 본 발명의 솔더는 소망되는 낮은 제조 공정 온도를 유지하는 동시에 강도와 연성 둘 다에 있어서 필요한 기계적 특성을 제공하고 소망되는 상승된 서비스 온도를 견디면서 자동차 유리에 사용될 수 있는 무연 솔더를 제공하는 것과 같은 많은 이점을 갖는다.

본원의 발명이 그것의 선호되는 실시예의 관점에서 설명되었지만, 그것에 제한되도록 의도된 것이 아니고, 그보다는 후술하는 청구범위에 제시된 정도로만 한정되도록 의도한다. 더욱이, 제1, 제2 등의 용어의 사용은 어떠한 중요도의 순서를 지칭하지 않으며, 그보다는 제1, 제2 등의 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구분하기 위해 사용되었다. 더 나아가, 관사 등의 용어의 사용은 수량의 한정을 지칭하지 않으며, 그보다는 인용된 항목이 하나 이상 존재함을 지칭한다.

Claims

솔더로 사용하기에 적합한 합금이며,
중량비 38% 내지 42%의 주석과,
중량비 0% 초과 1% 미만의 구리와,
중량비 48% 내지 52%의 인듐과,
중량비 4% 내지 5%의 은과,
중량비 1.3% 내지 2.6%의 니켈과,
중량비 2.4% 내지 3.7%의 철을 포함하는, 합금.
제1 항에 있어서, 중량비 1.3% 내지 2.3%의 니켈과 중량비 2.7% 내지 3.7%의 철을 포함하는, 합금.
제1 항에 있어서, 중량비 1.6% 내지 2.6%의 니켈과 중량비 2.4% 내지 3.4%의 철을 포함하는, 합금.
제1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 109℃의 고상선 온도와 115℃의 액상선 온도를 갖는, 합금.
유리 부품(10) 상의 전기 연결부이며,
유리 부품(10),
유리 부품(10) 상에 은을 포함하는 전기 접촉자 표면(16),
중량비 38% 내지 42%의 주석, 중량비 0% 초과 1% 미만의 구리, 중량비 48% 내지 52%의 인듐, 중량비 4% 내지 5%의 은, 중량비 1.3% 내지 2.6%의 니켈, 그리고 중량비 2.4% 내지 3.7%의 철을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로서의 사용에 적합한 합금의 층(20)이 있는 유리 부품(10) 상의 전기 접촉자 표면(16)에 솔더링된 전기 커넥터(18, 30)를 포함하는, 전기 연결부.
제5 항에 있어서, 합금은 중량비 1.3% 내지 2.3%의 니켈과 중량비 2.7% 내지 3.7%의 철을 포함하는, 전기 연결부.
제5 항에 있어서, 합금은 중량비 1.6% 내지 2.6%의 니켈과 중량비 2.4% 내지 3.4%의 철을 포함하는, 전기 연결부.
솔더로서의 사용하기 적합한 합금 형성 방법이며,
합금 중량의 38% 내지 42%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계,
합금 중량의 0% 초과 1% 미만을 제공하기 위해 구리를 추가하는 단계,
합금 중량의 48% 내지 52%를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계,
합금 중량의 4% 내지 5%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계,
합금 중량의 1.3% 내지 2.6%를 제공하기 위해 니켈을 추가하는 단계, 그리고
합금 중량의 2.4% 내지 3.7%의 철을 제공하기 위해 철을 추가하는 단계를 포함하는, 합금 형성 방법.
제8 항에 있어서, 니켈을 추가하는 단계와 철을 추가하는 단계는 합금 중량의 4.5% 내지 5.5%를 제공하기 위해 니켈-철 합금을 추가함으로써 달성되고, 니켈-철 합금은 중량비 34% 내지 44%의 니켈과 중량비 56% 내지 66%의 철을 포함하는, 합금 형성 방법.
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솔더로서 사용하기 적합한 합금이며,
중량비 6.5% 내지 7.5%의 주석,
중량비 2.5% 내지 3.5%의 은, 그리고
잔부의 인듐을 포함하는, 합금.
제24 항에 있어서, 135℃의 고상선 온도와 140℃의 액상선 온도를 갖는, 합금.
유리 부품 상의 전기 연결부이며,
유리 부품(10),
유리 부품(10)상에 은을 포함하는 전기 접촉자 표면(16),
중량비 6.5% 내지 7.5%의 주석, 중량비 2.5% 내지 3.5%의 은, 그리고 잔부의 인듐을 포함하는 원소의 혼합물을 갖는, 솔더로서 사용하기에 적합한 합금의 층(20)이 있는 유리 부품(10) 상에 놓인 전기 접촉자 표면(16)에 솔더링된 전기 커넥터(18, 30)를 포함하는, 전기 연결부.
솔더로서 사용하기 적합한 합금 형성 방법이며,
합금 중량의 6.5% 내지 7.5%를 제공하기 위해 주석을 추가하는 단계,
합금 중량의 2.5% 내지 3.5%를 제공하기 위해 은을 추가하는 단계, 그리고
합금 중량의 잔부를 제공하기 위해 인듐을 추가하는 단계를 포함하는, 합금 형성 방법.