KR19980041034A - 납함량이 적은 전자부품용 땜납 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자부품의 전자기기 배선용으로 사용되는 땜납에 관한 것이며; 그 목적은 납함량이 적으면서도 전자부품 배선용으로 적절한 용융온도를 갖는 주석-은-비스무스-납계 땜납을 제공함에 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명은 중량%로, Ag:2-5%, Bi:5-10%, Pb:2-5% 및 잔부 Sn으로 조성되는 납함량이 적은 전자부품용 땜납에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

납함량이 적은 전자부품용 땜납

본 발명은 전자부품의 전자기기 배선용으로 사용되는 땜납에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 납합량이 적으면서도 전자부품 배선용으로 적절한 용융온도를 갖는 주석-은-비스무스-납계 땜납에 관한 것이다.

통상 땜납은 그 사용용도에 적합하도록 고유한 특성을 갖는데, 땜납에서는 그 용융온도 및 응고온도범위가 중요하다. 즉, 특정용도에 따라 선택된 땜납은 인접한 부품, 특히 온도에 민감한 부품에 손상을 주지 않을 정도로 낮은 용융온도를 가져야 할 뿐만 아니라 땜납 후에는 사용중 접합 상태가 열적으로 안정되도록 높은 용융온도 범위를 갖는 것이 필요하다. 또한, 땜납은 대부분 공정반응이 일어나는 성분계로 이루어지므로 공정소성 이외의 특정조성을 갖게 되는 경우 납땜후 용융상태에서 응고가 시작되는 액상선을 통과하게 되어 액상과 고상이 공존하게 되고 이어서 완전히 응고가 종료되는 고상선에 이르는 응고 온도범위를 갖는데, 만일 땜납의 응고 온도 범위가 큰 경우에는 납땜후 응고시간이 길어지고 수축현상이 생길 수 있으므로 가급적 적은 응고 온도범위를 갖는 것이 필요하다. 응고 온도구간은 적은 범위를 갖는 땜납의 경우에는 연속적인 자동납땜시 단계적인 납땜에 보다 유리한 점이 있다.

상기한 특성을 갖춘 종래의 땜납으로는 예를 들면 Sn-Pb계 합금을 들 수 있다. 이 Sn-Pb계 합금은 여러가지 기계적, 물리적 특성이 또한 우수하여 주로 배관, 열교환기와 같은 구조용과 일반 전자산업용으로 다양하게 사용되고 있다.

구체적으로 미국 특허 제4,491,562호에는 13-20wt%의 Bi, 42-50wt%의 Pb 및 잔부 Sn으로 조성되는 땜납이 제시되어 있다. 그러나, 납은 분해되지 않는 금속으로 일단 섭취하면 방출되지 않고 체내에 축적되는데, 실례로 미국 질병 규제센터(Center for Discease Control)에서 명시한 납의 독성은 혈중농도 10㎍/dl 이상이 되면 치명적이고 특히 어린이에게는 지능의 저하를 유발시킬 수 있을 뿐만 아니라 또한 납의 폐기물은 토양을 오염시키는 문제가 있다. 특히, 50Sn-50Pb 나 70Sn-30Pb 등과 같은 전통적인 배관용 땜납은 넓은 온도범위에서 사용이 가능하고 강한 기계적 연결부위를 형성하며, 동파이프 용접에 매우 유용하지만, 납이 물에 녹아들어가 오랜 시간 후에는 건강에 치명적인 해를 준다는 것이 발견되어 식수를 운반하는 파이프와 같은 배관용 땜납에서도 납 사용이 규제되기 시작하였다. 납과 납함유 조성에 대한 규제를 예를들면 미국의 경우 1978년 상용페인트(consumer paint) 분야에서 납 사용이 전면 규제된 이래 미국 환경 보호청(EPA)에서는 독극물 취급법(Toxic substance control Act, TSCA)하에서 납을 포함하는 중간 생성물의 제조업자가 최종생성물의 폐기와 회수에 대한 의무가 있다고 규정하였고, 미국하원은 Pb 제거(Pb-Cleanup) 기금의 재원으로 100-200%의 세금을 부과하도록 제안(HR 2479)하고 있으며, 미국 상원에서도 납방치 규제법(Lead Exposure Act, S-729)을 발표, 산업용 납의 전면 규제를 제안하였다. 또한, 미 직업 안전건강 협회(OSHA)에서는 대기중에서와 작업장에서 허용되는 납의 농도를 규제하는 납 표준을 제정하였고 대기중에 납을 많이 방출하는 상황에서 고용인의 납에 대한 노출을 최소화해야 한다고 요구하고 있다.

이와같이 미국에서는 법으로 배관공에서 특히 50 Sn-50Pb의 사용을 금지시키고, 음료와 관련된 모든 부분에서 납 함유 땜납의 사용을 금지하였으며 배관 이외의 다른 납 함유 땜납에 대해서도 사용을 규제하고 있는데, 이러한 추세는 국내에서도 거의 대동소이한 실정이다.

한편, 이러한 납에 대한 규제조치가 대두됨에 따라 무연땜납이 개발되기 시작하였는데, 미국특허 제4,778,733호에 제시된 바에 의하면 Sn-Ag(0.05-3%)-Cu(0.7-6%)로 조성된 무연땜납이 제안되어 있으며, 또한 미국특허 제4,929,423호에는 Sn-Bi(0.08-20%)-Ag(0.01-1.5%)-Cu(0.02-1.5%)-P(0.01%)-희토류 혼합물로 조성된 무연땜납이 제안되어 있다.

이외에도 유럽특허 EP제0,499,452A1에 제시된 바에 의하면 Sn 87-97%, Ag 0.1-3%, Bi 3-7%로 조성된 무연땜납이 제안되어 있고, 또한 일본 공개특허 공보(평) 5-228685호에는 Sn 92-95.8%, Ag 3-5%, Bi 1.2-3%를 함유한 무연땜납이 제안되어 있다. 그러나, 상기 무연땜납들은 용융온도가 높은 고온용 무연땜납들이기 때문에 특수용도에 적합하고 일반전자 부품의 납땜에 사용하기 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 다량의 Pb가 함유되어 유해한 일반땜납이나 용융온도가 높은 종래의 무연땜납과는 달리, 소량의 납이 함유되어 유해하지 않으면서도 종래의 Sn-40Pb 땜납보다도 퍼짐성이 우수하여 일반전자 부품의 전자기기 배선용으로 적합한 Sn-Ag-Bi-Pb계 땜납을 제공하자 하는데, 그 목적이 있다.

제 1도는 종래 및 본 발명의 땜납에 대한 퍼짐정도를 비교한 그래프

제 2도는 종래 및 본 발명의 땜납에 대한 기계적 성질을 비교한 그래프

상기한 목적달성을 위한 본 발명은 중량%로, Ag:2-5%, Bi:5-10%, Pb:2-5% 및 잔부 Sn으로 조성되는 납함량이 적은 전자부품용 땜납에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 Sn-Ag-Bi-Pb계 땜납중에 함유되는 Ag는 땜납의 낮은 용융온도를 고려하여 3중량%(이하, 단지 '%') 근처의 공정조성을 유지하는 것이 좋으나 너무 많은 양을 함유시키면 땜납의 용융온도를 급상승시키므로 본 발명에서는 2-5%의 범위로 제한함이 바람직하다.

상기 Bi는 Sn-Ag 합금계, 예를 들면 Sn-3% Ag 합금계(용융온도 221℃)에 첨가되는 경우 용융온도를 낮추고 젖음성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나, 상기 Bi가 5% 이하로 함유되면 그 효과가 적고, 10% 이상 함유되는 경우 저온의 용융온도를 갖고 젖음성이 더욱 향상되지만, 그 이상 함유하게 되면 땜납 자체가 취약하게 되며 용융온도 범위를 넓히게 된다.

상기 Pb는 종래의 무연땜납에 비하여 용융온도를 하향할 수 있는 역할을 하는데, 그 함량이 약 2%미만에서는 첨가효과가 미흡하다. 그러나, Cu의 함량이 5% 이상 첨가되면 Pb의 독성에 따른 영향이 커지므로 무해한 전자배선용 땜납으로서 적절하지 못하다.

상기 조성을 갖는 땜납은 금속원재료를 개량하여 대기중에서 포트(pot)나 도가니를 사용하여 가열, 교반하면서 용해하는 통상의 방법에 의해 주조되어 제조될 수 있다. 이때, 대기중에서 용해하는 경우 금속 원료중의 불순물 또는 비금속 개재물과 합금용탕이 대기와 반응하여 땜납합금 중에 용존질소나 용존산소와 같은 용존가스가 잔류하게 되어 이로 인해 땜납 모재표면에 젖음성을 방해하여 납땜성이 저하되거나 땜납 접합부에 가공(Void)가 발생되기 때문에 열전도도, 기계적 특성 및 제품신뢰성에 문제가 발생될 소지가 있다. 따라서, 대기중에서 합금제 조시 발생되는 불순물 또는 비금속 개재물과 합금중의 용존가스를 최소화하여 납땜성을 향상시키고 기계적 특성을 개선하고자 본 발명의 땜납 제조시에는 진공상태 또는 불활성 분위기에서 용해하여 원료중 특히 Bi 등의 산화를 억제하여 드로스(dross) 발생을 최소화하는 용해방법이 보다 바람직하다.

이러한 방법에 의해 제조되는 본 발명의 땜납은 여러가지 형태(ingot, rectangular, circular 등)로 제조될 수 있으며, 또한 다양한 크기의 구형의 분말로도 제조될 수 있다. 또한, 분말형태의 땜납의 경우 적당한 플럭스(flux)와 혼합하여 페이스트(Solder Paste)로도 제조가 가능하다.

이렇게 제조된 본 발명의 땜납은 일반전자 부품의 전자기기 배선용으로 사용가능한 융점을 갖는 뿐만 아니라 응고범위가 좁아 단계적인 자동 납땜에 매우 유리하고, 종래의 Sn-Pb계 보다도 퍼짐성이 증가되는 특징이 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하는데 본 발명은 이들 대표적인 실시예로 국한되지 않는다.

[실시예 1]

하기표 1과 같은 조성을 갖도록 Sn, Ag, Bi, Pb금속원료를 계량한 후, 고주파 유도로를 사용하여 10^-3torr 이상의 진공상태에서 용해한 다음 주조하였다. 제조된 합금에 대하여 응고시 고상선 온도와 액상선 온도를 측정하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

[표 1]

상기 표 1에 나타난 바와같이, 발명재(1-5)의 땜납은 액상선 온도가 201-226℃, 고상선 온도가 190-210℃이고, 응고구간이 16℃ 이내로서 일반 전자부품의 배선용 땜납으로 적합함을 알 수 있었다.

또한, 발명재(4)와 Sn-40Pb로 조성되는 종래재를 용해하여 주조하고, 주조된 각각의 합금에 대하여 젖음성을 측정한 후, 그 결과를 제 1도에 나타내었다.

제 1도에 나타난 바와같이, 발명재(4)의 경우 종래재의 경우에 비하여 젖음성이 우수하여 납땜성이 우수함을 알 수 있었다.

또한, 발명재(4)와 Sn-40Pb로 조성되는 종래재를 용해하여 주조하고, 주조된 각각의 합금에 대하여 기계적 특성을 측정한 후, 그 결과를 제 2도에 나타내었다.

제 2도에 나타난 바와 같이, 발명재(4)의 경우 종래재의 경우에 비하여 기계적 강도가 우수하여 납땜으로서 우수함을 알 수 있었다.

이상의 실시예를 통해서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 땜납은 다량의 Pb가 함유되어 유해한 기존의 Sn-40Pb 일반땜납에 비하여 소량의 납이 함유되어 유해하지 않으면서도 퍼짐성이 우수할 뿐만 아니라 종래의 무연땜납에 비하여 용융온도 범위가 낮고 응고구간이 좁아 특히 일반 전자부품의 단계적인 자동배선용 등으로 다양하게 적용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, Ag:2-5%, Bi:5-10%, Pb:2-5% 및 잔부 Sn으로 조성되는 납함량이 적은 전자부품용 땜납.
2. 고상선 온도가 190-210℃이고, 액상선 온도가 201-226℃이며, Ag, Bi, Pb 및 Sn을 포함하여 구성되는 납함량이 적은 전자부품용 땜납.