KR19990042544A - 전자부품용 무연땜납 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 Sn-Zn-In계 무연땜납에 Bi을 적절히 함유하므로써 기존의 Sn-Zn-In계 무연땜납과 동등한 퍼짐성을 가지면서도 접합강도가 우수한 Sn-Bi-Zn-In계 전자부품용 무연땜납을 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명의 무연땜납은 중량%로, Bi: 5-9%, Zn: 1-6%, In: 2-5% 및 잔부 Sn 으로 조성되어 구성된다.

Description

전자부품용 무연땜납

본 발명은 전자부품 등의 배선용으로 사용되는 무연땜납(lead-free solder)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 Pb-Sn땜납에 거의 유사한 작업온도를 가지면서도 기계적 접합강도가 우수한 주석-비스무스-아연-인듐계 무연땜납에 관한 것이다.

납땜에 사용되는 땜납은 그 사용용도에 적합하도록 고유한 특성을 갖는데, 통상의 땜납에서는 그 용융온도 및 응고온도범위가 중요하다. 즉, 특정용도에 따라 선택된 땜납은 인접한 부품, 특히 온도에 민감한 부품에 손상을 주지 않을 정도로 낮은 용융 온도를 가져야 할 뿐만 아니라 땜납 후에는 사용중 접합 상태가 열적으로 안정되도록 높은 용융온도 범위를 갖는 것이 필요하다. 또한, 땜납은 대부분 공정반응이 일어나는 성분계로 이루어지므로 공정조성 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 온도범위가 큰 경우에는 납땜후 응고시간이 길어지고 수축현상이 생길 수 있으므로 가급적 적은 응고 온도범위를 갖는 것이 필요하다. 응고 온도구간이 적은 범위를 갖는 땜납의 경우에는 연속적인 자동납땜시 단계적인 납땜에 보다 유리한 점이 있다.

상기한 특성을 갖춘 종래의 땜납으로는 예를들면 Sn-Pb계 합금을 들 수 있다. 이 Sn-Pb 계 합금은 여러가지 기계적, 물리적 특성이 또한 우수하여 주로 배관, 열교환기와 같은 구조용과 일반 전자산업용으로 다양하게 사용되고 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 10μg/dl 이상이 되면 치명적이고 특히 어린이에게는 지능의 저하를 유발시킬 수 있을 뿐만 아니라 또한 납의 폐기물은 토양을 오염시키는 문제가 있다. 특히, Sn-40Pb 등과 같은 땜납은 넓은 온도범위에서 사용이 가능하고 강한 기계적 연결부위를 형성하며, 전자부품 등의 납땜에 매우 유용하지만, 대기중에 납을 많이 방출하는 상황에서 작업자의 납에 대한 노출을 최소화해야 한다는 요구로 인해 사용을 규제하고 있으며, 이러한 추세는 국내에서도 확산되고 있는 실정이다.

한편, 이러한 납에 대한 규제조치가 대두됨에 따라 무연땜납이 개발되기 시작하였는데, McCORMACK 등은 새로운 Sn-Zn-In계 무연땜납을 개발하였다(Journal of Electronic Materials, Vol. 23, No. 7, 1994). 상기 Sn-Zn-In계 무연땜납의 경우 고상선온도가 약 175℃이며, 용융온도 구간이 약 13℃ 정도로서 퍼짐성이 우수한 특성을 갖고 있다. 그러나, 상기 Sn-Zn-In계 무연땜납은 아직 상업적으로 플럭스의 사용이 급격히 많아지는 단점이 있으며, 특히 접합강도에 있어서도 다소 저하되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 무연땜납과는 달리, Sn-Zn-In계 무연땜납에 Bi을 적절히 함유하므로써 기존의 Sn-Zn-In계 무연땜납과 동등한 퍼짐성을 가지면서도 접합강도가 우수한 Sn-Bi-Zn-In계 전자부품용 무연땜납을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

제1도는 종래의 땜납과 본 발명의 무연땜납에 대한 접합강도를 비교한 그래프

상기한 목적달성을 위한 본 발명은 중량%로, Bi: 5-9%, Zn: 1-6%, In: 2-5% 및 잔부 Sn 으로 조성됨을 특징으로 하는 전자부품용 무연땜납에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 Sn-Bi-Zn-In계 땜납중에 함유되는 Zn은 응고범위를 넓히지 않으면서 액상선 온도를 낮추는 역할을 하는 성분으로서 그 함량이 1%미만에서는 효과가 적고, 6%를 초과하면 응고범위가 넓어지므로 1-6%로 제한함이 바람직하다.

상기 In은 열간응력(thermal stress) 특성이 우수하고 납땜성이 향상되는 역할을 하는데, 그 함량이 약 2%미만에서는 효과가 미흡하다. 그러나, In의 함량이 5%이상 첨가되면 응고온도 구간이 넓어지기 때문에 땜납으로서 바람직하지 못하다.

상기 Bi는 융점을 낮추는 역활을 한다. 그러나, 상기 Bi가 5% 이하로 함유되면 효과가 적고, 9% 이상 함유되는 경우 응고온도구간이 넓어지고 납땜성이 저하된다.

상기 조성을 갖는 무연땜납은 금속원재료를 계량하여 대기중에서 포트(pot)나 도가니를 사용하여 가열, 교반하면서 용해하는 통상의 방법에 의해 주조되어 제조될 수 있다. 이때, 대기중에서 용해하는 경우 금속원료중의 불순물 또는 비금속 개재물과 합금용탕이 대기와 반응하여 땜납합금 중에 용존질소나 용존산소와 같은 용존가스가 잔류하게 되어 이로인해 땜납 모재표면에 젖음성을 방해하여 납땜성이 저하되거나 땜납 접합부에 기공(void)가 발생되기 때문에 열전도도, 접합강도 특성 및 제품신뢰성에 문제가 발생될 소지가 있다. 따라서, 대기중에서 합금제조시 발생되는 불순물 또는 비금속 개재물과 합금중의 용존가스를 최소화하여 납땜성을 향상시키고 접합강도 특성 및 제품신뢰성을 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 범용 무연땜납은 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 무연땜납은 일반전자 부품의 전자기기 배선용으로 사용가능한 융점을 갖는 뿐만 아니라 응고범위가 좁아 단계적인 자동 납땜에 매우 유리하고, 종래의 Sn-40Pb계 보다도 퍼짐성이 증가되는 특징이 있다.

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

[실시예1]

하기표 1과 같은 조성을 갖도록 Sn, Bi, Zn, In 원료를 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.

실시예	화학조성(중량%)	고상선(℃)	액상선(℃)	응고범위(℃)
	Sn				Bi	Zn	In
발명재1	잔부	7	6	3	186	194	12
발명재2	잔부	5	1	5	190	205	15
발명재3	잔부	6	3	2	182	199	17
발명재4	잔부	9	4	5	180	196	16
발명재5	잔부	5	6	5	182	196	14
발명재6	잔부	9	6	2	180	200	20

상기 표1에 나타난 바와같이, 발명재(1)의 무연땜납은 액상선 온도가 196-205℃, 고상선 온도가 180-190℃ 이고, 응고구간이 12-20℃ 로서 전자부품용 무연땜납으로 매우 적합함을 알 수 있었다.

[실시예2]

고주파 유도로를 이용하여 대기중에서 Sn-7% Bi- 6% Zn- 3% In 로 조성되는 발명재(1)과 Sn-40Pb로 조성되는 종래재를 용해하여 주조하고, 주조된 각각의 합금에 대하여 접합강도를 측정한 후, 그 결과를 제1도에 나타내었다.

제1도에 나타난 바와같이, 발명재(1)의 경우 종래재의 경우에 비하여 접합강도가 매우 우수함을 알 수 있었다.

이상의 실시예를 통해서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 무연땜납은 종래의 Sn-40Pb 계 땜납에 비하여 납이 함유되지 않아 작업환경등이 개선될 수 있을 뿐만아니라 용융온도가 낮고 응고구간이 좁고 특히 접합강도가 매우 우수하기 때문에 기존의 Sn-Bi-Zn-In계 무연땜납에 비하여 일반 전자부품의 배선용 등으로 다양하게 적용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, Bi: 5-9%, Zn: 1-6%, In: 2-5% 및 잔부 Sn 으로 조성됨을 특징으로 하는 전자부품용 무연땜납
2. 고상선 온도가 180-190℃ 이고, 액상선 온도가 196-205℃ 이며, Bi, Zn, In 및 Sn을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 무연땜납