KR20030028803A

KR20030028803A - 플럭스 및 이러한 플럭스를 함유하는 솔더

Info

Publication number: KR20030028803A
Application number: KR1020030018808A
Authority: KR
Inventors: 하관석; 고지마마사오; 이시가와히사오
Original assignee: 주식회사 스카이닉스
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2003-04-10
Also published as: JP2004114104A; KR100509545B1

Abstract

본 발명은 플럭스 및 이러한 플럭스를 함유하는 솔더에 관한 것으로, 상기 플럭스는, 지방산 100~60중량%와, 파라핀, 비버향 유(castor oil), 폴리아미드, 로진, 레진, 지방산 에스테르, 지방산 아미드, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트부티레이트(CAB), 부틸화 멜라닌, 요소, 포르말린 수지로 이루어진 군에서 선택되는 일종 또는 그 이상의 화합물 40~0중량%를 포함하는 제1 플럭스이거나, 상기 제1 플럭스 0.1~30중량%와, 글리콜유도체, 방향족탄화수소, 에스테르류, 알코올류 중 어느 하나, 어느 둘, 어느 셋, 모두 중 어느 하나로 이루어진 것을 10~40중량%와, 잔량으로서 수지를 포함하는 제2 플럭스이거나, 제1 플럭스 0.1~30중량%와, 수지 99.9~70중량%를 포함하는 제3 플럭스이며, 상기 솔더는 이러한 플럭스를 포함하는 선형 솔더 또는 크림 솔더로서, 이러한 플럭스 및 이를 함유하는 솔더를 사용할 경우, 솔더링 후 남게 되는 플럭스 잔사에 대해 요구되는 여러 특성을 개선하여, 일반적인 환경뿐만 아니라 특수한 환경(저온 또는 고온 다습 조건 등)에서도 적용할 수 있는 장점이 있다.

Description

플럭스 및 이러한 플럭스를 함유하는 솔더 {Flux and Solder Comprising Such a Flux}

본 발명은 플럭스와 이러한 플럭스를 포함하는 솔더에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 지방산과 고분자 화합물(예컨대 파라핀 왁스)로 구성되는 플럭스 및 이 플럭스를 함유하는 솔더에 관한 것이다.

전기, 전자, 정밀기기나 반도체 산업에 사용되는 장치에서, 솔더링(soldering)은 필수적인 접합 기술이 되었으며, 이러한 솔더링에 반드시 사용하여야 하는 플럭스의 역할도 대단히 중요해졌다. 솔더링은 브레이징(brazing)의 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. 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. 한편, 로진계 플럭스 외에, 유기산 또는 아민, 아민할로겐 염을 활성제로 첨가한 수용성 플럭스를 사용하기도 한다. 로진계 플럭스는 극성이 작은 세정용매(예컨대, 대체 프레온, 탄화 수소계)를 사용하여 세정을 하며, 수용성 플럭스는 알콜류나 물과 같이 극성이 큰 용매를 세정용매로 사용한다.

한편, 종래 솔더링용 플럭스는 솔더링 작업 후 플럭스 잔사(찌꺼기)가 모재 표면에 잔류하는 경우가 있으므로, 플럭스 잔사에도 비부식성, 고절연성, 장기안정성, 내습성, 무독성이 유지되어야 한다는 매우 엄격한 특성이 요구된다.

솔더링 공정이 진행되는 일반적인 환경에서는 종래 플럭스의 상기 특성이 어느 정도 만족되지만, 특수한 환경 예컨대, 저온 또는 고온다습 조건 등에서는 잔류하는 플럭스가 상기 특성을 유지하지 못해서 신뢰성이 저하될 우려가 있다. 또한, 금속표면의 산화물 제거 및 오염물 제거 공정이 종래의 플럭스 활성제에서는 복잡하여 사용자가 불안해 할 가능성이 있다.

상기와 같은 특수한 환경에서 플럭스 특성의 열화가 생기는 것은, 종래 솔더링에서 사용되는 플럭스의 주성분인 로진이나 첨가 활성제의 흡습성 때문에 수분과 첨가된 활성제가 반응을 일으켜 솔더링 후의 특성에 이상이 생기는 것으로 추정된다. 또한, 종래 플럭스의 환경 온도, 습도에 따른 전기적 절연 특성은 온도, 습도가 높아짐에 따라 절연저항이 급격히 떨어지는 것으로 나타난다.

본 발명은 이러한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 솔더링 후의 플럭스 잔사에 대해 요구되는 비부식성, 고절연성, 장기간의 안정성, 내습성, 무독성 등의 특성이 일반적인 환경에서도 충분히 만족되는 것은 물론, 특수한 환경(저온 또는 고온다습 조건 등)에서도 원하는 특성을 유지할 수 있는 플럭스 및 이 플럭스를 함유한 솔더를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 신뢰성이 우수하고 젖음성이 크게 개선된 솔더를 제공하는 것이다.

도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 플럭스를 함유한 솔더의 젖음성에 대한 시험결과로서, 팔미틴산과 파라핀으로 이루어진 플럭스의 배합율과 산화동판의 젖음성과의 관계를 나타내는 표 및 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따른 플럭스를 함유한 솔더의 특성을 시험한 결과로서, 여러 지방산(4 종류)과 산화동판의 젖음성과의 관계를 나타내는 시험 데이터이다.

도 3은 본 발명에 따른 플럭스를 함유한 솔더의 특성을 시험한 결과로서, 4 종류의 지방산을 여러 배합 비율로 혼합한 경우 산화동판의 젖음성 변화를 나타내는 시험 데이터이다.

도 4는 본 발명에 따른 플럭스의 전기절연성을 확인한 시험 데이터이다.

도 5는 본 발명에 따른 플럭스를 함유한 솔더의 일례로서 플럭스 주입 선형 솔더의 부분 사시도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

10 : 플럭스 주입 선형 솔더

10a : 솔더 10b : 플럭스

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플럭스와 이러한 플럭스를 함유하는 솔더는 다음과 같은 조성을 가진다.

(1) 지방산 100~60중량%와, 고분자 화합물 40~0중량%를 포함하는 제1 플럭스. 여기서, 고분자 화합물은 파라핀, 비버향 유(castor oil), 폴리아미드(polyamide), 로진(rosin), 레진(resin), 지방산 에스테르, 지방산 아미드, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트부티레이트(CAB; Cellulose acetate butyrate), 부틸화 멜라닌, 요소, 포르말린 수지 중 어느 하나이다. 이 고분자 화합물은 파라핀 왁스인 것이 바람직하다.

(2) 상기 제1 플럭스 0.1~30중량%와, 글리콜유도체, 방향족탄화수소, 에스테르류, 알코올류 중 어느 하나, 어느 둘, 어느 셋, 모두 중 어느 하나로 이루어진 것을 10~40중량%와, 잔량으로서 수지를 포함하는 제2 플럭스.

(3) 제1 플럭스 0.1~30중량%와, 수지 99.9~70중량%를 포함하는 제3 플럭스. 여기서 수지는 로진이나, 레진 또는 변성 로진을 포함하며, 흡습성이 없는 로진을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제1 플럭스 내지 제3 플럭스는 무세정 플럭스의 일종이다. 제1 플럭스는 고형이기 때문에, '수지 주입 솔더'의 플럭스로 사용할 수도 있지만, 현재 '수지 주입 솔더'의 제법을 고려한 경우 제2 플럭스나 제3 플럭스와 같이 수지를 혼입한 플럭스를 사용하는 것도 좋다.

(4) 본 발명에서는, 상기 (1) 내지 (3)의 조성으로 된 제1 플럭스나, 제2 플럭스 또는 제3 플럭스를 함유하는 솔더가 제공된다. 이 솔더는 플럭스 주입 선형 솔더 이거나 크림 솔더의 형태로 구현될 수 있다.

본 발명의 어느 한 실시예에서, 상기 제1 플럭스는 점도조정용 요변제(搖變劑, thixotropy) 또는 증점제(增粘劑)를 5~80중량% 포함할 수 있다. 또한, 제1 플럭스는 이것을 용제에 녹여서 플럭스를 액체 상태로 할 수도 있다. 또한, 플럭스 주입 선형 솔더와 같이 내부에 플럭스를 포함하는 솔더에 대해서는 상기 (1) 내지 (3)의 플럭스 중 어느 하나의 플럭스를 사용할 수 있다.

솔더링 후의 플럭스 잔사에 대해서는 앞에서 설명했던 바와 같이 여러 가지 필요한 특성이 요구된다. 본 발명의 플럭스 및 이 플럭스를 함유하는 솔더는 상기 특성을 구비한 지방산이 금속 표면의 산화물, 오염물질을 금속염의 형태로 용해 유리, 박리시켜 깨끗한 금속 표면을 만드는 효과가 있다는 점에 착안하여, 이 지방산에 왁스 또는 고분자화합물을 첨가함으로써 젖음성을 향상시켜, 플럭스에 요구되는 특성이 만족되도록 한다.

포화지방산은 물에 용해되지 않고 상온에서는 고체이다. 이 포화지방산을 비점 근처까지 가열하면 산화물, 오염물질의 용해 유리, 박리 움직임이 활발해지는데, 본 발명은 이를 적용한 것이다. 또한, 솔더링을 할 때 열을 가함으로써 용해된 포화지방산을 금속표면에 균일하고 넓게 퍼지게 하기 위해 흡습성이 없는 왁스 또는 고분자 화합물을 본 발명의 플럭스에 첨가하였다.

본 발명에서는 플럭스를 함유하는 솔더를 제공하는데, 여기에 함유되는 플럭스는 상기 제1 플럭스 내지 제3 플럭스로 구성할 수 있다. 이러한 플럭스를 함유하는 솔더의 예로는 줄(wire) 모양의 솔더 본체의 중심축선에 플럭스를 첨가하여 내장한 플럭스 주입 선형 솔더(flux cored wire solder)가 있고, 이 외에도 크림 상태의 플럭스에 적용하는 것도 가능하며, 솔더 본체 속에 플럭스를 혼합하여 형성되는 크림상태의 솔더로서 크림 솔더도 있다.

실시예

본 발명에 따른 플럭스 및 이 플럭스를 함유하는 솔더의 실시예를 도면을 참조로 설명한다.

본 발명에 따른 플럭스는 솔더링에서 요구되는 여러 가지 형태에 대응할 수 있다. 도 5는 본 발명을 적용한 플럭스 주입 선형 솔더(10)의 예를 나타내는데, 이 솔더(10)는 균일한 줄 모양의 솔더 본체(10a)의 내부에 중심축을 형성하도록 첨가되어 내장된 플럭스(10b)를 포함한다. 이 플럭스 주입 선형 솔더(10)의 플럭스(10b)는 100~60중량%의 지방산, 0~40중량%의 파라핀으로 구성되어 있으며, 솔더 본체(10a) 내부의 중심축에 플럭스를 첨가해서 주입함으로써 제조될 수 있고, 이러한 구조로 솔더 제품을 만들어 사용한다.

또한, 크림 솔더 또는 크림 상태의 플럭스는 지방산에 요변제(Thixotropy) 및/또는 증점제를 첨가하여 제조해 사용할 수 있다. 요변제는 표면실장기술(Surface Mount Technology)에서 인쇄 후 솔더의 슬럼프(slump)를 방지함으로써 솔더의 성형성을 유지한다.

도 1은 본 발명의 플럭스를 함유한 솔더의 특성을 시험한 결과의 일례를 나타낸다. 지방산(예컨대, 팔미틴산, palmitic acid)과 왁스 또는 고분자 화합물(예컨대, 파라핀)과, 산화동판의 젖음성에 대해 시험을 하고 그 결과를 도 1에 나타냈다. 팔미틴산은 연지산이라고도 하는데, 지방의 글리세린염에 들어있는 포화산이다. 이 시험은 JIS Z 3197 플럭스 시험방법에 따라 시행하였고 이 때 사용한 솔더는 Sn63-Pb37이었다.

도 1을 참조하면, [팔미틴산:파라핀]과 산화동판의 젖음성과의 관계는, [60:40]일 경우 69.7%, [80:20]일 경우 74.8%, ［85:15]일 경우 85.7%, [90:10]일 경우 84.0%, [95:5]일 경우 81.7%, [100:0]일 경우 81.8%와 같이, 지방산 100~60중량%, 왁스 또는 고분자화합물 40~0중량%를 포함해서 구성되어 있고, 이러한 조성일 때 매우 양호하고 안정되며 높은 젖음성을 가진다는 것을 알 수 있다.

도 2는 여러 지방산과 산화동판의 젖음성과의 관계를 나타내는 시험 데이터이다. 지방산은 그 대표적인 것으로 라우린산(Laurlc Acid), 미리스틴산(Miristic Acid), 팔미틴산(Palmistic Acid), 스테아린산(Stearic Acid) 중 어느 하나를 사용하고, [팔미틴산:파라핀]의 배합값은 청구항에 기재한 수치 범위에 있는 어느 고정치로 해서 산화동판의 젖음성의 변화를 알아보았다. 이 시험에서는 플럭스 주입 선형 솔더를 사용하고 JIS Z 3197 플럭스 시험방법에 기초하여 시행하였며 이 때 사용한 솔더는 Sn63-Pb37이었다.

시험을 한 결과, 어떠한 지방산을 사용한 경우에도 균일하고 안정된 데이터를 얻을 수 있고, 높은 젖음성을 갖는다는 것이 판명되어 본 발명에 의해 매우 양호한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

도 3은 상기 4 종류의 지방산을 다양한 배합비율로 혼합한 경우에 산화 동판의 젖음성 특성 변화를 나타내는 시험 데이터이다. 지방산은 라우린산, 미리스틴산, 팔미틴산, 스테아린산 중에서 조합한 배합지방산을 사용하고, [배합지방산:파라핀]의 배합값은 도 2의 시험에서와 같이 고정치로 하였다.

도 3에서 보는 것처럼, 예를 들어 최하단에 있는 데이터는, 지방산의 배합비율을 미리스틴:팔미틴산:스테아린산=1:1:1(33%:33%:33%)의 비율로 혼합하고, 젖음성 향상 효과가 있는 왁스의 예로, 파라핀을 1.5중량% 투입한 예인데, 그 결과는 젖음성이 93.7%로 나타나 플럭스로 매우 우수한 특성이 있음을 알 수 있다.

도 3에 나타낸 시험 결과에서도 알 수 있듯이 여러 종류의 지방산이 배합된 배합지방산에서 80% 이상 또는 90% 이상의 높은 젖음성 데이터가 얻어졌으며, 플럭스로서 매우 양호하고 안정된 것임이 밝혀졌다.

그러면, 본 발명에 의한 플럭스의 전기절연성을 확인하기 위해 JIS Z 3197 플럭스 시험방법에 의한 전압인가 내습성시험과 동판부식시험을 한 결과를 다음에 나타낸다.

<전압인가 내습성시험>

깍지낀 형태의 기판(interdigitated board)에 세정제 적정량을 올려놓고 동(구리) 깍지 부분에 수직이 되도록 H60A Φ1.0의 솔더 선을 올려 놓고 열판(hot plate) 위에서 용해한다. 기판이 상온이 된 것을 확인한 다음, 양극(兩極)에 배선을 솔더링하여 40℃-90%의 항온항습조에 그대로 두고 직류전압 100V를 인가한다.

초기 상태의 저항치와 168시간 동안 상기 항온항습조에 둔 다음의 저항치를 측정한다(측정은 상온으로 되돌린 다음 항온항습조 밖에서 측정).

이 전압인가 내습성 시험의 결과는 도 4의 결과와 같다. 도 4의 시험에서는 3장의 기판(기판 1, 기판 2, 기판 3)을 사용하였고, 각각의 기판에는 4군데(단자 1 ~ 단자 4)에서 저항을 측정하였다.

도 4에서 보는 것처럼, 초기의 저항치는 낮고 안정된 수치를 나타내고, 96시간 이후의 저항치에서도 초기의 저항치보다 더 낮은 저항를 보여, 매우 만족할만한 데이터를 얻었다.

<동판부식시험>

시험에 사용한 기판을 40℃-90%의 항온항습조에 96시간 둔 다음의 상태는 초기상태와 별다른 변화가 없고 부식은 전혀 찾아볼 수 없었다. 상기와 같이 전기적 특성도 안정된 결과를 얻었고, 동판의 부식도 발생하지 않는다는 매우 양호한 결과를 얻었다.

플럭스의 다른 실시예

지금부터는 본 발명에 따른 플럭스를 수지나 용제와 혼합하여 새로운 플럭스를 만드는 경우에 대해 설명한다.

제3 플럭스

지방산 100~60중량%와, 고분자 화합물(파라핀, 비버향 유(castor oil), 폴리아미드, 로진, 레진, 지방산 에스테르, 지방산 아미드, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, CAB, 부틸화 멜라닌, 요소, 포르말린 수지 중 어느 하나) 40~0중량%를 포함하는 제1 플럭스는 고형이므로 원래는 이대로 플럭스 주입 선형 솔더의 플럭스로 사용하는 것이 이상적이지만, 현재 플럭스 주입 선형 솔더의 제법을 고려해 보면 수지의 혼합이 필요하다. 여기서 혼합되는 수지는 로진, 레진, 변성 로진을 포함하는데, 흡습성이 없는 로진인 것이 바람직하다.

수지를 함유한 플럭스의 제2 실시예에서 얻어진 특성 데이터의 일례를 '플럭스-수지-젖음성'과의 관계로 다음에 표시했다.

플럭스 수지 젖음성

(1) 30% 70% 92.1%

(2) 20% 80% 85.9%

(3) 10% 90% 76.8%

제2 플럭스

지방산 및 수지를 용제에 녹여 크림상태로 만들기 위해, 지방산 및 수지가 어떠한 용제에 용해될 수 있거나, 또는 그 용제가 솔더링 온도에서 증발되어 소멸되어야만 한다.

이 조건을 만족하면 크림상태로 만들 수 있는데, 완성된 크림의 물성(物性)으로 점도의 관리가 요구된다. 점도 조정을 위해서는 수지의 양 또는 지방산의 양을 변화시켜야 한다.

또한 크림상태의 플럭스를 사용하는 조건에 따라 물성치와 솔더의 젖음성에 차이가 있기 때문에, 지방산과 수지의 함유농도를 변화시켜 대응해 나가는 것이 바람직하다.

발명자에 의한 본 발명의 실시시험에 의하면 <용제의 용해량>은 다음과 같고, 여기서 숫자는 양호한 용해가 가능한 경우에 대한 지방산과 수지와의 중량%를 표시한 것이다.

<용제의 용해량>

용제 지방산 수지

글리콜유도체 30%이하 80%이하

방향족탄화수소 25%이하 90%이하

에스테르류 10%이하 90%이하

알코올류 5%이하 90%이하

그리고 발명자가 실시한 실험의 일례를 나타내면, 테스트 샘플로 '수지 65%, 글리콜유도체 32%, 지방산 3%의 혼합물'에서, 상태는 양호 균일한 크림 상태의 플럭스가 완성되었다.

이 샘플에서 얻은 측정 데이터는 젖음성 88.9%, 절연저항으로 초기평균치는 2.2*10¹³Ω이고, 96 시간후의 평균치는 1.8*10¹³Ω이다.

본 발명에 의한 플럭스는 산업상 충분히 이용할 수 있는 젖음성을 가지고 있고, 또한 전기적 특성도 안정되어 부식이 발생하지 않는다. 그리고, 종래와 같은 할로겐류도 포함하고 있지 않기 때문에, 시간경과에 따른 변화도 생기지 않는다. 열이 150℃ 근처에 달했을 때 지방산에 의한 금속 표면의 산화물, 오염물질을 금속염의 형태로 용해 유리, 박리시켜서 깨끗한 금속 표면을 만드는 효과가 있고, 이 깨끗해진 금속표면에 납이 매끈하게 접합하도록 하는 플럭스 효과를 갖는 솔더링을 하는 것으로, 본 발명은 반도체 장치 등 전자기기에 적용되는 솔더링 기술의 발전 향상에 크게 기여할 수 있다.

Claims

지방산 100~60중량%와, 파라핀, 비버향 유(castor oil), 폴리아미드(polyamide), 로진(rosin), 레진(resin), 지방산 에스테르, 지방산 아미드, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트부티레이트(CAB; Cellulose acetate butyrate), 부틸화 멜라닌, 요소, 포르말린 수지로 이루어진 군에서 선택되는 일종 또는 그 이상의 화합물 40~0중량%를 포함하는 플럭스.
제1항에 기재된 플럭스 0.1~30중량%와,

글리콜유도체, 방향족탄화수소, 에스테르류, 알코올류 중 어느 하나, 어느 둘, 어느 셋, 모두 중 어느 하나로 이루어진 것을 10~40중량%와,

잔량으로서 수지를

포함하는 플럭스.
제1항에 기재된 플럭스 0.1~30중량%와, 수지 99.9~70중량%를 포함하는 플럭스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서, 상기 지방산은 라우린산, 미리스틴산, 팔미틴산, 스테아린산으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 플럭스.
제4항에서, 상기 지방산은 팔미틴산인 것을 특징으로 하는 플럭스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서, 상기 화합물은 파라핀인 것을 특징으로 하는 플럭스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 플럭스를 포함하는 솔더.
제7항에서, 상기 솔더는 플럭스 주입 선형 솔더인 것을 특징으로 하는 솔더.
제7항에서, 상기 솔더는 크림 솔더인 것을 특징으로 하는 솔더.