KR20030046383A - 납땜성이 우수한 고온용 무연땜납 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 및 전자 제품용 무연 땜납의 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 및 기타 동력장치와 관련한 비교적 고온의 환경하에서 기계적 강도 및 열피로에 지탱할 수 있는 솔더합금의 제조를 위해 주석(Sn)에 Sb, Cu, Al, Ag 등을 소량 함유시켜 고상온도가 240℃부근이면서도 납땜성이 우수한 무연 땜납의 제조에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 납을 함유하지 않는 Sn과, Sb와, Cu와, Al과, Ag와, Ga으로 구성되고, 더 상세하게는 상기 주석(Sn) 89.5-96.4중량%와, 상기 안티몬(Sb) 2-4중량%, 상기 구리(Cu)1-3중량%, 상기 알루미늄(Al)0.1-2중량%, 상기 은(Ag)0.5-1.5중량%와 상기 갈륨(Ga)0.001-1중량%가 배합되어 조성된 솔더(solder) 조성물에 관한 것으로 종래의 Sn-Sb계 및 Su-Cu계에 비해 더 우수한 젖음특성을 갖으며 납땜성이 우수하면서도 고온의 환경하에서 강도를 유지할 수 있도록 고상온도를 235∼243℃ 범위에 들도록 제조한 납땜성이 우수한 고온용 무연땜납의 제조가 그 특징이다.

Description

납땜성이 우수한 고온용 무연땜납{Lead free solder for high temperature use with good solder ability}

본 발명은 납을 포함하지 않는 땜납의 제조법에 관한 것으로, 더 상세하게는 주식(Sn) 89.5-96.4중량%와, 안티몬(Sb) 2-4중량%, 구리(Cu)1-3중량%, 알루미늄(Al)0.1-2중량%, 은(Ag)0.5-1.5중량%와 갈륨(Ga) 0.001-1중량%가 배합되어 조성된 솔더(solder) 조성물에 관한 것으로 종래의 Sn-Sb계 및 Sn-Cu계에 비해 더 우수한 젖음특성을 갖는 납땜성이 우수하면서도 고온의 환경하에서 강도를 유지할 수 있도록 고상온도를 235-243℃ 범위에 들도록 제조한 납땜성이 우수한 고온용 무연땜납의 제조가 그 특징이다.

땜납의 고상온도를 높이기 위해 Sn에 Sb를 5%이상으로 다량 함유시키거나 Sn에 Sb와 Cu의 총중량%를 5%이상으로 할 경우 경도 및 강도가 증가하지만 Sn-Sb계 및 Sn-Sb-Cu계 합금이 갖는 단점인 압출, 신선 등의 소성가공이 곤란한 단점이 있으며 이를 개선하기 위한 무연 땜납의 제조에 관한 것이다.

일반적으로 개발되고 있는 대표적인 고온용 주석기지 무연 땜납 합금 중에는, 일본미국 등지의 외국에서 개발되고 있는 Sn-Cu계의 경우도 많은 연구가 진행된 바 있는데, Cu의 함량이 높으면서도 땜납의 제반특성을 만족시키는 땜납을 제조하기 위해서는 In, Ag등의 고가의 원소를 다량 첨가한 삼원 및 사원계를 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.

특히 많은 관심 속에서 연구가 진행되고 있는 고온용 합금계로는 본 발명과 관련한 Sn-Sb계로 융점이 240℃이상인 비교적 고온의 고상온도를 갖는 땜납이 있으며, 일반적으로 Sb의 함량이 5중량%미만인 합금계를 중심으로 집중적으로 연구 개발되고 있으며 강도면에서 가장 경쟁력이 있는 고온 합금계 땜납 중의 한가지인 것으로 알려져 있다.

그러나 상기의 합금계들 중에서 고온용이며 고가의 생산단가를 갖는 첫 번째의 경우는 액상온도와 고상온도간의 온도차이가 140-160℃로 아주 큰 단점을 가지고 있으나 고온용으로 어느 정도 실용화되고 있으며, 후자의 Sn-Sb계는 고상온도가 240℃이상인 비교적 고온용 땜납이지만, 일반적으로 Sb의 함량이 4-5중량%이상이 되거나, 여기에 1-3중량%이 Cu등의 고융점 원소가 첨가되면 압출 신선 등의 소성가공이 곤란한 단점을 가지고 있다.

또한 Sn-Sb계에 대해 고액상간의 좁은 융점대를 갖게 하기 위해 Zn을 수 중량%정도를 함유시킨 것이 많은데 이럴 경우 Sb₃Zn라는 금속간 화합물을 만들어 땜납의 기계적 특성을 열화시키는 단점이 있으며, 이를 개선하기 위해 Ag를 수 중랑% 함유시킬 경우 액상선의 온도만 증가하고 고상선의 온도는 변화가 거의 없어 고액구간이 너무 넓어서 사용에는 문제점이 아직 많이 남아 있다.

본 발명은 Sn-Sb계 땜납이 갖는 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 첫 번째로 주석-안티몬계 땜납의 제조에 있어서, 소량의 구리, 알루미늄, 은을 첨가해서 240℃ 부근의 고상선을 갖도록 하여 종래의 Sn-Sb계 및 Sn-Cu계에 비해 더 우수한 젖음특성을 갖는 남땝성이 우수하면서도 고온의 환경하에서 강도를 유지할 수 있는 납땜성이 우수한 고온용 무연땜납의 조성물을 제안한다. 또한, 주조 시나 납땜 공정 중에 용탕 위에 다량으로 발생하는 산화물의 생성을 억제하며, 땜납의 표면의 산화를 억제하는 효과가 있으며, 기판과의 젖음성이 뛰어난 땜남의 제조하는데 본 발명의 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 주석-안티몬계 땜납의 제조에 있어서 안티몬을 2-4중량%정도로 제한한 주석-안티몬계 땜납의 제조에 있어서, 소량의 구리, 알루미늄, 은을 첨가해서 240℃ 부근의 고상선을 갖도록 하고 젖음특성 및 납땜성이 우수하면서도 고온의 환경하에서 강도를 유지할 수 있는 납땜성이 우수한 고온용 무연땜납의 조성물을 제안한다. 또한, 주조 및 납땜 시 산화물의 생성을 억제하며, 땜납의 표면의 산화를 억제하는 효과가 있으며, 기판과의 젖음성을 높이기 위해 갈륨(Ga)을 미소량 첨가한 조성물로 이루어진 것이 특징이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Sn에 안티모(Sb) 2-4중량%, 구리(Cu)1-3중량%, 알루미늄(Al)0.1-2중량%, 은(Ag)0.5-1.5중량%가 배합되어 조성된 솔더(solder) 조성물에 관한 것으로 종래의 Sn-Sb계 및 Sn-Cu계에 비해 더 우수한젖음특성을 갖는 납땜성이 우수하면서도 고온의 환경하에서 강도를 유지할 수 있도록 고상온도를 235-243℃ 범위에 들도록 제조한 납땜성이 우수한 고온용 무연땜납을 제조할 수 있다.

또한 상기의 합금계에 갈륨(Ga)을 총 합금량의 0.001-1중량%를 첨가해야만 본 발명에서 필요로 하는 목적의 무연땜납의 제조가 완료된다. 이는 주조시나 땜납 시에 발생하는 산화에 따른 드로스의 생성을 억제시켜 주며, 납땜 공정 중에 땜납표면 부위의 광택이 유지되고 젖음성이 뛰어난 땜납을 제조할 수 있다.

상기 조성물은 Sn-Sb계 합금에 Cu를 소량 첨가하면 합금솔더의 경도값이 증가하는 효과가 있으나 Cu가 들어가면 항상 Sn이 Cu와 침상형태의 금속간화합물을 만들며 이 금속간화 합물이 계면에는 전혀 생기지 않지만 기지내에 너무 많이 생성 될 경우 땜납의 취성을 가져올 수 있으므로 3% 이상의 양을 첨가하면 좋지 않기 때문이며, Ag를 첨가는 젖음성을 개선하기 위한 것이지만 소량이 Ag첨가에 의해 경도가 급증하며(표2의 시료 3의 데이터 참조), 첨가량을 크게 증가할 수록 Ag의 산화가 촉진되어 Ag의 손실이 문제가 되며, Ag의 가격이 고가인 점을 고려하여 사용량을 1.5중량%이하로 제한하였다.

또한 Sn-Sb 땜납에 Al를 첨가하면 땜납의 솔더링 계면에서의 젖음성이 개선되지만 Al이 2중량% 이상이 첨가되면 Sn-Sb계 땜납의 경도가 급증하게 되어 가공이 곤란하게 되므로 최대 첨가량을 2중량%로 제한하였다.

솔더의 산화방지 및 젖음특성을 개선하기 위해 첨가되는 Ga은 함량을 0.1중량%로 제한한 것은 Ga 함량을 0.1중량%이상으로 증가시켜도 납땜특성의 개선효과가거의 일정하게 되기 때문이다.

상기 조성물에 의해 제조된 무연 땜납의 제반특성을 요약하면 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 우수성을 알 수 있다

표 1에 대한 보충설명은 다음과 같다. 상기한 각 항 중에서 접촉각 측정은 시험은 염산 및 메탈놀로 세척한 동판위에 0.4그램의 땜납을 올려 놓고 320℃에서 10초간 유지한 후 냉각한 것을 수직으로 절단한 면을 미세 연마한 후 광학현미경으로 촬영한 사진에 대한 자료를 이용하여 Mei가 제시한 방법에 따라 접촉각을 구하여 비교한 것이다.

표 2의 젖음력(wetting force)은 wetting balance tester를 이용하였으며 시험전에 R 형flux에 침지한 후 시험하였다. 표 2로부터 Sn-Sb-Cu계 솔더합금에 있어서 Al 및 Ag의 동시 첨가에 의해 접촉각 및 경도가 크게 감소되는 것을 알 수 있으며, 특히 Ga의 역할은 젖음 특성의 개선에 큰 기여를 하는 것을 알 수 있다. 또한 고상온도는 TG-DTA를 이용하여 승온속도 10℃/min하에 측정한 데이터이다.

[도 1] 은 [표 1] 에서 본 발명의 땜납인 1-1 시료와 비교발명인 2-1의 침지법에 의한 솔더링후의 표면 사진을 보여주는 것으로 본 발명의 땜납을 사용한 경우가 비교발명에 비해 젖음성이 우수하고 균일한 두께의 솔더층이 형성되고 있다는것을 알 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, Sn에 Sb, Cu, Al, Ag를 소량 함유하면서 비교적 고온부에 장착되는 부품 등에 적용할 수 있는 정도의 높은 온도인 240℃부근에서 고상온도를 갖도록 Sb 및 Cu, Al, Ag가 첨가된 합금조성물을 제조하고, 여기에 Ga을 소량 첨가하면 Su-Sb-Cu합금계가 갖는 단점인 젖음성 및 내식성의 개선이 가능하게 되어 젖음성이 우수한 고온용 땜납을 제조할 수 있다.

Claims (2)

1. Sn을 89.5-96.4중량%, Sb를 2∼4중량%, Cu를 1∼3중랑%, Al를 0.1∼2중랑%, Ag를 0.5∼1.5중량% Ga를 0.001-1중량%로 구성된 납땜성이 우수한 고온용 무연땜납의 조성물.
2. 고상온도가 240℃ 부근으로 납땜성이 우수한 Sb, Cu, Al, Ag, Ga를포함하는 고온용 무연땜납