KR20040018718A - 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스 - Google Patents

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Abstract

무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스가 개시된다. 본 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스는, 피리딘 브롬염, 구아니딘 브롬염, 검 로진, 합성 로진, 지방산, 공업용 알콜, 불균화로진, 마레인 변성로진, 에칠아민브롬염을 포함한다. 본 발명에 따르면, 무연 합금 솔더의 용융점 및 유동성에 적합하고 미납 대응과 퍼짐성을 향상시켜 접속 불량 발생을 억제할 수 있는 환경 친화적 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스 {Soldering flux for Pb-free alloy solder}
본 발명은 솔더링 플럭스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무연 합금 솔더의 솔더링 공정에서 내열성과 유동성을 개선한 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스에 관한 것이다.
솔더링(soldering)은 납땜을 이용한 접합기술로서, 특히 인쇄회로기판(PCB)의 반도체칩이나 저항칩과 같은 소형 전자부품을 실장하기 위한 접합에 이용되고 있다. 최근 전자 공업의 추세는 제품이 소형화, 경량화, 고기능화함에 따라서 전자 부품과 회로의 마이크로화가 강력히 추진되고 있다. 그러나, 반도체 소자나 전자 제품이 미세화되어도 그 접속 기술인 마이크로 솔더링 등 접합기술이 확립되지 않으면 기기의 소형화는 불가능하다.
이러한 소형화 및 경제적인 요구에 부응하기 위하여 전자 제품의 표면 실장(SMT, surface mounting technology)화가 추진되어 왔다.
표면실장은 리플로우 솔더링법으로 이루어지는데, 리플로우 솔더링법은 솔더링 재료, 전자부품, 실장설비, 설계, 생산, 평가 기술이 모두 합해진 종합 시스템기술이다. 이 가운데서, 솔더링의 고품질화를 유지하기 위한 솔더링 재료는 모재, 즉 리드, PCB 와 솔더, 플럭스가 필수적인 요소이다.
플럭스는 모재 금속 표면의 산화막을 제거하고, 솔더링 작업 중 가열하는 동안에 금속의 재산화를 방지하며, 용융 솔더링의 표면장력을 저하시킴으로써 솔더링의 퍼짐성 또는 젖음성을 좋게 하는 역할을 한다.
플럭스는 수지계, 유기계, 무기계로 분류되는데, 전자 기기에 사용되는 플럭스는 수지계가 주류이다. 수지계의 주요 재료는 로진, 변성로진, 합성수지 등이 있고, 로진은 소나무 등 침엽수의 수지를 정제하여 만든다. 플럭스는 활성화 정도에 따라 RA(rosin activated), RMA(rosin mildly activated), R(rosin)형이 있다. 솔더링 후 잔류되는 잔사량(고형분)의 다소에 따라 플럭스를 구분하기도 하는데, 잔사가 십수 %의 일반적인 플럭스와 수 % 이하의 저잔사 플럭스가 있다. 플럭스는 보통 로진, 이소프로필 알콜, 활성제(할로겐 원소 0.2%이하)로 구성되어 있다.
플럭스는 사용목적에 따라 프리 플럭스, 포스트 플럭스, 절연 플럭스로 구분된다. 프리 플럭스는 금속 면의 장기적 보호에 사용되고, 포스트 플럭스는 일반적인 자동 솔더링에 사용되며, 절연 플럭스는 절연성 특성을 위해 사용된다.
포스트 플럭스는 금속 표면의 산화물 등을 용해 제거한다. 또한, 고온의 금속 표면 및 용융 상태의 솔더는 상온에 비해서 훨씬 산화되기 쉽기 때문에, 포스트 플럭스가 청정한 금속 표면을 재빨리 덮어 산화를 방지한다. 용융된 솔더는 큰 표면 장력을 갖고 있는데, 포스트 플럭스가 이 표면장력을 저하시켜 금속 표면에 솔더가 퍼지게 한다. 일반적으로 금속 표면이 공기 중에 노출되면 공기 분자의 일부는 금속표면과 반응하여 산화물 층을 형성한다. 이런 상태에서 금속 표면에 플럭스를 도포하면 플럭스가 금속 표면에 젖으면서 퍼진다. 이런 성질을 젖음 특성(wetting characteristic)이라고 한다. 일단 액상 플럭스가 금속의 산화물 층을 잘 젖게 하면 산화물을 제거하고, 청정한 금속표면을 회복할 수 있다.
순수 금속 표면이 회복된 상태에서 작업 온도에 도달하면, 솔더가 퍼지면서 플럭스는 쉽게 제거되고 솔더와 모재와의 결합이 형성된다. 이때 솔더와 모재간의 상호 금속 침투 또는 확산이 일어나고 침투 정도는 온도에 따라 차이가 난다.
발포식 플럭스의 기포는 발포관을 통해 콤프레샤의 압축공기로 발생시키기 때문에 플럭스는 공기와 접촉되어 산화된다. 또 압축 공기 중의 습기나 콤프레샤의 오염도 유입되므로 플럭스가 열화되고 솔더링성이 저하된다. 따라서, 가급적 압축 공기는 수분 제거를 위해 에어필터를 통과시키고, 플럭스로의 기타 불순물 유입도 차단시켜야 한다.
또한 플럭스는 솔더링을 돕는 역할을 하지만, 그 반면에 부식, 절연 저항 저하, 접촉 불량 등의 부작용도 있기 때문에 반드시 지정된 것을 사용하여야 한다.
또한, 전자 제품의 소형화 및 경량화 등에 따라 부품 장착의 고밀도화가 요구되어 인쇄회로기판(PCB)과 실장 부품 및 솔더 등이 온도 변화나 열팽창 차이, 진동 등에 의한 반복 응력의 영향을 보다 더 많이 받게 되므로, 납땜 접합부에 있어서 솔더 합금 조직이 조대화되어 피로파괴 등에 의한 균열이 발생된다. 이러한 납땜부의 균열은 예컨대, 인쇄회로기판에 실장된 부품의 단선불량과 같은 치명적인 결합 발생의 요인으로 작용한다.
한편, 종래에는 인쇄회로기판에 전자 부품을 장착하기 위한 솔더링 재료로서 주석(Sn)과 납(Pb)으로 이루어진 2원계 공정합금을 주로 사용하였으나, 이러한 Sn-Pb 합금 솔더는 폐기시 납이 유출되어 환경오염의 원인이 되는 문제점이 있었다. 따라서, 최근의 전자 업계에서는 합금 솔더의 제조시 납사용을 규제하거나 또는 배제함으로써 환경 친화적인 솔더용 무연 합금의 개발이 활발하다. 그러나 이러한 무연 합금 솔더는 종래의 합금 솔더와 용융점 및 유동성이 상이하여 종래의 플럭스 사용시 미납, 접속 불량 등의 문제점이 발생하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 무연 합금 솔더의 용융점 및 유동성에 적합하고 미납 대응과 퍼짐성을 향상시켜 접속 불량 발생을 억제할 수 있는 환경친화적 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스는, 0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 피리딘 브롬염, 0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 구아니딘 브롬염, 0.1 내지 8.0 중량부 범위 이내의 검 로진, 0.01 내지 5.0중량부 범위 이내의 합성 로진, 0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 지방산, 공업용 알콜, 0.1 내지 8.0 중량부 범위 이내의 불균화로진, 0.1 내지 5.0 중량부 범위 이내의 마레인 변성로진, 0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 에칠아민브롬염을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스가 이용되는 무연 합금 솔더는 Sn-Cu-Ni-P계 무연 합금 솔더, Sn-Cu-Ni계 무연 합금 솔더, Sn-Cu-Ag계 무연 합금 솔더 및 Sn-Cu계 무연 합금 솔더 중 어느 하나이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스를 설명하기로 한다.
본 발명의 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스는 피리딘 브롬염, 구아니딘 브롬염, 검 로진, 합성 로진, 지방산, 공업용 알콜, 불균화로진, 마레인 변성로진, 에칠아민브롬염을 포함한다.
상기 피리딘 브롬염은 피리딘과 HBr의 혼합물이고, 상기 구아니딘 브롬염은 구아니딘과 HBr의 혼합물이다. 상기 공업용알콜은 이소프로필 알콜 또는 메탄올이 사용될 수 있다. 상기 검 로진(Gum Rosin)은 살아있는 소나무에서 추출한 로진이고, 불균화 로진은 검 로진에서 불순물을 제거한 것이며, 합성 로진은 검 로진의 성분을 폴리머화한 것이다. 상기 마레인 변성 로진은 마레이지아산 검 로진을 정제한 것이고, 상기 지방산은 지방족 화합물에 산기를 첨가한 것이다.
본 발명의 솔더링 플럭스가 적용되는 무연 합금 솔더는 Sn-Cu-Ni-P계 무연 합금 솔더, Sn-Cu-Ni계 무연 합금 솔더, Sn-Cu-Ag계 무연합금 솔더 또는 Sn-Cu계 무연합금 솔더가 가능하다. 특히 상기 무연 합금 솔더의 주성분인 주석(Sn)은 자체 독성이 없고 접합모재에 대하여 습윤성을 제공하는 역할을 하는 땜납 기재의 필수 금속으로서, 구리(Cu),니켈(Ni),인(P), 은(Ag)의 첨가량을 제외한 나머지가 주석이다. 이러한 무연 합금 솔더는 여러 가지 형태로 제조되거나, 다양한 크기를 갖는구형의 분말로 제조가 가능하다.
이하 실시예에 따라 본 발명의 솔더링 플럭스를 제조하고 그 개선된 결과를 종래 플럭스와 비교하였다.
<실시예>
불균화 로진 5.0 중량부, 마레인 변성로진 2.43 중량부, 에칠아민 브롬염 0.2 중량부, 피리딘 브롬염 0.1 중량부, 구아니딘 브롬염 0.3 중량부, 검 로진 5.43 중량부, 합성 로진 1.1 중량부, 지방산 1.3 중량부, 공업용 알콜 84.14 중량부로 솔더링 플럭스를 제조하였다.
Sn-Cu-Ni-P계 무연 합금 솔더에 본 발명의 실시예에 따른 솔더링 플럭스와 기존의 솔더링 플럭스를 사용하여 그 개선된 결과를 비교하였다.
먼저, 메니스커스 기법으로 측정한 젖음력에 대한 데이터를 [표 1]에 나타냈다.
구분 기존 플럭스 본 발명의 플럭스
젖음시간(sec) 0.4 0.39
젖음력(mN) F1 4.97 5.27
F2 5.35 5.78
F3 5.40 5.97
테스트의 조건은 다음과 같다.
납조 온도: 270~275℃ 계측장비: 레드카 SAT-5000
젖음(Wetting)은 고체에 접촉된 액체가 흘러 퍼져 가는 것이고, 젖음성은 그퍼지기 쉬운 정도를 나타내는 금속 표면의 성질이다. 젖음성은 금속의 종류, 플럭스의 종류 및 금속 표면의 오염물이나 표면 거칠기의 상태 등에 의해서도 변할 수 있다. 이러한 젖음성의 불량의 원인은 재료 표면의 오염 및 산화 피막에 있다. 또한 일괄 리플로우시에 가열 부족으로 발생하는 경우도 있으며 이것은 열용량이 큰 부품의 온도 상승이 불충분하여 발생하게 된다. 따라서 열원의 선정도 포함해서 균일한 가열을 확보하는 것이 중요하다. 또한 활성력이 좋은 플럭스를 사용함에 따라 재료 표면의 산화 피막을 포함한 오염층을 제거할 수 있으나, 활성력이 높은 RA타입이나 무기산 타입의 플럭스는 세척시에 프레온 가스를 사용해야 하므로 무세척화에 맞지 않은 방법이다.
이러한 젖음성을 테스트 하기 위해서 본 발명에서는 메니스커스(Meniscus)법을 사용하였다. 메니스커스법은 표면장력법 또는 웨팅 밸런스(wetting balence)법이라고도 하며, 솔더 능력을 정량적으로 표현하는 것 중에서는 가장 신뢰성이 있는 방법이다. 메니코 그래프(Meniccograph)법의 원리는 규정의 온도로 제어된 용융 납조중으로 시험편을 완성한 속도로 일정한 깊이까지 침적하여, 그 때 젖음 시작전의 시험편에 걸리는 부력과 젖음 개시후의 표면장력에 의해 수직방향에 작용하는 힘을 고감도의 전자천칭(Elctro balance)에 의해서 연속적으로 점출, 기록하여 얻어진 젖음력(Wetting force)대 젖음시간(Wetting time) 곡선을 해석하는 것에 의해 솔더 능력을 평가하는 것이다. 이 방법에 의하면, 젖음시간은 짧고, 최대 젖음력 값이 클수록 재료의 젖음성이 좋다. 따라서, [표 1]에서 보이는 바와 같이 본 발명의 솔더링 플럭스는 기존의 플럭스에 비해 무연 합금 솔더에 대해서 젖음성이 좋다는 것을 알 수 있다.
기존의 플럭스와 본 발명에 의한 플럭스의 납땜 품질에 대한 데이터를 [표 2]에 나타냈다.
구분 ＼ 항목 접속 불량율 미납율 냉납율 계
기존 플럭스 647 80 0 727ppm
본 발명의 플럭스 253 0 0 253ppm
[표 2]에서 보인 접속 불량율, 미납율 및 냉납율은 납땜 결점율의 예이며, 그 단위는 모두 ppm이다.
접속 불량율은 브리지(bridge)라고도 하며, 인접하는 리드 또는 전극 패턴이 솔더로 연결되어 숏트(short)를 일으키는 현상이다. 이러한 접속 불량율은 플로우 프로세스의 면에서 살펴보면 솔더의 표면장력이 큰 원인이 되므로, 적당한 플럭스의 선택과 솔더링 조건에 의해서 그 불량율을 낮출 수 있다. [표 2]에서 보인 바와 같이, 기존 플럭스에 비해 본 발명의 플럭스를 무연 합금 솔더에 적용하는 경우가 접속 불량율이 현저히 낮아짐을 알 수 있다.
미납(Poor solder)율은 솔더링시에 발생하는 결함의 하나로 리드 선에 솔더가 적게 묻는 것이다. 외관 관찰시 필렛(fillet)이 아주 작고 솔더가 올라간 높이도 낮으며, 예열 온도가 높아서 플럭스가 열화되어 산화 피막을 제대로 제거해 주지 못할 경우에 주로 발생한다. [표 2]에서 보인 바와 같이, 기존 플럭스에 비해 본 발명의 솔더링 플럭스가 미납율이 낮아진 것을 알 수 있다.
냉납율은 솔더링시에 발생하는 결함의 하나로 리드 선에 솔더가 묻지 않는것이다. 기존 플럭스와 본 발명의 솔더링 플럭스 모두 냉납율은 0이다.
본 발명에 의한 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스는 기존 플럭스와는 달리 무연 합금 솔더의 용융점과 유동성에 적합할 수 있는 성분 및 조성으로 제공된 것으로서 본 발명의 솔더링 플럭스를 이용하여 무연 합금 솔더를 솔더링하는 경우에는 결점율이 낮아지고 솔더링 효율이 커지게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스에 따르면, 무연 합금 솔더의 용융점 및 유동성에 적합하고 미납 대응과 퍼짐성을 향상시켜 접속 불량 발생을 억제할 수 있는 환경 친화적 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스를 제공할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것을 물론이고, 그와 같은 변경은 청구 범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (2)

  1. 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스에 있어서,
    0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 피리딘 브롬염, 0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 구아니딘 브롬염, 0.1 내지 8.0 중량부 범위 이내의 검 로진, 0.01 내지5.0 중량부 범위 이내의 합성 로진, 0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 지방산, 공업용 알콜, 0.1 내지 8.0 중량부 범위 이내의 불균화로진, 0.1 내지 5.0 중량부 범위 이내의 마레인 변성로진, 0.01 내지 5.0 중량부 범위 이내의 에칠아민브롬염을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스가 이용되는 무연 합금 솔더는,
    Sn-Cu-Ni-P계 무연 합금 솔더, Sn-Cu-Ni계 무연 합금 솔더, Sn-Cu-Ag계 무연 합금 솔더 및 Sn-Cu계 무연 합금 솔더 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무연 합금 솔더의 솔더링 플럭스.
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