KR20050089322A - 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄무연 솔더 합금의 제조 방법 - Google Patents

주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄무연 솔더 합금의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 무연 솔더 합금 조성물에 있어서, 0.1 내지 2wt%의 알루미늄 및 98 내지 99.9wt%의 주석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물을 개시한다. 또한, 본 발명에서는, 주석 이온을 포함하는 제1물질, 알루미늄 이온을 포함하는 제2물질, 또는 상기 제1물질 및 상기 제2물질의 혼합물을 제공하는 단계(S1); 및 LiClO4, LiH, LiAlH4, PSA, ENSA 및 POELE로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 첨가물질을 포함하는 유기용매에, 상기 제1물질 및 상기 제2물질을 투입하거나, 또는 상기 혼합물을 투입하고, 전기도금을 수행하여, 주석-알루미늄 합금을 제공하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법에 따라 제공되는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금은, 종래에 알려진 무연 솔더 합금에서는 그 예를 찾을 수 없는 것으로, 기존의 유연 솔더와 비교하여 전기전도도등에서 더 우수한 특성을 나타내며, 무연 솔더 합금으로서 필요한 물질 특성인 비교적 낮은 녹는점, 우수한 연성, 우수한 전기 및 열 전도도, 우수한 열 팽창계수, 우수한 젖음성, 기타 우수한 기계적 특성등을 갖는다. 나아가, 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조에 이용되는 알루미늄은 그 양이 풍부하고 입수가 용이하며, 비교적 싼 가격에 구입할 수 있고, 인체에 무해하다는 등 솔더에 부합하는 다양한 장점을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따르는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금은 기존의 유연 솔더를 충분히 대체할 수 있는 효과를 달성한다.

Description

주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법{Sn-Al lead-free solder alloy composition and method to prepare the Sn-Al lead-free solder alloy}
본 발명은 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 종래의 유연 솔더 및 무연 솔더 합금 조성물을 대체할 수 있는 신규한 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법에 관한 것이다.
주석-납계 유연 솔더는 오랜 기간동안 전자기기의 가장 유효한 접합재료로 서 사용되어 왔다.
그러나, 상기 유연 솔더를 적용한 전자기기의 폐기시, 산성비에 의해 솔더 중에 함유된 납 성분이 용출되므로 지하수를 오염시키게 되고, 이것이 인체에 흡수되는 경우에는 지능저하, 생식기능저하 등 인체에 심각한 피해를 준다는 문제가 있었다.
이에 따라 전자기기용 솔더중의 납 규제에 관한 검토가 1990년 미국에서 이루어졌으며, 이를 발단으로 무연 솔더 합금 조성물에 관한 연구가 세계적으로 진행되었다.
무연 솔더 합금 조성물의 개발과 관련된 연구는 먼저 미국에서 NCMS 프로젝트(1992~1996)로 진행되었고, 유럽에서는 IDEALS 프로젝트(1996~1999)로 진행되었으며, 현재 일본의 경우에는 무연 솔더 합금 조성물의 기초 및 적용기술에 관하여 유럽이나 미국보다 앞서 있는 것으로 평가되고 있다.
무연 솔더 합금 조성물의 개발을 위하여는 납을 성공적으로 대체할 수 있는 대체물이 필요한데, 이를 위하여는 주석-납 솔더에서의 납의 역할에 대한 이해가 선행되어야 한다.
솔더에서의 납의 역할은 주석과 합금을 이루었을 때 물리적 성질에 미치는 영향을 조사함으로써 이해될 수 있는데, 우선 납은 솔더에 적용되는 경우 솔더의 녹는점을 낮추며, 주석-납 솔더에서 납의 함량이 증가하는 경우 전기 및 열 전도도는 감소하는 반면에 열팽창 계수는 증가한다.
또한, 납의 함량이 증가할수록 주석-납 솔더의 점성은 감소하게 되지만, 표면 장력은 순수한 주석에 비하여 더 낮아지게 되는데, 이것은 솔더의 젖음 능력의 향상을 의미한다.
이와 같이, 납은 솔더에서 녹는점, 전기 및 열 전도도, 열팽창 계수, 유동성, 표면 장력, 기계적 성질 등과 같은 재료의 특성에 매우 중요한 영향을 미치는 것이고, 그러므로, 현재 솔더의 개발에 있어서는, 납을 대체하면서도 기존의 주석-납 솔더가 갖는 물질 특성보다 향상되거나 동등한 성질을 가질 것이 요구된다.
따라서, 무연 솔더 합금 조성물은 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다.
첫째, 무연 솔더 합금 조성물은 주석-납 솔더와 비슷한 낮은 녹는점을 가져야 한다.
둘째, 무연 솔더 합금 조성물은 주석-납 솔더와 동등하거나 우수한 물리적 성질을 가져야 한다. 즉 우수한 전기 및 열 전도도, 우수한 열 팽창계수, 우수한 젖음성등이 필요하다.
셋째, 무연 솔더 합금 조성물은 흔히 전단 강도와 인장 강도로 특징지워지는 기계적 성질이 우수해야한다.
넷째, 무연 솔더 합금 조성물은 향상된 저장 수명 및 조직의 안정성을 가져야 한다.
다섯째, 무연 솔더 합금 조성물은 주석-납 솔더보다 향상되거나 동등한 정도의 내식성, 연성을 가져야 한다.
마지막으로, 무연 솔더 합금 조성물은, 무독성이어야 하고 충분히 공급할 수 있을 정도로 다량 존재하여야 하며, 그 재료가 납 수준의 저렴한 가격을 갖는 것이어야 한다.
이와 같은 요구를 충족시키기 위하여, 무연 솔더 합금 조성물에 대하여 많은 연구들이 진행되어 왔는데, 그 대표적인 이원계 솔더의 예로서 주석-구리(Sn-Cu)계 솔더, 주석-은(Sn-Ag)계 솔더, 주석-비스무스(Sn-Bi)계 솔더, 주석-아연(Sn-Zn)계 솔더 등이 있으며, 현재까지 이들이 대체용 솔더로서 유력한 것으로 알려져 있다.
그러나, 종래의 무연 솔더 합금 조성물들은 모두 각각의 단점을 보유하며, 주석-납(Sn-Pb) 솔더와 동등한 수준을 가짐으로써 기존의 유연 솔더를 완벽히 대체하지 못하고 있는 실정이다.
그러므로, 종래에 무연 솔더로서 알려진 물질들과 다른 신규한 무연 솔더 합금 조성물이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점과 요구를 해결하기 위하여 안출된 것으로,
본 발명의 목적은, 기존의 유연 솔더와 비교하여 전기전도도 등이 더 우수하고, 비교적 낮은 녹는점, 우수한 연성, 우수한 전기 및 열 전도도, 우수한 열 팽창계수, 우수한 젖음성, 기타 우수한 기계적 특성등 무연 솔더 합금 조성물에 필요한 물리적 특성을 가지는 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 무연 솔더 합금 조성물에 있어서, 0.1 내지 2wt%의 알루미늄 및 98 내지 99.9wt%의 주석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물에 의해 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 또한, 주석 이온을 포함하는 제1물질, 알루미늄 이온을 포함하는 제2물질, 또는 상기 제1물질 및 상기 제2물질의 혼합물을 제공하는 단계(S1); 및 LiClO4, LiH, LiAlH4, PSA, ENSA 및 POELE로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 첨가물질을 포함하는 유기용매에, 상기 제1물질 및 상기 제2물질을 투입하거나, 또는 상기 혼합물을 투입하고, 전기도금을 수행하여, 주석-알루미늄 합금을 제공하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법에 의해 달성된다.
그리고, 상기 S1 단계는, 상기 주석 이온을 포함하는 제1물질로, SnCl2, SnCl4, SnBr2, SnBr4, SnI2, SnSO4, SnS, SnO2 , SnF2 및 Sn(BF4)2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 알루미늄 이온을 포함하는 제2물질로, AlCl3, AlBr3, Al(OH)3, Al2O3 , Al4C3, Al2(SO4)3, Al2S3 , AlI3 및 AlNH4(SO4)2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 S2 단계는, 상기 유기용매로, 에테르(ether)계 용매, 방향족탄화수소(aromatic hydrocarbons)계 용매 또는 디메틸설폰(dimethylsulfone)계 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에서는 무연 솔더 합금 조성물에 있어서, 납을 대체하기 위한 물질로 알루미늄을 선택하는데, 알루미늄은 열 및 전기 전도도가 크고, 대기중에서 내식성이 크며, 비중이 작고, 다양한 형태로 가공이 용이하며, 또한 그 양이 풍부하고 인체에 무해하다는 장점을 가지고 있으므로, 종래 유연 솔더중 납을 대체하기에 충분하다.
상술하면, 본 발명의 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물은, 주석 및 알루미늄으로 구성되는 것으로서, 이때, 상기 주석과 상기 알루미늄 합금 조성물의 질량비가, 질량백분율로, 0.1 내지 2%의 알루미늄 및 98 내지 99.9%의 주석인 것이 바람직하며, 상기 범위 이외에서는, 도금표면특성, 물리적 특성등이 저하된다.
상기와 같은 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물을 이용하여 주석-알루미늄 무연 솔더 합금을 제조하기 위하여, 우선, 주석이온을 포함하는 제1물질, 알루미늄이온을 포함하는 제2물질, 또는 이들을 혼합한 혼합물을 제공하도록 한다(S1).
상기 제1물질은, SnCl2, SnCl4, SnBr2, SnBr4, SnI2, SnSO4, SnS, SnO2, SnF2, 또는 Sn(BF4)2를 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제2물질은, AlCl3, AlBr3, Al(OH)3, Al2O3, Al4C3, Al2(SO4)3, Al2S3, AlI3, AlNH4(SO4)2를 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
이후, 예를 들어 LiClO4의 첨가물질을 THF(Tetrahydrofuran) 유기용매에 녹인 용액에, 상기 제1물질 및 상기 제2물질을 투입하거나, 또는 상기 혼합물을 투입하고, 전기화학반응을 통한 전기도금을 수행하여 주석-알루미늄 합금을 얻게 된다(S2).
즉, 주석 이온을 포함하는 제1물질과 알루미늄 이온을 포함하는 제2물질 및 LiClO4를 THF에 녹인 용액에서, 주석과 알루미늄 각각의 환원 전위를 확인하고, 알루미늄의 환원 전위에서 정전위 실험을 통하여 전기도금된 주석-알루미늄 합금을 얻는다.
상기 첨가물질은, 상기 제1물질, 상기 제2물질의 반응을 억제 또는 활성화시키는 것으로서, 상기 LiClO4 이외에도, LiH, LiAlH4, PSA, ENSA, POELE 등과 같은 물질을 사용할 수 있다.
상기 유기용매로서, 에테르계 유기용매, 방향족탄화수소계 유기용매 또는 디메틸설폰계 유기용매등을 사용하며, 예를 들어 상기한 바와 같이 THF 유기 용매를 사용한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 단지 하기 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이고, 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 변형이 가능한 것임이 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 것이다.
[실시예]
하기 실시예1 내지 실시예4에서는, 실시예1에서 제시되는 것과 같은 용액조건 및 SnCl2 분말 및 AlCl3 분말의 투입조건이 적용된다.
[실시예1]
THF 용매에 LiClO4 분말 0.5 M이 녹아 있는 용액에, SnCl2 분말 0.05 M과 AlCl3 0.05 M을 각각 녹여서, 주석과 알루미늄 각각의 환원 분극 곡선 거동을 확인하였다.
또한, THF 용매에 LiClO4 분말 0.5 M이 녹아 있는 용액에, SnCl2 분말 0.05 M과 AlCl3 분말 0.05 M을 함께 녹여서, 주석-알루미늄의 환원 분극 곡선 거동을 확인하였다.
상기 물질들은 공기와 습기에 매우 민감하므로, 모든 전기화학 실험은 아르곤 가스 분위기에 있는 글로브 박스에서 수행하였으며, 또한 글로브 박스안의 온도는 25℃로 유지하였다.
도 1은 상기 각각의 환원 분극 곡선 거동을 나타낸 것으로, 도 1a는 알루미늄의 환원 분극 곡선 거동을 나타내는 그래프이고, 도 1b는 주석의 환원 분극 곡선 거동을 나타내는 그래프이며, 도 1c는 주석-알루미늄 합금의 환원 분극 곡선 거동을 나타내는 그래프이다.
도 1a 및 도 1b에서 알 수 있는 것처럼, 주석과 알루미늄의 환원전위는 각각 -300 mV, -900 mV이고, 주석의 환원 속도가 알루미늄의 환원 속도에 비하여 무척 빠른 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 1c 및 도 1b는 매우 유사한 형태를 나타내므로 주석의 환원이 알루미늄의 환원에 대하여 매우 지배적이고, 주석-알루미늄 합금에서 주석의 양이 알루미늄에 비하여 매우 많다는 것을 알 수 있다. 또한, 이때의 질량비는 주석-알루미늄 상태도의 공정 조성과 거의 일치한다.
[실시예2]
도 2는 도 1의 각 용액조건하의 -300 mV, -900 mV, 그리고 -900 mV에서 각각 정전위 실험을 통하여 얻어진 도금 표면의 특성을 나타낸 것으로서, 도 2a는 도금된 순수한 주석 표면, 도 2b는 도금된 순수한 알루미늄 표면, 그리고 도 2c는 도금된 주석-알루미늄 합금의 표면을 나타내는 SEI 사진이다.
도 2a에서 알 수 있는 것처럼, 도금된 순수한 주석 표면은 그 도금 표면이 매우 조잡하고 불규칙하고, 도 2b에서 알 수 있는 것처럼, 도금된 순수한 알루미늄 표면은 그 도금 표면이 도 2a에 비하여는 미세하지만 다소 거친 표면특성을 나타낸다.
반면, 도 2c에서 알 수 있는 것처럼, 도금된 주석-알루미늄 합금은 그 도금 표면이 매우 조밀하고 매끄러운 표면 특성을 나타낸다. 따라서, 전기 도금된 주석-알루미늄 합금은 도금특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
[실시예3]
무연 솔더 합금 조성물에 사용하기 위해서는 우선적으로 낮은 녹는점이 필수적이다.
도 3은 DSC방법을 이용해 측정된 본 실시예의 전기 도금된 주석-알루미늄 합금의 녹는점을 나타내는 그래프이다.
전기도금된 주석-알루미늄 합금의 경우에는 어떠한 순수한 주석의 영향도 없으므로, 도 3에서 알 수 있듯이, 전기도금된 주석-알루미늄 합금은 완전하게 고용체를 이룬다. 그리고, 이때의 녹는점은 228℃를 나타내는데, 이는 솔더 물질로서는 매우 좋은 특성이라고 할 수 있다.
이를 본 실시예에서 제시되는 주석-알루미늄 조성비와 함께 고려한다면, 상기 결과는 주석-알루미늄 공정 상태도와 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 실시예에서의 용액조건등은 주석-알루미늄 합금의 전기도금을 수행함에 있어서 충분한 실용화 가능성을 갖는다.
[실시예4]
도 4는 본 실시예의 전기 도금된 주석-알루미늄 합금과 다른 전기 도금된 비교적 연한 금속 및 합금들의 경도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 전기 도금된 주석-알루미늄 합금의 경도는 7~10 HV값을 나타내므로 매우 연한 금속임을 알 수 있다.
또한, 전기 도금된 주석-알루미늄 합금의 전기 전도도를 4-point probe method에 의하여 여러 번 측정하여 평균을 구하였는데, 그 평균값은 9.0 Ω-1·cm-1로 다른 무연 솔더 합금 조성물이나 주석-납 솔더의 경우(6.9 Ω-1·cm-1)보다 더 좋은 전기 전도도를 나타냄을 알 수 있었다.
이와 같이, 전기도금을 통하여 얻은 주석-알루미늄 합금은 비교적 낮은 녹는점, 우수한 전기전도도, 우수한 연성 등의 물리적 성질들을 갖는다.
또한, 상기한 물리적 성질 이외에도 알루미늄은 생산량이 풍부하고, 비교적 가격이 저렴하며, 독성도 없으므로, 종래의 무연 솔더 합금 조성물에 이용가능한 것으로 알려져 있던 물질들에 대비하여 매우 우수하다.
본 발명의 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법에 따라 제공되는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금은, 종래에 알려진 무연 솔더 합금에서는 그 예를 찾을 수 없는 것으로, 기존의 유연 솔더와 비교하여 전기전도도등에서 더 우수한 특성을 나타내며, 무연 솔더 합금으로서 필요한 물질 특성인 비교적 낮은 녹는점, 우수한 연성, 우수한 전기 및 열 전도도, 우수한 열 팽창계수, 우수한 젖음성, 기타 우수한 기계적 특성등을 갖는다.
나아가, 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조에 이용되는 알루미늄은 그 양이 풍부하고 입수가 용이하며, 비교적 싼 가격에 구입할 수 있고, 인체에 무해하다는 등 솔더에 부합하는 다양한 장점을 갖는다.
따라서, 본 발명에 따르는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금은 기존의 유연 솔더를 충분히 대체할 수 있는 효과를 달성한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 용액조건에서의 알루미늄의 환원 분극 곡선 거동을 나타내는 그래프,
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 용액조건에서의 주석의 환원 분극 곡선 거동을 나타내는 그래프,
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 용액조건에서의 주석-알루미늄 합금의 환원 분극 곡선 거동을 나타내는 그래프,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 용액조건에서 정전위 실험을 통하여 얻어진 도금된 순수한 주석표면을 나타내는 SEI 사진,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 용액조건에서 정전위 실험을 통하여 얻어진 도금된 순수한 알루미늄 표면을 나타내는 SEI 사진,
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 용액조건에서 정전위 실험을 통하여 얻어진 도금된 주석-알루미늄 합금의 표면을 나타내는 SEI 사진,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 주석-알루미늄 합금의 녹는점을 표시한 DSC 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 주석-알루미늄 합금의 경도 측정 결과를 다른 금속 및 합금과 비교하여 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

  1. 무연 솔더 합금 조성물에 있어서,
    0.1 내지 2wt%의 알루미늄 및 98 내지 99.9wt%의 주석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물.
  2. 주석 이온을 포함하는 제1물질, 알루미늄 이온을 포함하는 제2물질, 또는 상기 제1물질 및 상기 제2물질의 혼합물을 제공하는 단계(S1); 및
    LiClO4, LiH, LiAlH4, PSA, ENSA 및 POELE로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 첨가물질을 포함하는 유기용매에, 상기 제1물질 및 상기 제2물질을 투입하거나, 또는 상기 혼합물을 투입하고, 전기도금을 수행하여, 주석-알루미늄 합금을 제공하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 S1 단계는,
    상기 주석 이온을 포함하는 제1물질로, SnCl2, SnCl4, SnBr2, SnBr4 , SnI2, SnSO4, SnS, SnO2, SnF2 및 Sn(BF4)2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 S1 단계는,
    상기 알루미늄 이온을 포함하는 제2물질로, AlCl3, AlBr3, Al(OH)3, Al 2O3, Al4C3, Al2(SO4)3, Al2S3, AlI3 및 AlNH4(SO4)2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 S2 단계는,
    상기 유기용매로, 에테르계 용매, 방향족탄화수소계 용매 또는 디메틸설폰계 용매를 사용하는 것을 특징으로 하는 주석-알루미늄 무연 솔더 합금의 제조 방법.
KR1020040014662A 2004-03-04 2004-03-04 주석-알루미늄 무연 솔더 합금 조성물 및 주석-알루미늄무연 솔더 합금의 제조 방법 KR20050089322A (ko)

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