KR20050094535A

KR20050094535A - 저온계 무연합금

Info

Publication number: KR20050094535A
Application number: KR1020040019690A
Authority: KR
Inventors: 김경대
Original assignee: 김경대
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-09-28
Also published as: CN1673401A; GB0410626D0

Abstract

본 발명은 전기 및 전자제품의 생산시 부품을 기판에 고정시키는 역할을 하는 땜납에 관한 것으로, 납(Pb)이 포함되지 않은 무연합금에 관한 것이다.

상기 무연합금은 비스므스(Bi)가 1∼15중량%이고 코발트(Co)가 0.001∼2중량%이며 나머지가 주석(Sn)으로 조성되거나, 여기에 안티몬(Sb)을 0.01∼2중량% 더 첨가하여 얻어지는 것으로 액상온도를 낮추어 유연합금을 무연합금으로 대체하는 과정에서 고가의 장비(SMT)를 교체하지 않고도 적용할 수 있게 된다.

Description

저온계 무연합금 {Lead-Free Alloys of Low Temperature}

본 발명은 전기 및 전자제품의 생산시 부품을 기판에 고정시키는 역할을 하는 땜납에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 납(Pb)을 함유하지 않는 합금에서 액상온도를 낮추어 유연합금을 무연합금으로 대체하는 과정에서 고가의 장비(SMT)를 교체하지 않고도 적용할 수 있도록 하는 저온계 무연합금에 관한 것이다.

일반적으로 납땜은 땜납을 용융하여 금속을 접합시키는 역할을 하는 것으로, 접합할 금속보다 용융온도가 낮은 금속을 사용하게 된다.

그 대표적인 금속으로는, 납(Pb)의 용융온도(327℃)보다 낮은 온도에서 용융되는 연납과, 용융온도가 대체적으로 450℃이상인 경납으로 대별된다.

상기한 연납은 저온에서 용융되어 납땜작업이 용이하나, 기계적 강도가 저하되므로 큰 응력이 작용되지 않는 부분이나, 강철, 황동, 구리, 니켈 등의 얇은 판재 또는 가느다란 선재 등의 접합에 주로 사용된다.

상기 연납의 주성분은 납(Pb)과 주석(Sn)으로서, 이들의 함유량에 따라 인장강도 및 전단강도가 각각 다르게 나타나므로 용도에 따라 적절한 양을 혼합하여 사용하게 된다.

한편, 경납은 분말, 밴드, 와이어 등의 형상으로 형성되며, 구리(Cu), 아연(Zn), 납(Pb)이 주성분인 황동납과, 은(Ag)을 첨가하여 유동성을 개선한 은납 등이 사용된다.

상기한 저용융 납땜합금인 연납은 여러 가지 기계적, 물리적 특성이 우수하여 주로 배관, 열교환기와 같은 구조용과, 일반 전자산업용의 접합재료로 널리 각광받아 왔다.

그러나 납은 분해되지 않는 금속으로 일단 인체 내에 섭취되면 방출되지 않고 축적되는데, 실제로 미국 질병규제센터(Center for Disease Control)에서 명시한 납의 특성은 혈중농도 10μ/dl 이상이 되면 치명적이라고 명시하고 있다.

특히, 어린이에게는 지능의 저하를 유발시킬 수 있을 뿐만 아니라 외부에 방치할 경우에는 납의 폐기물에 의해 토양을오염시키는 문제점이 발생되었다.

상기한 연납(Pb-Sn계) 등과 같은 땜납은 넓은 온도범위 내에서 사용이 가능하고 강한 기계적 연결부위를 형성하므로 전자부품 등의 접합에 매우 유용하게 사용된다.

하지만, 대기 중에 납을 많이 방출하는 상황에서 장기간 작업을 할 경우에는 작업자의 호흡기를 통해 인체로 흡입 축적되어 납중독이라는 치명적인 직업병을 발병시키므로 EU 및 선진국가에서는 2004년부터 납, 수은, 카드뮴, PBB, PBDE의 사용을 전자제품, 조명설비, 의료 기기, 감시 및 제어 기기, 장난감 등에 전면 금지하기로 법제화하고 있어 이에 대한 대비책을 시급히 강구하여야만 된다.

이러한 법제화는 기타 국가에서도 신속하게 파급될 현상임이 자국민의 보호 및 환경파괴의 방지를 감안하면 당연하다.

이에 따라, 납땜의 제조업체에서는 납(Pb)이 첨가되지 않은 무연땜납의 개발에 많은 연구비를 투자하고 있으며, 현재까지 여러 종류의 무연합금이 개발되었고, 또한 출원인에 의해 다수 개발되어 대한민국 특허 제333401호(Sn-Cu-Ag-Bi-P계), 제333402호(Sn-Ag-Bi-Sb-P계), 제327767호(Sn-Cu-P계), 제327768호(Sn-Cu-Ag-P계), 제337496호(Sn-Cu-Sb-P계), 제337497호(Sn-Cu-Ag-Sb-P계), 337498호(Sn-Cu-Bi-Sb-P계)로 등록된 바 있다.

이러한 무연합금들은 용융온도가 높은 고온용 무연땜납들로서, 인공위성내의 전자부품 접합 등과 같은 특수용도로 사용하기에 적합하다.

그러나 이러한 종래의 무연합금들 중 Sn-Cu-P계는 고온계로서 액상온도가 227℃이고 Sn-Cu-Ag-P계는 중온계로서 액상온도가 217℃정도이지만, 실제 솔더링 작업이 이루어지는 온도는 이보다 약 50℃가 높은 277℃ 및 267℃에서 각각 이루어지게 되므로 제품에 열충격이 가해지는 문제점이 발생되었다.

또한, 작업환경이 워낙 고온이어서 기존에 사용하고 있던 고가 장비(SMT)의 설비를 보완하거나 교체하여야만 되는 경제적인 부담도 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 액상온도를 낮춤과 동시에 젖음성을 향상시킬 수 있는 저온계 무연합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 무연땜납의 융점을 낮추어 Sn - Pb계의 땜납을 사용하던 기존의 설비를 개조하지 않고도 그대로 사용할 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 비스므스(Bi)가 1∼15중량%이고 코발트(Co)가 0.001∼2중량%이며 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것을 특징으로 하는 저온계 무연합금이 제공된다.

본 발명의 다른 형태에 따르면, 비스므스(Bi)가 1∼15중량%, 코발트(Co)가 0.001∼2중량%, 안티몬(Sb)이 0.01∼2중량%이며 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것을 특징으로 하는 저온계 무연합금이 제공된다.

이하, 본 발명을 일 실시예로 도시한 도 1 내지 도 6을 참고하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예인 Sn-Bi-Co 3원계 무연합금에서 주성분인 주석(Sn)은 자체 독성이 없고 접합모재에 대하여 습윤성을 제공하는 역할을 하는 땜납기재의 필수 금속으로서, 비스므스(Bi), 코발트(Co)의 첨가량을 제외한 나머지가 주석이다.

주석(Sn)의 융점(232℃)인 고상선(固相線)을 하강시킴은 물론 젖음성을 향상시키는 역할을 하는 비스므스(Bi)는 1 ∼ 15중량% 함유되는데, 비스므스의 함량이 1 중량% 미만이일 경우 저융점화의 효과가 미비하게 되고, 10 중량% 이상이면 융점의 응고범위를 넓히게 될 뿐만 아니라 납땜부위에 반복적으로 가해지는 열피로성에 의해 납땜 쪼개짐현상이 발생될 수도 있다.

코발트(Co)는 구리(Cu)·니켈(Ni)의 제련시 부산물로 얻어지는 것으로 융점(냉각응고온도)이 높고 주석(Sn)에 첨가하므로써 용융 땜납 중 결정의 핵이 되어 땜납의 조직을 미세화하게 된다.

주석-비스므스의 조합에서는 비중차가 있기 때문에 중간의 비중인 코발트를 첨가하여 비중차에 의한 편석(조성이 균일상태로 용융하고 있어도 응고되는 과정에서 균일하지 않은 조직이 되는 현상)을 방지하는데 유용하다.

주석-비스므스계 땜납에 코발트를 첨가하면 납땜성이 향상되는데, 특히 땜납을 분말로 하여 플럭스를 혼합한 크림 땜납에서는 종래의 주석-납계 크림 땜납과 동등한 납땜성의 결과를 얻을 수 있게 된다.

이러한 코발트의 함량이 0.001중량%보다 낮거나, 2.0중량%보다 많으면 무연합금의 젖음성이 떨어지는데, 2.0중량%보다 많으면 융점 또한 높아지는 현상이 발생되므로 코발트의 첨가량을 0.001∼2.0중량%로 하는 것이 보다 바람직하다.

상기한 조성물에 주석(Sn)의 용융시 β→α변태를 방지하여 땜납합금의 충격강도를 향상시키는 역할, 즉 비스므스(Bi)가 갖는 취약점을 보완하는 안티몬(Sb)을 더 첨가할 수도 있다.

이 경우 첨가되는 안티몬은 0.01 - 2.0중량%인데, 안티몬의 함유량이 0.01 중량% 미만이면 저융점화의 효과를 기대하기 어렵고 또한 납땜부위의 접합강도가 떨어지게 되며, 2.0중량% 이상이면 융점이 극도로 상승되는 역효과가 나타남은 물론 젖음성이 나빠지게 되는 문제점이 발생된다.

상기한 조성을 갖는 무연합금(Sn-Bi-Co계)은 모재인 주석과 혼합하기 전에 비스므스를 모합금으로 하여 코발트를 첨가하여 용융한 상태에서 이를 다시 주석과 함께 용융하므로써 얻어지게 된다.

그러나 안티몬이 더 첨가되는 Sn-Bi-Co-Sb계는 모재인 주석과 혼합하기 전에 비스므스를 모합금으로 하여 코발트와 안티몬을 함께 첨가하여 용융한 상태에서 이를 다시 주석과 함께 용융하므로써 얻어지게 된다.

이러한 방법에 의해 제조되는 본 발명의 땜납용 무연합금은 여러 가지 형태(Ingot, Rectangular, Circular 등)로 제조되거나, 다양한 크기를 갖는 구형의 분말로 제조 가능하다.

또한, 분말형태의 경우, 적당한 플럭스(Flux)와 혼합하여 페이스트(Solder Paste)로도 제조 가능하다.

이렇게 제조된 무연합금은 일반 전자부품의 배선용으로 사용 가능한 융점을 갖을 뿐만 아니라 응고범위가 좁아 단계적인 자동납땜에 매우 유리하며, 종래의 Sn - Pb계보다도 퍼짐성이 증가되는 특성을 갖는다.

이하, 실시예에 따라 본 발명을 설명한다.

융점시험

실시예 1

주석(Sn)이 89.734중량%, 비스므스(Bi)가 10중량%, 코발트(Co)가 0.05중량%, 기타 불순물이 0.216중량% 이하인 무연합금을 제조하였다.

실시예 2

주석(Sn)이 89.434중량%, 비스므스(Bi)가 10중량%, 코발트(Co)가 0.05중량%, 안티몬(Sb)이 0.3중량%, 기타 불순물이 0.216중량% 이하인 무연합금을 제조하였다.

비교예

주석(Sn)이 63.0중량%, 납(Pb)이 37.0중량% 인 땜납을 제조하였다.

상기 실시예 1 및 2에 의해 제조된 무연합금과 비교예에 의한 땜납과의 고상온도, 액상온도 그리고 응고범위를 다음과 같이 비교하여 표 1 로 나타내었다.

상기 표1 에 나타난 바와 같이 본 발명의 무연합금은 도 1a 및 도 1b의 그래프에 나타낸 바와 같이 액상온도가 206-211 이고, 고상온도는 203-209 이며 응고범위는 2-3 로서, 무연땜납으로 매우 적합함을 알 수 있으며, 비교예에서의 땜납보다 융점인 고상온도 및 액상온도가 월등히 우수하였음은 물론 응고범위가 매우 안정되었음을 알 수 있다.

비중시험

실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 무연합금의 시료를 각각 채취하여 비중측정기로 20 에서 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

퍼짐성시험

실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 무연합금의 시료를 각각 채취한 다음 동판(30×30×0.3mm)을 금속 연마지로 연마하여 산화막을 제거하고, IPA로 세척 건조한 후 약 150 의 전기로 내에서 약 1시간 동안 산화 처리 후 플럭스를 도포한 솔더 약 0.3g을 동판 중앙부위에 올려놓고 용융 납조의 온도를 250 에서 약 30초 정도 솔더를 용융시킨 다음 IPA로 플럭스 잔류분을 제거하여 마이크로메타로 퍼짐높이를 측정하여 그 결과를 표 3 및 도 2에 나타내었다.

인장강도시험

실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 무연합금의 시료를 채취하여 시편을 만들었는데, 시편의 규격은 ASTM의 인장시험 시편 규격으로 하고, 시편의 두께는 ISO 6892 규격을 적용하였다.

이와 같이 얻어진 시편을 인장시험장비에 장착한 후 3mm/min의 일정한 속도로 잡아당겨 파단시험을 실시하면서 인장강도를 측정하여 그 결과를 표 4 및 도 3에 나타내었다.

연신율시험

이와 같이 얻어진 시편을 인장시험장비에 장착한 후 3mm/min의 일정한 속도로 잡아당겨 파단시 시편의 초기 표점거리를 통하여 연신율을 측정하여 그 결과를 표 5 및 도 4에 나타내었다.

접합강도시험

실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 무연합금의 시료를 각각 채취하여 시편을 만든 다음 접합강도를 측정하였는데, 이 때의 조건인 접합부의 초기 접합강도 시험속도는 5mm/min으로 당겨 접합강도를 측정하여 그 결과를 표 6 및 도 5에 나타내었다.

젖음성시험

실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 무연합금의 시료를 채취하여 시편을 만든 다음 배스(Bath)온도 250 와 260 에서 침지 깊이 3mm, 침지시간 5sec 조건에서 측정하였고 젖음성 시험에 사용한 플럭스는 RMA 타입을 사용하여 Zero cross time과 최대 젖게 하는 젖음력을 측정한 다음 그 결과를 표 7 및 도 6에 나타내었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 저온계 무연합금은 종래 고온계 및 중온계 무연합금에 비하여 땜납의 작업온도를 낮출 수 있게 되므로 생산된 제품의 신뢰도를 대폭 향상시키게 된다.

또한, 납을 사용하지 않고도 기존의 땜납과 거의 유사한 융점을 갖게 되므로 Sn -Pb계 땜납을 사용하던 장비를 그대로 사용할 수 있게 됨은 물론 무연합금의 사용량을 최소화하게 되므로 매우 경제적인 효과를 얻게 된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명 무연합금의 용융에 따른 변화를 나타낸 그래프

도 2는 본 발명 무연합금의 퍼짐성을 나타낸 그래프

도 3은 본 발명 무연합금의 인장강도를 나타낸 그래프

도 4는 본 발명 무연합금의 연신율을 나타낸 그래프

도 5는 본 발명 무연합금의 접합강도를 나타낸 그래프

도 6은 본 발명 무연합금의 젖음성을 나타낸 그래프

Claims

비스므스(Bi)가 1∼15중량%이고 코발트(Co)가 0.001∼2중량%이며 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것을 특징으로 하는 저온계 무연합금.
제 1 항에 있어서,

상기 조성물에 안티몬(Sb)이 0.01∼2중량% 더 첨가된 것을 특징으로 하는 저온계 무연합금.