KR20060039383A - 납땜용 무연합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 및 전자제품의 생산시 부품을 기판에 고정시키는 역할을 하는 땜납에 관한 것으로, 납(Pb)을 함유하지 않는 합금에 의해 납땜이 이루어지도록 하여 납의 중독 등에 의한 피해를 방지할 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 아연(Zn)이 4.0 - 10.0 중량％, 비스므스(Bi)가 2.0 - 5.0 중량％, 인(P)이 0.0001 - 3.0 중량％, 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것이다.

Description

납땜용 무연합금{omitted}

도 1은 인의 첨가에 따라 솔더 용해조에서 피막층을 형성한 상태도

도 2는 본 발명과 종래 땜납의 인장강도를 비교하여 나타낸 그래프

도 3은 본 발명의 전단강도를 나타낸 그래프

본 발명은 전기 및 전자제품의 생산시 부품을 기판에 고정시키는 역할을 하는 땜납에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 납(Pb)을 함유하지 않는 합금에 의해 납땜이 이루어지도록 하여 납의 중독 등에 의한 피해를 방지하도록 된 납땜용 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 판 재 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 토양을 오염시키는 문제점이 발생되었다.

상기한 연납(Pb-Sn계) 등과 같은 땜납은 넓은 온도범위 내에서 사용이 가능하고 강한 기계적 연결부위를 형성하여 전자부품 등의 접합에 매우 유용하게 사용하지만, 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 사용을 전면 금지하기로 법제화할 예정이어서, 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 개발되었다.

예를 들어, 미국 특허 4,806,309호에서는 Sn 90.0 - 95.0 중량％, Ag 0.1 - 0.5 중량％, Bi 1.0 - 4.5 중량％, Sb 3.0 - 5.0 중량％ 로 조성된 무연합금이 개시되어 있고 미국 특허 4,929,423호에서는 Ag 0.01 - 1.5 중량％, Bi 0.08 - 20.0 중량％, Sb 0.01 중량％ 이하, Cu 0.02 - 1.5 중량％, 나머지가 Sn 으로 조성된 무연합금이 개시되어 있고 다.

또한, 대한민국 특허 출원 제95-1912호에서는 또 다른 특성을 갖는 Sn - Ag - Bi계 무연땜납이 개시되어 있다.

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

그러나 이러한 종래의 무연땜납은 제조시 용융상태에서 자연 발생적으로 형성되는 드로스(Dross)에 의해 첨가되는 원소(예를 들어 Cu, Sn, Ag, Bi, Au, Sb, In, Zn 등)가 산화물로 제거되어 첨가물에 의한 효과가 저하되었음은 물론 Bi에 의한 석출로 시효경화가 크게 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 땜납 조성물내에 인(P)을 첨가하여 무연땜납의 제조시 용융상태에서 인이 상부층으로 떠올라 공기중의 산소와 접촉하는 피막이 형성되도록 하므로 드로스되는 양을 최소화할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 그 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, 아연(Zn)이 4.0 - 10.0 중량％, 비스므스(Bi)가 2.0 - 5.0 중량％, 인(P)이 0.0001 - 3.0 중량％, 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것을 특징으로 하는 납땜용 무연합금이 제공된다.

이하, 본 발명을 일 실시예로 도시한 도 1 내지 도 3을 참고하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 인의 첨가에 따라 솔더 용해조에서 피막층을 형성한 상태도이고 도 2는 본 발명과 종래 땜납의 인장강도를 비교하여 나타낸 그래프이며 도 3은 본 발명의 전단강도를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 Sn - Zn - Bi - P 4원계 무연합금에서 주성분인 주석(Sn)은 자체 독성이 없고 접합모재에 대하여 습윤성을 제공하는 역할을 하는 땜납기재의 필수금속으로서, 아연(Zn), 비스므스(Bi), 인(P)의 첨가량을 제외한 나머지가 주석이다.

아연(Zn)은 100 - 150℃에서 전성(展性) 및 연성(延性) 등 기계적 성질이 뚜렷하게 증대는 역할을 하는 것으로, 4.0 - 10.0 중량％ 함유되는데, 상기 아연의 함유량이 4.0 중량％ 미만이면 기계적 특성이 미비하게 되고, 10.0 중량％ 를 초과할 경우에는 선재로서의 가공성이 떨어지게 되므로 불리하다.

비스므스(Bi)는 주석(Sn)의 융점(232℃)인 고상선(固相線)을 하강시킴은 물론 젖음성을 향상시키는 역할을 시키는 역할을 하는 것으로 2.0 - 5.0 중량％ 함유되는데, 비스므스의 함량이 0.1 중량％ 미만이일 경우 저융점화의 효과가 미비하게 되고, 10.0 중량％ 이상이면 융점의 응고범위를 넓히게 될 뿐만 아니라 납땜부위에 반복적으로 가해지는 열피로성에 의해 납땜 쪼개짐현상이 발생될 수도 있다.

원자반경이 작기 때문에 땜납합금의 용융시 접합모재로서의 확산속도를 빠르게 하는 역할을 하며, 땜납합금과 모재금속과의 접합강도를 높여주는데, 본 발명의 일 실시예에서는 2.0 - 5.0 중량％ 함유된다.

용탕시 드로스의 발생을 억제하기 위해 인(P)이 0.0001 - 3.0 중량％ 첨가되는데, 첨가되는 인이 0.0001 중량％ 미만이면 용탕시 산화량 감소효과가 극히 미비하고, 3.0 중량％ 를 초과하면 납땜접합에 오히려 불리하게 작용할 뿐만 아니라 무연땜납의 융점을 높이는 결과를 초래하여 자동 납땜시 단계적인 납땜시스템에서 땜납의 젖음성(wetting)이 다소 떨어질 우려가 있으며 접합강도를 떨어뜨리게 되는 문제점이 발생된다.

광범위한 납땜 작업중에서 정밀한 전자, 전기 제품등의 경우 비교적 저온(약 250℃내외)에서 납땜작업이 이루어지지만, 특별하게 고온(400℃이상)에서 작업을 할 경우에는 드로스되는 양 및 생성시간이 빨라지게 되므로 인의 첨가량을 0.011 중량％ 이상 함유하는 것이 보다 바람직하다.

상기한 조성을 갖는 무연합금은 금속 원재료(Sn, Zn, Bi, P)를 개량하여 제조시 진공상태 또는 불활성 분위기에서 용해하지 않고 대기중에서 포트(Pot)나 도가니를 사용하여 가열, 교반하면서 용해하는 통상의 방법에 의해 주조하더라도 도 1에 나타낸 바와 같이 용융된 인(P)이 상층에 피막을 형성하여 첨가원소의 산화를 억제하므로 드로스(Dross) 발생을 최소화하게 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.

실시예

주석(Sn)이 88.774 중량％, 아연(Zn)이 8.0 중량％, 비스므스(Bi)가 3.0 중량％, 인(P)이 0.01 중량％, 기타 불순물이 0.216 중량％ 이하인 무연합금을 제조하였다.

융점실험

상기 실시예에서 제조된 무연합금을 DSC(Differential Scanning Calorimetry)로 승온 5℃/분으로 융점(고상온도, 액상온도)을 측정하여 그 결과를

아래에 나타내었다.

비중실험

상기 실시예에서 제조된 무연합금을 비중 측정기로 20℃에서 측정하여 그 실

험결과를 아래에 나타내었다.

퍼짐성실험

동판(30 ×30 ×0.3mm)을 금속 연마지로 연마하여 산화막을 제거하고 IPA로 세척한 후 150℃의 전기로에서 1시간 동안 산화 처리한 다음 플럭스를 도포한 솔더 약 0.3g을 동판 중앙부위에 올려놓고 납조의 온도를 250℃에서 약 30초 정도 솔더를 용융 시킨 다음 IPA로 플럭스 잔류분을 제거하여 마이크로메타로 퍼짐 높이를

측정하여 아래에 나타내었다.

인장강도시험

시편의 규격은 ASTM의 인장시험 시편 규격과, 시편의 두께는 ISO 6892 규격을 적용하여 인장시험장비에 시편을 장착한 후 3mm/min의 일정한 속도로 시편을 잡아 당겨 파단 시 시편의 초기 표점거리를 통하여 재료의 연신율을 측정하였던 바, 연신율은 15.39％로 나타났다.

접합강도실험

PCB 기판과 QFP타입의 반도체, 적층콘덴서(C) 및 저항(R)과 같은 부품의 접합부 강도 시험을 실시하였고, 시험 속도는 200㎛/sec로 당겨 접합강도를 3회 실시하였던 바, 접합강도는 약 5015-5100gf(평균 5110gf)로 나타났다.

젖음성시험

젖음성 시험기를 이용하여 동판 25 ×31 ×0.3mm의 크기로 가공한 시편으로 젖음성 시험을 실시하였으며, 시편의 침지 깊이는 100㎛, 예열 160℃에서 60초(sec), 피크온도 230℃에서 10초간 유지하여 젖음시간 T2(s)과 최대 젖게 하는 젖음력(Force)을 측정하였던 바, 다음과 같았다.

비교예

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

상기 실시예 1 내지 4에 의해 제조된 무연합금과 비교예에 의한 땜납과의 고 상온도, 액상온도 그리고 응고범위를 다음과 같이 비교하여 [표] 로 나타내었다.

상기 [표] 에 나타난 바와 같이 본 발명의 무연합금은 액상온도가 197 - 199℃이고, 고상온도는 187 - 192℃이며 응고범위는 0 - 2℃로서, 무연땜납으로 매우 적합함을 알 수 있으며, 비교예에서의 땜납보다 융점인 고상온도 및 액상온도가 월등히 우수하였음은 물론 응고범위가 매우 안정되었음을 알 수 있다.

또한, 실시예에 의해 제조된 무연합금을 이용하여 납땜작업을 실시하여 본 바, 도 2에 나타낸 바와 같이 인장강도가 종래의 연납에 비하여 현저히 증대됨을 알 수 있다.

상기 실시예들에서 아연(Zn)의 첨가는 기계적 특성을 향상시켜 주며, 인(P)은 용탕시 산소와 접촉되는 상층에 피막을 형성하여 첨가물이 산소와 결합하므로 인해 발생되는 금속산화물 등의 불순물을 억제시키게 되므로 무연합금의 사용량을 감소시키게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 무연합금은 종래 Sn - Pb계 땜납에 비하여 납(Pb)이 함유되어 있지 않아 작업환경을 개선시킴은 물론 환경오염을 방지하게 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.

Claims (1)

1. 아연(Zn)이 4.0 - 10.0 중량％, 비스므스(Bi)가 2.0 - 5.0 중량％, 인(P)이 0.0001 - 3.0 중량％, 나머지가 주석(Sn)으로 조성된 것을 특징으로 하는 납땜용 무연합금.

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