KR20060099579A - 필름콘덴서용 틴징크 솔더 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필름콘덴서용 틴징크 솔더 와이어에 관한 것이다. 즉, 필름콘덴서의 예비 솔더링(soldering) 및 메탈리콘(metalycon) 용접시 필히 사용되는 주석-아연계 무연 땜납으로서 납 성분이 전혀 포함되지 않으며 구리와 안티몬을 첨가하여 우수한 특성을 갖도록 제조한 틴징크 와이어에 관한 것으로서, 주석(Sn) 70.0∼84.0중량%, 안티몬(Sb) 0.7∼1.3중량%, 구리(Cu) 0.1∼3.5중량%와 나머지는 아연(Zn)으로 조성된 틴징크 솔더 와이어에 관한 것이다.

콘덴서, 틴징크 와이어, 안티몬, 주석

Description

필름콘덴서용 틴징크 솔더 와이어{A tin zinc solder wire for film condenser}

도 1은 본 발명의 실시예와 비교예의 물성에 관한 데이터이다.

본 발명은 필름콘덴서의 예비 솔더링(soldering) 및 메탈리콘(metalycon) 용접시 필히 사용되는 틴징크 솔더 와이어(tin zinc solder wire)에 관한 것이다.

종래 필름 콘덴서(film capacitor) 제조에 사용되는 틴징크 와이어는 인체에 치명적으로 해로운 납 성분이 반드시 함유되어 있었다. 통상 납과 주석의 합금으로 이루어진 솔더용 와이어를 사용한 것이다. 그런데 이러한 종래의 솔더 와이어는 납을 포함하고 있기 때문에 인체에 해롭고 또한 전자 제품의 폐기시 환경을 오염시키는 문제가 있었다. 일반적으로 납땜은 땜납을 용융하여 금속을 접합시키므로 접합할 금속보다 용융온도가 낮은 금속이 사용되는데 납의 용융온도(327℃)보다 낮은 온도에서 용융되는 연납과, 용융온도가 대체적으로 450℃ 이상인 경납으로 대별된다. 연납의 성분은 납과 주석이며 그 함유량에 따라서 인장강도 및 전단 강도가 각 각 다르게 나타나게 된다. 한편 경납은 분말, 밴드, 와이어 등의 형상으로 형성되며 구리, 아연, 납이 주성분인 황동납과 은을 첨가하여 유동성을 개선한 은납 등이 사용된다.

납은 분해되지 않는 금속이므로 일단 인체내에 섭취되면 방출되지 않고 축적되는데 납땜 작업시 땜납의 용융으로 발생되는 가스 등에 작업자가 노출되면 호흡기를 통해 인체에 축적되어 납중독 등을 일으킬 수 있다. 최근 선진국을 중심으로 납성분을 포함하는 땜납은 수입을 엄격하게 제한하는 등 무역 장벽화할 조짐을 보이고 있는 실정이다.

종래에도 납을 포함하지 않는 땜납이 제안되어 왔다. 그러나 종래의 무연 땜납 합금은 주석-납계 땜납에 비하여 젖음성, 융점, 비용 등의 면에서 뒤떨어지므로 완전한 대체품으로서 개발이 완료되어 있지 않은 실정이며 다만 납을 사용하지 않는다는 환경적인 우수성으로 인하여 다른 특성의 열등함에도 사용되고 있는 실정이다.

이 환경중시의 흐름속에서, 필름 콘덴서의 예비 솔더링 및 메탈리콘(metalycon) 작업시 필히 사용되는 틴징크 솔더 와이어에 있어서도, 마찬가지로 납 프리화가 긴급의 과제가 되고 있다. 그래서, 종래의 납 프리 땜납재로서, 아연을 9중량%(공정점(共晶点)조성) 전후 함유하는 주석-아연계 땜납합금이 제안되어 있다. 또한, 아연을 8중량% 전후 함유하는 동시에, 비스무스를 1~3중량% 함유하는 주석-아연계 땜납합금으로 이루어진 것도 제안되어 있다. 이들 주석-아연계 땜납합금은, 주석-아연 합금의 공정온도가 199℃이고, 주석을 주성분으로 한 납 프리 땜납합금 중에서는, 가장 주석-납 합금의 공정점에 가깝고,또한, 원료 비용면에서도 다른 납 프리 땜납합금보다 염가라고 하는 장점이 있다.

그런데, 일반적으로 리플로우 납땜에 사용되는 크림 땜납은, 땜납분말과 플럭스를 혼합한 것이며, 이 플럭스에 땜납 용융시에 납땜 대상물의 표면을 청정하게 하여, 땜납의 젖음성을 좋게 하기 위한 활성제가 첨가되고 있다. 따라서, 종래의 주석-납계 땜납합금보다도 젖음성 면에서 뒤떨어지는 주석-아연계 땜납합금에 있어서는 특히 땜납의 젖음성을 향상시키기 위해서 활성제를 강화하지 않을 수 없다. 더구나, 이 주석-아연계의 땜납합금에서는 제조된 땜납분말의 표면 및 내부에 아연을 주성분으로 하는 상(相)이 존재하고 있다.

따라서, 종래의 주석-아연계의 납 프리 땜납합금에서는 땜납분말을 플럭스와 혼합하여 크림 땜납으로 가공하면 아연은 활성인 금속원소이기 때문에 크림 땜납을 냉장보존하고 있는 동안에 땜납분말 표면의 아연이 플럭스 중의 활성제와 쉽게 반응하여 그 반응생성물에 의해서 크림 땜납의 점도가 종래의 주석-납 땜납합금보다도 급속하게 또한 대폭 상승하여 사용시에 예컨대 프린트기판에의 인쇄가 불가능하게 되는 등 보존성이 결여된다고 하는 문제가 있었다. 더욱이, 냉장보존 하에서부 터 엄격한 실온이상의 환경 하에서 크림 땜납을 보존하는 경우에는, 아연이 상기 활성제와 한층 더 반응하기 쉽기 때문에 점도상승도 현저하고, 보존성이 더욱 악화한다고 하는 과제가 있었다.

한편, 이 점도상승을 방지하기 위해서, 활성제의 강도나 첨가량을 억제하면, 다른 한편으로, 땜납 가열용융시에 발생하는 아연산화물을 환원할 수 없고, 그 결과, 땜납의 젖어퍼짐성이 저하하여 버린다고 하는 문제가 있었다.

또한, 종래의 납 프리 땜납합금중에 비스무스를 함유한 주석-아연계 땜납합금이 있지만, 그러한 종류의 주석-아연계 땜납합금에는 응고후의 땜납 표면에서의 금속광택이 둔해지는 경향과 녹이 슬 수도 있고 그 때문에 젖음성과 보존성의 양립에 더하여 그 외관상의 문제도 개선할 것이 요구되고 있다.

따라서, 종래, 이들 문제를 해결하기 위한 수단으로서, 제 3 성분의 첨가, 예를 들면 알루미늄을 첨가하는 방법이 개시되어 있다(국제공개번호WO 02/34969A1). 그러나, 알루미늄을 첨가하는 방법은 미용해 땜납을 발생시키는 문제가 있고, 또한, 알루미늄 등을 단독 첨가하는 것만으로는, 상술한 종래의 과제를 모두 해결하는 데에는 불충분하였다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서 납을 포함하지 않는 틴징크 와이어용 합금을 제공하여 납에 의한 인체의 피해를 방지하고 환경 오염을 방지하면서 땜납의 여러가지 특성들 예를 들면 인장 강도, 경도, 납땜성, 용융점 등을 양호하게 하고 저온 또는 실온 이상의 고온 환경하에서의 보전성에도 뛰어난 주석-아연계 무연 틴징크 와이어를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 주석(Sn) 70.0∼84.0중량%, 안티몬(Sb) 0.7∼1.3중량%, 구리(Cu) 0.1∼3.5중량%와 나머지는 아연(Zn)으로 조성된 필름콘덴서용 틴징크 솔더 와이어에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 주석-아연계 무연 땜납으로서 납 성분이 전혀 포함되지 않으며 구리와 안티몬을 첨가하여 우수한 특성을 갖도록 제조한 틴징크 와이어에 관한 것이다.

본 발명에 의한 무연 틴징크 와이어 합금에 있어서 주석은 가장 많이 포함되어 있는 필수 성분으로서 접합 모재의 퍼짐성을 향상시키고 열피로 특성을 향상시키는 역할을 할 수 있는 바, 구리와 안티몬과 아연을 제외한 나머지 부분은 주석으로 형성된다. 이러한 무연 땜납에는 미량으로 함유된 금속, 즉 첨가물에 의해 합금 의 성질이 크게 영향을 받고 그 함유량에 따라 상당한 특성의 차이를 갖게 된다.

본 발명에 의한 합금 조성물에 있어서, 구리(Cu)는 소량첨가에 의하여 주석(Sn)의 융점을 강하시키며, 접합체의 접합 강도를 향상시키는 동시에, 솔더 중에 포함된 주석과 인쇄 회로 기판에 포함된 구리 성분의 반응에 의한 동 침식을 억제시키는 역할을 하는 성분이다. 그러나, 구리는 1083℃의 비교적 높은 녹는점을 가지므로, 상기 성분이 포함됨으로써, 합금의 녹는점이 높아질 수 있으며, 상기한 바와 같이, 합금 내에서 주석과의 반응을 통해,Cu ₆ Sn ₅ 또는 Cu ₃ Sn과 같은 단단하고 융점이 높은 금속간 화합물을 형성할 수 있는 바, 구리가 0.1 중량% 이하로 포함될 경우에는 구리에 의한 접합 강도의 향상 효과를 거둘 수 없으며, 구리의 함량이 늘어나면 합금의 녹는점이 높아지고, 상기와 같은 금속간 화합물로 인하여, 접합 강도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 이 때문에, 상기 구리는 전체 합금 조성물 중에 0.1 내지 3.5 중량% 만큼이 포함됨이 바람직하다.

본 발명은 또한, 상기 본 발명에 의한 합금 조성물에 있어서, 0.7 내지 1.3중량%의 안티몬(Sb)을 부가적으로 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 무연 솔더 합금 조성물을 제공한다.

이러한 안티몬은 솔더의 기계적 특성을 향상시키기 위한 성분으로써, 이러한 안티몬이 부가적으로 포함됨으로써, 인장 강도나 경도 등이 향상될 수 있다. 다만, 상기 안티몬이 0.7 중량% 이하의 함량으로 포함될 경우에는 상기와 같은 기계적 특성의 향상 효과를 기대할 수 없으며, 다만, 상기 구성 성분의 함량이 증가하여, 그 함량이 1.3중량% 이상으로 될 경우에는 솔더의 퍼짐성 및 젖음성을 저해할 수 있는 바, 전체 조성물에 대해 0.7 내지 1.3 중량%의 함량으로 포함됨이 바람직하다.

주석-아연계의 납 프리 땜납에서는, 주지한 바와 같이, 예를 들면, 함께 미리 조제한 땜납분말과 플럭스를 교반혼합하여 페이스트 상태의 크림 땜납으로 가공한다. 그러나, 그 경우, 땜납분말은, 산소와의 친화력이 강한 아연이 분말표면에서 산화물이 되는 것을 피할 수 없고, 땜납분말을 플럭스와 혼합하여 크림 땜납으로 가공하면, 아연과 플럭스 중의 활성제와의 반응에 의해 크림 땜납의 점도가 상승하여, 보존성에 문제가 생긴다. 한편, 이 점도상승을 방지하기 위해서, 활성제의 강도나 첨가량을 억제하더라도, 다른 한편으로, 땜납 가열용융시에 발생하는 아연산화물을 환원할 수 없고, 그 결과, 땜납의 젖음성이 저하하는 문제가 발생한다.

그래서, 본 발명에서는, 주석-아연계 땜납에, 아연보다 산화경향이 높은 원소를 극미량만큼 첨가하면, 그 첨가원소가 아연보다 우선적으로 산화함으로써, 땜납분말 표면에 산화물의 보호피막이 생성되기 때문에, 그 산화보호피막에 의해서 아연과 플럭스의 반응을 저감시키는 것을 기도한다. 이에 따라, 땜납의 젖음성과 보존성의 양면에 뛰어난 땜납을 얻는다. 그러나, 첨가량에 따르기도 하지만, 알루 미늄 등 첨가원소에 따라서는, 표면에 생성되는 산화보호피막이 강력하여 플럭스로는 환원할 수 없고, 도리어, 땜납 용융시에 미용해 땜납이 대량으로 발생하는 경우가 있다.

본 발명에 있어서 안티몬(Sb)은 0.7∼1.3중량% 으로 제한하고 있다. 안티몬의 하한에 있어서는 안티몬의 함량이 0.7 중량% 이하인 경우에는 합금의 인장 강도나 경도 등의 특성이 향상되는 효과를 거둘 수가 없기 때문이다. 한편 안티몬의 상한에 있어서는 안티몬의 상한을 1.3 중량%로 하였다. 그 이상의 안티몬이 포함되면 솔더의 연성이나 젖음성 등의 특성이 열화되기 때문이다. 이러한 이유로 하여 안티몬의 함량을 0.7 내지 1.3 중량%로 제한함으로써 가장 유리한 특성의 합금을 얻을 수 있다.

이어서, 구리의 하한에 대하여는 마찬가지로 실험결과로부터 구리의 하한을 0.1 중량%로 하였다. 구리가 그 이하로 포함되면 접합강도의 향상효과를 거둘 수 없기 때문이다.

한편 구리의 상한에 대하여는 마찬가지로 실험결과로부터 구리의 상한을 3.5 중량%로 하였다. 구리가 그 이상 포함되면 합금의 녹는점이 높아지는 문제점이 생기게 되며 나아가 금속간 화합물의 생성으로 인하여 접합 강도가 열화되는 문제점이 발생되기 때문이다.

본 발명에 있어서는 무연 솔더 틴징크 와이어 합금에 있어서 합금 조성물에 포함된 구리와 안티몬의 함량을 최적화하고 주석과 아연의 비율을 조정함으로써 납을 포함하지 않으면서도 솔더의 접합강도나 경도 등을 향상시키고 젖음성 등의 특성이 우수하여 종전의 솔더 합금에 비하여 현저히 우수한 물리적 기계적 특성을 획득한다.

주석과 아연을 주 성분으로 하고, 구리와 안티몬을 부 성분으로 하여 다양한 성분비의 합금에 대한 물리적, 기계적 특성을 측정한 결과가 도 1의 표에 표시되어 있다. 여기서 납땜성에 관한 데이터 상의 ×는 불량인 것을 의미하며 Ｏ는 양호한 것을 의미하며 ◎는 매우 양호한 것을 의미한다. 각각의 실시예와 비교예를 비교하여 보면 납땜성에 있어서 실시예에 속하는 합금군은 대체적으로 매우 양호한 것을 알 수 있으며 비교예에 속하는 합금군은 경우에 따라 다수 불량인 경우가 있음을 알 수 있다. 한편, 융점이나 경도, 인장강도 등에 있어서 실시예에 속하는 합금군이 대체적으로 양호한 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 필름 콘덴서(film capacitor) 제조용 틴징크 와이어의 합금 성분으로 주석(Sn) 70.0∼84.0중량%, 안티몬(Sb) 0.7∼1.3중량%, 구리(Cu) 0.1∼3.5중량%와 나머지는 아연(Zn)으로 조성된 합금을 사용함으로써, 솔더의 물리적, 기계적 성질을 현저하게 개선할 수 있다. 구체적으로 솔더의 강도, 경도 등에 있어서 상기 범위를 벗어나는 경우에 비하여 현저히 우수한 성질을 갖게 되며 솔더의 퍼짐성에 있어서 우수한 특성을 갖음으로써 틴징크 와이어를 사용하여 예비 솔더링을 하거나 메탈리콘(metalycon) 작업시 솔더의 응집력이 좋아지게 되어 우수한 접합특성을 갖게 된다.

Claims (1)

1. 주석(Sn) 70.0∼84.0중량%, 안티몬(Sb) 0.7∼1.3중량%, 구리(Cu) 0.1∼3.5중량%와 나머지는 아연(Zn)으로 조성된 필름콘덴서용 틴징크 솔더 와이어.

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