KR20170108742A - 높은 연성을 갖는 무연 땜납 조성물 - Google Patents

Abstract

하기를 포함하는 무연 땜납 조성물이 개시된다: 0.02% 내지 6% 중량부의 안티몬, 0.03% 내지 3% 중량부의 구리, 0.03% 내지 8% 중량부의 비스무트, 55% 내지 75% 중량부의 인듐, 0.3% 내지 8% 중량부의 은, 5% 내지 11% 중량부의 마그네슘, 0.2% 내지 1.55% 중량부의 스칸듐, 0.2% 내지 2.0% 중량부의 오스뮴, 및 10% 내지 45% 중량부의 주석. 본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 초과의 고상선 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가져서, 유리의 금속화된 표면상의 전기 연결부를 납땜하는데 적합하다.

Description

높은 연성을 갖는 무연 땜납 조성물{LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY}

자동차의 후면 창문은 통상적으로 유리에 위치한 서리 제거 장치와 같은 전자 장치들을 포함한다. 전자 장치들에 전기적 연결을 제공하기 위해서는 일반적으로 좁은 면적의 금속성 코팅을 유리에 도포하여 전자 장치와 전기적으로 연결되도록 구성되는 금속화된 표면을 얻고, 그 후 전자 장치의 전기 연결부를 금속화된 표면상에 납땜할 수 있다.

과거에는, 전기 연결부를 유리의 금속화된 표면상에 납(Pb)을 함유하는 땜납으로 납땜하였다. 그러나, 납으로 유발되는 환경 오염으로 인해, 납의 사용은 더욱 더 제한되었고, 그로써 무연 땜납을 납땜하는데 사용하기 시작하였다. 예를 들어, 몇몇 산업 분야에서는 통상적으로 높은 주석(Sn) 함량, 예컨대 80% 초과로 함유하는 무연 땜납을 사용한다.

그러나, 유리는 깨지기 쉬워서, 높은 주석 함량을 갖는 통상적인 무연 땜납은 전자 장치를 유리 상에 납땜할 때 유리의 크래킹을 유발하는 경향이 있다. 게다가, 열팽창계수(CTE)가 실질적으로 다른 두 물질(예컨대 유리 및 구리)을 납땜하는 경우 땜납 연결부를 식히거나 이후 온도 변화 동안 땜납에 스트레스를 부과한다. 그러므로, 한편으로는 전자 장치를 유리 상에 납땜하는데 적합한 땜납 조성물은 납땜 과정 동안 자동차 유리의 크래킹을 유발하지 않을 정도로 충분히 낮은 녹는점(즉, 액상선 온도)을 가져야 하는데, 그 이유는 더 높은 녹는점 및 그에 상응하는 더 높은 처리 온도는 CTE 불일치의 부작용을 증가시키고, 식히는 동안 땜납에 더 많은 스트레스를 부과하기 때문이다. 그 결과, 땜납은 추가로 우수한 연성을 가질 것이 요구된다. 다른 한편으로는, 땜납 조성물의 녹는점은 충분히 높아서 땜납이 자동차의 일반적인 사용 동안, 예를 들어 창문을 닫은 채로 자동차가 태양 아래 있는 경우 또는 극도로 가혹한 환경 조건 하에서 녹지 않아야 한다.

통상적으로 이미 개시된 것은 64.35%-65.65% 인듐(In), 29.7%-30.3% 주석(Sn), 4.05%- 4.95% 은(Ag) 및 0.25%-0.75% 구리(Cu)의 중량 백분율을 갖는 무연 땜납 조성물이다(이하 "65 인듐 땜납"이라고 부름).

인듐을 함유하는 땜납은 그러나 일반적으로 다른 땜납에 비해 매우 낮은 녹는점을 갖는다. 예컨대 65 인듐 땜납은 납 땜납이 160℃인 것에 비해 109℃의 고상선 온도를 가지고, 납 땜납이 224℃인 것에 비해 127℃의 액상선 온도를 갖는다. 일반적으로, 땜납에 더 높은 인듐이 함유될수록 땜납은 더 낮은 고상선 온도를 갖는다. 몇몇 자동차 제조사들은 땜납 연결부가 상승된 온도에서도 버틸 수 있는 능력을 갖기를 바라는데, 그로써 인듐을 함유하는 땜납은 성능의 저하 없이 120℃ 초과의 고상선 온도를 가지고 -40℃ 내지 120℃의 범위의 온도에서 우수한 연성을 가져야 한다.

밀접하게 배열된 복수의 전기 연결부를 납땜할 때, 전기 연결부의 납땜이 인접한 납땜된 전기 연결부에 영향을 줄 것이므로, 땜납은 반드시 높은 안정성 및 연성을 가져야 하며, 그렇지 않을 경우 인접한 전기 연결부의 재용융 및 크래킹이 발생할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 하기를 포함하는 무연 땜납 조성물을 제공하는 것이다: 0.02% 내지 6% 중량부의 안티몬, 0.03% 내지 3% 중량부의 구리, 0.03% 내지 8% 중량부의 비스무트, 55% 내지 75% 중량부의 인듐, 0.3% 내지 8% 중량부의 은, 5% 내지 11% 중량부의 마그네슘, 0.2% 내지 1.55% 중량부의 스칸듐, 0.2% 내지 2.0% 중량부의 오스뮴, 및 10% 내지 45% 중량부의 주석.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 1.2% 내지 1.4% 중량부의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 1.0% 내지 1.1% 중량부의 오스뮴을 포함할 수 있다.

무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

추가로, 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 3% 내지 4% 중량부의 안티몬을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 4% 내지 5% 중량부의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 초과의 고상선 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 그로써 유리의 금속화된 표면상에 전기 연결부를 납땜하기에 적합하다.

본 발명을 몇몇 실시예와 함께 추가로 구체적으로 설명할 것이다. 본원에 기술된 특정 실시예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 본 발명을 단순히 설명하기 위한 것임이 이해될 것이다.

본 발명은 유리 상에 전자 요소를 납땜하는데 적합한 무연 땜납 조성물을 제공한다. 실례로, 그러한 납땜은 후면 유리의 내부 표면 내에 박혀있거나 침전된 전기적으로 저항성인 서리 제거 라인으로 구성되는 유리 서리 제거 장치 포함하는 자동차의 후면 유리를 제조하는데 요구된다. 서리 제거 라인은 후면 창문의 내부 표면에 위치한 전기적 접촉 스트립의 쌍(즉, 전기적 접촉 표면, 버스 바(buss bars)라고도 지칭됨)에 전기적으로 연결된다. 전기적 접촉 스트립은 후면 창문의 내부 표면에 침전된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 통상적으로, 전기적 접촉 스트립은 은-함유 물질로 구성된다.

선행 문헌에서의 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시양태는 0.02% 내지 6% 중량부의 안티몬, 0.03% 내지 3% 중량부의 구리, 0.03% 내지 8% 중량부의 비스무트, 55% 내지 75% 중량부의 인듐, 0.3% 내지 8% 중량부의 은, 5% 내지 11% 중량부의 마그네슘, 0.2% 내지 1.55% 중량부의 스칸듐, 0.2% 내지 2.0% 중량부의 오스뮴, 및 10% 내지 45% 중량부의 주석을 포함하는 무연 땜납 조성물을 제공한다.

본 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 스칸듐 및 오스뮴을 포함하는데, 그 중 스칸듐은 입자 크기를 감소시키는 효과 및 재결정 온도를 높이는 특징을 갖고 땜납의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있으며, 오스뮴은 높은 녹는점, 높은 견고성 및 강한 항-부식의 특징을 갖고 땜납의 견고성, 고온 저항성 및 항-부식성을 향상시킬 수 있으며, 땜납 연결부의 크래킹을 피하게 할 수 있고, 땜납 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃의 범위 내로 하고 땜납 조성물의 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃의 범위 내로 할 수 있다.

몇몇 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 1.2% 내지 1.4% 중량부, 더욱 바람직하게는 1.3% 중량부의 스칸듐을 포함할 수 있다.

몇몇 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 1.0% 내지 1.1% 중량부, 더욱 바람직하게는 1.05% 중량부의 오스뮴을 포함할 수 있다.

몇몇 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 3% 내지 4% 중량부의 안티몬 및 4% 내지 5% 중량부의 비스무트를 포함할 수 있다.

몇몇 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 6% 내지 10% 중량부, 바람직하게는 7% 내지 9% 중량부, 더욱 바람직하게는 8% 중량부의 마그네슘을 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 8% 내지 9% 중량부의 마그네슘을 포함할 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액상선 온도를 갖는다. 고상선 온도는 사실상 합금이 녹기 시작하는 온도로 정의된다. 고상선 온도 밑에서는 물질은 용융상 없이 완전히 액체이다. 액상선 온도는 결정(비용융 금속 또는 합금)이 멜트(melt)와 함께 존재할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 위에서는 물질이 균질하고 오로지 멜트로만 구성된다. 땜납 처리 온도는 액상선 온도보다 높고 얼마나 높은지는 납땜 기술에 따라 결정된다.

본 발명의 땜납 조성물은 납이 없고, 사용 온도가 약 105℃인 다른 동일한 유형의 땜납에 비해 사용 온도가 높다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은 기존 선행 문헌의 무연 땜납 조성물에 비해 훨씬 더 우수한 연성 및 안정성을 갖는다.

비스무트 및 구리와 다른 성분의 조합은 특정 조건 하에서의 땜납의 사용 온도의 예상되는 상승 및 땜납의 기계적인 성능의 향상을 포함한 땜납 조성물의 전체적인 성능을 향상시킨다.

몇몇 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

추가의 몇몇 실시양태에서, 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

몇몇 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 3% 내지 4% 중량부의 안티몬을 포함할 수 있다.

몇 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 4% 내지 5% 중량부의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 초과의 고상선 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 그로써 유리의 금속화된 표면상에 전기 연결부를 납땜하기에 적합하다.

이제 하기에서는 본 발명의 무연 땜납 조성물로 형성된 땜납 연결부의 항-크래킹 성능을 본 발명에 따른 실시예와 몇몇 비교예를 통해 설명할 것이고, 이는 하기 표 1에 나타나 있다.

<표 1>

상기 표로부터 볼 수 있듯이, 스칸듐이 땜납 조성물에 .2% 내지 1.55% 중량부의 양으로 함유될 때, 무연 땜납 조성물에 의해 형성되는 땜납 연결부의 크래킹이 이후의 공정에서 회피될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 땜납 조성물에 0.2% 중량부 미만 또는 1.55% 중량부 초과의 양으로 함유될 때, 땜납의 항-크래킹 성능은 저하된다. 추가로, 오스뮴이 땜납 조성물에 0.2% 내지 2.0% 중량부의 양으로 함유될 때, 무연 땜납 조성물에 의해 형성되는 땜납 연결부는 우수한 연성을 갖는다. 그러나, 오스뮴이 땜납 조성물에 0.2% 중량부 미만 또는 2.0% 중량부 초과의 양으로 함유될 때, 땜납의 연성 성능은 저하된다.

고온 저장 시험

본 발명의 실시예에의 무연 땜납의 연성 성능을 고온 저장 시험으로 시험하였다. 본 시험에서는 기후 온도가 조절되는 챔버를 120℃로 일정하게 연결하고, 전기 연결부 및 전기 연결부 상에 본 발명의 땜납으로 납땜된 금속화된 표면을 기후 조절 챔버 내에 위치시킨 후, 전기 연결부에 6 뉴턴의 중량을 24시간 동안 매달았다. 24시간이 종료된 후, 전기 연결부를 디지털 포스 게이지로 50 N의 힘으로 3초동안 당겼는데(상온에서), 시험 동안 전기 연결부로부터 크래킹의 단절이 발생하지 않았다.

본 명세서에 개시된 바람직한 실시예 및 적용되는 기술 법칙은 단순히 설명을 위한 것임에 주목해야 한다. 통상의 기술자라면 본 개시가 본원에 기술된 특정 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 통상의 기술자는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 다양한 분명한 변화, 재조정 및 대체물을 행할 수 있다. 그러므로, 본 발명을 상기 실시예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 의해 제한되는 것이 아니고, 본 발명의 사상을 파괴하지 않는 더 많은 다른 동등한 실시예를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 따른다.

Claims (5)

1. 0.02% 내지 6% 중량부의 안티몬,
   0.03% 내지 3% 중량부의 구리,
   0.03% 내지 8% 중량부의 비스무트,
   55% 내지 75% 중량부의 인듐,
   0.3% 내지 8% 중량부의 은,
   5% 내지 11% 중량부의 마그네슘,
   0.2% 내지 1.55% 중량부의 스칸듐,
   0.2% 내지 2.0% 중량부의 오스뮴, 및
   10% 내지 45% 중량부의 주석을 포함하는 무연 땜납 조성물.
2. 제1항에 있어서, 1.2% 내지 1.4% 중량부의 스칸듐을 포함하는 무연 땜납 조성물.
3. 제1항에 있어서, 1.0% 내지 1.1% 중량부의 오스뮴을 포함하는 무연 땜납 조성물.
4. 제1항에 있어서, 120℃ 내지 135℃의 범위의 고상선 온도를 갖는 무연 땜납 조성물.
5. 제3항에 있어서, 130℃ 내지 145℃의 범위의 액상선 온도를 갖는 무연 땜납 조성물.