KR20170108762A - 고연성 무연 솔더 조성물 - Google Patents

Abstract

무연 솔더 조성물이 개시되고, 이것은 0.02 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 내지 3 중량%의 구리, 0.03 내지 8 중량%의 비스무트, 50 내지 75 중량%의 인듐, 0.3 내지 8 중량%의 은, 5 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.5 내지 1.55 중량%의 스칸듐, 0.5 내지 1.4 중량%의 네오디뮴, 및 10 내지 45 중량%의 주석을 포함한다. 본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 갖고, 따라서 유리 상의 금속화된 표면에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다.

Description

고연성 무연 솔더 조성물{LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY}

본 발명은 무연 솔더 조성물, 특히 고연성 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.

자동차의 뒷창문은 일반적으로 유리에 위치하는 서리 제거 장치와 같은 전기 장치를 포함한다. 전기 장치에 대한 전기 배선을 제공하기 위해, 전기 장치에 전기적으로 접속되도록 형성된 금속화된 표면을 얻기 위해 일반적으로 유리에 작은 영역의 금속 코팅이 도포된 다음, 전기 장치의 전기 커넥터가 금속화된 표면에 납땜될 수 있다.

종래 기술에서, 전기 커넥터는 납(Pb) 함유 솔더를 사용하여 유리 상의 금속화된 표면에 납땜된다. 그러나, 납에 의해 유발되는 환경 오염 때문에, 납의 사용은 점점 더 제한되고 있고, 따라서 무연 솔더가 납땜 용도에 사용되기 시작하고 있다. 예를 들어, 80% 이상과 같은 높은 주석(Sn) 함량을 포함하는 통상적인 무연 솔더가 일부 산업 분야에서 사용된다.

그러나, 유리는 깨지기 쉽고, 따라서 주석 함량이 높은 통상적인 무연 솔더는 전기 장치를 유리에 납땜하는 동안 유리의 균열을 야기하는 경향이 있다. 또한, 열 팽창 계수(CTE)가 실질적으로 상이한 2개의 물질(예컨대 유리 및 구리)의 납땜은 솔더 접합부의 냉각 동안 또는 후속 온도 이탈(temperature excursion) 동안 솔더 상에 스트레스를 준다. 따라서, 한편으로, 전기 장치를 유리에 납땜하기 적합한 솔더 조성물은 납땜 과정 동안 자동차 유리의 균열을 야기하지 않을 정도로 충분히 낮은 융점(즉, 액상 온도)을 가질 필요가 있고, 이것은 보다 높은 융점 및 이에 따라 보다 높은 처리 온도가 CTE 불일치의 유해한 효과를 증가시켜, 냉각 동안 솔더에 보다 많은 스트레스를 주기 때문이다. 그 결과, 솔더는 우수한 연성을 가질 것이 추가로 요구된다. 다른 한편으로, 솔더 조성물의 융점은 자동차의 정상적인 사용 동안, 예컨대 자동차가 창문이 닫힌 채로 햇빛에 노출되거나 다른 매우 가혹한 환경 조건 하에 존재할 때 솔더가 용융되지 않도록 충분히 높을 필요가 있다.

중량 기준으로 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)를 함유하는 무연 솔더 조성물(이하 "65 인듐 솔더"로 언급됨)이 종래 기술에서 이미 개시되어 있다.

그러나, 인듐을 함유하는 솔더는 통상 다른 솔더보다 훨씬 더 낮은 융점을 갖는다. 65 인듐 솔더는 예를 들어 (납 솔더가 160℃인데 비해) 109℃의 고상 온도, 및 (납 솔더가 224℃인데 비해) 127℃의 액상 온도를 갖는다. 일반적으로, 솔더 내의 인듐 함량이 많을수록 솔더의 고상 온도는 더 저하된다. 일부 자동차 제조사는 솔더 접합부가 승온에서 생존할 수 있기를 원하고, 따라서 인듐을 함유하는 솔더는 어떠한 성능 저하 없이도 120℃ 이상의 고상 온도를 갖고 -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 우수한 연성을 가져야 한다.

또한, 긴밀하게 배열된 다수의 전기 커넥터를 납땜할 때, 전기 커넥터의 납땜은 인접하는 납땜된 전기 커넥터에 영향을 줄 것이고, 따라서 솔더는 높은 안정성 및 연성을 가져야 하고, 그렇지 않으면 인접하는 전기 커넥터의 재용융 및 균열이 발생할 가능성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 0.02 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 내지 3 중량%의 구리, 0.03 내지 8 중량%의 비스무트, 50 내지 75 중량%의 인듐, 0.3 내지 8 중량%의 은, 5 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.5 내지 1.55 중량%의 스칸듐, 0.5 내지 1.4 중량%의 네오디뮴, 및 10 내지 45 중량%의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공하는 것이다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 1.0 내지 1.1 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 0.7 내지 0.8 중량%의 네오디뮴을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위 내의 고상 온도를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위 내의 액상 온도를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 3 내지 4 중량%의 안티몬을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 4 내지 5 중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 갖고, 따라서 전기 커넥터를 유리 상의 금속화된 표면에 납땜하기 적합하다.

본 개시내용은 일부 실시예와 관련하여 아래에서 더욱 상세히 설명될 것이다. 본 명세서에서 설명되는 특정 실시예는 본 개시내용을 한정하기보다 단지 본 개시내용을 설명하기 위한 것임을 이해할 수 있다.

본 개시내용은 유리에 전기 소자를 납땜하기 적합한 무연 솔더 조성물을 제공한다. 예를 들면, 이러한 납땜은 뒷창문에 내장되거나 그 내부 표면에 침착된 전기 저항성 서리 제거선으로 이루어진 창문 서리 제거 장치를 포함하는, 자동차의 뒷창문의 제조에 필요하다. 서리 제거선은 뒷창문의 내부 표면에 위치하는 한 쌍의 전기 접촉 스트립(strip)(즉, 모선(buss bar)으로도 언급되는 전기 접촉 표면)에 전기적으로 접속된다. 전기 접촉 스트립은 뒷창문의 내부 표면에 침착된 전도성 코팅으로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 전기 접촉 스트립은 은-함유 물질로 형성된다.

종래 기술의 문제점을 극복하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 0.02 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 내지 3 중량%의 구리, 0.03 내지 8 중량%의 비스무트, 50 내지 75 중량%의 인듐, 0.3 내지 8 중량%의 은, 5 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.5 내지 1.55 중량%의 스칸듐, 0.5 내지 1.4 중량%의 네오디뮴, 및 10 내지 45 중량%의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공한다.

실시예에서, 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 네오디뮴을 포함하고, 그 중에서 스칸듐은 입경 감소 효과 및 재결정화 온도를 상승시키는 특징을 갖고, 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 반면, 네오디뮴은 높은 융점, 고강도 및 강력한 내부식성을 특징으로 하고, 솔더의 강도, 고온 내성 및 내부식성을 향상시킬 수 있고, 솔더 접합부의 균열을 방지할 수 있고, 솔더 조성물의 고상 온도를 120℃ 내지 135℃의 범위 내로 및 솔더 조성물의 액상 온도를 130℃ 내지 145℃의 범위 내로 증가시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 1.0 내지 1.1 중량%, 보다 바람직하게는 1.05 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 0.7 내지 0.8 중량%, 보다 바람직하게는 0.75 중량%의 네오디뮴을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 3 내지 4 중량%의 안티몬 및 4 내지 5 중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 6 내지 10 중량%, 바람직하게는 7 내지 9 중량%, 보다 바람직하게는 8 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 8 내지 9 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위 내의 고상 온도 및 130℃ 내지 145℃의 범위 내의 액상 온도를 갖는다. 고상 온도는 합금이 용융하기 시작하는 온도로서 실질적으로 규정된다. 고상 온도 미만에서, 물질은 완전히 고체이고, 용융 상이 존재하지 않는다. 액상 온도는 결정(비용융 금속 또는 합금)이 용융물과 동시에 존재할 수 있는 최대 온도이다. 액상 온도 초과시에, 물질은 균일하고, 용융물로만 이루어진다. 솔더 처리 온도는 액상 온도보다 높고, 많은 온도가 납땜 기술에 의해 결정된다.

본 발명의 솔더 조성물은 납을 포함하지 않고, 동일한 종류의 다른 솔더보다 더 높은, 일반적으로 약 105℃인 작동 온도를 갖는다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물은 종래 기술의 기존의 무연 솔더 조성물에 비해 훨씬 우수한 연성 및 안정성을 갖는다.

비스무트 및 구리와 다른 원소의 조합은 솔더의 작동 온도의 예상된 증가 및 특정 조건 하에서 솔더의 기계적 성능의 향상을 비롯하여 솔더 조성물의 전체적인 성능을 개선한다.

일부 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위 내의 고상 온도를 가질 수 있다.

추가의 일부 실시예에서, 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위 내의 액상 온도를 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 3 내지 4 중량%의 안티몬을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 4 내지 5 중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 갖고, 따라서 전기 커넥터를 유리 상의 금속화된 표면에 납땜하기 적합하다.

이제 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부의 항-균열 성능이, 아래 표 1에 제시되는 바와 같이 본 발명의 실시예와 일부 비교예의 비교를 통해 아래에서 설명될 것이다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
함량 (중량%)	안티몬	1	2.3	4	4.3	5	4	5
	구리	0.1	0.5	1	1.4	2	1	2
	비스무트	0.5	1.5	3	5	7	3	5
	인듐	50	60	65	70	75	50	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.5	0.6	1.1	1.4	1.55	0.3	1.8
	네오디뮴	0.5	0.6	1.0	1.2	1.4	0.2	2.0
	주석	10	20	25	30	40	30	40
균열		√	√	√	√	√	×	×
연성		우수	우수	우수	우수	우수	불량	불량

주:

√: 균열이 납땜 동안 인접하는 솔더 접합부에서 발생하지 않음.

×: 균열이 납땜 동안 인접하는 솔더 접합부에서 발생함.

위의 표에서 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 0.5 내지 1.55 중량%의 범위의 양으로 솔더 조성물에 포함될 때, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부의 균열이 후속 공정에서 방지될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 0.5 중량% 미만 또는 1.55 중량% 초과의 양으로 솔더 조성물에 포함되면, 솔더의 항-균열 성능이 저하된다. 추가로, 네오디뮴이 0.5 내지 1.4 중량%의 범위의 양으로 솔더 조성물에 포함될 때, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부는 우수한 연성을 갖는다. 그러나, 네오디뮴이 0.5 중량% 미만 또는 1.4 중량% 초과의 양으로 솔더 조성물에 포함되면, 솔더의 연성 성능이 저하된다.

고온 저장 시험

본 발명의 실시예의 무연 솔더의 연성 성능은 고온 저장 시험에 의해 시험된다. 이 시험에서, 기후 제어 챔버(climate controlled chamber)의 온도는 120℃에서 일정하게 유지되고, 전기 커넥터, 및 전기 커넥터가 본 발명의 솔더에 의해 납땜된 금속화된 표면을 기후 제어 챔버에 두고, 6 뉴턴의 추를 전기 커넥터에 24시간 동안 매달았다. 24시간 종료 후에, 전기 커넥터를 3초 동안 디지털 힘 계측기에 의해 50N의 힘으로 (주위 온도에서) 잡아당겼고, 전기 커넥터로부터 어떠한 균열의 분리도 이 시험 동안에 발생하지 않았다.

단지 본 개시내용의 바람직한 실시예 및 적용된 기술적 원리가 상기와 같이 설명됨을 주목한다. 본 개시내용은 본 명세서에서 설명된 특정 실시예로 한정되지 않음을 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 이해하여야 한다. 다양한 명백한 변경, 재조정 및 대안은 본 개시내용의 보호 범위를 벗어남이 없이 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 개시내용이 상기 실시예를 통해 상세히 예시되었지만, 본 개시내용은 단지 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 개시내용의 개념을 벗어남이 없이 다른 동등한 많은 실시예를 추가로 포함할 수 있다. 본 개시내용의 범위는 첨부의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (5)

1. 0.02 내지 6 중량%의 안티몬,
   0.03 내지 3 중량%의 구리,
   0.03 내지 8 중량%의 비스무트,
   50 내지 75 중량%의 인듐,
   0.3 내지 8 중량%의 은,
   5 내지 11 중량%의 마그네슘,
   0.5 내지 1.55 중량%의 스칸듐,
   0.5 내지 1.4 중량%의 네오디뮴, 및
   10 내지 45 중량%의 주석
   을 포함하는 무연 솔더 조성물.
2. 제1항에 있어서, 1.0 내지 1.1 중량%의 스칸듐을 포함하는 무연 솔더 조성물.
3. 제1항에 있어서, 0.7 내지 0.8 중량%의 네오디뮴을 포함하는 무연 솔더 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위 내의 고상 온도를 갖는 무연 솔더 조성물.
5. 제3항에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위 내의 액상 온도를 갖는 무연 솔더 조성물.