KR20170108766A - 높은 연성을 가지는 무연 솔더 조성물 - Google Patents

Abstract

무연 솔더 조성물이 개시되며, 상기 무연 솔더 조성물은 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무스, 42 중량% 내지 70 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.8 중량% 내지 1.6 중량%의 스칸듐, 0.7 중량% 내지 2.0 중량%의 이트륨, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석을 포함한다. 본 발명의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 이에 따라 유리 상의 금속화된 표면 상에 전기적 연결부들을 솔더링 하기에 적합하다.

Description

높은 연성을 가지는 무연 솔더 조성물{LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY}

본원은 무연 솔더 조성물, 및 특히 높은 연성(ductility)을 가지는 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.

자동차들의 뒷 창문들(rear windows)은 일반적으로 유리 상에 위치된, 디프로스터들(defrosters)과 같은, 전기적 디바이스들을 포함한다. 상기 전기적 디바이스들에 전기적 연결부들(electrical connections)을 제공하기 위하여, 상기 전기적 디바이스에 전기적으로 연결되도록 배치된 금속화된 표면을 수득하기 위하여 작은 면적의 금속 코팅이 일반적으로 상기 유리에 적용되며, 그 후 상기 전기적 디바이스의 전기적 연결부가 상기 금속화된 표면 상에 솔더(solder)될 수 있다.

선행 기술에서, 상기 전기적 연결부는 납(Pb)을 함유하는 솔더(solder)를 이용하여 상기 유리 상의 상기 금속화된 표면 상에 솔더된다. 그러나, 납에 의해 야기되는 환경 오염 때문에, 납의 사용은 점점 더 제한되며, 이에 따라 무연 솔더(lead free solder)가 솔더링(soldering) 적용들에서 사용되기 시작한다. 예를 들어, 80% 초과와 같이 높은 주석(Sn) 함량을 포함하는 통상의 무연 솔더가 일부 산업들에서 채용된다.

그러나, 상기 유리는 깨지기 쉬우며, 따라서 높은 주석 함량을 가지는 상기 통상의 무연 솔더는, 상기 유리 상에 상기 전기적 디바이스를 솔더링 하는 동안 상기 유리의 크래킹(cracking)을 유발하는 경향이 있다. 뿐만 아니라, 열 팽창계수(CTE)가 실질적으로 상이한 두 개의 (유리와 구리 같은) 물질들을 솔더링 하는 것은 상기 솔더 조인트(joint)를 냉각시키는 동안 또는 후속되는 온도 변화들(excursions) 동안 상기 솔더 상에 스트레스를 부가한다. 따라서, 한편으로는, 상기 유리 상에 상기 전기적 디바이스를 솔더링 하기 위해 적합한 상기 솔더 조성물은 상기 솔더링 공정 동안 상기 자동차 유리의 크래킹을 유발하지 않을 만큼 충분히 낮은 녹는점(즉, 액체화 온도)을 가질 필요가 있는데, 이는 더 높은 녹는점 및 상응하는 더 높은 공정 온도가 CTE 미스매치의 악영향을 증가시키고, 이는 냉각 동안 상기 솔더 상에 더 높은 스트레스를 부가하기 때문이다. 결과적으로, 상기 솔더는 우수한 연성(ductility)을 가지는 것이 추가적으로 요구된다. 한편, 상기 자동차가 창문이 닫힌 상태로 햇빛 속에 있거나 또는 다른 극도의 가혹한 환경 조건들 하에 있는 것과 같이, 상기 자동차의 일반적인 사용 동안 상기 솔더가 용융되지 않도록, 상기 솔더 조성물의 상기 녹는점은 충분히 높을 필요가 있다.

종래에는 이미 64.35 중량% 내지 65.65 중량%의 인듐(In), 29.7 중량% 내지 30.3 중량%의 주석(Sn), 4.05 중량% 내지 4.95 중량%의 은(Ag), 및 0.25 중량% 내지 0.75 중량%의 구리(Cu)를 가지는 무연 솔더 조성물(이하, "65 인듐 솔더"로서 표시됨)이 개시되었다.

그러나, 인듐을 함유하는 솔더들은, 다른 솔더들에 비해 일반적으로 훨씬 낮은 녹는점들을 가진다. 상기 65 인듐 솔더는, 예를 들어, 109℃의 고체화(solidus) 온도를 가져 상기 납 솔더의 160℃의 고체화 온도와 비교되며, 127℃의 액체화(liquidus) 온도를 가져 상기 납 솔더의 224℃의 액체화 온도와 비교된다. 일반적으로, 상기 솔더에서 더 높은 인듐의 함량은 상기 솔더의 더 낮은 고체화 온도를 야기한다. 일부 자동차 제조사들은, 상기 솔더 조인트가 상승된 온도들을 견딜 수 있어야 하는바, 이에 따라 인듐 함량을 가진 상기 솔더가 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지고 -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서, 성능의 어떠한 저하 없이, 우수한 연성을 가질 것을 요구한다.

나아가, 근접하게 배열된 복수의 전기적 연결부들의 솔더링에서, 전기적 연결부의 상기 솔더링은 인접한 솔더된 전기적 연결부에 영향을 미칠 것이며, 이에 따라 상기 솔더는 높은 안정성 및 연성을 가져야 하며, 그렇지 않으면 상기 인접한 전기적 연결부의 재용융(remelting) 및 크래킹이 쉽게 발생될 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 하기를 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공하는 것이다: 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬(antimony = stibium), 0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무스, 42 중량% 내지 70 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.8 중량% 내지 1.6 중량%의 스칸듐, 0.7 중량% 내지 2.0 중량%의 이트륨, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 1.2 중량% 내지 1.4 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 1.4 중량% 내지 1.8 중량%의 이트륨을 포함할 수 있다.

상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위에서 고체화(solidus) 온도를 가질 수 있다.

또한, 상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위에서 액체화(liquidus) 온도를 가질 수 있다.

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

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

본원의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 이에 따라 상기 유리 상의 상기 금속화된 표면 상에 전기적 연결부들을 솔더링 하기에 적합하다.

본원은 이하에서 일부 구현예들과 함께 더욱 상세하게 설명될 것이다. 본원에 기재된 구체적인 구현예들은 본원을 제한하는 것이 아니며 단지 본원을 설명하기 위한 것임이 이해될 수 있을 것이다.

본원은, 유리 상에 전기적 요소들(electrical elements)을 솔더링 하기 위해 적합한, 무연 솔더 조성물을 제공한다. 예를 들어, 상기 솔더링은 자동차의 뒷 창문을 제조하기 위해 필요하며, 이는 상기 뒷 창문의 내부에 매립(embed)되거나 또는 상기 뒷 창문의 내부 표면 상에 증착된 전기적으로 저항성의 디프로스팅(defrosting) 라인들로 구성된 윈도우 디프로스터(defroster)를 포함한다. 상기 디프로스팅 라인들은 상기 뒷 창문의 상기 내부 표면 상에 위치된 전기적 접촉 스트립들(electrical contact strips)[즉, 전기적 연결 표면들, 부스 바(buss bar)들로서도 표시됨]의 쌍(pair)에 전기적으로 연결된다. 상기 전기적 접촉 스트립들은 상기 뒷 창문의 상기 내부 표면 상에 증착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 상기 전기적 접촉 스트립들은 은(silver)-함유 물질로부터 형성된다.

상기 선행 기술에서의 상기 문제점을 극복하기 위하여, 본원의 구현예는 하기를 포함하는, 무연 솔더 조성물을 제공한다: 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무스, 42 중량% 내지 70 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.8 중량% 내지 1.6 중량%의 스칸듐, 0.7 중량% 내지 2.0 중량%의 이트륨, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석.

상기 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 이트륨을 포함하며, 그 중 스칸듐은 그레인(grain) 사이즈를 감소시키는 효과 및 재결정화 온도를 높이는 특징을 가지며 상기 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 한편 이트륨은 높은 녹는점, 높은 강도 및 강한 내부식성에 의해 특징지어 지며, 상기 솔더의 강도, 고온 저항성 및 내부식성을 증가시킬 수 있고, 상기 솔더 조인트의 크래킹을 방지할 수 있으며, 상기 솔더 조성물의 상기 고체화 온도를 120℃ 내지 135℃의 범위 내로 증가시키고, 상기 솔더 조성물의 상기 액체화 온도를 130℃ 내지 145℃의 범위 내로 증가시킨다.

일부 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 1.2 중량% 내지 1.4 중량%, 더욱 바람직하게는 1.3 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

일부 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 1.4 중량% 내지 1.8 중량%, 더욱 바람직하게는 1.6 중량%의 이트륨을 포함할 수 있다.

일부 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 3 중량% 내지 4 중량%의 안티몬 및 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.

일부 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 6 중량% 내지 10 중량%, 바람직하게는 7 중량% 내지 9 중량%, 더욱 바람직하게는 8 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 다른 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 8 중량% 내지 9 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본원의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고체화 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액체화 온도를 가진다. 상기 고체화(solidus) 온도는 합금이 용융되기 시작하는 온도로서 실질적으로 정의된다. 상기 고체화 온도 미만에서는, 상기 물질은 용융된 상(phase)이 없이 완전히 고체이다. 상기 액체화(liquidus) 온도는 결정들(용융되지 않은 금속 또는 합금)이 상기 용융된 것과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 상기 액체화 온도 초과에서는, 상기 물질이 오직 용융된 것으로만 구성되어 균질(homogeneous)하다. 상기 솔더 공정 온도는, 상기 솔더링 기술에 의해 결정되는 다수의 온도들(degrees)에 의하여, 상기 액체화 온도보다 높다.

본원의 상기 솔더 조성물은 납을 포함하지 않으며(lead free), 일반적으로 약 105℃인 동일한 타입의 다른 솔더의 작업 온도에 비해 더 높은 작업 온도를 가진다. 또한, 본원의 솔더 조성물은, 상기 선행 기술에 존재하는 무연 솔더 조성물과 비교하여, 훨씬 우수한 연성 및 안정성을 가진다.

다른 원소들과 비스무스 및 구리의 조합은 상기 솔더 조성물의 전체적인 성능을 향상시키며, 이는 특정 조건들 하에서 상기 솔더의 상기 작업 온도의 예견된 증가 및 상기 솔더의 기계적 성능의 향상을 포함한다.

일부 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위에서 고체화 온도를 가질 수 있다.

또한 일부 구현예들에 있어서, 상기 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위에서 액체화 온도를 가질 수 있다.

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

일부 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.

본원의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 이에 따라 상기 유리 상의 상기 금속화된 표면 상에 전기적 연결부들을 솔더링 하기에 적합하다.

지금부터 본원의 상기 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 조인트의 상기 안티-크래킹 성능이, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 이하에서 본원의 실시예들과 일부 비교예들 간의 대비를 통해 기재될 것이다.

[표 1]

상기 표에서 볼 수 있듯이, 스칸듐이 상기 솔더 조성물 내에 0.8 중량% 내지 1.6 중량%의 범위의 양으로서 함유될 때, 본원의 상기 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 상기 솔더 조인트의 상기 크래킹은 후속 공정들에서 회피될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 상기 솔더 조성물에 0.8 중량% 미만 또는 1.6 중량% 초과의 양으로서 함유될 때, 상기 솔더의 상기 안티-크래킹 성능은 저하된다. 추가적으로, 이트륨이 상기 솔더 조성물에 0.7 중량% 내지 2.0 중량%의 범위의 양으로서 함유될 때, 본원의 상기 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 상기 솔더 조인트는 우수한 연성을 가진다. 그러나, 이트륨이 상기 솔더 조성물에 0.7 중량% 미만 또는 2.0 중량% 초과의 양으로서 함유될 때, 상기 솔더의 상기 연성 성능은 저하된다.

고온 저장(storage) 시험

본원의 상기 실시예들의 상기 무연 솔더 조성물의 상기 연성 성능이 고온 저장 테스트에 의해 시험되었다. 본 시험에서, 기후 조절 챔버(climate controlled chamber)의 온도는 일정한 120℃에서 유지되었고, 전기적 연결부 및 본원의 상기 솔더에 의해 상기 전기적 연결부가 솔더된 금속화된 표면이 상기 기후 조절 챔버 내에 놓여졌으며, 6 N(뉴톤)의 중량이 상기 전기적 연결부로부터 24 시간 동안 매달려 인가되었다. 상기 24 시간이 지난 후, 상기 전기적 연결부는 3 초 동안 디지털 포스 게이지(digital force gauge)에 의해 50 N의 힘으로 (주변 온도 하에서) 당겨졌으며, 상기 전기적 연결부로부터 크래킹의 절단이 상기 시험 동안 발생하지 않았다.

본원의 상기 바람직한 구현예들 및 상기 적용된 기술 원리들이 상기와 같이 단순히 기술된 것임이 인식된다. 본원이 명세서에 기재된 특정 구현예들에 제한되지 않는 것임이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해되어야 한다. 다양한 의연적 변화들, 재조정 및 대안이 본원의 보호 범위를 벗어나지 않고 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 만들어질 수 있다. 따라서, 본원이 상기 구현예들을 통해 구체적으로 설명되었을지라도, 본원은 상기 구현예들에 단순히 한정되는 것이 아니며, 본원의 개념을 벗어나지 않고 다른 균등한 구현예들을 더 추가 포함할 수 있다. 본원의 범위는 첨부된 청구범위에 해당한다.

Claims (5)

1. 하기를 포함하는, 무연 솔더(lead free solder) 조성물:
   0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬,
   0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리,
   0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무스,
   42 중량% 내지 70 중량%의 인듐,
   0.3 중량% 내지 8 중량%의 은,
   5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘,
   0.8 중량% 내지 1.6 중량%의 스칸듐,
   0.7 중량% 내지 2.0 중량%의 이트륨, 및
   10 중량% 내지 45 중량%의 주석.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   1.2 중량% 내지 1.4 중량%의 스칸듐을 포함하는, 무연 솔더 조성물.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   1.4 중량% 내지 1.8 중량%의 이트륨을 포함하는, 무연 솔더 조성물.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위에서 고체화 온도(solidus temperature)를 가지는 것인, 무연 솔더 조성물.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위에서 액체화 온도(liquidus temperature)를 가지는 것인, 무연 솔더 조성물.