KR20170108768A - 높은 연성을 갖는 납 프리 솔더 조성물 - Google Patents
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Abstract
개시된 납 프리 솔더 조성물은 다음을 포함한다: 0.02중량％ 내지 6중량％의 스티븀, 0.03중량％ 내지 3중량％의 구리, 0.03중량％ 내지 8중량％의 비스무스, 30중량％ 내지 65중량％의 인듐, 0.3중량％ 내지 8중량％의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.3중량% 내지 1.45중량%의 스칸듐, 0.4중량% 내지 1.1중량%의 디스프로슘, 및 10중량％ 내지 45중량％의 주석. 본 발명의 상기 납 프리 솔더 조성물은 120℃ 이상의 액화 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가짐으로써, 유리 상에 금속화된 표면 위에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다.
Description
본 발명은 납 프리 솔더(lead free solder) 조성물에 관한 것으로, 특히 높은 연성(ductility)을 갖는 납 프리 솔더 조성물에 관한 것이다.
자동차의 후면 유리는, 유리 상에 위치하는 디프로스터(defrosters)와 같은 전자 장치를 통상적으로 포함한다. 전자 장치에 전기적 배선(electrical connections)을 공급하기 위해, 금속화된 표면을 얻기 위하여, 통상적으로 작은 영역의 금속 코팅이 유리에 적용되고, 상기 금속화된 표면은 전자 장치에 전기적으로 연결되도록 구성되고, 그런 다음 전자 장치의 전기 커넥터(electrical connector)는 상기 금속화된 표면 위에 납땜(soldered)될 수 있다.
종래 기술에서, 상기 전기 커넥터는 납(Pb)을 포함하는 솔더로 유리 상의 금속화된 표면 위에 납땜된다. 그러나, 납에 의한 환경 오염으로 인해, 납의 사용은 점점 더 제한되고, 따라서 납 프리 솔더가 땜납(soldering) 적용에 사용되기 시작하였다. 예를 들면, 80% 이상의 높은 주석(Sn) 성분을 포함하는 일반적인 납 프리 솔더가 일부 산업 분야에서 사용되고 있다.
그러나, 유리는 깨지기 쉬워, 유리 상에 전자 장치를 납땜하는 동안 높은 주석 함량을 갖는 일반 납 프리 솔더는 유리 크랙을 발생시키는 경향이 있다. 또한, 열팽창계수(CTE)가 실질적으로 다른 두 개의 물질들(예를 들면, 유리 및 구리)을 납땜하는 것은, 솔더 조인트를 냉각하는 동안 또는 이후의 환경 요인에 따른 온도 차이(temperature excursions)로 인해 솔더 상에 스트레스를 주게 된다. 따라서, 냉각 공정 동안에 솔더 상에 높은 스트레스를 부여하게 되어, 높은 녹는점 및 상응하는 높은 공정 온도가 CTE 미스매치의 악영향을 증가시키기 때문에, 한편으로 유리 상에 전자 장치를 납땜하기에 적합한 솔더 조성물은, 납땜 공정 동안에 자동차 유리의 크랙킹을 일으키지 않도록 충분히 낮은 녹는점(예를 들면, 액화 온도)을 가질 필요가 있다. 결과적으로, 솔더는 우수한 연성을 갖는 것이 더욱 요구되고 있다. 그러나, 다른 한편으로, 솔더는 창문이 닫혀진 채로 태양광에 노출되거나 또는 다른 극한 환경 조건 하에 있을 때와 같이 자동차의 정상 사용 중에 용해되지 않도록 솔더 조성물의 녹는점은 충분히 높을 필요도 있다.
종래에 64.35중량%∼65.65중량%의 인듐(In), 29.7중량%∼30.3%중량의 주석(Sn), 4.05중량%∼4.95중량%의 은(Ag) 및 0.25중량%∼0.75중량%의 구리(Cu)를 갖는 납 프리 솔더 조성물(이하, "65 인듐 솔더"라 칭하기도 함)이 이미 개시되어 있다.
그러나, 인듐을 포함하는 솔더는 통상적으로 다른 솔더들보다 훨씬 낮은 녹는점을 갖는다. 예를 들면, 납 솔더는 160℃의 고화 온도를 갖는 반면에, 65 인듐 솔더는 109℃의 고화 온도를 갖고, 납 솔더는 224℃의 액화 온도를 갖는 반면에 인듐 솔더는 127℃의 액화 온도를 갖는다. 통상적으로, 솔더 내의 높은 인듐 함량은 솔더의 낮은 고화 온도를 야기시킨다. 일부 자동차 제조사들은, 솔더 조인트가 상승된 온도에서 견뎌낼 수 있고, 따라서 인듐이 포함된 솔더가 120℃ 미만의 고화 온도를 가지며, 열화 성능없이 -40℃ 내지 120℃의 온도에서 우수한 연성을 갖도록 하는 것을 목표로 하고 있다.
또한, 밀접하게 배열된 복수의 전기 커넥터의 납땜 시, 상기 전기 커넥터의 땜납은 인접하게 납땜된 전기 커넥터에 영향을 미칠 수 있으므로, 상기 땜납은 높은 안정성 및 연성을 가져야 하고, 그렇지 않으면 인접한 전기 커넥터의 재용해 및 크랙킹이 일어날 가능성이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 0.02중량％ 내지 6중량％의 스티븀, 0.03중량％ 내지 3중량％의 구리, 0.03중량％ 내지 8중량％의 비스무스, 30중량％ 내지 65중량％의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.3중량% 내지 1.45중량%의 스칸듐, 0.4중량% 내지 1.1중량%의 디스프로슘, 및 10중량％ 내지 45중량％의 주석을 포함하는 납 프리 솔더 조성물을 제공하는 것이다.
바람직하게는, 상기 납 프리 솔더 조성물은 1.0중량％ 내지 1.1중량％의 스칸듐을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 납 프리 솔더 조성물은 0.7중량％ 내지 0.8중량％의 디스프로슘을 포함할 수 있다.
상기 납 프리 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 고화 온도를 가질 수 있다.
상기 납 프리 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 액화 온도를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 납 프리 솔더 조성물은 3중량％ 내지 4중량％의 스티븀을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 납 프리 솔더 조성물은 4중량％ 내지 5중량％의 비스무스를 포함할 수 있다.
본 발명의 납 프리 솔더 조성물은 120℃ 미만의 고화 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서, 유리 상에 금속화된 표면 위에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
본 발명은 일부 구체예와 함께 하기의 상세한 설명에서 더욱 설명될 것이다. 여기에서 개시된 특정한 구체예는 본 발명을 한정하기보다는 본 발명을 단지 설명하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
본 발명은 유리 상에 전기 소자를 납땜하기에 적합한 납 프리 솔더 조성물을 제공하는 것이다. 구체적으로, 이러한 납땜은, 자동차의 후면 유리의 내부 표면 내에 내장되거나, 또는 내부 표면 상에 증착되는, 전기적으로 저항성이 있는 서리방지 라인으로 구성되는 윈도우 디프로스터를 포함하는 자동차의 후면 유리를 제조하는데 필요하다. 서리방지 라인들은, 자동차 후면 유리의 내부 표면 상에 위치하는 한쌍의 전기 접점 스트립들(electrical contact strips)(예를 들면, 전기 접점 표면들, 또한 부스 바(buss bars)라 칭함)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전기 접점 스트립들은 자동차 후면 유리의 내부 표면 상에 증착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 통상적으로, 상기 전기 접점 스트립들은 은-함유 물질로부터 형성된다.
종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 구체예는 0.02중량％ 내지 6중량％의 스티븀, 0.03중량％ 내지 3중량％의 구리, 0.03중량％ 내지 8중량％의 비스무스, 30중량％ 내지 65중량％의 인듐, 0.3중량％ 내지 8중량％의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.3중량% 내지 1.45중량%의 스칸듐, 0.4중량% 내지 1.1중량%의 디스프로슘, 및 10중량％ 내지 45중량％의 주석을 포함하는 납 프리 솔더 조성물을 제공한다.
구체예에서, 납 프리 솔더 조성물은 스칸듐 및 디스프로슘을 포함하는데, 상기 스칸듐은 입자 크기를 감소시키고, 재결정 온도를 증가시키는 특성에 영향을 미치고, 솔더의 연성(ductility) 및 안정성을 향상시킬 수 있으며, 한편으로 디스프로슘은 고융점, 고강도 및 강한 내식성(anti-corrosion)의 특성을 나타내고, 솔더의 강도, 고온 내성 및 강한 내식성을 향상시킬 수 있으며, 솔더 조인트의 크랙킹을 피할 수 있고, 솔더 조성물의 고화 온도를 120℃ 내지 135℃로, 그리고 솔더 조성물의 액화 온도를 130℃ 내지 145℃로 증가시킬 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 1.0중량％ 내지 1.1중량％, 더욱 바람직하게는 1.05중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 0.7중량％ 내지 0.8중량％, 더욱 바람직하게는 0.75중량%의 디스프로슘을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 3중량％ 내지 4중량％의 스티븀 및 4중량% 내지 5중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 6중량% 내지 10중량%, 바람직하게는 7중량% 내지 9중량%, 더욱 바람직하게는 8중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 다른 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 8중량% 내지 9중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 납 프리 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 고화 온도 및 130℃ 내지 145℃의 액화 온도를 갖는다. 상기 고화 온도는 실질적으로 합금이 녹기 시작하는 온도로 정의된다. 고화 온도 미만에서, 상기 물질은 용융상(molten phase) 없이 완전히 고체가 된다. 상기 액화 온도는 결정체가 그 용융액과 동시에 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액화 온도 이상에서, 상기 물질은 균일하고, 오직 용융액으로 구성된다. 상기 솔더 공정 온도는 액화 온도보다 몇도 더 높고, 이는 납땜 기술에 의해 결정된다.
본 발명의 솔더 조성물은 납 프리이고, 동일한 타입의 다른 솔더의 작업 온도(working temperature)가 통상 약 105℃인 것보다 더욱 높은 작업 온도를 가지고 있다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물은, 종래 기술에서 존재하는 납 프리 솔더 조성물과 비교할 때 훨씬 더 나은 연성 및 안정성을 갖는다.
다른 성분들과 함께 비스무스 및 구리의 조합은, 특정한 조건 하에서 기대되는 솔더의 작업 온도의 증가와, 솔더의 기계적 성능의 향상을 포함하여, 솔더 조성물의 전체 성능을 향상시킨다.
일부 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위 내의 고화 온도를 가질 수 있다.
또한, 일부 구체예에서, 상기 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위 내의 액화 온도를 가질 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 스티븀을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 납 프리 솔더 조성물은 4중량% 내지 5중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 납 프리 솔더 조성물은 120℃ 미만의 고화 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 이런 이유로 유리 상의 금속화된 표면 위에 전기 커넥터들을 납땜하기에 적합하다.
이하, 본 발명의 납 프리 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 조인트의 항-크랙킹 성능(anti-cracking performance)이, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예들 및 일부 비교예들의 비교와 함께 하기에 기술될 것이다.
| 실시예 1 | 실시예 2 |
실시예 3 |
실시예 4 |
실시예 5 |
비교예 1 | 비교예 2 | ||
| 함량 (중량%) |
스티븀 | 1 | 2.3 | 4 | 4.3 | 5 | 4 | 5 |
| 구리 | 0.1 | 0.5 | 1 | 1.4 | 2 | 1 | 2 | |
| 비스무스 | 0.5 | 1.5 | 3 | 5 | 7 | 3 | 5 | |
| 인듐 | 30 | 40 | 50 | 60 | 65 | 45 | 60 | |
| 은 | 0.5 | 1.5 | 2.5 | 4 | 6 | 2.5 | 4 | |
| 마그네슘 | 5 | 7 | 8 | 9 | 10 | 8 | 9 | |
| 스칸듐 | 0.3 | 0.6 | 1.1 | 1.2 | 1.45 | 0.1 | 1.8 | |
| 디스프로슘 | 0.4 | 0.3 | 0.7 | 0.9 | 1.1 | 0.05 | 1.4 | |
| 주석 | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 30 | 40 | |
| 크랙킹 | √ | √ | √ | √ | √ | × | × | |
| 연성 | 좋음 | 좋음 | 좋음 | 좋음 | 좋음 | 나쁨 | 나쁨 | |
주) √: 납땜하는 동안에 솔더 조인트 주변에 균열이 일어나지 않음.
×: 납땜하는 동안에 솔더 조인트 주변에 균열이 일어남.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 스칸듐이 상기 솔더 조성물 내에 0.3중량％ 내지 1.45중량％ 포함되면, 본 발명의 납 프리 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 조인트의 크랙킹은 후속 공정에서 방지될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 상기 솔더 조성물에서 0.3중량% 미만이거나 또는 1.45중량%를 초과하여 포함되면, 솔더의 항-크랙킹 성능이 떨어진다. 추가적으로, 디스프로슘이 상기 솔더 조성물 내에 0.4중량% 내지 1.1중량% 포함되면, 본 발명의 납 프리 솔더 조성물에 의해 형성되는 솔더 조인트는 우수한 연성을 갖는다. 그러나, 디스프로슘이 상기 솔더 조성물 내에서 0.4중량％ 미만이거나, 또는 1.1중량%를 초과하여 포함되면, 상기 솔더의 연성 성능은 떨어진다.
고온 저장 실험
본 발명의 구체예의 납 프리 솔더의 연성 성능은, 고온 저장 실험에 의해 테스트된다. 상기 테스트에서, 온도 조절 챔버의 온도는 120℃에서 일정하게 유지하였고, 전기 커넥터, 및 본 발명의 솔더에 의해 납땜된 전기 커넥터 상에 금속화된 표면을, 온도 조절 챔버 내에 놓고, 6뉴턴의 중량을 24시간 동안 전기 커넥터에 매달아 놓았다. 24시간 종료 후에, 상기 전기 커넥터는, (상온에서) 3초 동안 디지탈 포스 게이지에 의해 50N의 힘으로 당겨졌고, 상기 테스트 동안에 전기 커넥터로부터의 크랙킹에 의한 단선(disconnection)이 일어나지 않았다.
상기에서는 단지 바람직한 실시예들 및 본 발명의 적용 기술 원리가 설명되어 있다는 것에 주목해야 한다. 또한, 본 발명은 본 명세서에 기술된 특정한 구체예에 한정되지 않는 것으로 당업자에 의해 이해되어야 한다. 다양한 명백한 변화들, 재조절 및 대안들이, 본 발명의 보호 범위를 벗어남이 없이 당업자에 의해 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 실시예들을 통하여 상세하게 설명되었으나, 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 개념을 벗어남이 없이 다른 균등한 실시예들을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 제시된다.
Claims (5)
- 다음을 포함하는 납 프리 솔더 조성물:
0.02중량％ 내지 6중량％의 스티븀,
0.03중량％ 내지 3중량％의 구리,
0.03중량％ 내지 8중량％의 비스무스,
30중량％ 내지 65중량％의 인듐,
0.3중량％ 내지 8중량％의 은,
5중량% 내지 11중량%의 마그네슘,
0.3중량% 내지 1.45중량%의 스칸듐,
0.4중량% 내지 1.1중량%의 디스프로슘, 및
10중량％ 내지 45중량％의 주석.
- 제1항에 있어서,
상기 납 프리 솔더 조성물은 1.0중량％ 내지 1.1중량％의 스칸듐을 포함하는 납 프리 솔더 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 납 프리 솔더 조성물은 0.7중량％ 내지 0.8중량％의 디스프로슘을 포함하는 납 프리 솔더 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 납 프리 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 고화 온도를 갖는 납 프리 솔더 조성물.
- 제3항에 있어서,
상기 납 프리 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 액화 온도를 갖는 납 프리 솔더 조성물.
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