KR20170133868A - 높은 연성을 갖는 리드 프리 솔더 조성물 - Google Patents

Abstract

리드 프리 솔더 조성물이 개시되고 포함한다: 안티몬 중량으로 0.02%에서 6%, 구리 중량으로 0.03%에서 3%, 비스무트 중량으로 0.03%에서 8%, 인듐 중량으로 42%에서 70%, 은 중량으로 0.3%에서 8%, 마그네슘 중량으로 5%에서 11%, 스칸듐 중량으로 0.8%에서 1.65%, 로듐 중량으로 0.7%에서 2.4%, 그리고 주석 중량으로 10%에서 45%. 본 발명의 리드 프리 솔더 조성물은 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 갖고, 좋은 연성과 안정성을 갖는다, 그리고 이런 이유로 유리 상의 금속화 표면에 전기 커넥터를 솔더링하기 위해 적합하다.

Description

높은 연성을 갖는 리드 프리 솔더 조성물{LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY}

본 발명은 리드 프리 솔더에 관한 것이고 특히 높은 연성을 갖는 리드 프리 솔더에 관한 것이다.

자동차의 뒤쪽 윈도우는 전형적으로, 유리 상에 위치하는, 디프로스터들과 같은, 전기 장치를 포함한다. 전기 장치에 전기 연결을 제공하기 위하여, 금속성 코팅의 작은 영역이 일반적으로 전기 장치에 전기적으로 연결되도록 설정된 금속화 표면을 얻기 위해 유리에 적용된다, 그리고 전기 장치의 전기 커넥터가 금속화 표면 상에 솔더링될 수 있다.

종래 기술에서, 전기 커넥터는 리드(Pb)를 포함하는 솔더로 유리 상의 금속화 표면 상에 솔더링된다. 그러나, 리드에 의해 야기되는 환경 오염 때문에, 리드의 사용은 더욱더 제한된다, 그리고 이런 이유로 리드 프리 솔더가 솔더링 애플리케이션에서 사용되기 시작한다. 예를 들면, 80%보다 많은 높은 주석(Sn) 내용물을 포함하는 일반 리드 프리 솔더가 몇몇 산업에서 이용된다.

그러나, 유리는 깨지기 쉽다, 따라서 높은 주석 내용물을 갖는 일반 리드 프리 솔더는 유리 상에 전기 장치가 솔더링되는 동안 유리의 갈라짐을 야기하는 경향이 있다. 게다가, (유리와 구리 같은) 열 팽창 계수(CTE)에서 상당히 다른 두 물질을 솔더링하는 것은 솔더 조인트의 쿨링 동안이나 연속적인 온도 엑스커션(excursions) 동안 솔더에 스트레스를 부과한다. 그러므로, 한편으로는, 유리 상에 전기 장치를 솔더링하기 위해 적합한 솔더 조성물은 솔더링 프로세스 동안 자동차 유리의 갈라짐을 야기하지 않도록 충분히 낮은 녹는 점(즉. 액체화 온도)를 갖는 것이 필요하다, 왜냐하면 더 높은 녹는 점과 대응하는 더 높은 프로세싱 온도는 CTE 미스매치의 반대 효과를 강화하고, 쿨링 동안 솔더에 더 높은 스트레스를 부과한다. 결과적으로, 솔더는 좋은 연성을 갖는 것이 더 요구된다. 반면에, 자동차가 윈도우가 닫힌 상태에 태양에 있거나 다른 몹시 극한 환경 상태에 있을 때와 같이, 자동차의 일반적인 사용 동안 솔더가 녹지 않도록 하기 위하여, 솔더 조성물의 녹는 점은 충분히 높을 것이 필요하다.

종래 이미 개시된 것은 63.45%-65.65% 인듐(In), 29.7%-30.3% 주석(Sn), 4.05%-4.95% 은(Ag) 그리고 0.25%-0.75% 구리(Cu)의 중량 비율을 갖는 리드 프리 솔더 조성물이다(이제부터 "65 인듐 솔더"로 언급됨).

그러나, 인듐을 포함하는 솔더들은, 보통 다른 솔더들보다 많이 더 낮은 녹는 점을 갖는다. 예를 들면, 65 인듐 솔더는, 리드 솔더의 160℃와 비교되는, 109℃의 고상선 온도를 갖는다, 그리고 리드 솔더의 224℃와 비교되는 127℃의 액체화 온도를 갖는다. 일반적으로, 솔더 내에 더 높은 인듐 내용물은 솔더의 더 낮은 고상선 온도를 야기한다. 몇몇 자동차 제조사는 솔더 조인트가 높은 온도에서 견딜 수 있어야만 하는 것을 요구한다, 따라서 인듐 내용물을 갖는 솔더는 성능의 어떠한 약화도 없이, 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 가져야만 하고 -40℃에서 120℃ 온도 범위에서 좋은 연성을 가져야만 한다.

나아가, 가깝게 배열되는 많은 전기 커넥터들의 솔더링에서, 전기 커넥터의 솔더링은 인접한 솔더링된 전기 커넥터에 영향을 줄 것이다, 그리고 이런 이유로 솔더는 높은 안정성과 연성을 가져야만 한다, 그렇지 않으면 인접한 전기 커넥터의 다시 녹음과 갈라짐이 발생할 것이다.

그런 이유로, 발명의 목적은 안티몬 중량으로 0.02%에서 6%, 구리 중량으로 0.03%에서 3%, 비스무트 중량으로 0.03%에서 8%, 인듐 중량으로 42%에서 70%, 은 중량으로 0.3%에서 8%, 마그네슘 중량으로 5%에서 11%, 스칸듐 중량으로 0.8%에서 1.65%, 로듐 중량으로 0.7%에서 2.4%, 그리고 주석 중량으로 10%에서 45%를 포함하는 리드 프리 솔더 조성물을 제공하는 것이다.

바람직하게, 리드 프리 솔더 조성물은 스칸듐 중량으로 1.2%에서 1.4%를 포함할 수 있다.

바람직하게, 리드 프리 솔더 조성물은 로듐 중량으로 1.4%에서 1.8%를 포함할 수 있다.

리드 프리 솔더 조성물은 120℃에서 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

뿐만 아니라, 솔더 조성물은 130℃에서 145℃ 범위의 액체화 온도를 가질 수 있다.

바람직하게, 리드 프리 솔더 조성물은 안티몬 중량으로 3%에서 4%를 포함할 수 있다.

바람직하게, 리드 프리 솔더 조성물은 비스무트 중량으로 4%에서 5%를 포함할 수 있다.

발명의 리드 프리 솔더 조성물은 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 가진다, 좋은 연성과 안정성을 가진다, 그리고 이런 이유로 유리 상의 금속화 표면 상에 전기 커넥터를 솔더링하기 위해 적합하다.

본 개시는 몇몇 실시예들과 함께 아래에서 더욱 상세하게 보여질 것이다. 여기에 기술된 상세한 실시예들은 본 개시를 한정하는 것보다는 단지 본 개시를 설명하기 위한 것으로 이해될 수 있다.

본 개시는 유리 상의 전기 엘리먼트들을 솔더링하기 위해 적합한 리드 프리 솔더 조성물을 제공한다. 설명적으로, 그런 솔더링은, 뒤쪽 윈도우의 안쪽 표면에 내장되거나 배치된 전기적으로 저항성인 디프로스팅 라인들로 구성되는 윈도우를 포함하는, 차량의 뒤쪽 윈도우를 제조하기 위해 요구된다. 디프로스팅 라인들은 뒤쪽 윈도우의 안쪽 표면 상에 위치하는 한 쌍의 전기 컨택트 스트립들(즉 전기 컨택트 표면, 또한 모선으로 불리는)에 전기적으로 연결된다. 전기 컨택트 스트립들은 뒤쪽 윈도우의 안쪽 표면 상에 배치된 도전성 코팅으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 전기 컨택트 스트립들은 은을 포함하는 물질으로 구성된다.

종래 기술에서 문제점을 극복하기 위하여, 발명의 실시예는 안티몬 중량으로 0.02%에서 6%, 구리 중량으로 0.03%에서 3%, 비스무트 중량으로 0.03%에서 8%, 인듐 중량으로 42%에서 70%, 은 중량으로 0.3%에서 8%, 마그네슘 중량으로 5%에서 11%, 스칸듐 중량으로 0.8%에서 1.65%, 로듐 중량으로 0.7%에서 2.4%, 그리고 주석 중량으로 10%에서 45%를 포함하는 리드 프리 솔더 조성물을 제공한다.

실시예에서, 리드 프리 솔더 조성물은 스칸듐과 로듐을 포함한다, 스칸듐은 그레인 사이즈를 감소시키는 효과와 재결정 온도를 상승시키는 특징을 가지고 솔더의 연성과 안정성을 강화시킬 수 있다, 반면 로듐은 높은 녹는 점, 높은 강도 그리고 강한 방식(anti-corrosion)에 의해 특징되고, 강도, 높은 온도 저항성 그리고 솔더의 방식(anti-corrosion)을 강화시킬 수 있다, 솔더 조인트의 갈라짐을 피할 수 있다, 그리고 솔더 조성물의 고상선 온도를 120℃에서 135℃ 범위 내로 증가시키고 솔더 조성물의 액체화 온도를 130℃에서 145℃ 범위 내로 증가시킨다.

몇몇 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 스칸듐 중량으로 1.2%에서 1.4%, 더욱 바람직하게 1.3%를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 로듐 중량으로 1.4%에서 1.8%, 더욱 바람직하게 1.6%를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 안티몬 중량으로 3%에서 4% 그리고 비스무트 중량으로 4%에서 5%를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 마그네슘 중량으로 6%에서 10%, 바람직하게 7%에서 9%, 더욱 바람직하게 8%를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 마그네슘 중량으로 8%에서 9%를 포함할 수 있다.

위에서 말한 바와 같이, 발명의 리드 프리 솔더 조성물은 120℃에서 135℃ 범위 내의 고상선 온도와 130℃에서 145℃ 범위 내의 액체화 온도를 갖는다. 고상선 온도는 사실상 합금이 녹기 시작하는 온도로 정의된다. 고상선 온도 아래에서, 물질은 녹은 상태 없이 완전히 고체이다. 액체화 온도는 크리스탈(녹지 않은 금속 또는 합금)들이 녹은 것과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액체화 온도 위에서, 물질은 동종의 오직 녹은 것으로 구성된다. 솔더 처리 온도는 솔더링 기술에 의해 결정되는 많은 온도에 의해 액체화 온도보다 높다.

발명의 솔더 조성물은 리드가 없다, 그리고 일반적으로 약 105℃에서 동작하는 동일 유형의 다른 솔더의 동작 온도보다 높은 동작 온도를 갖는다. 또한, 발명의 솔더 조성물은 종래 기술에서 존재하는 리드 프리 솔더 조성물과 비교하면, 훨씬 좋은 연성과 안정성을 갖는다.

다른 엘리먼트들과 함께 비스무트와 구리의 조합은 솔더의 동작 온도의 기대되는 증가와 특정 환경 하에서 솔더의 기계적인 성능의 강화를 포함하는 솔더 조성물의 전체적인 성능을 개선한다.

몇몇 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 120℃에서 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

나아가 몇몇 실시예들에서는, 솔더 조성물은 130℃에서 145℃ 범위의 액체화 온도를 가질 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 안티몬 중량으로 3%에서 4%를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 리드 프리 솔더 조성물은 비스무트 중량으로 4%에서 5%를 포함할 수 있다.

발명의 리드 프리 솔더 조성물은 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 갖는다, 좋은 연성과 안정성을 갖는다, 그리고 이런 이유로 유리 상의 금속화 표면 상에 전기 커넥터들을 솔더링하기 위해 적합하다.

이제 발명의 리드 프리 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 조인트의 갈라짐을 방지하는 성능이 아래 표 1에서 보여지는 것과 같이, 발명의 실시예들과 몇몇 비교 예시들 사이의 비교와 함께 아래 기술될 것이다.

		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교 예시1	비교 예시2
내용물 (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	42	50	55	60	70	45	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.8	0.9	1.2	1.4	1.65	0.5	1.8
	로듐	0.7	0.9	1.6	1.8	2.4	0.5	2.9
	주석	10	20	25	30	40	30	40
갈라짐		v	v	v	v	v	?	?
연성		좋음	좋음	좋음	좋음	좋음	나쁨	나쁨

√: 갈라짐이 솔더링 동안 인접한 솔더 조인트에 발생하지 않는다

×: 갈라짐이 솔더링 동안 인접한 솔더 조인트에 발생한다.

위의 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 솔더 조성물에서 중량으로 0.8%에서 1.65% 범위 내의 양으로 포함될 때, 발명의 리드 프리 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 조인트의 갈라짐이 연속된 프로세스들에서 피해질 수 있다. 그러나, 스칸듐이 솔더 조성물에서 중량으로 0.8%보다 작거나 1.65%보다 많은 양으로 포함될 때, 솔더의 갈라짐 방지 성능은 저하된다. 추가적으로, 로듐이 솔더 조성물에서 중량으로 0.7%에서 2.4% 범위 내의 양으로 포함될 때, 발명의 리드 프리 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 조인트는 좋은 연성을 갖는다. 그러나, 로듐이 솔더 조성물에서 중량으로 0.7%보다 작거나 2.4%보다 큰 양으로 포함될 때, 솔더의 연성 성능은 저하된다.

높은 온도 저장 테스트

발명의 실시예들의 리드 프리 솔더의 연성 성능은 높은 온도 저장 테스트에 의해 테스트된다. 이 테스트에서, 기후 조절된 챔버의 온도는 변함없는 120℃로 유지되었다, 발명의 솔더에 의해 솔더링되는 전기 커넥터와 금속화 표면은 기후 조절된 챔버 내에 위치되었다, 그리고 6N의 무게가 전기 커넥터에 24시간 동안 걸렸다. 24시간의 끝 후에, 전기 커넥터는 3초 동안 디지털 힘 측정기에 의해 50N의 힘으로 (주변 온도에서) 당겨졌다, 그리고 전기 커넥터로부터 갈라짐의 끊어짐은 이 테스트 동안 발생하지 않았다.

본 개시의 바람직한 실시예들과 적용된 기술 원리들이 단지 위와 같이 서술된 것이 주목된다. 이 기술에서 숙련된 자들에게 본 개시는 여기서 서술된 특정 실시예들에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야만 한다. 다양하고 명백한 변화, 재조정 그리고 대안은 본 개시의 보호 범위를 벗어나지 않고 이 기술에서 숙력된 자들에 의해 만들어질 수 있다. 그러므로, 비록 본 개시는 전술한 실시예들을 통해 세부적으로 기술되지만, 본 개시는 단지 전술한 실시예들로 한정되지 않는다, 그리고 본 개시의 이해를 벗어나지 않는 다른 균등한 실시예들을 더 포함할 수 있다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구항들의 대상이다.

Claims (5)

1. 안티몬 중량으로 0.02%에서 6%, 구리 중량으로 0.03%에서 3%, 비스무트 중량으로 0.03%에서 8%, 인듐 중량으로 42%에서 70%, 은 중량으로 0.3%에서 8%, 마그네슘 중량으로 5%에서 11%, 스칸듐 중량으로 0.8%에서 1.65%, 로듐 중량으로 0.7%에서 2.4%, 그리고 주석 중량으로 10%에서 45%를 포함하는 리드 프리 솔더 조성물.
2. 제1항에 있어서, 스칸듐 중량으로 1.2%에서 1.4%를 포함하는 리드 프리 솔더 조성물.
3. 제1항에 있어서, 로듐 중량으로 1.4%에서 1.8%를 포함하는 리드 프리 솔더 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 리드 프리 솔더 조성물은 120℃에서 135℃ 범위의 고상선 온도를 갖는 리드 프리 솔더 조성물.
5. 제3항에 있어서, 상기 리드 프리 솔더 조성물은 130℃에서 145℃ 범위의 액체화 온도를 갖는 리드 프리 솔더 조성물.