KR20170138873A - 높은 연성을 갖는 무연 솔더 조성물 - Google Patents

Abstract

0.02 중량％ 내지 6 중량％의 안티몬, 0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량％ 내지 8중량％의 비스무트, 45 중량％ 내지65 중량％의 인듐, 0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐, 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄 및 10 중량％ 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물이 개시된다. 본 발명의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고, 양호한 연성 및 안정성을 가져, 유리 상의 금속화 표면상에 전기 커넥터를 납땜하기에 적절하다.

Description

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

본 발명은 무연 솔더 조성물, 특히 높은 연성을 갖는 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.

자동차의 후면창(rear window)은 유리 상에 위치한 서리 제거 장치와 같은 전기 장치를 통상적으로 포함한다. 전기 장치에 전기 연결을 제공하기 위해, 일반적으로 작은 면적의 금속 코팅을 유리상에 도포하여 전기 장치에 전기적으로 연결되도록 구성된 금속화된 표면을 얻고, 이후 금속화된 표면 상에 전기 장치의 전기 커넥터를 납땜할 수 있다.

종래에는, 납(Pb)을 포함하는 솔더로 유리상의 금속화된 표면상에 전기 커넥터를 납땜하였다. 그러나, 납에 의한 환경 오염으로 인해, 납의 사용은 점점 더 제한되고, 따라서 무연 솔더가 납땜 응용에 사용되기 시작하였다. 예를 들어, 80% 초과와 같은 고함량의 주석(Sn)을 포함하는 통상의 무연 솔더가 일부 산업에서 채용되고 있다.

그러나, 유리는 깨지기 쉽고, 따라서 고함량의 주석을 갖는 통상의 무연 솔더는 유리 상에 전기 장치를 납땜하는 중에 유리의 크래킹을 야기하는 경향이 있다. 더욱이, 열팽창계수(CTE)가 실질적으로 상이한 2종의 재료(예를 들어 유리 및 구리)의 납땜은 솔더 접합의 냉각 동안 또는 이후 온도 변화 동안에 솔더에 응력을 가한다. 따라서, 한편으로는 유리 상에 전기 장치를 납땜하기에 적절한 솔더 조성물은 납땜 공정 동안 자동차 유리의 크래킹을 일으키지 않기에 충분히 낮은 용융점(즉, 액상선 온도)을 가질 필요가 있는데, 왜냐하면 더 높은 용융점 및 이에 부응하는 더 높은 공정 온도는 CTE 부조화의 역효과를 증가시켜, 냉각 동안 솔더에 더 높은 응력을 부과하기 때문이다. 그 결과, 솔더는 양호한 연성을 가질 것이 추가로 요구된다. 다른 한편으로는, 솔더 조성물의 용융점이 충분히 높아서, 자동차의 정상 사용 동안, 예를 들어 자동차가 창문이 닫힌 채로 양지에 있거나 또는 다른 극심한 환경 조건에 있는 경우, 솔더가 용융되지 않을 필요가 있다.

통상적으로 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) 및0.25 중량% 내지 0.75 중량%의 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더 조성물(이하 "65 인듐 솔더"로 지칭함)이 이미 개시되어 있다.

그러나, 인듐을 포함하는 솔더는 통상 다른 솔더보다 훨씬 낮은 용융점을 갖는다. 예를 들어 고상선 온도가 납 솔더는 160℃인데 비해, 65 인듐 솔더는 109℃이고, 액상선 온도가 납 솔더는 224℃인데 비해, 65 인듐 솔더는 127℃이다. 일반적으로, 솔더 내 인듐 함량이 높을수록 솔더의 고상선 온도는 더 낮다. 일부 차량 제조업자들은 솔더 접합이 높은 온도를 견딜 수 있기를 소망하고, 따라서 인듐 함량을 갖는 솔더는, 성능의 어떠한 열화도 없이 120℃ 이상의 고상선 온도를 가져야 하고, -40℃ 내지 120℃ 범위의 온도에서 양호한 연성을 가져야 한다.

또한, 빽빽히 배열된 복수의 전기 커넥터를 납땜하는 경우, 전기 커넥터의 납땜은 인접한 납땜된 전기 커넥터에 영향을 미치며, 따라서 솔더는 높은 안정성 및 연성을 가져야 하며, 그렇지 않으면 인접 전기 커넥터의 재용융 및 크래킹이 일어나기 쉽다.

따라서, 본 발명의 목적은 0.02 중량％ 내지 6 중량％의 안티몬, 0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량％ 내지 8중량％의 비스무트, 45 중량％ 내지65 중량％의 인듐, 0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐, 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄 및 10 중량％ 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공하는 것이다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 0.8 중량% 내지 1.0 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 1.4 중량％ 내지 2.4 중량％의 지르코늄을 포함할 수 있다.

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

또한, 상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

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

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

본 발명의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가지고, 양호한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리상의 금속화된 표면상에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다.

이하의 일부 구현예와 함께 본 개시를 더 상세히 예시하기로 한다. 본원에 기술된 특정 구현예는 본 개시를 한정하기 보다는 본 개시를 단순히 설명하기 위함임을 이해할 수 있다.

본 개시는 유리 상에 전기 요소를 납땜하기에 적합한, 무연 솔더 조성물을 제공한다. 예시적으로, 이러한 납땜은 자동차의 후면창을 제조하는데 필요하며, 이 후면창은 후면창의 내표면 내에 매립되어 있거나 내표면 상에 도포된 전기적 저항의 서리 제거 라인들로 구성된 창 서리 제거 장치를 포함한다. 상기 서리 제거 라인들은 후면 창의 내표면 상에 위치한 한 쌍의 집전판(electrical contact strip)(즉, 전기 접촉면, 또는 모선(buss bars)으로 지칭)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 집전판은 후면창의 내표면 상에 도포된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 통상적으로, 상기 집전판은 은-함유 재료로부터 형성된다.

종래의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 구현예는 0.02 중량％ 내지 6 중량％의 안티몬, 0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량％ 내지 8중량％의 비스무트, 45 중량％ 내지65 중량％의 인듐, 0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐, 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄 및 10 중량％ 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공한다.

상기 구현예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 지르코늄을 포함하고, 이중 스칸듐은 그레인의 크기를 감소시키는 효과와 재결정 온도를 상승시키는 특징을 가져 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 반면 지르코늄은 높은 용융점, 고강도 및 강한 내식성을 특징으로 하고 있어, 솔더의 강도, 내고온성 및 내식성을 향상시킬 수 있고, 솔더 접합의 크래킹을 방지할 수 있으며, 솔더 조성물의 고상선 온도를120℃ 내지 135℃ 내의 범위로 증가시키고, 솔더 조성물의 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃의 범위 내로 증가시킨다.

일부 구현예들에서, 상기 무연 솔더 조성물은 0.8 중량% 내지1.0 중량%, 보다 바람직하게는 0.9 중량％의 스칸듐을 포함할 수 있다.

일부 구현예들에서, 상기 무연 솔더 조성물은 1.4 중량％ 내지2.4 중량％, 보다 바람직하게는 1.9 중량％의 지르코늄을 포함할 수 있다.

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

일부 구현예들에서, 상기 무연 솔더 조성물은 6 중량％ 내지 10 중량%, 바람직하게는 7 중량％ 내지 9 중량, 보다 바람직하게는8 중량％의 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 다른 구현예들에서, 상기 무연 솔더 조성물은 8 중량％ 내지 9 중량％의 마그네슘을 포함할 수 있다.

상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 갖는다. 상기 고상선 온도는 합금이 용융하기 시작하는 온도로 실질적으로 정의된다. 고상선 온도 미만에서는, 물질은 용융상 없이 완전히 고체이다. 액상선 온도는 결정(비용융 금속 또는 합금)이 용융물과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 초과에서, 재료는 용융물만으로 균질하게 구성된다. 솔더 가공 온도는 액상선 온도보다, 납땜 기술에 의해 결정되는 정도의 수치만큼, 더 높다.

본 발명의 솔더 조성물은 무연(free of lead)이며, 통상적으로 약 105℃의 작동 온도인 동일한 형태의 다른 솔더의 작동 온도에 비해 더 높다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물은 종래 기술의 기존 무연 솔더 조성물과 비교하여 더 양호한 연성 및 안정성을 갖는다.

비스무트 및 구리와 다른 원소의 조합은 솔더의 작동 온도의 예상되는 증가 및 특정 조건에서의 솔더의 기계적 성능의 향상을 포함하여, 솔더 조성물의 전체적인 성능을 개선시킨다.

일부 구현예들에서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

또한 일부 구현예들에서, 상기 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

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

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

본 발명의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고, 양호한 연성 및 안정성을 가지고, 따라서 유리 상의 금속화된 표면상에 전기 커넥터를 납땜하기에 적절하다.

이제 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 구현예들과 일부 비교예들의 비교를 통해 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합의 크래킹 방지 성능을 이하에서 기술하기로 한다.

		구현예 1	구현예 2	구현예 3	구현예 4	구현예 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	45	50	55	50	65	45	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.6	0.8	1	1.1	1.2	0.5	1.5
	지르코늄	0.8	0.9	1.6	2.1	2.7	0.5	2.9
	주석	10	20	25	30	40	30	40
크래킹		√	√	√	√	√	x	x
연성		양호	양호	양호	양호	양호	불량	불량

주:

√: 남땜 중에 인접한 솔더 접합부에 크래킹이 발생하지 않음

x: 납땜 중에 인접한 솔더 접합부에 크래킹이 발생함

상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 0.6 중량% 내지 1.2 중량% 범위의 양으로 솔더 조성물에 포함되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합의 크래킹은 후속 공정에서 방지될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 0.6 중량% 미만의 양 혹은 1.2 중량% 초과의 양으로 솔더 조성물에 포함되는 경우, 솔더의 크래킹 방지 성능은 저하된다. 또한, 지르코늄이 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 양으로 솔더 조성물에 포함되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합은 양호한 연성을 갖는다. 그러나, 지르코늄이 0.8 중량% 미만의 양 혹은 2.7 중량% 초과의 양으로 솔더 조성물에 포함되는 경우, 솔더의 연성 성능은 저하된다.

고온 저장 테스트

고온 저장 테스트를 사용하여 본 발명의 구현예의 무연 솔더의 연성 성능을 시험하였다. 이 테스트에서, 기후 제어된 챔버의 온도는 120℃로 일정하게 유지하였고, 전기 커넥터 및 본 발명의 솔더에 의해 상기 전기 커넥터가 납땜된 금속화된 표면을 기후 제어된 챔버에 배치하고, 24시간 동안 6N의 중량을 상기 전기 커넥터에 매달았다. 24시간 후에, 인장 압축시험기(digital force gauge)에 의해 50 N의 힘으로 3초 동안 상기 전기 커넥터를 당겼고, 이 테스트 도중에 상기 전기 커넥터의 분리 또는 크래킹은 발생하지 않았다.

본 개시의 바람직한 구현예 및 응용 기술 원리는 상기와 같이 단순히 개시된 것임을 주목하여야 한다. 본 개시는 본 명세서에 기술된 특정 구현예들로 한정되지 않음을 해당 기술 분야의 숙련자는 이해하여야 한다. 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 각종 가시적 변화, 재조정 및 대안이 해당 기술 분야의 숙련자에 의해 행해질 수 있다. 따라서, 비록 상기 구현예들을 통하여 본 발명이 상세히 설명되었으나, 본 발명은 상기 구현예들에 단순히 한정되지 않고 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 더 많은 다른 균등한 구현예들을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 종속된다.

Claims (5)

1. 0.02 중량％ 내지 6 중량％의 안티몬,
   0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리,
   0.03 중량％ 내지 8중량％의 비스무트,
   45 중량％ 내지65 중량％의 인듐,
   0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은,
   5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘,
   0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐,
   0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄 및
   10 중량％ 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   0.8 중량％ 내지 1.0 중량％의 스칸듐을 포함하는 무연 솔더 조성물.
3. 제1항에 있어서, 1.4 중량％ 내지 2.4 중량％의 지르코늄을 포함하는 무연 솔더 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 갖는 무연 솔더 조성물.
5. 제3항에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 갖는 무연 솔더 조성물.