KR20170141094A - 고연성의 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 함유하는 땜납 페이스트 - Google Patents

고연성의 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 함유하는 땜납 페이스트 Download PDF

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Abstract

무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트가 개시되며, 상기 무연 땜납 조성물은 스티비엄 0.02 내지 6중량%, 구리 0.03 내지 3중량%, 비스무스 0.03 내지 8중량%, 인듐 30 내지 60중량%, 은 0.3 내지 8중량%, 마그네슘 5 내지 11중량%, 스칸듐 0.1 내지 2중량%, 탄탈럼 0.1 내지 1.5중량% 및 주석 10 내지 45중량%를 포함하고, 상기 납땜 용제는 로진 25 내지 32중량%, 유기산 활성제로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5 중량%, 소포제로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8 중량%, 안정제로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함한다.

Description

고연성의 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 함유하는 땜납 페이스트{SOLDER PASTE CONTAINING LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY AND SOLDERING FLUX}
본 발명은 고연성의 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 함유하는 땜납 페이스트에 관련된다.
자동차의 뒷 창문(rear window)은 보통 유리 상에 위치하는 서리 제거 장치(defroster)와 같은 전기 장치를 포함한다. 전기 장치에 전기적 연결을 제공하기 위해, 작은 영역의 금속 코팅이 유리 상에 전기 장치에 전기적으로 연결되기 위해 구성된 금속화된 표면을 얻기 위하여 일반적으로 적용되고, 그 다음에 전기 장치의 전기 커넥터(electrical connector)가 금속화된 표면에 납땜될 수 있다.
종래 기술에서, 전기 커넥터는 유리 상의 금속화된 표면에 납(Pb)을 함유하는 땜납(solder)과 함께 납땜(soldering)된다. 그러나, 납에 의하여 유발된 환경 오염으로 인해, 납의 사용은 점점 더 제한되고, 따라서 무연 땜납(lead free solder)이 납땜 적용에 사용되기 시작하였다. 예를 들면, 80% 이상의 높은 주석(Sn) 함량을 갖는 일반 무연 땜납이 몇몇 산업에서 쓰여지고 있다.
그러나, 유리는 깨지기 쉬우므로, 높은 주석 함량을 가진 일반 무연 땜납은 유리 상에 전기 장치를 납땜하는 동안 유리의 균열을 유발하는 경향이 있다. 더욱이, 열 팽창(CTE) 계수가 상당히 다른 두 물질(예를 들어 유리와 구리)을 납땜하는 것은 땜납 접합부(solder joint)의 냉각 또는 이후 온도 상승(temperature excursion) 동안 땜납에 스트레스를 부과한다. 그러므로, 한편으로는, 유리 상에 전기 기기를 납땜하는데 적합한 땜납 조성물은 납땜 공정 동안 자동차 유리의 균열을 유발하지 않을 정도로 충분히 낮은 융점(예를 들면 액체화 온도)를 가질 것을 필요로 한다, 왜냐하면 더 높은 융점 및 이에 상응하는 더 높은 공정 온도는 냉각 동안 땜납에 더 높은 스트레스를 부과하면서 CTE 부조화의 악영향을 증가시키기 때문이다. 결과적으로, 땜납은 좋은 연성을 가질 것이 더욱 요구된다. 다른 한편으로는, 차가 창문이 닫힌 채로 햇빛에 있거나, 다른 극도의 혹독한 환경 조건에 있을 때와 같은, 자동차의 통상적인 사용 동안 땜납이 용융되지 않기 위해 땜납 조성물의 융점은 충분히 높을 것을 필요로 한다.
64.35 내지 65.65중량%의 인듐(In), 29.7 내지 30.3중량%의 주석(Sn), 4.05 내지 4.95중량%의 은(Ag) 및 0.25 내지 0.75중량%의 구리(Cu)의 무연 땜납 조성물(이하 65 인듐 땜납)은 종래에 이미 개시되었다.
그러나, 인듐을 함유하는 땜납은 일반적으로 다른 땜납보다 훨씬 낮은 융점을 가진다. 예를 들면, 65 인듐 땜납은 160℃의 리드(lead) 땜납과 비교할 때 109℃의 고상선 온도(solidus temperature) 를 가지고, 224℃의 리드(lead) 땜납과 비교할 때 127℃의 액체화 온도(liquidus temperature)를 가진다. 일반적으로, 땜납의 높은 인듐 함량은 땜납의 낮은 고상선 온도를 유발한다. 몇몇의 자동차 제조업체는 공정 중 어떠한 악화 없이, 땜납 접합부가 상승된 온도를 견뎌낼 수 있어야 하고, 그에 맞추어 인듐을 함유한 땜납이 120℃보다는 낮지 않은 고상선 온도를 가져야 하며, -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 좋은 연성(ductility)을 가져야 할 것을 요구한다.
게다가, 가까이 배열된 복수의 전기 커넥터들을 납땜함에 있어서, 하나의 전기 커넥터의 납땜은 인접하여 납땜된 전기 커넥터에게 영향을 미칠 수 있고, 이런 이유로 땜납은 높은 안정성 및 연성을 가져야 하며, 그렇지 않으면 상기 인접한 전기 커넥터의 재용융 및 균열이 아마 일어날 것이다.
납땜 용제(soldering flux)는 납땜에 있어서 필요한 첨가제이다. 상기 요구되는 땜납 조성물을 위해, 적합한 납땜 용제가 요구됨에 따라, 땜납 조성물 및 납땜 용제에 의해 형성된 본 땜납 페이스트(solder paste)는 장기간 보관 동안 점착성을 유지할 수 있고, 납땜하는 동안 납땜 용제에 의해 과도한 잔재가 유발되지 않고, 납땜을 거친 회로 기판을 쉽게 세척할 수 있다.
본 발명은 무연이고, 일반적으로 약 105℃인 같은 타입의 다른 땜납의 경우보다 높은 작업 온도를 가지는 땜납 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래의 현존하는 무연 땜납 조성물보다 훨씬 더 좋은 연성 및 안정성을 가지는 땜납 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 무연 땜납(lead free solder) 조성물 및 납땜 용제(soldering paste)를 함유하는 땜납 페이스트(solder paste)를 제공하는 것이며, 상기 무연 땜납 조성물은 스티비엄(stibium) 0.02 내지 6중량%, 구리(copper) 0.03 내지 3중량%, 비스무스(bismuth) 0.03 내지 8중량%, 인듐(indium) 30 내지 60중량%, 은(silver) 0.3 내지 8중량%, 마그네슘(magnesium) 5 내지 11중량%, 스칸듐(scandium) 0.1 내지 2중량%, 탄탈럼(tantalum) 0.1 내지 1.5중량% 및 주석(tin) 10 내지 45중량%를 포함하고; 상기 납땜 용제는 로진(rosin) 25 내지 32중량%, 유기산 활성제(organic acid activator)로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제(surface active agent)로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5중량%, 소포제(defoaming agent)로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8중량%, 안정제(stabilizer)로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함한다.
상기 무연 땜납 조성물은 적어도 120℃의 고상선 온도를 가지며, 좋은 연성(ductility) 및 안정성을 가지고, 이런 이유로 유리 상의 금속화된 표면 상에 전기 커넥터를 납땜하는데 적합하다. 게다가, 상기 납땜 용제는 상기 무연 땜납을 위하여 강한 습윤 능력(wetting power)를 가지고; 상기 납땜 용제를 사용함에 따라, 땜납은 균일하게 퍼지고, 용접 이후 발생된 잔재는 수용성이므로, 상기 납땜 용제가 물에 의해 세척된 이후, 프린트 기판은 절연 저항이 높다.
본 발명의 땜납 조성물은 무연이고, 일반적으로 약 105℃인 같은 타입의 다른 땜납의 경우보다 높은 작업 온도를 가진다.
또한, 본 발명의 땜납 조성물은 종래의 현존하는 무연 땜납 조성물보다 훨씬 더 좋은 연성 및 안정성을 가진다.
본 개시는 하기의 몇몇의 구현예와 함께 더 자세히 설명될 것이다. 여기에 기재된 특정한 실시예들은 단지 본 개시를 제한하기 보다는 본 개시를 설명하기 위한 것으로 이해될 것이다.
본 개시는 유리 상의 전기적 구성을 납땜하는데 적합한, 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공한다. 예시적으로, 이러한 납땜은 자동차의 뒷 창문(rear window)의 내면(inner surface) 에 내장되거나 내면 상에 증착되며, 전기 저항성 서리 제거 라인(defrosting line)으로 구성된 서리 제거 장치(defroster)를 포함하는 뒷 창문을 제조하는데 요구된다. 상기 서리 제거 라인은 상기 뒷 창문의 내면 상에 위치한 한 쌍의 전기적 접촉 스트립(electrical contact strip), 예를 들면 모선(buss bar)이라고도 언급되는 전기적 접촉 표면(electrical contact surface)과 전기적으로 연결된다. 상기 전기적 접촉 스트립은 상기 뒷 창문의 내면 상에 증착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 상기 전기적 접촉 스트립은 은을 함유하는 물질로부터 형성된다.
종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공하며, 상기 무연 땜납 조성물은 스티비엄 0.02 내지 6중량%, 구리 0.03 내지 3중량%, 비스무스 0.03 내지 8중량%, 인듐 30 내지 60중량%, 은 0.3 내지 8중량%, 마그네슘 5 내지 11중량%, 스칸듐 0.1 내지 2중량%, 탄탈럼 0.1 내지 1.5중량% 및 주석 10 내지 45중량%를 포함한다. 상기 납땜 용제는 로진 25 내지 32중량%, 유기산 활성제로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5중량%, 소포제로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8중량%, 안정제로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함한다.
상기 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 스칸듐 및 탄탈럼을 포함하며, 이 중에서 스칸듐은 입자 크기를 줄이는 효과 및 재결정 온도(recrystallization temperature)를 상승시키는 특징을 가지고, 상기 땜납의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있으며, 반면 탄탈럼은 높은 융점, 높은 강도 및 강한 내식성으로 특징되며, 상기 땜납의 강도, 고온 저항성 및 내식성을 향상시킬 수 있고, 땜납 접합부의 균열을 방지할 수 있으며, 상기 땜납 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃ 범위 내로 증가시키고, 상기 땜납 조성물의 액체화 온도를 130℃ 내지 145℃ 범위 내로 증가시킨다.
몇몇의 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 1 내지 1.2중량%, 보다 바람직하게는 1.1중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.
몇몇의 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 1.1 내지 1.3중량%, 보다 바람직하게는 1.2중량%의 탄탈럼을 포함할 수 있다.
몇몇의 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 3 내지 4중량%의 스티비엄 및 4 내지 5중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.
몇몇의 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 6 내지 10중량%, 바람직하게는 7 내지 9중량%, 보다 바람직하게는 8중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 몇몇의 다른 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 8 내지 9중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.
상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜일 수 있고, 상기 땜납 합금이 합유된 금속과 상기 활성제의 반응을 억제할 수 있고, 이로써 금속염의 형성을 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 땜납 페이스트 내의 상기 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도를 가지고, 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액체화 온도를 가진다. 상기 고상선 온도는 합금이 용융되기 시작하는 온도로 실질적으로 정의된다. 상기 고상선 온도 하에서, 상기 물질은 용융상(molten phase)없이 완전히 고체이다. 상기 액체화 온도는 결정(용융되지 않은 금속 또는 합금)이 용융물과 공존할 수 있는 최고 온도이다. 상기 액체화 온도 초과 시에, 상기 물질은 균질하고(homogeneous), 용융물로만 구성된다. 납땜 공정 온도는 납땜 기술에 따라 결정되는 정도에 따라 상기 액체화 온도보다 높다.
본 발명의 땜납 조성물은 무연이고, 일반적으로 약 105℃인 같은 타입의 다른 땜납의 경우보다 높은 작업 온도를 가진다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은 종래의 현존하는 무연 땜납 조성물보다 훨씬 더 좋은 연성 및 안정성을 가진다.
다른 구성과 함께 비스무스 및 구리의 조합은 땜납의 작업 온도의 기대된 증가 및 특정 조건 하의 땜납의 기계적 성능을 포함하는 땜납 조성물의 전체적인 성능을 향상시킨다
몇몇의 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도를 가질 수 있다.
추가의 몇몇의 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액체화 온도를 가질 수 있다.
몇몇의 구현예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 3 내지 4중량%의 스티비엄을 포함할 수 있다.
몇몇의 구현예에서 상기 무연 땜납 조성물은 4 내지 5중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.
본 발명의 무연 땜납 조성물은 적어도 120℃의 고상선 온도를 가지며, 좋은 연성 및 안정성을 가지고, 이런 이유로, 유리 상의 금속화된 표면 상에 전기 커넥터를 납땜하는데 적합하다.
이제, 하기 표 1에 보여지는 바와 같이, 본 발명의 땜납 페이스트에 의해 형성된 납땜 접합부의 반(anti)-균열 성능이 본 발명의 실시예들 및 몇몇의 비교예 간의 비교와 함께 하기에 설명될 것이다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
함량
(중량%)		 스티비엄 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 35 40 50 60 40 50
은 0.5 1.5 2.5 4 6 2.5 4
마그네슘 5 7 8 9 10 8 9
스칸듐 0.1 0.5 1 1.2 2 0.05 2.5
탄탈럼 0.1 0.4 0.8 1.1 1.5 0.05 2
주석 10 20 25 30 40 30 40
균열 v v v v v x x
연성 좋음 좋음 좋음 좋음 좋음 나쁨 나쁨
주:
v: 납땜 동안 인접한 땜납 접합부에 균열이 일어나지 않음
x: 납땜 동안 인접한 땜납 접합부에 균열이 일어남
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 땜납 조성물 내에 0.1 내지 2중량% 범위의 양으로 함유되면, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 접합부의 균열은 그 후의 공정에서 방지될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 땜납 조성물 내에 0.1중량% 미만 또는 2중량% 초과의 양으로 함유되면, 땜납의 반-균열 성능은 저하된다. 게다가, 탄탈럼이 땜납 조성물 내에서 0.1 내지 1.5중량%의 양으로 함유되면, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 접합부는 좋은 연성을 가진다. 그러나, 탄탈럼이 땜납 조성물 내에서 0.1중량% 미만 또는 1.5중량% 초과의 양으로 함유되어 있으면, 땜납의 연성 성능은 저하된다.
고온 저장 테스트(High Temperature Storage Test)
본 발명의 실시예들의 땜납 페이스트의 연성 성능은 고온 저장 테스트에 의해 시험된다. 이 테스트에서, 실내 온도 조절 챔버(climate controlled chamber)의 온도는 일정하게 120℃로 유지되었으며, 전지 커넥터 및 금속화된 표면(상기 금속화된 표면 상에 상기 전기 커넥터가 본 발명의 땜납에 의해 납땜됨)이 상기 실내 온도 조절 챔버 내에 놓여졌고, 6뉴턴의 무게가 상기 전기 커넥터에 24시간 동안 달렸다. 24시간 종료 후, 상기 전기 커넥터는 3초 동안 인장 압축 시험기(digital force gauge)에 의해 50N의 힘으로 (주위 온도에서) 당겨졌으며, 이 테스트 동안 상기 전기 커넥터로부터 균열의 단절이 일어나지 않았다.
상기 바람직한 실시예들과 본 개시의 적용 기술 원리는 단지 상기를 설명하는 것임을 유의한다. 또한, 당 분야의 통상의 기술을 가진 자에 있어, 본 발명이 이에 기재된 특정한 실시예들에 제한되지 않는 것으로 이해될 것이다. 여러 명백한 변경, 재조정 및 대체가 본 개시의 보호 범위를 벗어나지 않고 당 분야의 통상의 기술을 가진 자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 개시가 상기 실시예를 통해 자세히 설명됨에 불구하고, 본 개시는 상기 실시예들에 단지 제한되지 않으며, 본 개시의 개념을 벗어나지 않으면서 다른 균등한 실시예를 더 포함할 수 있다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구항에 따른다.

Claims (5)

  1. 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하고,
    상기 무연 땜납 조성물은 스티비엄 0.02 내지 6중량%, 구리 0.03 내지 3중량%, 비스무스 0.03 내지 8중량%, 인듐 30 내지 60중량%, 은 0.3 내지 8중량%, 마그네슘 5 내지 11중량%, 스칸듐 0.1 내지 2중량%, 탄탈럼 0.1 내지 1.5중량% 및 주석 10 내지 45중량%를 포함하고,
    상기 납땜 용제는 로진 25 내지 32중량%, 유기산 활성제로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5 중량%, 소포제로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8 중량%, 안정제로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함하는 땜납 페이스트.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스칸듐을 1 내지 1.2중량%로 포함하는 땜납 페이스트.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 탄탈럼을 1.1 내지 1.3중량%로 포함하는 땜납 페이스트.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 무연 땜납 조성물은 120 내지 135℃의 고상선 온도를 가지는 것인 땜납 페이스트.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜인 땜납 페이스트.
KR1020160116304A 2016-06-14 2016-09-09 고연성의 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 함유하는 땜납 페이스트 KR20170141094A (ko)

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