KR20170141097A - 고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트 - Google Patents

고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트 Download PDF

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Abstract

0.02 중량% 내지 6 중량％의 안티몬(stibium), 0.03 중량% 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량％의 비스무트, 40 중량% 내지 60 중량％의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.1 중량% 내지 2.5 중량%의 스칸듐, 0.4 중량% 내지 1.5 중량%의 니오븀, 및 10 중량% 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물, 및 25 중량% 내지 32 중량%의 로진(rosin), 유기산 활성제로서, 5 중량% 내지 7 중량%의 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 표면 활성제로서, 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서, 0.7 중량% 내지 0.8 중량%의 1-옥틸 알코올; 안정화제로서, 0.5 중량% 내지 0.7 중량%의 하이드로퀴논; 및 20 중량% 내지 32 중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함하는 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트가 개시된다.

Description

고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트{SOLDER PASTE CONTAINING LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY AND SOLDERING FLUX}
본 발명은 고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트에 관한 것이다.
자동차의 후방 창문은 보통 유리 상에 위치한 전기 장치, 예를 들어 제상기를 포함한다. 전기 장치에 전기적 연결을 제공하기 위하여, 일반적으로 적은 면적의 금속성 코팅이 유리에 도포되어 전기 장치에 전기적으로 연결되도록 구성된 금속화 표면을 얻고, 이후 전기 장치의 전기 연결부는 상기 금속화 표면 상에 솔더링될 수 있다.
선행 기술에서, 전기 연결부는 납(Pb)를 함유하는 솔더를 이용하여 유리 상의 금속성 표면 위에 솔더링된다. 그러나, 납은 환경오염을 유발하기 때문에, 납의 사용이 점점 더 제한되고, 이에 따라 무연 솔더가 솔더링 분야에서 사용되기 시작되었다. 예를 들어, 높은 함량, 예를 들어 80% 초과의 높은 함량의 주석(Sn)을 함유하는 일반적인 무연 솔더가 일부 산업에서 사용된다.
그러나, 유리는 부서지기 쉽기 때문에, 고 함량의 주석을 포함하는 일반적인 무연 솔더는 유리 상에 전기 장치를 솔더링하는 과정에서 유리의 균열을 초래하는 경향이 있다. 또한, 열 팽창 계수(CTE)가 실질적으로 다른 2종의 물질(예, 유리 및 구리)을 솔더링하는 것은 솔더 이음부의 냉각 과정에서 또는 이어지는 온도 일탈(temperature excursions) 과정에서 솔더에 응력을 부과한다. 따라서, 한편으로는, 유리 상에 전기 장치를 솔더링하기 적합한 솔더 조성물은, 높은 융점 및 이에 상응하는 높은 가공 온도가 냉각 과정에서 솔더 상에 더 높은 응력을 부과하는 CTE 부조화와 같은 역효과를 증가시키기 때문, 솔더링 공정 과정에서 자동차 유리의 균열을 초래하지 않을 정도로 충분히 낮은 융점(즉, 액상선 온도)을 가질 필요가 있다. 그 결과, 솔더는 추가적으로 우수한 연성을 가질 필요가 있다. 다른 한편으로는, 솔더 조성물의 융점은, 자동차의 일반적인 사용 도중에, 예를 들어 자동차의 창문이 닫힌 상태로 태양 아래 있거나 또는 다른 가혹한 환경 조건에서 솔더가 용융되지 않을 정도로 충분히 높을 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) 및 0.25 중량% 내지 0.75 중량%의 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더 조성물("65 인듐 솔더"로 언급됨)가 이미 개시된다.
그러나, 인듐을 함유하는 솔더는 일반적으로 다른 솔더들에 비해 훨씬 낮은 융점을 갖는다. 65 인듐 솔더는, 예를 들어, 상기 납 솔더가 160℃의 고상선 온도를 갖는 것에 비해 109℃의 고상선 온도를 갖고, 상기 납 솔더가 224℃의 액상선 온도를 갖는 것에 비해 127℃의 액상선 온도를 갖는다. 일반적으로, 솔더의 인듐 함량이 높을수록 솔더의 더 낮은 고상선 온도가 야기된다. 일부 자동차 제조업체는 솔더 이음부가 고온에서 잔존할 수 있어야 하기 때문에, 인듐 함유 솔더가 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고, 어떠한 성능의 저하 없이 -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 우수한 연성을 가질 것을 요구한다.
나아가, 복수의 전기 연결부가 근접하게 배열되도록 솔더링함에 있어서, 전기 연결부의 솔더링은 인접한 솔더링된 전기 연결부에 영향을 미칠 것이고, 따라서 솔더는 우수한 안정성 및 연성을 가져야만 하고, 그렇지 않으면 재용융되고 인접한 전기 연결부의 균열이 발생될 가능성이 크다.
솔더링 플럭스는 솔더링을 위해 필요한 첨가제이다. 희망하는 상기 솔더 조성물에 있어서, 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스에 의해 형성된 솔더 페이스트가 장-시간의 저장 과정에서 점착성을 유지할 수 있고, 과잉 잔류물이 솔더링 동안에 솔더링 플럭스에 의해 초래되지 않고, 솔더링을 거치는 회로 기판이 손쉽게 세척될 수 있도록 하는 적합한 솔더링 플럭스가 요구된다.
본 발명의 목적은 0.02 중량% 내지 6 중량％의 안티몬(stibium), 0.03 중량% 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량％의 비스무트, 40 중량% 내지 60 중량％의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.1 중량% 내지 2.5 중량%의 스칸듐, 0.4 중량% 내지 1.5 중량%의 니오븀, 및 10 중량% 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물, 및 25 중량% 내지 32 중량%의 로진(rosin), 유기산 활성제로서, 5 중량% 내지 7 중량%의 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 표면 활성제로서, 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서, 0.7 중량% 내지 0.8 중량%의 1-옥틸 알코올; 안정화제로서, 0.5 중량% 내지 0.7 중량%의 하이드로퀴논; 및 20 중량% 내지 32 중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함하는 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트를 제공하기 위함이다.
무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가지므로, 전기 연결부를 유리 상의 금속화 표면 상에 솔더링하기 적합하다. 나아가, 솔더링 플럭스(soldering flux)는 무연 솔더에 대해 강력한 습윤 능력(wetting power)를 가지며; 이러한 솔더링 플럭스를 사용함으로써, 솔더가 균일하게 분산되고, 용접 이후에 발생된 잔류물들은 물에 대해 가용성이며, 이에 따라 솔더링 플럭스가 물로 세척된 이후에 인쇄 기판의 절연 저항이 높다.
본원 발명은 일부 구현예와 함께 하기에서 구체적으로 더 예시될 것이다. 본 명세서에서 설명된 특정 구현예들은 본원발명을 한정하기 보다는 본원발명을 단지 설명하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
본원발명은 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공하며, 상기 솔더 페이스트는 유리 상에 전자 부품을 솔더링하기에 적합하다. 예시적으로, 이러한 솔더링은 자동차의 후방 창문(rear window)을 제작하기 위해 요구되며, 상기 솔더링은 상기 후방 창문의 내부 표면 상에 증착되거나 그 안에 매립된 전기 저항 제상 라인(electrically resistive defrosting lines)로 구성된 창문 제상기를 포함한다. 제상 라인은 후방 창문의 내부 표면 상에 위치된 한 쌍의 전기 접촉 스트립(즉, 전기 접촉 표면, 모선(buss bars)로도 업급함)에 전기적으로 연결된다. 전기 접촉 스트립은 후방 창문의 내부 표면 상에 증착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 전형적으로, 전기 접촉 스트립은 은-함유 물질로 형성된다.
선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 구현예는 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공하며, 이때 상기 무연 솔더 조성물은 0.02 중량% 내지 6 중량％의 안티몬(stibium), 0.03 중량% 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량％의 비스무트, 40 중량% 내지 60 중량％의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.1 중량% 내지 2.5 중량%의 스칸듐, 0.4 중량% 내지 1.5 중량%의 니오븀, 및 10 중량% 내지 45 중량％의 주석을 포함하고, 상기 솔더링 플럭스는 25 중량% 내지 32 중량%의 로진(rosin), 유기산 활성제로서, 5 중량% 내지 7 중량%의 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 표면 활성제로서, 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서, 0.7 중량% 내지 0.8 중량%의 1-옥틸 알코올; 안정화제로서, 0.5 중량% 내지 0.7 중량%의 하이드로퀴논; 및 20 중량% 내지 32 중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함한다.
구현예에서, 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 니오븀을 포함하고, 이 중에서, 스칸듐은 입자 크기를 감소시키는 효과 및 재결정화 온도를 상승시키는 특징을 갖고, 연성 및 솔더의 안정성을 향상시킬 수 있으며, 이와 동시에 니오븀은 솔더의 강도, 고온 저항 및 내부식성을 향상시킬 수 있고, 솔더 이음부의 균열을 방지할 수 있고, 솔더 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃ 내로 증가시키고 솔더 조성물의 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃로 증가시키므로, 고융점, 고강도 및 강한 내부식성의 특징을 갖는다.
일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 1.2 중량% 내지 1.5 중량%, 더 바람직하게 1.1 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 1.0 중량% 내지 1.2 중량%, 더 바람직하게 1.2 중량%의 니오븀을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 3 중량% 내지 4 중량%의 안티몬(stibium) 및 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 6 중량% 내지 10 중량%, 바람직하게 7 중량% 내지 9 중량%, 더 바람직하게 8 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 다른 일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 8 중량% 내지 9 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.
모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜일 수 있고, 솔더 합금 내에 함유된 금속과 활성제의 반응을 억제할 수 있어서, 금속 염의 형성이 방지된다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도, 및 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액상선 온도를 갖는다. 고상선 온도는 실제로 합금이 용융하기 시작하는 온도로서 정의된다. 고상선 온도 미만에서, 성분은 완전히 고체이고, 용융상이 없다. 액상선 온도는 결정(미용융 금속 또는 합금)이 용융물과 함께 존재할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도보다 높은 온도에서, 물질은 용융물 만으로 구성되고 균일하다. 솔더 처리 온도는 솔더링 기술에 의해 결정되는 정도만큼 액상선 온도보다 높다.
본 발명의 솔더 조성물은 납을 포함하지 않으며, 전형적으로 약 105℃의 작업 온도를 갖는 동일한 유형의 다른 솔더에 비해 더 높은 작업 온도를 갖는다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물은 선행 기술에서 현재 사용되는 무연 솔더 조성물에 비해 훨씬 우수한 연성 및 안정성을 갖는다.
다른 원소들과 함께 비스무트 및 구리의 조합은, 특정 조건 하에서 솔더의 작업 온도의 예상된 증가 및 솔더의 기계적 성능의 향상을 포함하여, 솔더 조성물의 전반적인 성능을 향상시킨다.
일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.
나아가, 일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 3 중량% 내지 4 중량%의 안티몬을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 무연 솔더 조성물은 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.
본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고, 우수한 연성 및 안정성을 가지므로, 전기 연결부를 유리 상에 금속화 표면 상으로 솔더링하기에 적합하다.
이제, 본 발명의 솔더 페이스트에 의해 형성된 솔더 이음부의 내균열성 성능이, 하기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 및 일부 비교예를 대비하여 하기에서 기술될 것이다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
함량
(중량%)		 안티몬
(stibium)		 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 40 45 50 55 60 45 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 2.5 0.05 2.8
니오븀 0.4 0.6 0.8 1.1 1.5 0.05 2
주석 10 20 25 30 40 30 40
균열성 √ √ √ √ √ X X
연성 좋음 좋음 좋음 좋음 좋음 안좋음 안좋음
참조:
√: 솔더링 과정에서 인접한 솔더 이음부에 균열이 발생하지 않음
X: 솔더링 과정에서 인접한 솔더 이음부에 균열이 발생함
상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 솔더 조성물 중에 0.1 중량% 내지 2.5 중량% 범위의 양으로 함유되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 이음부의 균열은 이후 공정에서 방지될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 솔더 조성물 중에 0.1 중량% 미만 또는 2.5 중량% 초과의 양으로 함유되는 경우, 솔더의 내균열성 성능을 저하된다. 또한, 니오븀이 솔더 조성물 중에 0.4 중량% 내지 1.5 중량% 범위의 양으로 함유되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 이음부는 우수한 연성을 갖는다. 그러나, 니오븀이 솔더 조성물 중에 0.4 중량% 미만 또는 1.5 중량% 초과의 양으로 함유되는 경우, 솔더의 연성 성능은 저하된다.
고온 저장 시험
본 발명의 구현예들의 솔더 페이스트의 연성 성능을 고온 저장 시험을 통해 시험하였다. 본 시험에서, 환경 제어 챔버(climate controlled chamber)의 온도를 120℃로 일정하게 유지하였고, 전기 연결부 및 상기 전기 연결부가 본 발명의 솔더에 의해 솔더링되는 금속화 표면을 환경 제어 챔버 내에 위치시키고, 24시간 동안 6 뉴턴의 중량을 상기 전기 연결부에 매달았다. 24시간이 지난 후에, 전기 연결부를 디지털 포스 게이지 값으로 50 N의 힘으로 3초간 잡아당겼고(주변 온도에서), 이 시험 과정에서 전기 연결부로부터 발생된 균열의 절단은 없었다.
본원발명의 바람직한 구현예들 및 적용된 기술 원리는 단지 상기와 같이 기술된다는 점을 주목한다. 통상의 기술자는 본원발명이 본 명세서에서 기술된 특정 구현예들로 한정되지 않는다는 것을 이해하여야만 한다. 다양한 자명한 변형물, 재조정물 및 대체물이 본원발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 만들어질 수 있다. 그러므로, 본원발명이 상기 구현예들을 통해 구체적으로 예시되지만, 본원발명은 상기 구현예들로 단지 한정되는 것은 아니고, 본원발명의 개념을 벗어나지 않고 추가적인 다른 등가물들을 더 포함할 수 있다. 본원발명의 범위는 첨부된 청구항에 의한다.

Claims (5)

  1. 무연 솔더(lead free solder) 조성물 및 솔더링 플럭스(soldering flux)를 포함하는 솔더 페이스트로서,
    상기 무연 솔더 조성물은:
    0.02 중량% 내지 6 중량％의 안티몬(stibium),
    0.03 중량% 내지 3 중량％의 구리,
    0.03 중량% 내지 8 중량％의 비스무트,
    40 중량% 내지 60 중량％의 인듐,
    0.3 중량% 내지 8 중량％의 은,
    5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘,
    0.1 중량% 내지 2.5 중량%의 스칸듐,
    0.4 중량% 내지 1.5 중량%의 니오븀, 및
    10 중량% 내지 45 중량％의 주석을 포함하고,
    상기 솔더링 플럭스는:
    25 중량% 내지 32 중량%의 로진(rosin),
    유기산 활성제로서, 5 중량% 내지 7 중량%의 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물;
    표면 활성제로서, 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌;
    소포제로서, 0.7 중량% 내지 0.8 중량%의 1-옥틸 알코올;
    안정화제로서, 0.5 중량% 내지 0.7 중량%의 하이드로퀴논; 및
    20 중량% 내지 32 중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함하는, 솔더 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    1.2 중량% 내지 1.5 중량%의 스칸듐을 포함하는 솔더 페이스트.
  3. 제1항에 있어서,
    1.0 중량% 내지 1.2 중량%의 니오븀을 포함하는 솔더 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무연 솔더 조성물이 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 갖는 솔더 페이스트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매가 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜인 솔더 페이스트.
KR1020160128777A 2016-06-14 2016-10-06 고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트 KR20170141097A (ko)

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