KR20170141104A - 납땜 용제 및 고 연성을 갖는 무연납 땜납 조성물을 함유하는 땜납 페이스트 - Google Patents

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Abstract

납땜 용제 및 무연납 땜납 조성물을 함유하는 땜납 페이스트가 개시되고, 무연납 땜납 조성물은: 0.02%-6％ 중량 안티모니, 0.03%-3％ 중량 구리, 0.03%-8％ 중량 비스무트, 55%-68％ 중량 인듐, 0.3%-8％ 중량 은, 5%-11% 중량 마그네슘, 0.4%-1.45% 중량 스칸듐, 0.3%-1.8% 중량 팔라듐, 및 10%-45％ 중량 주석을 포함하고 납땜 용제는: 25%-32% 중량 로진, 유기 산 활성제로서, 5%-7% 중량의 펜탄 2산 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 계면 활성제로서, 0.2%-0.5% 중량 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서, 0.7%-0.8% 중량 1-옥틸 알코올; 안정제로서, 0.5%-0.7% 중량 하이드로퀴논 및 20%-32% 중량 모노알킬 프로필렌 글리콜-계 용매를 포함한다.

Description

납땜 용제 및 고 연성을 갖는 무연납 땜납 조성물을 함유하는 땜납 페이스트 {SOLDER PASTE CONTAINING LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY AND SOLDERING FLUX}
본 발명은 납땜 용제 및 고 연성을 갖는 무연납 땜납 조성물을 함유하는 땜납 페이스트에 관한 것이다.
자동차들의 후방 윈도우(rear window)들은 전형적으로 유리상에 위치된 서리제거장치(defroster)들과 같은 전기 디바이스들을 포함한다. 전기적 연결들을 전기 디바이스들에 제공하기 위해서, 작은 영역의 금속성 코팅이 일반적으로 전기 디바이스에 전기적으로 연결되도록 구성되는 금속화된 표면을 획득하기 위해 유리에 도포되고, 그런 다음 전기 디바이스의 전기 커넥터가 금속화된 표면 위에 땜납 될 수 있다.
종래 기술에서, 전기 커넥터가 납 (Pb)을 함유하는 땜납을 갖는 유리상의 금속화된 표면 위에 땜납된다. 그러나, 납에 의해 야기되는 환경 오염 때문에, 납의 사용은 점점 더 많이 제한되고, 따라서 무연납(lead free) 땜납이 납땜 애플리케이션들에 사용되기 시작한다. 예를 들어, 예컨대 80% 초과의 고 주석 (Sn) 함량을 함유하는 보통의 무연납 땜납이 일부 산업들에서 채용된다.
그러나, 유리는 깨지기 쉬워서 고 주석 함량을 갖는 보통의 무연납 땜납은 납땜 유리 위에 전기 디바이스를 납땜하는 동안에 유리의 균열을 야기하는 경향이 있다. 게다가, 납땜 열 팽창 계수 (CTE)가 실질적으로 다른 두개의 재료들 (예컨대 유리 및 구리) 납땜은 땜납 조인트 (joint)의 냉각 동안에 또는 후속 온도 과출력(excursion)들 동안에 땜납 위에 스트레스(stress)를 부과한다. 따라서, 한편으로는, 더 높은 녹는점 및 대응하는 더 높은 프로세싱 온도는 CTE 불일치의 부정적인 영향들을 증가시키고, 냉각 동안에 땜납 위에 더 높은 스트레스를 부과하기 때문에, 유리 위에 전기 디바이스를 납땜하기에 적절한 땜납 조성물은 납땜 프로세스 동안에 자동차 유리의 균열을 야기하지 않은 충분히 낮은 녹는점 (즉, 액체상선 온도(liquidus temperature)을 가질 필요가 있다. 결과적으로, 땜납은 추가로 좋은 연성(ductility)을 갖는 것이 요구된다. 반면에, 자동차의 정상 사용 동안에 예컨대 자동차가 윈도우들이 폐쇄된 상태로 햇빛에 있거나 또는 다른 극도의 심한 환경 상태들 하에 있을 때 땜납이 용융되지 않도록 땜납 조성물의 녹는점이 충분히 높아야 할 필요가 있다.
통상적으로 64.35%-65.65% 인듐 (In), 29.7%-30.3% 주석 (Sn), 4.05%- 4.95% 은 (Ag) 및 0.25%-0.75% 구리 (Cu) (이하에서, "65 인듐 땜납(Indium Solder)"으로 지칭된다)의 중량 퍼센티지(percentage)를 갖는 무연납 땜납 조성물이 이미 개시된다.
그러나, 인듐을 함유하는 땜납들은 보통 다른 땜납들보다 훨씬 더 낮은 녹는점들을 가진다. 예를 들어, 65 인듐 땜납은, 납 땜납의 160℃에 비하여 109℃의 고체상선(solidus) 온도, 및 납 땜납의 224℃에 비하여 127℃의 액체상선(liquidus) 온도를 갖는다. 일반적으로, 땜납의 더 높은 인듐 함량은 땜납의 더 낮은 고체상선 온도를 야기한다. 일부 차량 제조자들은 땜납 조인트가 상승된 온도에서 존속가능한 것을 원하여, 따라서 인듐 함량을 갖는 땜납은 120℃ 이상의 고체상선 온도를 갖고 성능에서의 임의의 열화없이 -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 좋은 연성을 가져야 한다.
더구나, 가깝게 배열된 복수개의 전기 커넥터들 납땜시에, 전기 커넥터의 납땜은 인접 땜납된 전기 커넥터에 영향을 미칠 것이고, 따라서 땜납은 높은 안정성 및 연성을 가져야만 하고, 그렇지 않으면, 인접한 전기 커넥터의 균열 및 재용융(remelting)이 일어나기 쉬울 것이다.
납땜 용제(soldering flux)는 납땜에 필요한 첨가제(additive)이다. 희망하는 상기의 땜납 조성물에 대하여, 납땜 용제 및 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 페이스트(solder paste)가 장-시간 보관(storage) 동안에 고착도(stickiness)를 유지할 수 있고, 과잉 잔존물이 납땜 동안에 납땜 용제에 의해 발생하지 않고, 그리고 납땜을 하고 있는 회로 기판이 쉽게 깨끗해질 수 있기 위한 적절한 납땜 용제가 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 납땜 용제 및 무연납 땜납 조성물을 함유하는 땜납 페이스트를 제공하는 것이고, 상기 무연납 땜납 조성물은: 0.02%-6％ 중량 안티모니, 0.03%-3％ 중량 구리, 0.03%-8％ 중량 비스무트, 55%-68％ 중량 인듐, 0.3%-8％ 중량 은, 5%-11% 중량 마그네슘, 0.4%-1.45% 중량 스칸듐, 0.3%-1.8% 중량 팔라듐, 및 10%-45％ 중량 주석을 포함하고; 및 상기 납땜 용제는: 25%-32% 중량 로진, 유기 산 활성제로서, 5%-7% 중량의 펜탄 2산(diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 계면 활성제로서, 0.2%-0.5% 중량 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제(defoaming agent)로서, 0.7%-0.8% 중량 1-옥틸 알코올; 안정제(stabilizer)로서, 0.5%-0.7% 중량 하이드로퀴논; 및 20%-32% 중량 모노알킬 프로필렌 글리콜-계 용매를 포함한다.
본 발명의 무연납 땜납 조성물은 120℃이상의 고체상선 온도를 가지며, 좋은 연성 및 안정성을 가지며, 그래서 유리상의 금속화된 표면 위로 전기 커넥터들 납땜에 적절하다. 더구나, 상기 납땜 용제는 상기 무연납 땜납들에 대하여 강합 습식 파워(wetting power)를 가져서; 상기 납땜 용제를 이용함으로써, 상기 땜납들은 균일하게 분산되고, 웰딩(welding) 후에 생성된 잔존물은 상기 납땜 용제가 물로 깨끗하게 된 후에 프린트된 보드가 높은 절연 저항이 되도록 물에 가용적(soluble)이다.
본 발명은 일부 실시예들과 함께 이하에 상세하게 추가로 예시될 것이다. 본 출원에 설명되는 특정 실시예들은 본 발명을 제한하기 보다는 본 발명을 단지 설명하기 위한 것이 이해될 수 있다.
본 발명은 유리 위 전기 엘리먼트들 납땜에 적절한 납땜 용제 및 무연납 땜납 조성물을 포함하는 땜납 페이스트를 제공한다. 예시적으로, 이런 납땜은 자동차의 후방 윈도우의 제조를 위해 요구되는데, 이는 후방 윈도우의 내부 표면상에 증착되거나 또는 그 안에 내장되는 전기적 저항성 서리제거 라인들을 포함하는 윈도우 서리제거장치(window defroster)를 포함한다. 서리제거 라인들은 후방 윈도우의 내부 표면상에 위치된 한 쌍의 전기적 컨택 스트립(contact strip)들 (즉, 또한 모선(buss bar)들로 지칭되는 전기적 컨택 표면들)에 전기적으로 연결된다. 전기적 컨택 스트립들은 후방 윈도우의 내부 표면상에 증착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 전형적으로, 전기적 컨택 스트립들은 은-함유 재료로 형성된다.
종래 기술의 문제를 극복하기 위해, 본 발명의 실시예는 납땜 용제 및 무연납 땜납 조성물을 포함하는 땜납 페이스트를 제공하고, 무연납 땜납 조성물은: 0.02%-6％ 중량 안티모니, 0.03%-3％ 중량 구리, 0.03%-8％ 중량 비스무트, 55%-68％ 중량 인듐, 0.3%-8％ 중량 은(silver), 5%-11% 중량 마그네슘, 0.4%-1.45% 중량 스칸듐, 0.3%-1.8% 중량 팔라듐, 및 10%-45％ 중량 주석을 포함한다. 납땜 용제(soldering flux)는: 25%-32% 중량 로진(rosin), 유기 산 활성제로서, 5%-7% 중량의 펜탄 2산(diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물(mixture); 계면 활성제로서, 0.2%-0.5% 중량 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서 0.7%-0.8% 중량 1-옥틸 알코올; 안정제로서 0.5%-0.7% 중량 하이드로퀴논; 및 20%-32% 중량 모노알킬 프로필렌 글리콜-계 용매를 포함한다.
상기 실시예에서, 무연납 땜납 조성물은 스칸듐 및 팔라듐을 포함하고, 이들 중에서 스칸듐은 재결정 온도를 높이는 특징과 입자 사이즈(grain size)를 줄이는 효과를 가지며 땜납의 연성 및 안정성을 증가시킬 수 있는 반면, 한편 팔라듐은 높은 녹는점, 높은 세기(strength) 및 강한 부식 방지에 의해 특징되고, 땜납의 세기, 높은-온도 저항 및 부식 방지성을 증가 시킬 수 있고, 땜납 조인트의 균열을 회피할 수 있고, 땜납 조성물의 고체상선 온도가 120℃ 내지 135℃ 범위 내에 있도록 그리고 땜납 조성물의 액체상선 온도가 130℃ 내지 145℃ 범위 내에 있도록 증가시킨다.
일부 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 1.0%-1.1％ 중량, 보다 바람직하게는 1.04％ 중량, 스칸듐을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 0.7%-0.8％ 중량, 보다 바람직하게는 0.75％ 중량, 팔라듐을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 3%-4％ 중량 안티모니 및 4%-5％ 중량 비스무트(bismuth)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 6%-10％ 중량, 바람직하게는 7%-9％ 중량, 보다 바람직하게는 8％ 중량, 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 8%-9％ 중량 마그네슘을 포함할 수 있다.
모노알킬 프로필렌 글리콜-계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜 일 수 있고, 땜납 합금에 함유된 금속과 활성제의 반응을 억제할 수 있고, 그렇게 함으로써 금속 염의 형성을 방지한다.
상기에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 땜납 페이스트에 무연납 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내 고체상선 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위 내 액체상선 온도를 가진다. 고체상선 온도는 실제로 합금이 용융을 시작하는 온도로서 정의된다. 고체상선 온도 아래에서, 물질은 용융된 상태(phase)없이 완전히 고체이다. 액체상선 온도는 결정들 (용융되지 않은 금속 또는 합금)이 용융물과 함께 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액체상선 온도 초과에서는, 재료는 균질(homogeneous)이고, 단지 용융물로 구성된다. 땜납 프로세싱 온도는 납땜 기술에 의해 결정되는 얼마간의(a number of) 정도만큼 액체상선 온도보다 더 높다.
본 발명의 땜납 조성물은 납이 없고, 전형적으로 약 105℃인 동일 유형의 다른 땜납의 작업 온도보다 더 높은 작업 온도를 가진다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은 종래 기술의 현존하는 무연납 땜납 조성물과 비교하여 훨씬 더 좋은 연성 및 안정성을 가진다.
다른 원소들과 비스무트 및 구리의 조합은 특정 상태들하에서 땜납의 기계적 성능의 증강 및 땜납의 작업 온도의 예상되는 증가를 포함하여 땜납 조성물의 전체 성능을 개선시킨다.
일부 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내 고체상선 온도를 가질 수 있다.
추가로 일부 실시예들에서, 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위 내 액체상선 온도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 3%-4％ 중량 안티모니를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 무연납 땜납 조성물은 4%-5％ 중량 비스무트를 포함할 수 있다.
본 발명의 무연납 땜납 조성물은 120℃이상의 고체상선 온도를 가지며, 좋은 연성 및 안정성을 가지며, 그래서 유리상의 금속화된 표면 위로 전기 커넥터들 납땜에 적절하다.
이제 본 발명의 땜납 페이스트에 의해 형성된 땜납 조인트의 균열 방지 성능이 아래의 표 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예들과 일부 비교 예들간의 비교로 이하에 설명될 것이다.
Figure pat00001
유의:
√: 균열이 납땜 동안에 인접 땜납 조인트들에 발생하지 않는다.
×: 균열이 납땜 동안에 인접 땜납 조인트들에 발생한다.
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 0.4%-1.45％ 중량 범위 내 양으로 함유된 때, 본 발명의 무연납 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 조인트의 균열은 후속 프로세스들에서 회피 될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 땜납 조성물에 0.4％ 중량 보다 작거나 또는 1.45％ 중량 보다 더 큰 양으로 함유된 때, 땜납의 균열방지 성능이 저하된다. 추가적으로, 팔라듐이 땜납 조성물에 0.3%-1.8％ 중량 범위 내 양으로 함유된 때, 본 발명의 무연납 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 조인트는 좋은 연성을 가진다. 그러나, 팔라듐이 땜납 조성물에 0.3％ 중량 보다 작거나 또는 1.8％ 중량 보다 더 큰 양으로 함유된 때, 땜납의 연성 성능이 저하된다.
고온 보관 테스트(High Temperature Storage Test)
본 발명의 실시예들의 땜납 페이스트의 연성 성능이 고온 보관 테스트에 의해 테스트된다. 이 테스트에서, 기후 제어되는 챔버의 온도는 일정한 120℃에서 유지되었고, 전기 커넥터 및 전기 커넥터가 본 발명의 땜납에 의해 그 위에 땜납된 금속화된 표면은 기후 제어되는 챔버 내에 배치되고, 6 뉴톤의 중량이 24 시간 동안 전기 커넥터에 매달려 졌다. 24 시간이 끝난 후에, 전기 커넥터가 디지털 힘 게이지에 의해 50 N의 힘으로 3 초 동안 당겨졌고 (주위 온도에서), 전기 커넥터에서 균열의 어떠한 비연결(disconnection)도 이 테스트 동안에 발생되지 않았다.
본 발명의 바람직한 실시예들 및 적용된 기술 원리들은 상기에서 단순히 설명된 것을 의미한다. 당해 기술분야의 통상의 기술자들은 본 발명은 본 출원에서 설명된 특정 실시예들에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 다양한 명확한 변화들, 재조정 및 대안들이 본 발명의 보호 범위 내에서 벗어나지 않고 당해 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 비록 본 발명은 상기의 실시예들을 통하여 상세하게 예시되었지만, 본 발명은 상기의 실시예들에만 제한되지 않고, 본 발명의 개념을 벗어나지 않고 더 많은 다른 균등 실시예들을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 종속된다.

Claims (5)

  1. 무연납(lead free) 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트(solder paste)로서, 상기 무연납 땜납 조성물은:
    0.02%-6％ 중량 안티모니,
    0.03%-3％ 중량 구리,
    0.03%-8％ 중량 비스무트,
    55%-68％ 중량 인듐,
    0.3%-8％ 중량 은,
    5%-11% 중량 마그네슘,
    0.4%-1.45% 중량 스칸듐,
    0.3%-1.8% 중량 팔라듐, 및
    10%-45％ 중량 주석을 포함하고, 상기 납땜 용제(soldering flux)는:
    25%-32% 중량 로진(rosin),
    유기 산 활성제로서, 5%-7% 중량의 펜탄 2산(diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물;
    계면 활성제로서, 0.2%-0.5% 중량 알킬페놀 폴리옥시에틸렌;
    소포제로서, 0.7%-0.8% 중량 1-옥틸 알코올;
    안정제(stabilizer)로서, 0.5%-0.7% 중량 하이드로퀴논; 및
    20%-32% 중량 모노알킬 프로필렌 글리콜-계 용매를 포함하는, 땜납 페이스트.
  2. 청구항 1에 있어서, 1.0%-1.1％ 중량 스칸듐을 포함하는, 땜납 페이스트.
  3. 청구항 1에 있어서, 0.7%-0.8％ 중량 팔라듐을 포함하는, 땜납 페이스트.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 무연납 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위내 고체상선(solidus) 온도를 갖는, 땜납 페이스트.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 모노알킬 프로필렌 글리콜-계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜인, 땜납 페이스트.
KR1020160183671A 2016-06-14 2016-12-30 납땜 용제 및 고 연성을 갖는 무연납 땜납 조성물을 함유하는 땜납 페이스트 KR20170141104A (ko)

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