KR20170143155A - 높은 연성을 가지는 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 8 중량%의 비스무스, 32 중량% 내지 63 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.35 중량% 내지 1.8 중량%의 스칸듐, 0.5 중량% 내지 1.7 중량%의 하프늄, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물이 개시된다. 본원의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속화된 표면에 전기적 연결부를 솔더링하기에 적합하다.

Description

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

본원은 무연 솔더 조성물, 및 특히 높은 연성을 가지는 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.

자동차의 리어 윈도우들(rear windows)은 일반적으로 유리 상에 위치된, 디프로스터(defrosters)와 같은, 전기 디바이스를 포함한다. 상기 전기 디바이스에 전기적 연결부를 제공하기 위해, 상기 전기 디바이스에 전기적으로 연결되도록 배치된 금속화된 표면을 수득하기 위해 작은 면적의 금속 코팅이 일반적으로 상기 유리에 적용되며, 그 후 상기 전기 디바이스의 전기적 연결부가 상기 금속화된 표면 상에 솔더(solder)될 수 있다.

선행 기술에서, 상기 전기적 연결부는 납(Pb)을 함유하는 솔더(solder)를 이용하여 상기 유리 상의 상기 금속화된 표면 상에 솔더된다. 그러나, 납에 의해 야기되는 환경오염 때문에, 납의 사용은 점점 더 제한되며, 따라서 무연 솔더가 솔더링(soldering) 적용에서 사용되기 시작한다. 예를 들어, 80% 초과와 같이 높은 주석(Sn) 함량을 포함하는 통상의 무연 솔더가 일부 산업에서 채용된다.

그러나, 상기 유리는 깨지기 쉽고, 따라서 높은 주석 함량을 가지는 상기 통상의 무연 솔더는, 상기 유리 상에 상기 전기 디바이스를 솔더링하는 동안 상기 유리의 크래킹(cracking)을 발생시키는 경향이 있다. 게다가, 열 팽창계수(CTE)가 실질적으로 상이한 (유리와 구리 같은) 두 개의 물질을 솔더링하는 것은 상기 솔더 연결부를 냉각시키는 동안 또는 후속되는 온도 변화(excursion) 동안 상기 솔더 상에 스트레스를 부가한다. 따라서, 한편으로는, 상기 유리 상에 상기 전기 디바이스를 솔더링하기 위해 적합한 상기 솔더 조성물은 상기 솔더링 공정 동안 상기 자동차 유리의 크래킹을 발생시키지 않을 만큼 충분히 낮은 녹는점(즉, 액체화 온도)을 가지는 것이 필요한데, 이것은 더 높은 녹는점 및 상응하는 더 높은 공정 온도가 CTE 미스매치의 부작용을 증가시키고, 이것은 냉각 동안 상기 솔더 상에 더 높은 스트레스를 부가한다. 결과적으로, 상기 솔더는 우수한 연성(ductility)을 가지는 것이 더 요구된다. 반면, 상기 솔더 조성물의 녹는점은 충분히 높을 필요가 있으며, 이에 따라, 창문이 닫힌 상태로 차가 햇빛 속에 있거나 또는 다른 극도의 가혹한 환경 조건 하게 있는 것과 같이, 자동차의 일반적인 사용 동안 상기 솔더가 용융되지 않을 것이다.

종래에는 이미 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)의 중량 퍼센트를 가지는 무연 솔더 조성물(이하, "65 인듐 솔더"로서 표시됨)이 개시되었다.

그러나, 인듐을 함유하는 솔더는, 다른 솔더들에 비해 일반적으로 훨씬 낮은 녹는점을 가진다. 상기 65 인듐 솔더는, 예를 들어, 상기 납 솔더의 160℃에 비해, 109℃의 고체화(solidus) 온도, 및 상기 납 솔더의 224℃에 비해, 127℃의 액체화(liquidus) 온도를 가진다. 일반적으로, 상기 솔더에서 더 높은 인듐의 함량은 상기 솔더의 더 낮은 고체화 온도를 야기한다. 일부 자동차 제조사들은 상기 솔더 조인트(joint)가 상승된 온도를 견딜 수 있어야 하고, 이에 따라 인듐 함량을 가진 상기 솔더가 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지고 -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서, 성능의 어떠한 저하없이, 우수한 연성을 가지는 것을 바란다.

또한, 가까이 배열된 복수의 전기적 연결부들의 솔더링에서, 상기 전기적 연결부의 솔더링은 인접한 솔더된 전기적 연결부에 영향을 미칠 것이며, 따라서 상기 솔더는 높은 안정성 및 연성을 가져야 하며, 그렇지 않으면 상기 인접한 전기적 연결부의 재용융(remelting) 및 크래킹이 발생하기 쉬울 것이다.

이에 따라, 본원의 목적은 하기를 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공하는 것이다: 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬(antimony = stibium), 0.03 중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무스, 32 중량% 내지 63 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.35 중량% 내지 1.8 중량%의 스칸듐, 0.5 중량% 내지 1.7 중량%의 하프늄, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 1 중량% 내지 1.3 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 1.0 중량% 내지 1.4 중량%의 하프늄을 포함할 수 있다.

상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고체화(solidus) 온도를 가질 수 있다.

또한, 상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액체화(liquidus) 온도를 가질 수 있다.

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

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

본원의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속화된 표면에 전기적 연결부를 솔더링하기에 적합하다.

본원은 이하에서 일부 구현예들과 함께 더 상세하게 설명될 것이다. 본원에 기재된 구체적인 구현예들은 본원을 제한하려는 것이 아니고 단지 본원을 설명하기 위한 것이다.

본원은 무연 솔더 조성물을 제공하며, 이것은 유리 상에 전기적 요소들을 솔더링하는데 적합하다. 예를 들어, 이러한 솔더링은 자동차의 리어(rear) 윈도우를 제조하는데 필요하며, 이는 상기 리어 윈도우의 내부에 장착되거나 또는 내부 표면에 증착된 전기적 저항성의 디프로스팅(defrosting) 라인으로 구성된 윈도우 디프로스터(defroster)를 포함한다. 상기 디프로스팅 라인은 상기 리어 윈도우의 내부 표면 상에 위치된 전기적 연결 스트립 [즉, 전기적 연결 표면, 또는 부스 바(buss bar)라고 표시됨]의 쌍(pair)에 전기적으로 연결된다. 상기 전기 연결 스트립은 상기 리어 윈도우의 내부 표면 상에 증착된 전도성 코팅(coating)으로 형성될 수 있다. 전형적으로, 상기 전기적 연결 스트립은 은(silver)-함유 물질로부터 형성된다.

선행 기술에서의 문제점을 극복하기 위해, 본원의 구현예는 하기를 포함하는, 무연 솔더 조성물을 제공한다 : 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무스, 32 중량% 내지 63 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.35 중량% 내지 1.8 중량%의 스칸듐, 0.5 중량% 내지 1.7 중량%의 하프늄, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석.

상기 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 하프늄을 포함하며, 그 중 스칸듐은 그레인 사이즈를 감소시키는 효과 및 재결정화 온도를 높이는 특징을 가지며 상기 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 반면 높은 녹는점, 높은 강도 및 강한 내부식성에 의해 특성화되는 하프늄은, 상기 솔더 조인트의 크래킹을 방지하고, 상기 솔더 조성물의 고체화 온도를 120℃ 내지 135℃의 범위 내로 및 상기 솔더 조성물의 액체화 온도를 130℃ 내지 145℃의 범위 내로 증가시킨다.

일부 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 1 중량% 내지 1.3 중량%, 더바람직하게는 1.1 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

일부 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 1.0 중량% 내지 1.4 중량%, 더바람직하게는 1.2 중량%의 하프늄을 포함할 수 있다.

일부 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 3 중량% 내지 4 중량%의 안티몬 및 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.

일부 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 6 중량% 내지 10 중량%, 바람직하게는 7 중량% 내지 9 중량%, 더 바람직하게는 8 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 다른 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 8 중량% 내지 9 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본원의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고체화 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위의 액체화 온도를 가진다. 상기 고체화(solidus) 온도는 실질적으로 합금이 용융되기 시작하는 온도로서 정의된다. 상기 고체화 온도 미만에서는, 상기 물질은 용융된 상(phase)이 없이 완전히 고체이다. 상기 액체화(liquidus) 온도는 결정(용융되지 않은 금속 또는 합금)이 용융된 것과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 상기 액체화 온도 초과에서는, 상기 물질이 오직 용해된 것으로만 형성되며, 균일(homogeneous)하다. 상기 솔더 공정 온도는 상기 솔더링 기술에 의해 결정되는 온도(degrees)에 의하여 상기 액체화 온도 보다 높다.

본원의 상기 솔더 조성물은 납이 없으며, 전형적으로 약 105℃인 같은 타입의 다른 솔더의 작업 온도보다 높은 작업 온도를 가진다. 또한, 본원의 솔더 조성물은, 선행 기술에 존재하는 무연 솔더 조성물과 비교하여, 훨씬 우수한 연성 및 안정성을 가진다.

다른 원소들(elements)과 비스무스 및 구리의 조합은 상기 솔더 조성물의 전체적 성능을 향상시키며, 이것은 상기 솔더의 특정 조건 하에서 작업 온도의 예상된 증가와 상기 솔더의 기계적 성능의 향상을 포함한다.

일부 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고체화 온도를 가질 수 있다.

또한 일부 구현예에 있어서, 상기 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액체화 온도를 가질 수 있다.

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

일부 구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.

본원의 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고체화 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속화된 표면에 전기적 연결부를 솔더링 하기에 적합하다.

이후 본원의 상기 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 조인트의 안티-크래킹 성능이 이하에서 본원의 실시예들과 일부 비교 예시들 간의 대비를 통해 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 기재될 것이다.

[표 1]

주석:

√: 솔더링 동안 인접 솔더 조인트에 크래킹이 발생하지 않음.

×: 솔더링 동안 인접 솔더 조인트에 크래킹이 발생함.

상기 표에서 볼 수 있듯이, 스칸듐이 상기 솔더 조성물 내에 0.35 중량% 내지 1.8 중량%의 범위의 양으로 함유될 때, 본원의 상기 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 상기 솔더 조인트의 크래킹은 후속 공정에서 방지되었다. 그러나, 스칸듐이 상기 솔더 조성물 내에 0.35 중량% 미만 또는 1.8 중량% 초과의 양으로 함유될 때, 상기 솔더의 상기 안티-크래킹 성능은 저하되었다. 추가로, 하프늄이 상기 솔더 조성물 내에 0.5 중량% 내지 1.7 중량%의 범위의 양으로 함유될 때, 본원의 상기 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 상기 솔더 조인트는 우수한 연성을 가졌다. 그러나, 하프늄이 상기 솔더 조성물 내에 0.5 중량% 미만 또는 1.7 중량% 초과의 양으로 함유될 때, 상기 솔더의 연성 성능은 저하되었다.

고온 저장(storage) 테스트

본원의 구현예들에 따른 상기 무연 솔더 조성물의 연성 성능이 고온 저장 테스트에 의해 시험되었다. 이 시험에서, 기후 조절 챔버(climate controlled chamber)의 온도는 일정한 120℃에서 유지되었고, 전기적 연결부 및 본원의 상기 솔더에 의해 솔더링된 전기적 연결부가 형성된 금속화된 표면이 상기 기후 조절 챔버 내에 놓여졌으며, 6 Newton의 중량이 상기 전기적 연결부로부터 24 시간 동안 매달렸다. 24 시간이 지난 후, 상기 전기적 연결부는 3 초 동안 디지털 포스 게이지(digital force gauge)에 의해 50 N의 힘으로 당겨졌고, 상기 전기적 연결부로부터 크래킹의 절단이 상기 테스트 동안 발생하지 않았다.

본원의 상기 바람직한 구현예들 및 적용된 기술 원리들이 상기와 같이 단지 기술된다. 본원이 여기에 기재된 특정 구현예들에 제한되지 않는 것임이 관련 분야의 통상의 기술자에게 이해되어야 한다. 다양하고 명확한 변화들, 재조정 및 대안이 본원의 보호 범위를 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 실시될 수 있다. 따라서, 본원이 상기 구현예들을 통해 구체적으로 예시되었을지라도, 본원은 단순히 상기 구현예들에 한정되는 것은 아니며, 본원의 개념을 벗어나지 않고 다른 균등한 구현예들을 더 추가 포함할 수 있다. 본원의 범위는 첨부된 청구범위에 해당한다.

Claims (5)

1. 하기를 포함하는, 무연 솔더(lead free solder) 조성물:
   0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬(antimony = stibium),
   0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리,
   0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무스,
   32 중량% 내지 63 중량%의 인듐,
   0.3 중량% 내지 8 중량%의 은,
   5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘,
   0.35 중량% 내지 1.8 중량%의 스칸듐,
   0.5 중량% 내지 1.7 중량%의 하프늄, 및
   10 중량% 내지 45 중량%의 주석.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   1 중량% 내지 1.3 중량%의 스칸듐을 포함하는, 무연 솔더 조성물.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   1.0 중량% 내지 1.4 중량%의 하프늄을 포함하는, 무연 솔더 조성물.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위의 고체화 온도(solidus temperature)를 가지는 것인, 무연 솔더 조성물.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위의 액체화 온도(liquidus temperature)를 가지는 것인, 무연 솔더 조성물.