KR20180019368A - 고연성의 무연 솔더 조성물 - Google Patents

Abstract

0.02 내지 6 중량%의 스티비움, 0.03 내지 3 중량%의 구리, 0.03 내지 8 중량%의 비스무스, 55 내지 68 중량%의 인듐, 0.3 내지 8 중량%의 은, 5 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.4 내지 1.45 중량%의 스칸듐, 0.3 내지 1.8 중량%의 팔라듐, 및 10 내지 45 중량%의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 무연 솔더 조성물은 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 가지며, 양호한 연성 및 안정성을 가져, 따라서 유리 상의 금속화된 표면에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다.

Description

고연성의 무연 솔더 조성물{LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY}

본 발명은 무연 솔더 조성물( lead free solder composition )에 관한 것으로, 더 구체적으로는 고연성의 무연 솔더 조성물에 관한 것이다.

자동차의 리어 윈도우(rear window)는 일반적으로 유리 위에 위치한 디프로스터(defroster)와 같은 전기 장치를 포함한다. 전기 장치에 전기 접속을 제공하기 위해, 전기 장치에 전기적으로 연결되도록 구성된 금속화된 표면을 획득하도록 일반적으로 작은 면적의 금속 코팅이 적용되며, 전기 장치의 전기 커넥터는 금속화된 표면에 납땜될 수 있다.

종래 기술에 있어서, 전기 커넥터는 납(Pb)을 포함하는 솔더(solder)로 유리의 금속화된 표면에 납땜된다. 그러나 납에 의한 환경 오염에 기인하여 납의 사용은 더욱더 제한되며, 따라서 납땜 적용(soldering application)에 무연 솔더(lead free solder)가 사용되기 시작한다. 예를 들어, 80% 이상과 같이 높은 함량의 주석(Sn)을 포함하는 일반적인 무연 솔더가 일부 산업 분야에서 사용된다.

그러나, 유리는 깨지기 쉬워서, 높은 함량의 주석을 갖는 일반적인 무연 솔더는 유리 상에 전기 장치를 납땜할 때 유리에 균열을 일으키는 경향이 있다. 또한, 열팽창 계수(Coefficient of thermal expansion, CTE)에 있어서 실질적으로 다른 두 물질(예를 들면 유리와 구리)을 납땜하는 것은 솔더 접합부의 냉각시, 그리고 후속의 온도 공정시에 있어서 솔더에 압박을 유발한다. 따라서, 한편으로는 유리 상의 전기 장치를 납땜하기에 적합한 솔더 조성물은 납땜 과정에서 자동차 유리의 균열이 발생하지 않을 만큼 충분히 낮은 녹는점(즉, 액상선 온도(liquidus temperature))을 가질 필요가 있으며, 왜냐하면 높은 녹는점 및 그에 대응하는 높은 공정 온도는 냉각시에 솔더에 높은 압박을 유발하는 CTE 부정합의 악영향을 증대시키기 때문이다. 결과적으로, 솔더는 우수한 연성을 갖도록 더 요구된다. 반면, 일반적인 자동차 사용 동안, 예를 들어 자동차가 창문이 닫힌 채로 태양 아래 있거나, 또는 다른 극단적인 열악한 환경 조건에 있을 때와 같을 때, 솔더 조성물의 녹는점은 솔더가 녹지 않도록 충분히 높을 필요가 있다.

64.35%-65.65% 중량 퍼센트의 인듐(In), 29.7%-30.3% 주석(Sn), 4.05%- 4.95% 은(Ag), 및 0.25%-0.75% 구리(Cu)를 갖는 무연 솔더 조성물(이하, "65 인듐 솔더"라 함)이 종래에 이미 개시되어 있다.

그러나 인듐을 포함하는 솔더는 보통 다른 솔더들보다 훨씬 낮은 녹는점을 갖는다. 예를 들어, 65 인듐 솔더는 109℃의 고상선 온도(solidus temperature)를 가지며, 납 솔더(lead solder)의 160℃에 비교되고, 그리고 127℃의 액상선 온도는 납 솔더의 224℃와 비교된다. 일반적으로, 솔더의 높은 인듐 함량은 솔더의 낮은 고상선 온도를 야기한다. 몇몇 자동차 제조업체는 솔더 접합부가 상승된 온도를 견딜 만한 성능을 갖기를 원하며, 따라서 인듐을 함유하는 솔더는 성능의 열화 없이, 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 가져야 하며 -40℃에서 120℃ 사이 온도에서 양호한 연성을 가져야 한다.

또한, 밀접하게 배열된 다수의 전기 커넥터를 납땜함에 있어서, 전기 커넥터의 납땜은 인접하게 납땜된 전기 커넥터에 영향을 미칠 것이며, 따라서 솔더는 높은 안정성 및 연성을 가져야 하고, 그렇지 않으면 인접한 전기 커넥터의 재용융(remelting) 및 균열이 발생할 수 있다.

본 발명은 우수한 연성 및 안정성을 갖고, 따라서 유리 상에 금속화된 표면에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합한 무연 솔더 조성물을 제공하기 위한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은: 0.02 내지 6 중량%의 스티비움, 0.03 내지 3 중량%의 구리, 0.03 내지 8 중량%의 비스무스, 55 내지 68 중량%의 인듐, 0.3 내지 8 중량%의 은, 5 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.4 내지 1.45 중량%의 스칸듐, 0.3 내지 1.8 중량%의 팔라듐, 및 10 내지 45 중량%의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공하기 위한 것이다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 1.0 내지 1.1 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무연 솔더 조성물은 0.7 내지 0.8 중량%의 팔라듐을 포함할 수 있다.

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

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

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

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

본 발명에 따른 무연 솔더 조성물은 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 갖고, 따라서 유리 상에 금속화된 표면에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다.

이하, 본 발명을 몇몇 실시 예와 함께 더 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기술된 구체적 실시 예들은 본 발명의 범주를 제한하기보다는 단지 본 발명의 내용을 설명하기 위한 것으로 이해될 수 있다.

본 발명은 유리 상에 전기 소자를 납땜하는데 적합한 무연 솔더 조성물(lead free solder composition)을 제공한다. 예시적으로, 이러한 납땜은 자동차의 리어 윈도우(rear window)를 제조하는 데에 요구되며, 리어 윈도우는 리어 윈도우 내부면에 설치되어 전기적으로 저항성을 갖는 제상 라인(defrosting line)으로 구성된 윈도우 디프로스터(window defroster)를 포함한다. 제상 라인은 리어 윈도우의 내부면에 위치한 한 쌍의 전기 접촉 스트립(electrical contact strip)(즉, 전기 접촉면 , 버스 바(buss bur)로도 지칭됨)에 전기적으로 연결된다. 전기 접촉 스트립은 리어 윈도우의 내부면에 증착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 전기 접촉 스트립은 은-함유 물질로 형성될 수 있다.

종래 기술의 문제점을 극복하기 위해, 본 발명의 일 실시 예는, 0.02 내지 6중량%의 스티비움 ( stibium ), 0.03 내지 3 중량%의 구리, 0.03 내지 8 중량%의 비스무스 (bismuth), 55 내지 68 중량%의 인듐, 0.3 내지 8 중량%의 은, 5 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.4 내지 1.45 중량%의 스칸듐, 0.3 내지 1.8 중량%의 팔라듐, 및 10 내지 45 중량%의 주석을 포함하는 무연 솔더 조성물을 제공한다.

상기 실시 예에 있어서 , 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 팔라듐을 포함하며, 그중 스칸듐은 입자 크기를 줄이는 효과 및 재결정 온도를 상승시키는 기능을 가지고 있으며 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 팔라듐은 높은 녹는점, 높은 강도 및 강한 내식성(anti-corrosion)으로 특징지어지며 솔더의 강도, 고온 저항성 및 내식성을 향상시킬 수 있으며, 솔더 접합부의 균열을 방지하고, 솔더 조성물의 고상선 온도가 120℃ 내지 135℃의 범위 내에 있도록, 솔더 조성물의 액상선 온도가 130℃ 내지 145℃의 범위 내에 있도록 증가시킬 수 있다.

일부 실시 예에 있어서 , 무연 솔더 조성물은 1.0 내지 1.1 중량% , 더 바람직하게는 1.04중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

일부 일시 예에 있어서 , 무연 솔더 조성물은 0.7 내지 0.8 중량% , 더 바람직하게는 0.75중량%의 팔라듐을 포함할 수 있다.

일부 일시 예에 있어서 , 무연 솔더 조성물은 3 내지 4 중량%의 스티비움 및 4 내지 5 중량%의 비스무스를 포함할 수 있다.

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

상기 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도, 그리고 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액상선 온도를 갖는다. 고상선 온도는 실질적으로 합금이 용융되기 시작하는 온도로 정의된다. 고상선 온도 이하에서, 물질은 용융 과정 없이 완전히 고체이다. 액상선 온도는 결정(용융되지 않은 금속 또는 합금)이 용융 상태와 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 이상에서, 물질은 용융 상태로만 이루어진 균일질이다. 납땜 공정 온도는 액상선 온도보다, 납땜 기술에 의해 결정되는 온도만큼 높다.

본 발명에 따른 솔더 조성물은 무연이며, 전형적으로 약 105℃인 동일 유형의 다른 솔더들보다 가공 온도가 높다. 또한, 본 발명에 따른 솔더 조성물은 종래 기존의 무연 솔더 조성물에 비해 더 우수한 연성 및 안정성을 갖는다.

비스무스 및 구리의 다른 요소들과의 조합은, 솔더의 기계적 성능 향상, 및 예상되는 가공 온도의 증가를 포함하는 솔더 조성물의 전체적인 성능을 특정한 조건 하에서 향상시킨다.

일부 실시 예에 있어서, 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도를 가질 수 있다.

다른 일부 실시 예에 있어서, 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액상선 온도를 가질 수 있다.

일부 실시 예에 있어서, 무연 솔더 조성물은 3 내지 4 중량%의 스티비움을 포함할 수 있다.

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

본 발명에 따른 무연 솔더 조성물은 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 가지며, 양호한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상에서 금속화된 표면에 전기 커넥터를 납땜하는 데 적합하다.

이제, 아래 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부의 내-균열성능(anti-cracking performance)이 몇몇 비교되는 예시들과 본 발명의 실시 예들과의 비교와 함께 설명된다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
함량(중량%)	스티비움	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	55	57	60	65	68	57	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.4	0.6	1.1	1.2	1.45	0.2	1.8
	팔라듐	0.3	0.6	1.0	1.2	1.8	0.05	2.0
	주석(tin)	10	20	25	30	40	30	40
균열(cracking)		√	√	√	√	√	×	×
연성(ductility)		양호	양호	양호	양호	양호	부족	부족

주석(Note):

√: 납땜하는 동안 인접한 솔더 접합부에 균열이 발생하지 않음

×: 납땜하는 동안 인접한 솔더 접합부에 균열이 발생함

상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 솔더 조성물에 스칸듐이 0.4 내지 1.45 중량%의 범위 내의 양으로 함유되어 있을 때, 본 발명에 따른 무연 솔더 조성물에 의해 후속 공정에서의 솔더 접합부의 균열을 방지할 수 있다. 그러나, 솔더 조성물에 스칸듐이 0.4 중량%보다 낮거나 1.45 중량%보다 높은 양으로 함유되어 있을 때, 솔더의 내-균열성능은 저하된다. 또한, 솔더 조성물에 팔라듐이 0.3 내지 1.8 중량%의 범위 내의 양으로 함유되어 있을 때, 본 발명에 따른 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부는 양호한 연성을 갖는다. 그러나, 솔더 조성물에 니오븀이 0.3 중량%보다 낮거나 1.8 중량%보다 높은 양으로 함유되어 있을 때, 솔더의 연성은 저하된다.

고온 보관 실험(High Temperature Storage Test)

본 발명의 실시 예에 따른 무연 솔더의 연성 성능을 고온 보관 실험으로 테스트하였다. 본 실험에서, 분위기 조절 챔버(climate controlled chamber)의 온도는 120℃로 일정하게 유지되며, 전기 커넥터 및 본 발명에 따른 솔더로 전기 커넥터에 납땜된 금속화된 표면은 상기 분위기 조절 챔버 내에 배치되고, 6 뉴턴의 중량을 전기 커넥터에 24시간 동안 걸어 놓았다. 24시간 종료 후, 전기 커넥터는 디지털 포스 게이지(digital force gauge)에 의해 50N의 힘으로 3초간 당겨졌으며, 본 실험 동안 전기 커넥터의 균열에 의한 단선은 발생하지 않았다.

상기 설명된 것들은 단지 본 발명의 바람직한 실시 예 및 적용되는 기술 원리임을 유의한다. 본 발명이 본 명세서에 기재된 특정 실시 예들로 한정되지 않는다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 다양한 자명한 변형, 재조정 및 대체가 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않는 한 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 상기 실시 예들을 통해 상세히 설명되었음에도 불구하고, 본 발명은 상기 실시 예들로 제한되지 않으며, 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 다른 동등한 실시 예들을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다.

Claims (5)

1. 0.02 내지 6 중량%의 스티비움(stibium),
   0.03 내지 3 중량%의 구리,
   0.03 내지 8 중량%의 비스무스(bismuth),
   55내지 68 중량%의 인듐(indium),
   0.3 내지 8 중량%의 은,
   5 내지 11 중량%의 마그네슘,
   0.4 내지 1.45 중량%의 스칸듐(scandium),
   0.3 내지 1.8 중량%의 팔라듐(palladium), 및
   10 내지 45 중량%의 주석(tin)을 포함하는 무연 솔더 조성물(lead free solder composition).
   
2. 제1 항에 있어서,
   1.0 내지 1.1 중량%의 스칸듐을 포함하는 무연 솔더 조성물.
   
3. 제1 항에 있어서,
   0.7 내지 0.8 중량%의 팔라듐을 포함하는 무연 솔더 조성물.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내 고상선 온도를 갖는 무연 솔더 조성물.
   
5. 제3 항에 있어서,
   상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위 내 액상선 온도를 갖는 무연 솔더 조성물.