KR20180029619A - 연성이 높은 무연 땜납 조성물 - Google Patents

Abstract

0.02 중량％ 내지 6 중량％의 스티븀, 0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량％ 내지 8 중량％의 비스무트, 30 중량％ 내지 65 중량％의 인듐, 0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.2 중량% 내지 1.45 중량의 스칸듐, 0.1 중량% 내지 1.1 중량%의 레늄 및 10 중량％ 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 땜납 조성물이 개시된다. 본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고 우수한 연성 및 안정성을 가지므로, 유리 상의 금속화 표면상에 전기 커넥터를 납땜하기에 적당하다.

Description

연성이 높은 무연 땜납 조성물{Lead Free Solder Composition With High Ductility}

본 발명은 무연 땜납 조성물(lead free solder composition)에 관한 것으로, 특히 연성(ductility)이 높은 무연 땜납 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 리어 윈도우(rear window)는 그 유리 상에 위치한 서리제거장치와 같은 전기 장치를 포함한다. 상기 전기 장치에 전기적 연결부를 제공하기 위하여, 그 유리에 작은 면적의 금속 코팅이 도포되어, 상기 전기 장치에 전기적으로 연결되도록 구성되는 금속화 표면을 얻은 다음, 상기 전기 장치의 전기 커넥터가 그 금속 표면에 납땜될 수 있다.

종래 기술에서는, 상기 전기 커넥터는 납(Pb)을 함유하는 땜납(solder)을 이용하여 유리 상의 금속화 표면에 납땜된다. 그러나, 납에 의한 환경 오염 때문에, 납의 사용은 점차 제한되고 있고, 따라서 무연 땜납이 납땜 용도로 사용되기 시작했다. 예를 들어, 주석(Sn) 함량이 80% 초과와 같이 높은 일반적인 무연 땜납이 몇몇 산업에서 이용되고 있다.

그러나, 상기 유리는 깨지기 쉽기 때문에, 상기 주석 함량이 높은 일반적인 무연 땜납은 그 유리 상에 전기 장치를 납땜하는 동안에 그 유리의 균열을 발생하기 쉽다. 또한, 열팽창 계수(CTE)가 실질적으로 상이한 두 물질(예를 들어, 유리와 구리)을 납땜하는 경우 땜납 접합부의 냉각 또는 차후의 온도 편위(temperature excursion) 동안에 그 땜납에 스트레스가 가해진다. 따라서, 한편으로는, 유리에 전기 장치를 납땜하는데 적당한 땜납 조성물은 납땜 과정 동안 자동차 유리의 균열을 일으키지 않도록 충분히 낮은 녹는점(즉, 액상선 온도)을 가질 필요가 있는데, 더욱 높은 녹는점 및 이에 따른 더욱 높은 가공 온도는 CTE 불일치의 부작용을 증가시켜서 냉각 동안 땜납에 더욱 높은 스트레스를 가하기 때문이다. 따라서, 상기 땜납은 우수한 연성을 갖는 것이 더욱더 요구된다. 다른 한편으로, 윈도우가 닫혀있는 상태로 자동차가 태양 아래에 있거나 다른 극도로 가혹한 환경 조건하에 있는 경우와 같은, 자동차의 정상 사용 동안 땜납이 녹지 않도록 땜납 조성물의 녹은점은 충분히 높을 필요가 있다.

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 갖는 무연 땜납 조성물(이하 "65 인듐 땜납"이라함)이 통상적으로 이미 개시되어 있다.

그러나, 인듐을 함유하는 땜납은 일반적으로 다른 땜납보다 녹는점이 아주 더 낮다. 예를 들어, 65 인듐 땜납은 고상선 온도가 109℃인 반면 연 땜납(lead solder)은 160℃이고, 액상선 온도가 127℃인 반면 연 땜납은 224℃ 이다. 일반적으로, 땜납의 인듐 함량이 높을수록 땜납의 고상선 온도가 더 낮다. 몇몇 자동차 제조업체들은 땜납 접합부가 상승된 온도를 견딜 수 있어서, 인듐 함량을 갖는 땜납이 성능을 저하시키지 않고 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고 -40℃ 내지 120℃ 범위의 온도에서 우수한 연성을 갖는 것을 바라고 있다.

또한, 서로 밀접하게 배치된 복수의 전기 커넥터들을 납땜하는데 있어서, 전기 커넥터의 납땜은 인접한 납땜된 전기 커넥터에 영향을 미치게 되므로 그 땜납은 안정성 및 내구성이 높아야 하며, 그렇지 않은 경우 인접한 전기 커넥터의 재용융 및 균열이 발생하기 쉽다.

요약

따라서, 본 발명의 목적은 0.02 중량％ 내지 6 중량％의 스티븀, 0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량％ 내지 8 중량％의 비스무트, 30 중량％ 내지 65 중량％의 인듐, 0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.2 중량% 내지 1.45 중량의 스칸듐, 0.1 중량% 내지 1.1 중량%의 레늄 및 10 중량％ 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 땜납 조성물을 제공함에 있다.

바람직하게, 상기 무연 땜납 조성물은 1.0 중량％ 내지 1.1 중량％의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 무연 땜납 조성물은 0.7 중량％ 내지 0.8 중량％의 레늄을 포함할 수 있다.

상기 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

또한, 상기 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 무연 땜납 조성물은 3 중량％ 내지 4 중량％의 스티븀을 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 무연 땜납 조성물은 4 중량％ 내지 5 중량％의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고 우수한 연성 및 안정성을 가지므로, 유리 상의 금속화 표면상에 전기 커넥터를 납땜하기에 적당하다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

이하, 몇몇 실시예들을 중심으로 본 개시를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본원에 기재된 특정 실시예들은 본 개시를 제한하는 것이 아니라 오로지 본 개시를 설명하기 위한 것임을 이해할 수 있다.

본 개시는 유리 상에 전기 소자를 남땜하기에 적당한 무연 땜납 조성물을 제공한다. 예를 들어, 이러한 납땜은 리어 윈도우에 끼워지거나 그의 내측 표면 상에 배치된 전기저항성 서리제거 라인들로 구성되는 윈도우 서리제거장치를 포함하는, 자동차의 리어 윈도우를 제작하는데 요구된다. 상기 서리제거 라인은 리어 윈도우의 내측 표면상에 위치한 한 쌍의 전기 접촉 스트립(즉, 전기 접촉 표면, 버스 바(buss bar)라고도 함)에 전기적으로 연결된다. 상기 전기 접촉 스트립은 리어 윈도우의 내측 표면상에 적층된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 대표적으로, 상기 전기 접촉 스트립은 은 함유 물질로부터 형성된다.

상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 0.02 중량％ 내지 6 중량％의 스티븀, 0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리, 0.03 중량％ 내지 8 중량％의 비스무트, 30 중량％ 내지 65 중량％의 인듐, 0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.2 중량% 내지 1.45 중량의 스칸듐, 0.1 중량% 내지 1.1 중량%의 레늄 및 10 중량％ 내지 45 중량％의 주석을 포함하는 무연 땜납 조성물을 제공한다.

상기 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 스칸듐 및 레늄을 포함하는데, 그중 스칸듐은 결정립 크기(grain size)를 감소시키는 효과 및 재결정화 온도를 상승시키는 특징이 있고 땜납의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 한편, 레늄은 높은 녹는점, 고강도 및 강한 내부식성에 특징이 있고, 땜납의 깅도, 고온 저항성 및 내부식성을 향상시킬 수 있고, 땜납 접합부(solder joint)의 균열을 회피할 수 있고, 땜납 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃의 범위 내에서 증가시키고 땜납 조성물의 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃의 범위 내에서 증가시킨다.

몇몇 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 1.0 중량％ 내지 1.1 중량％, 더욱 바람직하게는 1.04 중량％의 스칸듐을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 0.7 중량％ 내지 0.8 중량％, 더욱 바람직하게는 0.75중량%의 레늄을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 3 중량％ 내지 4 중량％의 스티븀 및 4 중량％ 내지 5 중량％의 비스무트를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 6 중량％ 내지 10 중량％, 바람직하게는 7 중량％ 내지 9 중량％, 더욱 바람직하게는 8 중량％의 마그네슘을 포함할 수 있다. 몇몇의 다른 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 8 중량％ 내지 9중량％의 마그네슘을 포함할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 무연 땜납 조성물은 고상선 온도가 120℃ 내지 135℃의 범위이고 액상선 온도가 130℃ 내지 145℃의 범위이다. 상기 고상선 온도는 합금이 녹기 시작하는 온도로서 실질적으로 정의된다. 상기 고상선 온도 아래에서, 그 물질은 용융상이 없이 완전히 고체이다. 상기 액상선 온도는 결정(미용융 금속 또는 합금)이 용융물과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 상기 액상선 온도 위에서, 그 물질은 균질하고 용융물로만 구성된다. 납땜 처리 온도는 납땜 기법에 의해 결정되는 정도의 온도만큼 상기 액상선 온도보다 높다.

본 발명의 땜납 조성물은 납이 없고, 일반적으로 약 150℃인 동일 유형의 다른 땜납보다 작업 온도(working temperature)가 더 높다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은 종래 기술의 기존의 무연 땜납 조성물과 비교하여 연성 및 안정성이 아주 더 좋다.

비스무트 및 구리와 다른 원소들의 조합은 땜납의 작업 온도의 예상된 증가 및 특정 조건하에서 땜납의 기계적 성능의 향상을 비롯한, 땜납 조성물의 전체 성능을 개선한다.

몇몇 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

또한, 몇몇 실시예에서, 상기 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃의 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 3 중량％ 내지 4 중량％의 스티븀을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 무연 땜납 조성물은 4 중량％ 내지 5 중량％의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고 양호한 연성 및 안정성을 가지므로, 유리 상의 금속화 표면상에 전기 커넥터를 납땜하기에 적당하다.

이하, 하기 표 1에서 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예 및 몇몇 비교예들을 비교하면서 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 납땜 접합부의 내균열 (anti-cracking) 성능을 설명하기로 한다.

√: 납땜 동안 인접한 땜납 접합부에 대한 균열이 발생하지 않음.

X: 납땜 동안 인접한 땜납 접합부에 대한 균열이 발생함.

상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 0.2 중량% 내지 1.45 중량%의 범위의 양으로 땜납 조성물에 함유되는 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 접합부의 균열이 이후의 공정에서 회피될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 0.2 중량% 미만 또는 1.45 중량% 초과의 양으로 땜납 조성물에 함유되는 경우, 땜납의 내부식 성능이 저하된다. 또한, 레늄이 0.1 중량% 내지 1.1 중량%의 양으로 땜납 조성물에 함유되는 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 접합부는 양호한 연성을 갖는다. 그러나, 레늄이 0.1 중량% 미만 또는 1.1 중량% 초과의 양으로 땜납 조성물에 함유되는 경우, 땜납의 연성 성능이 저하된다.

고온 저장 시험

본 발명의 실시예들의 무연 땜납의 연성 성능을 고온 저장 시험에 의해 테스트한다. 이러한 시험에서, 기후 제어식 챔버의 온도는 120℃로 일정하게 유지했고, 전기 커넥터 및 이 전기 커넥터가 본 발명의 땜납에 의해 납땜되는 금속화 표면을 상기 기후 제어식 챔버내에 위치시켰고, 6 뉴턴(N)의 무게를 상기 전기 커넥터에 24 시간 동안 매달았다. 그 24 시간 후, 그 전기 커넥터를 50N(디지털 힘 게이지)의 힘으로 3초간 당겼는데(주변 온도). 이 시험에서는 상기 전기 커넥터로부터 균열의 단절(disconnection)이 발생하지 않았다.

본 개시의 바람직한 실시예 및 적용 기술 원리가 위에서 그저 기재되어 있음에 유념한다. 당업자는 본 개시가 본원에 기재된 특정 실시예들로 제한되지 않는 다는 것을 이해하여야 한다. 여러 가지 명백한 변화, 재조절 및 변형예가 본 개시의 보호 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 따라서, 본 개시가 상기 실시예들을 통해 상세히 기재되어 있지만, 본 개시는 상기 실시예들로만 제한되지 않고, 본 개시의 개념을 벗어나지 않고 다른 균등한 실시예들 중 많은 것들을 포함할 수 있다. 본 개시의 범위는 첨부한 특허청구범위에 의해 결정된다.

Claims (5)

1. 0.02 중량％ 내지 6 중량％의 스티븀,
   0.03 중량％ 내지 3 중량％의 구리,
   0.03 중량％ 내지 8 중량％의 비스무트,
   30 중량％ 내지 65 중량％의 인듐,
   0.3 중량％ 내지 8 중량％의 은,
   5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘,
   0.2 중량% 내지 1.45 중량의 스칸듐,
   0.1 중량% 내지 1.1 중량%의 레늄, 및
   10 중량％ 내지 45 중량％의 주석
   을 포함하는 무연 땜납 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 1.0 중량％ 내지 1.1 중량％의 스칸듐을 포함하는 무연 땜납 조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 0.7 중량％ 내지 0.8 중량％의 레늄을 포함하는 무연 땜납 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 무연 땜납 조성물이 120℃ 내지 135℃의 범위의 고상선 온도를 갖는, 무연 땜납 조성물.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 무연 땜납 조성물이 130℃ 내지 145℃의 범위의 액상선 온도를 갖는, 무연 땜납 조성물.