KR20180038642A - 고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유한 솔더 페이스트 - Google Patents

Abstract

무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트가 개시되고, 상기 무연 솔더 조성물은: 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무트, 45 중량% 내지 65 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐, 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석을 포함하고, 상기 솔더링 플럭스는: 25 중량% 내지 32 중량%의 로진, 유기산 활성제로서 5 중량% 내지 7 중량%의 펜탄 이산 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 계면 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 포함한다.

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 유리창은 보통 유리 상에 위치된, 서리 제거제(defroster)와 같은 전기 장치를 포함한다. 상기 전기 장치에 전기적 연결을 제공하기 위하여, 작은 면적의 금속 코팅이 일반적으로 유리에 적용되어 전기 장치와 전기적으로 연결되도록 구성되는 금속화된 표면을 얻게 되고, 다음으로 전기 장치의 전기 연결부(electrical connector)가 상기 금속화된 표면 상에 솔더링될 수 있다.

선행 기술에서, 전기 연결부는 납(Pb)을 함유하는 솔더를 이용하여 유리 상의 금속화된 표면에 솔더링된다. 그러나, 납에 의하여 유발되는 환경 오염 때문에 납의 이용은 더욱 더 제한되고, 이에 따라 무연 솔더가 솔더링 분야에서 사용되기 시작되었다. 예를 들어, 일부 산업에서는 예를 들어 80% 이상의 높은 주석(Sn) 함량을 함유하는 일반적인 무연 솔더가 사용된다.

그러나, 유리는 부서지기 쉽기 때문에, 높은 주석 함량을 갖는 일반적인 무연 솔더는 유리 상에 전기 장치를 솔더링하는 동안 유리에 균열을 초래하는 경향이 있다. 더욱이, 열팽창 계수(CTE)가 상당히 다른 두 재료(예를 들어, 유리 및 구리)를 솔더링하는 것은 솔더 이음부(solder joint)을 냉각하는 동안, 또는 그 다음의 온도 일탈(temperature excursions) 동안에 솔더에 응력을 부과한다. 따라서, 일 측면에서, 높은 녹는점 및 이에 따른 높은 공정 온도는 냉각시 솔더 상에 더 큰 스트레스를 부과하는 CTE 불일치에 의한 역효과를 상승시키기 때문에, 유리 상에 전기 장치를 솔더링하는 것에 적절한 솔더 조성물은 솔더링 공정 과정에서 자동차 유리의 균열을 유발하지 않기에 충분히 낮은 녹는점(즉, 액상선 온도)를 가져야 한다. 그 결과, 솔더는 좋은 연성을 가질 것이 더 요구된다. 반면에, 솔더가 자동차의 창문이 닫힌 채로 햇빛에 있거나 또는 다른 극단적인 가혹한 환경 조건에서 자동차의 정상적인 사용 중에 녹지 않도록, 솔더 조성물의 녹는점은 충분히 높아야 한다.

종래에 중량 퍼센트로 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 솔더 조성물 (본 명세서에서는 "65 인듐 솔더"라고 지칭함)이 이미 알려져 있다.

인듐을 함유하는 솔더는, 그러나, 다른 솔더들보다 보통 훨씬 낮은 녹는점을 가진다. 상기 65 인듐 솔더는, 예를 들어, 납 솔더(lead solder)의 160 ℃와 비교하여 109 ℃의 고상선 온도를 갖고, 납 솔더의 224 ℃와 비교하여 127 ℃의 액상선 온도를 가진다. 일반적으로, 솔더의 인듐 함량이 높을수록 솔더의 더 낮은 고상선 온도를 유발한다. 몇몇 차량 제작자들은 솔더 이음부가 상승된 온도에서도 살아남을 수 있기를 희망하므로, 인듐을 함유하는 솔더는 120 ℃ 이상의 고상선 온도를 가져야 하고, -40 ℃ 내지 120 ℃의 온도 범위에서도 어떠한 성능의 저하 없이 좋은 연성을 가져야 한다.

나아가, 가까이에 배열된 복수의 전기 연결부를 솔더링함에 있어서, 전기 연결부를 솔더링하는 것은 인접한 솔더링된 전기 연결부의 영향을 주므로, 솔더가 높은 안정성 및 연성을 가져야 하고, 그렇지 않으면 인접한 전기 연결부의 재용융 및 균열이 발생할 가능성이 있다.

솔더링 플럭스는 솔더링을 위해 필요한 첨가제이다. 전술한 바람직한 솔더 조성물에 있어서, 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스에 의하여 형성된 솔더 페이스트가 장기간의 보관 동안 점도(stickiness)를 유지하고, 솔더링하는 동안에 솔더링 플럭스에 의하여 과량의 잔여물이 유발되지 않으며, 솔더링을 거친 회로 기판이 쉽게 세척될 수 있는 적합한 솔더링 플럭스가 요구된다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유하는 솔더 페이스트를 제공하는 것이고, 상기 무연 솔더 조성물은: 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무트, 45 중량% 내지 65 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐, 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석을 포함하고; 상기 솔더링 플럭스는: 25 중량% 내지 32 중량%의 로진, 유기산 활성제로서 5 중량% 내지 7 중량%의 펜탄 이산 및 2-플루오로벤조산; 계면 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.

본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가지고, 좋은 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속화된 표면에 전기 연결부를 납때하는 것에 적합하다. 나아가, 상기 솔더링 플럭스는 무연 솔더에 강한 습윤력(wetting power)을 가진다; 솔더링 플럭스를 이용함으로써, 솔더가 균일하게 분산되고, 용접 후에 발생되는 잔여물이 물에 용해성이 있어, 솔더링 플럭스가 물로 세척된 후에 인쇄된 기판의 절연 저항이 높다.

본 발명은 몇몇 구현예와 함께, 하기에 더욱 상세히 설명된다. 여기에 기재된 특정한 구현예들은 본 발명을 제한하려는 것이 아니라, 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 유리 상에 전기적 구성 요소를 솔더링하는 것에 적합한, 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공한다. 예시적으로, 이러한 솔더링은 자동차의 후방 창문을 제조하기 위하여 요구되고, 이는 전기적으로 저항성인 서리 제거 라인이 후방 창문에 내장되거나, 또는 창문의 안쪽 표면에 구비된 창문 서리 제거 장치를 포함한다. 상기 서리 제거 라인은 후방 창문의 안쪽 표면에 위치된 한 쌍의 전기적 접촉 스트립(contact trips)[예를 들어, 버스 바(buss bar)라고도 지칭되는 전기적 접촉 표면]에 전기적으로 연결된다. 상기 전기적 접촉 스트립은 후방 창문의 안쪽 표면에 구비된 전도성 코팅을 포함할 수 있다. 통상적으로, 전기적 접촉 스트립은 은-함유 재료로 형성된다.

선행 기술에 있어서의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공하고, 상기 무연 솔더 조성물은: 0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬, 0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리, 0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무트, 45 중량% 내지 65 중량%의 인듐, 0.3 중량% 내지 8 중량%의 은, 5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘, 0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐, 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄, 및 10 중량% 내지 45 중량%의 주석을 포함한다. 상기 솔더링 플럭스는: 25 중량% 내지 32 중량%의 로진, 유기산 활성제로서 5 내지 7 중량%의 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 계면 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.

구현예에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 지르코늄을 포함하고, 그 중에서도 스칸듐은 결정 입도(grain size)를 감소시키는 효과 및 재결정 온도를 높이는 특성을 가지며, 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 한편 지르코늄 높은 녹는점, 높은 강도 및 강한 부식 방지가 특징으로, 강도, 고온 저항 및 부식 방지를 향상시킬 수 있고, 땜 이음의 균열을 방지할 수 있으며, 솔더 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃ 범위 내로, 그리고 솔더 조성물의 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃ 범위 내로 증가시킨다.

어떤 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 0.8 중량% 내지 1.0 중량%, 더욱 바람직하게는 0.9 중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

어떤 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 1.4 중량% 내지 2.4 중량%, 더욱 바람직하게는 1.9 중량%의 지르코늄을 포함할 수 있다.

어떤 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 3 중량% 내지 4 중량%의 안티몬 및 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

어떤 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 6 중량% 내지 10 중량%, 바람직하게는 7 중량% 내지 9 중량%, 더욱 바람직하게는 8 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 8 중량% 내지 9 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.

상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜일 수 있고, 솔더 합금 내에 함유된 금속과 활성제의 반응을 방지하여, 금속 염의 형성을 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 솔더 페이스트 중 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도, 및 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액상선 온도를 가진다. 고상선 온도는 실무적으로 합금이 녹기 시작하는 온도로 정의된다. 고상선 온도 아래에서 물질은 용융상 없이 완전히 고체이다. 액상선 온도는 결정(용융되지 않은 금속 또는 합금)이 용융물과 함께 존재할 수 있는 최고온도이다. 액상선 온도보다 높으면 물질이 균질하고, 용융물만을 포함한다. 솔더링 공정 온도는 솔더링 테크닉에 의하여 결정되는 몇 도만큼의 차이로 액상선 온도보다 높다.

본 발명의 솔더 조성물은 무연이고, 통상적으로 105℃ 정도인, 동일한 유형의 다른 솔더링에 비하여 높은 작업 온도(working temperature)를 가진다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물은 선행 기술에 존재하는 무연 솔더 조성물에 비하여 더 좋은 연성 및 안정성을 가진다.

비스무트 및 구리와 다른 원소들의 조합은 솔더의 작업 온도의 향상 기대 및 특정 조건에서의 솔더의 기계적 특성의 향상을 포함하여, 솔더 조성물의 전반적인 성능을 향상시킨다.

어떤 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

나아가 어떤 구현예들에 있어서, 상기 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 농도를 가질 수 있다.

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

어떤 구현예들에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 4 중량% 내지 5 중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가지고, 좋은 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속화된 표면에 전기 연결부를 납때하는 것에 적합하다.

이제 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 구현예 및 몇몇 비교예 간의 비교와 함께, 솔더 페이스트에 의하여 형성된 솔더 이음부의 내균열(anti-cracking) 성능이 기재된다.

		구현예 1	구현예 2	구현예 3	구현예 4	구현예 5	비교예 1	비교예 2
함량 (중량%)	안티몬	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	45	50	55	50	65	45	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.6	0.8	1	1.1	1.2	0.5	1.5
	지르코늄	0.8	0.9	1.6	2.1	2.7	0.5	2.9
	주석	10	20	25	30	40	30	40
균열		√	√	√	√	√	×	×
연성		좋음	좋음	좋음	좋음	좋음	나쁨	나쁨

주:

√: 솔더링하는 동안에 인접한 솔더 이음부에 균열이 발생하지 않음

×: 솔더링하는 동안에 인접한 솔더 이음부에 균열이 발생함

상기 표에 나타난 바와 같이, 스칸듐이 솔더 조성물 내에 0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 범위의 양으로 함유되었을 때, 후속 공정에서 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의하여 형성된 솔더 이음부의 균열이 방지될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 솔더 조성물 내에 0.6 중량% 미만 또는 1.2 중량% 초과의 양으로 함유되었을 때, 솔더의 내균열 성능이 저하된다. 추가적으로, 지르코늄이 솔더 조성물 내에 0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 범위로 함유되었을 때, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의하여 형성된 솔더 이음부가 좋은 연성을 가진다. 그러나, 지르코늄이 솔더 조성물 내에 0.8 중량% 미만 또는 2.7 중량% 초과의 양으로 함유되었을 때, 솔더의 연성 성능이 저하된다.

고온 저장(High Temperature Storage) 시험

본 발명의 구현예의 솔더 페이스트의 연성 성능을 고온 저장 시험으로 시험하였다. 이 시험에서, 기후 조절 챔버(climate controlled chamber)의 온도를 항시 120℃로 유지하였고, 전기 연결부 및 커넥터가 본 발명의 솔더에 의하여 솔더링된 금속화된 표면을 기후 조절 챔버 내에 놓고, 24시간 동안 전기 연결부로부터 6 뉴턴의 무게를 걸었다. 24시간이 종료된 후에, 전기 연결부를 디지털 포스 게이지(digital force gauge)로 3초 동안 50N으로 당겼고(주변 온도에서), 이 시험에서 전기 연결부로부터 균열의 단절이 발생하지 않았다.

전술한 내용은 단지 본 발명의 바람직한 구현예 및 응용된 기술 원리임을 밝힌다. 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게는 본 발명이 여기에 기재된 특정한 구현예에 의하여 제한되지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 보호 범위를 넘어서지 않고도 해당 기술 분야의 통상의 기술자에 의하여 여러 분명한 변화, 재조정 및 대안이 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 전술한 구현예를 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 전술한 구현예만으로 제한되지 않고, 본 발명의 구상을 벗어나지 않는, 대등한 다른 구현예들을 더 포함한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의한다.

Claims (5)

1. 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트로서,
   상기 무연 솔더 조성물은:
   0.02 중량% 내지 6 중량%의 안티몬,
   0.03 중량% 내지 3 중량%의 구리,
   0.03 중량% 내지 8 중량%의 비스무트,
   45 중량% 내지 65 중량%의 인듐,
   0.3 중량% 내지 8 중량%의 은,
   5 중량% 내지 11 중량%의 마그네슘,
   0.6 중량% 내지 1.2 중량%의 스칸듐,
   0.8 중량% 내지 2.7 중량%의 지르코늄, 및
   10 중량% 내지 45 중량%의 주석을 포함하고,
   상기 솔더링 플럭스는:
   25 중량% 내지 32 중량%의 로진,
   유기산 활성제로서 5 중량% 내지 7 중량%의 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물;
   계면 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, 0.8 중량% 내지 1.0 중량%의 스칸듐을 포함하는, 솔더 페이스트.
3. 제1항에 있어서, 1.4 중량% 내지 2.4 중량%의 지르코늄을 포함하는, 솔더 페이스트.
4. 제1항에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 갖는, 솔더 페이스트.
5. 제1항에 있어서, 상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜인, 솔더 페이스트.