KR20180042593A - 고연성 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트 - Google Patents

고연성 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트 Download PDF

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Abstract

솔더 페이스트는 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함한다. 무연 솔더 조성물은 안티몬 0.02-6 중량퍼센트, 구리 0.03-3 중량퍼센트, 비스무트 0.03-8 중량퍼센트, 인듐 45-65 중량퍼센트, 은 0.3-8 중량퍼센트, 마그네슘 5-11 중량퍼센트, 스칸듐 0.6-1.2 중량퍼센트, 지르코늄 0.8-2.7 중량퍼센트 및 주석 10-45 중량퍼센트로 구성된다. 솔더링 용제는 로진 25-32 중량퍼센트, 유기산 활성제인 펜탄 이산 및 2-플루오로벤조산 혼합물 5-7 중량퍼센트, 계면 활성제인 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2-0.5 중량퍼센트, 소포제인 1-옥틸 알코올 0.7-0.8 중량퍼센트, 안정제인 하이드라퀴논 0.5-0.7 중량퍼센트 및 모노알킬 프로필렌 글리콜 계 솔벤트 20-32 중량퍼센트로 구성된다.

Description

고연성 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트{SOLDER PASTE CONTAINING Lead Free Solder Composition With High Ductility AND SOLDERING FLUX}
본 발명은 고연성 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트에 관한 기술이다.
자동차 리어 윈도우(rear window)는 일반적으로 유리 상에 설치된 서리 제거 장치(defroster)와 같은 전기 장치를 포함한다. 전기 장치에 전기 접속을 제공하기 위해, 금속 코팅의 작은 영역은 일반적으로 전기 장치에 전기적으로 연결되도록 구성되어 있는 금속화된 표면을 얻기 위해 유리에 적용된다. 그런 다음 전기 장치의 전기 커넥터는 금속화된 표면에 솔더링(soldering)될 수 있다.
종래기술에서, 전기 커넥터는 납(Pb)을 포함하는 솔더(solder)로 유리 상의 금속화된 표면에 솔더링된다. 그러나, 납은 환경 오염을 야기시키기 때문에, 납의 이용은 더욱 제한되고, 따라서 무연(lead free) 솔더가 솔더에 적용되기 시작한다. 예를 들어, 80% 이상의 높은 주석(Sn) 함량을 포함하는 일반적인 무연 솔더는 일부 산업 분야에서 사용된다.
그러나, 높은 주석을 포함하는 일반적인 무연 솔더는 유리상에 전기 장치를 솔더링(납땜)하는 동안 유리의 크랙을 야기시키는 경향이 있기 때문에 유리가 부서지기 쉽다. 게다가, 유리 및 구리와 같은 열팽창 계수(CTE)의 차이가 많이 큰 두 물질의 솔더링은 솔더 접합부의 냉각 중 또는 이후의 온도 편위(temperature excursion) 중 솔더에 응력을 한다. 따라서, 한편으로는 더 높은 용해점(melting point, 액체화 온도) 및 대응하는 더 높은 처리 온도는 냉각 동안 솔더에 더 높은 응력을 가하는 열팽창 계수 부정합(mismatch)의 불리한 효과를 증가시키기 때문에, 전기 장치를 유리 상에 솔더링하기 적합한 솔더 조성물은 솔더링 과정 동안 자동차 유리의 크랙을 야기시키지 않을 만큼 충분히 낮은 용해점을 가질 필요가 있다. 이 결과, 솔더는 더 우수한 연성(ductility)을 가질 것이 요구된다. 한편, 솔더 조성물의 융해점은 차량이 창문이 닫혀진 상태로 태양에 있거나 다른 극단적인 가혹한 환경 상태에 있을 -와 같은 자동차의 정상적인 사용 중에 용융되지 않도록 충분히 높아야 한다.
종래의 무연 솔더 조성물은 인듐(indium, In) 64.35-65.65 중량퍼센트, 주석(Sn) 4.05-4.95 중량퍼센트 및 구리(Cu) 0.25-0.75 중량퍼센트(이하, 65 인듐 솔더로 언급)를 포함한다.
그러나, 인듐을 포함한 솔더는 일반적으로 다른 솔더보다 더 낮은 융해점을 가진다. 예를 들어, 65 인듐 솔더는 납 솔더(lead solder)의 160ㅀC에 비해 109ㅀC의 고상선 온도(solidus temperature)를 가진다. 그리고 65 인듐 솔더는 납 솔더의 224ㅀC에 비해 127ㅀC의 액체화 온도(liquidus temperature)을 가진다. 일반적으로, 솔더의 더 높은 인듐 함량은 솔더의 더 낮은 고상선 온도를 야기한다.
일부 자동차 제조업체는 솔더 접합부가 높아진 온도에도 잔존해 있기를 원한다. 따라서, 인듐 함량 솔더는 120ㅀC보다 낮지 않은 고상선 온도를 가지며 어떠한 성능 저하 없이 -40ㅀC에서 120ㅀC까지의 온도범위에서 양호한 연성을 가져야 한다.
또한, 밀접하여 배치된 다수의 전기 커넥터를 솔더링할 때, 전기 커넥터의 솔더링은 인접한 솔더링된 전기 커넥터에 영향을 미칠 것이다. 따라서, 솔더는 인접한 전기 커넥터의 재용해(remelting) 및 크랙발생(cracking)이 발생하지 않도록 높은 안정성 및 연성을 가져야 한다.
솔더링 용제는 솔러링에 필요한 첨가물(addictive)이다. 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 페이스트 및 솔더링 용제는 장기간 보존시 점착성(stickness)을 유지할 수 있으며, 솔더링 동안 솔더링 용제에 의해 과도한 잔여물(residue)이 발생하지 않고, 솔더링을 받는 회로 기판을 쉽게 세척하기 위하여, 필요에 따라 상기 솔더 조성물에 적합한 솔더링 용제가 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트를 제공하는 것이다. 무연 솔더 조성물은 안티몬(stibium) 0.02-6 중량퍼센트, 구리(copper) 0.03-3 중량퍼센트, 비스무트(bismuth) 0.03-8 중량퍼센트, 인듐(indium) 45-65 중량퍼센트, 은(silver) 0.3-8 중량퍼센트, 마그네슘(magnesium) 5-11 중량퍼센트, 스칸듐(scandium) 0.6-1.2 중량퍼센트, 지르코늄(zirconium) 0.8-2.7 중량퍼센트 및 주석(tin) 10-45 중량퍼센트를 포함한다. 그리고 솔더링 용제는 로진(rosin) 25-32 중량퍼센트, 유기산 활성제(organic acid activator)인 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산(2-Fluorobenzoic acid) 혼합물 5-7 중량퍼센트, 계면 활성제(surface active agent)인 알킬페놀 폴리옥시에틸렌(alkylphenol polyoxyethylene) 0.2-0.5 중량퍼센트, 소포제(defoaming agent)인 1-옥틸 알코올(1-octyl alcohol) 0.7-0.8 중량퍼센트, 안정제(stabilizer)인 하이드라퀴논(hydroquinone) 0.5-0.7 중량퍼센트 및 모노알킬 프로필렌 글리콜(monoalkyl propylene glycol) 계 솔벤트 20-32 중량퍼센트를 포함한다.
본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃보다 낮은 고상선 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 가진다. 따라서, 본 발명의 무연 솔더 조성물은 유리 상에 금속화된 표면에 전기 커넥터를 솔러링하는데 적합하다. 또한, 솔더링 용제는 무연 솔더를 위해 강한 젖음성(wetting power)을 가지며, 솔더링 용제 사용에 의해, 솔더는 균일하게 확산하고, 솔더링 용제가 물에 세척된 후에 프린트 기판이 절연저항(insulating resistance)이 높게 하기 위해 잔여물은 용접(welding) 후 물에 녹도록 생성된다.
본 발명에 따른 솔더 페이스트는 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있으며, 솔더의 강성, 고온 내성 및 내식성을 향상시킬 수 있으며, 솔더 접합부의 크랙을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 솔더 페이스트는 납 프리(무연)이고, 동일한 유형의 다른 솔더(전형적으로 약 105℃)보다 높은 동작 온도(working temperature)를 가진다. 특히, 본 발명의 솔더 조성물은 종래의 기존 무연 솔더 조성물과 비교하여 훨씬 더 연성 및 안정성을 가진다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 및 단어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 발명의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 후술하는 실시예에서 사용된 용어는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 일부 실시예와 관련하여 상세하게 설명된다. 여기서 설명하는 특정 실시예는 단지 본 발명을 제한하기 보다는 본 발명을 설명하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명은 유리에 전기 소자를 솔더링하는데 적합한 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트를 제공한다. 예시적으로, 이와 같은 솔더링은 리어 윈도우의 내부 표면(inner surface)에 내장 또는 놓여진 전기 저항 디프로스터 라인으로 구성된 윈도우 디프로스터(window defroster)를 포함하는 리어 윈도우(rear window) 제조를 위해 요구된다. 디프로스팅 라인(defrosting line)은 리어 윈도우의 내부 표면에 위치한 전기 접점 스트립(contact strips, 예를 들어 버스바(buss bar)와 같은 전기 접촉면)의 쌍에 전기적으로 연결된다. 전기 접점 스트립은 리어 윈도우의 내부 표면에 놓인 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 통상적으로, 전기 접점 스트립들은 은 함유 물질로부터 형성된다.
종래 기술의 문제점을 극복하기 위해, 본 발명의 실시예는 무연 솔더 조성물과 솔더링 용제를 포함하는 솔더 페이스트를 제공한다. 무연 솔더 조성물은 안티몬 0.02-6 중량퍼센트, 구리 0.03-3 중량퍼센트, 비스무트 0.03-8 중량퍼센트, 인듐 45-65 중량퍼센트, 은 0.3-8 중량퍼센트, 마그네슘 5-11 중량퍼센트, 스칸듐 0.6-1.2 중량퍼센트, 지르코늄 0.8-2.7 중량퍼센트 및 주석 10-45 중량퍼센트를 포함한다. 그리고 솔더링 용제는 로진 25-32 중량퍼센트, 유기산 활성제인 펜탄 이산 및 2-플루오로벤조산 혼합물 5-7 중량퍼센트, 계면 활성제인 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2-0.5 중량퍼센트, 소포제인 1-옥틸 알코올 0.7-0.8 중량퍼센트, 안정제인 하이드라퀴논 0.5-0.7 중량퍼센트 및 모노알킬 프로필렌 글리콜 계 용제 20-32 중량퍼센트를 포함한다.
본 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 지르코늄을 포함한다. 스칸듐은 입자 크기(grain size) 감소 효과 및 재결정 온도(recrystallization temperature) 상승의 특징을 가지며 솔더의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있으며, 반면에 지르코늄은 솔더의 높은 융해점(melting point), 높은 강도 및 강한 내식성(anti-corrosion)에 의해 특징지어진다. 이에 따라 스칸듐 및 지르코늄을 포함하는 무연 솔더 조성물은 는 솔더의 강성, 고온 내성 및 내식성을 향상시킬 수 있으며, 솔더 접합부의 크랙을 방지할 수 있으며, 솔더 조성물의 고상선 온도가 120에서 135℃ 범위 내에 있도록 증가시킬 수 있고, 솔더 조성물의 액체화 온도가 130에서 145℃ 범위 내에 있도록 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 0.8-1.0 중량퍼센트, 보다 바람직하게는 0.9 중량퍼센트의 스칸듐을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 1.4-2.4 중량퍼센트, 보다 바람직하게는 1.9 중량퍼센트의 지르코늄을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 3-4 중량퍼센트의 안티몬과 4-5 중량퍼센트의 비스무트를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 6-10 중량퍼센트, 보다 바람직하게는 7-9 중량페선트, 보다 더 바람직하게는 8 중량퍼센트의 마그네슘을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 8-9 중량퍼센트의 마그네슘을 포함할 수 있다.
모노알킬 프로필렌 글리콜 계 솔벤트(solvent)는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜일 수 있으며, 금속염(metal salt)의 형성을 방지하여 솔더 합금에 포함되는 금속과 활성화제의 반응을 억제할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 솔더 페이스트의 무연 솔더 조성물은 120에서 135℃ 범위의 고상선 온도 및 130에서 145℃의 액체화 온도를 가진다. 고상선 온도는 실질적으로 합금이 융해되기 시작하는 온도로 정의된다. 고상선 온도 이하에서 물질은 융해 상태 없이 완벽하게 고체이다. 액체화 온도는 결정(융해되지 않은 금속 또는 합금)이 융해와 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액체화 온도 이상에서, 물질은 단지 융해로 이루어져 균질(homogeneous)하다. 솔더 처리 온도는 솔더링 기술에 의해 결정된 다수의 도(degree)에 의해 액체화 온도보다 더 높다
본 발명의 솔더 조성물은 납 프리(무연)이고, 동일한 유형의 다른 솔더(전형적으로 약 105℃)보다 높은 동작 온도(working temperature)를 가진다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물은 종래의 기존 무연 솔더 조성물과 비교하여 훨씬 더 연성 및 안정성을 가진다.
다른 요소(element)와 비스무스 및 구리의 조합은 특정 조건 하에서 솔더의 동작 온도의 예상 증가 및 솔더의 기계적 성능의 개선을 포함하는 솔더 조성물의 전체적인 성능을 향상시킨다.
일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 120에서 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 솔더 조성물은 130에서 145℃ 범위의 액체화 온도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 3-4 중량퍼센트의 안티몬을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무연 솔더 조성물은 4-5 중량퍼센트의 비스무스를 포함할 수 있다.
본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃보다 낮지 않은 고상선 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 무연 솔더 조성물은 유리의 금속화된 표면에 전기 커넥터를 솔더링하는데 적합하다.
아래 표 1에 도시된 바와 같이, 솔더 페이스트에 의한 솔더 접합부의 크랙 방지 성능은 본 발명의 실시예 및 몇 가지 비교예를 비교하여 설명한다.
테이블 1
제1
실시예		 제2
실시		 제3
실시예		 제4
실시예		 제5
실시예		 제1 조성물
실시예		 제2 조성물
실시예
함유량
(중량
퍼센트)		 안티몬 1 2.3 4 4.3 5 4 5
구리 0.1 0.5 1 1.4 2 1 2
비스
무트		 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
마그
네슘		 5 7 8 9 10 8 9
스칸듐 0.6 0.8 1 1.1 1.2 0.5 1.5
지르
코늄		 0.8 0.9 1.6 2.1 2.7 0.5 2.9
주석 10 20 25 30 40 30 40
균열 √ √ √ √ √ × ×
연성 우수 우수 우수 우수 우수 불량 불량
참조:
√: 솔더링 중 인접한 솔더링 접합부에 크랙이 발생하지 않음.
ㅧ: 솔더링 중 인접한 솔더링 접합부에 크랙이 발생.
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 솔더 조성물에 0.6-1.2 중량퍼센트 범위의 양으로 포함되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부의 크래킹(cracking)은 후속 공정을 회피할 수 있다. 그러나, 스칸듐이 솔더 조성물에 0.6 중량퍼센트 미만 또는 1.2 중량퍼센트 초과의 양으로 포함되는 경우, 솔더의 크랙 방지 성능이 하락한다. 게다가, 지르코늄이 솔더 조성물에 0.8-2.7 중량퍼센트 범위의 양으로 포함되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성되는 솔더 접합부는 우수한 연성을 가진다. 그러나, 지르코늄이 솔더 조성물에 0.8 중량퍼센트 미만 또는 2.7 중량퍼센트 초과의 양으로 -유되는 경우, 솔더의 연성 성능이 하락한다.
고온 보관 테스트
본 발명의 실시예에 따른 솔더 페이스트의 연성 성능은 고온 보관 테스트에 의해 시험된다. 이 테스트에서, 기후 조절 챔버의 온도는 일정하게 120ㅀC로 유지되고, 본 발명의 솔더에 의해 솔더링된 전기 커넥터 및 금속화된 표면은 기후 조절 챔버에 놓인다. 그리고 24시간 동안 전기 커넥터에 6 뉴턴의 중량이 걸린다. 24시간이 지난 후, 전기 커넥터는 (실온에서) 3초 동안 디지털 포스 게이지(digital force gauge)의 50뉴턴의 힘으로 당겨졌다. 그리고 테스트 기간 동안 전기 커넥터로부터 크래킹의 단선이 발생하지 않았다.
이는 바람직한 실시예 및 본 발명의 적용된 기술 원리는 상술한 바와 같이 설명되는 것에 유의한다. 또한, 본 발명은 본원에 기재된 특정 실시예에 한정되는 않는다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 다양한 분명한 변경, 재조정 및 대체는 본 발명의 보호 범위를 벗어남이 없이 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명은 상기 실시 예를 통하여 상세히 설명되었으나, 본 발명은 단지 상기 실시예에 한정되지 않으며, 또한, 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위에서 다른 등가 실시예를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 대상이다.
이상 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 무연 솔더(lead free solder) 조성물; 및
    솔더링 용제(soldering flux);
    를 포함하며,
    상기 무연 솔더 조성물은
    안티몬(stibium) 0.02-6 중량퍼센트, 구리(copper) 0.03-3 중량퍼센트, 비스무트(bismuth) 0.03-8 중량퍼센트, 인듐(indium) 45-65 중량퍼센트, 은(silver) 0.3-8 중량퍼센트, 마그네슘(magnesium) 5-11 중량퍼센트, 스칸듐(scandium) 0.6-1.2 중량퍼센트, 지르코늄(zirconium) 0.8-2.7 중량퍼센트 및 주석(tin) 10-45 중량퍼센트;
    를 포함하고,
    상기 솔더링 용제는 로진(rosin) 25-32 중량퍼센트, 유기산 활성제(organic acid activator)인 펜탄 이산(pentane diacid) 및 2-플루오로벤조산(2-Fluorobenzoic acid) 혼합물 5-7 중량퍼센트, 계면 활성제(surface active agent)인 알킬페놀 폴리옥시에틸렌(alkylphenol polyoxyethylene) 0.2-0.5 중량퍼센트, 소포제(defoaming agent)인 1-옥틸 알코올(1-octyl alcohol) 0.7-0.8 중량퍼센트, 안정제(stabilizer)인 하이드라퀴논(hydroquinone) 0.5-0.7 중량퍼센트 및 모노알킬 프로필렌 글리콜(monoalkyl propylene glycol) 계 솔벤트(solvent) 20-32 중량퍼센트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스칸듐이 0.8-1.0 중량퍼센트인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지르코늄이 1.4-2.4 중량퍼센트인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무연 솔더 조성물은 120℃에서 135℃ 범위에서 고상선 온도(solidus temperature)를 가지는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용제는 부틸 프로필렌 트리글리콜(butyl propylene triglycol) 또는 부티 프로필렌 다이글리콜(butyl propylene diglycol)인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
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