KR20180045301A - 고 연성 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 함유하는 땜납 페이스트 - Google Patents

고 연성 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 함유하는 땜납 페이스트 Download PDF

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Abstract

본원에는 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 함유하는 땜납 페이스트가 개시되어 있으며, 무연 땜납 조성물은 0.02 중량%-6 중량% 안티몬, 0.03 중량%-3 중량% 구리, 0.03 중량%-8 중량% 비스무트, 30 중량%-65 중량% 인듐, 0.3 중량%-8 중량% 은, 5 중량%-11 중량% 마그네슘, 0.2 중량%-1.45 중량% 스칸듐, 0.1 중량%-1.1 중량% 레늄 및 10 중량%-45 중량% 주석을 포함하며, 납땜 플럭스는 25 중량%-32 중량% 로진, 유기 산 활성화제로서 펜탄 2산과 2-플루오로벤조산의 혼합물 5 중량%-7 중량%; 계면활성제로서 0.2 중량%-0.5 중량% 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서 0.7 중량%-0.8 중량% 1-옥틸 알콜; 안정화제로서 0.5 중량%-0.7 중량% 히드로퀴논; 및 20 중량%-32 중량% 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함한다.

Description

고 연성 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 함유하는 땜납 페이스트{SOLDER PASTE CONTAINING LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY AND SOLDERING FLUX}
본 발명은 고 연성 무연 땜납(solder) 조성물 및 납땜 플럭스(soldering flux)를 함유하는 땜납 페이스트에 관한 것이다.
자동차의 뒷유리는 통상적으로 유리 위에 배치된 전기 디바이스, 예컨대 서리제거기를 포함한다. 전기 디바이스에 전기 접속을 제공하기 위하여, 작은 면적의 금속 코팅이 일반적으로 유리에 적용되어 전기 디바이스에 전기 접속되도록 구성된 금속화된 표면을 얻으며, 그리하여 전기 디바이스의 전기 커넥터는 금속화된 표면 상에 납땜될 수 있다.
종래 기술에서, 전기 커넥터는 납 (Pb)을 함유하는 땜납으로 유리 상의 금속화된 표면 상에 납땜된다. 그러나, 납에 의하여 야기되는 환경 오염으로 인하여, 납의 사용은 점점더 제한되고 있으므로, 무연 땜납이 납땜 적용예에 사용되기 시작하였다. 예를 들면 높은 주석 (Sn) 함유량, 예컨대 80% 초과를 함유하는 통상의 무연 땜납이 일부 산업에서 사용된다.
그러나, 유리는 깨지기 쉬우므로 높은 주석 함유량을 갖는 통상의 무연 땜납은 전기 디바이스를 유리 상에 납땜하는 중에 유리 균열을 야기하기 쉽다. 게다가, 열 팽창 계수 (CTE)가 실질적으로 상이한 2종의 소재 (예컨대 유리 및 구리)를 납땜하는 것은 땜납 연결부의 냉각 중에 또는 차후의 온도 급상승 중에 땜납에 응력을 가한다. 그러므로, 한편으로는 전기 디바이스를 유리 상에 납땜시키는데 적절한 땜납 조성물은 납땜 과정 중에 자동차 유리의 균열을 야기하지 않기에 충분히 낮은 융점 (즉, 액상선 온도)을 가져야만 하는데, 이는 더 높은 융점 및 그에 따른 더 높은 가공 온도가 CTE 부조화(mismatch)의 불리한 효과를 증가시켜서 냉각 중에 땜납에 더 큰 응력을 가하게 되기 때문이다. 그 결과, 땜납은 우수한 연성을 가질 것이 추가로 요구된다. 다른 한편으로는, 땜납 조성물의 융점은 충분히 높아야만 하며, 이는 자동차의 정상 사용 중에, 예컨대 자동차가 창문을 닫고 일광하에 있을 때 또는 기타 극한의 가혹한 환경 조건 하에 있을 때 땜납이 용융되지 않도록 하기 위함이다.
중량 퍼센트로 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 무연 땜납 조성물 (이하, "65 인듐 땜납"으로 지칭함)은 통상적으로 이미 개시되어 있다.
그러나, 인듐을 함유하는 땜납은 보통 기타 땜납보다는 훨씬 낮은 융점을 갖는다. 예를 들면 65 인듐 땜납은 납 땜납의 160℃와 비교하여 109℃의 고상선 온도, 납 땜납의 224℃와 비교하여 127℃의 액상선 온도를 갖는다. 일반적으로, 땜납에서의 더 높은 인듐 함유량은 땜납의 더 낮은 고상선 온도를 야기한다. 일부 자동차 제조업자는 땜납 연결부가 고온을 견딜 수 있길 원하며, 따라서 인듐 함유량을 갖는 땜납은 성능에서의 어떠한 열화도 없이 120℃ 이상의 고상선 온도를 가져야 하며, -40℃ 내지 120℃ 범위내의 온도에서 우수한 연성을 가져야 한다.
추가로, 밀접하게 배열된 복수의 전기 커넥터의 납땜에서, 전기 커넥터의 납땜은 인접한 납땜된 전기 커넥터에 영향을 미칠 것이며, 그러므로 땜납은 높은 안전성 및 연성을 지녀야만 하며, 그렇지 않다면 인접한 전기 커넥터의 재용융 및 균열이 발생하게 될 것이다.
납땜 플럭스는 납땜을 위한 필수 첨가제이다. 원하는 바와 같은 상기 땜납 조성물의 경우, 적절한 납땜 플럭스가 요구되며, 그리하여 땜납 조성물 및 납땜 플럭스에 의하여 형성된 땜납 페이스트는 장시간 저장 중에 끈적임을 유지할 수 있으며, 지나친 잔류물은 납땜 중에 납땜 플럭스에 의하여 야기되지 않으며, 납땜을 받은 회로 기판은 용이하게 세정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 함유하는 땜납 페이스트를 제공하고자 하며, 여기서 무연 땜납 조성물은 0.02 중량%-6 중량% 안티몬, 0.03 중량%-3 중량% 구리, 0.03 중량%-8 중량% 비스무트, 30 중량%-65 중량% 인듐, 0.3 중량%-8 중량% 은, 5 중량%-11 중량% 마그네슘, 0.2 중량%-1.45 중량% 스칸듐, 0.1 중량%-1.1 중량% 레늄 및 10 중량%-45 중량% 주석을 포함하며; 납땜 플럭스는 25 중량%-32 중량% 로진, 유기 산 활성화제로서 펜탄 2산과 2-플루오로벤조산의 혼합물 5 중량%-7 중량%; 계면활성제로서 0.2 중량%-0.5 중량% 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서 0.7 중량%-0.8 중량% 1-옥틸 알콜; 안정화제로서 0.5 중량%-0.7 중량% 히드로퀴논; 및 20 중량%-32 중량% 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함한다.
본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 그리하여 유리 상의 금속화된 표면에 전기 커넥터를 납땜시키기에 적절하다. 추가로, 납땜 플럭스는 무연 땜납을 위한 강한 습윤력을 가지며; 납땜 플럭스를 사용하여 땜납은 균일하게 퍼지며, 용접 후 생성된 잔류물은 물 중에 가용성이어서 납땜 플럭스를 물로 세정한 후 인쇄 기판은 절연 저항이 높게 된다.
본 개시내용은 일부 실시양태와 관련하여 하기에 상세하게 추가로 예시될 것이다. 본원에 기재된 구체적인 실시양태는 본 개시내용을 제한하기보다는 단지 본 개시내용을 설명하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
본 개시내용은 전기 부재(element)를 유리 상에 납땜시키기에 적절한, 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 포함하는 땜납 페이스트를 제공한다. 예시적으로, 자동차 뒷유리의 내부면 내에 내장되거나 또는 내부면 상에 부착된 전기 저항 서리제거 라인으로 이루어진 창문 서리제거기를 포함하는, 자동차 뒷유리의 제조에 상기 납땜이 필요하다. 서리제거 라인은 뒷유리의 내부면 상에 위치하는 한쌍의 전기 접촉 스트립 (즉, 전기 접촉면, 또한 부스 바(buss bar)로 지칭됨)에 전기 접속된다. 전기 접촉 스트립은 뒷유리의 내부면 상에 부착된 전도성 코팅으로 이루어질 수 있다. 통상적으로, 전기 접촉 스트립은 은-함유 물질로부터 형성된다.
종래 기술의 문제를 극복하기 위하여, 본 발명의 실시양태는 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 포함하는 땜납 페이스트를 제공하며, 무연 땜납 조성물은 0.02 중량%-6 중량% 안티몬, 0.03 중량%-3 중량% 구리, 0.03 중량%-8 중량% 비스무트, 30 중량%-65 중량% 인듐, 0.3 중량%-8 중량% 은, 5 중량%-11 중량% 마그네슘, 0.2 중량%-1.45 중량% 스칸듐, 0.1 중량%-1.1 중량% 레늄 및 10 중량%-45 중량% 주석을 포함한다. 납땜 플럭스는 25 중량%-32 중량% 로진, 유기 산 활성화제로서 펜탄 2산과 2-플루오로벤조산의 혼합물 5 중량%-7 중량%; 계면활성제로서 0.2 중량%-0.5 중량% 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서 0.7 중량%-0.8 중량% 1-옥틸 알콜; 안정화제로서 0.5 중량%-0.7 중량% 히드로퀴논 및 20 중량%-32 중량% 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함한다.
한 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 스칸듐 및 레늄을 포함하며, 그 중에서 스칸듐은 그레인 크기를 감소시키는 효과 및 재결정화 온도를 상승시키는 특징을 가지며, 땜납의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 한편, 레늄은 높은 융점, 높은 강도 및 강한 내식성을 특징으로 하며, 땜납의 강도, 고온 저항 및 내식성을 향상시킬 수 있으며, 땜납 연결부의 균열을 방지할 수 있으며, 땜납 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃ 범위내로 증가시키며, 땜납 조성물의 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃ 범위내로 증가시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 1.0 중량%-1.1 중량%, 더욱 바람직하게는 1.04 중량% 스칸듐을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 0.7 중량%-0.8 중량%, 더욱 바람직하게는 0.75 중량% 레늄을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 3 중량%-4 중량% 안티몬 및 4 중량%-5 중량% 비스무트를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 6 중량%-10 중량%, 바람직하게는 7 중량%-9 중량%, 더욱 바람직하게는 8 중량% 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 기타 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 8 중량%-9 중량% 마그네슘을 포함할 수 있다.
모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜일 수 있으며, 땜납 합금 중에 함유된 금속과 활성화제의 반응을 억제하여 금속 염의 형성을 방지할 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 땜납 페이스트 중의 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위내의 고상선 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위내의 액상선 온도를 갖는다. 고상선 온도는 실제로 합금이 용융되기 시작하는 온도로서 정의된다. 고상선 온도 미만에서는, 용융된 상 없이 물질이 완전하게 고체이다. 액상선 온도는 결정 (비용융된 금속 또는 합금)이 용융물과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 초과에서, 물질은 균질하며, 용융물만으로 이루어진다. 땜납 가공 온도는 액상선 온도보다 수 도(a number of degrees)만큼 더 높고, 이는 납땜 기술에 의하여 결정된다.
본 발명의 땜납 조성물은 납이 없으며, 통상적으로 약 105℃인 동일한 유형의 기타 땜납보다 더 높은 작업 온도를 갖는다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은 종래 기술에서 기존의 무연 땜납 조성물에 비하여 훨씬 더 우수한 연성 및 안전성을 갖는다.
비스무트 및 구리와 기타 원소의 조합은 땜납의 작업 온도의 예상된 증가 및, 특정 조건 하에서 땜납의 기계적 성능의 향상을 비롯한 땜납 조성물의 전체 성능을 개선시킨다.
일부 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위내의 고상선 온도를 가질 수 있다.
추가로 일부 실시양태에서, 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위내의 액상선 온도를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 3 중량%-4 중량% 안티몬을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 무연 땜납 조성물은 4 중량%-5 중량% 비스무트를 포함할 수 있다.
본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가지며, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 그리하여 유리 상의 금속화된 표면에 전기 커넥터를 납땜시키기에 적절하다.
이제, 본 발명의 땜납 페이스트에 의하여 형성된 땜납 연결부의 균열 방지 성능은 하기 표 1에 제시한 바와 같이 본 발명의 실시양태 및 일부 비교예 사이의 비교와 함께 하기에 기재될 것이다.
<표 1>
Figure pat00001
주:
√: 납땜 중에 인접한 땜납 연결부에 균열이 발생하지 않음
×: 납땜 중에 인접한 땜납 연결부에 균열이 발생함
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 땜납 조성물 중에 0.2 중량%-1.45 중량% 범위내의 양으로 함유될 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의하여 형성된 땜납 연결부의 균열은 차후의 공정에서 방지될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 땜납 조성물 중에 0.2 중량% 미만 또는 1.45 중량% 초과의 양으로 함유될 경우, 땜납의 균열 방지 성능이 저하된다. 추가로, 레늄이 땜납 조성물 중에 0.1 중량%-1.1 중량% 범위내의 양으로 함유될 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의하여 형성된 땜납 연결부는 우수한 연성을 갖는다. 그러나, 레늄이 땜납 조성물 중에 0.1 중량% 미만 또는 1.1 중량% 초과의 양으로 함유되는 경우, 땜납의 연성 성능은 저하된다.
고온 저장 테스트
본 발명의 실시양태의 땜납 페이스트의 연성 성능은 고온 저장 테스트에 의하여 테스트된다. 본 테스트에서, 기후 제어된 챔버의 온도는 일정한 120℃에서 유지되었으며, 전기 커넥터 및, 본 발명의 땜납에 의하여 그 위에 전기 커넥터를 납땜시킨 금속화된 표면을 기후 제어된 챔버에 넣고, 6 뉴톤의 추를 전기 커넥터로부터 24 시간 동안 매달았다. 24 시간 종료 후, 전기 커넥터를 (상온에서) 50 N의 힘으로 디지탈 힘 게이지에 의하여 3 초 동안 잡아당겼고, 전기 커넥터로부터의 균열의 단절은 본 테스트 중에 발생하지 않았다.
본 개시내용의 바람직한 실시양태 및 응용 기술 원리는 단지 상기와 같이 기재되었다는 점에 유의한다. 당업자는 본 개시내용이 본원에 기재된 특정한 실시양태로 한정되지 않는다는 것으로 이해하여야 한다. 다양한 명백한 변경, 재조정 및 대체는 본 개시내용의 보호 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에 의하여 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 개시내용이 상기 실시양태를 통하여 상세하게 예시되기는 하나, 본 개시내용은 단지 상기 실시양태로 한정되지 않으며, 본 개시내용의 개념에서 벗어남이 없이 더 많은 기타 균등 실시양태를 추가로 포함할 수 있다. 본 개시내용의 범주는 첨부된 청구범위에 포함된다.

Claims (5)

  1. 무연 땜납 조성물 및 납땜 플럭스를 포함하며,
    무연 땜납 조성물이
    0.02 중량%-6 중량% 안티몬,
    0.03 중량%-3 중량% 구리,
    0.03 중량%-8 중량% 비스무트,
    30 중량%-65 중량% 인듐,
    0.3 중량%-8 중량% 은,
    5 중량%-11 중량% 마그네슘,
    0.2 중량%-1.45 중량% 스칸듐,
    0.1 중량%-1.1 중량% 레늄 및
    10 중량%-45 중량% 주석을 포함하며,
    납땜 플럭스가
    25 중량%-32 중량% 로진,
    유기 산 활성화제로서 펜탄 2산과 2-플루오로벤조산의 혼합물 5 중량%-7 중량%;
    계면활성제로서 0.2 중량%-0.5 중량% 알킬페놀 폴리옥시에틸렌,
    소포제로서 0.7 중량%-0.8 중량% 1-옥틸 알콜;
    안정화제로서 0.5 중량%-0.7 중량% 히드로퀴논 및
    20 중량%-32 중량% 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함하는 땜납 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 1.0 중량%-1.1 중량% 스칸듐을 포함하는 땜납 페이스트.
  3. 제1항에 있어서, 0.7 중량%-0.8 중량% 레늄을 포함하는 땜납 페이스트.
  4. 제1항에 있어서, 무연 땜납 조성물이 120℃ 내지 135℃ 범위내의 고상선 온도를 갖는 땜납 페이스트.
  5. 제1항에 있어서, 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매가 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜인 땜납 페이스트.
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