KR20180056104A - 고연성 무연땜납 조성물과 납땜 용제를 함유한 땜납 페이스트 - Google Patents

Abstract

무연땜납 조성물과 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트가 개시되며, 상기 무연땜납 조성물은 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 42중량% 내지 70중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.8중량% 내지 1.6중량%의 스칸듐, 0.7중량% 내지 2.0중량%의 이트륨 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하고, 상기 납땜 용제는 25중량% 내지 32중량%의 로진, 유기산 활성제로서 5중량% 내지 7중량%의 펜탄다이애시드(pentane diacid)와 2-플루오로벤조산의 혼합물, 계면활성제로서 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌, 소포제로서 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸알코올, 안정제로서 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논 및 20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용제를 포함한다.

Description

고연성 무연땜납 조성물과 납땜 용제를 함유한 땜납 페이스트 {Solder paste containing lead free solder composition with high ductility and soldering flux}

본 발명은 고연성 무연땜납(lead free solder) 조성물과 납땜 용제를 함유한 땜납 페이스트(solder paste)에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 뒷창은 유리 위에 설치한 서리 제거 장치와 같은 전기 장치를 포함하고 있다. 전기 장치에 전기적 접속을 제공하기 위해서는, 일반적으로 전기 장치에 전기적으로 연결되도록 구성된 금속 표면을 얻기 위해 작은 면적의 금속 코팅을 유리에 적용시키고, 그 후 금속화된 표면에 전기 장치의 전기 커넥터를 납땜시킨다.

종래 기술에서, 전기 커넥터는 유리 상의 금속 표면 위에 납을 함유한 땜납으로 납땜시킨다. 그러나 납으로부터 야기되는 환경오염으로 인하여 납의 사용은 점점 더 제한되고 있으며, 따라서 무연땜납이 납땜에 사용되기 시작하였다. 예를 들어, 80% 초과와 같이 고함량의 주석을 포함하는 일반적인 무연땜납이 일부 산업에서 사용된다.

그러나 유리는 깨지기 쉽고, 따라서 주석 함량이 높은 일반적인 무연땜납은 유리에 전기 장치를 납땜하는 동안 유리의 파손을 야기하는 경향이 있다. 게다가, 열팽창 계수(CTE)가 실질적으로 다른 두 가지 재료(유리와 구리 같은)를 납땜하는 것은 납땜 이음을 냉각시키는 동안이나 뒤따르는 온도 편위 중에 땜납에 스트레스를 발생시킨다. 따라서 한편으로, 유리에 전기 장치를 납땜하기 적합한 땜납 조성물은 땜납을 하는 동안 자동차 유리의 균열을 발생시키지 않기 위해 충분히 낮은 녹는점(즉, 액상선 온도)을 필요로 한다. 왜냐하면 더 높은 녹는점과 그에 상응하는 더 높은 작업 온도는 냉각하는 동안 땜납에 더 높은 스트레스를 주어 CTE 미스매치의 역효과를 증가시키기 때문이다. 그 결과, 땜납은 또한 우수한 연성을 가져야 한다. 반면, 자동차가 창문이 닫힌 채로 햇볕 아래에 있을 때 혹은 다른 가혹한 환경적 조건 아래에 있을 때와 같이, 자동차를 정상적으로 사용하는 중에 땜납이 녹지 않도록 땝납 조성물의 녹는점은 충분히 높아야 한다.

종래에 이미 64.35중량% 내지 65.65중량%의 인듐(In), 29.7중량% 내지 30.3중량%의 주석(Sn), 4.05중량% 내지 4.95중량%의 은(Ag), 그리고 0.25중량% 내지 0.75중량%의 구리(Cu)로 구성된 무연땜납 조성물이 개시되었다(이하 "65 인듐 땜납"이라 함).

그러나 인듐을 포함하는 땜납은 일반적으로 다른 땜납들에 비하여 훨씬 낮은 녹는점을 가지고 있다. 예를 들어, 65 인듐 땜납의 경우, 납 땜납의 고상선 온도 160℃에 비하여 고상선 온도가 109℃이며, 납 땝납의 액상선 온도 224℃에 비하여 액상선 온도가 127℃이다. 일반적으로, 땜납의 인듐 함량이 높아지면 땜납의 고상선 온도는 낮아진다. 일부 자동차 제조업자들은 납땜 이음이 온도 상승을 견디기 충분할 것을 원하며, 따라서 인듐을 포함한 땜납은 고상선 온도가 120℃보다 낮아서는 안되고, -40℃ 내지 120℃ 범위의 온도에서 어떠한 성능의 악화 없이 우수한 연성을 가져야 한다.

또한, 밀접하게 배열된 다수의 전기 커넥터를 납땜함에 있어서, 전기 커넥터의 납땜은 납땜된 이웃 전기 커넥터에 영향을 미칠 것이다. 따라서 땜납은 우수한 안정성과 연성을 가져야 한다. 그렇지 않으면 이웃 전기 커넥터의 재용융와 균열이 잘 일어날 것이다.

납땜 용제는 납땜에 있어서 필수적인 첨가제이다. 위에서 요구한 바와 같은 땜납 조성물을 위해서는, 땜납 조성물과 납땜 용제에 의해 형성된 땜납 페이스트가 장시간 보관 시 점착성을 유지할 수 있고, 납땜 중 납땜 용제로 인한 과잉 잔류물이 발생하지 않으며, 납땜 후 회로 기판을 용이하게 세척할 수 있는, 적합한 납땜 용제가 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 무연땜납 조성물과 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공하는 것이며, 상기 무연땜납 조성물은 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 42중량% 내지 70중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.8중량% 내지 1.6중량%의 스칸듐, 0.7중량% 내지 2.0중량%의 이트륨 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하고, 상기 납땜 용제는 25중량% 내지 32중량%의 로진, 유기산 활성제로서 5중량% 내지 7중량%의 펜탄다이애시드(pentane diacid)와 2-플루오로벤조산의 혼합물, 계면활성제로서 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌, 소포제로서 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸알코올, 안정제로서 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논 및 20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용제를 포함한다.

본 발명의 무연땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가지고 우수한 연성과 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속 표면에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다. 또한, 상기 납땜 용제는 무연땜납에 강한 습윤력을 가지며, 상기 납땜 용제를 사용함으로써 땜납들이 균일하게 도포되고, 용접 후 생성된 잔류물들이 물에 용해될 수 있어 그 결과 납땜 용제를 물로 세척한 후 프린트 기판의 절연 저항이 높다.

본 발명은 여러 실시예와 함께 이하에서 추가로 상세히 설명된다. 본원에 기재된 특정 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 단지 본 발명을 설명하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 유리에 전기 장치를 납땜하기에 적합한, 무연땜납 조성물과 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공한다. 예시적으로, 이러한 납땜은 뒷창 내부 표면에 내장되거나 부착된 전기 저항적 제상 라인(defrosting line)으로 이루어진 창 서리 제거 장치를 포함하는 차량의 뒷창을 제조하는 것에 필요하다. 제상 라인은 뒷창 내부 표면에 위치한 전기 접판(electrical contact strip)(모선이라고도 하는, 즉 전기 접촉면) 쌍에 전기적으로 연결된다. 이 전기 접판은 뒷창 내부 표면에 부착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 통상적으로 전기 접판은 은 함유 물질로부터 형성된다.

종래 기술의 문제점을 극복하기 위해, 본 발명의 실시예는 무연땜납 조성물과 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공하며, 상기 무연땜납 조성물은 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 42중량% 내지 70중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.8중량% 내지 1.6중량%의 스칸듐, 0.7중량% 내지 2.0중량%의 이트륨 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함한다. 상기 납땜 용제는 25중량% 내지 32중량%의 로진, 유기산 활성제로서 5중량% 내지 7중량%의 펜탄다이애시드(pentane diacid)와 2-플루오로벤조산의 혼합물, 계면활성제로서 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌, 소포제로서 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸알코올, 안정제로서 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논 및 20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용제를 포함한다.

상기 실시예에서, 무연땜납 조성물은 스칸듐과 이트륨을 포함하며, 스칸듐은 결정 입도 감소 효과 및 재결정 온도를 상승시키는 특징이 있고 땜납의 안정성과 연성을 증가시킬 수 있으며, 반면 이트륨은 높은 녹는점, 높은 강도 및 강한 내식성을 특징으로 하며, 땜납의 강도와 고온 저항성 및 내식성을 증가시킬 수 있고, 납땜 이음의 균열을 막을 수 있으며, 땜납 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃ 범위로, 그리고 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃ 범위로 증가시킨다.

일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 1.2중량% 내지 1.4중량%, 더 바람직하게는 1.3중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 1.4중량% 내지 1.8중량%, 더 바람직하게는 1.6중량%의 이트륨을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 안티몬과 4중량% 내지 5중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 6중량% 내지 10중량%, 바람직하게는 7중량% 내지 9중량%, 더 바람직하게는 8중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 다른 일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 8중량% 내지 9중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.

모노알킬 프로필렌 글리콜계 용제는 부틸 프로필렌 트리글리콜 혹은 부틸 프로필렌 다이글리콜일 수 있으며, 납땜 합금에 포함되는 금속과 활성제의 반응을 억제할 수 있고, 따라서 금속 염의 형성을 막을 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 땜납 페이스트의 무연땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도, 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가진다. 고상선 온도는 실질적으로 합금이 녹기 시작하는 온도로써 정의된다. 고상선 온도 미만에서는, 물질은 용융된 상태 없이 완전히 고체이다. 액상선 온도는 결정(녹지 않은 금속이나 합금)이 용융상과 함께 존재할 수 있는 가장 높은 온도이다. 액상선 온도를 초과하는 온도에서는, 물질은 균질하며, 용융된 상태로만 이루어진다. 납땜 처리 온도는 납땜 기술에 의해 결정되는 온도 차이만큼 액상선 온도보다 높다.

본 발명의 상기 땜납 조성물은 납이 없으며, 같은 종류의 다른 땜납들의 일반적 작업 온도인 약 105℃보다 더 높은 작업 온도를 가진다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은 종래 기술의 현존하는 무연땜납 조성물에 비하여 훨씬 더 개선된 연성과 안정성을 가진다.

다른 원소들과 비스무트 및 구리의 조합은 땜납 조성물의 전체적 성능을 개선시키며, 이는 특정 조건하에서 땜납 작업 온도의 예상되는 증가와 땜납의 기계적 성능 개선을 포함한다.

일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

또한 일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 안티몬을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 무연땜납 조성물은 4중량% 내지 5중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가지며, 우수한 연성과 안전성을 가지고, 따라서 유리 상의 금속 표면에 전기 커넥터를 납땜하기에 적합하다.

본 발명의 땜납 페이스트에 의해 형성되는 납땜 이음의 균열 방지(anti-cracking) 성능은, 아래 표 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예와 몇몇 비교예의 대비를 통하여 아래에서 설명될 것이다.

		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교예1	비교예2
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	42	50	55	60	70	45	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.8	0.9	1.2	1.4	1.6	0.5	1.8
	이트륨	0.7	0.9	1.6	1.8	2.0	0.5	2.9
	주석	10	20	25	30	40	30	40
균열		√	√	√	√	√	×	×
연성		우수	우수	우수	우수	우수	불량	불량

참조:

√: 납땜 중 이웃한 납땜 이음에 균열이 발생하지 않음

×: 납땜 중 이웃한 납땜 이음에 균열이 발생함

상기 표에서 보여지는 것과 같이, 땜납 조성물에서 스칸듐이 0.8중량% 내지 1.6중량% 범위 내의 양으로 포함되어 있을 때, 본 발명의 무연땜납 조성물에 의해 형성되는 납땜 이음의 균열은 후속 공정에서 방지될 수 있다. 그러나 땜납 조성물에서 스칸듐이 0.8중량%보다 작거나 1.6중량%보다 클 때, 땜납의 균열 방지 성능은 저하된다. 또한 땜납 조성물에서 이트륨이 0.7중량% 내지 2.0중량% 범위 내의 양으로 포함되어 있을 때, 본 발명의 무연땜납 조성물에 의해 형성되는 납땜 이음은 우수한 연성을 갖게 된다. 그러나, 땜납 조성물에서 이트륨이 0.7중량%보다 작거나 2.0중량%보다 클 때, 땜납의 연성 성능은 낮아진다.

고온 저장 시험

본 발명의 실시예의 땜납 페이스트의 연성 성능을 고온 저장 시험으로 테스트한다. 이 시험에서는, 기후 조절 챔버의 온도를 변함 없이 120℃로 유지하였으며, 전기 커넥터와 그 전기 커넥터가 본 발명의 땜납에 의해 그 위에 납땜된 금속 표면은 기후 조절 챔버 내에 두었고, 6뉴턴의 추를 24시간 동안 전기 커넥터에 매달아 놓았다. 24시간 후, 전기 커넥터를 디지털 힘 측정기(digital force gauge)에 의해 3초 동안 (실온에서) 50N의 힘으로 당겼으며, 이 시험 동안 전기 커넥터로부터 균열의 단절이 발생하지 않았다.

단지 본 발명의 바람직한 실시예와 적용 기술 원리가 상기에서 설명됨을 유의한다. 본 발명이 본원에 기재된 특정 실시예에 한정되지 않다는 것은 당업자에게 반드시 이해되어야 한다. 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 다양한 명백한 변경, 재조정 및 대체가 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명이 상기 실시예에 의하여 상세하게 설명되었음에도 불구하고, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 다른 상응하는 실시예들을 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 따른다.

Claims (5)

1. 무연땜납 조성물과 납땜 용제를 포함하며, 상기 무연땜납 조성물은 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 42중량% 내지 70중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.8중량% 내지 1.6중량%의 스칸듐, 0.7중량% 내지 2.0중량%의 이트륨 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하고, 상기 납땜 용제는 25중량% 내지 32중량%의 로진, 유기산 활성제로서 5중량% 내지 7중량%의 펜탄다이애시드(pentane diacid)와 2-플루오로벤조산의 혼합물, 계면활성제로서 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌, 소포제로서 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸알코올, 안정제로서 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논 및 20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용제를 포함하는 땜납 페이스트.
2. 제1항에 있어서, 1.2중량% 내지 1.4중량%의 스칸듐을 포함하는 땜납 페이스트.
3. 제1항에 있어서, 1.4중량% 내지 1.8중량%의 이트륨을 포함하는 땜납 페이스트.
4. 제1항에 있어서, 무연땜납 조성물의 고상선 온도가 120℃ 내지 135℃ 범위인 땜납 페이스트.
5. 제1항에 있어서, 상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용제가 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 다이글리콜인 땜납 페이스트.