KR20180065607A - 높은 연성을 갖는 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 개시하며, 상기 무연 땜납 조성물은 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 50중량% 내지 75중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐, 0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐, 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하고, 상기 납땜 용제는 25중량% 내지 32중량%의 로진, 유기산 활성제로서, 5중량% 내지 7중량%의 펜탄 이산 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 표면 활성제로서, 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서, 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸 알코올; 안정제로서, 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논; 및 20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함한다.

Description

높은 연성을 갖는 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트 {SOLDER PASTE CONTAINING LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY AND SOLDERING FLUX}

본 발명은 높은 연성을 갖는 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트에 관한 것이다.

자동차의 뒷창문은 전형적으로 유리 상에 위치한 전기 장치, 예를 들면 디프로스터(defroster)를 포함한다. 전기 장치로의 전기 접속을 제공하기 위해서, 일반적으로 작은 면적의 금속 피복이 유리에 도포되어, 전기 장치에 전기적으로 접속되어 구성되는 금속화 표면을 얻은 후에, 전기 장치의 전기 커넥터가 금속화 표면 상에 납땜될 수 있다.

종래 기술에 있어서, 전기 커넥터는 유리 상의 금속화 표면 상에 납(Pb)을 함유하는 땜납으로 납땜된다. 그러나, 납에 의해 야기되는 환경 오염때문에, 납의 사용은 점점 더 제한되며, 따라서 납땜 응용에 무연 땜납이 사용되기 시작한다. 예를 들면, 일부 산업에서 높은 주석(Sn) 함량, 예를 들면 80% 초과를 함유하는 일반적인 무연 땜납이 채용된다.

그러나, 유리는 깨지기 쉽고, 따라서 높은 주석 함량을 갖는 일반적인 무연 땜납은 유리 상에 전기 장치를 납땜하는 동안에 유리의 균열을 야기하는 경향이 있다. 또한, 열팽창 계수(CTE)가 실질적으로 상이한 2개의 재료(예를 들면, 유리와 구리)를 납땜하는 것은 납땜 이음의 냉각 시 또는 이후의 온도 변동 시에 땜납에 응력을 가한다. 따라서, 한편으로는, 보다 높은 융점과, 상응하는 보다 높은 공정 온도가 냉각 시에 땜납 상에 보다 높은 응력을 가하는, CTE 불일치의 역효과를 증가시키기 때문에, 유리 상에 전기 장치를 납땜하는데 적합한 땜납 조성물은 납땜 공정 시에 자동차용 유리의 균열을 야기하지 않도록 충분히 낮은 융점(즉, 액상선 온도(liquidus temperature))을 가질 필요가 있다. 결과적으로, 땜납은 양호한 연성을 갖는 것이 더 요구된다. 다른 한편으로는, 자동차의 정상 사용 시, 예를 들면 자동차가 창문이 닫힌채 햇볕에 있거나 또는 극심히 냉혹한 환경 조건 하에 있을 시에 땜납이 용융되지 않도록 땜납 조성물의 융점이 충분히 높을 필요가 있다.

64.35중량% 내지 65.65중량%의 인듐(In), 29.7중량% 내지 30.3중량%의 주석(Sn), 4.05중량% 내지 4.95중량%의 은(Ag), 및 0.25중량% 내지 0.75중량%의 구리(Cu)를 갖는 무연 땜납 조성물(이하에, "65 인듐 땜납"이라 나타낸다)이 종래에 이미 개시되어 있다.

그러나, 인듐을 함유하는 땜납은 일반적으로 다른 땜납보다 낮은 융점을 갖는다. 65 인듐 땜납은, 예를 들면 160℃의 땜납과 비교하여 109℃의 고상선 온도(불량)을 갖고, 224℃의 땜납과 비교하여 127℃의 액상선 온도를 갖는다. 일반적으로, 땜납 중의 보다 높은 인듐 함량은 땜납의 보다 낮은 고상선 온도를 야기한다. 일부 차량 제조 업체들은 납땜 이음이 상승하는 온도를 견딜 수 있어야 하는 것을 소망하고, 따라서 인듐 함량을 갖는 땜납은 120℃ 이상의 고상선 온도를 가져야 하며, -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 어떠한 성능의 저하도 없이 양호한 연성을 가져야 한다.

또한, 접근하여 배열된 다수의 전기 커넥터들의 납땜에 있어서, 전기 커넥터의 납땜은 인접한 납땜된 전기 커넥터에 영향을 미칠 것이고, 따라서 땜납은 높은 안정성 및 연성을 가져야 하며, 그렇지 않으면 인접한 전기 커넥터의 재용융 및 균열이 발생할 가능성이 있다.

납땜 용제 (soldering flux)는 납땜에 필요한 첨가제이다. 땜납 조성물 및 납땜 용제에 의해 형성되는 땜납 페이스트가 장기 보존 시에 점착성을 유지할 수 있고, 납땜 시 납땜 용제에 의해 과도한 잔류물이 생기지 않고, 납땜 처리된 회로 기판을 용이하게 세정할 수 있도록, 상기 땜납 조성물은 필요에 따라 적절한 납땜 용제가 요구된다.

요약

따라서, 본 발명의 목적은 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공하는 것으로서, 여기서 상기 무연 땜납 조성물은 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬 (stibium), 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 50중량% 내지 75중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐, 0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐, 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하고; 상기 납땜 용제는 25중량% 내지 32중량%의 로진, 유기산 활성제로서, 5중량% 내지 7중량%의 펜탄 이산 (diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 표면 활성제로서, 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서, 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸 알코올; 안정제로서, 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논; 및 20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함한다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도 (solidus temperature)를 갖고, 양호한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속화 표면 상에 전기 커넥터를 납땜하는데 적합하다. 또한, 납땜 용제는 무연 땜납에 대하여 강한 습윤성을 갖는데; 납땜 용제를 사용함으로써, 납땜이 균일하게 퍼지고, 납땜 용제가 물로 세정된 후 프린트 기판이 높은 절연 저항을 갖도록 용접 후 발생된 잔류물이 물에 용해된다.

본 발명은 일부 실시예와 함께 이하에 상세하게 더 설명될 것이다. 본 명세서에 기재된 특정 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 단지 본 발명을 설명하기 위한 것임이 이해될 수 있다.

본 발명은 유리 상에 전기 소자를 납땜하는데 적합한 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공한다. 예로서, 뒷창문의 내측 표면 상에 배치되거나 또는 내장된 전기 저항성 디프로스팅 라인으로 구성되는 창문 디프로스터를 포함하는 자동차의 뒷창문을 제조하기 위해서 이러한 납땜이 요구된다. 상기 디프로스팅 라인은 뒷창문의 내측 표면 상에 위치하는 한쌍의 전기 접촉편(electrical contact strip)(즉, 모선(buss bar)이라고도 칭해지는 전기 접촉면)에 전기적으로 접속된다. 전기 접촉편은 뒷창문의 내측 표면 상에 배치된 전도성 도료로 구성될 수 있다. 전형적으로, 전기 접촉편은 은-함유 재료로 형성된다.

종래 기술에서의 문제점을 극복하기 위해서, 본 발명의 실시예는 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트를 제공하는 것으로서, 상기 무연 땜납 조성물은 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 50중량% 내지 75중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐, 0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐, 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함한다. 상기 납땜 용제는 25중량% 내지 32중량%의 로진, 유기산 활성제로서, 5중량% 내지 7중량%의 펜탄 이산 및 2-플루오로벤조산의 혼합물; 표면 활성제로서, 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌; 소포제로서, 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸 알코올; 안정제로서, 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논; 및 20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함한다.

상기 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 스칸듐 및 이리듐을 포함하고, 이 중에 스칸듐은 입자 크기를 축소시키는 효과 및 재결정화 온도를 상승시키는 특징을 갖고, 땜납의 연성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 한편, 이리듐은 높은 융점, 높은 강도, 및 강한 방부성(anti-corrosion)이 특징이며, 땜납의 강도, 고온 저항성, 및 방부성을 향상시킬 수 있고, 납땜 이음의 균열을 방지할 수 있고, 땜납 조성물의 고상선 온도가 120℃ 내지 135℃의 범위 이내가 되도록 증가시키고, 땜납 조성물의 액상선 온도가 130℃ 내지 145℃의 범위 이내가 되도록 증가시킨다.

일부 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 1.0중량% 내지 1.1중량%, 보다 바람직하게는 1.04중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 0.7중량% 내지 0.8중량%, 보다 바람직하게는 0.75중량%의 이리듐을 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 안티몬 및 4중량% 내지 5중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 6중량% 내지 10중량%, 바람직하게는 7중량% 내지 9중량%, 보다 바람직하게는 8중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 8중량% 내지 9중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.

상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜 일 수 있고, 활성제와 땜납 합금에 함유된 금속과의 반응을 억제하여 따라서 금속염의 형성을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 땜납 페이스트 중의 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 이내의 고상선 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위 이내의 액상선 온도를 갖는다. 고상선 온도는 사실상 합금이 용융되기 시작하는 온도로 정의된다. 고상선 온도 이하에서, 물질은 용융상 없이 완전히 고체이다. 액상선 온도는 결정(미용융 금속 또는 합금)이 용융체와 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 이상에서, 재료는 균질이며, 용융체로만 구성된다. 납땜 기술에 의해 결정되는 도수에 의한 납땜 공정 온도는 액상선 온도보다 높다.

본 발명의 땜납 조성물은 무연이며, 전형적으로 약 105℃인, 동종의 다른 땜납의 작용 온도보다 높은 작용 온도를 갖는다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은 종래 기술의 현존하는 무연 땜납 조성물과 비교하여 보다 양호한 연성 및 안정성을 갖는다.

비스무트 및 구리와, 다른 원소의 조합은 땜납의 작용 온도의 기대되는 증가 및 특정 조건 하에서의 땜납의 기계적 성능의 향상을 포함하는, 땜납 조성물의 전반적인 성능을 향상시킨다.

일부 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 가질 수 있다.

추가의 일부 실시예에 있어서, 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 가질 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 안티몬을 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 무연 땜납 조성물은 4중량% 내지 5중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 갖고, 양호한 연성 및 안정성을 가지며, 따라서 유리 상의 금속화 표면 상에 전기 커넥터를 납땜하는데 적합하다.

이제, 이하의 표 1에 나타내어진 바와 같이, 본 발명의 실시예와 일부 비교예 사이의 비교를 들어, 본 발명의 땜납 페이스트로 형성되는 납땜 이음의 균열 방지 성능을 이하에 설명할 것이다.

주석(Note):

√: 납땜 시에 인접한 납땜 이음에 균열이 발생하지 않았다.

×: 납땜 시에 인접한 납땜 이음에 균열이 발생했다.

상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 땜납 조성물 중에 스칸듐이 0.1중량% 내지 1.55중량% 범위의 양으로 함유될 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물로 형성되는 납땜 이음의 균열이 이후의 공정에서 방지될 수 있다. 그러나, 땜납 조성물 중에 스칸듐이 0.1중량% 미만 또는 1.55중량% 초과의 양으로 함유될 경우, 땜납의 균열 방지 성능이 저하된다. 추가적으로, 땜납 조성물 중에 이리듐이 0.3중량% 내지 1.4중량% 범위의 양으로 함유될 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물로 형성되는 납땜 이음은 양호한 연성을 갖는다. 그러나, 땜납 조성물 중에 이리듐이 0.3중량% 미만 또는 1.4중량% 초과의 양으로 함유될 경우, 땜납의 연성 성능이 저하된다.

고온 보존 시험

고온 보존 시험에 의해 본 발명의 실시예의 땜납 페이스트의 연성 성능이 시험된다. 이 시험에 있어서, 기후 제어 챔버(climate controlled chamber)의 온도는 일정하게 120℃로 유지되었고, 전기 커넥터, 및 본 발명의 땜납에 의해 전기 커넥터가 납땜된 금속화 표면이 상기 기후 제어 챔버에 배치되었고, 상기 전기 커넥터로부터 24시간 동안 6 뉴턴의 중량이 걸렸다. 24시간이 종료된 후, 디지털 압력 게이지에 의한 50N의 힘으로 3초 동안 전기 커넥터를 당겼고(주위 온도에서), 이 시험 시에 상기 전기 커넥터로부터의 균열의 절단은 발생하지 않았다.

본 발명의 바람직한 실시예 및 적용되는 기술 원리는 단지 상기와 같이 설명하기 위한 것임을 유의해야 한다. 본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 실시예들로 한정되는 것이 아닌 것이 당업자들에게 이해되어야 한다. 본 발명의 보호의 범위를 벗어나는 일 없이 당업자들에 의해 각종 명백한 변경, 재조정, 및 대안이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 실시예를 통해 본 발명이 상세하게 설명되지만, 본 발명은 단지 상기 실시예로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 개념을 벗어나는 일 없이, 오히려 다른 동등한 실시예를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 대상이 된다.

Claims (5)

1. 무연 땜납 조성물 및 납땜 용제를 포함하는 땜납 페이스트로서, 상기 무연 땜납 조성물은:
   0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬 (stibium),
   0.03중량% 내지 3중량%의 구리,
   0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트,
   50중량% 내지 75중량%의 인듐,
   0.3중량% 내지 8중량%의 은,
   5중량% 내지 11중량%의 마그네슘,
   0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐,
   0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐, 및
   10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하고,
   상기 납땜 용제는:
   25중량% 내지 32중량%의 로진,
   유기산 활성제로서, 5중량% 내지 7중량%의 펜탄 이산 (diacid) 및 2-플루오로벤조산의 혼합물;
   표면 활성제로서, 0.2중량% 내지 0.5중량%의 알킬페놀 폴리옥시에틸렌;
   소포제로서, 0.7중량% 내지 0.8중량%의 1-옥틸 알코올;
   안정제로서, 0.5중량% 내지 0.7중량%의 하이드로퀴논; 및
   20중량% 내지 32중량%의 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매를 포함하는 것인, 땜납 페이스트.
2. 청구항 1에 있어서, 1.0중량% 내지 1.1중량%의 스칸듐을 포함하는 것인, 땜납 페이스트.
3. 청구항 1에 있어서, 0.7중량% 내지 0.8중량%의 이리듐을 포함하는 것인, 땜납 페이스트.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃의 범위의 고상선 온도(solidus temperature)을 갖는 것인, 땜납 페이스트.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜인 것인, 땜납 페이스트.