KR20180067090A - 고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유하는 솔더 페이스트 - Google Patents

Abstract

무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유하는 솔더 페이스트가 개시되며, 상기 무연 솔더 조성물은 안티모니 0.02 내지 6중량%, 구리 0.03 내지 3중량%, 비스무스 0.03 내지 8중량%, 인듐 55 내지 75중량%, 은 0.3 내지 8중량%, 마그네슘 5 내지 11중량%, 스칸듐 0.2 내지 1.65중량%, 루테늄 0.2 내지 2.4중량% 및 주석 10 내지 45중량%를 포함하고, 상기 솔더링 플럭스는 로진 25 내지 32중량%, 유기산 활성제로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5 중량%, 소포제로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8 중량%, 안정제로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함한다.

Description

고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유하는 솔더 페이스트{SOLDER PASTE CONTAINING LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY AND SOLDERING FLUX}

본 발명은 고연성의 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스(flux)를 함유하는 솔더 페이스트에 관한 것이다.

자동차의 후방창은 일반적으로 유리 상에 설치하는 서리제거장치와 같은 전기 장치를 포함한다. 전기 장치에 전기적 연결을 제공하기 위해, 일반적으로 금속 코팅의 작은 부분이 전기 장치와 전기적으로 연결되도록 구성되는 금속화된 표면을 얻기 위하여 유리에 적용되고, 그런 다음 전기 장치의 전기 커넥터가 금속화된 표면에 솔더링 될 수 있다.

종래 기술에서, 전기 커넥터는 납(Pb)을 함유한 솔더와 함께 유리 상의 금속화된 표면에 솔더링된다. 그러나, 납에 의한 환경오염 때문에 납의 사용이 점점 더 제한됨에 따라 무연 솔더가 솔더링 제품에 사용 되기 시작했다. 예를 들면, 통상적으로 80% 이상과 같은 높은 주석(Sn) 함량을 함유하는 무연 솔더가 일부 산업분야에 이용된다.

그러나, 유리는 깨지기 쉽기 때문에, 높은 주석 함량을 갖는 일반적인 무연 솔더는 유리 상에 전기 장치를 솔더링하는 중에 유리의 균열을 일으키는 경향이 있다. 더욱이 열팽창계수(CTE)가 현저히 다른 두 물질(예를 들면 유리 및 구리)을 솔더링하는 것은 솔더 접합부의 냉각 중이나 그 이후의 온도 편위(excursion) 중 솔더에 응력을 부과한다. 따라서, 한편으로는, 높은 융점과 이에 상응하는 높은 공정온도는 냉각 중에 솔더에 높은 응력을 부과하여 열팽창계수(CTE) 불일치의 악영향을 증대시키기 때문에, 유리 상에 전기 장치를 솔더링하는데 적합한 솔더 조성물은 솔더링 공정 중에 자동차 유리에 균열이 발생하지 않을 정도로 충분히 낮은 융점(즉, 액체화 온도)을 가질 필요가 있다. 결과적으로, 솔더는 우수한 연성을 가질 것이 더 요구된다. 다른 한편으로는, 자동차 창문이 닫힌 채로 햇볕을 받거나 다른 극한 환경 조건에 있을 때와 같은 자동차의 통상적인 사용 중에 솔더가 용융되지 않도록 솔더 조성물의 융점은 충분히 높아야 한다.

종래에 이미 인듐(In) 64.35 내지 65.65중량%, 주석(Sn) 29.7 내지 30.3중량%, 은(Ag) 4.05 내지 4.95중량% 및 구리(Cu) 0.25 내지 0.75중량%를 구비하는 무연 솔더 조성물이 개시되었다(이하, "65 인듐 솔더"라 함).

그러나, 인듐을 함유한 솔더들은 보통 다른 솔더들에 비하여 훨씬 더 낮은 융점을 가진다. 예를 들어, 65 인듐 솔더는 납 솔더의 160℃와 비교하여 109℃의 고체화 온도를 가지며, 또한 납 솔더의 224℃와 비교하여 127℃의 액체화 온도를 가진다. 일반적으로, 솔더에서 더 높은 인듐 함유량은 솔더의 낮은 고체화 온도를 초래한다. 일부 자동차 제조업체는 어떠한 성능 저하 없이 솔더 접합부가 상승된 온도를 견딜 수 있어야 함을 요구함에 따라, 인듐을 함유한 솔더는 120℃ 보다 낮지 않은 고체화 온도를 가져야 하고, -40℃ 내지 120℃ 온도 범위에서 우수한 연성을 가져야 한다.

또한, 조밀하게 배치된 다수의 전기 커넥터를 솔더링 시, 전기 커넥터의 솔더링은 인접하여 솔더링된 전기 커넥터에 영향을 미칠 것이므로, 이에 따라 솔더는 높은 안정성 및 연성을 가져야 하고, 그렇지 않으면 인접한 전기 커넥터의 재용융 및 균열이 발생하게 될 것이다.

솔더링 플럭스(soldering flux)는 솔더링에 있어서 필수적인 첨가제이다. 상기 요구되는 솔더 조성물을 위해, 적합한 솔더링 플럭스가 요구됨에 따라, 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스에 의해 형성된 솔더 페이스트(solder paste)는 장기간 보관 동안 점착성을 유지할 수 있으며, 솔더링하는 동안 솔더링 플럭스에 의해 과도한 잔여물이 발생되지 않고, 솔더링을 거친 회로 기판을 용이하게 세척할 수 있다.

본 발명은 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유하는 솔더 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 함유하는 솔더 페이스트를 제공하는 것이며, 상기 무연 솔더 조성물은 안티모니 0.02 내지 6중량%, 구리 0.03 내지 3중량%, 비스무스 0.03 내지 8중량%, 인듐 55 내지 75중량%, 은 0.3 내지 8중량%, 마그네슘 5 내지 11중량%, 스칸듐 0.2 내지 1.65중량%, 루테늄 0.2 내지 2.4중량% 및 주석 10 내지 45중량%를 포함하고, 상기 솔더링 플럭스는 로진 25 내지 32중량%, 유기산 활성제로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5 중량%, 소포제로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8 중량%, 안정제로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함한다.

상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 보다 낮지 않은 고체화 온도를 가지고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 이에 따라 유리 상의 금속화된 표면 상에 전기 커넥터를 솔더링 하는데 적합하다. 더욱이 상기 솔더링 플럭스는 상기 무연 솔더에 대한 강한 습윤 능력을 가지며; 상기 솔더링 플럭스를 사용함으로써, 솔더는 균일하게 퍼지고, 용접 이후에 발생된 잔여물은 물에 용해되므로, 솔더링 플럭스가 물로 세척된 후에 인쇄 기판은 절연 저항이 높다.

본 개시는 일부 실시예와 함께 아래에서 더 상세히 설명될 것이다. 본원에 기재된 특정 실시예들은 본 개시를 제한하기 보다는 단지 본 개시를 설명하기 위한 것으로 이해될 것이다.

본 개시는 유리 상에 전기 요소를 솔더링 하는데 적합한, 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공한다. 예시적으로, 이러한 솔더링은, 자동차의 후방창 내에 내장되거나 후방창의 내부 표면 상에 증착되며 전기 저항성 제상(defrosting) 라인으로 구성된 윈도우 서리 제거 장치를 포함하는, 자동차의 후방창을 제조하는데 요구된다. 상기 제상 라인은 후방창의 내부 표면 상에 위치하는 한쌍의 전기 접촉 스트립(즉, 전기 접촉면, 또는 버스 바라고도 함)과 전기적으로 연결된다. 상기 전기 접촉 스트립은 상기 후방창의 내부 표면상에 증착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 통상적으로, 상기 전기 접촉 스트립은 은을 함유하는 물질로부터 형성된다.

종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공하며, 상기 무연 솔더 조성물은 안티모니 0.02 내지 6중량%, 구리 0.03 내지 3중량%, 비스무스 0.03 내지 8중량%, 인듐 55 내지 75중량%, 은 0.3 내지 8중량%, 마그네슘 5 내지 11중량%, 스칸듐 0.2 내지 1.65중량%, 루테늄 0.2 내지 2.4중량% 및 주석 10 내지 45중량%를 포함한다. 상기 솔더링 플럭스는 로진 25 내지 32중량%, 유기산 활성제로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5 중량%, 소포제로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8 중량%, 안정제로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함한다.

상기 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 스칸듐 및 루테늄을 포함하는데, 그 중 스칸듐은 입자 크기를 감소시키는 효과와 재결정 온도를 상승시키는 특징을 가지고, 솔더의 연성과 안정성을 향상시킬 수 있으며, 반면 루테늄은 고융점, 고강도 및 강한 내식성을 특징으로 하면서, 상기 솔더의 강도, 고온 내성 및 내식성을 향상시킬 수 있고, 솔더 접합부의 크랙 발생을 방지할 수 있으며, 상기 솔더 조성물의 고체화 온도를 120℃ 내지 135℃ 범위 내로 증가시키고, 상기 솔더 조성물의 액체화 온도를 130℃ 내지 145℃ 범위 내로 증가시킨다.

일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 스칸듐 1.2 내지 1.4중량%, 바람직하게는 1.3중량%를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 루테늄 1.0 내지 1.1중량%, 바람직하게는 1.05중량%를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 안티모니 3 내지 4중량% 및 비스무스 4 내지 5중량%를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 마그네슘 6 내지 10중량%, 바람직하게는 7 내지 9중량%, 더 바람직하게는 8중량%를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 마그네슘 8 내지 9중량%를 포함할 수 있다.

상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜일 수 있고, 상기 솔더 합금에 함유된 금속과 활성제의 반응을 억제할 수 있으며, 이로써 금속 염의 형성을 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 솔더 페이스트에서 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고체화 온도 및 130℃ 내지 145℃ 범위 내의 액체화 온도를 가진다. 상기 고체화 온도는 실질적으로 합금이 용융하기 시작하는 온도로 정의된다. 상기 고체화 온도 이하에서, 물질은 용융상 없이 완전히 고체이다. 상기 액체화 온도는 결정(용융되지 않은 금속 또는 합금)이 용융물과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 상기 액체화 온도 이상에서, 물질은 용융물로만 구성되어 균질하다. 상기 솔더 처리 온도는 솔더링 기술에 의해 결정되는 도(degree) 값에 따라 상기 액체화 온도 보다 높다.

본 발명의 솔더 조성물은 무연이며, 통상적으로 약 105℃인 동일한 유형의 다른 솔더보다 높은 작업 온도를 가진다. 또한, 본 발명의 솔더 조성물은 종래의 기존 무연 솔더 조성물과 비교하여 훨씬 우수한 연성 및 안정성을 가진다.

다른 성분들과 함께 비스무스 및 구리의 조합은 솔더의 작업 온도의 기대된 증가 및 특정 조건 하에서 솔더의 기계적 성능 향상을 포함하여 상기 솔더 조성물의 전반적인 성능을 향상시킨다.

일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 120℃ 내지135℃ 범위의 고체화 온도를 가질 수 있다.

또한 일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액체화 온도를 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 안티모니 3 내지 4중량%를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 무연 솔더 조성물은 비스무스 4 내지 5중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 솔더 조성물은 120℃ 보다 낮지 않은 고체화 온도를 가지고, 우수한 연성 및 안정성을 가지며, 이에 따라 유리 상의 금속화된 표면 상에 전기 커넥터를 솔더링 하는데 적합하다.

하기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 솔더 페이스트에 의해 형성된 솔더 접합부의 anti-cracking performance(내크랙성)이 본 발명의 실시예 및 몇가지 비교예를 비교하여 아래에서 설명될 것이다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
함량 (중량%)	안티모니	1	2.3	4	4.3	5	4	5
	구리	0.1	0.5	1	1.4	2	1	2
	비스무스	0.5	1.5	3	5	7	3	5
	인듐	55	60	65	70	75	50	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.2	0.6	1.1	1.4	1.65	0.05	1.8
	루테늄	0.2	0.9	1.6	2.0	2.4	0.05	2.9
	주석	10	20	25	30	40	30	40
내크랙성		√	√	√	√	√	×	×
연성		우수	우수	우수	우수	우수	부족	부족

√ : 솔더링 중 인접한 솔더 접합부에 크랙 미발생

× : 솔더링 중 인접한 솔더 접합부에 크랙 발생

상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 0.2 내지 1.65중량% 범위의 양으로 솔더 조성물에 함유되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부의 크랙 발생을 후속 공정에서 방지할 수 있다. 그러나, 스칸듐이 솔더 조성물에 0.2중량% 미만 또는 1.65중량% 초과의 양으로 함유되는 경우, 솔더의 내크랙성이 저하된다. 게다가, 루테늄이 솔더 조성물에 0.2 내지 2.4중량% 범위의 양으로 함유되는 경우, 본 발명의 무연 솔더 조성물에 의해 형성된 솔더 접합부는 우수한 연성을 가진다. 그러나, 루테늄이 솔더 조성물에 0.2중량% 미만 또는 2.4중량% 초과의 양으로 함유되는 경우, 솔더의 연성 성능이 저하된다.

고온 저장 실험(High Temperature Storage Test)

본 발명의 실시예들에 의한 솔더 페이스트의 연성 성능이 고온 저장 실험을 통해 테스트 되었다. 본 테스트에서, 기후 조절 챔버의 온도는 항온 120℃로 유지하였으며, 전기 커넥터 및 상기 전기 커넥터가 본 발명의 상기 솔더에 의해 솔더링 되어 있는 금속화된 표면을 상기 기후 조절 챔버 내에 배치하고, 6뉴턴의 중량을 상기 전기 커넥터에 24시간 동안 가하였다. 24시간이 지난 후, 상기 전기 커넥터는 3초 동안 디지털 포스 게이지(digital force gauge)에 의해 50N의 함으로 당겨졌으며(상온 조건), 본 테스트 동안 상기 전기 커넥터에서 크랙의 단선(disconnection)이 발생하지 않았다.

전술한 바는 바람직한 실시예들 및 본 개시의 원리 적용 기술을 단지 상기에서 설명한 것임에 유의한다. 또한, 당 분야의 통상의 기술자들에 있어, 본 개시는 본원에 기재된 특정 실시예들에 제한되지 않는 것으로 이해될 것이다. 다양한 변경, 변형 및 치환이 본 개시의 보호 범위를 벗어나지 않고 당 분야의 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 개시는 상기 실시예를 통하여 상세히 설명되었지만, 본 개시는 단지 상기 실시예들에 제한되지 않으며, 본 개시의 개념을 벗어나지 않으면서 다른 균등한 실시예를 더 포함할 수 있다. 본 개시의 범위는 청구된 청구항에 따른다.

Claims (5)

1. 무연 솔더 조성물 및 솔더링 플럭스를 포함하고,
   상기 무연 솔더 조성물은 안티모니 0.02 내지 6중량%, 구리 0.03 내지 3중량%, 비스무스 0.03 내지 8중량%, 인듐 55 내지 75중량%, 은 0.3 내지 8중량%, 마그네슘 5 내지 11중량%, 스칸듐 0.2 내지 1.65중량%, 루테늄 0.2 내지 2.4중량% 및 주석 10 내지 45중량%를 포함하고,
   상기 솔더링 플럭스는 로진 25 내지 32중량%, 유기산 활성제로서 펜탄 디애시드 및 2-플루오로벤조익 애시드의 혼합물 5 내지 7중량%, 계면활성제로서 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 0.2 내지 0.5 중량%, 소포제로서 1-옥틸 알코올 0.7 내지 0.8 중량%, 안정제로서 하이드로퀴논 0.5 내지 0.7중량% 및 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매 20 내지 32중량%를 포함하는 솔더 페이스트.
   
2. 청구항 1에 있어서, 스칸듐 1.2 내지 1.4 중량%를 포함하는 솔더 페이스트.
   
3. 청구항 1에 있어서, 루테늄 1.0 내지 1.1 중량%를 포함하는 솔더 페이스트.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 무연 솔더 조성물은 120 내지 135℃의 고체화 온도를 가지는 것인 솔더 페이스트.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 모노알킬 프로필렌 글리콜계 용매는 부틸 프로필렌 트리글리콜 또는 부틸 프로필렌 디글리콜인 솔더 페이스트.