KR100903026B1 - 솔더링용 무연합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 솔더링용 무연합금에 관한 것으로서, 주석(Sn)을 주성분으로 하며, 은(Ag), 구리(Cu), 인(P)을 함유하여 조성되는 솔더링용 무연합금에 있어서, 본 솔더링용 무연합금에 칼륨(K)을 첨가하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 무연솔더의 젖음성 및 기계적 특성을 향상시키고, 무연솔더 제조시 용융상태에서 발생되는 드로스(dross) 양을 최소화하며, 화학적 및 열적으로 안정된 결합을 형성할 수 있다.

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Description

솔더링용 무연합금{LEED-FREE ALLOY FOR SOLDERING}

본 발명은, 솔더링용 무연합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주석(Sn)을 주성분으로 하며, 은(Ag), 구리(Cu), 인(P)을 함유한 솔더링용 무연합금에 칼륨(K)을 첨가하여 무연솔더의 젖음성 및 기계적 특성을 향상시키고, 무연솔더 제조시 용융상태에서 발생되는 드로스(dross) 양을 최소화하며, 화학적 및 열적으로 안정된 결합을 형성하고, 저온에서도 작업이 가능한 솔더링용 무연합금에 관한 것이다.

솔더링용 합금은 많은 반도체 및 전자 제품의 조립에 있어서, 인쇄 회로 기판 (Printed Circuit Board, PCB)과 IC 칩 등의 각 부품을 접합하는데 사용되고 있는 바, 핸드폰, 컴퓨터 등 여러 가지 전자 제품 등의 조립에 있어서 필수적으로 사용된다고 할 수 있다.

이러한 솔더링용 합금의 접합은 용융된 상태에서 접합의 대상이 되는 모재상을 흐르면서 퍼지는 과정에 의해 접합되는데, 이러한 현상을 젖음성이라 한다.

따라서, 전자제품 조립에 사용되는 솔더 조성은 솔더 합금으로서 젖음성이 좋아야 하며, 패드 또는 랜드 금속의 전기 전도성 및 열적 안정성이 뛰어나야 한다.

이러한 이유로 종래 솔더링용 합금의 조성에 있어서, 주석(Sn)/납(Sn/Pb) 합 금과 같은 주석(Sn)을 기재로 하는 합금이 대부분이었다.

여기서, 납(Pb)은 합금의 젖음성, 강도, 경도 등 물리적, 기계적 특성을 결정하는 중요한 요소로 작용하여 왔으며, 특히, 상기 솔더 조성물에 납(Pb)이 포함됨으로써, 합금의 녹는점을 183℃까지 낮출 수 있어서, 전자 부품을 조립하는 공정 중 솔더링시 발생하는 열에 의하여 전자 제품이 손상되는 것을 방지할 수 있으므로, 종래의 솔더 합금에 있어서는 그 소재의 일부로써 납을 사용하는 것이 불가피한 것으로 되어 왔다.

그러나, 최근들어 납(Pb)에 의한 환경 오염 문제가 대두되면서, 인체에 유해한 납을 사용하지 않는 솔더 합금의 개발이 절실히 요구되고 있다.

특히, 종래의 납을 많이 포함하는 솔더 합금으로 접합된 전자 제품이 폐기되는 경우에는, 산성비에 의해서 납(Pb)이 용출되어 황산 화합물을 형성함으로써, 지하수를 오염시키는 환경 문제를 일으킬 수 있으며, 이러한 납 화합물이 인체에 흡수될 경우에는 중추 신경을 침범하고, 혈액 중의 헤모글로빈 장애를 일으킬 수 있는 등, 인체에 여러 가지 해악을 끼칠 수 있다.

또한, 이러한 납의 독성으로 인하여, 납을 함유하지 않는 무연 솔더 합금의 개발이 계속적으로 요구되어 왔으나, 상기한 바와 같이, 납을 함유하지 않는 솔더 합금의 경우에는 그 녹는점이 높아져서, 솔더링시 발생하는 열에 의하여, 접합되는 전자 부품이 손상되는 문제점이 발생할 수 있었던 것이 사실이다.

이 때문에, 최근 납을 포함하지 않으면서도, 솔더에 의해 접합되는 전자 부품이 열에 의해 손상되지 않도록, 융점을 낮출 수 있는 솔더 합금을 개발하기 위한 연구가 다수 진행되어 왔다.

이러한 연구 결과로 최근 여러 가지 납이 포함되지 않은 무연솔더 합금이 개발된 바 있는데, 이러한 무연솔더 합금은 주석(Sn)을 기본 조성으로 하여 구리(Cu), 은(Ag), 안티몬(Sb), 게르마늄(Ge), 인듐(In) 등을 조합하여 구성된 무연솔더 합금이 개발되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 무연합금은 솔더의 젖음성 등이 종래의 납을 이용한 것에 비하여 떨어지며, 일반적으로 융점이 높아 인쇄 회로 기판과 부품에 열적 충격을 주고, 솔더의 손상을 초래할 수 있으며, 결국은 솔더 접합부에 기계적, 전기적 특성을 저하 시킬 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 무연합금은 구리(Cu)와 주석(Sn) 간의 반응으로 인한 금속간 화합물의 생성과, 주석(Sn) 또는 구리(Cu)와 공기 중의 산소와의 반응에 따른 산화물에 의한 드로스(dross)의 발생으로 인하여 솔더링 후 열응력 등의 화학적 요인에 의해 솔더에 균열이 발생될 수 있는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 무연솔더의 젖음성 및 물리적, 기계적 특성을 향상시켜 솔더링시 작업성을 개선할 수 있는 솔더링용 무연합금을 제공하는 데 있다.

또한, 무연솔더 제조시 용융상태에서 자연 발생, 형성되는 드로스(dross) 양을 최소화하며, 화학적 및 열적으로 안정된 결합을 형성하고, 저온에서도 솔더링 작업이 가능한 솔더링용 무연합금을 제공하는 데 있다.

　상기 목적은 본 발명에 따라, 주석(Sn)을 주성분으로 하며, 은(Ag), 구리(Cu), 인(P)을 함유하여 조성되는 솔더링용 무연합금에 있어서, 본 무연합금에 칼륨(K)을 첨가하여 조성되는 것을 특징으로 하는 솔더링용 무연합금에 의해 달성된다.

여기서, 상기 솔더링용 무연합금은 상기 솔더링용 무연합금은 0.1 내지 6.0 중량％의 은과, 0.05 내지 7.5 중량％의 구리(Cu)와, 인(P) 0.001 내지 3.0 중량％의 인(P)과, 0.001 내지 0.5 중량％의 칼륨(K)으로 조성된다.

또한, 상기 솔더링용 무연합금은 0.1 내지 3.0 중량％의 비스무스(Bi)를 추가적으로 포함할 수 있다.

이하, 본 발에 따른 솔더링용 무연합금에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은 회로 기판 등에 사용되는 솔더의 기본 조성물인 주석(Sn)과 납(Pb) 중에서 맹독성인 납(Pb)을 사용하지 않으면서 기존의 납을 포함하는 솔더와 유사하거나 더욱 향상된 젖음성 및 전기전도, 열적 안정성 등의 특성을 갖는 합금이다.

이러한 특성을 지니기 위해서, 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은 주석(Sn)을 기본조성으로 하여 은(Ag) 0.1 내지 6.0 중량％와, 구리(Cu) 0.05 내지 7.5 중량％와, 인(P) 0.001 내지 3.0 중량％와, 칼륨(K) 0.001 내지 0.5 중량％의 조성을 갖는다.

즉, 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금에 의하면, 본 무연합금에 소량의 칼 륨(K)을 첨가함으로써, 솔더의 젖음성을 향상시킬 수 있는 동시에, 반응성을 향상시켜 저온에서도 빠른 시간내에 솔더링이 가능하며, 열 확산을 증대시켜 접합 모재가 되는 전자부품의 열충격으로 인한 손상을 최소화시킬 수 있게 된다.

상기 본 발명에 의한 솔더링용 무연합금에 있어서, 주석(Sn)은 본 솔더링용 무연합금의 주성분으로써, 자체에 독성이 없으며, 접합 모재에 대하여 습윤성을 제공할 뿐만 아니라 퍼짐성을 향상시키고, 열피로 특성을 향상시키는 역할을 한다.

또한, 상기 본 발명에 의한 솔더링용 무연합금은, 0.1 내지 6.0 중량%의 은(Ag)을 부가적으로 포함하여 구성된다.

여기서, 은(Ag)은 원자반경이 작은 원소로 상기 무연합금의 용융시 접합모재로서의 확산속도를 빠르게 하는 역할을 하며, 열피로 특성 및 크리프 특성을 향상시키고, 브릿지 등의 솔더링 불량발생을 억제시키며, 솔더 접합부의 접합강도를 향상시킨다.

다만, 은(Ag)의 함유량이 0.1 중량％ 미만일 경우에는 솔더의 융점을 낮추는데 한계가 있으며 전기전도 및 열적 안정성이 충분히 확보되지 못한다.

또한, 은(Ag)의 함유량이 6.0 중량％를 초과하면 융점의 고온화 및 솔더의 유동성이 커져서 쉽게 확산되며, 과다한 은(Ag)의 사용에 따른 비용증감의 문제점이 있다.

　따라서, 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은 은(Ag)을 0.1 내지 6.0 중량％로 유지하면서 소량 첨가하는 것에 의해, 무연합금의 용융 온도 범위에 있어 각각 10℃ 이하의 좁은 범위 내에서 안정되게 용융되도록 하여, 반도체 또는 기타 전자 기기 등의 열변형 및 가열 용융 온도 차이에 따른 열팽창계수의 급격한 변화를 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 본 발명에 의한 무연합금에 있어서, 구리(Cu)는 소량첨가에 의하여 주석(Sn)의 융점을 강하시키며, 접합체의 접합 강도를 향상시키는 동시에, 솔더 중에 포함된 주석(Sn)과 인쇄 회로 기판에 포함된 구리(Cu) 성분의 반응에 의한 동 침식을 억제시키는 역할을 하는 성분이다.

그러나, 구리(Cu)는 1083℃의 비교적 높은 융점을 가지므로, 상기 성분이 포함됨으로써, 합금의 융점이 높아질 수 있으며, 상기한 바와 같이, 합금 내에서 주석(Sn)과의 반응을 통해, 단단하고 융점이 높은 금속간 화합물을 형성할 수 있다.

여기서, 구리(Cu)가 0.05 중량% 이하로 포함될 경우에는 구리(Cu)에 의한 접합 강도의 향상 효과와 동 침식을 억제시키는 효과를 거둘 수 없으며, 구리(Cu)의 함량이 7.5 중량% 이상 늘어나면 무연합금의 융점이 높아지고, 금속간 화합물로 인하여, 접합 강도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

따라서, 상기 구리(Cu)는 전체 무연합금 중에 0.05 내지 7.5 중량% 만큼 포함됨이 바람직하다.

또한, 상기 인(P)은 본 발명에 의한 무연합금에 소량 포함되어 솔더의 특성에 영향을 주는 성분으로, 솔더의 강도 및 경도를 향상시킬 수 있는 동시에, 솔더링시 주석(Sn) 또는 구리(Cu)와 공기중의 산소와의 반응에 의한 산화물의 발생을 억제하여 드로스(dross)의 발생을 최소화시키므로, 솔더링의 작업성을 향상시킬 수 있으며, 솔더링 후 열응력 등의 물리적 힘에 의하여 솔더링 접합부 상에 균열이 생기는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 드로스(dross)란, 용융된 솔더의 표면에 생성되는 산화물이나 황화물과 같은 비금속 혼합물을 말하는데, 솔더링시 용융된 솔더 표면이 공기와 접촉하면서 산화되어 드로스를 형성한다.

이러한 드로스는 솔더링 되는 부분을 변색시키고, 표면을 거칠게 하며, 산화물을 솔더링부에 유입시켜서 솔더링성을 저하시키는데, 무연합금에 상기 인(P)을 소량　 포함시킴으로써, 이와 같은 드로스의 생성을 감소시킬 수 있다.

다만, 상기 인(P)의 함유량이 3.0 중량%를 초과할 경우, 산화물의 억제 효과는 더 이상 증가하지 않으면서 융점이 상승하고, 퍼짐율이 저하되며, 인(P)의 함유량이 0.001 중량% 미만일 경우, 산화물의 발생을 효과적으로 억제할 수 없으므로, 전체 조성물에 대해 0.001 내지 3.0 중량%만큼 포함됨이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 솔더링용 무연합금은, 무연합금의 특성을 향상시키기 위한 구성성분으로 칼륨(K)을 부가적으로 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 칼륨(K)은 상기 무연합금에 첨가되어 촉매와 같은 역할을 수행하여 무연합금의 젖음성을 향상시킬 수 있는 동시에, 반응성을 향상시켜 저온에서도 빠른시간내에 솔더링이 가능하며, 열 확산을 증대시켜 접합 모재가 되는 전자부품의 열충격으로 인한 손상을 최소화시킬 수 있는 역할을 하는 성분이다.

본 발명에 의한 솔더링용 무연합금에서는 상기 칼륨(K)을 0.001 내지 0.5 중량% 포함하여 구성되는데, 첨가되는 칼륨(K)의 함유량이 0.001 중량％ 미만이거나 0.5 중량％를 초과하면 솔더링 작업시 오히려 작업성을 저하시키며, 제조 공정상의 문제점을 갖게 되며, 솔더링시 전기, 전자 부품에 열충격으로 인한 손상이 우려되고, 접합부의 품질을 저하시키는 문제점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은, 비스무스(Bi)를 0.1 내지 3.0 중량％를 추가적으로 첨가하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 비스무스(Bi)는 상기 주석(Sn)의 융점을 하강시킴은 물론 접합강도를 향상시키는 역할을 한다.

바람직하게는, 비스무스(Bi)는 0.1 내지 3.0 중량％의 함유량으로 첨가되는데, 만일 첨가되는 비스무스(Bi)의 함유량이 0.1 중량％ 미만이면, 첨가되는 비스무스(Bi)에 의한 솔더의 융점하강효과 및 젖음성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 비스무스(Bi)의 함유량이 3.0 중량％를 초과하면 융점의 응고범위를 넓히게 될 뿐만 아니라, 솔더 접합부위에 반복적으로 가해지는 열 피로에 의해 균열 발생현상이 일어날 수 있게 된다.

상기와 같은 원소들의 조성을 갖는 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은 제조시 드로스의 발생이나 합금의 산화를 방지하기 위해 진공상태 또는 불활성 환경이 조성되는 도가니에서 가열 용융되어 제조될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은 공기 중에 노출된 도가니에서 통상의 방법에 의해 주조하더라도 무연합금에 포함된 인(P)이 용융되어 상층에 피막을 형성하여 합금의 산화를 억제시킬 수 있으므로 드로스의 발생을 최소화시킬 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 용융된 솔더링용 무연합금은 잉곳(Ingot)으로 제조 될 수 있으며, 분말로도 제조될 수 있다.

여기서, 잉곳(Ingot)이란, 금속 또는 합금을 한번 녹인 다음 주형에 흘려넣어 굳힌 주형물을 의미한다.

　또한, 상기 솔더링용 무연합금의 단면형상은 원형, 다각형 등의 다양한 형상으로 제조될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은, 무연솔더의 젖음성 및 기계적 특성을 향상시켜 솔더링시 작업성을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 솔더링용 무연합금은, 무연솔더 제조시 용융상태에서 자연 발생, 형성되는 드로스(dross) 양을 최소화하며, 화학적 및 열적으로 안정된 결합을 형성하고, 저온에서도 솔더링 작업이 가능하다.

Claims (3)

1. 주석(Sn)을 주성분으로 하며, 은(Ag), 구리(Cu), 인(P)을 함유하여 조성되는 솔더링용 무연합금에 있어서, 본 솔더링용 무연합금에 칼륨(K)을 첨가하여 조성되고,

   상기 솔더링용 무연합금은 4.0 내지 6.0 중량％의 은(Ag)과, 1.5 내지 7.5 중량％의 구리(Cu)와, 0.001 내지 3.0 중량％의 인(P)과, 0.001 내지 0.5 중량％의 칼륨(K)과, 0.2 내지 3.0 중량％의 비스무스(Bi)를 포함하고, 상기 첨가물들의 조성범위를 제외한 나머지 조성이 주석(Sn)으로 마련되는 것을 특징으로 하는 솔더링용 무연합금.
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