KR100444786B1 - 기계적 성질이 개선된 저융점의 무연땜납 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 성질이 개선된 저융점의 무연땜납 조성물에 관한 것으로써, Sn-Pb계 합금은 인체에 해로운 납을 다량 함유하고 있어서 무연땜납을 주로 사용하는데 종래의 무연땜납은 인듐을 다량 함유한 것은 비싼 가격에 비해 품질이 떨어지고, 아연(Zn)을 사용한 것은 납땜 후 취성이 발생하여 모재와의 젖음성과 경도가 떨어지는 문제점으로 인해 이상적인 납땜을 할 수 없었다.

본 발명은 상기 문제점의 해결을 위해 중량비로 구리(Cu)2-4중량%, 안티몬(Sb)2-12중량%, 은(Ag)1-3중량% 에 잔부 주석(Sn)으로 조성한 무연땜납으로서, 이러한 본 발명의 무연땜납은 경도가 강하여 납땜 후 최종 접합강도가 기존의 무연땜납에 비하여 월등히 향상된 효과가 있고, 또한 납이 함유되어 있지 않아서 작업환경 등의 개선효과가 높으며, 종래의 무연땜납 조성물보다 높은 용융온도 및 응고온도 구간을 갖고 있어 젖음성이 상당히 우수하고, 경도의 개선에 의해 표면 후처리 사상작업인 연삭성이 매우 우수한 것이다.

Description

기계적 성질이 개선된 저융점의 무연땜납 조성물{Smokeless solder composition of low melting point be improved mechanical attrbute}

본 발명은 기계적 성질이 개선된 저융점의 무연땜납 조성물에 관한 것으로써, 더욱 상세히는 자동차 차체구조의 부품과 부품의 내/외관 연결부 용접 또는 용접부 용접불량을 수정하거나 자동차용 전자기기 및 부속 배선 등을 납땜하고자 할 때 땜납성과 기계적 성질이 매우 우수하고, 땜납 모재에 반복하중과 일정 피로강도를 필요로 하는 경우에 적당하면서도 납땜 후에 표면 후처리 작업성이 좋아서 기계적 성질이 개선된 저융점의 무연땜납 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 납땜(soldering)은 납재를 사용해서 모재(母材)를 녹이지 않고 접합하는 방법으로서, 즉 접합부를 용융시키지 않고 좁은 모재(母材)의 경계면에 표면장력의 작용에 의해 모재보다 융점이 낮은 금속(합금)을 용융 첨가하여 접합하는 땜방법을 말하며, 이 경우 납과 합금화(合金化)하는 아주 작은 부분을 제외하고는 모재의 금속은 녹지 않고 고체 그대로 있다.

상기 납땜은 보통 사용하는 땜납의 녹는점이 450℃ 보다 높은지 낮은지를 구별하여, 450℃ 보다 높은 고온에서 녹는 납을 사용하는 것은 경(硬)납땜 또는 브레이징(brazing)이라 하고, 녹는점이 450℃ 보다 낮은 납을 사용하는 것은 연(軟)납땜 또는 일반적으로 말하는 납땜이라 한다.

상기와 같이 용융점이 450℃ 이상인 경납땜에 사용하는 경납으로는 황동납·은납·양은납·망간납·금납 등이 있으며, 황동납은 아연량이 40~70% 로 변하는 데 따라 녹는점은 740~900℃로 변하고, 은납은 은-구리의 공정합금(共晶合金)에 다시 녹는점을 내리기 위해 아연·카드뮴·주석을 첨가한다. 양은납은 구리-니켈-아연의 합금인데, 보통의 것은 아연이 11~13%, 니켈이 42~50% 이다. 망간납은 구리-망간 또는 구리-아연-망간의 합금이고, 금납은 녹는점이 983~1,020℃인 금-은-구리 합금인데, 필요에 따라 아연·카드뮴을 첨가한다.

상기 경납은 냉연/열연 압연강, 스테인레스강, 알루미늄합금 등의 판과 관의동종 및 이종 모재에 적용되며, 기계적 강도, 내식성, 내열성, 내마모성은 우수하지만 융점이 높아 용접열에 의해서 모재의 열변형이 발생하므로 모재의 표면 후처리(판금 및 사상) 공정을 필요로 한다.

또한, 자동차 차체구조의 부품과 부품의 내/외관 연결부를 용접하기 위해 종래에는 경납땜의 일종으로 가스금속아크 용접법인 불활성아크용접(Metal insert gas welding)으로 용가제(metal filler)인 CuSi3계를 사용하여 왔으나, 이는 융점이 1025℃ 로서 아크용접열에 의한 모재의 손상 즉, 열변형 및 용접표면 연소가 발생하게 되는 문제점이 있다.

그리고, 450℃ 이하의 용융점에서 행하는 연납땜(납땜)은 기계적 강도를 필요로 하는 부분에 부적합하지만, 융점이 낮아 열변형이 없고 거의 모든 금속을 접합시킬 수 있으며, 전기부품의 접합과 수밀 및 기밀을 요하는 부분에 적용되고 있고, 자동차 차체 외판에 국부적인 손상이나 경납땜 부분의 용접이음부 용접불량 (pin hole) 수정용으로 적용되어 왔다.

상기 연납땜에 땜 소재로 사용하는 땜납은 그 사용용도에 적합하도록 고유한 특성을 고려하며, 용융온도 및 응고온도 범위와 모재와의 친화력(젖음성(wetting)과 유동성(flow)을 말함), 모재의 종류, 표면상태, 땜납 작업방법 특히 가열방법, 분위기, 플럭스의 종류 및 특성에 따라 선택 사용되며, 땜납의 강도는 합금 자체의 강도도 중요하지만 모재강도, 접합간격, 모재형상, 브레이징 조건에 따라 선택 적용된다.

즉, 특정용도에 따라 선택된 땜납은 인접한 부품, 특히 온도에 민감한 부품에 손상을 주지 않을 정도로 낮은 용융온도를 가져야 할 뿐만 아니라 납땜 후 사용중 접합상태가 열적으로 안정되도록 높은 용융온도 범위를 갖는 것이 필요하다.

여기서, 합금의 용융온도 범위란 합금의 고상선과 액상선의 온도차이를 말하는 것으로 합금의 유동도, 납땜 후 부위 형상, 작업성, 브레이징 접합간격을 고려하면 용융온도 범위가 일반적으로 짧은 경우 유동도 및 작업성이 좋고 비교적 땜납 접합 간격이 좁은 곳에 좋다. 그리고, 브레이징 접합간격이 큰 경우 고상선과 액상선의 차이가 긴 합금을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 특성을 갖는 종래의 땜납으로 예를 들면 연납(solder)으로는 Sn-Pb계 합금이며, 경납(brazing)으로는 Cu-Si3계를 들 수 있는데, 이 중 상기 Sn-Pb계 합금은 가격대비 여러가지 기계적, 물리적 특성이 우수하여 주로 배관, 열교환기와 같은 구조용과 일반 전자산업용으로 다양하게 사용되고 있다.

그러나, 상기 Sn-Pb계 합금은 납을 함유하고 있고, 납은 분해되지 않는 금속으로 일단 사람이 섭취하면 외부로 방출되지 않고 체내에 축적되므로 일례로 미국산업안정청(OSHA)은 직업적으로 안정한 최고치를 40㎍/㎗ 이하로 규정하고 있다.

따라서, 연납땜으로 사용하는 땜납으로 납이 함유되지 않은 무연땜납을 개발하고 있으며, 이러한 무연땜납의 조성물은 이미 광범위하게 선행기술에서 보고된 바 있다. 즉, 기본적 성분과 비율을 잘 선택함으로써 특정 요구와 용도에 알맞는 무연 땜납이 많이 개발되어 왔다.

그 일례로 미국특허 제5,256,370호에는 접합, 봉합, 전자부품 등에 사용되는납땜용 무연땜납이 제시되어 있으며, 이는 주석(Sn: 50-92%), 은(Ag: 1-6%), 인듐 (In: 4-35%)의 조성을 갖는 땜납으로서, 전자부품의 접합에 사용하기 위해 인듐을 다량 함유하고 있는 것이 특징이다.

그러나, 상기 땜납의 조성물중 인듐은 가격이 상당히 비싸고, 특히 5% 이상 첨가하는 경우에는 미세 조직상에 γ-Sn(Hexagonal)상이 나타나게 되어 온도변화에 따라 β-Sn(Fase Centered Cubic)으로의 상변이가 일어나 납땜 접합부위의 신뢰성에 문제가 발생하는 단점이 있다.

그 외 Sn-Pb계 합금보다 여러가지 기계적, 물리적 특성이 우수한 무연땜납 조성물로 아연(Zn)을 사용하여 전자패키지 분야 및 배선용으로 개발된 것이 있는데, 이는 땜납 모재가 냉연/열연 압연강판, 스테인레스강판, 알루미늄합금, 동판 및 관의 후판일 경우 아연(Zn)이 3% 이상 첨가된 땜납 조성물은 납땜 후 취성이 발생하여 모재와 젖음성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 그 뿐만 아니라 납땜 후 용접부의 후 처리 사상작업을 하면 땜납 조성물의 경도가 현저히 떨어져 사상작업에 의해 발생되는 표면열에 의해 땜납 부분이 녹아내리는 문제점도 있다.

본 발명은 상기한 종래 무연땜납의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 자동차용 전자기기 배선용으로 사용 가능한 융점을 갖는 동시에 응고온도 범위가 좁고 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 특히 냉연/열연 압연강판, 스테인레스강판, 알루미늄합금, 동판 및 관 등의 땜납 모재에 반복하중과 일정 피로강도를 필요로 하는 경우에 적당하면서도 납땜 후 표면 후처리 작업성이 우수한 기계적 성질이 개선된 저융점의 무연땜납 조성물을 제공하는데 있다.

이러한 본 발명은 주석(Sn)을 주요 조성물로 하면서 이에 구리(Cu), 안티몬 (Sb), 은(Ag) 을 적당량 복합 첨가하는 저융점의 무연땜납 조성물로 구성하면 납땜시의 젖음성 등이 현저히 향상되고 납땜을 한 다음 용접부의 후 처리 사상작업이 용이하므로 상기 목적을 효과적으로 달성할 수가 있다.

도 1 은 종래의 땜납들과 본 발명에 의한 무연땜납의 항복강과 인장강, 연신율 등의 기계적 특성을 비교하여 나타낸 그래프

도 2 는 종래의 Sn-37Pb 땜납과 본 발명의 예1 에 대한 응력- 변형관계를 측정하여 나타낸 선도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

Sn : 주석 Ag : 은

In : 인듐 Cu : 구리

Sb : 안티몬 Bi : 비스무트

이하, 본 발명의 상기 목적을 효과적으로 달성할 수 있는 바람직한 실시예의 기술구성 및 작용을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 구리(Cu)2-4중량%, 안티몬(Sb)2-12중량%, 은(Ag)1-3중량% 에 잔부 주석(Sn)으로 조성되는 저융점의 무연땜납 조성물을 특징으로 한다.

여기서, 상기 본 발명의 무연땜납 조성물에 함유되는 은(Ag) 성분은 땜납의 젖음성, 크리프특성, 내식성, 전기전도도 및 열전도도를 개선시키는 역할을 하고, 자체로는 강하지 않지만 다른 원소와 결합하면 강한 강도를 가진다.

또한, 은 합금은 용융할 때 강한 침투력을 가지기 때문에 강한 접합면을 얻을 수 있다. 따라서, 그 함유량은 1-3중량% 함유되게 함이 바람직하다. 그 이유는 은(Ag) 성분 함유량이 3중량% 이하로 되면 젖음성 개선에 효과적이며, 금속의 변형(cleep)특성을 매우 안정적으로 유지시켜 주기 때문이다.

그리고, 상기 구리(Cu) 성분은 젖음성을 개선시키는 한편 열전도성, 도전성, 내부식성, 경도 개선용으로 전자기기 및 배선용 및 땜납모재가 냉연/열연 압연강판, 스테인레스강판, 알루미늄합금, 동판 및 관 일 경우 즉, 사용 용도에 따라 적용을 달리하는데 온도변화에 따라 γ-Sn01 β-Sn 으로 상변이가 일어나 납땜성이 저하되므로 구리 성분은 2-4중량% 범위내에서 함유되는 것이 바람직하다.

그리고, 안티몬(Sb)은 베어링합금, 축전지용 극판 등에 사용되는 금속으로 의약품이나 안료로 사용되고 있으며, 침상 수지상정 생성을 제어하여 다른 미세구조를 갖도록 하므로서 경도 개선용 첨가제로 사용한 것으로 3% 이상 적용시 경도가 현저히 높아지게 된다.

상기 조성을 갖는 땜납은 금속 원재료를 계량하여 대기중에서 포트(pot)나 도가니를 사용하여 가열/교반하면서 용해하는 통상의 방법에 의해 주조되어 제조될 수 있다.

이때, 대기중에서 용해하는 것은 금속원료중의 불순물 또는 비금속 개재물과 합금용량이 대기와 반응하여 땜납 합금중에 용존질소나 용존산소와 같은 용존가스가 잔류하게 되며, 이로 인해 땜납 모재표면의 젖음성을 방해하여 납땜성이 저하되거나 땜납 접합부에 기공(void)이 발생되기 때문에 젖음성 뿐만 아니라 연전도도, 열피로특성 및 제품 신뢰성에 문제가 발생될 소지가 있다.

본 발명의 무연땜납은 여러가지 형태(ingot, rectangular, circular 등)로 제조될 수 있으며, 또한 다양한 크기의 구형 분말로도 제조될 수 있다. 상기 분말형태의 땜납의 경우에는 적당한 플럭스(flux)와 혼합하여 페이스트(solder paste)로도 제조가 가능하다.

이렇게 제조된 본 발명의 무연땜납은 경도가 양호하므로 산업용으로 전반에 걸쳐 경납땜 대체로 사용가능하며, 자동차용 전자부품의 전자기기 배선용은 물론 특히 자동차 차체구조의 부품과 부품의 내/외관 연결부 용접 및 용접부 용접불량 수정용 또는 동적인 하중과 충격을 받는 전자기기 배선용과 배관의 용접, 열교환기의 구조용으로 사용가능한 기계적인 특성과 용점을 갖고 있다.

또한, 응고범위가 좋아 단계적인 자동납땜에 매우 유리하고, 종래의 Sn-Pb계 보다도 기계적 강도가 증가되는 한편, 종래의 Sn-Ag계 무연땜납에 비하여 젖음성(납땜성)이 우수한 특징이 있다. 그리고, 플럭스(flux)로서는 로진계플럭스를 그대로 사용할 수 있으며, 본 발명은 인산계 플럭스를 사용하였다.

이하, 본 발명을 여러 실시예에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

아래의 표1과 같은 조성을 갖도록 고주파 유도로를 사용하여 대기중에서 용해하여 주조한 다음 주조된 땜납에 대하여 고상선 온도와 액상선 온도를 측정하고 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

실시예	주석(Sn)(중량%)	구리(Cu)(중량%)	안티몬(Sb)(중량%)	은(Ag)(중량%)	인장강도(kgf/㎡)	연신율(%)	고상선온도(℃)	액상선온도(℃)	응고범위온도(℃)
본발명 예1	94.5	2	2	1.5	8.71	27	227	231	4
본발명 예2	92	3	3	2	9.14	25	230	235	5
본발명 예3	90.5	3.5	3	3	9.32	29	229	234	5
종래 예1	Sn-3.1 Ag-6.9 Bi	8.21	13	-	214
종래 예2	Sn-2 Ag-0.5 Cu-7.5 Bi	6.91	12	-	212
종래 예3	Sn-37 Pb	3.82	30	-	183

상기 표에 나타난 바와 같이 주석 - 은 - 구리 - 안티몬으로 조성되는 본 발명의 예1~ 예3 의 경우에는 액상선 온도가 230~242℃ 범위내에서 고상선온도가 226 ~230℃ 범위내이고, 응고온도는 4~5℃의 범위이며, 인장강도는 8.7~13.7(kgf/㎡) 범위내로서, 이는 종래의 예1~예3 조성보다 기계적 특성이 우수함을 알 수 있다.

그리고, 납땜성과 우수한 기계적 특성이 요구되는 자동차 전자기기 및 배선용 뿐만 아니라 산업용으로 특히 자동차 차체구조의 부품과 부품의 내/외관 연결부 용접 또는 용접부 용접불량을 수정하기 위한 용도 등에 널리 사용될 수 있는 땜납 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.

[실시예 2]

본 발명에 의한 무연땜납과 종래의 Sn-Pb계 납땜과의 특성을 서로 비교하기 위하여 상기 표1에서 종래의 Sn-37Pb 땜납 합금과 본 발명의 예1 에 의한 무연땜납에 대하여 기계적 특성을 비교한 것으로서 그 결과는 별첨된 도 1 과 같다.

즉, 도 1 은 종래의 땜납들과 본 발명에 의한 무연땜납의 항복강과 인장강, 연신율 등의 기계적 특성을 비교하여 나타낸 그래프로서, 이에 나타난 바와 같이본 발명의 예1의 경우 종래의 Sn-37Pb 납땜에 비하여 오히려 인장강도와 경도가 우수함을 알 수 있으며, 이는 본 발명의 무연땜납을 이용하는 경우가 종래의 Sn-Pb계 땜납보다 더 최종 접합강도가 더 우수하고 표면 후처리 사상작업의 연삭성이 개선됨을 의미한다.

또한, 도 2 는 종래의 Sn-37Pb 땜납과 본 발명의 예1 에 대한 응력- 변형관계를 측정하여 나타낸 선도로서, 이에 나타난 바와 같이 본 발명 예1 의 무연땜납의 경우 Sb 첨가에 의해 AgSn 석출상을 더욱 균일하게 하기 때문에 젖음성과 경도가 우수하게 되며, 종래기술에 의한 무연땜납의 문제점인 취성(brittle)을 개선하게 된다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 무연땜납은 종래의 Sn-Pb계 땜납에 비하여 기계적 성질이 우수하여 납땜 후 최종 접합강도가 기존의 무연땜납에 비하여 월등히 향상된 효과가 있으며, 특히 납이 함유되지 않아서 작업환경 등을 개선할 수 있고, 또한 종래의 무연땜납 조성물보다 높은 용융온도 및 응고온도 구간을 갖으므로 젖음성이 우수하고, 경도의 개선에 의해 표면 후처리 사상작업인 연삭성이 우수한 효과도 있다.

Claims (1)

1. 중량비로 구리(Cu)2-4중량%, 안티몬(Sb)2-12중량%, 은(Ag)1-3중량% 에 잔부 주석(Sn)으로 조성되는 기계적 성질이 개선된 저융점의 무연땜납 조성물.