KR100320545B1 - Sn계저융점땜납재 - Google Patents

Abstract

표면에 강고한 산화피막을 형성한 스테인레스강 등을 500∼600℃의 저온에서, 더구나 프럭스를 사용할 수 없는 진공 납땜 등에서, 성분원소가 증발하지 않고, 양호한 젖음성을 발휘하는, 종래에는 없는 저융점 땜납재를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 발명의 Sn계 저융점 땜납재는 P의 0.5∼1.5 중량%, Ni의 0.5∼5.0 중량%, 필요에 따라 Cu의 30 중량% 이하, 및/또는 Ag의 10중량% 이하, Ni와 Cu와 Ag의 합계가 35 중량%, 잔부 Sn 및 불가피 불순물로 이루어진다.

Description

Sn 계 저융점 땜납재

본 발명은 금속과 금속을, 특히 표면에 강한 산화피막을 형성한 스테인레스강 등을 진공 납땜 할 때에 사용하기 위한, 젖음성(wetability), 유동성이 우수한 Sn계 저융점 땜납재에 관한 것이다.

종래, 스테인레스강의 납땜에는, JIS에 규정된 내열 Ni 땜납 (BNI-1-7,JIS Z 3265)이나 Ag 땜납 (BAg-1-8, JlS Z 3261)등이 사용되고 있다. Ni 땜납은, Ni를 주성분으로 하고, Cr, B, Si, P 등을 함유한 합금으로 자용성을 갖기 때문에 프럭스를 사용할 필요가 없으며, 진공 납땜 등으로 양호한 납땜 부품을 제조할 수 있으나, 융점이 높기 때문에 1000℃(BNi-6,7)∼1200℃(BNi-5)의 높은 납땜 온도가 필요하다. Ag 땜납은 Ag-Cu를 주성분으로 하고, 이것에 Zn, Cd, Ni, Sn 등을 함유한 합금 조성으로, 융점도 비교적 낮게 600℃∼900℃로 납땜할 수 있으나, 자용성이 없기 때문에 프럭스를 사용할 필요가 있으며, 증기압이 높은 Zn을 다량 함유하기 때문에 진공 납땜에는 적합하지 않다.

Sn-Pb, Sn-Ag, Sn-Pb-Ag, Sn-Pb-Sb 등의 땜납(JIS H 4341등)은 융점이 약 200℃정도로 낮고, 스테인레스강용으로서도 사용되어 있으나, 프럭스를 필요로 하기 때문에, Ag 땜납과 같이 진공 납땜의 경우, 스테인레스강과의 젖음성이 나쁘며, 양호한 납땜 부품을 얻을 수 없다.

이상과 같이, 표면에 강고한 산회피막을 형성한 스테인레스강 등의 납땜에 있어서, 스테인레스강의 예민화 처리온도(약 650℃)이하, 혹은 냉간가공재의 소둔 연화 개시 온도(18-8 스테인레스강 : 약 600℃, 25Cr강 : 약 500℃ ; 스테인레스강 편람에 의함)이하, 즉, 600℃이하의 온도에서 프럭스를 사용하지 않고 진공 납땜 등으로, 양호한 젖음성을 발휘하는 땜납재가 필요하게 될 경우, 종래의 납땜재나 땜납에서는 융점이나 젖음성의 점에서 상기의 목적을 달성할 수 없다.

본 발명의 목적은 표면에 강한 산화피막을 형성한 스테인레스강 등을 500∼600℃의 저온에서, 프럭스를 사용할 수 없는 진공 납땜 등으로, 성분원소가 증발하지 않고, 양호한 젖음성이나 유동성을 발휘하는, 종래에는 없는 저융점 땜납재를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 표면에 강한 산화피막을 형성한 스테인레스강 등을 500∼600℃의 저온에서, 프럭스를 사용하지 않고 납땜할 수 있고, 젖음성이 양호한 납땜 합긍 조성을 발견하기 위하여 여러 가지의 기본 성분 및 첨가 성분의 연구를 거듭한 결과, 기본 성분으로서는 실용 금속 중에서 융점이 232℃로 가장 낮고, 증기압도 비교적 낮으며(Ag와 Cu의 사이), 게다가 무독성으로 내식성이 좋으며, 가격적으로도 안정된 Sn을 선택하였다. 이것에 첨가성분으로서 여러 가지의 원소의 효과를 검토한 결과, P를 소량 첨가함에 따라, 납땜 과정에서의 자용성 발휘에 의하여 스테인레스강 모재 표면의 강고한 산화피막을 파괴하고, 젖음성이 향상하는 것을 발견하였다.

또, 이것에 Ni를 첨가함에 따라, 진공 납땜과정에서의 P의 증발이 억제되며, 로(爐)나 배기장치의 오염을 적게하는 효과가 있는 것을 발견하였다, 또한, 이것에 Cu 혹은 Ag를 첨가함에 따라 납땜과정에서의 땜납재의 유동성이 더욱더 향상되며, Cu와 Ag는 각각의 단독 혹은 복합첨가가 가능한 것을 발견하고, 600℃ 납땜에서 양호한 젖음성을 발휘하는 참가성분의 범위를 한정함에 따라 본 발명을 완성한 것이다.

즉, 본 발명은,

(1) P 0.05∼1.5 중량%, Ni 0.5∼5.0 중량%, 잔부 Sn 및 불가피 불순물로 되어있는 Sn계 저융점 납땜.

(2) P 0.05∼1.5 중량%, Ni 0.5∼5.0 중량%, Cu 30 중량% 이하, 또는/및 Ag 10 중량% 이하에서, Ni와 Cu와 As의 합계가 35 중량% 이하, 잔부 Su 및 불가피 불순물로 되어있는 Sn 계 저융점 땜납재이다.

본 발명에 있어서, 각 성분 범위를 상기와 같이 한정한 이유를 이하에 열거 한다.

P는 땜납재에 첨가, 합금화합에 따라 각 성분과의 인화물(Sn₄P₃, Ni₃P, Cu₃P, AgP등)을 형성하고, 납땜 과정에서 자용성을 발휘하고, 스테인레스강 표면의 강고한 산화피막을 파괴함에 따라 젖음성을 개선하는 효과가 있으나, 0.05% 미만에서는 그 효과가 발휘되지 않으며, 1.5%가 넘으면 상기 효과가 완만해짐과 동시에 진공 납땜 과정에서의 P의 증발 위험성이 발생한다. 이 때문에, P의 첨가 범위를 0.05∼1.5%로 한정했다.

Ni는 본 땜납재에 첨가, 합금화 함에 따라, 안정된 Ni₃P 등을 형성하고, 자용성을 발휘함과 동시에, 진공 납땜시의 P의 증발을 억제하는 효과가 있으나, 0.5%미만에서는 그 효과가 적고, 5.0%를 넘으면 합금의 융점(액상선 온도)이 바람직하지 않은 온도(600℃ 이상)까지 상승해 버린다. 그래서 Ni의 첨가 범위를 0.5∼5.0%로 한정했다.

Sn-P-Ni 삼원합금에서도 양호한 젖음성을 가지며, P가 증발하지 않는 안정된 진공 납땜을 할 수가 있으나, 이것에 Cu 및 Ag를 첨가함에 따라 Sn-P-Ni 삼원합금 보다도 액상선 온도가 저하되며, 또한 납땜 퍼짐성, 즉 땜납재의 유동성이 향상되는 효과가 있다. Cu와 Ag는 각각의 단독 첨가에서도 복합 첨가에서도 상기와 같은 효과를 발휘한다. 그러나, Cu 첨가의 경우가 30%를 넘으며 액상선 온도가 600℃ 이상으로 상승하고, 녹아서 분리되는 등의 납땜 불량이 발생하기 쉬워진다. Ag첨가의경우는 10%를 넘으면 땜납재의 인성이 저하되며, 납땜부가 갈라지기 쉬워진다. 또, Cu와 Ag를 복합 첨가할 경우는, Ni와 Cu와 Ag의 합계가 35%를 넘으면 상기 불량이 발생한다. 그래서, 각각의 Cu는 30% 이하, Ag는 10% 이하, 양방 첨가의 경우는, Ni와 Cu와 Ag의 합계를 35% 이하로 한정했다.

Sn는 본 발명의 기본 성분으로서 약 65% 이상 함유되지만, Sn자체의 낮은 융점 때문에 상기 첨가성분을 합금화하여도 융점을 낮게 만들고, 또 P 및 Ni와 결합하여 자용성을 발휘함과 동시에, Cu나 Ag와 결합함에 의해 유동성의 양호한 땜납재 합금을 형성한다.

본 발명의 Sn계 저융점 땜납재는, 가스분무법 등에 의한 분말 형태나, 박막, 선 등으로 형성하여 사용할 수 있으며, 또, 스테인레스강 이외의 모재의 납땜에 응용하는 것도 가능하며, 유용하다.

[실시예]

본 발명의 실시예의 합금조성과 융점 및 600℃에서의 납땜 시험 결과, 가열후의 P분석 결과를 표 1에 도시하고, 비교예의 합금조성과 각 시험결과를 표 2에 도시했다. 또, 융점의 측정방법, 납땜 시험 방법 및 가열후의 P분석 방법은 이하와 같다.

(1) 융점 (액상선, 고상선) 측정

실시예 및 비교예의 합금을 전기로내, 아르곤 가스 분위기 중에서 용해하고, 열 분석법에 의하여 융점을 측정하였다. 즉, 용탕 중앙부에 장치해 넣은 열전대에 연결한 기록계에 열 분석 곡선을 그리고, 그 냉각곡선에서 액상선 및 고상선의 각온도를 읽었다.

(2) 납땜 시험

실시예 및 비교예의 합금을 전기로내, 아르곤 가스 분위기중에서 용해하고, 그 용탕을 흑연형으로 주조하여 5㎜Φ의 봉형상의 주조편을 얻고, 그것을 약 5㎜의 높이로 절단하고, 납땜 시험편으로 하였다. 다음에 제 1도(a)에 도시한 바와 같이 SUS 304 스테인레스강 모재상에 납땜 시험편 올려놓고, 600℃에서 30분간, 10-4 torr대의 진공중에서 납땜 열처리(이하, 납땜이라 한다)를 하였다. 납땜후, 제 1도(b)에 도시한 바와 같이 땜납재가 녹아서 퍼진 면적(S)을 납땜 전의 땜납재 시험편의 단면적(So)으로 나눈 수치, 즉 납땜 퍼짐 계수W=(=S/So)를 구하고, 땜납재 합금의 SUS 304 스테인레스강 모재에 대한 젖음성, 유동성의 지표로 하였다.

또, 제 1도(c)에 도시한 바와 같이, 납땜 시험편을 90˚ 구부리고, 그때의 박리의 상태를 조사하고, 땜납재 합금의 SUS 304 스테인레스강 모재에 대한 부착력을 평가하였다 또한, 표에서 부착력 평가는 아래의 기준으로 하였다.

부착력 (90˚ 구부림) ◎ : 박리 하지 않음

○ : 일부, 단부 박리

X : 전면 박리

(3) 가열후의 P분석

실시예 및 비교예(No. a∼e)의 합금에 관하여, (2) 납땜 시험과 같은 방법으로 얻은 납땜 시험편을 자성보트에 넣고, 납땜 시험과 같은 조건으로 가열을 처리를 하였다.

이렇게 하여 얻은 가열후의 땜납재 합금의 P량을 화학분석법에 의하여 정량분석 하였다. 이 값을 가열전의 땜납재의 P량에서 뺀 값, 측 P감소량을 구하고, 땜납재 합금중 가장 증발할 가능성이 높은 P의, 납땜 과정에서의 거동을 조사하였다.

[표 1]

표 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예 합금은 600℃에서의 납땜 시험에 있어서 어느 것이나 땜납 퍼짐 계수가 크고, 부착력도 양호하며, SUS304 스테인레스강 모재에 대한 젖음성, 유동성이 양호한 것을 볼 수 있다. 또, 600℃ 가열후의 P감소량은 0∼0.05%로 대단히 적고, 납땜 과정에서 P는 거의 증발하지 않는 것을 알았다. 또한, 본 실시예 합금은 500℃에서의 납땜시험에 있어서도 양호한 납땜성을 보이는 것을 확인하고 있다.

[표 2]

한편, 표 2에 도시한 비교예 합금에 있어서, No, a∼i는 본 발명의 합금의 범위에서 벗어난 조성이며, 그 중에서, No. a∼c는 P, Cu, Ag는 본 발명의 범위에서 Ni를 함유하지 않은 조성이다. 그 경우, 납땜성은 양호하지만, P 감소량이 많고 납땜 과정에서 P의 거의가 증발해 버리며, 로(爐)나 진공배기 장치를 오염할 위험성이 크다. 이러한 점에서도 본 발명 합금에 있어서의 Ni의 P 증발 억제 효과는 확실한 것이다.

No. d∼i는 주로 P 및 Ni가 본 발명 합금의 범위에서 벗어난 조성이지만, 이것은 600℃ 납땜 시험에서의 납 퍼짐 계수가 작고, 부착력도 불량하며, SUS 304 스테인레스강 모재에 대하여, 거의 젖음성이 없는 것을 알 수 있다. 이점에서도 본 발명 합금에 있어서의 P의 스테인레스강 모재에 대한 젖음성 개선효과는 확실한 것이다. No i는 JIS에 규정된 BAg-8, Ag납 합금, No. k∼m은 Sn-Pb 혹은 Sn-Ag 납땜의 종래의 합금이나, Ag 납땜의 경우는 융점의 점에서 600℃에서는 납땜이 되지 알고, 땜납의 경우, 융점은 실시예 합금보다 낮은데도 불구하고 600℃에서 납땜하여도 SUS 304 스테인레스강 모재에는 거의 젖음성이 없는 것을 알았다.

또한, 본 발명의 Sn기 저융점 납재의 융점의 특징으로서, 액상선은 Ni3P, Ni-Cu(Ag) 등의 초정정출 온도이며, 고상선은 그들과 Sn과의 공정온도이며, 220℃부근에 공통적으로 나타난다. 고상선과 액상선의 폭은 조성에 의하여 변화하며, 그 폭이 200℃이상이 될 경우가 많다. 납땜후의 합금 조성을 관찰한 결과, 정출물은 모상중에 균일하게 분포되며, 조직적인 편차는 보이지 않고,어느 것도 녹아서 분리되거나 보이드 등의 납땜 불량이 되는 형상은 보이지 않았다.

또, 실시예의 납땜 시험편의 접합 계면을 EPMA등으로 관찰한 결과, 스테인레스강 모재 표면의 Cr, Fe산화물 피막은, 납땜중의 P 에 의하여 환윈되어 전혀 보이지 않고, 접합 계면에서의 박리 등의 형상도 없으며, 땜납재의 모재가 양호하게 접합되어 있는 것이 확인되었다.

이상, 상기한 바와 같이, 본 발명의 Sn기 저융점 땜납재는 표면에 강고한 산화피막을 형성한 스테인레스강 등을 500∼600℃의 저온에서, 프럭스를 사용하지 않고 진공 납땜을 할 수 있고, 구성성분 중에서 증발하기 쉬운 원소인 P가 증발되지 않고, 양호한 젖음성, 유동성을 발휘하는 효과를 갖는 것이며, 산업의 발전에 기여하는 바가 많은 발명이다.

제 1도는 납땜의 납땜시험을 설명하기 위한 모식도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

So : 땜납재 시험편의 단면적 S : 납땜후의 합금의 퍼짐 면적

W : 납땜 퍼짐 계수(S/So) 1 : 모재 (SUS 304 스테인레스강)

2 : 납땜 전의 땜납재 시험편 (5Φ×약 5㎜)

3 : 납땜후의 녹아서 퍼진 땜납재 합금

Claims (2)

1. P의 0.05∼1.5 중량%, Ni의 0.5∼5.0 중량%, 잔부 Sn 및 불가피 불순물로 이루어진 Sn계 저융점 땜납재
2. P의 0.05∼1.5 중량%, Ni의 0.5∼5.0 중량%, Cu 30 중량% 이하, 및/또는 Ag의 10 중량% 이하이며, Ni와 Cu와 Ag의 합계가 35 중량% 이하이며, 잔부 Sn 및 불가피 불순물로 이루어진 Sn계 저융점 땜납재.