땜질 플럭스의 조성물{Soldring flux composition}

일반적으로, 스테인래스강은 흔한 재료가 되어 일상생활용 또는 공업용으로도 많이 사용된다. 이는 강도가 높고, 부식이 되지 않으며 광택이 변하지 않는 장점으로 인하여 가정용품, 건축재료로부터 공업용 재료에 이르기까지 다양하게 사용되고 있다. 이러한 스테인레스강 제품간에 접합은 깨끗한 용접부위를 얻기 위해서 주로 알곤 용접이나 산소 및 아세틸렌 토치를 이용한 용접이 사용되고, 일부 아크 용접을 사용하기도 한다. 또한, 열교환기를 포함하는 기계제품인 경우에는 내부는 열전도성이 우수한 동관을 사용하고, 외부는 스테인레스 강판으로 이루어지는 경우가 대부분이다. 이러한 경우에는 알곤 용접을 사용하나 밀폐성을 높이기 위하여 은납용접을 하기도 한다.

알곤 용접은 용접면이 비교적 양호하나 용접시에 눈과 피부에 커다란 손상을 입히고, 용접봉외에 알곤이 계속적으로 소모되어야 하므로 인건비와 재료비 등으로 용접의 가격이 매우 비싸고, 1500℃가 넘는 고온 용융 용접이기 때문에 스테인레스강인 경우는 용접시 응력발생과 스테인레스강 성분의 변화로 인하여 용접부위가 발청하는 문제와 방청 및 광택성이 모두 상실되는 치명적인 결함을 지니게 된다.

은납용접인 경우, 용접시 사람의 신체의 손상은 그다지 크지 않지만 용접봉의 은의 함량이 40∼95%까지 되기 때문에 용접봉 자체 가격이 너무 고가이고, 용접방법에도 고온 불꽃을 이용하기 때문에 알곤 용접에 비해 저온이라고는 하나 800℃가 넘는 고온에서 용접되기 때문에 모재에 영향을 주고, 구리 제품인 경우는 방청성 저하가 덜하지만 스테인레스강의 경우에는 방청성이 없어져 부식이 생기게 되는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 저온, 저가격으로 용접이 가능한 납-주석계 또는 은-주석계의 저온용 선재(용접재)를 사용하여, 저온 용접기구인 전기인두를 사용하여 스텐레스강-스텐레스강, 스텐레스강-주석, 스텐레스강-구리, 스텐레스강-철, 스텐레스강-아연-구리, 아연-철, 구리-구리, 주석-주석, 철-주석, 구리-주석을 용접하려는 시도는 이전(오래전)부터 끊임없이 있어 왔으나 적합한 용접용 플럭스가 개발되지 않아 실용화가 이루어지지 않았다.

저온 용접용 플럭스의 조성은 용접재의 종류와 용접온도(전기인두 또는 브레이징)에 따라 달라지나 통상적으로 사용하는 납-주석계 또는 은-주석계 용접재에 관한 가장 일반적인 플럭스의 조성과 그 성분의 역할은 다음과 같다.

로 진 : 30∼70중량%

용 제 : 20∼50중량%

점도조절제 : 1∼10중량%

활 성 제 : 0.01~1중량%

산 : 0.1∼1중량%

로진: 로진중의 활성성분인 아비에틱산이 고온에서 접합부위의 산화물을 제거해주며 플럭스의 모재에 대한 퍼짐성과 점착성을 높이며 공기중 산소의 차단을 돕는다. 이의 종류로는 검로진, 톨로진, 우드로진, 수소첨가 로진, 에스델검 등이 있다.

용제: 고형인 로진과 나머지의 액상성분, 고상성분을 녹여 균일하게 해주며 용접시 증발하여 잔사를 남기지 않는다. 종류로는 부틸셀로솔브, 1,3-부탄디올, 부틸 칼비톨, 헥산칼비톨 등이 있다.

점도조절제: 적당한 흐름 방지성과 부착성을 부여하며 작업 능률을 높인다. 이의 종류로는 카스터 왁스, 고급지방산 아미드, 경화 피마자유 등이 있다.

활성제 : 고온에서 분해되어 발생한 할로겐 원소가 활성을 나타내며 용접재와 모재와의 밀착, 용융을 돕는 역할을 한다. 대체적으로 지방족 아민의 염산 또는 브롬산염으로 되어 있고, 종류로는 에틸아민 염산염, 디메틸아민 브롬산염 등이 있다.

산 : 로진의 아비에틱산을 돕는 역할을 한다. 종류로는 퓨마릭산, 주석산, 프탈산 등이 있다.

일반적인 플럭스는 대부분이 철판-철판, 아연도강판-아연도강판용으로 사용되며 용접시 갈색의 잔사를 남기며 예열이 충분하지 못할때는 용접 강도가 현저히 저하되고 용접성이 나쁘다.

특히, 근래에 와서 일반 용접용 플럭스보다는 플럭스에 저온용 용접재가 포함되어 있는 전자, 회로기판용의 크림형 솔더에 관한 발명이 많은 것을 알 수 있는데, 종래의 기술을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

영국공개특허 제 2 278 370호에서는 염화주석, 염산과 같은 비산화성산, 글리세롤, 폴리에틸렌글리콜 및 솔비톨과 같은 점도조절제을 함유하면서 염화아연을 포함하지 않는 플럭스의 조성물을 개시하고 있다. 유럽공개특허 제 0 619 162호에서는 비스(2-옥사졸린) 화합물, 디치올 화합물, 유기 카르복실산 화합물 및 활성제를 포함하는 플럭스 조성물을 개시하고 있다. 미국특허 제 5,281,281호에서는 후 청소가 필요없고 잔사가 적은 로진을 포함하지 않는 플럭스로서 적어도 95중량%의 증류수를 용재로 사용하며 C ₂ ∼C ₁₀ 의 디카르복실산, 모노카복실산 및 옥시산을 포함하는 플럭스 조성물을 개시하고 있다. 또한, 미국특허 제 5,296,046호에서는 용매; 2-아미노 이소프탈산 및 5-아미노 이소프탈산과 같은 산화물 제거제 및 가열시 질소를 발생시키는 화합물로 이루어진 플럭스 조성물을 개시하고 있다. 아울러, 일본특개평 제 5-337686호에서는 실리콘 화합물을 0.5∼3중량%로 함유하는 납땜용 플럭스을 개시하고 있고, 일본특개평 제 5-318176호에서는 말레인산, 벤조익산과 같은 로진 베이스의 크림형 땜납에 관한 발명이며, 일본특개평 제 6-15483호는 잔사를 남기지 않으며 납땜 부위에 장기간 부식을 일으키지 않는 플럭스로서 벤즈이미다졸, 이미다졸티올 화합물, 트리아졸 화합물을 포함하는 조성물을 개시하고 있다. 또한, 일본특개평 제 6-155078호은 활성제로서 삼불화 붕소의 알킬아민 착염이나 방향족아민 착염을 첨가시킨 로진 계통의 플럭스을 개시하고 있다. 한편, 대한민국 공고특허 제 81-49호에서는 필수 구성 성분인 로진대신에 다가알콜로부터 유도된 중성 에스텔과 유기모노카복실산과 활성제로 이루어진 플럭스 조성물을 개시하고 있다.

이외에도 수많은 특허들이 있으나 본 발명에서 추구하는 복합기능을 갖는 다기능 플럭스에 관한 것은 아직까지 실용화되거나 개시된 바 없었다.

본 발명은 납땜 플럭스 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전기 및 전자 산업분야에서 용접재로 스테인레스강, 구리, 아연, 주석, 두꺼운 철판과 같은 물질을 납땜으로 붙이기 어려운 소재를 용이하게 용접시킬 수 있는 플럭스 조성물에 관한 것으로 본 발명에 따른 조성물은 용접불꽃을 수행할 수 없었던 전기 및 전자분야, 세관가공, 박판의 용접 분야 뿐만 아니라 폭넓게 일상생활과 산업분야에 광범위하게 적용할 수 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위하여 위에서 상술한 용접이 어려운 금속재를 간단한 전기 인두를 사용하여 납-주석계 또는 은-주석계와 같은 저온 용접재로 용접이 가능하게 해주는 다기능 플럭스 조성물을 제공하기 위한 것으로 상기 목적을 달성하기 위하여 납땜 플럭스의 조성물을 50∼60농도%의 인산을 함유하는 인산화합물 20∼60중량%, 유기산 10∼30중량%, 8족 전이원소 1∼20중량% 및 점도조절제 5∼30중량%으로 한다.

본 발명은 모재에 예열이 필요없고 특성상 두꺼운 모재끼리 또는 후판과 박판, 종류와 성질이 다른 판끼리 용접이 간단히 이루어지므로 생산성이 증가하고 새로운 방법의 제품제조가 가능해진다. 이제까지 알곤용접이나 아크용접, 고온불꽃 용접만으로 가능했던 제품의 제조방법이 본 발명에 따른 조성물로 경제적 및 생산적으로 이루어져 고급제품의 일반화를 이룰 수 있으며, 특히 용접불꽃을 수행할 수없었던 전기 전자분야, 세관가공, 박판의 용접 분야 뿐만 아니라 폭넓게 일상생활과 산업분야에 광범위하게 적용할 수 있다. 또한 인체에 대한 유해성으로 인하여 납(Pb)의 사용이 금지될 경우에도 은-주석(5-70 : 95-30) 계통의 용접제가 쓰일 수 있는데 이는 본 발명에 의한 다기능 플럭스가 용접제의 융점을 낮추는 능력을 가지고 있기 때문에 사용이 가능하고 이는 납-주석계보다 융점이 높은 은-주석계의 용접제를 저온에서 사용이 가능하다.

하기 실시예에서 단위 "%"는 별도의 언급이 없는한 "중량%"를 의미한다.

실시예 1

가열온도인 약 50℃에서 인산의 함량이 50농도%인 인산칼륨 50%, 탄산니켈 10%, 옥틸산 20% 및 아세톤 20%를 균일하게 혼합하여 플럭스 조성물을 제조하였다.

실시예 2

상시 실시예 1에서 성분을 인산의 함량이 60농도%인 인산칼륨 60%, 염화니켈 10%, 마론산 20% 및 이소프로필 알코올 10%를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 플럭스 조성물을 제조하였다.

실시예 3

상시 실시예 1에서 성분을 인산의 함량이 50농도%인 인산나트륨 40%, 염화팔라듐 20%, 초산 20% 및 파라핀유 20%를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 플럭스 조성물을 제조하였다.

실시예 4

상시 실시예 1에서 성분을 인산의 함량이 60농도%인 인산칼슘 20%, 초산팔라듐 20%, 개미산 30% 및 카스터왁스 30%를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 플럭스 조성물을 제조하였다.

실시예 5

상시 실시예 1에서 성분을 인산의 함량이 60농도%인 인산암모늄 50%, 수산화니켈 20%, 옥틸산 10% 및 고지방산 아미드 20%를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 플럭스 조성물을 제조하였다.

실시예 6

상시 실시예 1에서 성분을 인산의 함량이 50농도%인 인산칼슘 50%, 초산팔라듐 10%, 마론산 10% 및 산화티타늄 30%를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 플럭스 조성물을 제조하였다.

상기 실시예 1∼3은 액체형의 플럭스 조성물이고, 실시예 4∼6는 크림형 또는 페이스트형의 플럭스 조성물이다.

상기 실시예의 플럭스 조성물을 이용하여 땜질한 결과, 잔사가 생기지 않고 연무가 발생하지 않으며, 습한 조건에서도 땜질이 탁월한 성능을 나타내고, 용착피막이 완전하게 밀착결합하며 프린트 회로 조립체 제조에서 땜질시 방식작용을 하며 땜질후 후처리가 필요 없었다.

또한, 활용범위가 광범위하며 여타 다른 플럭스 조성물보다 우수하고, 종래의 플럭스 조성물보다 기술적 강점이 우수하고 크림형 및 페이스트형인 경우 땜질시 투명한 잔재를 형성하여 접합부와 검사를 용이하게 하고 접합부의 진동 저항을향상시키고, 신축성 있는 투명잔재를 고온에 대한 저항성을 갖으며 산화를 막아주는 장점이 있었다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

이제까지 저융점 합금으로 이루어진 주석-납(70-20 : 30-80), 주석-은(95-30 : 5-70) 계통의 용접재들은 비교적 저가이며, 전기인두로 작업이 이루어지기 때문에 누구나 손쉽게 접근이 가능한 용접수단이었다. 그러나 이의 사용범위는 극히 얇고 작은 함석판, 철판, 동판 등에 국한되어 있었으며 스테인레스강이나 두꺼운 철판, 아연판 등에는 사용 불가능하였다.

본 발명은 기존의 로진 계통의 플럭스나 다가알콜의 에스테르류 함유 플럭스가 아닌 새로운 개념의 플럭스 조성물에 관한 것으로, 이제가지 불가능했던 저온에서의 스테인레스강, 구리합금, 철합금, 주석합금의 동종 또는 이종끼리의 용접을 가능하게 하는 것이다.

이는 단순히 납을 녹여 붙이는 땜질 방식이 아니라 모재와 용접재 사이에서 플러스로 인한 용융합금이 이루어져서 아주 강한 용접부위가 이루어지는 작용을 하기 때문이다. 예를 들면, 2cm이상 두께의 두꺼운 철판 위에 스테인레스강판을 올려 놓고 땜질용 접합을 수행하는데 있어서 아무런 예열없이 본 발명 물질인 다기능 플럭스만을 사용함으로서 모재에 응력발생이 없고, 또한 열손상이 발생되지 않는 상태에서 순간적으로 완전한 용접이 이루어지게 할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물은 50∼60농도%의 인산을 함유하는인산화합물 20∼60중량%, 유기산 10∼30중량%, 8족 전이원소 1∼20중량% 및 점도조절제 5∼30중량%를 포함한다.

본 발명의 주성분인 인산화합물의 바람직한 예로는 인산암모늄, 인산칼륨, 인산나트륨 또는 인산칼슘 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 플럭스로서 인산화합물은 50∼60농도%의 인산을 함유하는 것이 바람직하다. 이는 인산이 상온에서는 산화력이 크지 않으나, 플럭스내의 다른 구성물과 혼합된 상태에서 가열시 활성이 커지며, 모재의 표면에 있는 불순물, 산화물을 제거하고 반응 분위기를 조성하는 역할을 하기 때문이다. 한편, 상기 인산화합물의 사용량은 20∼60중량%가 바람직한데, 이때 사용량이 20중량% 미만이면 산화력이 저하되고 활성이 약하게 되며, 60중량%를 초과하면 과도한 활성과 산화가 되어 땜질면에 취성이 생길 수 있다.

본 발명에 사용되는 유기산은 다른 플럭스 조성물과 혼합상태에서 가열시 철, 구리 또는 스테인레스강 등과 배위 결합을 가질려는 경향이 커져서 표면을 활성화시킨다. 상기 유기산은 마론산, 옥틸산, 초산 및 개미산으로 이루어진 군으로 하나 또는 그 이상 선택된다. 그 사용량은 10∼30중량%가 바람직한데, 10중량% 미만이거나 30중량%를 초과하면 땜질시 용가재가 엉키거나 용융상태가 구면 형상으로 되면서 용착이 잘안되는 현상이 생긴다.

상기 8족 전이원소로는 니켈화합물(예를 들어, 탄산니켈, 염화니켈, 또는 수산화니켈) 또는 팔라듐 화합물(염화팔라듐, 또는 초산 팔라듐) 등이 본 발명에 바람직하며, 플럭스 조성물의 구성비가 1∼20중량%가 바람직하다. 상기 8족 전이원소는 친화하기 어려운 금속간의 결합력을 높여주는 촉매 내지는 중간매개층을 이루는 중요한 역할을 하는데, 상기 사용량을 벗어나면 금속간의 결합이 잘 이루어지지 않거나 용착성이 과도하여 엉킨현상이 일어 날 수 있다.

한편, 점도조절제는 5∼30중량%의 범위로 사용된다. 본 발명의 플럭스 조성물의 점착성과 접착성을 조성하고, 점도조절제의 배합 구성비의 조정에 따라서 액체형, 크림형 또는 페이스트형으로 플럭스 조성물을 제조할 수 있다. 점도조절제로는, 예를 들어, 파라핀유, 카스터 왁스, 폴리비닐알콜(PVA) 수지, 고지방산 아미드, 산화망간, 산화티타늄, 아세톤, 및/또는 이소프로필 알콜 등이 있다. 상기 사용량의 범위를 벗어나면 플럭스 조성물의 흐름상태가 좋지 않으며, 땜질면에 잔사를 남기거나 취약해지고 내구성이 저하될 수 있다.