무연 솔더링 처리가 가능한 고기능 플라스틱 빅트렉스 PEEK, 전자 응용 분야에 적용

빅트렉스

글: 제프 첸(Jeff Chen), 마이클 그로스(Michael Gross) / 글로벌 애플리케이션 매니저크레이그 매킨(Craig Meakin) / 테크니컬 서비스 매니저www.victrex.com/kr납, 수은, 카드뮴, 크롬(6가) 등의 중금속은 RoHS(2002/ 95/EC)와 같은 지침에 의해 전자제품 내 사용이 제한되어 있다. 이런 규정 추세로 인해 현재 전자업계는 솔더링 방식에서 무연 솔더링으로 이동하는 추세다. 전세계 총 전자제품 중 무연 솔더링 적용 비중은 2008년에 50%를 넘어설 전망이다.1 새로운 무연 솔더링을 사용하려면 용융 및 유동 처리 온도를 더 높여야 해서 전자부품에 기존에 사용하던 많은 중합 소재를 더 이상 사용할 수 없게 된다. 무연 솔더링의 처리 온도는 기존 주석/납 온도(무연 솔더링의 경우 260℃~300℃, 주석/납 시스템의 경우 230℃)보다 크게 높을 뿐만 아니라 무연 솔더링 처리의 경우 온도 노출 시간도 길어진다.표면 장착 기술로 회로 기판에 조립한 전자장비에는 신호 중계기, 커패시터, 휴대폰 이차전지, 커넥터, 전자통신 동축 플러그와 같은 다양한 유형의 전자부품이 사용되며, 이러한 부품이나 하우징에 중합 소재를 많이 사용한다. 이 응용 분야에는 내열성을 가진 다양한 플라스틱 유형이 사용된다. 하지만 무연 솔더링을 사용하면 처리 온도가 높아지기 때문에 사용된 열가소성 소재의 내열성(용융 온도 및 열 변형 온도(HDT) 모두)이 매우 높아야 한다. 예를 들어 표면 전체를 무연 솔더링으로 처리하려면 고온에서 작업해야 하기 때문에 필름 칩 커패시터용 절연체에 사용되던 PP 및 PET 등의 소재(내열성이 낮음)를 PPS와 같이 내열성이 뛰어난 소재로 대체한다.2내열성과는 별개로 전자부품에 사용되는 플라스틱에는 많은 물성이 요구되기 때문에 상온 및 고온 모두에서 인장력, 크리프, 강도 및 충격 강도와 같은 기계적 물성이 뛰어나야 한다. 고주파(1 GHz보다 높은) 트랜스미션을 사용하는 무선 응용 분야의 경우 유전율이 중요하다. 시스템 신뢰도를 위해서는 플라스틱과 같이 사용하는 금속이나 기타 소재에 가까울 정도로 플라스틱의 치수 안정성이 확보되어야 한다. 오늘날 고성능 전자 제품의 요구 사항을 모두 충족하기 위해서는 플라스틱과 필수 요구 사항에 맞는 물성을 반드시 갖추어야 한다.무연 솔더링 처리용 소재의 물성그림 1은 전자 응용 분야에 자주 사용되는 다양한 플라스틱의 용융 온도 및 HDT를 비교한 것이다. 앞에서 언급한 것처럼 일반적으로 용융 온도 및 HDT는 모두 무연 솔더링 처리의 처리 온도(260℃~300℃)보다 높다(그림 1 참조). PBT, PA66 및 PPS와 같이 온도 성능이 떨어지는 소재는 무연 솔더링 처리에 필요한 내열성이 부족해 이런 온도에서는 용융되어 버린다.LCP는 용융 온도가 높아서 무연 솔더링 처리 온도 범위를 견딜 수 있지만 HDT는 용융 온도가 이 범위의 최저점에 가까워서 관련 부하를 받을 가능성이 있는 응용 분야에 사용하면 위험하다. 반면 빅트렉스 PEEK의 용융 온도 및 HDT는 모두 무연 솔더링 처리 온도보다 크게 높다.무연 솔더링으로 처리되는 부품에는 플라스틱의 온도 특성, 인장력(플라스틱의 기계적 성능에 필요한 대표적 물성), 고온 가스방출 및 수분 함량도 고려해야 한다. 표 1은 이런 3가지 특성의 관점에서 다양한 유리 섬유 보강 열가소성 소재를 비교한다. 빅트렉스 PEEK는 그 중 최고의 인장력과 최저의 가스방출 수준을 보여준다. 수분 함량이 높으면 고온에서 수증기로 바뀔 수 있어 신뢰도 문제가 발생하기 때문에 흡습성이 낮아야 좋다. 빅트렉스 PEEK는 PBT, PA66에 비해 흡습도가 매우 낮지만 PPS, LCP에 비해서는 높다.그림 2에서 고온에서의 소재 물성을 더 자세히 보면, 유리 섬유 보강 PEEK(90GL30), 60% 유리 섬유 보강 PEEK (90GL60), 30% 유리 섬유 보강 PPS의 굴곡탄성률에 변화가 있다.저온, 10GPa 압력 수준의 경우 90GL30은 30% 유리 섬유 보강 PPS와 유사한 굴곡탄성률을 보인다. 하지만 PPS는 빅트렉스 PEEK보다 유리전이온도(TG)가 크게 낮기 때문에(각각 87℃ 및 143℃), 저온 및 100℃가 넘는 온도에서도 TG에 의해 PPS보다 물성이 저하되는 성향이 훨씬 개선된다. 약 250℃에서의 PPS 용융점까지는 굴곡탄성률이 유사하고, PPS를 더 이상 사용할 수 없는 300℃ 이상의 고온에서는 90GL30을 활용한다. 이것은 상대적으로 고온에서 재유동 처리될 때 부품이 일정한 강도를 유지해야 하는 경우 매우 중요하다.무연 솔더링을 처리하는 장비에도 빅트렉스 PEEK 사용이 추진되고 있는 가운데 솔더링 처리용으로 빅트렉스 PEEK 450G 시편을 사용하였다. 솔더링에는 주석(96.5%), 은(3%) 및 구리(0.5%)가 포함되었으며 260℃에서 실시했다. 그리고 노출 전후의 인장계수, 인장강도 및 인장률을 모두 측정한 결과 표 2에서와 같이 실험 결과를 보여준다.표 2에서와 같이 260℃에서 한 달간 빅트렉스 PEEK 450G를 무연 솔더링에 담근 전후의 기계적 물성 실험 결과, 인장강도는 증가한 반면 인장률은 감소했다. 이런 변화는 주로 시편의 열처리 과정에서 고온으로 인해 발생한다. 위와 같은 물성 변화는 제한적이어서 솔더링 물림쇠, 습식 가공 기어와 같은 솔더링 및 리플로우 장비 관련 부품에 이상적인 소재지만, 각 분야에 맞는 시험을 추가로 실시해야 한다.응용 프로그램 예배터리 개스킷현재 이차전지는 미드엔드 및 하이엔드 휴대폰에 널리 사용되어 폰에서 일차전지를 분리했을 때 폰의 시간 및 메모리 기능 유지에 필요한 최소 전력을 제공한다. 이차전지는 휴대폰의 회로기판에 직접 장착되는 부품으로, 그림 3은 이차전지의 단면 사진으로, 표시된 부분은 빅트렉스 PEEK가 적용된 개스킷이다. 과거에는 전지를 회로에 직접 솔더링하거나 꽂아서 사용했지만, 최근에는 생산성 증대를 위해 자동 솔더링 제조 기술을 선호하고 있다. 다음은 빅트렉스 PEEK가 전기전자의 개스킷 분야에 적합한 특징들이다.개스킷은 매우 얇기 때문에(어떤 케이스에서는 0.2mm까지 줄어들기도 한다) 소재의 가공성이 무엇보다 중요하며 많은 플라스틱에서는 큰 문제가 되기도 한다. 하지만 빅트렉스 PEEK의 경우 이런 얇은 성형의 보강 기능이 탁월하다.쪾 무연 솔더링 처리에 필요한 내열성쪾 두 개의 유전체 부품 간 전해질에 필요한 내화학성쪾 조립 과정에서 기계적 통합성을 유지하기 위한 내피로성MID(Molded Interconnected Device)MID는 센서, 안테나, MEMS, LED 패키지 등의 전자장비에 사용되는 독창적인 기술이다. 이 기술은 비용 절감, 자유로운 설계, 부품 통합과 같은 다양한 장점을 제공한다.3 많은 MID는 무연 솔더링 방법을 통해 회로 및 시스템에 조립되어 내열성이 높은 소재를 사용해야 한다. 다른 필요요소로는 전기적 물성, 내화학성, 가공성 등이 요구된다.MID에 사용되는 성형 기술은 보통 투샷(Two-shot) 성형으로, 두 가지 서로 다른 플라스틱을 두 번 쇼트하여 성형하는 방식이다. 투샷은 성형 공정의 경우 두 플라스틱 사이의 접착력이 중요하다.이에 빅트렉스 PEEK을 포함한 여러 플라스틱의 접착력을 조사한 결과, 빅트렉스 PEEK와 ABS의 접착력이 상대적으로 뛰어났고, PEI와의 접착력은 소재의 쇼트 순서에 따라 양호하거나 좋지 않았다. MID 응용 분야를 살펴보면 빅트렉스 PEEK의 물성이 이런 응용 분야의 요구 사항을 충족시킨다는 것을 알 수 있다. 유효성 확인에 대한 사항은 추가 조사가 필요하다.스피커 진동판휴대폰이 점차 멀티미디어 장치로 변해가는 요즘, 스피커 성능 개선 요구가 높아지고 있다. 오디오 품질이 개선되면서 오디오 작동에 필요한 스피커의 전원 압력이 증가한다. 스피커에 전달되는 전력의 97%가 열에너지 형태로 방사되기 때문에 전체 전력을 모두 사용하는 경우 고출력 스피커의 작동 온도는 260~270℃에 달하며, 무연 솔더링 처리한 온도가 더해져 고온에 대한 내열성이 더 요구된다.또한, 제조 공정에 사용되는 화학물질(예: 유기용매)에 견딜 수 있도록 내화학성도 필요하다. 보통 진동판은 중합제 필름의 열성형을 통해 처리되는데 비결정성 빅트렉스 PEEK 필름(APTIVTM 필름)은 폴리이미드와 같은 다른 고온 플라스틱에 비해 주기가 크게 짧아지는 물성을 제공한다.커넥터(Connectors)빅트렉스 PEEK는 이미 전자 장비의 다양한 커넥터 응용 분야에서 사용되고 있다. 일례로 동축 케이블 커넥터를 들 수 있다(그림 4 참조).그림 4에서 보는 바와 같이 커넥터 유형은 주로 고주파 환경에서의 고용량 데이터 전송에 사용된다. 무연 솔더링을 사용하려면 내열성도 중요하며, 반복해서 꽂고 빼는 동안 부품의 치수 안정성을 유지하기 위해서는 내구성도 높아야 한다.장치가 고주파 환경에서 작동하는 경우 유전율, 분산 팩터와 같은 플라스틱 소재의 유전율이 더욱 중요해진다. 그림 5는 저온 및 고온에서의 다양한 빅트렉스 PEEK 필름(보강 및 비보강) 유형의 유전율을 보여준다. 유전율이 낮으면 고주파 무선 관련 응용 분야에 적합하다. 특정 환경(예: 자동차)에는 고온에서의 유전율 안정성도 문제가 될 수 있다. 그림 5에 의하면 결정체 빅트렉스 PEEK 필름(비보강)의 경우 상온 시 넓은 범위의 주파수에서 유전율이 매우 낮다.온도가 200℃로 높아지면 이 값도 약간 높아지게 되는데, 반면 미네랄 보강 빅트렉스 PEEK 필름(TL40)은 상대적으로 상온 및 고온에서의 유전율 안정성이 뛰어나다. 상온에서의 유전율 값은 결정성 비보강 빅트렉스 PEEK 필름(10MHz~10GHz 범위의 주파수에서 약 3.5)의 경우처럼 낮은 반면, 200℃에서의 값은 거의 동일한 수준(10MHz~10GHz 범위의 주파수에서 약 3.6~3.8)으로 유지된다.고주파 응용 부문에서는 분산 팩터도 중요하다. 그림 6은 여러 주파수 및 온도에서 빅트렉스 PEEK 필름의 분산 팩터를 보여준다. 상온에서는 분산 팩터가 낮지만, 작동 온도가 TG 보다 높아지면 분산 팩터가 0.07~0.08로 올라가서 상온에서의 값보다 크게 증가한다. 상온에서 미네랄 보강 빅트렉스 PEEK 필름(TL20)의 분산 팩터 수준은 비보강 결정형 빅트렉스 PEEK 필름의 경우와 유사하며, 다른 온도 범위에서도 일관성이 유지된다(주파수 10GHz까지는 크게 올라가지 않는다). 일관된 유전율이 필요한 고온 응용 분야의 경우 이런 물성이 큰 장점이 된다.다른 커넥터에서 빅트렉스 PEEK의 활용 가능 분야는 FPC 커넥터용 하우징 소재다. 모바일 장비의 크기가 계속 소형화 되면서 작은 공간에서도 사용할 수 있는 FPC 커넥터가 선호된다. 이 경우 플라스틱의 프로파일 및 피치가 낮아야 한다. 빅트렉스 PEEK는 용접선 강도 및 충격 강도가 탁월하며, 벽면 두께가 0.1mm까지 얇아진 부품의 보강에도 빅트렉스 PEEK을 사용할 수 있다. 빅트렉스 PEEK 소재는 유동 특성이 뛰어나 차세대 FPC 커넥터의 처리상 요구 사항을 완벽하게 충족한다.결론RoHS 발표 후, 무연 솔더링 처리 시 지켜야 하는 전자부품용 플라스틱 요건이 달라졌다. 이전보다 내열성 요건이 크게 강조되어 기존 솔더링의 처리 온도는 230℃인 반면 무연 솔더링의 처리 온도는 260~300℃이다. 이외에도 전자제품용 플라스틱에 적용되는 여러 지침들의 요건이 강화되고 있다. 부품이 소형화되면서 벽면이 더 얇게 설계되고, 이로 인해 소재의 가공성 및 기계적 강도가 크게 개선되어야 한다.공정 내에서 유독 화학물질을 사용하는 부품의 경우 내화학성도 필요하고, 어떤 응용 분야에서는 부품의 작동 온도가 높아지기 때문에 연속 사용 온도(CUT)가 중시된다.이 글에서는 내열성(용융점 및 열 변형 온도), 인장강도, 가스방출 및 흡습도 관점에서 빅트렉스 PEEK가 다른 고성능 플라스틱 소재에 비해 어떤 장점이 있는지 살펴보았다. 이를 통해 빅트렉스 PEEK가 무연 솔더링 처리용 핵심 소재 및 점증하는 응용 분야와 처리 요건을 충족하여 OEM에서 각광받는 이유도 알 수 있다. 또한 솔더링 시 빅트렉스 PEEK의 무연 솔더링 호환성도 조사하여 해로운 영향이 있는지 확인했으나 밝혀지지 않았다. 빅트렉스 PEEK은 솔더링 장비 부품 및 기타 관련 전자제품 하드웨어에 이상적인 소재로 설명할 수 있다.한편 이 논문에서는 빅트렉스 PEEK 를 사용한 전자부품 사례를 설명했다. 휴대폰 이차전지 개스킷, MID, 스피커 진동판 및 커넥터 등의 빅트렉스 PEEK 활용 및 연구가 진행되고 있다. 이런 분야에서는 다양한 처리 기술을 사용하므로 무연 솔더링 처리를 위한 내열성, 내화학성, 다른 플라스틱 및 금속 소재에 대한 고정성이 중요해진다. 또한 성능 관점에서도 소재에 다양한 물성이 요구된다. 일례로 고주파(10GHz 초과)에서 사용되는 동축 커넥터 하우징의 경우 유전율이 좋아야 한다. 비보강 및 보강 빅트렉스 PEEK 필름의 유전율을 조사한 결과에 의하면 온도가 높아지는 경우 미네랄 보강 빅트렉스 PEEK 필름의 유전적 안정성이 더 좋다. 요약하자면, 빅트렉스 PEEK 플라스틱 및 필름의 물성은 일반적으로 대부분의 응용 분야의 요건에 적합하다는 실험 결과 및 성능분석을 통해 알 수 있다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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