KR100337933B1 - Method of measuring the surface tension using withdrawal force curve in the wetting balance curve - Google Patents
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Abstract
본 발명은 컴퓨터(40)에서 모터(45)의 속도를 제어하여 납조(35)를 상승 및 하강시키면서 시편(T)이 납재(S)에서 침지된 후 인출될 때 힘의 변화를 스케일(30)을 통하여 측정하여 표면장력을 산출하는 방법에 있어서: 시편(T)이 인출되는 시점에서 납재(S)와 접하는 침지 표면적을, 납재의 밀도를, 시편(T)의 인출속도를 Sim으로 설정하는 제 1 단계; 상기 시편(T)과 납재(S)가 접촉하는 젖음각이 제로인 순간의 최대인출력를 측정하는 제 2 단계; 인출이 시작되는 시점부터 최대인출력이 발생할 때까지의 인출시간을 측정하는 제 3 단계; 그리고 상기 측정된 최대인출력및 인출시간을 이용하여·의 관계식으로부터 표면장력를 구하는 제 4 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 납재나 시편의 무게변화를 힘으로 변환하여 측정하는 웨팅 밸런스 테스트(wetting balance test)를 이용하되, 추가적인 장비나 길이측정과 같은 부가적인 해석 없이 단지 측정한 힘만으로 표면장력을 산출할 수 있는 효과가 있다.The present invention controls the speed of the motor 45 in the computer 40 so that the change in force when the specimen T is drawn out after being immersed in the brazing material S while raising and lowering the lead 35 is measured on the scale 30, (S) at the point of time when the test piece (T) is drawn out, the method comprising the steps of: , The density of the brazing material A first step of setting the drawing speed of the test piece T to S im ; Which is the maximum of the moment when the wetting angle at which the test piece (T) and the brazing material (S) A second step of measuring the temperature; The withdrawal time from when the withdrawal starts to when the maximum output occurs A third step of measuring the temperature; And the measured maximum output And withdrawal time Using · The surface tension A wetting balance test is carried out to convert the weight of the specimen and the weight of the specimen into a force, and additional measurement such as additional equipment or length measurement is performed. There is an effect that the surface tension can be calculated only by the measured force.
Description
본 발명은 젖음곡선에서의 인출력곡선을 이용한 표면장력의 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 납재나 시편의 무게변화를 힘으로 변환하여 측정하는 웨팅 밸런스 테스트(wetting balance test)를 이용하되, 추가적인 장비나 길이측정과 같은 부가적인 해석 없이 단지 측정한 힘만으로 표면장력을 산출할 수 있는 젖음곡선에서의 인출력곡선을 이용한 표면장력의 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of measuring a surface tension using an outgoing force curve in a wetting curve, and more particularly, to a method of measuring a surface tension by using a wetting balance test in which a weight change of a rod or a specimen is converted by force, The present invention relates to a method of measuring surface tension using an outgoing force curve in a wetting curve capable of calculating surface tension only by a measured force without additional analysis such as additional equipment or length measurement.
통상적으로 납재를 이용한 솔더링(soldering)과 브레이징(brazing)에 있어서 액상인 납재의 표면장력은 재료의 젖음특성을 좌우하는 가장 중요한 물성이다. 따라서, 납재의 표면장력을 측정하는 것은 솔더링성과 브레이징성을 평가하는 기준을 생성하기 위해 필수적인 과정이다.In soldering and brazing with a brazing material, the surface tension of a liquid raw material is the most important property that affects the wetting property of the material. Therefore, measuring the surface tension of a braze is an indispensable process for creating standards for evaluating soldering and brazing properties.
도 1은 종래의 일 방법에 의한 표면장력 측정원리를 나타내는 모식도이고, 도 2는 종래의 다른 방법에 의한 표면장력 측정원리를 나타내는 모식도인 바, 현재 표면장력을 측정하거나 계산하는 방법 중 가장 대표적인 방법이다.FIG. 1 is a schematic view showing a principle of measuring surface tension by a conventional method, FIG. 2 is a schematic view showing a principle of measuring surface tension by another conventional method, and FIG. to be.
도 1은 세사일 드롭법(Sessile drop method)으로서, 납재(S)와 젖지 않은 기판(10)을 납재(S)의 융점 이상으로 가열시킨 후, 적당량의 납재(S)를 기판(10)에 떨어뜨린다. 용융상태의 납재(S)는 표면장력에 의해 달걀모양의 형태를 유지하게 된다. 이때 달갈모양 형태의 높이와 너비를 측정한 후 다음의 식(1)을 이용하여 표면장력을 계산한다.FIG. 1 is a schematic diagram showing a Sessile drop method in which a brazing material S and a non-wetted substrate 10 are heated to a temperature not lower than the melting point of the brazing material S and a suitable amount of brazing material S is applied to the substrate 10 Drop it. The molten solder (S) retains its oval shape due to its surface tension. At this time, measure the height and width of the shading pattern and calculate the surface tension using the following equation (1).
(10) (10)
여기서는 납재(S)의 밀도,는 중력가속도,는 상단으로부터 최측단까지의 높이차이다.here The density of the brazing material S, Gravity acceleration, Is the height difference from the upper end to the uppermost end.
그러나 이러한 방법으로 표면장력을 측정하기 위해서는 기판(10)과 분위기의 온도가 동일하게 제어되는 장비가 필요할 뿐 아니라 용융된 납재(S)의 형상을 통해 표면장력을 계산하므로 길이 측정의 오차가 표면장력 값의 오차로 반영된다. 따라서, 고도로 정밀한 장비를 통해 형상의 길이를 측정하지 않을 경우 측정한 표면장력 값의 신뢰성이 저하된다.However, in order to measure the surface tension by such a method, it is necessary not only to equip the substrate 10 and the atmosphere at the same temperature, but also to calculate the surface tension through the shape of the molten solder S, Is reflected in the error of the value. Therefore, the reliability of the measured surface tension value is degraded if the length of the feature is not measured through highly precise equipment.
또한 산화막 등의 이유로 납재(S)의 표면이 균일하지 못할 때에는 계산의 오차가 더욱 크게 발생하는 문제점을 지닌다.Further, when the surface of the brazing material S is not uniform due to an oxide film or the like, there arises a problem that a calculation error is further increased.
도 2는 윌헤르미 슬라이드법(Wilhelmy slide method)으로서 표면장력을 측정하고자 하는 납재(S)를 용융시켜 납조(25)에 담근 후, 적당히 젖음이 발생할 수 있는 시편(T)을 용융된 납재(S)에 침지시킨다. 이때 시편(T)의 끝에 스케일(20)을 달아 용융된 납재(S)가 젖는 과정을 통하여 시편(T)을 끌어당기는 힘을 측정하게 된다. 이후 측정한 힘을 통해 표면장력을 계산하는 식은 다음과 같다.2 is a Wilhelmy slide method in which a brazing material S to be measured for surface tension is melted and immersed in a lead bath 25 and then a specimen T in which moderate wetting is caused is immersed in a molten solder S). At this time, the scale 20 is placed at the end of the specimen T, and the force of pulling the specimen T through the process of wetting the molten solder S is measured. The following equation calculates the surface tension through the measured force.
(2) (2)
이때는 측정된 총 무게,는 시편(T)이 액상에 침지됨으로써 발생하는 부력, P는 시편(T)의 둘레, θ는 시편(T)과 상승한 액상이 이루는 젖음각도이다.At this time The measured total weight, P is the circumference of the specimen (T), and θ is the wetting angle between the specimen (T) and the rising liquid phase.
그러나 이 방법에 의하면 시편(T)과 용융된 납재(S)가 이루는 젖음각을 측정해야만 하므로 시편(T)과 용융 납재(S)가 만나는 정확한 지점을 알지 못할 때에는젖음각의 오차가 커지고 이에 따라 계산된 표면장력 값의 오차도 커진다.However, according to this method, since the wetting angle between the specimen (T) and the molten solder (S) must be measured, the error of the wetting angle becomes large when the exact point where the specimen (T) The error of the calculated surface tension value becomes larger.
또한 시편(T)의 면에 따라 접촉각이 다를 경우에도 실제 표면장력과 다른 값을 나타내는 문제점이 있다.Also, even if the contact angle is different according to the surface of the specimen (T), there is a problem that the surface tension is different from the actual surface tension.
이와 같이 표면장력을 측정하는데 있어서 형상변화를 통해 측정하는 방법은 길이와 같은 형상 측정방법이 지닌 오차가 표면장력에 반영된다는 근본적인 문제점을 내포하고 있는 바, 납재의 용융온도가 높을수록 용융상태에서의 길이 측정은 더욱 곤란해지는 동시에 납재가 공기 중의 산소와 반응하여 산화막을 생성시키기 쉽기 때문에 납재나 시편 전체의 특성이 균일하게 유지되기 힘들다In this way, the method of measuring the surface tension by the shape change has a fundamental problem that the error of the shape measuring method such as the length is reflected in the surface tension. As the melting temperature of the brazing material becomes higher, The length measurement becomes more difficult, and since the brazing material easily reacts with oxygen in the air to form an oxide film, the characteristics of the entire brazing material and the specimen are not uniformly maintained
그러므로 형상요소를 배제한 측정방법을 통하여 표면장력을 계산하는 방법이 필요한데, 이러한 방법으로는 납재나 시편의 무게를 이용한 측정이 가장 유리하다고 할 수 있다.Therefore, it is necessary to calculate the surface tension through the measurement method excluding the shape factor. In this method, the measurement using the weight of the lead material or the test piece is most advantageous.
따라서 본 발명의 목적은 납재나 시편의 무게변화를 힘으로 변환하여 측정하는 웨팅 밸런스 테스트(wetting balance test)를 이용하되, 추가적인 장비나 길이측정과 같은 부가적인 해석 없이 단지 측정한 힘만으로 표면장력을 산출할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.Therefore, the object of the present invention is to use a wetting balance test which converts the weight of a rod or a specimen to a force and measures the surface tension only by the measured force without additional analysis such as additional equipment or length measurement And to provide a method that can be calculated.
도 1은 종래의 일 방법에 의한 표면장력 측정원리를 나타내는 모식도,BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a principle of surface tension measurement by a conventional method;
도 2는 종래의 다른 방법에 의한 표면장력 측정원리를 나타내는 모식도,2 is a schematic view showing a principle of surface tension measurement by another conventional method,
도 3은 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 실험장치의 구성도,3 is a block diagram of an experimental apparatus for implementing the method according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 방법에 의한 인출력곡선을 나타내기 위한 젖음곡선의 그래프,FIG. 4 is a graph of a wetting curve to show a drawing force curve by the method according to the present invention,
도 5는 최대인출력 측정 순간의 시편과 납재의 상태를 나타내는 모식도.Fig. 5 is a schematic view showing the state of a specimen and a brazing material at a maximum output measurement moment; Fig.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Description of the Related Art [0002]
10 : 기판 20, 30 : 스케일10: substrate 20, 30: scale
25, 35 : 납조 40 : 컴퓨터25, 35: water heater 40: computer
45 : 모터 S : 납재45: Motor S: Brazing material
T : 시편T: Psalms
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 컴퓨터(40)에서 모터(45)의 속도를 제어하여 납조(35)를 상승 및 하강시키면서 시편(T)이 납재(S)에서 침지된 후 인출될 때 힘의 변화를 스케일(30)을 통하여 측정하여 표면장력을 산출하는 방법에 있어서: 시편(T) 이 인출되는 시점에서 납재(S)와 접하는 침지 표면적을, 납재의 밀도를, 시편(T)의 인출속도를으로 설정하는 제 1 단계; 상기 시편(T)과 납재(S)가 접촉하는 젖음각이 제로인 순간의 최대인출력를 측정하는 제 2 단계; 인출이 시작되는 시점부터 최대인출력이 발생할 때까지의 인출시간을 측정하는 제 3 단계; 그리고 상기 측정된 최대인출력및 인출시간을 이용하여·의 관계식으로부터 표면장력를 구하는 제 4 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of controlling the speed of a motor (45) in a computer (40) by raising and lowering a tub (35) A method for calculating a surface tension by measuring a change through a scale (30), comprising the steps of: , The density of the brazing material , The drawing speed of the specimen (T) ; Which is the maximum of the moment when the wetting angle at which the test piece (T) and the brazing material (S) A second step of measuring the temperature; The withdrawal time from when the withdrawal starts to when the maximum output occurs A third step of measuring the temperature; And the measured maximum output And withdrawal time Using · The surface tension And a fourth step of obtaining a second step of obtaining the second step.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 실험장치의 구성도가 도시된다.3 shows a block diagram of an experimental apparatus for implementing the method according to the present invention.
본 발명은 컴퓨터(40)에서 모터(45)의 속도를 제어하여 납조(35)를 상승 및 하강시키면서 시편(T)이 납재(S)에서 침지된 후 인출될 때 힘의 변화를 스케일(30)을 통하여 측정하여 표면장력을 산출하는 방법에 관련된다.The present invention controls the speed of the motor 45 in the computer 40 so that the change in force when the specimen T is drawn out after being immersed in the brazing material S while raising and lowering the lead 35 is measured on the scale 30, To calculate the surface tension.
본 발명에 따른 제 1 단계는 시편(T)이 인출되는 시점에서 납재(S)와 접하는 침지 표면적을, 납재의 밀도를, 시편(T)의 인출속도를으로 설정한다.In the first step according to the present invention, the immersion surface area in contact with the brazing material (S) at the point of time when the specimen (T) , The density of the brazing material , The drawing speed of the specimen (T) .
먼저 측정하고자 하는 액체, 즉 납재(S)를 납조(35)에 담고 원하는 온도로 가온하는 동시에 측정 대상체인 시편(T)을 스케일(30) 상에 연결한다. 컴퓨터(40)를 통해 미리 시편(T)의 침지깊이, 침지속도, 침지시간을 정한다. 침지깊이가 결정되면 시편(T)의 형상으로부터 침지 표면적를 구할 수 있다. 납재의 밀도는 정해진 온도에서 실측하거나 테이블을 이용하여 구한다. 시편(T)의 인출속도는 모터(45)의 회전수에 비례하므로 계산으로 용이하게 정해진다. 이때 상기한 모든 값은 측정 조건에 따라 임의로 정하는 것이 가능하다.First, the liquid to be measured, that is, the lead (S) is contained in the lead tank 35 and heated to a desired temperature, and at the same time, the test piece T as a measurement object is connected on the scale 30. The immersion depth, the immersion speed, and the immersion time of the test piece T are determined in advance through the computer 40. When the immersion depth is determined, the shape of the specimen (T) Can be obtained. Density of brazing material Is measured at a predetermined temperature or is obtained using a table. The withdrawal speed of the specimen (T) Is proportional to the number of revolutions of the motor 45, and thus is easily calculated. At this time, all the above values can be arbitrarily determined according to the measurement conditions.
납조(35)는 모터(45)의 회전운동을 상하운동으로 전환하는 기구를 구비하여 모터(45)의 정역회전에 따라 상승 및 하강하도록 한다. 모터(45)에 의해 납조(35)가 상승되어 시편(T)의 끝면이 정해진 침지깊이에 도달하는 순간 모터(45)를 멈추고, 지정된 시간이 경과하면 다시 모터(45)를 역회전시켜 납조(35)가 처음 위치로 복귀하도록 한다. 이때 모터(45)는 컴퓨터(40)에 의해 일정한 속도로 회전하고 정해진 위치에서 정지하도록 제어된다. 이 과정에서 스케일(30)에서 보내오는 힘 변화의 신호는 컴퓨터(40) 상에 기록되는데, 그 결과는 도 4와 같은 젖음곡선의 형태로 출력된다.The water tub 35 is provided with a mechanism for converting the rotational motion of the motor 45 into the up and down motion and causes the motor 45 to rise and fall in accordance with the normal and reverse rotation of the motor 45. The motor 45 is stopped at the moment when the end of the test piece T reaches the set immersion depth by the motor 45 and the motor 45 is rotated in the reverse direction 35) to return to the initial position. At this time, the motor 45 is controlled by the computer 40 to rotate at a constant speed and to stop at a predetermined position. In this process, a signal of the force change transmitted from the scale 30 is recorded on the computer 40, and the result is outputted in the form of a wet curve as shown in FIG.
도 4는 본 발명에 따른 방법에 의한 인출력곡선을 나타내기 위한 젖음곡선의 그래프이고, 도 5는 최대인출력 측정 순간의 시편과 납재의 상태를 나타내는 모식도이다.FIG. 4 is a graph of a wetting curve to show an output force curve by the method according to the present invention, and FIG. 5 is a schematic diagram showing a state of a test piece and a brazing material at a maximum output measuring moment.
본 발명의 제 2 단계는 상기 시편(T)과 납재(S)가 접촉하는 젖음각이 제로인 순간의 최대인출력를 측정하고, 제 3 단계는 인출이 시작되는 시점부터 최대인출력이 발생할 때까지의 인출시간을 측정한다.In the second step of the present invention, the maximum output of the instant at which the wetting angle at which the specimen (T) and the brazing material (S) The third step is to measure the withdrawal time from the start of withdrawal until the maximum output occurs .
도 4는 전형적인 젖음곡선(wetting balance curve)으로서, 이 곡선의 후반부에 A지점부터가 인출력곡선(withdrawal force curve)이 되고 시편(T)이 납재(S)로부터 떨어지는 과정에서 측정되는 힘을 나타낸다. 이 중 최고값인 최대인출력(; Maximum withdrawal force)은 시편(T)과 납재(S)가 접촉하는 상태의 젖음각이 0인 순간 측정된다.는 인출력곡선의 시작부분(도 4의 A)부터 최대인출력이 측정되는 순간(도 4의 B)까지 도달하는데 걸리는 시간, 즉 최대인출시간이다.Figure 4 is a typical wetting balance curve in which the force from point A on the second half of this curve is the withdrawal force curve and the force measured during the process of the specimen T falling off the braze S . The maximum value of the output ( ; The maximum withdrawal force is measured at the moment when the wetting angle of the specimen (T) and the brazing material (S) is zero. Is the time required for reaching the instant when the output which is the maximum from the start portion (A in Fig. 4) of the drawing force curve is measured (B in Fig. 4), that is, the maximum drawing time.
본 발명의 제 4 단계에는 상기 측정된 최대인출력및 인출시간을 이용하여·의 관계식으로부터 표면장력를 구한다.In the fourth step of the present invention, the measured maximum output And withdrawal time Using · The surface tension .
도 4 및 도 5를 참조하면, 최대인출력는 수학적으로는 다음과 같이 표현할 수 있다.Referring to Figures 4 and 5, Can be mathematically expressed as follows.
(3) (3)
이때 도 5에 나타내는 바와 같이는 침지된 부분에 해당하는 납재(S)의 부피로서, 다음의 식을 통해서 계산이 가능하다.At this time, as shown in Fig. 5 Is the volume of the brazing material (S) corresponding to the immersed part, and can be calculated by the following equation.
×(4) × (4)
은 시편의 침지 또는 인출속도를 의미하는데, 전술한 바와 같이 측정자의 임의로 정할 수 있다. 따라서, 상기 식(3) 및 (4)의 관계를 이용하면 납재(S)의 표면장력을 다음의 식을 통해서 구할 수 있다. Means the speed at which the specimen is immersed or withdrawn, and can be determined by the measurer as described above. Therefore, the surface tension of the brazing material S can be obtained by the following equation by using the relationship of the above-mentioned formulas (3) and (4).
(5) (5)
식 (5)에 의하면, 최대인출력(), 최대인출시간(), 인출속도(), 납재의 밀도(), 시편의 침지 표면적(), 중력가속도()만으로 납재의 표면장력을 측정할 수 있다. 이 중 중력가속도와 납재의 밀도는 이미 알려져 있는 값이고, 시편의 침지 표면적은 사용자가 준비하는 과정에서 정하는 값, 인출속도는 실험과정에서 사용자가 지정하는 값이다.According to equation (5), the maximum output ( ), Maximum withdrawal time ( ), Withdrawal speed ( ), The density of the braze ( ), The immersion surface area of the specimen ( ), Gravitational acceleration ( ), The surface tension of the brazing material can be measured. The gravitational acceleration and the density of the brazing material are known values, and the immersed surface area of the specimen is the value determined by the user in the preparation process and the drawing speed is the value specified by the user during the experiment.
따라서, 젖음곡선 중 최대인출력과 최대인출시간을 통해서 납재의 표면장력을 구할 수 있게 된다.Therefore, the surface tension of the brazing material can be obtained through the maximum output and the maximum take-out time of the wetting curve.
본 발명의 방법에 의하면 다음과 같은 장점을 지닌다.The method of the present invention has the following advantages.
(1) 본 방법은 액상의 형상을 측정하거나, 접촉각을 측정하는 과정이 없으므로, 형상측정 시 발생하는 오차에 의한 표면장력 값의 신뢰도 저하 가능성이 전혀 없다.(1) Since there is no process of measuring the shape of the liquid phase or measuring the contact angle, this method has no possibility of lowering the reliability of the surface tension value due to the error occurring in the shape measurement.
(2) 본 방법을 이용하면, 접촉각 측정장비와 같은 별도의 장비를 구입함이 없이 젖음곡선 중 최대인출력과 최대인출시간을 측정하는 것만으로 표면장력을 계산할 수 있다. 따라서, 고해상도를 지닌 고가의 카메라를 구입하는 데에 필요한 비용을 절감할 수 있다.(2) Using this method, the surface tension can be calculated only by measuring the maximum output and the maximum take-out time of the wet curve without purchasing a separate equipment such as contact angle measuring equipment. Thus, the cost of purchasing an expensive camera with a high resolution can be reduced.
(3) 본 방법을 통한 표면장력의 계산은 기타의 다른 측정방법과 비교하여 측정값의 정확도 및 재현성이 뛰어나다.(3) The calculation of the surface tension by this method is excellent in the accuracy and reproducibility of the measured value as compared with other measurement methods.
참고적으로 본 발명 및 종래의 방법인 윌헤르미 슬라이드법(Wilhelmy slide method)에 의한 측정결과를 비교하면 다음과 같다.For reference, the results of measurement by the Wilhelmy slide method of the present invention and the conventional method are as follows.
(1) 63wt.%Sn-37wt.%Pb, 235℃에서의 실험결과(1) 63 wt.% Sn-37 wt.% Pb, experimental results at 235 ° C.
본 발명에 따른 측정방법에 의한 결과 0.422 N/mAs a result of the measurement method according to the present invention, 0.422 N / m
Wilhelmy slide method를 통한 측정 결과 0.513 N/mMeasured by Wilhelmy slide method 0.513 N / m
기타 문헌에 보고된 값 0.42 N/mReported in other literature 0.42 N / m
(2) 96.5wt.%Sn-3.5wt.%Ag, 250℃에서의 실험결과(2) 96.5 wt.% Sn-3.5 wt.% Ag, experimental result at 250 ° C
본 발명에 따른 측정방법에 의한 결과 0.47 N/mAs a result of the measurement method according to the present invention, 0.47 N / m
Wilhelmy slide method를 통한 측정 결과 0.466 N/mMeasured by Wilhelmy slide method 0.466 N / m
기타 문헌에 보고된 값 0.471 N/mReported in other literature 0.471 N / m
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명의 젖음곡선에서의 인출력곡선을 이용한 표면장력의 측정방법은 납재나 시편의 무게변화를 힘으로 변환하여 측정하는 웨팅 밸런스 테스트(wetting balance test)를 이용하되, 추가적인 장비나 길이측정과 같은 부가적인 해석 없이 단지 측정한 힘만으로 표면장력을 산출할 수 있는 효과가 있다.The method of measuring the surface tension using the drawing force curve in the wetting curve of the present invention having the above-described constitution and operation uses a wetting balance test in which the weight change of the rod or the specimen is converted by a force, There is an effect that the surface tension can be calculated only by the measured force without additional analysis such as equipment or length measurement.
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