KR100404659B1

KR100404659B1 - 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법

Info

Publication number: KR100404659B1
Application number: KR10-2001-0025610A
Authority: KR
Inventors: 권동일; 정증현
Original assignee: 권동일
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2003-11-07
Also published as: KR20020086019A

Abstract

본 발명은, 기판만으로 이루어진 제1영역과, 상기 기판의 일측에 상기 기판과 상이한 재질로 이루어진 제2재료를 부착하여 형성된 제2영역을 갖는 계면접합강도 평가시편 및 그의 계면접합강도 평가방법에 관한 것이다. 본 평가방법은, 상기 제2영역에 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 보강재를 결합시키는 단계와; 상기 시편의 제1영역을 임의의 지그에 고정하는 단계와; 상기 시편의 제2영역에 하중을 가하는 단계와; 상기 하중이 가해짐에 따라 발생하는 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열길이를 측정하는 단계와; 상기 하중과 균열길이와의 관계를 이용하여 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열이 발생하는 임계에너지인 임계 파괴에너지를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 갑작스러운 균열전파를 방지하고, 정확하게 균열길이를 측정할 수 있도록 함으로써, 계면접합강도의 측정을 간편하고 용이하게 할 수 있게 된다.

Description

계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법{SPECIMEN AND TEST METHOD OF INTERFACIAL ADHENSIVE STRENGTH}

본 발명은 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시편의 계면접합강도를 표준화된 해석방법으로 간편하게 평가할 수 있도록 한 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법에 관한 것이다.

일반적으로 박막 및 패키징 기술에서 코팅재, 브래이징재, 용접재, 솔더재 등에 의해 접합된 서로 다른 재료간의 계면접합강도를 정확히 평가하는 것은, 소재 개발이나 패키징 실장 기술 개발에 있어서 매우 중요하다.

이러한 계면접합강도는 서로 다른 재료를 접합하는 데서 오는 실험적, 이론적 어려움 때문에 계면접합강도의 정량화가 이루어지지 못하고 있다. 이에 따라, 산업현장에서는 수많은 연구와 실험을 통해 경험적으로 계면접합강도를 구하는 다수의 방법들이 개발되어 사용되고 있다. 특히, 파괴역학시험을 응용하여 계면에균열을 도입하고 균열이 전파할 때 계면이 얼마나 저항하는가를 평가하는 계면파괴역학 시험법의 개발연구가 활발하다.

이러한 계면파괴역학 시험법을 이용하여 균열의 성장에 대해 계면이 저항하는 정도인 계면접합강도를 계면 파괴에너지로 평가하는 방법을 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

계면접합강도를 구하기 위해 사용되는 시편(51)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 접합강도를 평가하려는 막대 형상의 기판(53)과, 기판(53)의 길이방향을 따라 일영역에 접합가공된 박막(55)을 포함한다. 시편(51)은 기판(53)만으로 이루어진 제1영역(Ⅰ)과, 기판(53)에 박막(55)이 부착된 제2영역(Ⅱ)으로 구분된다. 이러한 시편(51)의 제2영역에는 계면접합강도를 구하기 위한 시험을 수행하기 위해 기판(53)과 박막(55) 사이에 균열을 형성하며, 이러한 균열을 예비균열이라 한다.

이러한 시편(51)의 접합강도를 측정하기 위해서는 시편(51)을 고정하여 하중을 가해주는 하중인가시스템(60)이 사용되며, 하중인가시스템(60)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 시편(51)의 제2영역(Ⅱ)을 고정하기 위한 시편고정부(61)와, 시편(51)에 하중을 인가하기 위한 하중인가부(65)와, 시편(51)의 위치를 전후좌우로 미세하게 조정하기 위한 한 쌍의 조절레버(63)를 갖는다.

이러한 하중인가시스템(60)을 이용하여 시편(51)의 계면접합강도를 측정하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 시편(51)의 제1영역(I)에 하중을 가할 수 있도록 시편(51)의 제2영역(Ⅱ)을 시편고정부(61)에 외팔보 형상이 되도록 고정시킨다. 그런 다음, 시편고정부(61)로부터 일정 거리 이격된 하중점이 하중인가부(65)의 하부에 위치하도록 조절레버(63)로 시편(51)의 위치를 미세조정한 다음, 하중인가부(65)를 하강시켜 제1영역(Ⅰ)에 하중을 가하게 된다.

이렇게 하중을 가할 때, 도 8에 도시된 바와 같이, 하중의 증가에 따라 시편(51)의 변위가 증가하게 되며, 기판(53)과 박막(55)간의 균열길이가 급격히 커지게 된다. 이러한 균열길이의 변화를 시간에 따라 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이, 예비균열이 종료하고 균열성장이 시작되는 점에서 균열길이가 순간적으로 급격히 증가하게 된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(53)과 박막(55)간의 균열길이가 급격히 커지게 되면, 하중은 급격히 감소하는 경향을 나타낸다. 균열이 하중점과 반대방향으로 성장하기 때문에 균열되는 점에 가해지는 모멘트(힘)는 균열의 성장에 따라 더 커지게 된다. 이는 균열성장에 더 큰 구동력을 제공할 수 있기 때문에, 가해주는 하중은 오히려 감소하는 경향을 나타내는 것이다.

그런데, 이러한 종래의 방법으로 계면접합강도를 측정하게 되면, 균열전파가 급작스럽게 일어나기 때문에 하중과 균열길이간의 상관관계를 파악하기가 어렵고, 실험장비의 관성 및 측정민감도 때문에 평가된 게면 파괴에너지의 값이 과대평가되는 문제가 있다. 또한, 단지 광학현미경을 이용하여 균열을 관찰하기 때문에 실시간 측정이 불가능할 뿐만 아니라, 상당한 오차를 유발하여 정확한 균열길이를 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 이에 따라, 갑작스러운 균열전파를 방지하고, 정확하게 균열길이를 측정할 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 계면접합강도의 측정을 간편하고 용이하게 할 수 있도록 하는 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 갑작스러운 균열전파를 방지하고, 정확하게 균열길이를 측정할 수 있도록 함으로써, 계면접합강도의 측정을 간편하고 용이하게 할 수 있는 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 시편 형태와 하중인가시스템 고정상태의 측면도,

도 2는 도 1의 시편에 하중을 가할 때 하중과 변위의 관계를 나타낸 그래프,

도 3은 도 1의 시편에 하중을 가할 때 시간에 따른 균열길이의 변화를 나타낸 그래프,

도 4는 도 1의 시편에 하중을 가할 때 균열부위에 작용하는 모멘트와 균열길이의 관계를 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명에 따라 얻어진 계면접합에너지와 변위와의 관계를 나타낸 그래프,

도 6은 종래의 시편의 하중인가시스템 고정상태의 측면도,

도 7은 하중인가시스템의 평면도,

도 8은 도 6의 시편에 하중을 가할 때 하중과 변위와의 관계를 나타낸 그래프,

도 9는 도 6의 시편에 하중을 가할 때 시간에 따른 균열길이의 변화를 나타낸 그래프,

도 10은 도 6의 시편에 하중을 가할 때 모멘트와 균열길이와의 관계를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 시편 3 : 기판

5 : 박막 7 : 접착제

9 : 보강재 60 : 하중인가시스템

61 : 기판고정부

상기 목적은, 본 발명에 따라, 하중인가장치의 지그에 고정되는, 기판만으로 이루어진 제1영역과; 하중인가장치의 하중인가부에 의해 하중이 가해지는, 상기 기판의 일측에 상기 기판과 상이한 재질로 이루어진 제2재료 및 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 보강재를 적층시켜 형성된 제2영역을 갖는 것을 특징으로 하는 계면접합강도 평가시편에 의해 달성된다.

상기 제2영역의 제2재료는 박막이며, 상기 박막의 제조전에 상기 기판에 대해 접착력이 낮은 구리를 상기 기판에 부분적으로 코팅하여 상기 기판과 상기 박막의 접착력을 저하시킨 예비균열이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 기판만으로 이루어진 제1영역과, 상기 기판의 일측에 상기 기판과 상이한 재질로 이루어진 제2재료를 부착하여 형성된 제2영역을 갖는 시편의 계면접합강도 평가방법에 있어서, 상기 제2영역에 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 보강재를 결합시키는 단계와; 상기 시편의 제1영역을 임의의 지그에 고정하는 단계와; 상기 시편의 제2영역에 하중을 가하는 단계와; 상기 하중이 가해짐에 따라 발생하는 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열길이를 측정하는 단계와; 상기 하중과 균열길이와의 관계를 이용하여 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열이 발생하는 임계에너지인 임계 파괴에너지를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편의 계면접합강도 평가방법에 의해서도 달성될 수 있다.

여기서, 상기 하중이 증가할 때 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열 발생 지점에 가해지는 힘, 즉, 구동력이 작아지도록 시편을 설계하는 것이 바람직하다.

상기 임계하중에서의 상기 균열길이는 컴플라이언스 방법을 적용하여 도출된 다음의 수학식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.

여기서, Ｅ₁,Ｅ₂,Ｅ₃,Ｅ₄는 각 재료의 탄성계수, Ｌ은 시편고정부에 고정된 영역을 제외한 시편의 길이, ｃ는 균열길이, ｌ은 제1영역에서 ｃ만큼을 뺀 길이이다.

상기 임계 파괴에너지는 다음의 수학식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.

여기서,이고,이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

일반적으로 힘을 받는 재료가 파괴를 일으키는 현상을 설명할 때는 파괴가 일어나는 순간에 가해진 힘의 임계값을 정의하여 사용한다. 이는 가해진 힘이 그 임계값을 초과해야만 파괴가 일어나기 때문이다. 파괴현상을 설명하는 가장 간단한 임계값으로는 파괴시 가해진 힘을 파괴 단면적으로 나눈 값인 파괴강도가 사용된다. 한편, 임계값을 에너지 형태로 정의하기도 하는데, 힘이 가해지면 재료에 변형에너지가 축적되고 이 에너지가 너무 커져 재료가 견딜 수 없게 되면 파괴가 일어나기 때문이다. 이와 같이, 파괴가 일어나는 임계에너지에 해당하는 것이 임계 파괴에너지이다. 실험오차를 줄이고 정량적으로 임계값을 적용하기 위해서는 파괴강도보다는 파괴에너지 개념을 이용하는 것이 바람직하다.

이러한 파괴에너지 개념은 서로 다른 두 재료가 붙어 있는 계면의 파괴에도 적용할 수 있으며, 임계 파괴에너지는 계면의 파괴시의 임계값으로 사용될 수 있다. 이 임계 파괴에너지를 계면접합강도라고 한다. 이에 따라, 본 계면접합강도 평가방법은 시편 균열시의 파괴에너지를 정량화하는 방식으로 계면접합강도를 평가하게 된다.

본 평가방법에 사용되는 계면접합강도 평가시편(1, 이하, '시편'이라 함)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 접합강도를 평가하려는 기판(3)과, 박막(5)과, 기판(3)과 동일한 소재로 형성된 보강재(9)가 순차적으로 적층결합되어 마련된다. 이 때, 보강재(9)는 소재에 따라 접착제(7)나 접합소재를 사용하여 박막(5)에 부착하거나, 고온 열확산이나 용접 등의 방법으로 박막(5)에 부착할 수도 있다.

시편(1)은 일측으로 긴 막대형상으로 형성되며, 박막(5)과 보강재(9)는 시편(1)의 길이방향을 따라 기판(3)의 일측 영역에만 부착되어 있다. 여기서, 기판(3)만으로 이루어진 영역을 제1영역(Ⅰ)이라 하고, 기판(3)에 박막(5)과 보강재(9)가 부착된 영역을 제2영역(Ⅱ)이라 한다.

이러한 시편(1)은 실험전에 기판(3)과 박막(5) 사이에 예비균열을 형성하게 되며, 박막의 종류에 따라 예비균열을 형성하는 방법이 다양하다. 예를 들어, 고속도강 기판에 TiN 박막을 접착하여 시편(1)을 제조하는 경우, 박막의 제조전에 고속도강에 대해 접착력이 낮은 구리를 기판(3)에 부분적으로 코팅함으로써, 기판(3)과 박막(5)의 접착력을 저하시켜 예비균열을 형성한다. 이러한 예비균열영역은 제1영역(Ⅰ)에 포함된다.

이러한 시편(1)의 계면접합강도를 평가하기 위한 실험은 변위제어방식을 사용하게 되는데, 변위제어방식이란 시편(1)의 변위가 일정하게 증가하도록 하중의 인가를 제어하고, 이 때의 하중을 측정하는 방식이다.

변위제어방식을 이용하여 계면접합강도를 평가하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같은 하중에 따른 시편의 변형을 측정할 수 있는 하중인가시스템(60)에 시편(1)을 고정하며, 이 때, 시편(1)의 제1영역(Ⅰ)을 검사장비(60)의 시편고정부(61)에 고정한다. 그런 다음, 제2영역(Ⅱ)의 소정 위치의 하중점에 하중인가부(65)를 하강시켜 하중을 가하게 된다. 이렇게 하중을 인가하는 도중, 하중인가시스템(60)에서는 하중의 시간경과에 따른 시편(1)의 변위와, 기판(3)과 박막(5)간의 균열길이를 측정하게 된다.

하중인가시스템(60)에 의해 측정된 하중에 따른 시편(1)의 변위는, 도 2에 도시된 바와 같다. 시편(1)에 가해지는 하중이 일정 이하인 구간에서는 시편(1)의 변위가 하중에 비례하여 증가하며, 이 때 시편(1)의 변위는 기판(3)의 탄성력에 의해 일정한 비율로 증가한다. 이 구간을 탄성변형영역이라 한다. 이 탄성변형영역을 지나면 하중의 증가에 따라 변위가 탄성변형영역에 비해 급한 기울기를 가지고 증가하며, 이 때, 기판(3)과 박막(5)간의 균열전파가 시작된다. 이렇게 균열전파가 시작되는 임계점을 임계하중점이라 하고, 이 때의 하중을 임계하중Ｐc라 한다.

한편, 균열전파가 시작된 후의 시간의 경과에 따른 균열길이를 측정해 보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따라 균열길이가 급격히 증가하지 아니하고, 일정 비율로 증가하고 있다. 이는 균열이 하중점 방향으로 성장함에 따라 균열이 발생하는 점에 가해지는 모멘트(힘)가, 도 4에 도시된 바와 같이, 균열길이가 커질수록 작아지기 때문이다. 따라서, 하중이 증가하더라도 균열이 급격히 성장하지 않고 안정적으로 이루어지게 된다.

이러한 실험을 통해 얻어진 도 2 및 도 3의 그래프를 이용하여 시편(1)의 파괴에너지를 산출하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 하중Ｐ가 시편(1)에 가해질 때 시편(1)에 축적되는 전체 에너지를 구하기 위해, 고전 빔굽힘 이론을 이용하여 시편(1)의 제1영역(Ⅰ)과 제2영역(Ⅱ)에서의 에너지를 구하면 다음과 같다.

[수학식1]

여기서, ｈ₁,ｈ₂,ｈ₃,ｈ₄는 각각 시편(1)을 이루는 보강재(9), 접합제, 박막(5), 기판 각각의 두께이며, ｂ는 각 재료의 가로방향 폭, Ｅ₁,Ｅ₂,Ｅ₃,Ｅ₄는 각 재료의 탄성계수이다. 그리고, Ｌ은 시편고정부(61)에 고정된 영역을 제외한 시편(1)의 길이, ｃ는 균열길이, ｌ은 제1영역(Ⅰ)에서 ｃ만큼을 뺀 길이이다.

한편, [수학식1]에서 Ｉ4와 Ｉc는 다음과 같이 표현된다.

임계 파괴에너지는 균열의 단위면적당 전파에 따른 전체에너지 변화이므로, [수학식1]을 이용하면 임계 파괴에너지Ｇc를 다음과 같이 계산할 수 있다.

[수학식2]

이에 따라, 상기의 실험을 통해 임계하중Ｐc와 균열길이를 측정하면, [수학식1]을 통해 임계 파괴에너지를 구할 수 있으며, 구해진 임계 파괴에너지를 계면접합강도의 기준으로 활용할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 하중이 가해지면 시편(1)에 변형에너지가 축적되고 이 에너지가 너무 커져서 견딜 수 없게 되면 파괴가 일어나며, 이와 같이 파괴가 일어나도록 하는 임계 파괴에너지는 기판(3)과 박막(5)이 접착된 계면의 계면접합강도에 대응되는 값이 된다.

한편, 이와 같은 계면접합강도 평가실험에서 균열길이의 측정은 필수적이나, 실험중 균열길이를 측정하는 것은 그 정확도가 떨어진다. 이에 따라, 균열길이를 직접 측정하지 않고도 파괴에너지를 구할 수 있도록 컴플라이언스 방법을 적용하면, 컴플라이언스S는 변위δ 및 하중P와 다음과 같은 관계를 갖는다.

이고,

이므로,

따라서, 균열길이ｃ는 다음의 [수학식3]과 같이 구해진다.

[수학식3]

이러한 균열길이를 구하는 [수학식3]을 [수학식2]에 대입하면, 임계 파괴에너지는 다음과 같이 정리할 수 있다.

[수학식4]

여기서,이고,이다.

따라서, 임계하중에서의 균열길이를 측정함으로써, 하중과 변위에 관한 정보만으로 임계 파괴에너지를 구할 수 있다. 이러한 [수학식4]를 이용하여 파괴에너지를 산출하여 균열길이와 비교해 보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 균열이 되는 동안 파괴에너지는 일정함을 알 수 있다.

이와 같이, 본 평가방법에서는, 균열길이에 따른 파괴에너지중 최대값을 임계 파괴에너지로 취하여 계면접합강도의 정량적 지수로 활용함으로써, 균열길이와 임계하중만을 알면 계면의 임계 파괴에너지를 간편하게 구할 수 있다. 뿐만 아니라, 균열길이와 임계하중만으로 임계 파괴에너지의 측정이 가능하므로, 측정하려는박막 또는 솔더의 기계적 물성에 대한 정보가 필요하지 않게 된다. 또한, 실험에 의해 얻어지는 하중과 변위의 관계를 이용하여 기판과 박막 간 계면의 균열길이를 계산하는 식을 도출해 냄으로써, 균열이 전파되는 동안 균열길이를 실시간으로 알 수 있다. 따라서, 임계하중만을 구하면 임계 파괴에너지를 구할 수 있다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 균열이 안정적으로 이루어지기 때문에 파괴에너지의 과대평가를 해소할 수 있으므로, 보다 정확한 계면접합강도의 평가가 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 간편하고 정확하게 계면접합강도의 평가가 가능하게 된다.

또한 본 발명에 따르면, 갑작스러운 균열전파를 방지하고, 정확하게 균열길이를 측정할 수 있도록 함으로써, 계면접합강도의 측정을 간편하고 용이하게 할 수 있다.

Claims

하중인가장치의 지그에 고정되는 기판만으로 이루어진 제1영역과;

하중인가장치의 하중인가부에 의해 하중이 가해지며, 상기 기판의 일측에 상기 기판과 상이한 재질로 이루어진 박막과 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 보강재를 적층시켜 형성된 제2영역을 가지고;

상기 기판과 상기 박막 사이에 상기 박막의 종류에 해당하는 방식으로 예비균열이 형성되어 계면접합강도가 평가되는 계면접합강도 평가시편.
제1항에 있어서,

상기 기판이 고속도강 기판이고 상기 박막이 TiN 박막일 경우,

상기 예비균열은, 상기 박막의 제조전, 상기 기판에 대해 접착력이 낮은 구리를 상기 기판에 부분적으로 코팅하여 상기 기판과 상기 박막의 접착력을 저하시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 계면접합강도 평가시편.
기판만으로 이루어진 제1영역과, 상기 기판의 일측에 상기 기판과 상이한 재질로 이루어진 박막을 부착하여 형성된 제2영역을 갖는 시편의 계면접합강도 평가방법으로,

상기 제2영역에 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 보강재를 결합시키고 상기 기판과 상기 박막 사이에 상기 박막의 종류에 해당하는 방식으로 예비균열을 형성하는 단계와;

상기 시편의 제1영역을 임의의 지그에 고정하는 단계와;

상기 시편의 제2영역에 하중을 가하는 단계와;

상기 하중이 가해짐에 따라 발생하는 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열길이를 컴플라이언스 방법을 적용하여 도출된 다음의 수학식에 의해 측정하는 단계와;

(여기서, Ｅ1,Ｅ2,Ｅ3,Ｅ4는 각 재료의 탄성계수, Ｌ은 시편고정부에 고정된 영역을 제외한 시편의 길이, ｃ는 균열길이, ｌ은 제1영역에서 ｃ만큼을 뺀 길이)

상기 하중과 균열길이와의 관계를 이용하여 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열이 발생하는 임계에너지인 임계 파괴에너지를 상기 제1영역과 상기 제2영역에서의 에너지를 빔굽힘 이론을 적용하여 도출된 다음의 수학식에 의해 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편의 계면접합강도 평가방법.

여기서,이고,이다.
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