KR100593680B1

KR100593680B1 - 솔더용 금-주석 공정합금 스트립 제조 방법

Info

Publication number: KR100593680B1
Application number: KR1020040107898A
Authority: KR
Inventors: 김문철; 남궁정; 이기안
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-30
Also published as: KR20060068945A

Abstract

본 발명은 취성이 강한 Au-Sn 공정합금을 기본으로 하여 스트립 캐스팅(strip casting)에 의하여 솔더용 스트립을 제조하는 방법으로서, 주조 시 스트립의 냉각속도를 조절함으로써 취성이 강한 AuSn 상을 직경 수 ㎛ 사이즈인 미세조직으로 조절하여 취약한 공정합금 스트립에 인성을 부여하고, 또한 주조 시에 주조 롤을 70℃ 이상으로 가열하고 롤 표면에 원주방향으로 스크래치를 발생시켜 주조 중 크랙의 발생을 억제하고 주조 후에 충격에 의한 크랙의 전파를 방지하는 인성이 있는 솔더용 공정합금 스트립 제조방법에 관한 것이다.

솔더합금, Au-Sn 공정합금, 직접주조, 스트립 캐스팅, 솔더 스트립

Description

솔더용 금-주석 공정합금 스트립 제조 방법{Fabrication Method of Au-Sn soldering strips}

도 1은 Au-Sn 상태도,

도 2는 본 발명에서 사용한 스트립 캐스팅 공정의 개략도,

도 3은 본 발명에 의하여 제조된 Au-20%Sn 공정합금의 미세조직도,

도 4는 본 발명에 의하여 제조된 냉각속도에 의한 주조상의 변화를 나타낸 그래프도,

도 5는 본 발명에 의하여 제조된 온도변화에 따른 Au-20%Sn 공정합금 스트립의 경도변화 그래프도,

도 6은 본 발명에 의하여 제조된 Au-20%Sn 공정합금 스트립 표면의 스크래치 형상도,

도 7은 본 발명에 의하여 제조된 Au-20%Sn 공정합금 스트립의 X-ray 상분석 그래프도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1. 공정합금용탕　　 2. 주조 롤　　　 3. 주조용 노즐　　　 4. 용해로

본 발명은 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 스트립 캐스팅 공정(strip casting process)을 통하여 취성이 강한 솔더용 공정합금 스트립을 제조하기 위하여 냉각속도를 조절하여 스트립 캐스팅 후 취성이 강한 AuSn 상을 ㎛ 사이즈의 미세한 상으로 분산시켜 인성을 향상 시키고, 주조 롤을 가열하고 원주방향으로 롤 표면에 스크래치를 발생시켜 취성이 강한 솔더용 스트립의 주조시 크랙발생이나 주조 후에 크랙의 전파를 억제시켜 인성이 있는 Au-Sn 공정스트립을 연속적으로 제조하도록 하는 것이다.　

Au-Sn 합금은 20중량% Sn성분에서 공정합금이 되며 용융온도가 278℃ 정도로 강하하게 된다. 따라서 450℃ 이하에서 사용되는 솔더용 합금으로서 사용이 가능하며 또한 강도, 내식성, 전기전도도가 우수하여 전자부품용 솔더용 합금으로 사용되고 있다. 그러나 Au-Sn 공정합금은 취성이 강하여 전자부품에 공정합금을 전기도금이나 진공증착과 같은 방법으로 부착시켜 솔더용 재료로 사용하고 있으며, 최근에는 일본의 미쓰비시 매트리얼에서 Au-Sn 공정합금 분말을 개발하여 제품화하였다.

그러나 전기도금, 진공증착에 의한 솔더용 재료는 전자부품의 형상에 따라 손실량이 많으며, 제조공정에 장시간이 소요됨으로써 생산성이 낮은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로 Au-Sn 공정 합금을 스트립캐스팅 공정을 통하여 연속적으로 인성이 있는 솔더용 스트립으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립의 제조방법은, 솔더용Au-Sn 공정합금의 스트립을 스트립 캐스팅 방법을 사용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 Au와 Sn을 용해한 용탕을 2개의 주조 롤을 구비한 스트립캐스팅 주조기에 공급하는 용탕공급과정과; 상기 용탕공급과정 후 상기 두 개의 주조 롤에 의한 스트립캐스팅시 상기 주조 롤에 의해 상기 스트립의 냉각속도를 조절하여 취성이 강한 AuSn(δ) 상이 5㎛ 이하의 크기로 형성되도록 미세조직을 제어하는 주조과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 주조과정의 냉각속도의 조절은 상기 두 개의 주조 롤의 간격과 회전속도를 조절하며, 상기 주조 롤을 70~120℃로 가열하여 주조함으로써 주조 시 소재 취성에 의한 크랙을 방지하고, 상기 주조 롤 표면에 원주 방향으로 스크래치를 형성하여 주조 후 스트립 표면에 길이방향으로 스크래치 주조 홈을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 본원 발명은 스트립캐스팅 공정 중 주조 롤에 의해 스트립의 냉각속도를 조절하여 취성이 강한 AuSn상을 5㎛ 크기 이하의 미세상으로 석출시켜 스트립의 인성을 향상시키고, 스트립 캐스팅 주조 시 주조 롤을 예열하여 주조 시 발생할 수 있는 크랙을 방지하며, 주조 롤 표면에 원주면으로 스크래치를 형성시켜 주조 후 제조된 스트립 표면의 길이 방향으로 주조 스크래치를 발생시켜 크랙이 발생하더라도 크랙이 다른 영역으로 전파되는 것을 방지할 수 있도록 하는 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립의　제조방법을 제공한다.

솔더용 재료로 사용하기 위하여는 용해온도가 425℃ 이하가 되어야 하며 그 이상 온도에서는 접합용 재료로 사용되고 있다. Au를 솔더용 재료로 사용하기 위하여는 도 1의 상태도에서와 같이 Sn을 공정조성인 20%까지 첨가하여 용해온도를 278℃로 감소시켜 사용하고 있다. 그러나 이러한 공정 조성합금에서는 취성이 강하여 스트립으로 주조가 불가능하여 기존의 진공증착이나 전기도금법에 의한 코팅공정에 의하여 솔더용 재료로 사용이 가능하였다.

따라서 본 발명에서는 Au-20%Sn 공정합금을 스트립으로 제조하기 위하여 다음과 같은 사항을 고려하였다.

첫째, 인성이 있는 공정합금 스트립을 제조하기 위하여 도 2에 개략적으로 나타낸 것과 같은 쌍롤 스트립캐스팅 공정을 적용하였다.

도가니(1)에서 용탕(2)을 저장조(3)로 부은 다음 통로를 통하여 턴디쉬(4)로 공급되고, 턴디쉬(4) 내의 용탕(2)이 주조 롤(5)을 거치면서 응고되어 스트립이 제조된다.

주조공정 중에 냉각속도를 조절하여 도 3의 미세조직과 같은 구조를 갖게 한다. 도 3의 미세조직은 전형적인 도 1의 상태도에서 20% Sn 공정조성을 나타내며 2개의 상으로 구성되어 있다. 미세조직의 기지상(A)으로 Au₅Sn(ξ)상과 구형(globular)상(B)의 AuSn(δ)상을 나타내고 있다. Au₅Sn(ξ)상은 인성이 있으나 AuSn(δ)상은 Sn의 량이 많아서 취성이 상당히 심한 상임을 알 수 있다. 따라서 AuSn(δ) 상을 스트립캐스팅 주조시 냉각속도를 도 4의 ②번 냉각곡선과 같이 조정하여 도 3의 미세조직에서 취성이 강한 상인 AuSn(δ)을 5 ㎛ 사이즈 이하로 미세화 시켜 취성을 감소시키는 것이다. 도 4의 ①번 냉각곡선과 같이 급속냉각을 시키면 비정질상의 스트립이 제조되나 결정화 온도가 상온 이하로써 제조 후 수분이 경과하면 상온에서 자발적인 결정화 과정에 의한 취성이 발생하여 부서진다. 또한 ③번과 같은 낮은 냉각속도로 제조하면 취약상인 AuSn(δ)이 크게 성장하여 스트립이 작은 충격에도 부서질 수 있다. 따라서 ②번과 같은 AuSn(δ) 상을 5㎛ 크기 이하로 제조할 수 있는 냉각속도로 주조함으로써 인성을 가진 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립을 제조할 수 있다.

일반적으로 AuSn(δ)상의 크기는 다음과 같은 수식으로 간단히 표현할 수 있다.

S^* ∝ (ΔT)^-1 ∝ R ------- (1)

S^*는 공정조성의 입자의 크기를 나타내는 인자로서 ΔT인 과냉도(undercooling)에 역비례하고, 이는 주조할 때 냉각시키는 냉각속도 R에 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서 도 4의 ②번 냉각곡선과 같은 냉각속도로 취약상인 AuSn(δ)상을 수 ㎛ 크기로 형성시킴으로써 취성이 강한 솔더용 Au-20%Sn 공정합금에 인성을 부여하여 스트립 형상으로 제조가 가능하다.

둘째, 도 2와 같은 스트립캐스팅 공정 적용시 롤을 가열하여 스트립을 주조하는 방법이다. 도 5는 제조된 Au-20%Sn 공정합금 스트립의 온도에 따른 경도변화를 나타낸 것이다. 상온에서 185Hv의 경도에서 70℃에서 150Hv로 떨어지고 있으며 계속하여 160℃에서는 10Hv를 나타내고 있다. 이러한 현상은 주조 롤을 가열함으로써 점차적으로 취약한 스트립이 인성을 나타내는 것으로 예측될 수 있다. 따라서 스트립캐스팅 주조시 주조 롤을 70℃ 이상으로 가열하여 주조하면 항상 주조되는 스트립을 70℃ 이상으로 유지시켜 스트립 주조시 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있다. 그러나 주조 롤을 120℃ 이상으로 가열 시에는 주조 롤과 스트립의 접착력이 증가되어 박리가 어려워지며 표면형상도 거칠어 지므로 불리하다.

셋째, 스트립캐스팅 롤표면에 원주면으로 거친 샌드페이퍼로 폴리싱하는 방법 등을 이용하여 스크래치를 내어서 주조 후에도 스트립 표면에 길이방향으로 도 6과 같은 스크래치 형상을 갖도록 주조한다. 이는 솔더용 스트립 제조 후에도 강한 충격에 의하여 크랙이 발생할 수 있으므로 발생된 크랙의 전파에 의하여 스트립이 절단되지 않도록 크랙의 전파를 방해하는 역할을 하는 것이다. 이러한 작용들에 의하여 취성이 매우 강한 Au-20%Sn 공정합금을 스트립 형상으로 주조할 수 있다.

이하, 본 발명의 효과를 확인하기 위한 실험을 실시예로써 설명한다.

[실시예]

용해온도가 1064℃로 높은 Au와 용해온도가 231℃로 낮은 Sn을 Au-20%Sn 공정조성으로 용해한 후 도 2와 같은 스트립캐스팅 주조기에 공급한다. 주조시 작용하는 2개의 주조 롤은 70℃ 이상으로 가열되어 있으며 표면에는 원주상으로 3~4㎛ 깊이의 스크래치가 형성되어 있다. 2개의 주조 롤 사이는 제조하려는 스트립의 두께와 동일한 50㎛ 갭으로 이격시키고, 롤 스피드는 용탕공급량에 맞추어 1~10m/sec의 선속도의 범위에서 조절한다.

주조 시 스트립의 두께가 얇고 선속도를 높이면 냉각속도가 높아져 도 4의 ①번 냉각속도와 같이 되어 비정질 스트립으로 제조됨으로써 상온에서 자발적 결정화에 의하여 부스러진다. 또한 스트립의 두께를 두껍게 하고 선속도를 낮추면 ③번 냉각속도와 같이 조대하고 취약한 AuSn(δ)상이 형성되어 스트립이 취약하게 된다. 따라서 ②번 냉각속도와 같은 적정한 냉각속도를 갖도록 두께와 선속도를 조절하여야 한다.

도 3은 도4의 2번과 같은 적정한 냉각속도로 스트립 캐스팅하였을 때 얻은 솔더용 스트립의 미세조직을 나타내는 스캐닝 일렉트로 마이크로스코프(Scanning Electron Microscope) 조직 사진이다. 도 7의 X-ray 분석에 나타낸 것과 같이 인성이 있는 기지상(A)인 Au₅Sn(ξ)상은 회색으로 나타나고 있으며, 취성이 심한 구형(globular) 상(B)의 AuSn(δ)상은 검은색으로 나타나고 있다.
스케일(scale)의 크기(S)는 밑면의 점선으로 표시된 부분이 2μm를 나타내고 있으므로 도 3은 취성이 있는 AuSn(δ)상의 크기를 2-3　μm이내로 미세하게 조절한 것임을 알 수 있다.
도 3과 같이 취성이 심한 AuSn(δ)상을 미세하게 조절함으로써 인성이 있는 Au-20%Sn 공정합금의 스트립 제조가 가능하다.

이상과 같이 Au-20%Sn 공정 조성합금의 솔더용 스트립을 제조하기 위하여 스트립캐스팅 공정을 이용하고 냉각속도를 적절히 조정하여 취성이 강한 AuSn(δ)상을 5㎛ 이하의 크기로 형성시킴으로써 기지상인 Au₅Sn(ξ)상이 인성을 갖도록 하고, 주조시 주조 롤을 70℃ 이상으로 가열하여 주조공정 도중에 발생할 수 있는 크랙의 방지와 주조 롤 표면에 원주방향으로 스크래치를 내어 스트립 주조 표면에 길이 방향의 주조 스크래치를 형성시켜 주조 후 발생할 수 있는 크랙이 스트립의 절단 방향으로 전파되는 것을 방지함으로써, 취성이 아주 강한 Au-20%Sn 공정합금을 스트립 형상으로 제조할 수가 있는 것이다.　　　

Claims

솔더용Au-Sn 공정합금의 스트립을 스트립 캐스팅 방법을 사용하여 제조하는 방법에 있어서,

Au와 Sn을 용해한 용탕을 2개의 주조 롤을 구비한 스트립캐스팅 주조기에 공급하는 용탕공급과정과;

상기 용탕공급과정 후 상기 두 개의 주조 롤에 의한 주조시 상기 주조 롤에 의해 상기 스트립의 냉각속도를 조절하여 취성이 강한 AuSn(δ) 상이 5㎛ 이하의 크기로 형성되도록 미세조직을 제어하는 주조과정; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립 제조 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 주조과정의 냉각속도의 조절은 상기 두 개의 주조 롤의 간격과 회전속도를 조절하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 주조과정은 상기 주조 롤을 70~120℃로 가열하여 주조함으로써 주조 시 소재 취성에 의한 크랙을 방지하는 것을 특징으로 하는 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 주조과정은 상기 주조 롤 표면에 원주 방향으로 스크래치를 형성하여 주조 후 스트립 표면에 길이방향으로 스크래치 주조 홈을 발생시키는 것을 특징으로 하는 솔더용 Au-Sn 공정합금 스트립 제조방법.