KR101924130B1 - Multilayered Composite Pellets and Method for fabricating the same and Method for Bonding Intermetallic Substrates using the same - Google Patents

Multilayered Composite Pellets and Method for fabricating the same and Method for Bonding Intermetallic Substrates using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 계면접합용 금속/고에너지물질/계면접합용 금속 기반의 다층 구조 펠렛을 제작하여 금속 기판 사이에 위치시키고 점화 및 연소시켜 계면접합을 수행하는 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법에 관한 것으로, 금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질층;금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질층;상기 제 1 접합 물질층과 제 2 접합 물질층 사이에 위치하는 고에너지 물질 복합체;를 포함하고, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되는 것이다.The present invention relates to a multi-layered composite pellet for producing an interfacial bonding metal-based high-energy material / interfacial metal-based multi-layered pellet, placing it between metal substrates and performing interfacial bonding by ignition and combustion, A first bonding material layer for metal interface bonding, a second bonding material layer for metal interface bonding, a high energy material layer between the first bonding material layer and the second bonding material layer, And the first and second bonding material layers are melted by thermal energy generated during ignition and combustion of the high energy material composite to be bonded to the metal interface.

Description

다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법{Multilayered Composite Pellets and Method for fabricating the same and Method for Bonding Intermetallic Substrates using the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a multilayered composite pellet, a method for manufacturing the same, and a method for fabricating the same,

본 발명은 금속 계면 간 접합 기술에 관한 것으로, 구체적으로 계면접합용 금속/고에너지물질/계면접합용 금속 기반의 다층 구조 펠렛을 제작하여 금속 기판 사이에 위치시키고 점화 및 연소시켜 계면접합을 수행하는 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a metal-to-metal interface bonding technique, and more particularly, to a multi-layer structure pellet based on a metal for interfacial bonding, a metal for high energy material / interfacial bonding, and a method for interfacial bonding by igniting and burning A multi-layered composite pellet, a method for producing the same, and a method for joining metal interfaces using the same.

일반적인 계면접합 공정은 양극 접합(anodic bonding), 직접 접착(direct bonding), 솔더 접합(solder bonding), 접착제 접합(adhesive bonding) 등 다양한 방법들에 의해 이루어지고 있다.The general interface bonding process is performed by various methods such as anodic bonding, direct bonding, solder bonding, and adhesive bonding.

이러한 접합 공정은 온도, 압력, 시간, 기판의 종류 등의 변수에 따라 접합 강도와 기밀성 등의 접합 특성이 변화된다.In such a joining step, the joining characteristics such as the bonding strength and the airtightness are changed according to variables such as temperature, pressure, time, and kind of substrate.

특히, 솔더링(soldering)과 브레이징(brazing)의 경우에서는 밀폐된 장치에서 고온의 분위기로 솔더(solder, 땜납)를 용융시키며 솔더와 접합 기판간의 화합물을 형성하게 되는데, 이때 주변의 온도와 압력에 의해 접합상태가 민감하게 변화된다.In particular, in the case of soldering and brazing, the solder melts in a closed environment at high temperature and forms a compound between the solder and the bonded substrate, The bonding state is sensitively changed.

구체적으로 접합부위의 온도를 적절하게 제어함에 따라 다층 접합의 경우 잔류응력을 줄일 수 있으나, 온도에 민감한 기판의 경우 고온의 열이 가해지는 범위에 따라 손상될 수도 있으며 이로 인해 접합 강도가 낮아지거나 기밀하게 접합하지 못하여 약화되는 현상을 초래하게 될 수도 있다.Specifically, by controlling the temperature of the bonding region appropriately, the residual stress can be reduced in the case of multilayer bonding, but in the case of temperature-sensitive substrates, the bonding strength may be lowered due to the range of high temperature heat applied, It is possible to cause the phenomenon to be weakened.

또한, 접합부위에 낮은 압력이 가해질 경우에는 결합부분의 실제적인 접촉 면적이 감소하고 이로 인해 접합부가 기밀하지 못하여 접합강도 특성이 감소하는 결과를 발생하게 된다.In addition, when a low pressure is applied to the joint, the actual contact area of the joint decreases, and the joint is not air tight, resulting in a decrease in joint strength.

이와 같이 계면간의 접합 방법들의 대부분이 밀폐된 시스템 내부에서 이루어지며 매우 높은 온도와 압력을 기반으로, 다소 복잡한 공정들을 필요로 하는 단점이 있다. Thus, most of the interfacial bonding methods are performed inside a closed system and require a relatively complicated process based on very high temperature and pressure.

따라서, 시스템 전체의 온도를 높일 필요 없이 국부적으로 빠르게 가열이 가능하도록 하는 열원의 개발 및 새로운 접합기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, it is required to develop a heat source and to develop a new joining technique which enables rapid heating locally without needing to raise the temperature of the entire system.

한국공개특허 제10-2016-0067258호Korean Patent Publication No. 10-2016-0067258 한국공개특허 제10-2016-0027452호Korean Patent Publication No. 10-2016-0027452

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 계면접합 공정의 문제를 해결하기 위한 것으로, 계면접합용 금속/고에너지물질/계면접합용 금속 기반의 다층 구조 펠렛을 제작하여 금속 기판 사이에 위치시키고 점화 및 연소시켜 계면접합을 수행하는 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention solves the problem of the prior art interfacial bonding process, in which multi-layered pellets based on metal for interfacial bonding / high energy material / interfacial bonding are prepared, placed between metal substrates, ignited and burnt Layer composite pellet for performing interfacial bonding, a method for producing the same, and a method for joining metal interfaces using the same.

본 발명은 솔더/고에너지물질/솔더 기반의 다층 구조 펠렛을 제작하여 금속 기판 사이에 위치시키고 점화 및 연소시켜 금속기판 계면접합을 수행하는 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a multi-layered composite pellet for producing solder / high energy material / solder-based multi-layer structure pellets, placing them between metal substrates and igniting and burning them to perform interface bonding of metal substrates, a method for manufacturing the same, The purpose of the method is to provide.

본 발명은 고에너지물질 구성으로 연료물질(fuel)은 [알루미늄(Al)과 산화제물질(oxidizer)로 산화철(Fe2O3) 기반의 마이크로 및 나노스케일 입자]를 사용하고, 연소 및 폭발 특성 제어 및 접합 강도의 향상 물질로 [니켈(Ni) 나노입자]를 첨가하여, 몰드성형 공정으로 솔더/고에너지물질/솔더 기반의 다층 구조 펠렛을 제조하는 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is based on the assumption that the fuel material is composed of a high energy material and is composed of [Al (Al) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) -based micro- and nano-scale particles as an oxidizer) Layer structure pellets for producing solder / high energy material / solder-based multi-layer structure pellets by adding [Ni (Ni) nanoparticles] as an improving material for bonding strength, and a method for manufacturing the same The present invention provides a method of interfacial bonding.

본 발명은 솔더/고에너지물질/솔더 기반의 다층 구조 펠렛을 제조하고, 구리(Cu) 금속 기판 사이에 접합용 펠렛을 설치하고 이를 저항열선(hot-wire)을 이용하여 점화 및 연소시켜 금속기판 계면접합을 수행하는 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a process for producing a multilayer structure pellet based on a solder / high energy material / solder, placing pellets for bonding between copper (Cu) metal substrates and igniting and burning them using a hot- Layer composite pellet for performing interfacial bonding, a method for producing the same, and a method for joining metal interfaces using the same.

본 발명은 상온의 열린 시스템에서 솔더물질과 고에너지물질(energetic materials, EM) 복합체 펠렛(pellet)을 적용하여 금속 계면 간 접합부에 펠렛의 점화 및 연소에 의해 국부적으로 가열하여 솔더를 용융시키고 동시에 금속기판에 압력을 가하여 강한 접합을 이루어 낼 수 있도록 한 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention applies solder material and energetic materials (EM) composite pellets in an open system at room temperature to locally heat the solder by igniting and burning the pellets at the interface between metal interfaces, Layered composite pellets in which strong bonding can be achieved by applying pressure to a substrate, a method for manufacturing the composite pellet, and a method for joining metal interfaces using the same.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛은 금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질층;금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질층;상기 제 1 접합 물질층과 제 2 접합 물질층 사이에 위치하는 고에너지 물질 복합체;를 포함하여 본딩 펠렛(Bonding pellet)이 이루어지고, 상기 제 1,2 접합 물질층과 고에너지 물질 복합체는 제 1 접합 물질층,고에너지 물질 복합체,제 2 접합 물질층의 순서로 적층되어 원형으로 압력 성형되고, 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용하여 점화 및 연소 반응을 유도하여 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하고, 상기 제 1,2 접합 물질층을 포함하지 않고 고에너지 물질 복합체만으로 이루어진 점화용 펠렛(ignition pellet)을 더 포함하고, 점화용 펠렛(ignition pellet)은 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용한 초기 점화에 의해 고온화염을 생성하여 상기 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 점화 및 연소시키는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a multi-layered composite pellet including a first bonding material layer for metal interface bonding, a second bonding material layer for metal interface bonding, Wherein the first and second bonding material layers and the high energy material composite comprise a first bonding material layer, a high energy material composite, a second bonding material layer, and a second bonding material layer, And the material layer are layered in order and pressure-molded in a circular shape, and the bonding pellet is subjected to ignition and combustion reaction using a tungsten wire-based resistance heat to generate heat energy generated during ignition and combustion of the high- The first and second bonding material layers are melted and bonded to the metal interface, The ignition pellet further comprises an ignition pellet which generates a high temperature flame by initial ignition using resistance heat based on tungsten wires to ignite and burn the bonding pellet .

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그리고 상기 제 1,2 접합 물질층은 솔더 분말인 것을 특징으로 한다.The first and second bonding material layers are solder powder.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화철(Fe2O3)을 사용하는 것을 특징으로 한다.The high energy material composite is characterized in that aluminum (Al) is used as a fuel material and iron oxide (Fe 2 O 3 ) is used as an oxidizer material.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 연료물질(fuel)로 마이크로스케일의 알루미늄(Al) 입자와 나노스케일 알루미늄(Al) 입자를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.The high-energy material composite is characterized in that micro-scale aluminum (Al) particles and nanoscale aluminum (Al) particles are mixed with a fuel material.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 연소 및 폭발 특성 제어 및 접합 강도의 향상을 위하여 니켈(Ni) 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The high energy material composite further includes nickel (Ni) nanoparticles for controlling combustion and explosion characteristics and improving bonding strength.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 알루미늄 나노입자(Al NP), 알루미늄 마이크로입자(Al MP), 니켈 나노입자(Ni NP), 산화철(Fe2O3) 나노입자가 각각 Al NP:Al MP:Ni NP:Fe2O3 NP=23:31:15:31 wt%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.The high energy material composite is characterized in that the aluminum nanoparticles (Al NP), the aluminum microparticles (Al MP), the nickel nanoparticles (Ni NP) and the iron oxide (Fe 2 O 3 ) NP: Fe 2 O 3 NP = 23: 31: 15: 31 wt%.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에, 알루미늄 나노입자(Al NP)가 먼저 반응하여 발열반응에 의한 열에너지를 발생한 후 연속적으로 알루미늄 마이크로입자(Al MP)의 용해 및 추가적인 발열반응을 유도하여 연소 속도 및 연소 시간을 제어하는 것을 특징으로 한다.During the ignition and combustion of the high-energy material composite, the aluminum nanoparticles (Al NP) react first to generate heat energy by the exothermic reaction, and then continuously dissolve aluminum microparticles (Al MP) Thereby controlling the combustion speed and the combustion time.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛의 제조 방법은 연료물질(fuel)과 산화제물질(oxidizer)을 혼합하여 고에너지 물질 복합체 분말을 제조하는 단계;금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질 분말, 고에너지 물질 복합체 분말, 금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질 분말을 차례로 적층하는 단계;압력 성형하여 제 1,2 접합 물질층 사이에 고에너지 물질 복합체가 위치하는 금속 계면 접합을 위한 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 제조하는 단계;를 포함하고,본딩 펠렛(Bonding pellet)을 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용하여 점화 및 연소 반응을 유도하여 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하고,상기 제 1,2 접합 물질층을 포함하지 않고 고에너지 물질 복합체만으로 이루어진 점화용 펠렛(ignition pellet)을 제조하여, 점화용 펠렛(ignition pellet)이 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용한 초기 점화에 의해 고온화염을 생성하여 상기 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 점화 및 연소시키는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a multi-layered composite pellet, comprising: preparing a high energy material composite powder by mixing a fuel and an oxidizer; A step of laminating a material powder, a powder of a high energy material composite, and a powder of a second joint material for metal interface bonding in this order; a bonding step for forming a metal interface between the first and second bonding material layers, A method of manufacturing a high purity bell-pellet comprising the steps of: preparing a boding pellet, wherein ignition and combustion reactions are induced using a tungsten wire-based resistance heat, The first and second bonding material layers are dissolved by thermal energy to be bonded to the metal interface, and the first and second bonding material layers are not included, An ignition pellet consisting solely of a material complex is produced so that an ignition pellet generates a high temperature flame by initial ignition using resistance heat based on tungsten wires to ignite the bonding pellet And burning.

여기서, 상기 제 1,2 접합 물질은 솔더 분말이고, 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화철(Fe2O3)을 사용하는 것을 특징으로 한다.Here, the first and second bonding materials are solder powder, and aluminum (Al) is used as a fuel material and iron oxide (Fe 2 O 3 ) is used as an oxidizer material.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 연료물질(fuel)로 마이크로스케일의 알루미늄(Al) 입자와 나노스케일 알루미늄(Al) 입자를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.The high-energy material composite is characterized in that micro-scale aluminum (Al) particles and nanoscale aluminum (Al) particles are mixed with a fuel material.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 연소 및 폭발 특성 제어 및 접합 강도의 향상을 위하여 니켈(Ni) 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The high energy material composite further includes nickel (Ni) nanoparticles for controlling combustion and explosion characteristics and improving bonding strength.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는,알루미늄 나노입자(Al NP), 알루미늄 마이크로입자(Al MP), 니켈 나노입자(Ni NP), 산화철(Fe2O3) 나노입자가 각각 Al NP:Al MP:Ni NP:Fe2O3 NP=23:31:15:31 wt%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.The high energy material composite is characterized in that the aluminum nanoparticles (Al NP), the aluminum microparticles (Al MP), the nickel nanoparticles (Ni NP) and the iron oxide (Fe 2 O 3 ) NP: Fe 2 O 3 NP = 23: 31: 15: 31 wt%.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛을 이용한 금속 계면 간 접합 방법은 연료물질(fuel)과 산화제물질(oxidizer)을 혼합하여 고에너지 물질 복합체 분말을 제조하는 단계;금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질 분말, 고에너지 물질 복합체 분말, 금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질 분말을 차례로 적층하는 단계;압력 성형하여 제 1,2 접합 물질층 사이에 고에너지 물질 복합체가 위치하는 금속 계면 접합을 위한 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 제조하는 단계;본딩 펠렛(Bonding pellet)을 금속 기판과 금속 기판 사이에 위치시키고, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하는 단계;를 포함하고, 상기 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하는 단계에서, 제 1,2 접합 물질층을 포함하지 않고 고에너지 물질 복합체만으로 이루어진 점화용 펠렛(ignition pellet)을 제조하여, 점화용 펠렛(ignition pellet)이 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용한 초기 점화에 의해 고온화염을 생성하여 상기 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 점화 및 연소시키고, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화는 점화용 펠렛(ignition pellet) 및 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 금속 기판과 금속 기판 사이에 위치시키고 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용하여 점화 및 연소 반응을 유도하고 동시에 상온에서 두 금속 기판을 가압하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of joining metal interfaces using a multi-layered composite pellet, comprising the steps of: preparing a high energy material composite powder by mixing a fuel and an oxidizer; , A high energy material composite powder, and a second bonding material powder for metal interface bonding in this order; a step of forming a high energy material composite between the first and second bonding material layers by pressure molding; A method of manufacturing a bonding pellet for interfacial bonding, comprising the steps of: placing a bonding pellet between a metal substrate and a metal substrate, heat energy generated during ignition and combustion of the high energy material composite, And the second bonding material layer is dissolved and bonded to the metal interface, wherein the first and second bonding material layers are dissolved to form a An ignition pellet consisting solely of the high energy material composite without the first and second layers of bonding material is prepared and the ignition pellet is formed using tungsten wire based resistance heat The initial ignition generates a high temperature flame to ignite and burn the bonding pellet, and the ignition of the high energy material composite is performed by ignition pellets and bonding pellets on a metal substrate and a metal substrate And inducing the ignition and combustion reaction using the tungsten wire-based resistance heat, and simultaneously pressing the two metal substrates at room temperature.

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그리고 상기 고에너지 물질 복합체의 연료물질(fuel)로 마이크로스케일의 알루미늄(Al) 입자와 나노스케일 알루미늄(Al) 입자를 혼합하여 사용하고, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 알루미늄 나노입자(Al NP)가 먼저 반응하여 발열반응에 의한 열에너지를 발생한 후 연속적으로 알루미늄 마이크로입자(Al MP)의 용해 및 추가적인 발열반응을 유도하여 연소 속도 및 연소 시간을 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, micro-scale aluminum (Al) particles and nanoscale aluminum (Al) particles are mixed with fuel material of the high energy material composite, and aluminum nanoparticles Al NP) reacts first to generate thermal energy by exothermic reaction and then continuously dissolves aluminum microparticles (Al MP) and induces an additional exothermic reaction to control the burning rate and the burning time.

그리고 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하는 단계에서, 제 1,2 접합 물질층이 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 용융되고 냉각과정을 거쳐 응고되어 금속 기판의 계면에 고정되고 금속 기판의 계면에는 확산접합층이 생성되는 것을 특징으로 한다.In the step of melting the first and second bonding material layers and bonding the first and second bonding material layers to the metal interface, the first and second bonding material layers are melted by the heat energy generated during ignition and combustion of the high energy material composite, And solidified to be fixed to the interface of the metal substrate and a diffusion bonding layer is formed at the interface of the metal substrate.

이와 같은 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.The multi-layered composite pellet according to the present invention, the method for manufacturing the same, and the method for joining metal interfaces using the multi-layered composite pellet have the following effects.

첫째, 점화 시 반응성이 매우 높은 고에너지물질을 계면접합이 필요한 부분에 적용하여 접합용 금속을 녹일 수 있는 발열체 역할을 하도록 하여 새로운 방식의 금속 계면 간 접합 방법을 제공한다.First, a new type of interfacial bonding between metals is provided by applying a high-energy material having a high reactivity upon ignition to a part where interfacial bonding is required, thereby serving as a heating element capable of melting the bonding metal.

둘째, 계면접합용 금속/고에너지물질/계면접합용 금속 기반의 다층 구조 펠렛을 제작하여 금속 기판 사이에 위치시키고 점화 및 연소시켜 효과적으로 계면접합을 수행할 수 있다.Second, the multi-layered pellets based on metal for interfacial bonding / metal / interfacial bonding for interfacial bonding can be fabricated, placed between metal substrates, ignited and burnt to effectively perform interfacial bonding.

셋째, 계면을 포함하고 있는 시스템 전체의 온도를 높일 필요 없이 국부적으로 빠르게 가열이 가능하다.Third, it is possible to quickly heat locally without increasing the temperature of the entire system including the interface.

넷째, 계면접합에 필요한 복잡한 가열 장치를 간소화할 수 있으며, 복잡한 구조물에서 국소적인 미세 접합을 구현할 수 있다.Fourth, complex heating devices required for interfacial bonding can be simplified, and local fine bonding can be realized in a complicated structure.

다섯째, 고에너지물질을 계면접합용 열원으로 적용한 새로운 접합기술 및 공정으로 다양한 열공학적 민군기술 응용 범위를 갖도록 한다.Fifth, new bonding technology and process applying high energy materials as interfacial bonding heat sources will be applied to various thermo - electric civilian technology applications.

여섯째, 금속계면 접합용 솔더/고에너지물질/솔더 기반 다층구조 펠렛을 제조하고, 이들을 금속 기판 사이에 설치하여 주변 환경 전체의 가열 없이 접합부위 주변의 국소적인 가열만으로 계면접합 공정을 수행할 수 있다.Sixth, the interfacial bonding process can be performed only by locally heating the periphery of the bonding region without heating the whole environment by preparing solder / high energy material / solder-based multilayer structure pellets for metal interface bonding and installing them between metal substrates .

일곱째, 상온의 열린 시스템에서 솔더물질과 고에너지물질(energetic materials, EM) 복합체 펠렛(pellet)을 적용하여 금속 계면 간 접합부에 펠렛의 점화 및 연소에 의해 국부적으로 가열하여 솔더를 용융시키고 동시에 금속기판에 압력을 가하여 강한 접합을 이루어 낼 수 있다.Seventh, in an open system at room temperature, solder material and energetic materials (EM) composite pellets are applied to melt the solder locally by ignition and combustion of pellets at the interface between metal interfaces, A strong bonding can be achieved.

도 1a는 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛의 제조 및 금속 계면 간 접합 과정을 나타낸 구성도
도 1b는 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛의 제조 및 금속 계면 간 접합 과정을 나타낸 플로우 차트
도 2a내지 도 2g는 본 발명에 따른 복합체 물질의 FE-SEM 및 EDX 측정 결과를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 복합체 펠렛의 연소 및 폭발 특성 이미지
도 4는 Al 입자 크기와 Ni의 첨가에 따른 복합체 분말의 발열 특성 그래프
도 5a는 텅스텐 와이어 저항열 점화에 의한 다양한 양의 산화제 물질이 첨가된 복합체 펠렛의 스냅샷 분석 결과
도 5b는 다양한 양의 산화제 물질이 첨가된 복합체 펠렛의 연소율(burn rate)과 총연소시간(total burning time)의 변화 측정 결과 그래프
도 6a와 도 6b는 산화제의 함량에 따른 복합체 분말의 DSC 분석 및 총발열에너지 결과 비교 분석 그래프
도 7a와 도 7b는 복합체 분말의 열적 점화 반응 전 XRD 분석 결과, 연소 반응 후 생성물에 대한 XRD 분석 결과 그래프
도 8은 (a) Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 단면층의 FE-SEM 이미지, (b) Solder/EM/Solder 복합체 다층구조 펠렛 파단면의 FE-SEM 이미지, (c) Solder/EM 계면의 FE-SEM 이미지
도 9는 (a) 계면접합 공정 및 실제 장치의 사진, (b) Solder/EM/Solder 다층구조 펠렛의 점화 및 연소 후 접합 된 구리 기판 사진, (c) 텅스텐 와이어 점화기에 의한 펠렛의 초기 점화 및 본격적인 연소 과정 정지이미지, (d) 계면접합 후 접합체의 단면 SEM 이미지
도 10은 순수한 솔더 펠렛과 솔더/고에너지물질/솔더(Solder/EM/Solder) 다층구조 복합체 펠렛을 각각 이용하여 두 개의 구리 기판을 계면접합한 후 기계적 인장 강도를 측정한 결과 비교 그래프
FIG. 1A is a view showing a process of manufacturing a multi-layered composite pellet according to the present invention and a process of bonding a metal interface
1B is a flow chart illustrating the process of preparing a multi-layered composite pellet according to the present invention and a process of joining metal interfaces;
FIGS. 2A to 2G are schematic views showing FE-SEM and EDX measurement results of the composite material according to the present invention
Figure 3 is an image of combustion and explosion characteristics of a composite pellet according to the present invention;
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the Al particle size and the exothermic characteristic of the composite powder according to the addition of Ni
Figure 5a is a snapshot analysis of the composite pellet with various amounts of oxidant material added by tungsten wire resistance thermal ignition
FIG. 5B is a graph showing changes in the burn rate and total burning time of the composite pellets to which various amounts of the oxidizing agent are added.
6A and 6B are graphs showing the DSC analysis of the composite powder according to the content of the oxidizing agent and the comparative analysis result of the total heat energy
FIGS. 7A and 7B show XRD analysis results of the composite powder before thermal ignition reaction, and XRD analysis results of products after the combustion reaction
Fig. 8 is a FE-SEM image of (a) FE / SEM image of Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP cross section layer, (b) FE-SEM image of a multilayer structure pellet of solder / ) FE-SEM image of the solder / EM interface
FIG. 9 is a graph showing the results of (a) photographs of the interface bonding process and the actual device, (b) photographs of solder / EM / solder multilayer structure pellets after ignition and combustion bonded copper substrates, (c) initial ignition of pellets by tungsten wire igniter, (D) Cross-sectional SEM image of the bonded body after interfacial bonding
10 shows the results of interfacial bonding of two copper substrates using pure solder pellets and solder / high energy material / solder (EM / solder) multi-layered composite pellets, respectively.

이하, 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiments of a multilayered composite pellet according to the present invention, a method for producing the same, and a method for joining metal interfaces using the same will be described in detail.

본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The characteristics and advantages of the multi-layered composite pellet according to the present invention, the method for producing the same, and the method for joining metal interfaces using the same will be apparent from the following detailed description of each embodiment.

도 1a는 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛의 제조 및 금속 계면 간 접합 과정을 나타낸 구성도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛의 제조 및 금속 계면 간 접합 과정을 나타낸 플로우 차트이다.FIG. 1A is a view showing a process of preparing a multi-layered composite pellet according to the present invention and a process of joining metal interfaces, and FIG. 1B is a flowchart showing a process of manufacturing a multi-layered composite pellet and bonding the metal interfaces.

고에너지물질(EM)은 연료물질(fuel)과 산화제물질(oxidizer)로 이루어진 복합체 물질로 외부에서의 에너지 유입에 의한 점화 시 내부적으로 가지고 있던 화학에너지를 매우 짧은 시간에 열에너지와 압력의 에너지 형태로 급격하게 방출하는 특성을 갖고 있어서 점화제, 추진제 및 폭발물로써 다양한 열공학 기초 및 응용분야 전반에서 최근에 주목받고 있다. A high-energy material (EM) is a composite material consisting of a fuel material and an oxidizer. It is a mixture of energy and heat energy in a very short period of time. And has been attracting attention in various fields of various thermal engineering bases and applications as igniters, propellants and explosives.

본 발명은 이와 같이 점화 시 반응성이 매우 높은 고에너지물질을 계면접합이 필요한 부분에 적용하여 솔더를 녹일 수 있는 발열체 역할을 하도록 한 것이다.In the present invention, a high-energy material having a high reactivity upon ignition is applied to a portion where interfacial bonding is required to serve as a heating element capable of melting the solder.

즉, 본 발명은 기능성 고에너지물질을 제조하여 이들을 열발생 및 솔더 용해용 매개체로 이용하여 계면접합을 가능하게 할 수 있는 접합기술에 관한 것이다.That is, the present invention relates to a bonding technique capable of making interfacial bonding by preparing a functional high-energy material and using them as a medium for heat generation and solder dissolution.

이와 같이 계면접합을 위한 열원으로써 고에너지물질을 이용할 경우,When a high energy material is used as a heat source for interfacial bonding in this way,

(i) 계면을 포함하고 있는 시스템 전체의 온도를 높일 필요 없이 국부적으로 빠르게 가열이 가능하고,(i) it is possible to quickly heat locally without increasing the temperature of the entire system including the interface,

(ii) 일반적인 계면접합에 필요한 복잡한 가열 장치를 간소화할 수 있으며, (ii) the complex heating device required for general interface bonding can be simplified,

(iii) 복잡한 구조물에서 국소적인 미세 접합을 구현할 수 있는 다양한 장점들이 있다.(iii) There are a variety of advantages that can achieve localized micro junctions in complex structures.

따라서, 이러한 고에너지물질을 계면접합용 열원으로 적용한 새로운 접합기술 및 공정은 다양한 열공학적 민군기술 응용 범위를 극대화할 수 있다.Therefore, new bonding technology and process using such high energy materials as interfacial bonding heat source can maximize the application range of various thermo - electric civilian technologies.

본 발명은 금속계면 접합용 솔더/고에너지물질/솔더 기반 다층구조 펠렛을 제조하고, 이들을 금속 기판 사이에 설치하여 주변 환경 전체의 가열 없이 접합부위 주변의 국소적인 가열만으로 계면접합 공정을 진행할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a solder paste for solder joints, a solder paste for high-energy material / solder-based solder, and a method for manufacturing the solder paste, It is.

본 발명의 실시 예에서는 고에너지물질 구성으로 연료물질(fuel)로써 알루미늄(Al)과 산화제물질(oxidizer)로써 산화철(Fe2O3) 기반의 마이크로 및 나노스케일 입자를 사용한다.In the embodiment of the present invention, iron (Fe 2 O 3 ) -based micro- and nano-scale particles are used as a fuel material for aluminum and an oxidizer material for a high-energy material.

연소 및 폭발 특성 제어 및 접합 강도의 향상 물질로는 니켈(Ni) 나노입자를 첨가하고, 몰드성형 공정으로 솔더/고에너지물질/솔더 기반의 다층 구조 펠렛으로 제작한 후, 구리(Cu) 금속 기판 사이에 접합용 펠렛을 설치하고 이를 저항열선(hot-wire)을 이용하여 점화 및 연소시켜 금속기판 계면접합을 한다.Nickel (Ni) nanoparticles are added as materials for controlling combustion and explosion characteristics and bonding strength, and they are made into solder / high-energy material / solder-based multi-layer structure pellets by a molding process, , And the metal substrate is bonded to the metal substrate by igniting and burning the metal pellet using a hot-wire.

이러한 계면접합에 적합한 특수목적용 솔더/고에너지물질/솔더 기반의 복합체 펠렛 제조 후 이들의 점화, 연소 및 접합 특성 등을 구체적으로 관찰하기 위하여 고속카메라(high speed camera), 압력셀(pressure cell), 시차주사열량계(differential scanning calorimeter), X-선 회절분석법(X-ray diffractometer), 인장시험기(tensile tester) 등을 이용하여 측정하였다.In order to observe the ignition, combustion, and bonding characteristics of high-energy material / solder-based composite pellets suitable for such interfacial bonding, a high speed camera, a pressure cell, And was measured using a differential scanning calorimeter, an X-ray diffractometer, and a tensile tester.

구체적으로 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛은 크게, 금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질층과, 금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질층과, 상기 제 1 접합 물질층과 제 2 접합 물질층 사이에 위치하는 고에너지 물질 복합체를 포함한다.More specifically, the multi-layered composite pellet according to the present invention mainly includes a first bonding material layer for metal interface bonding, a second bonding material layer for metal interface bonding, and a second bonding material layer for bonding between the first bonding material layer and the second bonding material layer High energy material complexes.

이와 같은 기본 구조를 갖고, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되는 것이다.The first and second bonding material layers are melted and bonded to the metal interface by thermal energy generated during ignition and combustion of the high energy material composite.

여기서, 상기 제 1,2 접합 물질층과 고에너지 물질 복합체는, 제 1 접합 물질층,고에너지 물질 복합체,제 2 접합 물질층의 순서로 적층되어 원형으로 압력 성형되고, 필렛의 형상은 원형 구조로 한정되지 않는다.Here, the first and second bonding material layers and the high energy material composite are laminated in the order of the first bonding material layer, the high energy material composite, and the second bonding material layer and pressure-molded in a circular shape, .

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화철(Fe2O3)을 사용하고, 연소 및 폭발 특성 제어 및 접합 강도의 향상을 위하여 니켈(Ni) 나노입자를 더 포함하는 것이다.The high-energy material composite is characterized in that aluminum (Al) is used as a fuel material, iron oxide (Fe 2 O 3 ) is used as an oxidizer material, combustion and explosion characteristics are controlled, (Ni) nanoparticles.

그리고 상기 고에너지 물질 복합체는, 연료물질(fuel)로 마이크로스케일의 알루미늄(Al) 입자와 나노스케일 알루미늄(Al) 입자를 혼합하는 형태로 제조될 수 있고, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에, 알루미늄 나노입자(Al NP)가 먼저 반응하여 발열반응에 의한 열에너지를 발생한 후 연속적으로 알루미늄 마이크로입자(Al MP)의 용해 및 추가적인 발열반응을 유도하여 연소 속도 및 연소 시간을 제어한다.The high energy material composite may be prepared by mixing micro-scale aluminum (Al) particles with nanoscale aluminum (Al) particles as a fuel material, and when the high energy material composite is ignited and burned , Aluminum nanoparticles (Al NP) react first to generate thermal energy by an exothermic reaction, and then continuously dissolve aluminum microparticles (Al MP) and induce an additional exothermic reaction to control the burning rate and the burning time.

그리고 다층구조 복합체 펠렛의 제조 방법은 도 1a와 도 1b에서와 같이, 알루미늄(Al) 나노입자(nanoparticle, NP)/ 마이크로입자(microparticle, MP), 니켈(Ni) 나노입자, 산화철(Fe2O3) 나노입자를 에탄올 용액 내에서 초음파 에너지를 이용하여 혼합한다.(S101)And the manufacturing method of the multi-layered composite pellets, as shown in Figure 1b as Figure 1a, an aluminum (Al) nanoparticles (nanoparticle, NP) / microparticles (microparticle, MP), nickel (Ni) nanoparticles, iron oxide (Fe 2 O 3 ) The nanoparticles are mixed in an ethanol solution using ultrasonic energy (S101).

이어, 혼합된 고에너지물질 복합체 분말을 대류형 건조기에 넣고 가열하여 에탄올 용액을 건조시켜 계면접합용 고에너지물질(EM) 복합체 분말을 최종적으로 제조한다.(S102)Next, the mixed high-energy material composite powder is placed in a convection type dryer and heated to dry the ethanol solution to finally produce a high energy material (EM) composite powder for interfacial bonding (S102)

그리고 제조한 EMs(즉, Al/Fe2O3/Ni 복합체) 분말과 Solder(SAC305, Sn-30Ag-0.5Cu) 분말을, Solder 분말/EMs 분말/Solder 분말 순서로 차례로 적층한다.(S103)EMs and manufactured (i.e., Al / Fe 2 O 3 / Ni complexes) and laminating the powder and the Solder (SAC305, Sn-30Ag- 0.5Cu) powder, in order to Solder powder / powder EMs / Solder powder sequence. (S103)

이어, 압력 성형하여 Solder/EM/Solder 기반의 다층구조 원판형 펠렛을 제조한다.(S104)Subsequently, pressure-molding is performed to produce a multi-layered disk-shaped pellet based on a solder / EM / solder (S104)

그리고 다층구조 복합체 펠렛을 이용한 금속 계면 간 접합 방법은 도 1a와 도 1b에서와 같이, 제조된 Solder/EM/Solder 복합체 펠렛은 구리 기판 사이에 위치시키고 텅스텐 와이어에 의해 점화 및 연소 반응을 유도하고 동시에 상온에서 두 구리 기판을 가압한다.(S105)As shown in FIGS. 1A and 1B, the manufactured solder / EM / solder composite pellets are placed between copper substrates, and the ignition and combustion reactions are induced by the tungsten wires The two copper substrates are pressed at room temperature (S105)

구체적으로 본 발명의 실시 예에서는 연료용 금속물질로써 평균 직경 ~ 100 nm를 가지는 알루미늄 나노입자(Al, Nano Technology)와 평균 직경 ~ 8㎛를 가지는 알루미늄 마이크로 입자(Al, Metal Player Co. Ltd)를 혼합하여 사용한다.Specifically, in the embodiment of the present invention, aluminum nanoparticles (Al, Nano Technology) having an average diameter of ~ 100 nm and aluminum micro particles (Al, Metal Player Co. Ltd) having an average diameter of ~ Mix and use.

금속산화제 물질로써 평균 직경 ~90 nm를 가지는 산화철(Fe2O3, Sigma Aldrich)을 각각 사용하였고, 추가적으로 보조 발열용 연료로써 평균 직경 ~ 55 nm를 가지는 니켈 나노입자(Ni, Nano Technology)를 사용한다.Iron oxide (Fe 2 O 3 , Sigma Aldrich) having an average diameter of 90 nm was used as the metal oxidizer material, and nickel nanoparticles (Ni, Nano Technology) having an average diameter of ~ 55 nm were further used as fuel for supplementary heating do.

도 1a는 솔더/고에너지물질/솔더(Solder/EM/Solder) 기반 다층 펠렛의 제조 과정을 나타낸 것으로, 알루미늄, 산화철, 니켈 입자를 이용하여 고에너지 복합체 분말을 제조하고, 압력 성형 공정을 통하여 솔더/고에너지물질/솔더 기반의 다층구조 복합체 펠렛으로 제작한 후, 구리 금속 기판 사이에 펠렛을 위치시키고 이를 텅스텐 와이어 기반 저항열을 이용하여 점화 및 연소시켜 계면 접합을 구현하는 공정 과정을 나타낸 것이다.FIG. 1A shows a manufacturing process of a multilayer pellet based on a solder / high energy material / solder (solder / EM / solder). A high energy composite powder is produced using aluminum, iron oxide, and nickel particles, / High-energy material / solder-based multi-layer composite pellets, placing the pellets between the copper metal substrates and igniting and burning them using tungsten wire-based resistive heat to achieve interfacial bonding.

(a)는 EM 분말의 제조과정, (b)는 EM 분말과 Solder 분말을 압축 성형 공정을 통하여 Solder/EM/Solder 기반 다층구조 펠렛 제조, (c)는 다층구조 펠렛의 점화 및 연소에 의한 금속 기판간의 계면 접합 구현 단계이다.(a) shows the manufacturing process of EM powder, (b) shows the production of solder / EM / solder based multilayer structure pellet through EM powder and solder powder by compression molding process, It is the step of implementing interface bonding between substrates.

먼저, 알루미늄(Al) 나노입자(nanoparticle, NP)/ 마이크로입자(microparticle, MP), 니켈(Ni) 나노입자, 산화철(Fe2O3) 나노입자를 각각 Al NP:Al MP:Ni NP:Fe2O3 NP=23:31:15:31 wt%의 비율로 에탄올 용액 내에서 초음파 에너지(ultrasonication energy, 초음파 출력=170 W, 초음파 주파수=40 kHz)를 이용하여 30분간 혼합한다.First, the nanoparticles of aluminum (Al) nanoparticles (NP) / microparticles (MP), nickel (Ni) nanoparticles and iron oxide (Fe 2 O 3 ) 2 O 3 NP = 23: 31: 15: 31 wt% in an ethanol solution for 30 minutes using ultrasonic energy (ultrasonic output = 170 W, ultrasonic frequency = 40 kHz).

이때 Al NP:Al MP:Ni NP:Fe2O3 NP=23:31:15:31 wt%의 혼합 비율은 다양한 연소시험결과 가장 효율적인 연소 및 발열특성을 나타내는 비율로서 실험적으로 결정한 것이다.The mixing ratio of Al NP: Al MP: Ni NP: Fe 2 O 3 NP = 23: 31: 15: 31 wt% was experimentally determined as a ratio showing the most efficient combustion and heating characteristics as a result of various combustion tests.

이와 같은 성분간 혼합 비율로 제조된 고에너지물질 복합체 분말을 대류형 건조기에 넣고 80℃에서 30분간 가열하여 에탄올 용액을 건조시켜 계면접합용 고에너지물질(EM) 복합체 분말을 최종적으로 제조한다.The high energy material composite powder prepared by mixing the above components is placed in a convection type dryer and heated at 80 ° C. for 30 minutes to dry the ethanol solution to finally prepare a high energy material (EM) composite powder for interfacial bonding.

그리고 이와 같이 제조한 Al/Fe2O3/Ni 분말의 점화 시 반응열을 관찰하기 위하여 질소 분위기하에서 10℃/min의 승온 속도로 30℃-1000℃의 범위로 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC; Setaram, Model No. LABSYS evo)를 이용하여 온도에 따른 열에너지 발생량을 측정하였다.In order to observe the reaction heat during the ignition of the thus prepared Al / Fe 2 O 3 / Ni powder, a differential scanning calorimeter (DSC) method was used in a range of 30 ° C. to 1000 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere. ; Setaram, Model No. LABSYS evo) was used to measure the amount of generated heat energy according to the temperature.

제조한 EMs(즉, Al/Fe2O3/Ni 복합체) 분말과 평균 직경 ~70㎛를 가지는 Solder(SAC305, Sn-30Ag-0.5Cu) 분말을 각각 EMs 분말 40 mg과 Solder 분말 30 mg을 Solder 분말, EMs 분말, Solder 분말 순서로 차례로 쌓아 300 MPa의 압력으로 성형하여 직경 7 mm, 높이 약 1 mm의 Solder/EM/Solder 기반의 다층구조 원판형 펠렛을 제조하였다. Producing a EMs (i.e., Al / Fe 2 O 3 / Ni complex) Solder powder having an average diameter and ~ 70㎛ (SAC305, Sn-30Ag -0.5Cu) , respectively the EMs powder 40 mg and 30 mg Solder powder Solder powder Powder, EMs powder, and solder powder were sequentially stacked in this order and molded at a pressure of 300 MPa to prepare a multi-layered disk-shaped pellet based on a solder / EM / solder having a diameter of 7 mm and a height of about 1 mm.

이렇게 제조된 Solder/EM/Solder 복합체 펠렛의 파단면은 FE-SEM (Hitachi, Model No. S4700)을 이용하여 크기 및 형상을 관찰하였다.The fracture profiles of the solder / EM / solder composite pellets were observed using FE-SEM (Hitachi, Model No. S4700).

제조된 Solder/EM/Solder 복합체 펠렛의 상압 공기 중에서 점화 및 폭발 반응을 관찰하기 위해 고속카메라(Photron, FASTCAM SA3 120K)를 이용하여 30 kHz의 프레임속도로 촬영하였다.In order to observe the ignition and explosion reaction of the prepared solder / EM / Solder composite pellets in atmospheric air, the film was photographed at a frame rate of 30 kHz using a high speed camera (FASTCAM SA3 120K).

사용된 고속카메라는 최고 프레임속도(Max. frame rate)는 1200000 fps, 최소 프레임속도(Min. frame rate)은 60 fps, 센서 크기(Sensor size)는 17.4 mm x 17.4 mm CMOS image sensor, 화소크기(Pixel size) 17 ㎛ x 17 ㎛, 작동전압 및 전류 조건은 각각 DC 22-32V 100VA, AC 100-240 V 10-60 Hz, 60 VA 이다.The high-speed camera used has a maximum frame rate of 1200000 fps, a minimum frame rate of 60 fps, a sensor size of 17.4 mm x 17.4 mm, a CMOS image sensor, Pixel size) 17 ㎛ x 17 ㎛, operating voltage and current conditions are DC 22-32V 100VA, AC 100-240V 10-60 Hz, 60 VA respectively.

제조된 Solder/EM/Solder 복합체 펠렛은 구리 기판 사이에 위치시키고 텅스텐 와이어에 의해 점화 및 연소 반응을 유도하고 동시에 상온에서 두 구리 기판을 가압하였고, 이를 고속카메라(Photron, FASTCAM SA3 120K)를 이용하여 30 kHz의 프레임 속도로 촬영하였다.The prepared solder / EM / Solder composite pellets were placed between copper substrates, and the ignition and combustion reactions were induced by tungsten wires. The two copper substrates were pressed at room temperature, and they were measured using a high speed camera (FASTCAM SA3 120K) The frame rate was 30 kHz.

최종적으로 접합된 기판은 잘라서 파단면을 FE-SEM(Hitachi, Model No. S4700)을 이용하여 형상을 자세히 관찰하였고, 인장강도 시험기(LRXPlus 5kN, Lloyd Instruments Ltd.)를 이용하여 변형률 속도는 10 mm/min로 일정하게 하면서 접합된 금속 기판의 기계적 강도를 측정하였다.The final bonded substrate was cut and the fracture surface was observed using FE-SEM (Hitachi, Model No. S4700). The strain rate was 10 mm using a tensile strength tester (LRXPlus 5kN, Lloyd Instruments Ltd.) / min and the mechanical strength of the bonded metal substrate was measured.

도 2a내지 도 2g는 본 발명에 따른 복합체 물질의 FE-SEM 및 EDX 측정 결과를 나타낸 구성도이다.FIGS. 2A to 2G are schematic views showing FE-SEM and EDX measurement results of the composite material according to the present invention.

도 2a는 Al 나노분말(Al NP), 도 2b는 Al 마이크로분말(Al MP), 도 2c는 Ni 나노분말(Ni NP), 도 2d는 Fe2O3 나노분말(Fe2O3 NP), 도 2e는 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 저배율 이미지, 도 2f는 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 고배율 이미지, 도 2g는 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 EDX 분석 결과 이미지이다.2B is an Al micropowder (Al MP), FIG. 2C is a Ni nanopowder (Ni NP), FIG. 2D is a Fe 2 O 3 nanopowder (Fe 2 O 3 NP) Figure 2e is Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 low magnification image of the NP composite powder, Fig. 2f is Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 the high magnification image of the NP composite particles, FIG. 2g is Al The result of EDX analysis of NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder is shown in Fig.

우선, 계면접합에 사용되는 연료 금속물질은 평균 직경 약 100 nm를 갖는 구형 형상 알루미늄 나노입자(Al NP), 평균 직경 약 8㎛를 갖는 구형 형상 알루미늄 마이크로입자(Al MP), 그리고 평균 직경 약 60 nm를 갖는 구형 형상 니켈 나노입자(Ni NP)이다. First, the fuel metal material used for interfacial bonding is spherical aluminum nanoparticles (Al NP) having an average diameter of about 100 nm, spherical aluminum microparticles (Al MP) having an average diameter of about 8 m, nm < / RTI > (Ni NP).

금속산화제 물질로는 평균 직경 약 90 nm를 갖는 구형 형상 산화철 나노입자(Fe2O3 NP)를 사용하였다.Spherical iron oxide nanoparticles (Fe 2 O 3 NP) having an average diameter of about 90 nm were used as the metal oxidizer material.

도 2e에서 Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말들이 ~ 8㎛의 평균 직경을 가지는 Al MP의 표면 위에 Al NP, Ni NP, Fe2O3 NP 들간에 강하게 부착되어 있는 것을 관찰할 수 있다.In Fig. 2e, it is observed that Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powders are strongly adhered between Al NP, Ni NP and Fe 2 O 3 NPs on the surface of Al MP having an average diameter of ~ 8 μm .

또한, 도 2f에서 관찰할 수 있듯이 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체내에서 Al NP, Ni NP, Fe2O3 NP들이 나노스케일에서 비교적 균일하게 분산 혼합되어 있음도 관찰할 수 있다. 이는 도 2g의 EDX 분석 결과에서도 Al NP, Ni NP, Fe2O3 NP가 나노스케일 영역에서 비교적 균일하게 분포되어 있음을 다시 확인할 수 있다.Also, as can be seen in FIG. 2f, it was observed that Al NP, Ni NP and Fe 2 O 3 NPs were relatively uniformly dispersed and mixed in the nanoscale in the Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP complex can do. The results of the EDX analysis of FIG. 2g also confirm that Al NP, Ni NP and Fe 2 O 3 NP are relatively uniformly distributed in the nanoscale region.

본 발명의 실시 예에 의해 제조한 최종적인 조성물인 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 점화 시 연소 및 폭발 특성에 대하여 먼저 주된 연료 금속물질인 Al의 입자크기의 영향을 알아보고자 Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말을 각각 공기 중에서 점화하고 연소 및 폭발 특성을 관찰하였다.The combustion and explosion characteristics of Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder, which is the final composition prepared by the present invention, Ni NP / Fe 2 O 3 NP, Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP, and Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder powders were ignited in air, respectively, And explosion characteristics were observed.

이때, 공기 중에서의 Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 점화 및 폭발반응은 고속카메라를 이용하여 실시간으로 관찰하였고, 최종적으로 폭발반응 동영상 및 정지이미지 분석을 통해 연소율(burn rate), 총 연소시간(total burning time) 등을 실험적으로 결정하였다.In this case, ignition and explosion reactions of Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP, Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP, Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder in air Was observed in real time using a high-speed camera. Finally, the burn rate and the total burning time were experimentally determined by analyzing the explosion reaction video and still image.

Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말들을 텅스텐 와이어 저항열에 의해 점화하고 연소 및 폭발 화염이 전파되는 정지이미지 결과는 도 3에서와 같다.Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP, Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP, Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder powders were ignited by tungsten wire resistance heat, The result of the still image in which the explosion flame propagates is shown in Fig.

도 3은 텅스텐 저항열선 점화에 의한 Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 펠렛의 연소 및 폭발 특성 고속카메라 촬영 및 정지이미지 분석 결과이다.FIG. 3 is a graph showing the results of a comparison of the pore size distribution of AlP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP, Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP and Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP pellets by tungsten resistance heat ray ignition Combustion and explosion characteristics of high-speed camera shooting and still image analysis.

도 3에서 관찰할 수 있듯이 Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 경우에서는 모두 텅스텐 와이어에 의해 점화 시 연소 및 폭발 반응이 성공적으로 유도되었으나, Al NP가 포함되지 않은 Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 경우에서는 초기 점화가 전혀 되지 않았다.As can be seen from FIG. 3, in the case of Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP and Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder, the combustion and explosion reactions were ignited by tungsten wires. In the case of Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder without Al NP, initial ignition did not occur at all.

일반적으로 고에너지 복합체 물질내에서 Al 나노입자(Al NP) 분말이 텅스텐 와이어 저항열에 의해 지역적인 점화 현상이 발생하고, 이와 동시에 초기 생성된 지역적 고온 화염이 인접한 고에너지물질들로 연쇄적으로 전달되면서 최종적으로 거시적인 연소 및 폭발 현상으로 나타나게 된다.Generally, in a high-energy composite material, Al nanoparticles (Al NP) powder is locally ignited by tungsten wire resistance heat, and at the same time, an initially generated local hot flame is delivered in series to adjacent high-energy materials Eventually resulting in macroscopic combustion and explosion.

여기서, Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말이 점화 및 연소 반응이 전혀 일어나지 않은 것은 인가된 외부에너지에 고반응성을 갖는 Al NP가 포함되어 있지 않고, 상대적으로 매우 낮은 반응성을 갖는 Al MP가 점화되기 위해서는 매우 큰 외부에너지의 인가가 필요하기 때문이다.The reason why the ignition and combustion reaction did not occur at all in the Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP composite powder is that Al NP having high reactivity to the external energy applied is not contained and Al MP requires very large external energy to be ignited.

이는 Hunt(2005) 등의 기존 연구에 의해 보고된 바에 의하면 평균 800 nm의 Ni 나노입자와 평균 20㎛의 Al 마이크로 입자의 경우 활성화 에너지(activation energy)가 103 kJ/mol이고 점화온도는 약 720℃이나, 입자의 크기가 평균 80 nm인 Al 나노입자의 경우에는 활성화 에너지 약 21 kJ/mol이고 점화온도는 376℃로 매우 낮아지는 것으로부터 추측할 수 있다.(E. M. Hunt and M. L. Pantoya, Journal of Applied Physics 98. 034909 (2005)).The activation energy of the Ni nanoparticles of 800 nm on average and Al microparticles of 20 μm on average is 103 kJ / mol and the ignition temperature is about 720 ° C, as reported by Hunt (2005) In the case of Al nanoparticles having an average particle size of 80 nm, the activation energy is about 21 kJ / mol, and the ignition temperature is very low at 376 ° C. (EM Hunt and ML Pantoya, Journal of Applied Physics 98: 034909 (2005)).

도 3의 정지사진(snapshot) 분석을 기반으로 고에너지복합체물질의 연소율(burn rate)과 총연소시간(total burning time)을 얻은 결과를 나타내었다.Based on the snapshot analysis of FIG. 3, the burn rate and total burning time of the high energy complex material were obtained.

여기서, 고에너지복합체물질의 연소율은 고에너지물질 시료의 총길이를 화염이 시료의 한쪽 끝에서 출발하여 다른 쪽 끝에 도달하는데 걸리는 총시간으로 나누어 계산되었다.Here, the burn rate of the high energy composite material was calculated by dividing the total length of the high energy material sample by the total time it takes for the flame to reach the other end starting from one end of the sample.

텅스텐 와이어 저항열에 의한 점화 시 연소율은 Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP의 경우 0.42 m/s, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP의 경우 0.084 m/s로 나타났으며, 총 연소시간은 Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP의 경우 120 ms, Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP의 경우 500 ms 값으로 나타났다.If the ignition burn rate in the case of Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP 0.42 m / s, Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP of tungsten wire resistance column appeared to 0.084 m / s was, the total burning time was found in the case of when the NP Al / Ni NP / Fe 2 O 3 NP 120 ms, Al NP / NP Ni / Fe 2 O 3 NP 500 ms value.

이는 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 내에 Al NP가 우선적으로 반응하여 발열반응에 의한 열에너지를 발생한 후 연속적으로 Al MP의 용해 및 추가적인 발열반응을 이끌어 내면서 연소속도가 약 1/5로 감소하고 연소시간을 약 4배 정도로 증가시킨 것으로 판단된다.This is because Al NP reacts preferentially in the Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP complex to generate thermal energy by exothermic reaction and then continuously dissolves Al MP and induces additional exothermic reaction, / 5 and the combustion time was increased to about 4 times.

이러한 고에너지 복합체 물질의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지를 이용하여 본 발명에서 솔더(solder) 분말을 효과적으로 용해시켜 금속계면 접합에 적용하기 위해서는 짧은 시간의 발열 반응보다는 충분한 열에너지를 적절한 시간동안 유지하는 발열체를 사용하는 것이 효과적이다.In order to effectively dissolve the solder powder in the present invention by using the thermal energy generated during the ignition and combustion of the high energy composite material, sufficient heat energy is maintained for a suitable time rather than a short time exothermic reaction It is effective to use a heating element.

따라서, 본 발명에서는 연소속도가 느리고 총 연소시간이 충분히 긴 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체를 발열용 고에너지 복합체 물질 조성으로 최종 선정하여 추후 금속계면 접합 공정에 적용하였다.Therefore, in the present invention, the Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP composite having a low burning rate and a sufficiently long total burning time was finally selected as the composition of the high energy composite material for heat generation and then applied to the metal interface bonding process .

도 4는 금속계면 접합용 열원 복합체 (즉, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP) 분말 속에서 알루미늄 입자크기가 전체 반응열 에너지에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 공기 분위기에서 시차주사열량계(DSC)를 이용한 반응열 측정 결과를 나타낸 것이다.FIG. 4 is a graph showing the effect of aluminum particle size on the total reaction heat energy in the heat source composite for metal interface bonding (i.e., Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP) (DSC). ≪ / RTI >

도 4는 Al 입자 크기와 Ni의 첨가에 따른 복합체 분말의 (a) DSC 절대적 발열량 분석, (b) DSC 상대적 발열량 분석; (c) Al MP, (d) Al NP, (e) Al MP/Al NP 복합 분말의 DSC 분석; (f) 발열 반응의 총반응열 비교 분석 결과 그래프이다.FIG. 4 shows (a) DSC absolute calorific value analysis of the composite powder according to Al particle size and Ni addition, (b) DSC relative calorific value analysis; (c) Al MP, (d) Al NP, (e) DSC analysis of Al MP / Al NP composite powder; (f) a graph showing the total reaction heat of the exothermic reaction.

도 4a와 도 4b에서와 같이, Al MP/Ni NP, Al NP/Ni NP 복합체에 대한 DSC 측정 결과, 우선 두 가지 샘플에서 공통적으로 약 650 ℃의 온도 사이에서 공통적으로 흡열반응이 관찰되었는데 이는 Al 물질의 용융점으로 판단된다.As shown in FIGS. 4A and 4B, DSC measurement of Al MP / Ni NP and Al NP / Ni NP composite showed that endothermic reactions were commonly observed at temperatures of about 650 ° C in both samples, It is judged to be the melting point of the substance.

하지만, Al MP/Al NP/Ni NP 복합체의 경우에서는 흡열반응과 관련된 피크(peak)가 관찰되지 전혀 않았다.However, no peak related to the endothermic reaction was observed in the Al MP / Al NP / Ni NP composite.

그리고 Al NP/Ni NP 복합체 분말의 경우에서는 약 500~600℃의 온도 범위에서, Al MP/Al NP/Ni NP 복합체 분말의 경우에서는 약 550~570℃의 온도 범위에서 강한 발열반응이 명확하게 관찰되었다.In the case of Al NP / Ni NP composite powder, a strong exothermic reaction was clearly observed in the temperature range of about 500 ~ 600 ° C and in the temperature range of 550 ~ 570 ° C in Al MP / Al NP / Ni NP composite powder .

하지만, Al MP/Ni NP 복합체 분말의 경우에서는 명확한 발열반응이 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 이는 Al 분말이 Ni 분말의 산화로 형성된 니켈 산화물이 Al 입자에 대해 산화제 역할을 해서 자발적인 산화반응을 일으키고, 동시에 Al과 Ni의 금속간 화합물의 합성에 관련된 발열반응의 결과로 판단된다.However, in the case of the Al MP / Ni NP composite powder, it can be confirmed that no definite exothermic reaction occurs. This is considered to be the result of an exothermic reaction involving the synthesis of an intermetallic compound of Al and Ni at the same time that the Ni powder formed by the oxidation of the Ni powder causes the spontaneous oxidation reaction of the Al powder serving as the oxidant for the Al particles.

도 4c의 DSC 분석 결과에서 보이듯이 Al MP는 약 550℃에서 발열반응을 시작하여 Al2O3를 형성하고 미반응된 Al 입자들이 약 640℃에서 용융되는 것이 관찰되었다.As shown in the DSC analysis of FIG. 4C, Al MP started exothermic reaction at about 550 ° C. to form Al 2 O 3 , and unreacted Al particles were observed to melt at about 640 ° C.

도 4d에서 볼 수 있듯이 Al NP의 경우에서는 약 550℃에서 발열반응을 시작하여 Al MP 보다 비표면적이 커서 상대적으로 더 많은 Al2O3를 형성하기 때문에 결과적으로 미 반응된 Al 입자가 적어서 약 650℃에서의 용융 거동에 관련된 흡열반응의 절대값이 매우 낮은 것을 관찰할 수 있다.As shown in FIG. 4D, in the case of Al NP, the exothermic reaction starts at about 550 ° C., and the specific surface area is larger than that of Al MP to form relatively more Al 2 O 3. As a result, It can be observed that the absolute value of the endothermic reaction related to the melting behavior at the temperature is very low.

Al MP와 Al NP의 혼합물의 경우에서는 약 500℃에서 급격한 발열반응을 시작한 후 약 650℃에서 상대적으로 약한 흡열반응이 발생하는 것을 도 4e에서 확인할 수 있다. In the case of the mixture of Al MP and Al NP, a relatively weak endothermic reaction occurs at about 650 ° C after the start of the rapid exothermic reaction at about 500 ° C.

Al MP의 바깥 외곽 영역에서 우선적으로 산화반응이 발생하게 되는데, 이때 외부에서 가해지는 점화 및 연소 에너지가 낮을 경우 Al MP의 중심 영역에서 충분한 산화반응이 일어나지 않아 미반응 Al이 잔존하게 된다.If the ignition and combustion energy externally applied are low, the oxidation reaction does not occur in the central region of Al MP, and unreacted Al remains.

하지만 Al MP와 Al NP 혼합물에서는 Al MP의 미반응 중심 물질을 Al NP가 활발한 발열반응을 일으키며 생성되는 높은 반응열에 의해 발열 반응시키는 역할을 하기 때문에 최종적으로 가장 높은 발열 에너지를 나타내는 것으로 판단된다.However, in the mixture of Al MP and Al NP, the unreacted core material of Al MP reacts exothermically due to the high reaction heat generated by the active reaction of Al NP.

이후 낮은 흡열 반응은 Al 물질 대부분이 Al2O3 상으로 변화함에 따라 순수한 Al의 절대량이 낮아진 결과로 사료된다. The low endothermic reaction is considered to be the result of the absolute amount of pure Al being lowered as most Al materials change to Al 2 O 3 phase.

그러나 도 4a와 도 4b에서와 같이 Al MP/Al NP/Ni NP의 경우에서의 급속한 반응열은 입자크기에 따른 계면 반응 에너지의 복합적인 요소로 인하여 급속한 반응을 일으킨 것으로 판단된다.However, as shown in FIGS. 4A and 4B, the rapid reaction heat in the case of Al MP / Al NP / Ni NP is considered to be a rapid reaction due to the complexity of the interface energy depending on the particle size.

다양한 DSC 발열량 반응 데이터의 면적 계산을 기반으로 도 4f에 Al MP/Ni NP, Al NP/Ni NP, Al MP/Al NP/Ni NP의 총 발열에너지(the total heat of the exothermic reaction)를 계산하여 결과를 나타내었다.Based on the area calculation of various DSC calorific value data, the total heat of the exothermic reaction of Al MP / Ni NP, Al NP / Ni NP and Al MP / Al NP / Ni NP is calculated The results are shown.

Al MP/Ni NP의 발열반응에 따른 총 발열에너지는 상대적으로 매우 낮은 값이 관찰되었고, Al NP/Ni NP의 발열 반응에 따른 총 발열에너지는 약 1,800 J/g의 값을 나타내었으나, Al MP/Al NP/Ni NP 경우에서는 약 3,000 J/g의 매우 높은 총 발열에너지 값을 나타내었다.The total exotherm energy of Al NP / Ni NP was relatively low and the total exotherm energy of Al NP / Ni NP was 1,800 J / g. / Al NP / Ni NP showed very high total exotherm energy of about 3,000 J / g.

이는 Al MP/Ni NP, Al NP/Ni NP 복합체 분말의 점화 시 와는 다르게, Al MP/Al NP/Ni NP 경우에서는 Al NP와 Ni NP의 높은 반응열에 의해 미반응 Al MP부분의 발열반응을 이끌어내어 최종적으로 높은 연소열을 나타낼 수 있었던 것으로 판단된다.In the case of Al MP / Al NP / Ni NP, unlike the case of ignition of Al MP / Ni NP and Al NP / Ni NP composite powders, It was judged that it was able to show a high heat of combustion finally.

점화 시 열원 물질인 Al NP/Al MP/Ni NP 복합체 분말에 산화제 물질인 Fe2O3 NP를 10~70 wt%의 비율로 첨가하고, 이를 기반으로 한 복합체 펠렛의 점화 시 연소 및 폭발 특성 측정 결과는 도 5a와 도 5b에서와 같다.Fe 2 O 3 NP, an oxidizing agent, is added to the Al NP / Al MP / Ni NP composite powders as a heat source material at the rate of 10-70 wt%, and the combustion and explosion characteristics of the composite pellets The results are shown in FIGS. 5A and 5B.

텅스텐 와이어 저항열 점화에 의한 다양한 양의 산화제 물질(Fe2O3 NP)이 첨가된 Al NP/Al MP/Ni NP 복합체 펠렛의 고속카메라 촬영 기반 Snapshot 분석 결과(도 5a), 연소율(burn rate)과 총연소시간(total burning time)의 변화 측정 결과 그래프(도 5b)이다.Snapshot analysis (Fig. 5a) based on high-speed camera shooting of Al NP / Al MP / Ni NP composite pellets with various amounts of oxidizing agent (Fe 2 O 3 NP) added by tungsten wire resistance thermal ignition, burn rate, And the total burning time (FIG. 5B).

도 5a에서와 같이, 다양한 산화제 비율이 혼합된 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP(30, 40, 50, 60, 70 wt%, 여기서 괄호 안에 값은 전체 질량에 대한 Fe2O3의 질량 비율임) 복합체 펠렛에서는 텅스텐 와이어의 저항열에 의해 성공적으로 점화 및 폭발 반응이 유도 되었으나, Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP(10, 20 wt%) 복합체 펠렛에서는 점화 및 폭발 반응이 전혀 일어나지 않았다.As shown in Figure 5a, the mixture of various oxidizing agent ratio Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP (30, 40, 50, 60, 70 wt%, where the values in parentheses are Fe 2 relative to the total mass O 3 ). In the composite pellets, the ignition and explosion reactions were successfully induced by the resistance heat of the tungsten wire. However, in the composite pellets of Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP No ignition and explosion reactions occurred at all.

이는 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 펠렛에 있어서 일정량 이상의 산화제가 첨가되지 않을 경우 aluminothermic 반응에 필요로 한 산소 공급이 부족하기 때문에 점화 및 폭발 반응 개시를 저해할 수 있다는 것을 의미한다.This suggests that the addition of more than a certain amount of oxidizing agent to the Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP pellets may inhibit the initiation of ignition and explosion reactions due to the insufficient oxygen supply required for the aluminothermic reaction it means.

도 5b에 고속카메라 촬영을 기반으로 한 정지사진 분석을 기반으로 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP(10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 wt%) 복합체 펠렛들의 연소율(burn rate)과 총연소시간(total burning time)을 계산한 결과를 나타내었다.Figure 5 (b) is a graphical representation of Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP (10,20,30,40,50,60,70 wt%) composite pellets based on still image analysis based on high- The burn rate and total burning time were calculated.

Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP(30, 40, 50, 60, 70 wt%) 복합체 펠렛의 점화 시 연소율은 각각 약 1.05, 2.12, 2.23, 2.37, 2.68 m/s 값으로 증가하는 경향을 나타내었고, 총연소시간은 366, 333, 276, 250, 231 ms 값으로 감소하는 결과를 나타내었다.The burning rates of Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP (30, 40, 50, 60, 70 wt%) composite pellets were about 1.05, 2.12, 2.23, 2.37 and 2.68 m / s And the total combustion time decreased to 366, 333, 276, 250 and 231 ms, respectively.

즉, Al NP/Al MP/Ni NP 복합체 내에 산화제 물질인 Fe2O3 NP 양을 증가시키는 경우에 점화 시 연소속도가 서서히 증가하고 총연소시간은 감소한다는 것을 의미한다. In other words, when the amount of Fe 2 O 3 NP as the oxidizing agent is increased in the Al NP / Al MP / Ni NP complex, it means that the burning rate gradually increases and the total burning time decreases during ignition.

도 6a와 도 6b는 산화제(Fe2O3 NP)의 함량에 따른 Al MP/Al NP/Ni NP 복합체 분말의 DSC 분석, 총발열에너지 결과 비교 분석 그래프이다.6A and 6B are graphs of DSC analysis and total exotherm energy of Al MP / Al NP / Ni NP composite powder according to the content of oxidizing agent (Fe 2 O 3 NP).

도 6a와 도 6b는 알루미늄 마이크로입자(Al MP), 알루미늄 나노입자(Al NP), 니켈 나노입자(Ni NP), 산화철 나노입자(Fe2O3 NP) 복합체 분말에서 산화제인 산화철 나노입자의 함량 변화로 점화 시 전체 반응열에너지에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 시차주사열량(DSC) 측정 결과와 발열반응의 열에너지 총방출량을 분석한 결과를 나타낸 것이다.6A and 6B show the content of iron oxide nanoparticles as oxidizing agents in aluminum microparticles (Al MP), aluminum nanoparticles (Al NP), nickel nanoparticles (Ni NP) and iron oxide nanoparticles (Fe 2 O 3 NP) (DSC) measurement results and total heat emission amount of exothermic reaction in order to observe the effect on the total reaction heat energy upon ignition change.

도 6a에서와 같이 Al MP/Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP(30, 40, 50 wt%) 복합체 분말은 공통적으로 약 550~650℃의 온도 범위에서 발열반응이 확인되었다.FIG Al MP / Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP (30, 40, 50 wt%) composite powder as shown in 6a has been common to make the exothermic reaction at a temperature of about 550 ~ 650 ℃.

이를 기반으로 도 6b에 Al MP/Al NP/Ni NP/Fe2O3 NP(30, 40, 50 wt%) 복합체 분말의 발열반응에 의한 총 열에너지 방출량을 계산한 결과를 나타내었다.On the basis of this, the total heat energy emission amount by the exothermic reaction of Al MP / Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP (30, 40, 50 wt%) composite powder was calculated in FIG.

Fe2O3 함량의 증가에 따른 Al MP/Al NP/Ni NP/Fe2O3 (30, 40, 50 wt%) 복합체 분말의 발열 반응에 의한 단위질량당 에너지는 각각 약 -953 J/g@Fe2O3=30wt%, -1314 J/g@Fe2O3=40wt%, -1214 J/g@Fe2O3= 50wt%으로 Fe2O3 함량이 30-40wt%까지는 총발열에너지량이 증가하다가 약 50wt%의 Fe2O3 함량에서는 총발열에너지량이 다소 감소하는 경향을 나타내었다.The energy per unit mass due to the exothermic reaction of Al MP / Al NP / Ni NP / Fe 2 O 3 (30, 40, 50 wt%) composite powders with increasing Fe 2 O 3 content was about -953 J / g @Fe 2 O 3 = 30wt%, -1314 J / g @ Fe 2 O 3 = 40wt%, -1214 J / g @ Fe 2 O 3 = 50wt% as Fe 2 O 3 content of the total heat generation by 30-40wt% increase the amount of energy while the Fe 2 O 3 content of about 50wt% tended to slightly decrease the total amount of heat energy.

이는 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe, ΔHo 298=-850 kJ/mol 의 발열반응에서 Al의 산화반응에 필요로 하는 산화제 Fe2O3의 최적 함량이 약 40wt%임을 제시하는 결과이기도 하다.This is that 2Al + Fe 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2 Fe, ΔH o 298 = -850 kJ / mol in the exothermic reaction of the optimum content of oxidant Fe 2 O 3 required for the oxidation reaction of the Al of about 40wt% It is also the result of suggestion.

따라서, 금속계면 접합을 위한 솔더 분말을 효과적으로 용해 및 접합에 사용하기 위해서는 높은 반응열을 충분한 긴 시간동안 유지하는 것이 반드시 필요하므로 이를 만족시키는 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP(40 wt%)복합체 분말 최적 조성을 사용하여 본 발명의 실시 예에서는 금속계면 접합 공정에 적용한다.Therefore, in order to effectively use the solder powder for metal interface bonding in melting and bonding, it is necessary to maintain a high heat of reaction for a sufficient long time. Therefore, it is necessary to use Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP wt%) composite powder is applied to the metal interface bonding process in the embodiment of the present invention.

도 7은 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 (b)열적 점화 반응 전 XRD 분석 결과, (b)연소 반응 후 생성물에 대한 XRD 분석 결과 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the results of XRD analysis of (b) thermal ignition reaction and (b) XRD analysis of products after combustion reaction of Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder.

도 7a와 도 7b는 알루미늄 나노입자, 알루미늄 마이크로입자, 니켈 나노입자, 산화철 나노입자 복합체 분말에 대한 점화 시 연소에 의한 발열반응 전후의 X-ray 회절 패턴(XRD)을 측정 결과를 나타낸 것이다.FIGS. 7A and 7B show X-ray diffraction patterns (XRD) of aluminum nanoparticles, aluminum microparticles, nickel nanoparticles, and iron oxide nanoparticle composite powders before and after exothermic reaction by ignition for ignition.

도 7a에서와 같이, 연소 반응 전의 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 복합체 분말의 경우에는 모든 원료 물질인 Al, Ni, Fe2O3의 X-선 회절에 의한 강한 신호가 관찰되었다.As shown in FIG. 7A, in the case of Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP powder before the combustion reaction, a strong signal due to X-ray diffraction of all raw materials Al, Ni and Fe 2 O 3 Respectively.

하지만, 도 7b에서와 같이, 연소 후에는 Al/Ni/Fe2O3의 발열반응 후에 생성되는 Al2O3, Fe, AlNi3, Al2NiO4 상의 X-선 회절 신호가 관찰되었다.However, as shown in FIG. 7B, X-ray diffraction signals on Al 2 O 3 , Fe, AlNi 3 and Al 2 NiO 4 produced after the exothermic reaction of Al / Ni / Fe 2 O 3 were observed after combustion.

Al/Fe2O3 반응의 경우에서는 우선 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe, ΔHo 298=-850 kJ/mol의 상변화가 발생하고, Al/Ni 반응에서는 3Al + 2Ni → Al3Ni2 , ΔHo 298=-322.5 kJ/mol의 상변화가 발생하게 된다.In the case of the Al / Fe 2 O 3 reaction, a phase change of 2Al + Fe 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Fe and ΔH o 298 = -850 kJ / mol occurs and in the Al / Ni reaction, 3Al + 2Ni → Al 3 Ni 2 , and ΔH o 298 = -322.5 kJ / mol.

그러므로 Al/Ni/Fe2O3 복합체의 연소 반응 후 잔존하는 Al과 Ni에 의해 Al3Ni2 상이 형성될 것으로 예측되지만, Ni의 함량에 비하여 잔존하는 Al의 함량이 상대적으로 매우 적어 중간생성물인 AlNi3상과 Al2O3가 반응하여 Al2NiO4의 복합생성물 상(phase)이 형성된 것으로 판단된다.Therefore, it is expected that Al 3 Ni 2 phase will be formed by remaining Al and Ni after the combustion reaction of Al / Ni / Fe 2 O 3 composite. However, since the content of remaining Al is relatively smaller than that of Ni, AlNi 3 phase and Al 2 O 3 reacted to form a complex product phase of Al 2 NiO 4 .

일반적으로 Al과 Ni의 이종합금은 다른 금속 합성물에 비하여 상대적으로 저밀도, 고강도, 내부식성, 내열성이 좋은 특성을 가지고 있다.In general, the alloys of Al and Ni have relatively low density, high strength, corrosion resistance, and heat resistance as compared with other metal composites.

Al과 Ni의 금속간 화합물들 중에서 용융점이 높은 AlNi, 그리고 온도가 상승할수록 항복응력이 높아지는 특성을 보이는 AlNi3은 고온의 환경에서 열 피로에 의한 내구성 및 내열성이 향상될 수 있는 합금이다.Among the intermetallic compounds of Al and Ni, AlNi having a high melting point and AlNi 3 having a characteristic of increasing a yield stress with increasing temperature are alloys capable of improving durability and heat resistance due to thermal fatigue in a high temperature environment.

따라서 본 발명의 실시 예에서는 Al과 Ni의 이종합금 특성을 활용하여 금속계면 접합 특성의 향상을 이끌어낼 수 있도록 한 것이다.Therefore, in the embodiment of the present invention, it is possible to utilize the hetero-alloy characteristics of Al and Ni to improve the metal interface bonding property.

도 8은 (a)는 가압성형 공정에 의해 제조된 다층구조중 EM 부분의 파단면 확대부분으로 Al NP/Al MP/Ni NP/Fe2O3 NP 단면층의 FE-SEM 이미지, (b) Solder/EM/Solder 복합체 다층구조 펠렛 파단면의 FE-SEM 이미지, (c) Solder/EM 계면의 FE-SEM 이미지이다.8 (a) is an FE-SEM image of an Al NP / Al MP / Ni NP / Fe 2 O 3 NP cross-sectional layer as an enlarged section of the EM portion of the multilayer structure produced by the press- FE-SEM image of the solder / EM / solder composite multi-layer structure pellet section, and (c) FE-SEM image of the solder / EM interface.

본 발명의 실시 예에서 제조된 Solder/EM/Solder 복합체 다층구조 펠렛의 크기, 형상, 두께 등을 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 수행하였다.FE-SEM analysis was carried out to confirm the size, shape and thickness of the solder / EM / solder composite multilayer structure pellet manufactured in the example of the present invention.

도 8a에서 약 100 nm 직경의 구형 형상을 가진 Al 연료 물질 나노입자와 Fe2O3 금속산화제 나노입자 그리고 Ni 나노입자가 서로간의 표면에 강하게 부착 연결되어 있는 것을 관찰할 수 있다.In FIG. 8A, it can be seen that Al fuel material nanoparticles, Fe 2 O 3 metal oxide nanoparticles, and Ni nanoparticles having a spherical shape of about 100 nm diameter are strongly adhered to each other.

도 8b는 Solder/EM/Solder 복합체 펠렛의 다층구조의 파단면을 촬영한 FE-SEM 사진으로 평면도에서 보는 바와 같이 솔더 층의 두께는 대략 ~ 300 ㎛ 정도로 나타났으며, 고에너지물질 층의 두께는 대략 ~ 900 ㎛ 정도로 솔더 층의 두께에 비하여 약 3 배에 해당된다.FIG. 8B is an FE-SEM photograph of the fracture surface of the multi-layered structure of the solder / EM / solder composite pellet. As shown in the plan view, the thickness of the solder layer is about 300 μm, Which is about ~ 900 [mu] m, which is about three times the thickness of the solder layer.

여기서 솔더 및 고에너지물질의 장입 양에 따라 솔더 및 고에너지물질의 층 두께는 비교적 쉽게 조절 가능하다.Where the layer thickness of solder and high energy material is relatively easily adjustable depending on the amount of solder and high energy material loaded.

도 8c에서와 같이, 생성된 솔더/고에너지물질의 계면은 비교적 큰 입자인 솔더 입자 표면에 미세한 고에너지물질이 치밀하게 메워주면서 강하게 접촉되어 있는 것을 관찰할 수 있다.As shown in FIG. 8C, it can be observed that the interface of the solder / high energy material produced is strongly contact with the surface of the solder particles, which are relatively large particles, while finely filling the high-energy material.

이와 같은 본 발명의 실시 예에서 제작된 Solder/EM/Solder 복합체 다층구조 펠렛을 금속계면 접합용 열원으로써의 응용 가능성을 테스트하기 위하여 구리 기판 사이에 펠렛을 놓고, 텅스텐 와이어 점화기를 이용하여 펠렛 점화 및 압축 접합 공정을 진행한 결과는 다음과 같다.In order to test the applicability of the solder / EM / solder composite multi-layered pellet manufactured according to the embodiment of the present invention as a heat source for metal interface bonding, pellets were placed between copper substrates, and pellet ignition was performed using a tungsten wire igniter The result of the compression bonding process is as follows.

도 9a는 계면접합 공정 및 실제 장치의 사진, 도 9b는 Solder/EM/Solder 다층구조 펠렛의 점화 및 연소 후 접합 된 구리 기판 사진, 도 9c는 텅스텐 와이어 점화기에 의한 펠렛의 초기 점화 및 본격적인 연소 과정 정지이미지, 도 9d는 계면접합 후 접합체의 단면 SEM 이미지이다.FIG. 9A is a photograph of an actual bonding apparatus and FIG. 9B is a photograph of a solder / EM / solder multi-layer structure pellet ignited and a bonded copper substrate after the burning, FIG. 9C is an initial ignition of the pellet by the tungsten wire igniter, Figure 9D is a cross-sectional SEM image of the bonded body after interfacial bonding.

도 9a는 접합 공정을 위해 사용된 실제 복합체 펠렛 및 접합 장치를 사진 및 개요도로 나타낸 것이다.Figure 9a is a photograph and outline of the actual composite pellets and bonding apparatus used for the bonding process.

점화 및 연소 열에너지가 외부로 소실되는 것을 방지하기 위하여 테플론(teflon) 재질로 된 받침판 위에서 접합하고자 하는 구리 기판(하판)을 놓고, 그 위에 Solder/EM/Solder의 다층구조를 갖는 복합체 펠렛을 위치시킨 후 구리 기판(상판)을 덮고, 그 위에 실리콘 기판을 위치시켰다. 텅스텐 와이어 점화기로 다층구조 펠렛을 점화하고 동시에 약 1 MPa의 압력으로 구리 기판을 가압하면서 금속계면 접합 테스트를 수행하였다.In order to prevent ignition and combustion thermal energy from being lost to the outside, a copper substrate (lower plate) to be bonded is placed on a support plate made of teflon, and a composite pellet having a multilayer structure of Solder / EM / Solder is placed thereon The rear copper substrate (upper plate) was covered, and the silicon substrate was placed thereon. A metal interface bond test was performed while igniting the multilayered pellets with a tungsten wire igniter and simultaneously pressing the copper substrate with a pressure of about 1 MPa.

도 9b는 Solder/EM/Solder를 갖는 다층구조 복합체 펠렛을 이용하여 점화 및 연소 후 구리 기판이 성공적으로 접합된 결과 사진을 나타내었다.FIG. 9B is a photograph of a successful bonding of a copper substrate after ignition and combustion using a multilayered structure pellet having a solder / EM / solder.

측면사진(side view)에서 보는 바와 같이 접합용 펠렛의 점화 및 연소 후 구리 기판 사이에 Solder/EM/Solder를 갖는 다층구조 복합체 펠렛이 용융되어 구리 기판을 잘 고정 접합하고 있음을 관찰할 수 있었다.As can be seen from the side view, it was observed that the multi-layered composite pellet with Solder / EM / Solder was fused between the copper substrate after ignition and combustion of the pellet for bonding, and the copper substrate was well fixed and bonded.

즉, 솔더(Solder) 층이 고에너지물질의 반응열에 의해 용융되고 냉각과정을 거쳐 응고된 후 구리 기판의 계면과 고착되어 구리기판/펠렛/구리기판의 접합을 성공적으로 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.That is, it can be confirmed that the solder layer is melted by the reaction heat of the high-energy material, is solidified after cooling process, and is then adhered to the interface of the copper substrate to successfully bond the copper substrate / pellet / copper substrate .

도 9c는 Solder/EM/Solder 다층구조 복합체 펠렛을 이용하여 구리 기판 간의 계면접합 과정을 고속카메라(Photron, FASTCAM SA3 120K)를 통해 측정하고, 점화 및 연소 시 화염이 전파되는 이미지 결과를 나타낸 것이다.FIG. 9c is a view showing an image obtained by measuring the interfacial bonding process between a copper substrate and a solder / EM / solder multi-layered composite pellet through a high speed camera (FASTCAM SA3 120K) and propagating the flame during ignition and combustion.

본 발명의 실시 예에서 제작한 펠렛은 크게 두 부분으로 나눌 수 있는데 전반부에 해당하는 점화용 펠렛(ignition pellet)은 Solder를 포함하지 않는 EM으로만 구성된 부분으로 텅스텐 와이어 점화기에 의해 초기 점화가 잘 되도록 설계하였으며 초기 점화에 의해 생성된 고온화염이 인접한 고에너지물질로 연속적으로 전달되면서 거시적인 연소현상이 나타났다.The pellet produced in the embodiment of the present invention can be roughly divided into two parts. The ignition pellet corresponding to the first half is composed of EM not including solder, so that the initial ignition can be performed by the tungsten wire igniter. The high temperature flame generated by the initial ignition was continuously transferred to the adjacent high energy material, resulting in macroscopic combustion.

점화용 펠렛 부분에서 초기 점화 및 연소 현상이 발생하고 약 160 ms 후에, 펠렛의 후반부에 해당하는 접합용 Solder/EM/Solder 다층구조 복합체 펠렛이 점화 및 연소반응이 유도됨을 관찰할 수 있었다.After about 160 ms after initial ignition and combustion at the ignition pellet area, it was observed that the solder / EM / solder multi-layer structure pellet for bonding at the rear part of the pellet was ignited and burned.

Solder/EM/Solder 다층구조 복합체 펠렛내의 고에너지물질 부분의 본격적인 연소반응에 의해 발생되는 연소열을 기반으로 솔더 층이 용해 및 응고과정을 거치면서 구리 기판간의 계면접합이 성공적으로 진행되었다.Solder / EM / Solder Interfacial bonding between copper substrates has proceeded successfully as the solder layer undergoes dissolution and solidification processes based on the heat of combustion generated by the full-scale combustion reaction of the high-energy material part in the multi-layered composite pellet.

도 9d는 Solder/EM/Solder 다층구조 펠렛을 이용하여 점화 후 구리 기판의 상온 접합된 접합체 단면 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다.9D is an FE-SEM image of a cross-section of a bonded substrate at room temperature after ignition using a solder / EM / solder multilayer structure pellet.

점화 후 구리 기판 사이에 Solder/EM/Solder 다층구조 펠렛이 잘 보존되어 있음을 확인할 수 있다.It can be seen that the solder / EM / solder multilayer structure pellets are well preserved between the copper substrates after ignition.

또한, 솔더 층이 고에너지물질의 반응열에 의해 용융되고 상온에서 응고된 후 구리 기판의 계면과 강하게 결합되어 구리기판/계면 접합용 펠렛/구리기판의 접합을 성공적으로 얻을 수 있음을 확인하였으며, 구리 기판과 펠렛 계면간의 결합이 잘 이루어져 있어 계면접합이 잘 이루어졌음을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that the solder layer was melted by the reaction heat of the high energy material and solidified at room temperature, and then strongly bonded to the interface of the copper substrate to successfully bond the copper substrate / interface pellet / copper substrate. The bond between the substrate and the pellet interface was well established, indicating that the interfacial bonding was good.

즉, 응고된 솔더 층을 확대한 고배율 이미지에서 고에너지물질의 반응열에 의해 솔더 분말간의 목 성장(neck growth)를 지나 입자 성장이 일어나서 솔더 간의 결합이 잘 이루어짐을 확인할 수 있으며 기판과 솔더 층 사이에 확산접합층이 생성되는 것을 알 수 있다.That is, in the high-magnification image obtained by enlarging the solidified solder layer, it can be confirmed that the grain growth occurs after the neck growth between the solder powders due to the reaction heat of the high-energy material, It can be seen that a diffusion bonding layer is formed.

도 10은 순수한 솔더 펠렛과 솔더/고에너지물질/솔더(Solder/EM/Solder) 다층구조 복합체 펠렛을 각각 이용하여 두 개의 구리 기판을 계면접합한 후 기계적 인장 강도를 측정한 결과 비교 그래프이다.FIG. 10 is a comparative graph showing the mechanical tensile strength of two copper substrates bonded together using pure solder pellets and solder / high energy material / solder (EM / solder) multi-layered composite pellets.

Solder/EM/Solder 다층구조 펠렛을 이용하여 두 구리 기판간의 접합체의 최대 인장강도는 약 36.48 MPa을 나타내었다.The maximum tensile strength of the bond between the two copper substrates was about 36.48 MPa using the solder / EM / solder multilayer structure pellet.

접합부위에서 인장응력에 의한 파단의 주원인은 주로 수직응력과 전단응력의 복합적인 요소이며, 인장-전단하중을 받는 접합 이음부에서는 결국 계면단의 박리에 의해 파괴가 일어난다.The main cause of tensile stress fracture on the joint is mainly a composite element of normal stress and shear stress. In the joint joint subjected to tensile - shear load, fracture occurs due to peeling of interfacial end.

Solder/EM/Solder 다층구조 펠렛을 이용한 구리 기판 접합의 경우에서는 Solder, EM과 구리 기판간의 복합적인 결합 요소에 최종적으로 박리가 일어난 것으로 사료된다.In the case of solder / EM / solder multi-layered pellet bonding, it is considered that the final bonding of the solder, EM and copper substrate to the complex bonding element occurred.

접합강도의 상대적인 비교를 위해서 고에너지물질(EM)의 첨가 없이 순수한 SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu) 솔더를 펠렛으로 제조하여 구리 기판 사이에 넣고 히터에 의한 외부열원을 가하여 순수한 솔더만을 용해 및 응고시켜 구리기판을 접합한 경우에 접합 이음부의 최대 인장강도를 측정한 결과 약 26.28 MPa으로 나타났다.For comparison of bond strength, pure SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu) solder was prepared as pellet without adding high energy material (EM) and placed between copper substrate and external heat source by heater was applied to dissolve pure solder. The maximum tensile strength of the bonded joint was found to be about 26.28 MPa when the copper substrate was solidified.

이는 결국 순수한 솔더 기반의 펠렛에 비해 본 발명에서 제조한 Solder/EM/Solder 다층구조 펠렛의 경우 최대 인장강도가 약 40% 정도 이상 크게 상승한 결과이다.As a result, the maximum tensile strength of the solder / EM / solder multi-layer structure pellet manufactured by the present invention was significantly increased by about 40% or more as compared with pure solder-based pellets.

이는 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법에서의 공정으로 금속 기판 간의 계면 접합을 하는 경우 매우 우수한 기계적인 접합 강도를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.This means that when the multi-layered composite pellets according to the present invention, the method for producing the same, and the process in the method for joining metal interfaces using the same are used for interfacing between metal substrates, excellent mechanical bonding strength can be obtained.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 다층구조 복합체 펠렛 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 금속 계면 간 접합 방법은 금속계면 접합용 솔더/고에너지물질/솔더 기반 다층구조 펠렛을 제조하고, 이들을 금속 기판 사이에 설치하여 주변 환경 전체의 가열 없이 접합부위 주변의 국소적인 가열만으로 계면접합 공정을 진행할 수 있도록 한 것이다.The multi-layered composite pellet according to the present invention, the method for manufacturing the same, and the method for joining metallic interfaces using the multi-layered composite pellet according to the present invention can be manufactured by manufacturing a solder / high energy material / solder-based multilayer structure pellet for metal interface bonding, So that the interface bonding process can be performed only by local heating around the bonding portion without heating the entire surrounding environment.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.It is therefore to be understood that the specified embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense and that the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description and that all such differences falling within the scope of equivalents thereof are intended to be embraced therein It should be interpreted.

Claims (17)

금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질층;
금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질층;
상기 제 1 접합 물질층과 제 2 접합 물질층 사이에 위치하는 고에너지 물질 복합체;를 포함하여 본딩 펠렛(Bonding pellet)이 이루어지고,
상기 제 1,2 접합 물질층과 고에너지 물질 복합체는 제 1 접합 물질층,고에너지 물질 복합체,제 2 접합 물질층의 순서로 적층되어 원형으로 압력 성형되고, 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용하여 점화 및 연소 반응을 유도하여 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하고,
상기 제 1,2 접합 물질층을 포함하지 않고 고에너지 물질 복합체만으로 이루어진 점화용 펠렛(ignition pellet)을 더 포함하고, 점화용 펠렛(ignition pellet)은 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용한 초기 점화에 의해 고온화염을 생성하여 상기 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 점화 및 연소시키는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛.
A first bonding material layer for metal interface bonding;
A second bonding material layer for metal interface bonding;
And a high energy material composite disposed between the first bonding material layer and the second bonding material layer to form a bonding pellet,
The first and second bonding material layers and the high energy material composite are laminated in the order of the first bonding material layer, the high energy material composite and the second bonding material layer, pressure-molded in a circular shape, the bonding pellet is bonded to the tungsten wire Based resistance heat to induce ignition and combustion reaction so that the first and second bonding material layers are melted and bonded to the metal interface by heat energy generated during ignition and combustion of the high energy material composite,
Further comprising an ignition pellet which does not include the first and second bonding material layers and is composed only of a high energy material composite, and the ignition pellet is formed by initial ignition using a tungsten wire-based resistance heat Wherein the high temperature flame is generated to ignite and burn the bonding pellet.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 제 1,2 접합 물질층은 솔더 분말인 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛.The multi-layer composite pellet according to claim 1, wherein the first and second bonding material layers are solder powder. 제 1 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체는,
연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화철(Fe2O3)을 사용하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛.
The high energy material composite according to claim 1,
Characterized in that aluminum (Al) is used as the fuel material and iron oxide (Fe 2 O 3 ) is used as the oxidizer material.
제 1 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체는,
연료물질(fuel)로 마이크로스케일의 알루미늄(Al) 입자와 나노스케일 알루미늄(Al) 입자를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛.
The high energy material composite according to claim 1,
Wherein the micro-scale aluminum (Al) particles and the nanoscale aluminum (Al) particles are mixed and used as a fuel material.
제 1 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체는,
연소 및 폭발 특성 제어 및 접합 강도의 향상을 위하여 니켈(Ni) 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛.
The high energy material composite according to claim 1,
And further comprising nickel (Ni) nanoparticles for controlling combustion and explosion characteristics and improving bonding strength.
제 1 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체는,
알루미늄 나노입자(Al NP), 알루미늄 마이크로입자(Al MP), 니켈 나노입자(Ni NP), 산화철(Fe2O3) 나노입자가 각각 Al NP:Al MP:Ni NP:Fe2O3 NP=23:31:15:31 wt%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛.
The high energy material composite according to claim 1,
Aluminum nanoparticles (Al NP), aluminum microparticles (Al MP), nickel nanoparticles (Ni NP), iron oxide (Fe 2 O 3) each of the nanoparticles Al NP: Al MP: Ni NP : Fe 2 O 3 NP = 23: 31: 15: 31 wt%, based on the total weight of the composite pellets.
제 7 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에,
알루미늄 나노입자(Al NP)가 먼저 반응하여 발열반응에 의한 열에너지를 발생한 후 연속적으로 알루미늄 마이크로입자(Al MP)의 용해 및 추가적인 발열반응을 유도하여 연소 속도 및 연소 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛.
8. The method of claim 7, wherein, during ignition and combustion of the high energy material composite,
Characterized in that the aluminum nanoparticles (Al NP) first react to generate thermal energy by an exothermic reaction and subsequently continuously dissolve the aluminum microparticles (Al MP) and induce an additional exothermic reaction to control the burning rate and the combustion time. Structural composite pellets.
연료물질(fuel)과 산화제물질(oxidizer)을 혼합하여 고에너지 물질 복합체 분말을 제조하는 단계;
금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질 분말, 고에너지 물질 복합체 분말, 금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질 분말을 차례로 적층하는 단계;
압력 성형하여 제 1,2 접합 물질층 사이에 고에너지 물질 복합체가 위치하는 금속 계면 접합을 위한 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 제조하는 단계;를 포함하고,
본딩 펠렛(Bonding pellet)을 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용하여 점화 및 연소 반응을 유도하여 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하고,
상기 제 1,2 접합 물질층을 포함하지 않고 고에너지 물질 복합체만으로 이루어진 점화용 펠렛(ignition pellet)을 제조하여, 점화용 펠렛(ignition pellet)이 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용한 초기 점화에 의해 고온화염을 생성하여 상기 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 점화 및 연소시키는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛의 제조 방법.
Preparing a high energy material composite powder by mixing a fuel material and an oxidizer material;
Depositing a first bonding material powder for metal interface bonding, a high energy material composite powder, and a second bonding material powder for metal interface bonding in this order;
Forming a bonding pellet for metal interface bonding in which a high energy material composite is positioned between the first and second bonding material layers by pressure molding,
The bonding pellet is ignited and the combustion reaction is induced by using the resistance heat based on the tungsten wire so that the first and second bonding material layers are dissolved by the heat energy generated in the ignition and combustion of the high energy material composite, To be bonded to the interface,
An ignition pellet, which does not include the first and second bonding material layers but is composed of a high energy material composite, is manufactured so that an ignition pellet is heated at a high temperature by an initial ignition using a tungsten wire- Wherein the flame is generated to ignite and burn the bonding pellet.
제 9 항에 있어서, 상기 제 1,2 접합 물질은 솔더 분말이고, 고에너지 물질 복합체 분말을 구성하는 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화철(Fe2O3)을 사용하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛의 제조 방법.[10] The method of claim 9, wherein the first and second bonding materials are solder powder, aluminum (Al) is used as a fuel material constituting the high energy material composite powder, iron oxide (Fe 2 O 3 ). ≪ / RTI > 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체는,
연료물질(fuel)로 마이크로스케일의 알루미늄(Al) 입자와 나노스케일 알루미늄(Al) 입자를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛의 제조 방법.
The high energy material composite according to claim 9 or 10,
Characterized in that micro scale aluminum (Al) particles and nanoscale aluminum (Al) particles are mixed and used as a fuel material.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체는,
연소 및 폭발 특성 제어 및 접합 강도의 향상을 위하여 니켈(Ni) 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛의 제조 방법.
The high energy material composite according to claim 9 or 10,
(Ni) nanoparticles for controlling combustion and explosion characteristics and improving the bonding strength of the multi-layered composite pellets.
제 9 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체는,
알루미늄 나노입자(Al NP), 알루미늄 마이크로입자(Al MP), 니켈 나노입자(Ni NP), 산화철(Fe2O3) 나노입자가 각각 Al NP:Al MP:Ni NP:Fe2O3 NP=23:31:15:31 wt%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛의 제조 방법.
The high energy material composite according to claim 9,
Aluminum nanoparticles (Al NP), aluminum microparticles (Al MP), nickel nanoparticles (Ni NP), iron oxide (Fe 2 O 3) each of the nanoparticles Al NP: Al MP: Ni NP : Fe 2 O 3 NP = 23: 31: 15: 31 wt% based on the total weight of the composite pellets.
연료물질(fuel)과 산화제물질(oxidizer)을 혼합하여 고에너지 물질 복합체 분말을 제조하는 단계;
금속 계면 접합을 위한 제 1 접합 물질 분말, 고에너지 물질 복합체 분말, 금속 계면 접합을 위한 제 2 접합 물질 분말을 차례로 적층하는 단계;
압력 성형하여 제 1,2 접합 물질층 사이에 고에너지 물질 복합체가 위치하는 금속 계면 접합을 위한 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 제조하는 단계;
본딩 펠렛(Bonding pellet)을 금속 기판과 금속 기판 사이에 위치시키고, 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하는 단계;를 포함하고,
상기 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하는 단계에서, 제 1,2 접합 물질층을 포함하지 않고 고에너지 물질 복합체만으로 이루어진 점화용 펠렛(ignition pellet)을 제조하여, 점화용 펠렛(ignition pellet)이 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용한 초기 점화에 의해 고온화염을 생성하여 상기 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 점화 및 연소시키고,
상기 고에너지 물질 복합체의 점화는 점화용 펠렛(ignition pellet) 및 본딩 펠렛(Bonding pellet)을 금속 기판과 금속 기판 사이에 위치시키고 텅스텐 와이어 기반의 저항열을 이용하여 점화 및 연소 반응을 유도하고 동시에 상온에서 두 금속 기판을 가압하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛을 이용한 금속 계면 간 접합 방법.
Preparing a high energy material composite powder by mixing a fuel material and an oxidizer material;
Depositing a first bonding material powder for metal interface bonding, a high energy material composite powder, and a second bonding material powder for metal interface bonding in this order;
Forming a bonding pellet for metal interface bonding in which a high energy material composite is positioned between the first and second bonding material layers by pressure molding;
Placing a bonding pellet between the metal substrate and the metal substrate and dissolving the first and second bonding material layers by thermal energy generated during ignition and combustion of the high energy material composite to bond the metal bonding interface to the metal interface Lt; / RTI >
In the step of dissolving the first and second bonding material layers and bonding them to the metal interface, an ignition pellet comprising only the high energy material composite without the first and second bonding material layers is manufactured, An ignition pellet generates a high temperature flame by initial ignition using resistive heat based on tungsten wires to ignite and burn the bonding pellet,
The ignition of the high energy material composite places the ignition pellet and the bonding pellet between the metal substrate and the metal substrate and induces the ignition and combustion reaction using the resistance heat based on the tungsten wire, Wherein the two metal substrates are pressurized at the interface between the two metal substrates.
삭제delete 제 14 항에 있어서, 상기 고에너지 물질 복합체의 연료물질(fuel)로 마이크로스케일의 알루미늄(Al) 입자와 나노스케일 알루미늄(Al) 입자를 혼합하여 사용하고,
상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 알루미늄 나노입자(Al NP)가 먼저 반응하여 발열반응에 의한 열에너지를 발생한 후 연속적으로 알루미늄 마이크로입자(Al MP)의 용해 및 추가적인 발열반응을 유도하여 연소 속도 및 연소 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛을 이용한 금속 계면 간 접합 방법.
15. The method of claim 14, wherein micro scale aluminum (Al) particles and nanoscale aluminum (Al) particles are mixed with the fuel material of the high energy material composite,
The aluminum nanoparticles (Al NP) react first at the time of ignition and combustion of the high energy material composite to generate thermal energy by an exothermic reaction, and then continuously dissolving aluminum microparticles (Al MP) and inducing an additional exothermic reaction, And controlling the burning time. The method for joining metal interfaces using a multi-layered composite pellet.
제 14 항에 있어서, 제 1,2 접합 물질층이 용해되어 금속계면에 접합되도록 하는 단계에서,
제 1,2 접합 물질층이 상기 고에너지 물질 복합체의 점화 및 연소 시에 발생하는 열에너지에 의해 용융되고 냉각과정을 거쳐 응고되어 금속 기판의 계면에 고정되고 금속 기판의 계면에는 확산접합층이 생성되는 것을 특징으로 하는 다층구조 복합체 펠렛을 이용한 금속 계면 간 접합 방법.
15. The method of claim 14, wherein in the step of causing the first and second bonding material layers to dissolve and bond to the metal interface,
The first and second bonding material layers are melted by the thermal energy generated during ignition and combustion of the high energy material composite and solidified through the cooling process to be fixed to the interface of the metal substrate and a diffusion bonding layer is formed at the interface of the metal substrate Wherein the metal pellets are bonded to each other via a metal layer.
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