KR102173626B1

KR102173626B1 - 우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금 및 이를 포함하는 합금분말

Info

Publication number: KR102173626B1
Application number: KR1020180125840A
Authority: KR
Inventors: 송창빈; 유제안
Original assignee: 공주대학교 산학협력단; 엔테크네 주식회사
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-11-04
Also published as: KR20200045159A

Abstract

본 발명은 순수 니켈과 달리 제품 수명 및 신뢰성 확보에 요구되는 경도를 가질 뿐만 아니라 순수 니켈과 동등하거나 유사한 전기전도도 및 자성을 가져 테스트 러버 소켓용 전도성 분말로서 순 니켈 분말을 대체할 수 있는 신규 니켈기 합금으로서, 0.1 내지 30 중량%의 X (단, X는 Ag, Cu, Al, Na, Be, Ca, Mg, W, Co, Fe, Mo, Zn, Li, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, Pb, Sr, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Ga, Bi, Mn, Si, B, C, N 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성되는, 우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금에 대한 것이다.

Description

우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금 및 이를 포함하는 합금분말{NI-BASED ALLOY WITH EXCELLENT HARDNESS, ELECTRIC CONDUCTIVITY AND MAGNETIC PROPERTIES FOR A SEMICONDUCTOR TEST SOCKET AND ALLOY POWDER COMPRISING THE SAME}

본 발명은 IC 반도체 소자 패키지 테스트 소켓용 전도성 합금 및 상기 합금으로 이루어진 합금분말에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 낮은 경도로 소켓 수명 저하의 문제점을 야기하는 종래의 순 니켈 분말(pure Ni powder)을 대체할 수 있는 우수한 물성을 가지는 반도체 테스트 소켓용 합금 및 이로 이루어진 합금분말에 대한 것이다.

일반적으로 반도체 팹 공정에 의해 완성된 다양한 IC반도체 패키지는 검사 장비를 이용하여 전기적 회로 및 성능 테스트를 한다. 이때 IC반도체 패키지 회로단자(solder ball)는 검사장비에 장착되는 테스트 소켓(test socket)에 접착시켜 테스트하는데 이러한 테스트 소켓에는 스프링이 내장된 핀을 접촉단자(contactor)로 사용하는 포고 핀 소켓(pogo pin socket)과, 전도성 입자(conducting powder)와 고무(rubber)를 접촉단자로 사용하는 러버 소켓(rubber socket) 2 종류로 대별된다. 전자의 포고 핀 소켓은 포고 핀이 반도체 디바이스 회로단자와 접촉 시 솔더 볼이 손상되거나 포고 핀 내측에 이물질 오염 및 기계적 파손 등에 의한 전기적 접촉성 저하 및 수명 단축 등의 단점이 있는 것으로 알려져 있는 반면, 후자의 러버 소켓은 전도성 고무(rubber)의 탄성력 저하 등의 문제점이 있지만, 전자의 포고 핀 소켓에 비해 전기적 접촉성 및 전도성이 우수할 뿐만 아니라, 수명이 길고 비교적 저비용으로 제조가 가능하기 때문에 그 수요가 증가하고 있다.

이러한 테스트용 러버 소켓에 사용되는 핵심 소재로 사용되는 종래 전도성 입자(분말)는 상기한 순 니켈 분말과 MEMS powder가 사용되고 있으며, 이들 분말은 모두 전도성 향상을 위해 분말표면에 전도성이 더욱 우수한 금속(Au, Ag, Rh, Ir, Pt, Pd 등)을 약 0.2㎛ 정도의 두께로 코팅하여 사용하고 있다.

또한, 이러한 전도성 분말로 제조된 테스트 소켓은 실제로 반복적인 테스트 수행 시 접촉부위가 마모가 일어나 신뢰성 또는 소켓 수명이 저하되므로 전도성 분말 자체의 경도가 클수록 유리한데, 종래 전도성 입자로 널리 사용되는 순 니켈 분말은 낮은 경도(약 100 Hv)로 인한 소켓 수명 및 신뢰성 저하라는 큰 문제점을 가진다.

나아가, 반도체 테스트 소켓용 합금은 테스트 소켓 제조 시 유리한 공정을 위해 소정의 자성을 가지는 것이 바람직하다.

이상과 같이 테스트 소켓용 전도성 분말은 테스트 소켓의 신뢰성 및 수명 향상을 위해 우수한 전기전도도, 자성 및 경도를 가질 것이 요구된다.

한국 등록특허 제10-1535179호 (등록일 : 2015.07.02) 한국 등록특허 제10-0887492호 (등록일 : 2009.02.27)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 반도체 테스트 소켓의 전기적 특성 향상을 위한 우수한 전도성뿐만 아니라, 테스트 소켓 제조의 용이성 및 수명 향상 요구에 부합하는 자성 및 경도를 가지는 반도체 테스트 소켓 제조용 신규 니켈기 합금 및 이를 포함하는 합금분말을 제공하는 것이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 반도체 테스트용 러버 소켓의 핵심 소재인 전도성 분말로서 종래부터 널리 사용되고 있는 순 니켈 분말이 가지는 낮은 경도로 인한 테스트 소켓의 수명 단축의 문제점을 해결함과 동시에 반도체 테스트용 러버 소켓용 소재로서 최적화된 성능을 가지는 신규한 합금 소재를 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 니켈을 기반으로 하되, 순수 니켈과 달리 제품 수명 및 신뢰성 확보에 요구되는 경도를 가질 뿐만 아니라 순수 니켈과 동등하거나 유사한 전기전도도 및 자성을 가져 테스트 러버 소켓용 전도성 분말로서 순 니켈 분말을 대체할 수 있는 신규 니켈기 합금으로서, 0.1 내지 30 중량%의 X (단, X는 Ag, Cu, Al, Na, Be, Ca, Mg, W, Co, Fe, Mo, Zn, Li, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, Pb, Sr, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Ga, Bi, Mn, Si, B, C, N 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성되는, 우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금을 제안한다.

이때, 상기 본 발명에 따른 니켈기 합금은 합금원소로서 투입되는 X의 함량은 X가 2종 이상의 합금 원소일 경우에는 해당 2 종 이상의 합금 원소의 총 함량을 나타낸다.

또한, 상기 희토류 원소(RE)는 공지의 17종의 희토류 원소 각각은 물론 미시 메탈(mischmetal)도 포함한다.

상기 본 발명에 따른 니켈기 합금에 속하는 2원계 합금은 0.1 내지 30 중량%의 X (단, X는 Ag, Cu, Al, Na, Be, Ca, Mg, W, Co, Fe, Mo, Zn, Li, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, Pb, Sr, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Ga, Bi, Mn, Si, B, C, N 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소)를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 니켈기 합금에 속하는 3원계 합금은 0.1 내지 10 중량%의 Fe 또는 Co; 및 0.05 내지 3 중량%의 X (단, X는 Ag, Cu, Al, Na, Be, Ca, Mg, W, Mo, Zn, Li, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, Pb, Sr, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Ga, Bi, Mn, Si, B, C, N 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소);를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 니켈기 합금에 속하는 4원계 합금은 0.1 내지 5 중량%의 Fe 또는 Co; 0.1 내지 2.5 중량%의 B; 및 0.05 내지 3 중량%의 X (단, X는 Ag, Cu, Al, Na, Be, Ca, Mg, W, Mo, Zn, Li, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, Pb, Sr, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Ga, Bi, Mn, Si, C, N 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소);를 포함하고, 잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 따른 니켈기 합금은 통상 분말화 과정을 거쳐 분말 상태로 테스트 러버 소켓에 적용되는데, 이와 같이 본 발명에 따른 니켈기 합금으로부터 합금분말을 제조하기 위한 공정은 특별히 제한되지 않으나, 구형(球形)의 합금분말로 제조하기 위해 가스 분무법 또는 Gas & water 분사법을 통해 이루어지는 바람직하며, 일례로, 상기 니켈기 합금을 용해하여 가스 분무법으로 구형의 합금분말로 제조한 후 상기 구형의 합금분말을 200 ~ 800℃의 온도에서 열처리해 구형의 니켈기 합금분말을 제조할 수 있다.

상기와 같이 분말화 공정을 통해 얻어진 본 발명에 따른 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금분말은 입경이 3 내지 44㎛이고, 편상비(aspect ratio)가 1 내지 3이며, 평균 산소농도가 2000ppm 이하이고, 비표면적이 0.3 ㎟/g 이상인 것이 바람직하다.

필요에 따라, 반도체 테스트 소켓의 전기적 특성을 보다 향상시키기 위해 본 발명에 따른 니켈기 합금분말은 Au, Ag, Cu, Al, Ni, Cr, Pt, Rh, C 등의 고전도성 원소 중 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 코팅층을 더 포함할 수 있으며, 상기 코팅층은 니켈기 합금분말 표면에 무전해법 등을 통해 0.1㎛ 이상의 두께로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 IC 반도체 테스트 소켓용 니켈기(基) 다원(2원 이상)계 합금분말은 종래 순 니켈 분말과 동등하거나 유사한 전기전도도 및 자성을 가지며, 특히 우수한 경도 특성을 갖는 새로운 다원계 합금분말 소재로서, 반도체 검사장비의 전기적 및 신뢰 특성은 물론, 테스트 소켓의 수명을 획기적으로 향상시킴과 동시에 합금분말의 원료가 비교적 저렴하기 때문에 경제적 효과를 제공할 수 있다.

또한, 상기와 같이 본 발명에 따른 니켈기 합금은 전기전도 및 경도가 우수하므로 스프링이 내장된 핀을 접촉단자(contactor)로 사용하는 반도체 테스트 소켓용 포고 핀(pogo pin) 소재뿐만 아니라, 다른 전기·전자부품 및 바이오 센서용 소재로 활용이 가능하다.

도 1(a) 및 도 1(b)는 각각 본원 실시예 19 및 실시예 20 합금시료의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Ni-B 2원계의 부분 평형상태로를 나타낸 것이다.
도 3은 본원 실시예 20 합금시료의 미세조직을 SEM으로 분석한 사진이다.
도 4는 본원 실시예 20 합금시료를 XRD로 분석한 결과이다.
도 5는 본원 실시예 51 합금시료의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 6은 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 4 point 표면저항기로 측정한 결과이다.
도 7은 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 진동시료자성측정기(VSM)로 측정한 결과이다.
도 8은 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정한 결과이다.
도 9는 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 4 point 표면저항기로 측정한 결과이다.
도 10은 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 진동시료자성측정기(VSM)로 측정한 결과이다.
도 11은 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정한 결과이다.
도 12는 본원 실시예에서 제조한 합금시료들의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다((a):실시예 72, (b):실시예 76, (c):실시예 79, (d):실시예 81, (e):실시예 85, (f):실시예 87, (g):실시예 89, (h):실시예 91).
도 13은 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 4 point 표면저항기로 측정한 결과이다.
도 14는 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 진동시료자성측정기(VSM)로 측정한 결과이다.
도 15는 본원 실시예에서 제조한 합금시료들을 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정한 결과이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예 등을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 표와 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

<실시예 1 내지 23> Ni기 2원계 합금의 제조 및 물성 평가

상용 시약급 원료금속을 전자저울로 총량 50g 천평하여 알루미나(혹은 마그네시아) 도가니에 장입하여 고주파 유도 진공용해로 용해하여 수냉 동 몰드(φ30*25H)에 틸팅(tilting)하여 잉곳상태로 주조하였다. 주조한 잉곳은 25mm×25mm×6mm 크기로 절단하여 튜브 전기로를 이용하여 열처리(250~800℃, Ar 분위기), 연마 및 버핑하여 Ni-(0.1~30중량%)X로 표시되며 아래 <표 1>에 기재된 조성을 가지는 2원계 합금을 제조하였다.

잉곳 합금의 전기저항은 4 point 표면저항기, 자속밀도(Bs)은 진동시료자성측정기(VSM), 경도는 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정하였으며, 일부의 합금시료는 미세조직을 관찰하기 위해 SEM/EDS/XRD로 분석하였다.

<표 1>

아래 <표 2>는 상기 <표 1>에 나타낸 Ni-(0.1~30%)X 계 합금시료의 비저항, 자성 및 경도, 그리고 열처리 조건을 나타낸 것이다.

비교예 1~3은 순도 99.9%이상의 순금속 니켈(Co), 코발트(Co) 및 철(Fe)을 실시예 1~23의 합금조성과 동일한 조건으로 제조하여 특성을 평가한 결과이다. 실시예 1~23의 합금은 기본적으로 Ni을 질량비로 30%이상 포함한다. 특히 실시예 1~9는 Ni원소보다 전기전도도(저항의 역수)가 우수한 원소 중 Cu, Al, Be, W, Co 금속을 질량비로 1~30%범위 이내로 첨가한 것으로 Cu 및 Co원소를 포함하는 실시예 1 및 실시예 6~9 합금시료의 전기저항(μΩ·m)은 13.0 및 11.0~14.0 범위로 비교적 낮고, 자속밀도(Bs)가 0.4wb/㎡이상으로 비교적 높은 값이 얻어졌지만, 경도(Hv)의 경우 순 Ni과 유사한 정도로 비교적 낮다. 반면에 실시예 2~5는 Al, Be, W을 첨가한 것으로 특히 저항이 15.0이상(순 Ni의 2배 이상)으로 높을 뿐만 아니라, 자속밀도 및 경도 특성 향상에도 크게 기여하지 않기 때문에 첨가량을 질량비로 1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

또한 실시예 6~13은 Co 및 Fe를 첨가한 것으로 합금의 주성분 Ni과 함께 강자성체이므로 첨가량에 비례하여 합금의 자속밀도가 크게 증가함과 동시에 경도도 다소 증가한다. 특히 합금의 저항은 첨가량에 따라 증가하므로 Co는 30% 이하, Fe는 15% 이하로 첨가량을 제한하는 것이 바람직하다.

한편 실시예 14~23은 Ni원소보다 비저항이 큰 원소인 Sn, Cr, Zr, Mn, B, C, Nd 금속을 첨가한 것으로 경도 향상을 위해 중요한 원소이다. 우선 실시예 14~17은 Sn, Cr, Zr, Mn의 첨가량을 질량비로 3~5% 첨가한 것으로서, 예측한 대로 합금시료의 전기저항은 크게 증가하며, 경도는 Zr원소(실시예 16)를 첨가한 시료가 Hv=135.8로 비교적 향상하지만 Sn, Cr 및 Mn 원소는 첨가효과가 거의 없음을 알 수 있다. 또한 실시예 18~23은 B, C, Pr 및 Nd 원소를 0.5~3.0% 범위로 첨가한 것이며, 특히 B원소를 첨가한 경우 자속밀도가 크게 저하지만 경도가 크게 증가함을 알 수 있다.

도 1(a) 및 (b)는 각각 실시예 19 및 실시예 20에서 제조된 합금으로서 B원소를 질량비로 각각 1.0% 및 2.0% 첨가한 합금잉곳 시료를 500℃에서 5시간 동안(Ar 분위기) 열처리하여 연마하여 광학현미경(OP)으로 관찰한 미세조직이다. 이러한 합금의 미세조직은 도 2에 나타낸 Ni-B 2원계 평형상태도에서 예측할 수 있는 바와 같이, Ni 중에 B의 고용범위는 적지만 Ni 고용체(Solid solution)가 존재하므로 합금의 B성분이 공정조성 3.6% 이하일 경우에 공정반응에 의해 초정(primary) Ni, 공정(eutectic) Ni 및 금속간화합물 Ni₃B 3 상(phase)이 공존하는 공정합금(eutectic allloy)의 조직이 생성됨을 알 수 있다. 또한 B원소를 더 함유하는 실시예 20(Ni-2%B)가 실시예 19(Ni-1%B)보다 공정 Ni과 Ni₃B 혼재된 상의 분율이 증가함을 알 수 있으며, 특히 Ni₃B 은 금속간화합물이므로 경도를 증가시키지만, 전기저항은 증대한다.

도 3 및 도 4는 도 1(b)에 나타낸 실시예 20(Ni-2%B)의 합금시료를 SEM/EDS/XRD로 분석한 결과이다. 우선 도 3은 전자현미경(SEM)으로 관찰된 미세조직으로 초정 Ni 상이 층상의 공정 혼합물(공정 Ni 및 Ni₃B)에 둘러 쌓여 있으며, B첨가량이 증가함에 따라 공정 혼합물 상의 체적 분율이 증대함을 알 수 있다.

또한 도 4는 도 3에 나타낸 실시예 20(Ni-2%B)의 합금시료를 XRD로 분석하여 순 Ni과 Ni₃B 상의 peak를 분석한 것으로서, 도 2의 Ni-B 2원계 평형상태도에서 예상되는 초정 Ni, 공정 Ni 및 Ni₃B 등 3개 상(phase)의 peak와 비교한 결과, 특히 Ni₃B 상의 peak는 대부분 일치하였다. 단, 초정 Ni과 공정 Ni의 peak는 현재 보고된 자료가 없지만, 순 Ni보다 약간 차이가 있는 것으로 볼 때 초정 Ni과 공정 Ni의 peak로 추측되었다.

이러한 분석결과, 본 발명의 Ni-B계 합금의 경우, B첨가량이 증가함에 따라 금속간화합물인 Ni₃B이 혼재하는 공정 혼합물 상의 체적 분율이 증대하여 경도는 크게 증가할 수 있다. 그러나 합금의 전기저항 및 자속밀도가 크게 저하하므로 0.5~2.5%범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

또한 실시예 23은 Nd 원소를 첨가한 것으로서, 특히 N금속은 희토류 원소(Sc,Y외 15종) 중, 4f 첨이금속(Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm)의 반강자성(anti-ferromagnetism) 금속원소로 합금의 자속밀도 향상에 중요하며, 원래 비저항이 순 Ni(7.0)보다 10배(예를 들면, Nd=0.646μΩ·㎝_, Pr=0.7μΩ·㎝_,)정도로 적기 때문에 합금의 저항 감소효과를 기대할 수 있다. 또한 합금 용해 시 합금 중 용존 산소량을 감소시켜 저항 감소효과가 있지만, 과잉 첨가할 경우에는 합금의 내식성 저하가 예상되므로 첨가량을 1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에서는 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 Ni-(0.1~30%)X계 합금조성에 대한 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성 분석한 결과, 대부분의 합금의 비저항은 마시젠의 규칙(Matthiessen's rule)과 혼합법칙(rule of mixture)에 의존하지만, 특히 자성은 Co 및 Fe의 함유량 증가에 비례하며, 경도는 각 합금원소의 화학적 조성에 다른 고용체 혹은 금속간화합물의 존재여부, 열처리에 의한 석출경화 및 분산효과 등이 복합적으로 작용하는 것으로 추정된다.

<표 2>

< 실시예 24 내지 69> Ni기 3원계 합금의 제조 및 물성 평가

상기 <표 1>에 나타낸 2원계 합금과 동일한 방법으로 합금잉곳을 제조 및 열처리하여, Ni-(1~10wt%)Fe(Co)-(0.05~3%)X로 표시되며 아래 <표 2>에 기재된 조성을 가지는 3원계 합금을 제조하였고, 해당 3원계 합금의 전기저항, 자속밀도 및 경도를 측정해 그 결과를 아래 <표 4>에 나타냈다.

상기 3원계 합금 중 X는 Ag, Cu, Al, Na, Be, Ca, Mg, W, Mo, Zn, Li, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, Pb, Sr, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Ga, Bi, Mn, Si, B, C, N, Rear earth, Mishmetal로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종 또는 2종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다. 단, 합금원료 준비 및 분말제조 시 불가피하게 혼입된 불순물 원소량이 질량비로 0.05% 이하인 합금에 관한 것이다.

<표 3>

<표 4>

상기한 합금잉곳의 첨가원소의 종류 및 조성에 따른 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성을 분석한 결과를 살펴보면 다음과 같다.

우선 실시예 24~69는 Ni-(1~10%)Fe(Co)계 합금에 미량(0.05~2.0%범위)의 Ag, Cu, Al, Be, Ca, Mg, W, Mo, Sn, Cr, Zr, Mn, B, C, Rear earth(Pr,Nd) 원소를 첨가하여 제조한 것이다. 여기서도 전술한 <표 1>의 실시예 6~13의 Ni-Fe 2원계에서 알 수 있는 바와 같이, Fe 및 Co 첨가량이 증가함에 따라 자속밀도는 크게 증가하지만, 경도 증대는 미비하며 전기저항은 크게 증대하므로 10% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

실시예 24~32는 Ni-(1~10%)Co계 조성에 Ag, B, C원소를 0.05~2.0%범위로 미량 첨가한 것이다. <표 1>에 나타낸 Ni-Co 2원계 합금의 경우와 마찬가지로 Co첨가량이 증가함에 따라 자속밀도 및 경도는 증가한다. 그러나 실시예 29 및 32의 시료에서 일 수 있는 바와 같이, Co의 첨가량이 10%로 증가하면 B의 첨가량이 동일한 경우에도 전기저항이 감소함을 알 수 있다. 또한 실시예 25~32의 반금속 B 및 비금속 C원소를 첨가할 경우, 합금의 전기저항은 비교적 낮고 경도는 크게 상승하지만, 자속밀도는 첨가량에 비례하여 급격하게 저하하므로 B의 함량은 3.0% 이하, C는 1% 이하로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다. 또한 Co의 함량은 합금의 자속밀도와 경도 향상을 위해 매우 효과적이지만, 과잉량 첨가는 전기저항 증가 또는 합금원가 절감을 위해 10% 이하로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

실시예 24의 Ag 원소는 비저항이 Ni의 11배 이상 적기 때문에 전기저항 감소를 위해 매우 효과적이지만, 자속밀도와 경도 향상 효과가 그다지 크지 않을 뿐만 아니라, 고가의 귀금속이므로 첨가량을 2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에서 제조한 Ni-(0.1~30%)X계 및 Ni-(1~10wt%)Fe(Co)-(0.05~3%)X계 합금의 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성에 미치는 미량의 첨가원소 효과를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

은(Ag)은 실시예 24 및 실시예 33~36에서 알 수 있는 바와 같이, Fe 첨가량에 다소 차이가 있으며, 전술한 실시예 24~32의 합금과 마찬가지로 전기저항 감소효과를 위해 효과적인 원소지만, 자성과 경도 향상에는 크게 기여하지 않고 고가의 귀금속이므로 첨가량을 2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

동(Cu)은 실시예 37에서 알 수 있는 바와 같이, 은(Ag)과 마찬가지로 전기저항의 감소효과가 크지만, 자속밀도 및 경도를 크게 감소시키는 원소이므로 첨가량을 1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 실시예 38에서 알 수 있는 바와 같이, Ag 및 Cu와 마찬가지로 Ag 및 Cu와 마찬가지로 전기저항 감소효과를 위해 효과적인 원소지만, 특히 자속밀도가 저하할 수 있다. 그러나 Al은 합금 용해 시, 합금 중 용존 산소량을 감소시켜 전기저항을 감소시킬 수 있기 때문에 첨가량을 2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

베릴륨(Be)은 실시예 39 및 40에서 알 수 있는 바와 같이, 비저항이 Ag의 1.6배 정도로 비교적 낮은 원소로 전기저항 감소효과와 함께 경도는 비교적 증가하지만, 오히려 자속밀도가 저하하므로 첨가량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)은 실시예 41 및 42에서 알 수 있는 바와 같이, 비저항이 Ag의 1.6배 정도로 상기한 베릴륨(Be)과 거의 동등하며, 합금의 전기저항의 감소효과는 크지만, 자속밀도 및 경도 특성에 영향을 미친다. 특히 이들 2종류 원소는 모두 활성 금속으로 증기압이 높아 합금제조 시 합금조성 제어가 어렵지만, 합금용해 시 용탕 중의 산소(O₂) 제거 효과가 있어 전기저항 및 자속밀도에는 유효하므로 첨가량을 2.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

텅스텐(W)은 실시예 44에서 알 수 있는 바와 같이, 합금의 주성분인 Ni보다 비저항이 비교적 작은 원소로 합금의 저항 감소효과는 물론, 고융점이므로 경도 향상에 기여할 것으로 예상되지만, 첨가량 증가에 따라 경도 상승효과가 미비할 뿐만 아니라, 전기저항이 크게 증가하므로 첨가량을 2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

주석(Sn) 및 크롬(Cr)은 실시예 46 및 실시예 47에서 알 수 있는 바와 같이, 비저항이 Ni의 약 1.9배정도 비교적 크지만, 2 종류 원소 모두 고용범위가 비교적 넓고, 특히 Sn은 Ni-rich 측에 Ni₃Sn, Cr은 Ni₂Cr 및 γ′상이 존재하므로 시효처리에 의한 석출경화에 의한 경도 향상을 다소 기대할 수 있다. 그러나 합금의 저항 및 자속밀도가 저하하므로 1.5% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

지르코늄(Zr)은 실시예 48에서 알 수 있는 바와 같이, 원래 비저항이 Ni의 약 6.5배정도로 매우 크므로 전기저항 증가가가 예상되지만, Ni-rich 측으로부터 Ni₅Zr 및 Ni₇Zr₂ 등의 금속간화합물이 존재하므로 시효처리에 의한 석출경화에 의한 경도 향상을 기대할 수 있다. 그러나 첨가량 증가에 따라 자속밀도가 저하할 수 있으므로 1.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

보론(B)은 준금속(metalloid) 원소로서, 일반적으로 비정질 연자성 합금의 형성능 증대와 함께 비저항이 크기 때문에 철손 감소효과 뿐만 아니라, 또한 경자성 합금 중 희코류 자석의 보자력(coercivity) 향상을 위해 중요한 원소이다. 그러나 <표 1>에 나타낸 Ni-B계 합금의 실시예 18~21, 그리고 <표 3>에 나타낸 Ni-Co-B 계 합금의 실시예 25~29에서 B 첨가량 효과를 설명한 바와 같이, 실시예 50~63의 Ni-Fe-B 계 합금의 경우에도 Fe 함량에 따라 다소 차이가 있지만, 동일하게 1.0%이상 첨가하면 경도는 크게 증가하는 반면에 전기저항 증대와 함께 자속밀도가 크게 저하하므로 0.1~2.0%의 범위로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

탄소(C)는 비금속 원소로서, 비저항이 Ni의 198배정도 클 뿐만 아니라, Ni-C계 및 Fe-C계 탄화물 석출이 예상되어 경도의 증대가 예상된다. 그러나 본 발명에서 시도한 Ni-Co-C계의 실시예 30~32와 Ni-Fe-C계의 실시예 64~67의 합금시료에서 알 수 있는 바와 같이, 0.3%이상 첨가하면 경도는 비교적 크게 증가하지만, 전기전도도가 크게 저하함과 동시에 자성도 감소하므로 0.05~1%범위로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

네오디뮴(Nd)과 프라세오디뮴(Pr)은 전술한 실시예 23 및 실시예 68 및 실시예 69에서 알 수 있는 바와 같이, 합금의 전기저항 감소 및 자속밀도 증대 효과를 기대할 수 있다. 그러나 경도 증대효과는 그다지 높지 않고, 내식성 저하 및 비교적 고가이므로 1.0% 이하로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

도 5에 나타낸 실시예 51 합금시료는 실시예 19(Ni-1%B)에 철(Fe)을 질량비로 2% 첨가한 시료이다. 특히 초정 Ni 상(phase)이 현저하게 미세화 됨과 동시에 층상의 공정 혼합물(공정 Ni 및 Ni₃B)에 둘러싸인 조직으로 변화함을 알 수 있으며, 아울러 합금의 물성변화는 <표 2>와 <표 4>에 나타낸 바와 같이, 전기저항은 약 2% 증가하였지만, 자성은 약 8%, 특히 경도는 약 25% 증가함을 알 수 있다.

도 6 내지 도 8은 <표 3>과 <표 4>에 나타낸 바와 같이, Ni-3.0Fe-X(x=Ag, Cu, Al, Be, Ca, Mg, W, Mo, Sn, Cr, Zr, B, C, Pr, Nd)계 합금에 첨가원소를 질량비로 0.3% 첨가하여 제조한 시료만의 물성(전기저항, 자속밀도, 경도)을 그래프로 나타낸 것이다.

도 9 내지 도 11은 <표 3> 및 <표 4>에 나타낸 실시예의 합금 중, 특히 Ni-3Fe-B계의 B원소 첨가량을 질량비로 0.2~1.0%범위로 변화시켜 제조한 합금시료의 물성(전기저항, 자속밀도, 경도) 만을 별도로 그래프로 나타낸 것이다. 특히 B의 첨가량이 증가에 따라 전기저항의 증가와 함께 자속밀도는 감소하지만, 경도는 크게 증가하므로, B의 첨가량은 0.5~3%범위로 제한하는 것이 바람직하다.

<실시예 70 내지 95> Ni기 4원계 합금의 제조 및 물성 평가

<표 5> 및 <표 6>은 본 발명의 실시예 70~95에 관한 것으로서, 특히 니켈 기(Ni based) 합금의 경도 특성을 향상시킬 목적으로 전술한 <표 1>과 <표 3>에 나타낸 Ni-(0.1~30%)X 2원계 및 Ni-(1~10wt%)Fe(Co)-(0.05~3%)X 3원계의 화학적 조성 및 열처리 특성을 토대로 하여 새롭게 시도한 4원계 합금의 조성 및 특성을 나타낸 것이다.

본 발명에 있어서 상기한 니켈 기(Ni based) 4원계 합금의 조성식은 Ni-(1~5wt%)Fe(Co)-(0.1~2.5wt%)B-(0.05~3%)X와 같다.

이들 합금의 주성분은 Ni이며, Fe 및 Co함량은 합금의 자속밀도에 미치는 영향이 크기 때문에 질량비로 1~5%로 제한하는 것이 중요하다. 그 이상 첨가할 경우, 합금의 자속밀도(Bs)는 크게 증가하지만, 전기저항이 크게 증가하며 경도(Hv) 증대 효과는 미미하며, Co는 매우 고가이므로 5.0% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 1% 이하로 첨가할 경우에는 자속밀도가 크게 저하한다.

보론(B)은 실시예 18~21의 2원계 및 실시예 25~29의 3원계 합금과 마찬가지로 1.0%이상 첨가하면 첨가량이 증가함에 따라 합금의 경도는 크게 증대하지만, 전기저항 증대와 함께 자속밀도가 감소한다. 반면에 1.0% 이하로 첨가하면 저항은 감소하지만 경도가 크게 저하한다. 따라서 첨가량을 0.1~3% 이하로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

한편 이들 4원계 합금 중, 첨가 원소 X=Ag, Al, Mg. Sn, Cr, Zr, Mn 원소의 영향에 대하여 설명하면 다음과 같다.

은(Ag)은 실시예 70~74 및 실시예 93~95에서 알 수 있는 바와 같이, 합금의 전기저항 감소를 위해 중요한 원소로서, 첨가량이 증가함에 따라 전기저항 감소효과 있지만, 0.5%이상 첨가하면 전기 저항이 증가하며, 자속밀도 저하는 물론, 경도 상승효과도 미미하므로 첨가량을 0.1~0.5%범위로 제한하는 것이 바람직하다.

<표 5>

<표 6>

알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)은 전술한 바와 같이 비교적 비저항이 적은 원소로서 합금의 전기저항 감소효과 뿐만 아니라, 경도 향상을 기대할 수 있다. <표 6>에 나타낸 실시예 75~77과 실시예 78~80에서 알 수 있는 바와 같이, 우선 전기저항의 경우 Al 및 Mg 첨가량에 따라 합금의 전기저항 감소 및 경도 상승효과가 크지만, 첨가량이 증가하면 전기저항 저하와 함께 자속밀도가 크게 저하하므로 첨가량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 특히 Fe 첨가량이 증가하면 자속밀도는 증대하지만, 전기저항이 크게 증가하므로 질량비로 3.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한 B의 첨가량 증가에 따라 경도가 크게 향상되지만, 자속밀도 저하 및 전기저항이 증가하므로 3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

주석(Sn)은 실시예 81~84에서 알 수 있는 바와 같이, Sn의 첨가량 증가에 따라 전기저항 증가하지만, 경도 증대를 기대할 수 있다. 또한 첨가량 증가에 따라 자속밀도가 감소하므로 첨가량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr) 및 지르코늄(Zr)은 실시예 85 및 86과 실시예 87 및 88에서 알 수 있는 바와 같이, 첨가량 증가에 따라 경도 특성 향상효과 있지만, 전기저항 증가하므로 첨가량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 특히 Cr의 경우 반강자성(anti-ferromagnetism) 원소로서 자속밀도는 약간 증가한다.

망간(Mn)은 실시예 89 및 90에서 알 수 있는 바와 같이, 원래 Mn도 Cr원소와 마찬가지로 반강자성 원소이므로 첨가량 증가에 따라 자속밀도는 약간 증가한다. 반면에 비저항이 Ni원소보다 약 27정도 크기 때문에 전기저항이 크게 증가하며, 경도 증대는 미미하므로 첨가량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

프라세오디뮴(Pr)은 전술한 실시예 91 및 92에서 알 수 있는 바와 같이, 첨가량 증가에 따라 합금의 전기저항 감소 및 자속밀도 증대 효과를 기대할 수 있지만, 경도의 증대 효과는 비교적 낮기 때문에 0.50% 이하로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에서 실시한 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 Ni-(0.1~30%)X의 2원계, Ni-(1~10wt%)Fe(Co)-(0.05~3%)X의 3원계 및 Ni-(1~5wt%)Fe(Co)-(0.1~2wt%)B-(0.05~3%)X의 4원계 합금의 전기저항은 첨가원소의 고비저항(고유저항)과 첨가량에 따라 큰 차이가 있으며, 특히 자속밀도는 Fe 및 Co의 첨가량에 따른 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한 합금의 경도는 B원소 첨가량이 증가함에 따라 크게 증대하지만, 전기저항이 크게 증대하였다. 또한 합금원소의 화학적 조성에 따른 고용체 혹은 금속간화합물 등 제 2상의 석출물 존재 여부가 중요하며, 시효처리에 의한 석출경화 및 분산효과 등이 크게 작용하는 것으로 확인되었다.

또한 이들 합금의 특성은 열처리 조건은 250~800℃범위에서 30분~10시간 범위에 Ar가스 분위기에서 실시한 결과로서, 열처리 전에 비해 5~30%정도의 특성 변화가 있음을 확인하였다. 그러나 이들 합금조성에 따라 최적의 열처리 조건으로 수행된다면 보다 특성은 향상될 것이다.

도 12는 상기한 합금의 실시예 중, 전술한 실시예 51의 Ni-2Fe-1.0B계 합금에 경도를 향상시키기 위해 제조한 합금으로서, (a) 실시예 72, (b) 실시예 76, (c) 실시예 79, (d) 실시예 81, (e) 실시예 85, (f) 실시예 87, (g) 실시예 89 및 (h) 실시예 91 각각 Ag, Al, Mg, Sn, Cr, Zr, Mn, Pr 를 질량비로 0.1% 첨가하여 얻어진 합금잉곳의 미세조직을 공학현미경으로 관찰한 결과이다. 이들 합금시료의 미세조직에는 큰 차이가 없지만, 물성(전기저항, 자속밀도, 경도)의 경우, 특히 Ag를 첨가한 (a)실시예 72의 시료가 실시예 51보다 전기저항이 약 3% 저하하지만, 오히려 경도는 4.5%정도 감소하였다.

그 밖에 다른 첨가원소의 물성은 원소 고유물성에 따라 차이가 있는 것으로 확인되었으며, 특히 Ag 원소를 제외한 타 원소(Ag, Al, Mg, Sn, Cr, Zr, Mn, Pr)의 경우 첨가량이 증가함에 따라 전기저항이 증대하므로 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

도 13 내지 도 15는 도 12에 나타낸 실시예 합금의 물성(전기저항, 자속밀도, 경도)을 재차 그래프로 나타낸 것이다.

이상은 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구 범위에 속한다 할 것이다.

Claims

삭제
삭제
삭제
0.1 내지 5 중량%의 Fe 또는 Co;
0.1 내지 2.5 중량%의 B; 및
0.05 내지 3 중량%의 X (단, X는 Ag, Cu, Na, Be, Ca, Mg, Zn, Li, Pt, Sn, Ta, Nb, Pb, Sr, Hf, Sb, Zr, Ti, Ga, Bi, N 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소);를 포함하고,
잔부가 Ni 및 불가피한 불순물로 구성되는 4원계 합금인 것을 특징으로 하는,
반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금.
제4항의 니켈기 합금을 포함해 이루어지는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금분말.
제5항에 있어서,
구형(球形)인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금분말.
제6항에 있어서,
입경이 3 내지 44㎛인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금분말.
제6항에 있어서,
편상비(aspect ratio)가 1 내지 3인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금분말.
제6항에 있어서,
평균 산소농도가 2000ppm 이하인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금분말.
제6항에 있어서,
비표면적이 0.3 ㎟/g 이상인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 니켈기 합금분말.