KR102245615B1 - 무연솔더 합금 조성물 - Google Patents

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KR102245615B1 KR1020190038051A KR20190038051A KR102245615B1 KR 102245615 B1 KR102245615 B1 KR 102245615B1 KR 1020190038051 A KR1020190038051 A KR 1020190038051A KR 20190038051 A KR20190038051 A KR 20190038051A KR 102245615 B1 KR102245615 B1 KR 102245615B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물은 Sn을 포함하는 합금 솔더 및 고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함한다.

Description

무연솔더 합금 조성물 {LEAD FREE SOLDER COMPOSITION}
본 발명은 무연솔더 합금 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 솔더링성 및 기계적 특성을 갖는 무연솔더 합금 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, Sn-Pb계 유연(有鉛) 솔더는 오랜 기간 동안 전자기기의 접합재료로 사용되어 왔으며, 특히 인쇄회로기판에 반도체칩이나 저항칩과 같은 소형 전자부품을 실장하기 위한 접합재로 이용되어 왔다.
그러나, 유연 솔더를 사용한 전자기기의 폐기시에 산성비에 의해 솔더 중에 함유된 납(Pb) 성분이 용출되어 지하수를 오염시키고 이것이 인체에 흡수되면 지능저하, 생식기능저하 등 인체에 해를 미치는 환경오염 물질로 지적되고 있다. 그 중에서, 유연솔더에 함유된 납(Pb)은 엄격하게 제한되고 있는 실정으로, Sn-Pb 솔더는 무연솔더로 대체되고 있다.
이러한 이유로 최근에는 솔더 합금의 제조 시, 납 사용을 규제하거나 배제함으로써 환경 친화적인 무연솔더 조성물을 개발하려는 시도가 다양하게 진행되어 왔다.
한편, 최근 Sn, Ag, Bi, Cu, In, Zn 등의 원소를 포함하는 무연솔더의 연구개발에 있어서 특히, Sn, Ag, Cu를 포함하는 조성에 관심이 높아지고 있다.
그러나 상기 언급된 무연솔더들은 각각 단점들을 가지고 있다. 예를 들어 Zn은 산화와 그에 따른 솔더링성의 감소에 예민하다. Sn-Cu 솔더는 값이 싸지만 젖음성이 좋지 않고, Ag를 포함한 솔더에서는 조대한 침상의 금속간 화합물인 Ag3Sn을 형성하기 쉽기 때문에, 솔더링성을 악화시키고 강도를 저하시킨다. 기존의 상용 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305) 솔더의 경우, 젖음성과 신뢰성은 무연솔더 중에서 우수하지만 융점이 약 221℃ 정도로 낮다.
최근 자동차용 전력 반도체에서 솔더의 사용이 증가하고 있는 추세이다. 기존의 Si 전력 반도체 모듈의 경우 소자 동작온도는 평균 150℃ 정도로, 기존의 SAC305 솔더를 이용하여 제조가 가능하였다. 그러나, 최근에는 SiC 기반의 전력 반도체가 개발 되고 있는데 이 때 소자의 동작 온도는 평균 200℃ 이상의 온도에서 구동되며, 순간적인 동작은 약 235℃ 이상이므로 기존의 솔더를 적용하기에는 한계가 있다. 이를 대체하기 위한 고온 솔더 후보로서 Au-Sn, Sn-Zn, Sn-Al 등이 있다. 그러나 Au는 값이 비싸며, Zn는 솔더의 유동성이 저하되는 단점이 있다. 또한, Cu는 젖음성이 좋지 않고 void 등의 결함 문제를 가지고 있으며, Al은 산화 특성이 강해 젖음성에 심각한 문제를 초래한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 우수한 기계적 강도와 크립 특성 및 젖음성이 양호한 Sn-Sb가 있다. 또, 저온용 부품에 사용되는 저온계 솔더로는 Sn-Bi계 솔더에 대한 연구가 진행 중에 있다. 그러나 Sb, Bi을 첨가하면 인장 강도는 증가되지만 취성이 생기고 경도를 증가시키기 때문에 통상적으로 4 내지 5% 이하로 첨가하는 경우가 대부분이다.
이러한 Sn-Sb, Sn-Bi, Sn-Ag계 솔더 문제점을 해결하기 위해, 입자 미세화 물질을 솔더 조성에 포함시킬 필요가 있는데 이러한 물질로 질화알루미늄(AlN), 이트륨 산화물(Y2O3) 및 탄화 규소(SiC) 등과 같은 세라믹 나노 분말이 존재한다. 이러한 세라믹 나노 분말 물질은 입자를 미세화 하고, 고온에서 안정되어 솔더를 강화시키는 장점이 있다. 그러나 세라믹 나노 분말 물질은 취성이 강하고, 기지인 Sn 금속과 결정격자에 차이가 있어서 솔더가 하중을 받을 때 이 세라믹 나노 분말 물질 자체가 파괴되거나 세라믹 나노 분말 물질과 Sn 금속 계면에서 균열이 발생되어 강도를 저하시키는 단점이 있다.
또한, 세라믹 나노 분말은 젖음성이 좋지 않아 세라믹 나노 복합 솔더 합금 제조시에 분말이 응집되거나 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되지 않는 단점이 있다.
또한, 구형의 나노 분말은 비 구형의 나노 분말에 비해 Sn 금속과 나노 분말 간의 기계적 결합이 비교적 약한 단점이 있다.
본 발명에서는 우수한 솔더링성 및 기계적 특성을 갖는 무연솔더 합금 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물은 Sn을 포함하는 합금 솔더 및 고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함한다.
합금 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.01 내지 1 중량부 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말은 B, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta 및 W 중 4종 이상을 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말은 Fe, Co, Cr, Ni 및 Cu를 포함하거나, Cu, Ni, Co, Fe 및 Mn을 포함하거나, Al, Co, Cu, Fe 및 Ni를 포함하거나, Co, Cr, Fe, Mn, Ni 및 Zn을 포함하거나, Ni, Co, Fe, Cr 및 Mo를 포함하거나, Ni, Co, Fe, Cr 및 Mn를 포함하거나, Cu, Ni, Co, Fe 및 Mn을 포함하거나, Fe, Co, Cr, Ni 및 W 를 포함하거나, Ta, Nb, V, Ti 및 Al을 포함하거나, W, Nb, Mo, Ta 및 V를 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말은 원소를 각각 5 내지 35at% 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말은 B, C, Mg, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Pd, Ag, Sn, Nd, Gd, Tb, Dy, Lu, Hf, Ta, W 및 Au 중 1종 이상을 0.01 내지 5at% 더 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말은 평균 입경이 10 내지 500nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 무연솔더 합금 조성물은 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말을 더 포함할 수 있다.
합금 솔더 100 중량부에 대하여, 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말을 0.01 내지 1 중량부 포함할 수 있다.
세라믹 나노 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Sr(스트론튬), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소의 산화물, 질화물, 탄화물 또는 붕소화물을 포함할 수 있다.
금속 분말은 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta 및 W 중 1종 내지 3종을 포함할 수 있다.
세라믹 나노 분말은 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말은 표면조도가 입자 평균 직경의 10% 내지 40%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물에 따르면 고 엔트로피 합금 나노 분말을 첨가함으로써 인성 및 연신율이 높고, 퍼짐성이 우수한 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 실시예 3의 FE-SEM 사진이다.
도 2는 비교예 1 의 FE-SEM 사진이다.
도 3은 실시예 8 의 FE-SEM 사진이다.
도 4는 비교예 2의 FE-SEM 사진이다.
도 5는 실시예 12의 FE-SEM 사진이다.
도 6은 비교예 3의 FE-SEM 사진이다.
도 7 내지 도 10은 실험예 2에서 측정한 인장 강도 및 연신율 측정 결과 그래프이다.
도 11은 실험예 3에서 측정한 퍼짐성 측정 결과 그래프이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
무연 솔더 합금 조성물
본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물은 Sn을 포함하는 합금 솔더 및 고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함한다.
Sn을 포함하는 합금 솔더는 Sn-Bi계, Sn-Sb계, Sn-Ag계가 될 수 있다.
Sn-Bi계 합금 솔더는 구체적으로, Sn-Bi 합금 솔더 전체 100 중량%에 대하여, Bi: 20 내지 70 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
Sn-Sb계 합금 솔더는 구체적으로, Sn-Sb 합금 솔더 전체 100 중량%에 대하여, Sb: 0.1 내지 30 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
Sn-Ag계 합금 솔더는 구체적으로, Sn-Ag 합금 솔더 전체 100 중량%에 대하여, Ag: 0.1 내지 30 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
Sn-Ag계 합금 솔더는 Cu를 더 포함하는 Sn-Ag-Cu계 합금 솔더 일 수 있다. Cu를 더 포함하는 경우, Ag: 0.1 내지 30 중량%, Cu: 0.1 내지 30 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금은 4개 이상의 원소가 등 몰비로 구성되거나 각 원소의 함량이 5 내지 35 at% 범위인 다성분 합금이다. 또한, 엔트로피의 크기에 기초하여 고 엔트로피 합금은 높은 엔트로피[(SSS, Ideal > 1.61R), SS - 고용체; R 기체상수]를 가지고 금속간 화합물의 형성보다 단일 고용체 상을 선호한다. 완전히 불규칙하게 배열된 고 엔트로피 고용체 상의 결정 구조는 FCC(face centered cubic), BCC(body centered cubic) 또는 HCP(hexagonal close packed)를 포함한다.
이러한 고 엔트로피 합금은 심각한 격자 왜곡으로 인한 고강도 및 인성, 인코넬(Inconel)과 같은 초합금보다 우수한 고온 강도, 구조적 안정성을 가지며 크리프 저항성과 확산속도가 낮고, 용접성이 좋으며, 변형경화 능력이 크고, 유동응력의 변형률 민감도가 높은 특성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서는 고 엔트로피 합금을 합금 솔더와 함께 첨가함으로써, 솔더의 기지조직과 솔더에 존재하는 금속간화합물을 균일하게 미세화하여 합금의 강도 및 연성을 향상시킬 수 있다. 또한, 솔더의 균열을 방지하고 공동(Cavity)의 생성을 억제할 수 있다. 이에 따라 전자기기와 접합되는 솔더링부의 손상을 막고, 솔더링부의 신뢰도와 수명을 증가시킬 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 1 중량부 첨가할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말이 너무 적게 첨가되면, 전술한 금속간화합물의 미세화 효과를 기대하기 어렵다. 반대로 고 엔트로피 합금 나노 분말이 너무 많이 첨가되면, 응집 (Agglomeration)에 의해 전술한 역할을 원활히 하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 고 엔트로피 합금 나노 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.03 내지 0.5 중량부 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 고 엔트로피 합금 나노 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 0.2 중량부 첨가할 수 있다.
전술하였듯이, 고 엔트로피 합금 나노 분말은 4종 이상의 원자를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 4종 내지 7종의 원자를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 5종 내지 6종의 원자를 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말에 포함되는 원소 종류로는 B, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta 및 W 중 에서 선택될 수 있다.
일 예로, 전술한 원자의 조합 중에서도 Fe, Co, Cr, Ni 및 Cu를 포함하거나, Cu, Ni, Co, Fe 및 Mn을 포함하거나, Al, Co, Cu, Fe 및 Ni를 포함하거나, Co, Cr, Fe, Mn, Ni 및 Zn을 포함하거나, Ni, Co, Fe, Cr 및 Mo를 포함하거나, Ni, Co, Fe, Cr 및 Mn를 포함 하거나, Ta, Nb, V, Ti 및 Al을 포함하거나, W, Nb, Mo, Ta 및 V를 포함할 수 있다. 전술한 조합이 강도 및 연성 면에서 더욱 우수하다.
전술한 원소 외에도 고 엔트로피 합금 나노 분말은 미량원소 (trace element)로서, B, C, Mg, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu Zn, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Pd, Ag, Sn, Nd, Gd, Tb, Dy, Lu, Hf, Ta, W 및 Au 중 1종 이상을 0.01 내지 5at% 더 포함할 수 있다. 이 때, 추가 원소(보조 원소)와 전술한 5 내지 35at% 포함된 주 원소의 종류가 중복되는 경우, 주 원소 종류를 제외하고 추가되는 것을 의미한다. 더욱 구체적으로 상기 원소를 0.01 내지 3at% 더 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말은 평균 입경이 10 내지 500nm일 수 있다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 입경이 너무 작을 경우, 고 엔트로피 합금 나노 분말 간에 응집 현상이 일어나, 오히려 솔더링성이 저하될 수 있다. 평균 입경이 너무 클 경우, 솔더의 기지조직과 솔더에 존재하는 금속간화합물의 미세화 효과가 크지 않을 수 있다. 더욱 구체적으로 고 엔트로피 합금 나노 분말은 평균 입경이 30 내지 100nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 무연솔더 합금 조성물은 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말을 더 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말과 함께 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말을 더 첨가함으로써, 솔더의 기지조직과 솔더에 존재하는 금속간화합물의 미세화 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 세라믹 나노 분말을 첨가하는 것이 금속 분말을 첨가하는 경우에 비해, 상승 효과가 더욱 우수할 수 있다.
세라믹 나노 분말 또는금속 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 1 중량부 첨가할 수 있다.
세라믹 나노 분말 또는 금속 분말이 너무 적게 첨가되면, 전술한 금속간화합물의 미세화 효과를 기대하기 어렵다. 반대로 너무 많이 첨가되면, 응집에 의해 전술한 역할을 기대하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.03 내지 0.5 중량부 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 0.2 중량부 첨가할 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말은 그 합량으로 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 1 중량부 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말은 그 합량으로 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.03 내지 0.5 중량부 첨가할 수 있다.
세라믹 나노 분말은 B(붕소), Ti(티타늄), Al(알루미늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Y(이트륨), La(란타늄), Sn(주석), Si(실리콘), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Sr(스트론튬), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소의 산화물, 질화물, 탄화물 또는 붕소화물을 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로 Al, Y, La, Ti, Sr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소의 산화물, 질화물, 탄화물 또는 붕소화물을 포함할 수 있다.
고 엔트로피 합금에 포함되는 미량 원소 금속 분말은 금속이 1종 내지 3종 포함된 금속 분말로서, 4종 이상의 금속을 포함하는 고 엔트로피 합금 나노 분말과 구분된다.
금속 분말은 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta 및 W 중 1종 내지 3종을 포함할 수 있다.
세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말은 평균 입경이 10 내지 500nm일 수 있다. 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말의 입경이 너무 작을 경우, 분말 간에 응집 현상이 일어나, 오히려 솔더링성이 저하될 수 있다. 평균 입경이 너무 클 경우, 솔더의 기지조직과 솔더에 존재하는 금속간화합물의 미세화 효과가 크지 않을 수 있다. 더욱 구체적으로 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말은 평균 입경이 30 내지 100nm일 수 있다.
세라믹 나노 분말은 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다. 세라믹 나노 분말 표면에 코팅층이 형성될 경우, 솔더가 첨가제의 표면에 웨팅된다. 이에 따라 솔더의 표면장력에 의해 세라믹 나노 분말을 솔더의 내부로 끌어당기게 되고, 솔더의 내부로 세라믹 나노 분말의 확산이 일어날 수 있다. 따라서 무연솔더 합금 조성물의 퍼짐성 및 젖음성이 향상될 수 있다.
코팅층은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
구체적으로, 코팅층은 세라믹 나노 분말의 표면을 감싸며, 평균 두께가 20 내지 500Å일 수 있다. 코팅층의 평균 두께가 너무 얇을 경우, 세라믹 나노 분말의 젖음성 향상 및 응집 방지 효과가 미미할 수 있다. 반면, 너무 두꺼울 경우, 코팅 금속에 따라서 과도한 금속간화합물이 형성될 수 있으며, 공정 비용 및 공정 시간의 문제가 발생할 수 있다. 구체적으로, 평균 두께가 50 내지 400Å일 수 있다. 보다 구체적으로, 100 내지 300 Å일 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말은 표면에 볼록한 부분과 오목한 부분이 불규칙하게 반복되는 요철 구조가 형성될 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말표면에 형성된 볼록한 부분과 오목한 부분이 불규칙하게 반복되는 요철 구조의 존재로 인해 앵커 효과(anchor effect)에 따라 솔더가 첨가제 표면의 오목한 부분이나 빈 구멍에 혼입될 수 있다. 결과적으로 기계적 결합력이 증가하게 되어 솔더링부의 강도 및 연성이 향상될 수 있다. 또한, 솔더내 균열 전파시 세라믹 입자를 만나면 균열은 주로 세라믹 입자 표면을 따라 전파되는데, 요철부를 가진 세라믹 분말은 구형 분말에 비해 균열의 진행 방향 변화 및 균열의 전파 거리 증가에 따라 균열 진행이 지연된다. 이로 인해 솔더의 파괴가 지연되어, 솔더링부의 강도 및 연성이 향상될 수 있다. 구체적으로 고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말은 표면 조도가 입자 평균 직경의 10% 내지 40%일 수 있다.
고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말은 비정형으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 땜납재로 사용될 수 있다. 구체적으로, 솔더 페이스트(paste), 솔더볼, 솔더 봉(bar), 솔더 와이어 등과 이를 활용한 전자제품의 납땜에 사용될 수 있다.
현대의 전자기기들은 고 집적, 저 전력 또는 휴대성, 크기, 작동 전압 등의 요구를 충족시키기 위해서 점점 더 작아지고 있다. 여기서 하나의 심각한 이슈는 전자기기의 솔더링부의 젖음성과 강도이다. 이를 개선하기 위해 향상된 젖음성과 미세화된 금속간화합물로 이루어진 솔더에 대한 요구가 증가하고 있으며 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 이러한 단점을 개선하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
무연 솔더 합금 조성물 제조방법
본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물 제조방법은 특별히 제한되지 아니한다.
일 예로 하기 방법을 사용할 수 있다.
고 엔트로피 합금 원료물질을 분쇄하고, 혼합하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조하는 단계, Sn을 포함하는 합금 솔더를 용융하는 단계 및 용융된 합금 솔더에 고 엔트로피 합금 나노 분말을 첨가한 후, 교반하여 조성물을 제조하는 단계를 포함한다.
세라믹 나노 분말을 더 포함하는 경우, 용융된 합금 솔더에 고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 나노 분말을 첨가한 후, 교반하여 조성물을 제조할 수 있다.
용융된 솔더 대신 솔더 분말에 고 엔트로피 합금 나노 분말을 첨가하거나, 고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 나노 분말을 첨가한 후 교반하여 솔더 조성물을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 아니한다. 일 예로 고 엔트로피 합금 원료물질을 분쇄하고, 혼합하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조하는 단계는 고 엔트로피 합금 원료물질을 볼밀링하는 방법으로 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조할 수 있다.
세라믹 나노 분말은 세라믹 원료 물질을 분쇄하여 제조한다. 수평, 수직으로 회전 가능한 베슬(vessel)과 베슬 내에 배치되며, 칼날 형태의 임펠러(impeller)를 이용하여 공전 및 자전 원리를 통해 세라믹을 분쇄할 수 있다.
구체적으로, 10 내지 50rpm으로 회전하는 베슬 및 베슬 내에서 3000 내지 14000rpm으로 회전하는 임펠러를 이용하여 비정형의 세라믹 나노 분말이 포함되도록 세라믹 나노 분말을 제조할 수 있다.
임펠러의 회전속도가 베슬의 회전속도보다 빠를 경우, 세라믹 나노 분말이 원심력에 의해 베슬의 내벽에 달라붙어 임펠러와의 접촉이 잘 이루어지지 않는 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라 분쇄 효율을 증대시킬 수 있다.
베슬 및 임펠러의 회전속도가 상기 범위를 만족함으로써 에너지 효율을 높임에 따라 효율적으로 텅스텐을 분쇄할 수 있으며, 비정형의 세라믹 나노 분말을 제조할 수 있다.
플라즈마 에칭 및 스퍼터링 중 하나 이상을 수행하여 세라믹 나노 분말의 표면을 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이를 통해 표면에 불규칙한 형태의 미세홈이 형성되도록 한다. 이는 코팅층을 이루는 금속 재질과의 결합력을 증대시키기 위함이다.
구체적으로, CF4 + O2 gas가 사용될 수 있다. 25 내지 40mTorr의 진공도 하에서 50 내지 150분 동안 플라즈마 에칭될 수 있다. 0.01 내지 1mbar의 진공도 하에서 20 내지 40mA의 전류로 80 내지 200초 동안 스퍼터링 될 수 있다.
세라믹 나노 분말 표면을 금속 재질로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 세라믹 나노 분말의 젖음성을 개선하기 위한 단계이다. 금속 코팅하지 않은 세라믹 나노 분말을 그대로 합금 솔더와 혼합할 경우, 세라믹 나노 분말은 젖음성이 좋지 않기 때문에 솔더의 부력에 의해 세라믹 분말이 위로 밀려날 확률이 크다.
반면, 세라믹 나노 분말 표면이 금속 재질로 코팅될 경우, 솔더가 첨가제의 표면에 웨팅되고, 솔더 표면장력에 의해 첨가제를 내부로 끌어당기기 때문에 Sn-Bi 합금 솔더의 내부로 첨가제의 확산이 일어날 수 있다. 이로 인해 세라믹 나노 분말과 합금 솔더 기지 간의 기계적 결합력 및 혼합력이 향상될 수 있다.
구체적으로, 세라믹 나노 분말 표면은 물리적 증착법(PVD), 화학적 증착법(CVD)과 같은 금속 증기 증착법 혹은 무전해 도금법에 의해 코팅될 수 있다.
또한, 스퍼터 코터(sputter coater)가 이용될 수 있으며, 20 내지 60mA의 전류로 70 내지 280초 동안 코팅할 수 있다. 이와 같은 조건을 만족함으로써 세라믹 나노 분말 표면에 균일한 금속 재질의 코팅층 증착 효과를 기대할 수 있다.
세라믹 나노 분말의 제조 이후에는 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 중 하나 이상을 수행하여 세라믹 나노 분말의 표면을 가공하는 단계를 거칠 수 있다.
세라믹 나노 분말의 표면에 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 중 하나 이상의 공정을 수행함으로써 코팅층이 형성된 세라믹 나노 분말의 표면에 볼록한 부분과 오목한 부분이 불규칙하게 반복되는 요철 구조가 형성될 수 있다. 이와 같은 요철 구조의 형성으로 인해 앵커 효과(anchor effect)에 따라 Sn-Bi 합금 솔더가 첨가제 표면의 오목한 부분이나 빈 구멍에 혼입될 수 있다. 결과적으로 기계적 결합력이 증가하게 되어 솔더링부의 강도 및 연성이 향상될 수 있다.
구체적으로, CF4 + O2 gas가 사용될 수 있다. 25 내지 40mTorr의 진공도 하에서 50 내지 150분간 플라즈마 에칭될 수 있다. 0.01 내지 1mbar의 진공도 하에서 20 내지 40mA의 전류로 80 내지 200초 동안 스퍼터링 될 수 있다.
합금 솔더를 용융하는 단계에서는 합금 솔더를 전기로에서 가열하여 용융시킬 수 있다. 구체적으로는, 200 내지 800℃의 온도에서 용융될 수 있다.
조성물을 제조하는 단계에서는 고 엔트로피 합금 나노 분말 또는 고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 분말과 용융된 합금 솔더를 혼합하고 교반함으로써 무연솔더 합금 조성물을 제조할 수 있다.
구체적으로, 100 내지 500rpm으로 회전하는 프로펠러를 이용하여 10 내지 50분 동안 교반할 수 있다. 프로펠러의 속도가 100rpm 미만일 경우, 교반이 불충분하게 되어 나노 분말이 엉키기 쉬워 분산효과가 크지 않을 수 있다. 500rpm을 초과할 경우, 솔더가 튈 수 있다. 또한, 대기 중 교반일 경우, 솔더의 산화가 심화될 수 있다. 따라서 프로펠러의 회전속도는 상기 범위로 제어한다.
프로펠러는 스테인리스 스틸 재질이 이용될 수 있으며 이 경우, 프로펠러의 표면과 솔더의 반응성이 낮아 교반 효율이 향상될 수 있다. 또한, 축의 직경 값보다 얇은 두께를 갖는 판 형태의 4날 프로펠러가 이용될 수 있다. 이에 따라 첨가제의 응집 현상을 방지하고, 용융 솔더 내부에 첨가제를 균일하게 분산시키는 효과를 기대할 수 있다.
조성물을 제조하는 단계 이후, 교반된 조성물을 관통홀에 통과시킴으로써 솔더볼로 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
교반되어 용융된 상태의 조성물을 오리피스 판과 같이 일정한 크기를 갖는 관통홀에 통과시키는 과정을 거침으로써 솔더볼 형태로 제조하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물 제조방법은 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조하는 단계, Sn을 포함하는 합금 솔더를 분말 형태로 준비하는 단계 및 고 엔트로피 합금 나노 분말 및 분말 형태의 합금 솔더를 혼합하여 페이스트로 제조하는 단계를 포함한다.
고 엔트로피 합금 나노 분말 또는 고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 분말을 제조하는 단계에 대한 설명은 상기한 무연 솔더 합금 조성물 제조방법에 대한 설명으로 대신한다.
이후, Sn을 포함하는 합금 솔더를 분말 형태로 준비하고, 앞서 제조한 고 엔트로피 합금 나노 분말 또는 고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 분말과 혼합하되, 플럭스(Flux)를 함께 혼합하여 솔더 페이스트 형태로 제조한다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예: Sn-Sb 솔더 합금 조성물의 제조
실시예 1
Fe 분말, Co 분말, Cr 분말, Ni 분말, Cu 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Fe, Co, Cr, Ni 및 Cu 을 각각 20at% 포함하는 Fe-Co-Cr-Ni-Cu 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조하였다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 평균 입경은 약 140 nm였다.
베슬을 20rpm으로 회전시키고, 임펠러를 4000rpm으로 회전시켜 20분간 SiC을 분쇄하였다. 이를 통해 100nm 이하 크기의 비정형의 SiC 분말을 제조하였다.
다음으로, SiC 분말 표면을 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 하였다. 플라즈마 에칭을 위해 95%CF4 + 5%O2 gas를 사용하였으며, 25mTorr의 진공도에서 약 60분간 에칭 하였다. 또한, 스퍼터링 조건은 상온에서 약 300초 동안 실시하였으며, 1 mbar 진공도에서 약 40mA 전류로 스퍼터링 하였다.
이후, SiC 분말 표면을 스퍼터링하여 Au 금속 코팅하였다. 코팅된 금속의 두께는 약 300Å였다.
다음으로, 첨가제 표면을 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 하였다. 플라즈마 에칭을 위해 95%CF4 + 5%O2 gas를 사용하였으며, 25mTorr의 진공도에서 약 40분간 에칭 하였다. 또한, 스퍼터링 조건은 상온에서 약 300초 동안 실시하였으며, 1 mbar 진공도에서 약 40mA 전류로 스퍼터링 하였다.
Sn-5.0wt%Sb 솔더를 대기 및 질소분위기의 350℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.025 중량부, SiC 분말을 0.025 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 실시하되, 고 엔트로피 합금 나노 분말 0.075중량부, SiC 분말 0.075중량부 첨가하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일하게 실시하되, 고 엔트로피 합금 나노 분말 0.1 중량부, SiC 분말 0.1 중량부 첨가하였다.
실시예 4
실시예 1과 동일하게 실시하되, 고 엔트로피 합금 나노 분말 0.25 중량부, SiC 분말 0.25 중량부 첨가하였다.
실시예 5
Cu 분말, Ni 분말, Co 분말, Fe 분말, Mn 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여,
Cu, Ni, Co, Fe, Mn을 각각 20at% 포함하는 Cu-Ni-Co-Fe-Mn 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조하였다. 분말의 평균 입경은 약 130nm 였다.
Sn-5.0wt%Sb 솔더를 대기 및 질소분위기의 350℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.1 중량부, Cu6Sn5 분말을 0.1 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
실시예 6
Al 분말, Co 분말, Cu 분말, Fe 분말, Ni 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Al: 7.5 at%, Co: 25 at%, Cu: 17.5 at%, Fe: 25 at% 및 Ni: 25 at% 포함하는 Al-Co-Cu-Fe-Ni 고 엔트로피 합금 나노 분말을 제조하였다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 평균 입경은 약 150 nm였다.
Sn-5.0wt%Sb 솔더를 대기 및 질소분위기의 350℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.1 중량부, La2O3 나노 분말을 0.1 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
실시예 7
Co 분말, Cr 분말, Fe 분말, Mn 분말, Ni 분말 및 Zn 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Co: 20 at%, Cr: 20 at%, Fe: 20 t%, Mn: 5 at%, Ni: 20 at% 및 Zn: 15 at% 포함하는 Co-Cr-Fe-Mn-Ni-Zr 분말을 제조하였다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 평균 입경은 약 120 nm였다.
Sn-5.0wt%Sb 솔더를 대기 및 질소분위기의 350℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.1 중량부, SrTiO2 분말을 0.1 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
비교예 1
고 엔트로피 합금 나노 분말 및 ceramic 분말의 첨가 없이 Sn-5.0wt%Sb 솔더를 이용하였다.
실시예: Sn-Bi 솔더 합금 조성물의 제조
실시예 8
Ni 분말, Co 분말, Fe 분말, Cr 분말 및 Mo 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Ni: 20 at%, Co: 20 at%, Fe: 20 at%, Cr: 20 at% 및 Mo: 20 at% 포함하는 Ni-Co-Fe-Cr-Mo 분말을 제조하였다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 평균 입경은 약 130 nm였다.
Sn-57wt%Bi 솔더를 대기 및 질소분위기의 280℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.1 중량부, SiC 분말을 0.1 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
실시예 9
Ni 분말, Co 분말, Fe 분말, Cr 분말 및 Mo 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Ni: 20 at%, Co: 20 at%, Fe: 20 at%, Cr: 20 at% 및 Mo: 20 at% 포함하는 Ni-Co-Fe-Cr-Mo 분말을 제조하였다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 평균 입경은 약 120 nm였다.
Sn-57wt%Bi 솔더를 대기 및 질소분위기의 280℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.375 중량부, SiC 분말을 0.375 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
비교예 2
고 엔트로피 합금 나노 분말 및 추가 분말의 첨가 없이 Sn-57wt%Bi 솔더를 이용하였다.
실시예: Sn-Ag-Cu 솔더 합금 조성물의 제조
실시예 10
Ni 분말, Co 분말, Fe 분말, Cr 분말 및 Mo 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Ni: 20 at%, Co: 20 at%, Fe: 20 at%, Cr: 20 at% 및 Mo: 20 at% 포함하는 Ni-Co-Fe-Cr-Mo 분말을 제조하였다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 평균 입경은 약 130 nm였다.
Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더를 대기 및 질소분위기의 350℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.1 중량부, SiC 나노 분말을 0.1 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
실시예 11
Cu 분말, Ni 분말, Co 분말, Fe 분말 및 Mn 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Cu 20 at%, Ni 20 at%, Co 20 at%, Fe 20 at% 및 Mn 20 at%포함하는 Cu-Ni-Co-Fe-Mn 분말을 제조하였다. 고 엔트로피 합금 나노 분말의 평균 입경은 약 180 nm였다.
Sn-3wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더를 대기 및 질소분위기의 350℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.2 중량부 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
비교예 3
고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 또는 금속 분말의 첨가 없이 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더를 이용하였다.
비교예 4
고 엔트로피 합금 나노 분말 첨가 없이, Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더 100 중량부에 대하여, SiC 분말을 0.25 중량부 첨가하였다. 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
비교예 5
고 엔트로피 합금 나노 분말 첨가 없이, Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더 100 중량부에 대하여, Ni 나노 분말을 0.2 중량부 첨가하였다. 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 30분간 교반시켰다.
실험예 1: 미세 조직 특성 평가
솔더 응고 후, 샘플을 채취하여 연마 에칭한 후 미세 구조를 관찰하였다.
실시예 및 비교예의 결정립을 비교해 보면, 실시예 3의 평균 결정립이 가장 미세화 되었으며, 실시예 8 및 실시예 10의 경우 실시예 1 대비 미세화 효과가 적었지만 비교예 대비 미세화 효과를 확인할 수 있었다.
도 1은 실시예 3, 도 2는 비교예 1, 도 3은 실시예 8, 도 4는 비교예 2, 도 5는 실시예 10, 도 6은 비교예 3의 FE-SEM 사진을 나타낸다.
합금 솔더 고 엔트로피 합금 나노 분말(중량부) SiC(중량부) 금속 간 입자 (㎛)
실시예 3 Sn-5wt%Sb 0.1 0.1 1.7 ± 0.8 μm
비교예 1 Sn-5wt%Sb - - 4.9 ± 2.3 μm
실시예 8 Sn-57wt%Bi 0.1 0.1 2.9 ± 1.4 μm
비교예 2 Sn-57wt%Bi - - 6.2 ± 3.3 μm
실시예 10 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 0.1 0.1 15.8 ± 4.7 μm
비교예 3 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu - - 51.2 ± 2.8 μm
실험예 2 : 인장 강도 및 연신율 측정
실시예 및비교예에 대해 인장 시험 및 연신율을 측정하였다.
인장강도는 ASTM: E8-M01 and KSB0801 방법으로 시험하였다.
연신율은 ASTM: E8-M01 and KSB0801 방법으로 시험하였다.
하기 표 2 내지 표 5 및 도 7 내지 도 10에서 측정 결과를 표시하였다.
합금 솔더 고 엔트로피 합금 나노 분말 고 엔트로피 합금 나노 분말(중량부) SiC(중량부) 인장 강도(MPa) 연신율(%)
실시예 1 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu 0.025 0.025 38.52 ± 0.09 18.38 ± 0.21
실시예 2 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu 0.075 0.075 38.73 ± 0.13 26.21 ± 0.26
실시예 3 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu 0.1 0.1 38.66 ± 0.16 27.28 ± 0.24
실시예 4 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu 0.25 0.25 38.96 ± 0.12 20.91 ± 0.21
비교예 1 Sn-5wt%Sb - - - 39.60 ± 0.1 14.85 ± 0.19
합금 솔더 고 엔트로피 합금 나노 분말 종류 (0.1 중량부) 추가 분말(0.1 중량부) 인장 강도(MPa) 연신율(%)
실시예 3 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu SiC 38.66 ± 0.16 27.28 ± 0.24
실시예 5 Sn-5wt%Sb CuNiCoFeMn Cu6Sn5 36.2 ± 0.44 26.2 ± 0.26
실시예 6 Sn-5wt%Sb AlCoCuFeNi La2O3 39.3 ± 0.63 27.65 ± 0.24
실시예 7 Sn-5wt%Sb CoCrFeMnNiZn SrTiO2 39.1 ± 0.31 24.38 ± 0.21
비교예 1 Sn-5wt%Sb - - 39.60 ± 0.1 14.85 ± 0.19
합금 솔더 고 엔트로피 합금 나노 분말 종류 고 엔트로피 합금 나노 분말(중량부) SiC(중량부) 인장 강도(MPa) 연신율(%)
실시예 8 Sn-57wt%Bi NiCoFeCrMo 0.1 0.1 63.94 ± 0.31 34.45 ± 0.4
실시예 9 Sn-57wt%Bi NiCoFeCrMo 0.375 0.375 66.81 ± 0.1 30.46 ± 0.3
비교예 2 Sn-57wt%Bi - - - 65.44 ± 0.2 28.13 ± 0.3
합금 솔더 고 엔트로피 합금 나노 분말 추가 분말 인장 강도(MPa) 연신율(%)
실시예 10 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu NiCoFeCrMo (0.1 중량부) SiC (0.1 중량부) 57.99 ± 0.24 23.03 ± 0.18
실시예 11 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu CuNiCoFeMn (0.2 중량부) - 57.68 ± 0.11 21.33 ± 0.13
비교예 3 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu - - 59.88 ± 0.23 16.65 ± 0.09
비교예 4 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu - SiC (0.25 중량부) 59.54 ± 0.36 17.96 ± 0.21
비교예 5 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu - Ni (0.2 중량부) 58.72 ± 0.12 18.38 ± 0.12
실험예 3 : 퍼짐성 측정
실시예 및 비교예에 대해 퍼짐성을 측정하였다.
퍼짐성 시험의 경우, 대략적으로 0.03g의 플럭스(flux)와 약 0.3g의 시료 솔더 합금을 구리 박판의 중앙에 놓는다. 그리고 구리 박판은 250℃에서 유지되는 용융 솔더 조(bath)에 올려놓는다. 시료 솔더는 곧 용융되기 시작하며 30초 후에 구리 박판을 솔더 조에서 꺼내고 상온에서 식혀서 퍼짐 비율을 측정하였다.
JIS-Z-3197 표준 측정법을 이용하여 측정하였다.
그 결과를 하기 표 6 및 도 11에 나타내었다.
합금 솔더 고 엔트로피 합금 나노 분말 추가 분말 퍼짐성(%)
비교예 1 Sn-5wt%Sb - - 68.6 ± 0.11
실시예 1 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.025 중량부) SiC (0.025 중량부) 68.9 ± 0.15
실시예 2 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.075 중량부) SiC (0.075 중량부) 69.2 ± 0.16
실시예 3 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.1 중량부) SiC (0.1 중량부) 69.4 ± 0.17
실시예 4 Sn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.25 중량부) SiC (0.25 중량부) 68.7 ± 0.16
실시예 5 Sn-5wt%Sb CuNiCoFeMn (0.1 중량부) Cu6Sn5 (0.1 중량부) 70.2 ± 0.17
실시예 6 Sn-5wt%Sb AlCoCuFeNi (0.1 중량부) La2O3 (0.1 중량부) 69.4 ± 0.14
실시예 7 Sn-5wt%Sb CoCrFeMnNiZn (0.1 중량부) SrTiO2 (0.1 중량부) 69.9 ± 0.13
비교예 2 Sn-57wt%Bi - - 72.1 ± 0.12
실시예 8 Sn-57wt%Bi NiCoFeCrMo (0.1 중량부) SiC (0.1 중량부) 73.5 ± 0.15
실시예 9 Sn-57wt%Bi NiCoFeCrMo (0.375 중량부) SiC (0.375 중량부) 72.9 ± 0.19
비교예 3 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu - - 74.7 ± 0.09
비교예 4 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu - SiC (0.2 중량부) 74.9 ± 0.15
비교예 5 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu Ni (0.2 중량부) 75.1 ± 0.13
실시예 10 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu NiCoFeCrMo (0.1 중량부) SiC (0.1 중량부) 75.1 ± 0.17
실시예 11 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu CuNiCoFeMn (0.2 중량부) - 75.3 ± 0.16
본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (13)

  1. 합금 솔더 전체 100 중량%에 대하여, Bi: 20 내지 70 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금 솔더 및
    고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 상기 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.01 내지 1 중량부 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고 엔트로피 합금 나노 분말은 B, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta 및 W 중 4종 이상을 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고 엔트로피 합금 나노 분말은 Fe, Co, Cr, Ni 및 Cu를 포함하거나, Cu, Ni, Co, Fe 및 Mn을 포함하거나, Al, Co, Cu, Fe 및 Ni를 포함하거나, Co, Cr, Fe, Mn, Ni 및 Zn을 포함하거나, Ni, Co, Fe, Cr 및 Mo를 포함하거나, Ni, Co, Fe, Cr 및 Mn를 포함하거나, Cu, Ni, Co, Fe 및 Mn을 포함하거나, Fe, Co, Cr, Ni 및 W를 포함하거나, Ta, Nb, V, Ti 및 Al을 포함하거나, W, Nb, Mo, Ta 및 V를 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 고 엔트로피 합금 나노 분말은 원소를 각각 5 내지 35at% 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
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