KR20030017784A - 전단 크리프 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접이나 땜납에 사용되는 금속재료의 크리프 시험을 행하는 장치이다. 구조물의 용접부위나 솔더 접합부에 작용하는 가장 큰 응력은 전단응력이다. 솔더 접합부의 경우 솔더자체의 용융온도가 낮아 상온이라 하더라도 0.6Tm(Tm:솔더의 용융온도) 이상에 해당하므로 금속의 고온특성을 갖는다. 따라서 솔더 접합부의 변형은 온도의존 변형특성 뿐만 아니라, viscoplastic거동과 같은 시간의존특성을 이해하는 것이 중요하며, 이와 관련된 중요한 특성이 크리프이다. 대부분 솔더는 -40℃정도의 낮은 온도에서도 크리프 거동을 나타낼 정도로 솔더에서 크리프특성은 중요하다.

본 발명은 이러한 전단응력에 대한 전단크리프 특성을 정확하게 시험하는 시험장치에 관한 것으로, 도 4 와 도 5와 같은 버어니어가 장착되고 회전가능 한 크리프 시험장치의 지그를 통해 모멘트로 인한 전단크리프 시험의 오차를 최소화하고, 도 6의 장치는 온도와 진동의 영향을 최소화함으로써 정확한 전단 크리프 시험을 가능하게 한 전단크리프 시험장치이다

Description

전단 크리프 시험장치{shear creep test apparatus}

본 발명은 용접이나 솔더에 의해 접합된 부위에 대한 크리프 시험을 행하는 장치이다. 더욱 상세하게는 전단응력에 대한 전단크리프 특성을 정확하게 시험하는 시험장치에 관한 것이다.

전단시험은 기존의 솔더나 용접재료 자체의 인장시험과 접합부의 인장시험(but joint 인장시험)의 한계를 극복하기 위해 실시하는 시험이다.

용접재료나 솔더 자체만을 인장시험 할 경우에는 기판과의 반응에 의해 생성된 금속간 화합물과 기판이 기계적 성질에 미치는 영향을 고려할 수 없다. 따라서 용접재료나 솔더 자체의 미세조직과 여러가지 기계적 특성들(인장강도, 경도, 충격시험)을 용접재료/철판 또는 솔더/기판 접합부의 특성으로 간주할 수 없다.

접합부(but joint)를 인장시험하는 경우는 시효에 따라 계면반응의 두께가 증가하여 인장강도가 감소하므로 계면반응 특성에 관한 정보는 알 수 있다. 그것은 인장시험에서 접합부에 가해진 응력이 접합면에 대해 수직응력(인장 또는 압축응력)이기 때문이다. 그러나 실장에서의 솔더는 대부분 Cu등의 기지금속에 접합된 상태로 사용되는데, 이렇게 실장된 솔더에 가해지는 응력중에서 주된 응력은 접합면에 대해 평행인 전단응력이다. 즉 인장 또는 압축보다는 전단응력이 접합부의 파괴에 가장 크게 기여한다. 그러므로 현실적으로는 전단응력이 의미가 있으므로 전단시험을 하는 것이 바람직하다.

또한 실장에서는 최근 전자회로의 고집적화로 인하여 제품의 사용에 따른 열의 발생이 많아지고, 자동차에서는 연료효율을 증가시키기 위해서 형태를 유선형으로 만들고 냉각을 위한 공기의 흡입을 줄이고 있어 결과적으로 후드하부의 온도가 상승하여 약 180℃까지 다다른다고 하였다. 이러한 온도에서 크리프에 의한 솔더의 고온변형으로 인하여 재료의 전체변형에 미치는 영향이 커지게 되어, 환경적 요인이 솔더 접합부의 신뢰성에 영향을 주고있다.

본 발명은 이러한 전단응력에 대한 전단크리프 특성을 정확하게 시험하는시험장치에 관한 것이다. 크리프시험장치에서는 전단응력이 작용하는 금속부위에 회전모멘트를 최소화하기 위하여 하중 축의 중심에 시료의 중심이 정확하게 오게 하는 것이 중요하다. 따라서 시험편 jig에 버어니어 켈리퍼스의 원리를 이용한 scale을 삽입하였으며, 시료가 하중축의 중심에 오는가는 jig전체가 jig의 상하움직임이 없도록 회전하여 확인하였다. 일반적인 크리프 시험에서 하중방향은 시험편의 아래쪽에서 가하지만, 본 발명은 지렛대 원리를 이용하여 하중을 윗쪽에서 가하기 때문에 하중을 연속적으로 변화시킬 수 있으며, 다이얼게이지로도 변형량측정이 가능하다는 장점이 있다.

또한 크리프 시험에서는 온도와 진동의 영향이 크다. 균일한 온도를 유지하기 위하여 장치 내부 벽에 열선을 장착하고, 공기가 순환되도록 하였다. 공기순환을 위한 모터는 진동이 시험편에 전달되지 않도록 크리프 시험장치와 모터사이에 방진장치를 설치함으로써 시험편의 진동을 억제하였다.

도 1은 전단크리프 시험을 위한 대표적인 시험편의 형상

도 2는 도 1의 전단시험편에 하중을 가해졌을 때 크리프에 의한 솔더의 변형

도 3은 전단크리프 시험장치의 대표적인 도면

도 4는 도 3의 ②를 자세히 그린도면

도 5는 도 3의 ①을 자세히 그린도면

도 6은 도 3에서 온도조절 및 진동효과를 억제하는 방법을 나타낸 도면

도 7은 크리프 시험완료 후 파단된 시험편의 형상

도 8은 진동이 크리프시험에 미치는 영향

본 발명에서는 실제로 용접이나 납땜되어있는 재료에 대하여 회전 모멘트를 극소화시켜 정확한 전단크리프 시험을 할 수 있는 장치이다. 도 1은 크리프 시험편을 개략적으로 나타낸 것으로서 동판사이에 솔더가 채워져 있다. 이 크리프시험편을 도 1에 나타난 하중방향(load direction)으로 하중이 가해질 때 전체 솔더 중 솔더(1)부분만 전단하중을 받게 된다. 이 부위에서 하중의 상태를 도 2에 나타내었다.

도 2는 도 1에서 시험편에 화살표로 나타낸 방향으로 하중이 가해졌을 때 솔더(1)이 받는 전단변형을 나타낸 그림으로서, 어느 정도 크리프가 진행된 상태이다. 이 솔더가 순수한 전단응력을 받기위해서는 x방향인 하중방향과 솔더가 받는 전단응력(τ)이 받는 방향이 평행을 이루어야 한다.

도 3은 도 1과 같은 시험편을 시험할 수 있는 전단크리프 시험장치 개략도이며, 도 2에서 지적한 x방향과 하중방향이 평행이 되도록 제작한 장치이다. 이장치는 크리프 시험온도 조절을 위한 가열기와 온도조절기가 있으며, 1㎛까지 변위를 측정할 수 있는 디지털 다이얼 게이지를 장치밖에 설치하여 온도변화로 인한 측정오차를 줄였으며, 이때 변위량을 RS232 케이블를 통해 PC로 data를 받을 수 있도록 GW basic 프로그램를 만들었다. 이렇게 받은 데이터는 엑셀 프로그램으로 다시 데이터 처리하여 크리프 곡선을 얻는다.

여기에서 크리프 시험장치의 지그는 ①,②로 표현되어있으며, 이러한 지그는 시험편에 하중(weight)을 가했을 때, 하중축에 대해 하중이 솔더/Cu 계면에 평행으로 작용하여 시료에 정확한 전단응력이 가해지도록 제작되었다. 즉 도2에서 보면 솔더/Cu 계면은 x축에 평행, y와 z축에 수직이 되어있다.

도 4는 시험편의 아랫부분을 고정하는 지그를 나타낸 그림으로서 도 3에서 ②를 자세히 그린 것이다. 도 4에서 (1)은 (4)와 (3)이 (1)에 대해 상대적인 움직임을 정량적으로 측정하기위해 버어니어 원리를 이용하여 나타낸 스케일이다. 또한 이러한 움직임은 스큐류(screw)인 (7)의 회전에 의해 조절이 가능하며 (7)의 스큐류의 형상은 양쪽이 반대방향으로 나사산이 형성되어 있어서 회전할 경우 (4)와 (3)이 동시에 같은 거리만큼 좌,우로 움직이게 된다. 이는 시료두께에 따라 시험편이 하중축의 중심에 오도록 조정하기 위해 만들어졌다. (2)는 (5)와 (3)의 상대 움직임을 측정하기 위한 버어니어이다. 이는 (3)과 (4)의 움직임에 대해 미세한 오차를 보완하기 위해 만들어 졌으며, 실제 시료의 고정은 (4)와 (5)사이에서 이루어지며 스크류 (6)에 의해 조여지게 된다.

도 5는 시험편의 윗부분을 고정하는 지그를 나타낸 것으로서 도 3에서 ①을 자세히 그린 것이다. 각 부분 (1)∼(7)에 대한 설명은 도 4에서와 같으며, (8)은 도 8의 (8)과 일직선상에 놓여져야 만이 도 5(8)이 도 4의 (8)에 삽입이 된다. 이를 통해 전단크리프 시료가 도 2에서 x축에 대하여 y축으로 일정거리 만큼 유지하는지를 이를 확인할 수 있다.

또한 도 4와 5에서 (9)는 지그의 몸체(1)∼(8)을 지탱하는 봉이며 시험편이 하중축에 일치하는지 확인하기 위해 회전이 가능하도록 (10),(11)과 같이 제작하였다. 따라서 도 4와 5와 같은 지그를 사용함으로써 (8)을 통해 두 지그의 (4)에서 시험편과 닿는 면이 같은 면상에 있음을 확인할 수 있으며, 스케일(1)을 통해 시험편 두께에 따른 하중축이 시험편의 중심에 오도록 하였다. 또한 (5)를 통해 시험편의 미세한 오차를 보정할 수 있게 하였다. (4)와 (5)의 윗 표면을 평면으로 만들어 주고, 게이지 블럭등을 사용하여 시험편이 Z축으로 기울러짐을 최소화함으로써 정확한 전단응력이 시험편에 가해지도록 하였다.

도 6은 도 4의 크리프 시험장치에서 크리프 시험장치와 모터의 부분을 나타낸 그림이다. 기존의 경우 내부 온도를 균일하게 하기 위해 크리프 시험장치에 모터를 장착하였다. 그러나 이 경우 모터의 진동으로 인하여 시험편이 진동으로 인한 피로파단이 일어날 수 있다. 따라서 도6은 이러한 모터 진동이 시료의 크리프에 미치는 영향을 최소화하기 위한 개략도이다. 전단크리프 시험에 미치는 온도와 진동의 영향을 최소화하기 위해서 공기순환을 시켜 장치내부 벽에 열선(2)에서 가열된 공기가 시험장치내부에 균일하게 공급되도록 하였고, 이와 같은 공기순환용 모터 진동의 영향을 최소화 하기 위해 공기공급관(4) 사이에 고온용 실리콘 방진(5)를 장착하였다. 여기서 (1)은 도 3에서 ①②및 시험편이 차지하는 공간을 나타낸 것이며, (3)은 도 3에서 크리프 시험장치의 시료장입 chamber를 3차원으로 나타낸 것이며, (6)은 공기순환용 모터이다. 이 같은 장치를 통해 온도의 균일화와 진동이 크리프시험에 미치는 영향을 극소화 할 수 있다.

실시 예 1)

도 7은 하중방향에 대하여 평행을 유지하여 정상적으로 파단된 경우(도 7의 왼쪽 그림)와 평행을 유지하지 못하여 회전 모멘트 작용으로 인하여 응력이 한쪽 솔더쪽에 하중이 집중되어 비정상적으로 파단된 사진(도 7의 오른쪽 그림)을 나타낸 그림이다.

실시 예 2)

도 8은 시험온도 100℃, 시험하중10MPa에서 크리프곡선을 시간당 전단변형율을 나타낸 그림이다 여기서 NV(no vibration)는 진동 없는 경우를 V(vibration)는 모터의 진동있는 경우를 나타낸 그림이다. 모터의 진동은 내열성 실리콘 고무 등으로 연결하여 모터와 시험기를 분리하여 진동의 영향을 제거하였다. 여기서 Sn-3.5Ag는 96.5wt%Sn 과 3.5wt%Ag의 솔더합금을 의미한다.

파단시간이 Sn-3.5Ag의 경우 10%정도 감소하였으나, Sn-3.5Ag-1Zn의 경우에는 90%, Sn-40Pb의 경우에는 80%정도 감소하여 재료에 따라 진동의 영향이 매우 큼을 나타내고있다. 이를 통해 온도 균일화를 위하여 장착한 모터의 진동의 영향이 재료의 진정한 크리프 특성을 평가하는데 큰 장애가 됨을 보여주고 있다.

상기에 언급한 바와 같이 본 발명에 의해 크리프 시험장치를 사용함으로써 솔더와 용접부의 전단크리프시험을 회전모멘트 및 진동의 영향이 최소화된 조건에서 시행할 수 있어 재현성 및 신뢰성이 있는 시험을 할 수 있다.

Claims (2)

1. 도 4 와 도 5와 같은 버어니어가 장착된 회전가능한 크리프 시험장치의 지그를 특징으로 하는 전단크리프 시험장치
2. 도 6과 같은 크리프 시험장치에 대한 진동의 최소화 방법