KR20170131280A

KR20170131280A - 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20170131280A
Application number: KR1020170063042A
Authority: KR
Inventors: 정재필; 정도현; 임동욱
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2017-11-29

Abstract

본 발명은 Sn-Ag-Cu 제1 합금, Sn-Bi 제2 합금; Sn-Ag 및 Sn-Cu 합금 중 선택된 1종 이상인 제3 합금 및 비구형을 포함하는 세라믹 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 포함하는 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 퍼짐성, 젖음성 및 기계적 특성을 갖는 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법{LEAD-FREE SOLDER COMPOSITION AND METHOD FOR MAUNFACTURING THEREOF}

본 발명은 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 퍼짐성, 젖음성 및 기계적 특성을 갖는 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, Sn-Pb계 유연(有鉛) 솔더는 오랜 기간 동안 전자기기의 가장 유효한 접합재료로 사용되어 왔으며, 특히 인쇄회로기판에 반도체칩이나 저항칩과 같은 소형 전자부품을 실장하기 위한 접합재로 이용되고 있다.

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 무연 솔더로 대체되고 있다.

한편 마이크로 전자 기기에 Pb 사용을 금지하는 다양한 규제들이 존재한다. 그러므로 Sn-Pb 솔더는 환경적인 무연 솔더 개발을 위해 Pb free Sn 솔더로 대체되어야 한다. 이러한 이유로 최근에는 솔더 합금의 제조시 납 사용을 규제하거나 배제함으로써 환경 친화적인 무연 솔더 조성물을 개발하려는 시도가 다양하게 진행되어 왔다.

이러한 무연 솔더와 관련된 기술이 등록특허 제0209241호 및 등록특허 제 0797161호에 제안된 바 있다.

등록특허 제0209241호인 종래기술 1의 무연솔더 조성물은 주석(Sn)과, 은(Ag)과, 비스무스(Bi)와, 인듐(In)으로 구성된 무연 솔더 조성물에 있어서, 상기 주석(Sn)은 82~93wt%, 은(Ag)은 2wt%, 비스무스(Bi)는 3~10wt%, 인듐(In)은 2~6wt%가 배합되어 제조된다.

그러나, 종래기술 1에 의한 무연솔더 조성물을 구현하기 위해 필요한 인듐(In)이 고가이며, 비스무스(Bi)를 포함하는 솔더는 비스무스(Bi) 함량의 증가에 따라 연성이 저하되어 취성을 일으키는 문제점이 있다.

등록특허 제0797161호인 종래기술 2의 무연솔더 조성물은 주석 (Sn)과, 은(Ag), 인듐(In)으로 구성된 무연 솔더 조성물에 있어서, 0.3wt%이상 2.5wt%미만의 은(Ag)과, 0.1wt%이상 2wt%미만의 구리(Cu)와, 0.1wt%이상 1.2wt%이하의 인듐 (In)과, 나머지는 주석(Sn)으로 이루어진 주석-은-구리-인듐 4원계 무연솔더 조성물을 개시하고 있다. 그러나 종래기술 2 역시 고온계 무연 솔더 조성물을 구현하기 위해 고가의 인듐이(In) 사용되므로, 산업에 일반적으로 적용하기에는 무리가 있다.

즉, 종래기술 2의 경우, 인듐의 함량이 0.6wt%일 때 인장강도 약 45MPa 정도로 가장 높은 강도를 나타내었다.

한편, 최근 Sn, Ag, Bi, Cu, In, Zn, 등의 원소를 포함하는 무연 솔더의 연구개발에 있어서 특히 Sn, Ag, Cu를 포함하는 조성에 관심이 높아지고 있다.

그러나, 상기 언급된 무연 솔더들은 각각 단점들을 가지고 있다. 예를 들어 Zn은 산화와 그에 따른 솔더링성의 감소에 예민하다. Bi를 포함하는 솔더는 Bi 함량의 증가에 따라 연성이 저하되어 취성을 일으킨다. Sn-Cu 솔더는 값이 싸지만 젖음성이 좋지 않고, Ag를 포함한 솔더에서는 조대한 침상의 금속간 화합물인 Ag₃Sn을 형성하기 쉽기 때문에, 솔더링성을 악화시키고 강도를 저하시킨다. 결론적으로 무연 솔더의 개발에는 앞서 언급한 단점들을 최소화시키는 것이 요구된다.

무연 솔더 중에 현재 많이 사용되고 있는 것으로, Sn-0.7%Cu, Sn-3.5%Ag, 96.5wt%Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu가 있는데, 이들의 미세구조는 수지상과 베타-Sn, Ag₃Sn, Cu6Sn5으로 구성된 공정상을 포함한다. Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 금속간화합물(IMC)은 기지의 강도를 상승시키는 역할을 하므로, 적정량과 적정 크기의 Ag₃Sn과 Cu₆Sn₅이 Sn 기지에 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, Ag₃Sn과 Cu₆Sn₅이 너무 많거나 크기가 너무 커지면 오히려 Sn계 솔더의 취성이 증가하여 강도가 저하된다. Sn계 솔더 중 통상 Ag의 함량은 4.5% 이하, Cu의 함량은 1% 이하가 많이 사용된다.

또한, Sn 솔더 기지내에 Ag의 함유량이 2wt%보다 많으면 Ag₃Sn의 조대한 판상이 발생되기 쉽다. 즉, 입자 크기가 큰 Sn, Ag₃Sn과 Cu₆Sn₅ 은 강도를 저하시킨다. 이는 솔더링성을 악화시키고 강도를 저하시킨다. 반면, Sn-Ag합금 내에서 Ag의 함유량이 2wt%보다 적으면 이는 액상온도를 높이고, 액상+고상 공존영역을 크게 하며 접합부의 강도를 감소시키는 단점이 있다.

현재 융점, 접합성, 신뢰성 등을 고려하여 가장 일반적으로 사용되는 Sn계 무연 솔더는 Ag 함량 3~3.5%, Cu의 함량 0.5~0.7% 이라고 할 수 있다. 이 경우, 비교적 높은 Ag 함량으로 Ag₃Sn의 조대한 판상이 생성되기 쉬운 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 조대한 Ag₃Sn을 미세화할 필요가 있으며, 이 과정에서 Sn 기지금속 입자(grain)도 미세화되어 솔더의 성능이 훨씬 개선될 수 있다.

이를 위한 방법으로, 입자 미세화 물질을 솔더 조성에 포함시킬 필요가 있는데, 이러한 물질로 산화티타늄(TiO₂), 질화알루미늄(AlN), 이트륨 산화물(Y₂O₃) 등과 같은 세라믹 분말이 존재한다. 이러한 세라믹 분말 물질은 입자를 미세화 하고, 고온에서 안정되어 솔더를 강화시키는 장점이 있다. 그러나 세라믹 분말 물질은 취성이 강하고, 기지인 Sn 금속과 결정격자에 차이가 있어서, 솔더가 하중을 받을 때 이 세라믹 분말 물질 자체가 파괴되거나, 세라믹 분말 물질과 Sn 금속 계면에서 균열이 발생되어 강도를 저하시키는 단점이 있다. 또한, 세라믹 분말은 젖음성이 좋지 않아, 세라믹 나노 복합 솔더 합금 제조시에 분말이 응집되거나, 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되지 않는 단점이 있다.

따라서, 상기와 같은 세라믹 분말을 이용하는 솔더 조성물의 제조시 세라믹 분말의 젖음성을 향상시켜 복합 솔더 합금 제조시 분말의 응집을 방지하고, 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되어 솔더의 Sn 기지를 강화시키는 동시에, 젖음성도 우수한 나노 복합 무연 솔더에 대한 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 목적은 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 퍼짐성, 젖음성 및 기계적 특성을 갖는 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무연솔더 합금 조성물은 Ag, Cu, 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn이며, 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하고, 상기 Ag의 함량은 0.1 내지 5 중량% 이며, 상기 Cu의 함량은 0.03 내지 2 중량% 이고, 상기 Bi의 함량은 50 내지 60 중량% 인 것으로 구성된다.

상기 나노 분말은 비구형의 외형을 포함하는 나노 분말일 수 있다.

상기 첨가제는 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), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함할 수 있다.

상기 첨가제는 상기 원소를 포함하는 산화물, 질화물, 탄화물 및 붕소화물로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 세라믹 나노 분말일 수 있다.

상기 첨가제는 Fe(철), Ni(니켈), Sn(주석), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 산화물일 수 있다.

상기 첨가제는 1 내지 500nm의 입경 사이즈를 가질 수 있다.

상기 나노 분말 표면에 코팅된 금속은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속일 수 있다.

상기 나노 분말 첨가제 표면에 코팅되는 금속은 물리적 증착법 (PVD), 화학적 증착법 (CVD) 또는 무전해 도금법에 의해 코팅된 금속일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 나노 분말 원료를 분쇄하여 비구형을 포함하는 나노 분말을 제조하는 나노 분말 제조단계, 상기 나노 분말의 표면에 금속을 코팅하여 첨가제를 제조하는 나노 분말 첨가제 제조단계 및 Ag, Cu, 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn이며, 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하고, 상기 Ag의 함량은 0.1 내지 5 중량% 이며, 상기 Cu의 함량은 0.03 내지 2 중량% 이고, 상기 Bi의 함량은 50 내지 60 중량% 인 솔더 합금과 상기 나노 분말 첨가제를 혼합하여 상기 첨가제의 함량이 0.01 내지 1.0 중량%인 솔더를 제조하는 무연 솔더 제조단계, 상기 무연 솔더에 상기 나노 분말 첨가제를 혼합하여 용융시켜 합금 용융물을 제조하는 무연솔더 합금 용융물 제조단계 및 상기 무연솔더 합금 용융물을 교반하여 조성물을 제조하는 무연솔더 합금 조성물 제조단계를 포함하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법을 제공한다.

상기 나노 분말 제조단계는 대기 중 실온에서 고속 회전하는 나이프 임펠러 (knife impeller) 및 수평, 수직방향으로의 회전이 가능한 믹싱 베슬 (mixing vessle)에 의해 세라믹을 기계적으로 파쇄하는 과정을 통해 비구형을 포함하는 나노 분말을 제조할 수 있다.

상기 나이프 임펠러(knife impeller)의 회전속도가 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)의 회전속도보다 클 수 있다.

상기 나이프 임펠러(knife impeller)는 3,000~14,000rpm으로 회전하고, 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)은 10~30rpm으로 회전하여 상기 나노 분말 원료를 분쇄 및 분산시킴으로써, 상기 비구형을 포함하는 나노 분말을 제조할 수 있다.

상기 무연 솔더 제조단계는 200~800℃ 온도의 전기로에서 수행될 수 있다.

상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계는 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 상기 무연솔더 합금 용융물을 100~500rpm으로 교반하는 것으로 수행될 수 있다.

상기 스테인레스 스틸 프로펠러는 축의 직경 값보다 얇은 두께를 갖는 판 형태의 4날 프로펠러일 수 있다.

본 발명에 의하면 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 퍼짐성, 젖음성 및 기계적 특성을 갖는 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 나이프 임펠러(knife impeller) 및 믹싱 베슬(mixing vessel)을 포함하는 장치를 나타낸 모식도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 스테인레스 스틸 프로펠러를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 세라믹 나노 분말 표면 금속 코팅이 용융 솔더의 젖음에 끼치는 영향을 나타낸 모식도이다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 세라믹 나노 분말에 금속을 코팅하기 전과 후의 모습을 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 무연솔더 합금 용융물의 교반 시간과 프로펠러 회전 속도에 따른 교반 조건을 나타낸 그래프이다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 평균 결정립 크기를 보여주기 위한 실시예와 비교예의 SEM 사진이다.
도 8 내지 도 16은 본 발명에 따른 TiO₂, AlN, Y₂O₃ 세라믹 분말과 금속 코팅된 세라믹 분말이 첨가된 Sn-Ag-Cu, Sn-Cu 무연 솔더 합금 조성물의 인장강도를 측정한 결과 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물에 함유된 세라믹 분말의 종류별 솔더의 경도를 측정한 결과 그래프이다.
도 18 내지 도 26은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물과 비교예 1 및 비교예2의 무연 솔더 합금 조성물의 퍼짐성(Spreadability)을 측정한 결과 그래프이다.
도 27 내지 도 36은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물과 비교예 1 및 비교예 2의 무연 솔더 합금 조성물의 젖음성(wettability)을 측정한 결과 그래프이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 일실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 일실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 무연솔더 합금 조성물은 Ag, Cu, 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn이며, 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하고, 상기 Ag의 함량은 0.1 내지 5 중량% 이며, 상기 Cu의 함량은 0.03 내지 2 중량% 이고, 상기 Bi의 함량은 50 내지 60 중량% 인 것으로 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 Sn, Ag, Cu 및 Bi 원소를 포함하는 무연 솔더 합금에 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 포함함으로써, 나노 입자 첨가제가 솔더 합금의 기지조직과 Ag₃Sn 금속 화합물을 균일하게 미세화하여 합금의 강도를 향상시키고, 퍼짐성 및 젖음성을 향상시킨다. 또한, 입자의 크기가 큰 Ag₃Sn 금속 화합물로 인해 발생할 수 있는 솔더의 균열과 공동(Cavity)를 방지하여 솔더 연결부의 손상을 막고, 솔더 연결부의 신뢰도와 수명을 증가시키는 특징이 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 세라믹 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 포함함으로써, 첨가제가 첨가되지 않은 종래의 무연 솔더 합금에 비해 더 높은 인장강도와 연성을 가지게 되어, 충격에 대한 저항이 크고, 유동성(flow)과 퍼짐성(Spreadability), 젖음성(wettability)이 향상되어 납땜부의 불량을 억제하는 장점이 있다.

이와 관련하여 상기 퍼짐성(Spreadability)은 용융솔더 또는 용융삽입금속이 고체인 모재표면에서 확장 젖음으로 퍼져 나가는 능력을 의미한다. 또한, 상기 젖음성(wettability)은 고체에 접촉된 액체가 고체와 액체 원자간의 상호작용에 의해 고체 표면에 젖는 능력을 의미하는 것으로, 웨팅 밸런스 시험 결과에서 얻는 젖음곡선에서 영점시간(zero cross time)은 솔더의 모재 표면에 대한 젖음성을 판단하는 기준으로써, 영점시간이 작을수록 솔더의 젖음성이 우수한 것으로 판단할 수 있다.

상기 세라믹 나노 분말의 구조나 형상은 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 비구형의 외형을 가질 수 있다. 이러한 비구형의 외형을 가진 세라믹 나노 분말은 비구형의 외형에 의해 세라믹 나노 분말과 기지 Sn 금속간의 기계적 결합력 및 혼합력을 향상시키는 장점이 있다. 또한, 종래의 무연 솔더 합금에 비해 솔더의 Sn 기지를 강화시켜 더 높은 인장강도와 연성을 가지도록 하고, 충격에 대한 저항을 증가시키며, 유동성(flow)과 퍼짐성(Spreadability), 젖음성(wettability)을 더욱 향상시켜 납땜부의 불량을 효과적으로 억제할 수 있다.

여기서, 상기 첨가제는 상기 원소를 포함하는 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인 세라믹 나노 분말일 수 있으며, 구체적으로 TiO₂(Titanium Oxide), AlN(Aluminum Nitride), Y₂O₃(Yttrium Oxide) 및 SiC(Silicon Carbide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹일 수 있다.

한편, 상기 첨가제는 Fe(철), Ni(니켈), Sn(주석), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 산화물 형태의 첨가제를 사용함으로써, 솔더의 Sn 기지를 더욱 강화시켜 더 높은 인장강도와 연성을 가지도록 하고, 충격에 대한 저항을 증가시키며, 유동성(flow)과 퍼짐성(Spreadability), 젖음성(wettability)을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 첨가제는 1 내지 500nm의 입경 사이즈를 가진 세라믹을 사용하여 제조할 수 있다.

상기 세라믹 나노 분말의 표면에 코팅된 금속은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 사용할 수 있으며, 상기 나노 분말 첨가제 표면에 코팅되는 금속은 물리적 증착법 (PVD), 화학적 증착법 (CVD) 또는 무전해 도금법에 의해 코팅될 수 있다.

상기 첨가제들은 솔더 미세 구조의 특성을 개선하고 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 등 솔더 내의 금속간 화합물(IMC) 크기를 미세화하여 솔더의 기계적 강도와 퍼짐성, 젖음성을 향상시킨다.

도 7에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 평균 결정립 크기를 보여주기 위한 실시예와 비교예의 FE-SEM 사진이 개시되어 있고, 도 8 내지 도 16은 본 발명에 따른 TiO₂, AlN, Y₂O₃ 세라믹 분말과 금속 코팅된 세라믹 분말이 첨가된 Sn-Ag-Cu, Sn-Cu 무연 솔더 합금 조성물의 인장강도를 측정한 결과 그래프가 도시되어 있으며, 도 17에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물에 함유된 세라믹 분말의 종류별 솔더의 경도를 측정한 결과 그래프가 도시되어 있다.

도 18 내지 도 26에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물과 비교예 1 및 비교예 2의 무연 솔더 합금 조성물의 퍼짐성(Spreadability)을 측정한 결과 그래프가 도시되어 있고, 도 27 내지 도 36은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물과 비교예 1 및 비교예 2의 무연 솔더 합금 조성물의 젖음성(wettability)을 측정한 결과 그래프가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 성능에 대해 설명하면, TiO₂, AlN, Y₂O₃ 세라믹 나노 분말 첨가제가 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 무연 솔더와, 세라믹 나노 분말 첨가제로서 TiO₂, AlN, Y₂O₃이 첨가된 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 무연 솔더의 결정립을 비교해 보면, 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 SAC305 솔더의 평균 결정립은 대략 651.38μm로 측정되었지만, 세라믹 나노 분말 TiO₂, AlN가 첨가된 SAC305 솔더의 평균 결정립도는 각각 62.48%, 28.89% 감소된 244.42μm, 463.21μm로 나타났다. 또한, Y₂O₃이 첨가된 SAC305 솔더의 평균 결정립은 약 397.42μm로 측정되었고, Y₂O₃에 Sn이 코팅된 솔더의 평균 결정립은 약 39.72% 감소된 239.58μm로 나타났다.

상기 세라믹 나노 분말 첨가제 유무에 따른 인장 강도와 경도를 비교하면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 인장강도는 55.09MPa, 0.03wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우 각각 55.39MPa, 51.46MPa로 증가하였으며, 0.12wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우 각각 66.97MPa, 68.14MPa로 상승하였다. 0.21wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우는 각각 66.04MPa, 58.97MPa, 0.60wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우 각각 53.88MPa, 58.06MPa으로 측정되었다. 그러나, 0.10wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우는 인장강도가 각각 50.36MPa, 51.48MPa로 감소하였다. Y₂O₃이 0.03, 0.12, 0.21, 0.60, 1.00wt% 첨가된 SAC305 솔더의 인장강도는 각각 58.10, 70.23, 59.91, 67.09, 52.04MPa로 측정되었으며, 0.21wt% 조건에서 Sn코팅을 한 경우 인장강도는 0.21wt% 조건 대비 약 17.23% 증가한 70.23MPa로 증가하였다.

한편, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-0.7Cu의 인장강도는 39.20MPa, 0.03wt% TiO₂, AlN, Y₂O₃ 나노 분말이 첨가된 경우 각각 39.88, 40.16, 40.92MPa로 측정되었으며, 0.12wt% TiO₂, AlN, Y₂O₃ 나노 분말이 첨가된 경우 각각 41.84, 41.16, 41.60MPa로 증가하였다. 한편 0.12wt% AlN에 Sn코팅한 경우 인장강도는 42.40MPa, 0.12wt% Y₂O₃ 에 Ag 코팅한 경우 인장강도는 42.20MPa로 증가하였다. 0.21wt% TiO₂, AlN, Y₂O₃ 나노 분말이 첨가된 경우는 각각 42.24, 43.48, 42.36MPa로 측정되었으며, 0.21wt% TiO₂에 Au코팅한 경우 인장강도는 43.68MPa, 0.21wt% AlN에 Ni 코팅한 경우 인장강도는 44.56MPa, 0.21wt% Y₂O₃에 Cu 코팅한 경우 인장강도는 42.68MPa로 증가하였다. 한편 0.60wt% TiO₂, AlN, Y₂O₃ 나노 분말이 첨가된 경우 각각 42.12, 42.48, 41.92MPa, 1.00wt% TiO₂, AlN, Y₂O₃ 나노 분말이 첨가된 경우의 인장강도는 각각 39.04, 39.36, 39.76MPa로 감소하였다.

연신율 또한 본 발명에 따른 세라믹 나노 분말 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 연신율은 7.15% 이고, TiO₂, AlN 나노 분말이 0.03wt% 첨가된 경우는 각각 8.70, 8.61%로 증가하였으며, TiO₂, AlN 나노 분말이 0.12wt% 첨가된 경우는 각각 9.71, 14.18%로 상승하였다. TiO₂, AlN 나노 분말이 0.21wt% 첨가된 경우는 각각 10.32, 14.88%, TiO₂, AlN 나노 분말이 0.60wt% 첨가된 경우는 각각 7.90, 9.49%로 측정되었다. 0.21wt%의 Y₂O₃이 첨가된 SAC305 솔더의 연신율은 9.57%, Y₂O₃에 Sn이 코팅된 SAC305 솔더의 연신율은 약 26.12% 증가한 12.07%로 측정되었다.

본 발명에 따른 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 경도는 16.63 HvN이고, Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu에 나노 분말 TiO₂ 를 0.03, 0.12, 0.21, 0.60wt% 첨가한 경우의 경도 값은 각각 16.36, 17.85, 16.45, 16.64HvN로 나타났으며, AlN을 첨가한 경우는 각각 16.69, 18.01, 17.82, 17.14HvN으로 증가하였다. Y₂O₃ 나노분말의 경우, 경도값은 각각 17.48, 19.00, 19.44, 18.08HvN으로 나타났다.

즉, 상기 세라믹 나노 분말 첨가로 인해 솔더의 결정립이 미세화되고, 강도가 증가하였다. 일반적으로, 금속의 결정립이 미세화되면 아래와 같은 Hall-Petch식에 의해 항복강도와 인장강도가 증가한다.

상기 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더와, 나노 분말 TiO₂이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 퍼짐성을 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu의 경우 퍼짐율은 74.40%이고, 0.03wt%가 첨가된 TiO₂의 경우 75.88%로 증가하고, 0.12wt%의 경우 76.30%, 0.12wt%에 Au, Ni, Cu가 코팅되었을 때 퍼짐성은 각각 76.79, 76.59, 76.48%로 증가하였다. 0.21wt% TiO₂의 경우 77.69%, 0.21wt% TiO₂에 Sn, Ni이 코팅되면 퍼짐성은 각각 79.17, 78.39%로 상승하였다. 0.60, 1.0wt% TiO₂의 경우 퍼짐성은 각각 76.85, 73.92%로 측정되었다.

나노 분말 AlN이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 AlN은 75.79%로 증가하고, 0.12wt%의 경우 75.83%, 0.12wt%에 Ni, Ag가 코팅되었을 때 퍼짐성은 각각 76.14, 77.35%로 증가하였다. 0.21wt% AlN의 경우 77.41%, 0.21wt% AlN에 Sn, Ni이 코팅되면 퍼짐성은 각각 80.32, 78.91%로 상승하였다. 0.60, 1.0wt% AlN의 경우 퍼짐성은 각각 75.19, 73.58%로 측정되었다.

나노 분말 Y₂O₃이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 Y₂O₃은 74.53%로 증가하고, 0.12wt%의 경우 76.78%, 0.12wt%에 Sn, Ni가 코팅되었을 때 퍼짐성은 각각 76.98, 77.31%로 증가하였다. 0.21wt% Y₂O₃의 경우 78.92%, 0.21wt% Y₂O₃에 Sn, Ni이 코팅되면 퍼짐성은 각각 79.95, 79.31%로 상승하였다. 0.60, 1.0wt% Y₂O₃의 경우 퍼짐성은 각각 75.25, 74.30%로 다소 저하되었다.

나노 분말 SiC이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 SiC은 74.69%로 증가하고, 0.12wt%의 경우 75.31%, 0.12wt%에 Ni, Cu가 코팅되었을 때 퍼짐성은 각각 76.58, 76.23%로 증가하였다. 0.21wt% SiC의 경우 76.81%, 0.21wt% SiC에 Sn, Ni이 코팅되면 퍼짐성은 각각 77.10, 76.93%로 상승하였다. 0.60, 1.0wt% SiC의 경우 퍼짐성은 각각 75.53, 73.29%로 다소 저하되었다.

또한, 상기 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-0.7%Cu 무연 솔더와, 나노 분말 TiO₂, AlN이 첨가된 Sn-0.7%Cu 무연 솔더의 퍼짐성을 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-0.7%Cu의 경우 퍼짐율은 74.77%이고, Sn-0.7%Cu에 0.21wt% TiO₂, AlN이 첨가된 경우 각각 76.16, 77.78%를 나타내었다. 0.21wt% 나노 분말 TiO₂, AlN에 Au가 코팅된 Sn-0.7%Cu의 경우 퍼짐율은 각각 78.01, 79.40%로, 코팅 하지 않은 조건 대비 약 2.08~2.43%가 증가하였다.

또한, 상기 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 무연 솔더와, 나노 분말 TiO₂이 첨가된 Sn-58%Bi 무연 솔더의 퍼짐성을 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi의 경우 퍼짐율은 77.18%이고, 0.03wt%가 첨가된 TiO₂의 경우 77.79%로 증가하고, 0.12wt%의 경우 78.51%, 0.12wt%에 Au, Ni, Cu가 코팅되었을 때 퍼짐성은 각각 79.30, 79.11, 78.88%로 증가하였다. 0.21wt% TiO₂의 경우 79.71%, 0.21wt% TiO₂에 Sn, Ni이 코팅되면 퍼짐성은 각각 81.17, 80.53%로 상승하였다. 0.60, 1.0wt% TiO₂의 경우 퍼짐성은 각각 77.01, 76.39%로 측정되었다.

나노 분말 AlN이 첨가된 Sn-58%Bi 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 AlN은 78.13%로 증가하고, 0.12wt%의 경우 79.31%, 0.12wt%에 Ni, Ag가 코팅되었을 때 퍼짐성은 각각 80.52, 80.18%로 증가하였다. 0.21wt% AlN의 경우 80.39%, 0.21wt% AlN에 Sn, Ni이 코팅되면 퍼짐성은 각각 81.32, 80.99%로 상승하였다. 0.60, 1.0wt% AlN의 경우 퍼짐성은 각각 78.03, 77.69%로 측정되었다.

나노 분말 Y₂O₃이 첨가된 Sn-58%Bi 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 Y₂O₃은 77.58%로 증가하고, 0.12wt%의 경우 77.95%, 0.12wt%에 Sn, Ni가 코팅되었을 때 퍼짐성은 각각 79.35, 78.31%로 증가하였다. 0.21wt% Y₂O₃의 경우 81.39%, 0.21wt% Y₂O₃에 Sn, Ni이 코팅되면 퍼짐성은 각각 82.21, 81.77%로 상승하였다. 0.60, 1.0wt% Y₂O₃의 경우 퍼짐성은 각각 77.30, 77.01%로 다소 저하되었다.

젖음성(wettability) 향상을 위해선 영점시간(zero cross time)이 짧은 것이 좋은데, 상기 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더와, 나노 분말 TiO₂이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 영점시간을 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu의 경우 영점시간은 1.11초이고, 0.03wt%가 첨가된 TiO₂의 경우 1.05초, 0.12wt%의 경우 1.08초, 0.12wt%에 Au, Ni, Cu가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.74, 0.91, 1.06초로 측정되었다. 0.21wt% TiO₂의 경우 1.04초, 0.21wt% TiO₂에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.63, 0.88초로 개선되었다. 0.60, 1.0wt% TiO₂의 경우 영점시간은 각각 1.16, 1.21초로 측정되었다.

여기서, 영점 시간(zero cross time)은 솔더가 모재의 표면을 젖게 하는 시간을 의미하는 것으로 영점 시간이 작을수록 솔더의 젖음 속도가 빠른 것으로 판단할 수 있다.

나노 분말 AlN이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 AlN은 1.15초로 측정되고, 0.12wt%의 경우 1.05초, 0.12wt%에 Ni, Ag가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.81, 0.79초로 개선되었다. 0.21wt% AlN의 경우 0.98초, 0.21wt% AlN에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.48, 0.75초로 측정되었다. 0.60, 1.0wt% AlN의 경우 영점시간은 각각 1.12, 1.46초로 다소 저하되었다.

나노 분말 Y₂O₃이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 Y₂O₃은 1.13초, 0.12wt%의 경우 0.65초, 0.12wt%에 Sn, Ni가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.61, 0.46초로 개선되었다. 0.21wt% Y₂O₃의 경우 0.75초, 0.21wt% Y₂O₃에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.42, 0.68초로 개선되었다. 0.60, 1.0wt% Y₂O₃의 경우 영점시간은 각각 0.64, 1.32초로 다소 저하되었다.

나노 분말 SiC이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 SiC은 1.07초, 0.12wt%의 경우 1.01초, 0.12wt%에 Ni, Cu가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.92, 0.93초로 증가하였다. 0.21wt% SiC의 경우 0.86초, 0.21wt% SiC에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.79, 0.74초로 개선되었다. 0.60, 1.0wt% SiC의 경우 영점시간은 각각 1.13, 1.45초로 다소 저하되었다.

또한, 상기 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 무연 솔더와, 나노 분말 TiO₂이 첨가된 Sn-58%Bi 무연 솔더의 영점시간을 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi의 경우 영점시간은 1.03초, 0.03wt%가 첨가된 TiO₂의 경우 0.99초, 0.12wt%의 경우 0.95초, 0.12wt%에 Au, Ni, Cu가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.70, 0.55, 0.57초 개선되었다. 0.21wt% TiO₂의 경우 0.87초, 0.21wt% TiO₂에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.86, 0.68초로 개선되었다. 그러나, 0.60, 1.0wt% TiO₂의 경우 영점시간은 각각 1.11, 1.26초로 다소 저하되었다.

나노 분말 AlN이 첨가된 Sn-58%Bi 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 AlN은 0.95초, 0.12wt%의 경우 0.87초, 0.12wt%에 Ni, Ag가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.55, 0.66초로 개선되었다. 0.21wt% AlN의 경우 0.83초, 0.21wt% AlN에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.58, 0.63초로 측정되었다. 0.60, 1.0wt% AlN의 경우 영점시간은 각각 1.20, 1.36초로 젖음 특성이 저하되었다.

나노 분말 Y₂O₃이 첨가된 Sn-58%Bi 무연 솔더의 경우, 0.03wt%가 첨가된 Y₂O₃은 0.98초, 0.12wt%의 경우 0.89초, 0.12wt%에 Sn, Ni가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.82, 0.72초로 개선되었다. 0.21wt% Y₂O₃의 경우 0.77, 0.21wt% Y₂O₃에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.41, 0.71초로 측정되었다. 0.60, 1.0wt% Y₂O₃의 경우 영점시간은 각각 1.23, 1.42초로 측정되었다.

또한, 상기 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.5%Ag의 영점시간은 1.29초, 세라믹 나노 분말 0.21wt%의 AlN, Y₂O₃이 첨가된 Sn-3.5%Ag의 영점 시간은 각각 1.15, 0.72초로 향상되었다. 0.21wt%의 나노 분말 AlN, Y₂O₃에 Au가 코팅된 Sn-3.5%Ag의 경우 영점 시간은 각각 0.55, 0.54초로 향상되었다.

또한, 상기 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-0.7%Cu의 영점시간은 1.51초, 0.03wt%의 세라믹 나노 분말 TiO₂가 첨가된 Sn-0.7%Cu의 영점 시간은 각각 1.42, 0.21wt%일 때 영점시간은 1.19초로 향상되었으며, 0.21wt% Sn 코팅 조건에서는 0.94초로 측정되었다. 그러나, 0.6wt% 조건에서는 영점시간이 1.60초로 다소 저하되었다.

즉, 세라믹 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금은 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 무연 솔더 합금과 비교했을 때, 우수한 퍼짐성 및 젖음성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 금속이 코팅된 세라믹 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금은 금속이 코팅되지 않은 세라믹 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금에 비해 우수한 퍼짐성 및 젖음성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 금속이 코팅된 세라믹 나노 분말의 우수한 퍼짐성 및 젖음성은 전자 회로 및 전기 시스템의 솔더 조립에 큰 장점이 된다. 이러한 장점은 납땜 시에 민감한 전자부품이나, 회로기판에 잘 퍼져 납땜부가 견고하고 안정적으로 형성되므로 납땜부의 불량 감소와 강도향상 등의 장점으로 작용한다.

본 발명에 따른 나노 크기의 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC가 첨가된 나노 복합 무연 솔더의 경우, 납땜 시 용융된 후 응고될 때, 융점이 Sn(231℃)에 비해 훨씬 높은 세라믹 나노 분말은 미세한 나노 크기의 고체로 존재하게 되며, 이러한 나노 크기의 고체는 첨가된 분말이 응고 시 고체 핵생성 위치(seed, 접종제)로 작용한다. 이로 인해, 첨가된 세라믹 나노 분말들은 더욱 많은 수의 핵생성 위치를 제공하여 이곳에서 고체 결정이 생성되도록 하므로, 세라믹 나노 분말 첨가제의 첨가가 없는 무연 솔더에 비해 결정립이 미세화된다. 또한, 세라믹 나노 분말은 솔더 중의 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 등 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)의 성장을 방해하여, 금속간 화합물이 미세화되도록 함으로써, 솔더가 더 향상된 강도와 특성을 갖는데 기여한다.

본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 상기 세라믹 나노 분말 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함할 수 있다. 상기 세라믹 나노 분말의 함유량이 0.01 중량%보다 적을 때는, 솔더링성의 향상은 거의 나타나지 않는다. 반면에 1.0중량%이상 과다 첨가된 경우에는 솔더링성이 저하되고 젖음 불량인 디웨팅(dewetting) 현상이 일어날 수 있다.

아래에서는 본 발명에서 솔더 조성물의 구성 및 조건을 표 1에 나타내었다.

[표 1]

본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 최적의 솔더링성(납땜성)을 구현하기 위한 퍼짐성, 젖음성 향상을 위하여, 상기 세라믹 나노 분말 첨가제를 가한 솔더의 구성 요소를 최적의 조성으로 하는 것이 필요하다.

만약, 상기 세라믹 나노 분말의 비율이 0.01중량 %보다 낮아지게 되면 솔더 재료의 금속간 화합물은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 합금 솔더의 금속간 화합물보다 두껍게 형성되며, 반면 세라믹 나노 분말의 조성이 1.0wt% 이상으로 과다하면 솔더는 취성을 가짐에 따라 접합면에 균열이 발생하거나, 솔더링성이 악화될 수 있다.

본 발명에 다른 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 Ag₃Sn 화합물로 이루어진 솔더에 대한 요구가 증가하고 있으며 본 발명에 다른 무연 솔더 합금 조성물은 이러한 단점을 개선하는데 효과적으로 사용될 수 있다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 나타낸 블록도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 나이프 임펠러(knife impeller) 및 믹싱 베슬(mixing vessel)을 포함하는 장치를 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 스테인레스 스틸 프로펠러를 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 세라믹 나노 분말 표면 금속 코팅이 용융 솔더의 젖음에 끼치는 영향을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 세라믹 나노 분말에 금속을 코팅하기 전과 후의 모습을 나타낸 사진이 개시되어 있으며, 도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 무연솔더 합금 용융물의 교반 시간과 프로펠러 회전 속도에 따른 교반 조건을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 무연솔더 합금 조성물 제조방법은 세라믹 나노 분말 원료를 분쇄하여 비구형을 포함하는 세라믹 나노 분말을 제조하는 나노 분말 제조단계(S100), 상기 세라믹 나노 분말의 표면에 금속을 코팅하여 첨가제를 제조하는 세라믹 나노 분말 첨가제 제조단계(S110), Ag, Cu, 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn이며, 세라믹 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하고, 상기 Ag의 함량은 0.1 내지 5 중량% 이며, 상기 Cu의 함량은 0.03 내지 2 중량% 이고, 상기 Bi의 함량은 50 내지 60 중량% 인 솔더를 제조하는 무연 솔더 제조단계(S120), 상기 무연 솔더에 상기 세라믹 나노 분말 첨가제를 혼합하여 용융시켜 합금 용융물을 제조하는 무연솔더 합금 용융물 제조단계(S130) 및 상기 무연솔더 합금 용융물을 교반하여 조성물을 제조하는 무연솔더 합금 조성물 제조단계(S140)를 포함하는 것으로 구성된다.

여기서, 상기 첨가제는 상기 원소를 포함하는 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인 세라믹일 수 있으며, 구체적으로 TiO₂(Titanium Oxide), AlN(Aluminum Nitride), Y₂O₃(Yttrium Oxide) 및 SiC(Silicon Carbide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹일 수 있다.

상기 세라믹 나노 분말 제조단계(S100)는 대기 중 실온에서 고속 회전하는 나이프 임펠러 (knife impeller) 및 수평, 수직방향으로의 회전이 가능한 믹싱 베슬 (mixing vessle)(220)을 포함하는 분쇄장치(200)에 의해 세라믹을 기계적으로 파쇄하는 과정을 통해 비구형을 포함하는 나노 분말을 제조할 수 있다.

구체적으로, 상기 분쇄장치(200)는 장치의 제어회로(도시하지 않음)와 스위치(212), 내부 디스플레이부(213) 등이 형성되어 있는 본체(210)와 이러한 본체(210)에 대해 수직방향으로 회전가능 하도록 연결하는 연결부(211)에 의해 연결된 믹싱 베슬(220)을 포함하는 것으로 구성된다.

상기 믹싱 베슬(220)은 내부 분쇄물을 수직방향으로 회전하며 혼합하는 상부 하우징(221) 및 내부 분쇄물을을 수평방향으로 회전하며 혼합하는 하부 하우징(222)으로 구성된다. 여기서 상기 고속 회전하는 나이프 임펠러(knife impeller)(도시하지 않음)는 상기 하부 하우징(222) 내부에 설치되는 것으로 구성될 수 있다.

상기 나이프 임펠러(knife impeller)의 회전속도는 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 회전속도보다 큰 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 나이프 임펠러(knife impeller)는 3,000~14,000rpm으로 회전하고, 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)은 10~30rpm으로 회전함으로써, 상기 세라믹을 분쇄 및 분산시킬 수 있다.

상기 무연 솔더 제조단계(S120)는 Ag, Cu, 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn이며, 상기 세라믹 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하는 무연 솔더를 제조하는 것으로 수행되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 Sn-Ag-Cu 제1 합금, Sn-Bi 제2 합금; Sn-Ag 및 Sn-Cu 합금 중 선택된 1종 이상인 제3 합금을 혼합하고 여기에 상기 첨가제를 첨가하여 균일한 혼합을 위해 200~800℃ 온도의 전기로에서 솔더를 제조하는 것으로 수행될 수 있다.

상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계(S140)는 상기 무연 솔더와 세라믹 나노 분말 첨가제의 균일한 혼합을 위해 스테인레스 스틸 프로펠러(320)를 이용하여 상기 무연솔더 합금 용융물을 100~500rpm으로 교반하는 것으로 수행될 수 있다. 여기서, 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)는 길게 연장된 프로펠러 축(310)에 결합되어 하나의 교반용 프로펠러 기구(300)로서 사용되는 직사각형 형태의 4날 프로펠러로 제작될 수 있다.

상기 무연 솔더 제조단계(S120)는 Sn-Ag-Cu 제1 합금, Sn-Bi 제2 합금; Sn-Ag 및 Sn-Cu 합금 중 선택된 1종 이상인 제3 합금 각각 준비하여 분쇄하는 과정을 더 수행할 수 있으나, 상업적으로 판매되고 있는 솔더 분말을 사용할 경우에는 분쇄과정을 생략하고, 솔더링용 플럭스를 준비하여 혼합하는 과정으로 수행될 수 있다.

상기 세라믹을 분쇄하여 나노 분말을 제조하는 세라믹 나노분말 제조단계(S100)는 구형의 세라믹 나노 분말을 비구형화하여, Sn 금속과 세라믹 나노 분말 간의 기계적 결합을 강화하고, 나노 분말의 응집을 방지하기 위해 나노 분말을 비구형화 분쇄 및 분산시키는 단계로, 상기 나노 분말은 상기 분쇄장치(200)를 이용하여 분쇄 및 분산시킬 수 있다.

이때, 상기 나이프 임펠러(knife impeller)는 3,000~14,000 rpm 으로 회전하며, 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)은 10~30 rpm 으로 회전하여 나노 분말을 분쇄, 분산한다. 또한, 상기 나이프 임펠러(knife impeller) 회전 속도가 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 회전 속도보다 커야 양호한 분산 특성을 얻을 수 있다. 만일, 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 회전 속도가 상기 나이프 임펠러(knife impeller)의 회전 속도보다 크면, 분말이 원심력에 의해 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 내벽에 달라붙어서 나이프 임펠러(knife impeller) 와의 접촉이 나빠져서 양호한 분쇄와 분산효과를 얻을 수 없다. 또한, 상기 나이프 임펠러(knife impeller) 보다 부피가 더 큰 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)을 회전시키는데 에너지가 많이 소모되므로 분쇄와 분산효율이 떨어진다.

상기 세라믹 나노 분말 첨가제 제조단계(S110)는 젖음성 및 퍼짐성이 좋지 못한 세라믹 나노 분말의 단점을 개선하기 위해 세라믹 나노 분말을 코팅하는 단계로서, 상기 세라믹 나노 분말은 금속 증기 증착법 혹은 무전해 도금법에 의해 코팅될 수 있다. 이때, 상기 세라믹 나노 분말에 코팅되는 금속은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn 이며, 이러한 세라믹 분말 표면의 금속 코팅은 세라믹 분말의 젖음성을 향상시켜 나노 복합 솔더 합금 제조시 분말의 응집을 방지하고, 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되어 솔더의 Sn 기지를 강화시키는 동시에, 젖음성도 우수한 나노 복합 무연 솔더를 제조할 수 있는 장점이 있다.

상기 무연 솔더 제조단계(S120)는 300~700℃ 온도의 가열로에서 용융 솔더를 제조하는 단계로, 대기 혹은 질소분위기, 진공 등 비산화성 분위기 중에서 10~30분 동안 유지하는 방법으로 수행될 수 있다.

상기 무연솔더 합금 용융물 제조단계(S130)는 용융된 무연 솔더 합금 내부에 나노 분말 첨가제를 첨가하는 단계로, 상기 나노 분말 첨가제는 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), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)의 원소가 포함된 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 그 평균 직경은 1 ~ 500nm 이고, 0.01~1.0 중량%범위로 첨가될 수 있다.

상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계(S140)는 용융 솔더 내부에 나노 분말을 분산, 혼합시키기 위한 단계로, 300~700℃의 온도에서 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)를 이용하여 10~30분간 교반시키는 것으로 수행되며, 교반 시 약 100~500rpm으로 회전하여 상기 세라믹 나노 분말을 용융 솔더에 분산시키는 것으로 수행될 수 있다. 여기서, 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)는 용융 솔더와 반응성이 매우 낮아 교반용 프로펠러로 적절하다.

또한, 교반 시 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)의 회전속도가 100 rpm 이하이면 교반이 불충분하게 되어 나노 분말이 엉키기 쉬워 분산효과가 크지 않으며, 500 rpm 이상이면 솔더가 튀거나 대기 중 교반일 경우 솔더의 산화가 심화될 수 있으므로, 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)의 회전속도는 100~500 rpm이 적절하다.

< 실시예 1>

- 세라믹 나노 복합 무연 솔더 조성물의 제조 및 미세 조직 특성

무연솔더 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu에 80 nm 크기의 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC 구형의 세라믹 나노 분말을 나노 파우더 믹서를 이용하여 비구형화 분쇄 및 분산시켰다. 이 단계는 구형의 세라믹 나노 분말을 비구형화하여, Sn 금속과 세라믹 나노 분말 간의 기계적 결합을 강화하고, 나노 분말의 응집을 방지하기 위해 나노 분말을 비구형화 분쇄 및 분산시키는 단계이다. 이 때, 세라믹 나노 분말은 분쇄장치의 고속 knife impeller(칼날형 회전날개)와, 이를 둘러싸고 있는 mixing vessel(혼합 용기)이 공전 및 자전하는 원리에 의해 분쇄 및 분산된다. 이때, 상기 칼날형 회전날개는 7,000 rpm으로, 혼합용기는 20 rpm으로 회전시켜 2 분간 나노 분말을 분쇄, 분산하였다.

세라믹 나노 분말 분쇄 후, 나노 분말 표면을 코팅하였다. 이 단계는 퍼짐성이 나쁜 세라믹 나노 분말의 단점을 개선하기 위해 세라믹 나노 분말을 코팅하는 단계이다. 이 때, 세라믹 나노 분말에 코팅되는 금속은 Au, Sn이며 금속 증기 증착법 혹은 무전해 도금법에 의해 코팅된다. 코팅에 사용된 장비는 Sputter coater로, 40mA 전류로 약 90초간 코팅하였다. 코팅된 금속의 두께는 약 100~300Å 이다. 이러한 세라믹 분말 표면의 금속 코팅은 세라믹 분말의 젖음성을 향상시켜 나노 복합 솔더 합금 제조시 분말의 응집을 방지하고, 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되어 솔더의 Sn 기지를 강화시키는 동시에, 젖음성도 우수한 나노 복합 무연 솔더를 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 5에는 본 발명에서 사용된 세라믹 나노 분말의 금속 코팅 전후 사진이 개시되어 있다.

세라믹 나노 분말 분쇄 후 일례로 SAC305 솔더를 대기 및 질소분위기의 500℃ 온도 전기가열로에서 30 분간 용융시켰다. 그 뒤, 분쇄 및 분산된 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC 나노 분말을 0.01~1.0wt% 범위로 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러로 용융 솔더 내 10 분간 교반 및 분산시켰다. 이때, 스테인레스 스틸 프로펠러는 250 rpm으로 회전하였다. 100 rpm 이하이면 교반이 불충분하여 나노 분말이 엉키기 쉬워 분산효과가 크지 않으며, 300 rpm 이상이면 솔더가 튀거나 대기 중 교반일 경우 솔더의 산화가 심화된다. 따라서 100~300 rpm이 적절하다. 도 6에 개시된 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물 제조에 있어서 솔더 용탕 내 나노 분말의 교반조건에 대한 그래프를 통해 이러한 내용을 확인할 수 있다.

< 실시예 2>

- 나노 복합 무연 솔더 합금의 제조 및 기계적 특성

무연솔더 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu(SAC305)에 80 nm 크기의 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC 세라믹 나노 분말을 나노 파우더 믹서를 이용하여 비구형화 분쇄 및 분산시켰다. 나노분말은 대기 중 상온분위기에서 분쇄하였다. 이때, 칼날형 회전날개는 5,000 rpm으로, 혼합용기는 10 rpm으로 회전하여 2 분간 나노 분말을 분쇄, 분산하였다.

비구형을 포함하는 나노 분말 분쇄 후 세라믹 나노 분말 표면을 코팅하였다. 코팅에 사용된 장비는 Sputter coater로, 40mA 전류로 약 180초간 코팅하였다. 코팅된 금속의 두께는 약 100~300Å 이다.

비구형을 포함하는 나노 분말 분쇄 후, SAC305 솔더를 대기 및 질소분위기의 600℃ 온도 전기가열로에서 30 분간 용융시켰다. 그 뒤, 분쇄 및 분산된 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC 나노 분말을 0.01~1.0wt% 범위로 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러로 용융 솔더 내 10 분간 교반 및 분산시켰다. 이때, 스테인레스 스틸 프로펠러는 300 rpm으로 회전하였다.

본 발명에서 제조된 나노 복합 솔더 합금 조성물과 나노 분말이 첨가되지 않은 솔더의 기계적 특성 평가를 위해 인장 시험 및 미소경도 시험(규격 ASTM E8-M01, KS B 0801)을 평가하였다.

Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu에 0.01~1.0wt%의 세라믹 나노 분말 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC 를 첨가한 경우 (바람직하게는 0.21wt%의 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC), 순수한 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더와 비교하여 높은 인장 강도 및 연신율 값을 가진다. 이러한 솔더들의 인장강도 크기를 도 8 내지 도 16의 그래프를 통해 확인할 수 있다.

나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 인장강도는 55.09MPa, 0.03wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우 각각 55.39MPa, 51.46MPa로 증가하였으며, 0.12wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우 각각 66.97MPa, 68.14MPa로 상승하였다. 0.21wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우는 각각 66.04MPa, 58.97MPa, 0.60wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우 각각 53.88MPa, 58.06MPa으로 측정되었다. 그러나, 0.10wt% TiO₂, AlN 나노 분말이 첨가된 경우는 인장강도가 각각 50.36MPa, 51.48MPa로 감소하였다. Y₂O₃이 0.03, 0.12, 0.21, 0.60, 1.00wt% 첨가된 SAC305 솔더의 인장강도는 각각 58.10, 70.23, 59.91, 67.09, 52.04MPa로 측정되었으며, 0.21wt% 조건에서 Sn코팅을 한 경우 인장강도는 0.21wt% 조건 대비 약 17.23% 증가한 70.23MPa로 증가하였다.

상용 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더의 결정구조의 미세화는 나노 분말 첨가제 첨가에 의해 이루어지며, 그 물리적 특성이 향상됨을 나타낸다. 즉, Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu에 나노 분말 첨가제를 첨가함에 따라 미소 경도는 증가하였는데, 본 발명에 따른 세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 경도는 16.63 HvN이고, Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu에 나노 분말 TiO₂ 를 0.03, 0.12, 0.21, 0.60wt% 첨가한 경우의 경도 값은 각각 16.36, 17.85, 16.45, 16.64HvN로 나타났으며, AlN을 첨가한 경우는 각각 16.69, 18.01, 17.82, 17.14HvN으로 증가하였다. Y₂O₃ 나노분말의 경우, 경도값은 각각 17.48, 19.00, 19.44, 18.08HvN으로 증가된 것을 도 18을 통해 알 수 있다. 단단하고 미세하게 분산된 Ag₃Sn 상은 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu에서 나타나는 넓게 형성된 Ag₃Sn보다 좀 더 효과적으로 압력에 저항하여 경도가 증가하게 된다.

결과적으로, 본 발명에 따른 세라믹 나노 입자의 첨가는 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 입자를 미세하게 하고, 강도를 증가시킨다. 미세한 입자를 갖는 합금은 전위 이동에 더 많은 방해를 해서, 합금의 기계적 특성을 증가시킨다.

< 실시예 3>

- 나노 복합 무연 솔더 합금의 제조 및 합금의 솔더링성 평가

무연솔더 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu(SAC305), Sn-0.7wt%Cu, Sn-3.5wt%Ag 및 Sn-58wt%Bi에 80 nm 크기의 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC 세라믹 나노 분말의 첨가제를 나노 파우더 믹서를 이용하여 비구형화 분쇄 및 분산시켰다. 세라믹 나노분말은 대기 중 상온분위기에서 비구형화 분쇄하였다.

이때, 칼날형 회전날개는 9,000 rpm으로, 혼합용기는 30 rpm으로 회전하여 2 분간 나노 분말을 비구형화 분쇄, 분산하였다.

비구형을 포함하는 세라믹 나노 분말 분쇄 후 일례로 SAC305 솔더를 대기 및 질소분위기의 700℃ 온도 전기가열로에서 30 분간 용융시켰다. 그 뒤, 분쇄 및 분산된 TiO₂, AlN, Y₂O₃, SiC 나노 분말을 0.01~1.0wt% 범위로 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러로 용융 솔더 내 10 분간 교반 및 분산시켰다. 이때, 스테인레스 스틸 프로펠러는 100 rpm으로 회전하였다.

솔더링성 평가 항목은 퍼짐성시험 (규격 JIS-Z-3197), 젖음성시험 (규격 KS C IEC60068) 평가 등이다.

본 발명에서 제조한 솔더들의 퍼짐성을 도 18 내지 도 26에 나타내었다. 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 측정한다.

본 발명에서 제조된 나노 복합 솔더 합금과 나노 분말이 첨가되지 않은 솔더의 젖음성 측정을 위해 웨팅밸런스시험기 (RESCA SAT 5000)를 사용하고, 구리 시편은 BGA타입의 플럭스로 코팅하고, 250℃의 용융 솔더(본 발명의 솔더)에 5초 동안 2mm의 깊이까지 2.5mm/s의 속도로 담갔다.

Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 및 Sn-3.5%Ag에 0.01~1.0wt%의 AlN, Y₂O₃ 나노 분말을 첨가한 경우 (바람직하게는 0.21wt%의 AlN, Y₂O₃), 순수한 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu, Sn-3.5%Ag 솔더와 비교하여 낮은 zero cross time을 가졌다. 두 합금의 젖음 특성의 비교는 도 27 내지 도 36에 나타내었다.

젖음성 테스트는 어떤 솔더가 주어진 시간 안에 기판이나 PCB에 더 강한 결합으로 젖을 수 있는지에 대한 정보를 제공한다. 이 젖음성에 대한 중요한 변수(parameter)는 영점시간(zero force time) (T0)이다.

세라믹 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더와, 나노 분말 TiO₂이 첨가된 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 무연 솔더의 영점시간을 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-3.0%Ag-0.5%Cu의 경우 영점시간은 1.11초이고, 0.03wt%가 첨가된 TiO₂의 경우 1.05초, 0.12wt%의 경우 1.08초, 0.12wt%에 Au, Ni, Cu가 코팅되었을 때 영점시간은 각각 0.74, 0.91, 1.06초로 측정되었다. 0.21wt% TiO₂의 경우 1.04초, 0.21wt% TiO₂에 Sn, Ni이 코팅되면 영점시간은 각각 0.63, 0.88초로 개선되었다. 0.60, 1.0wt% TiO₂의 경우 영점시간은 각각 1.16, 1.21초로 측정되었다.

이러한 현상은 상기 실시예의 나노 입자뿐만이 아닌 다른 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물 나노 입자를 사용하였을 때에도 유사한 효과를 나타낼 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

Ag, Cu, 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn이며, 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하고,
상기 Ag의 함량은 0.1 내지 5 중량% 이며,
상기 Cu의 함량은 0.03 내지 2 중량% 이고,
상기 Bi의 함량은 50 내지 60 중량% 인 무연솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 나노 분말은 비구형의 외형을 포함하는 나노 분말인 무연솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 첨가제는 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), Mg(마그네슘), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 세라믹 나노 분말인 무연솔더 합금 조성물.
제3항에 있어서,
상기 첨가제는 상기 원소를 포함하는 산화물, 질화물, 탄화물 및 붕소화물로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 세라믹 나노 분말인 무연솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 첨가제는 Fe(철), Ni(니켈), Sn(주석), Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), Au(금), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 산화물인 무연솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 첨가제는 1 내지 500nm의 입경 사이즈를 갖는 무연솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 나노 분말 표면에 코팅된 금속은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속인 무연솔더 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 나노 분말 첨가제 표면에 코팅되는 금속은 물리적 증착법 (PVD), 화학적 증착법 (CVD) 또는 무전해 도금법에 의해 코팅된 금속인 무연솔더 합금 조성물.
나노 분말 원료를 분쇄하여 비구형을 포함하는 나노 분말을 제조하는 나노 분말 제조단계;
상기 나노 분말의 표면에 금속을 코팅하여 첨가제를 제조하는 나노 분말 첨가제 제조단계; 및
Ag, Cu, 및 Bi 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn이며, 상기 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하고,
상기 Ag의 함량은 0.1 내지 5 중량% 이며,
상기 Cu의 함량은 0.03 내지 2 중량% 이고,
상기 Bi의 함량은 50 내지 60 중량% 인 솔더 합금과 상기 나노 분말 첨가제를 혼합하여 상기 첨가제의 함량이 0.01 내지 1.0 중량%인 솔더를 제조하는 무연 솔더 제조단계;
상기 무연 솔더에 상기 나노 분말 첨가제를 혼합하여 용융시켜 합금 용융물을 제조하는 무연솔더 합금 용융물 제조단계; 및
상기 무연솔더 합금 용융물을 교반하여 조성물을 제조하는 무연솔더 합금 조성물 제조단계;
를 포함하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 나노 분말 제조단계는 대기 중 실온에서 고속 회전하는 나이프 임펠러 (knife impeller) 및 수평, 수직방향으로의 회전이 가능한 믹싱 베슬 (mixing vessle)에 의해 나노 분말 원료를 기계적으로 파쇄하는 과정을 통해 비구형을 포함하는 나노 분말을 제조하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 나이프 임펠러(knife impeller)의 회전속도가 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)의 회전속도보다 큰 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 나이프 임펠러(knife impeller)는 3,000~14,000rpm으로 회전하고, 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)은 10~30rpm으로 회전하여 상기 나노 분말 원료를 분쇄 및 분산시킴으로써, 상기 비구형을 포함하는 나노 분말을 제조하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 무연 솔더 제조단계는 200~800℃ 온도의 전기로에서 수행되는 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계는 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 상기 무연솔더 합금 용융물을 100~500rpm으로 교반하는 것으로 수행되는 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 스테인레스 스틸 프로펠러는 축의 직경 값보다 얇은 두께를 갖는 판 형태의 4날 프로펠러인 무연솔더 합금 조성물 제조방법.