KR20200116430A - Lead free solder composition - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a lead-free solder alloy composition having excellent solderability and mechanical properties. The lead-free solder alloy composition according to an embodiment of the present invention includes: an alloy solder containing Sn; and high entropy alloy nanopowder.

Description

무연솔더 합금 조성물 {LEAD FREE SOLDER COMPOSITION}Lead-free solder alloy composition {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.The present invention relates to a lead-free solder alloy composition. More specifically, it is possible to minimize the influence of harmful metal elements on the environment by solving the environmental problem caused by the toxicity of lead (Pb), and relates to a lead-free solder alloy composition having excellent solderability and mechanical properties.

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.In general, Sn-Pb-based leaded solder has been used as a bonding material for electronic devices for a long time. In particular, it is used as a bonding material for mounting small electronic components such as semiconductor chips and resistance chips on printed circuit boards. come.

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.However, when disposing of electronic devices using leaded solder, the lead (Pb) component contained in the solder is eluted by acid rain and contaminates the groundwater. It is pointed out as material. Among them, lead (Pb) contained in leaded solder is strictly limited, and Sn-Pb solder is being replaced by lead-free solder.

이러한 이유로 최근에는 솔더 합금의 제조 시, 납 사용을 규제하거나 배제함으로써 환경 친화적인 무연솔더 조성물을 개발하려는 시도가 다양하게 진행되어 왔다.For this reason, in recent years, various attempts have been made to develop environmentally friendly lead-free solder compositions by restricting or excluding the use of lead in the manufacture of solder alloys.

한편, 최근 Sn, Ag, Bi, Cu, In, Zn 등의 원소를 포함하는 무연솔더의 연구개발에 있어서 특히, Sn, Ag, Cu를 포함하는 조성에 관심이 높아지고 있다.On the other hand, in recent years, in the research and development of lead-free solders containing elements such as Sn, Ag, Bi, Cu, In, and Zn, in particular, interest in compositions containing Sn, Ag, and Cu is increasing.

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.However, each of the aforementioned lead-free solders has disadvantages. Zn, for example, is sensitive to oxidation and consequently reduced solderability. Sn-Cu solder is inexpensive but has poor wettability, and since it is easy to form Ag3Sn, which is a coarse needle-like intermetallic compound in a solder containing Ag, the solderability is deteriorated and the strength is reduced. In the case of the existing commercial Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder, the wettability and reliability are excellent among lead-free solders, but the melting point is as low as about 221℃.

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.In recent years, the use of solder in automotive power semiconductors is increasing. In the case of the existing Si power semiconductor module, the device operating temperature was about 150°C on average, and it could be manufactured using the existing SAC305 solder. However, in recent years, SiC-based power semiconductors have been developed. At this time, the operating temperature of the device is driven at an average of 200°C or higher, and the instantaneous operation is about 235°C or higher, so there is a limit to applying the existing solder. High-temperature solder candidates to replace this include Au-Sn, Sn-Zn, and Sn-Al. However, Au is expensive, and Zn has a disadvantage of lowering the fluidity of the solder. In addition, Cu has poor wettability and has defects such as voids, and Al has a strong oxidation property, which causes serious problems in wettability.

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.In order to solve this problem, there is Sn-Sb having excellent mechanical strength, creep characteristics, and good wettability. In addition, studies on Sn-Bi-based solders are in progress as low-temperature solders used for low-temperature components. However, when Sb and Bi are added, the tensile strength increases, but since brittleness occurs and the hardness is increased, it is usually added at 4 to 5% or less.

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. In order to solve these Sn-Sb, Sn-Bi, and Sn-Ag-based solder problems, it is necessary to include fine-grained materials in the solder composition. These materials include aluminum nitride (AlN), yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and There are ceramic nano powders such as silicon carbide (SiC). These ceramic nano-powder materials have the advantage of reinforcing solder by miniaturizing particles and being stable at high temperatures. However, ceramic nano-powder materials are brittle, and there is a difference between the known Sn metal and the crystal lattice, so when the solder is loaded, the ceramic nano-powder material itself is destroyed or cracks occur at the interface between the ceramic nano-powder material and the Sn metal. There is a drawback of lowering it.

또한, 세라믹 나노 분말은 젖음성이 좋지 않아 세라믹 나노 복합 솔더 합금 제조시에 분말이 응집되거나 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되지 않는 단점이 있다.In addition, ceramic nano-powder has a disadvantage in that it does not have good wettability, so that the powder is aggregated or not well mixed with known Sn metal when preparing a ceramic nano-composite solder alloy.

또한, 구형의 나노 분말은 비 구형의 나노 분말에 비해 Sn 금속과 나노 분말 간의 기계적 결합이 비교적 약한 단점이 있다.In addition, the spherical nano-powder has a relatively weak mechanical bond between the Sn metal and the nano-powder compared to the non-spherical nano-powder.

본 발명에서는 우수한 솔더링성 및 기계적 특성을 갖는 무연솔더 합금 조성물을 제공한다.The present invention provides a lead-free solder alloy composition having excellent solderability and mechanical properties.

본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물은 Sn을 포함하는 합금 솔더 및 고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함한다.The lead-free solder alloy composition according to an embodiment of the present invention includes an alloy solder containing Sn and a high entropy alloy nanopowder.

합금 솔더 100 중량부에 대하여, 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.01 내지 1 중량부 포함할 수 있다.Based on 100 parts by weight of the alloy solder, 0.01 to 1 part by weight of the high entropy alloy nanopowder may be included.

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.High entropy alloy nanopowder is among B, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta and W It may contain 4 or more types.

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.High entropy alloy nanopowder contains Fe, Co, Cr, Ni and Cu, contains Cu, Ni, Co, Fe and Mn, contains Al, Co, Cu, Fe and Ni, or contains Co, Cr, Fe , Containing Mn, Ni and Zn, containing Ni, Co, Fe, Cr and Mo, containing Ni, Co, Fe, Cr and Mn, containing Cu, Ni, Co, Fe and Mn, or containing Fe , Co, Cr, Ni and W, Ta, Nb, V, Ti and Al, or W, Nb, Mo, Ta and V.

고 엔트로피 합금 나노 분말은 원소를 각각 5 내지 35at% 포함할 수 있다.The high entropy alloy nanopowder may contain 5 to 35 at% of each element.

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.High entropy alloy nanopowder is 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 and Au may further contain 0.01 to 5 at% of one or more.

고 엔트로피 합금 나노 분말은 평균 입경이 10 내지 500nm일 수 있다.The high entropy alloy nanopowder may have an average particle diameter of 10 to 500 nm.

본 발명의 일 실시예에서 무연솔더 합금 조성물은 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the lead-free solder alloy composition may further include ceramic nano powder or metal powder.

합금 솔더 100 중량부에 대하여, 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말을 0.01 내지 1 중량부 포함할 수 있다.Based on 100 parts by weight of the alloy solder, 0.01 to 1 part by weight of ceramic nano powder or metal powder may be included.

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.Ceramic nanopowder is B (boron), Ti (titanium), Al (aluminum), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zr. (Zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Y (yttrium), La (lanthanum), Sn (tin), Si (silicon), Ag (silver), Bi (bismuth), Cu (copper), Oxide, nitride, carbide or boride of at least one element selected from the group consisting of Au (gold), Sr (strontium), Mg (magnesium), Pd (palladium), Pt (platinum), and Zn (zinc). I can.

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.The metal powder may contain one to three types of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta, and W. have.

세라믹 나노 분말은 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.The ceramic nanopowder may have a metal coating layer formed on its surface.

고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말은 표면조도가 입자 평균 직경의 10% 내지 40%일 수 있다.The high entropy alloy nanopowder, ceramic nanopowder, or metal powder may have a surface roughness of 10% to 40% of the average particle diameter.

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.According to the lead-free solder alloy composition according to an embodiment of the present invention, by adding a high-entropy alloy nanopowder, toughness and elongation are high, and an effect of excellent spreadability can be expected.

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.
1 is an FE-SEM photograph of Example 3.
2 is an FE-SEM photograph of Comparative Example 1.
3 is an FE-SEM photograph of Example 8.
4 is an FE-SEM photograph of Comparative Example 2.
5 is an FE-SEM photograph of Example 12.
6 is an FE-SEM photograph of Comparative Example 3.
7 to 10 are graphs of measurement results of tensile strength and elongation measured in Experimental Example 2.
11 is a graph showing the results of measuring spreadability measured in Experimental Example 3.

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.Terms such as first, second and third are used to describe various parts, components, regions, layers, and/or sections, but are not limited thereto. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.

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.The terminology used herein is for referring only to specific embodiments and is not intended to limit the present invention. Singular forms as used herein also include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. As used in the specification, the meaning of “comprising” specifies a specific characteristic, region, integer, step, action, element and/or component, and the presence of another characteristic, region, integer, step, action, element and/or component It does not exclude additions.

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.Although not defined differently, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in a commonly used dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

무연 솔더 합금 조성물Lead-free solder alloy composition

본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물은 Sn을 포함하는 합금 솔더 및 고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함한다.The lead-free solder alloy composition according to an embodiment of the present invention includes an alloy solder containing Sn and a high entropy alloy nanopowder.

Sn을 포함하는 합금 솔더는 Sn-Bi계, Sn-Sb계, Sn-Ag계가 될 수 있다.The alloy solder containing Sn may be Sn-Bi-based, Sn-Sb-based, or Sn-Ag-based.

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.Specifically, the Sn-Bi-based alloy solder may include Bi: 20 to 70% by weight, the remainder of Sn, and inevitable impurities, based on 100% by weight of the entire Sn-Bi alloy solder.

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.Specifically, the Sn-Sb-based alloy solder may include Sb: 0.1 to 30% by weight, the remainder of Sn, and inevitable impurities, based on 100% by weight of the entire Sn-Sb alloy solder.

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.Specifically, the Sn-Ag-based alloy solder may include Ag: 0.1 to 30% by weight, the remainder of Sn, and inevitable impurities based on 100% by weight of the entire Sn-Ag alloy solder.

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.The Sn-Ag-based alloy solder may be a Sn-Ag-Cu-based alloy solder further including Cu. In the case of further comprising Cu, Ag: 0.1 to 30% by weight, Cu: 0.1 to 30% by weight, the remainder of Sn and inevitable impurities may be included.

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.High entropy alloys are multi-component alloys in which four or more elements are composed of equal molar ratios or the content of each element is in the range of 5 to 35 at%. Further, based on the size of entropy, high entropy alloys have high entropy ((SSS, Ideal> 1.61R), SS-solid solution; R gas constant] and prefers a single solid solution phase over the formation of intermetallic compounds. The crystal structure of a completely irregularly arranged high entropy solid solution includes face centered cubic (FCC), body centered cubic (BCC), or hexagonal close packed (HCP).

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.These high entropy alloys have high strength and toughness due to severe lattice distortion, high temperature strength and structural stability superior to superalloys such as Inconel, have low creep resistance and diffusion rate, good weldability, high strain hardening ability, and flow stress. It has the characteristics of high strain sensitivity.

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.In an embodiment of the present invention, by adding a high entropy alloy together with an alloy solder, the matrix structure of the solder and the intermetallic compound present in the solder are uniformly refined to improve the strength and ductility of the alloy. In addition, it is possible to prevent cracking of the solder and suppress the formation of cavities. Accordingly, it is possible to prevent damage to the soldering unit joined to the electronic device, and increase the reliability and life of the soldering unit.

고 엔트로피 합금 나노 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 1 중량부 첨가할 수 있다.The high entropy alloy nanopowder may be added in an amount of 0.01 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder.

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.If too little of the high entropy alloy nanopowder is added, it is difficult to expect the micronization effect of the aforementioned intermetallic compound. Conversely, if too much of the high entropy alloy nanopowder is added, a problem may occur in that the above-described role is not smoothly performed due to agglomeration. More specifically, the high entropy alloy nanopowder may be added in an amount of 0.03 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder. More specifically, the high entropy alloy nanopowder may be added in an amount of 0.1 to 0.2 parts by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder.

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.As described above, the high entropy alloy nanopowder may contain four or more atoms. More specifically, it may contain 4 to 7 types of atoms. More specifically, it may contain 5 to 6 types of atoms.

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.The types of elements included in the high entropy alloy nanopowder include B, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, It can be selected from Hf, Ta and W.

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.For example, among the combinations of the aforementioned atoms, including Fe, Co, Cr, Ni and Cu, including Cu, Ni, Co, Fe and Mn, or including Al, Co, Cu, Fe and Ni, or Co, Contains Cr, Fe, Mn, Ni and Zn, contains Ni, Co, Fe, Cr and Mo, contains Ni, Co, Fe, Cr and Mn, contains Ta, Nb, V, Ti and Al Or, it may include W, Nb, Mo, Ta and V. The combination described above is more excellent in terms of strength and ductility.

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.In addition to the above elements, high entropy alloy nanopowder is a trace element, 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 and Au may further contain 0.01 to 5 at% of one or more of. In this case, when the type of the additional element (auxiliary element) and the main element included in the aforementioned 5 to 35 at% overlap, it means that the main element type is excluded. More specifically, 0.01 to 3 at% of the element may be further included.

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.The high entropy alloy nanopowder may have an average particle diameter of 10 to 500 nm. If the particle diameter of the high entropy alloy nanopowder is too small, agglomeration occurs between the high entropy alloy nanopowders, and solderability may be deteriorated. If the average particle diameter is too large, the micronization effect of the matrix structure of the solder and the intermetallic compounds present in the solder may not be significant. More specifically, the high entropy alloy nanopowder may have an average particle diameter of 30 to 100 nm.

본 발명의 일 실시예에서 무연솔더 합금 조성물은 세라믹 나노 분말 또는 금속 분말을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the lead-free solder alloy composition may further include ceramic nano powder or metal powder.

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.By further adding ceramic nano powders or metal powders together with high entropy alloy nano powders, the matrix structure of the solder and the micronization effect of the intermetallic compounds present in the solder can be further improved. The addition of the ceramic nano-powder may have a more excellent synergistic effect than the addition of the metal powder.

세라믹 나노 분말 또는금속 분말은 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 1 중량부 첨가할 수 있다.The ceramic nano-powder or metal powder may be added in an amount of 0.01 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder.

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.When too little ceramic nano-powder or metal powder is added, it is difficult to expect the micronization effect of the aforementioned intermetallic compound. Conversely, if too much is added, a problem in which it is difficult to expect the aforementioned role may occur due to aggregation. More specifically, the ceramic nano powder or metal powder may be added in an amount of 0.03 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder. More specifically, the ceramic nano powder or metal powder may be added in an amount of 0.1 to 0.2 parts by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder.

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. The high entropy alloy nano-powder and ceramic nano-powder or metal powder may be added in an amount of 0.01 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder. More specifically, the high entropy alloy nanopowder, ceramic nanopowder or metal powder may be added in an amount of 0.03 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the alloy solder.

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.Ceramic nanopowder is B (boron), Ti (titanium), Al (aluminum), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zr. (Zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Y (yttrium), La (lanthanum), Sn (tin), Si (silicon), Ag (silver), Bi (bismuth), Cu (copper), Oxide, nitride, carbide, or boride of one or more elements selected from the group consisting of Sr (strontium), Mg (magnesium), Pd (palladium), Pt (platinum), and Zn (zinc) may be included.

더욱 구체적으로 Al, Y, La, Ti, Sr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소의 산화물, 질화물, 탄화물 또는 붕소화물을 포함할 수 있다.More specifically, oxides, nitrides, carbides, or borides of at least one element selected from the group consisting of Al, Y, La, Ti, Sr, and Si may be included.

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.The trace element metal powder included in the high entropy alloy is a metal powder containing one to three metals, and is distinguished from the high entropy alloy nano powder containing four or more metals.

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.The metal powder may contain one to three types of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta, and W. have.

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.The ceramic nano powder or metal alloy powder may have an average particle diameter of 10 to 500 nm. When the particle diameter of the ceramic nano-powder or metal alloy powder is too small, agglomeration occurs between the powders, and solderability may be deteriorated. If the average particle diameter is too large, the micronization effect of the matrix structure of the solder and the intermetallic compounds present in the solder may not be significant. More specifically, the ceramic nano powder or metal alloy powder may have an average particle diameter of 30 to 100 nm.

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. The ceramic nanopowder may have a metal coating layer formed on its surface. When a coating layer is formed on the surface of the ceramic nano powder, solder is wetted onto the surface of the additive. Accordingly, the ceramic nanopowder is pulled into the solder by the surface tension of the solder, and the ceramic nanopowder may diffuse into the solder. Therefore, the spreadability and wettability of the lead-free solder alloy composition can be improved.

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.The coating layer may include at least one metal selected from the group consisting of In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, and Mn.

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.Specifically, the coating layer surrounds the surface of the ceramic nanopowder and may have an average thickness of 20 to 500Å. If the average thickness of the coating layer is too thin, the effect of improving the wettability and preventing aggregation of the ceramic nanopowder may be insignificant. On the other hand, if it is too thick, excessive intermetallic compounds may be formed depending on the coating metal, and problems of process cost and process time may occur. Specifically, the average thickness may be 50 to 400Å. More specifically, it may be 100 to 300 Å.

고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말은 표면에 볼록한 부분과 오목한 부분이 불규칙하게 반복되는 요철 구조가 형성될 수 있다.The high entropy alloy nano powder, ceramic nano powder, or metal alloy powder may have an uneven structure in which convex portions and concave portions are irregularly repeated on the surface.

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.Due to the presence of an uneven structure in which the convex and concave portions formed on the surface of high entropy alloy nano powder, ceramic nano powder, or metal alloy powder are irregularly repeated, solder is concave or hollow on the surface of the additive depending on the anchor effect. Can be mixed in. As a result, the mechanical bonding force increases, so that the strength and ductility of the soldering portion may be improved. In addition, when the crack propagation in the solder meets the ceramic particles, the cracks mainly propagate along the surface of the ceramic particles. Compared to the spherical powder, ceramic powder with irregularities delays the crack progress according to the change of the crack propagation direction and the increase of the propagation distance of the crack. . Due to this, the breakdown of the solder is delayed, and the strength and ductility of the soldered portion may be improved. Specifically, the high entropy alloy nanopowder, ceramic nanopowder, or metal alloy powder may have a surface roughness of 10% to 40% of the average particle diameter.

고 엔트로피 합금 나노 분말, 세라믹 나노 분말 또는 금속 합금 분말은 비정형으로 형성될 수 있다. The high entropy alloy nanopowder, ceramic nanopowder, or metal alloy powder may be formed in an amorphous form.

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.The lead-free solder alloy composition according to the present invention can be used as a solder material. Specifically, it may be used for soldering a solder paste, a solder ball, a solder bar, a solder wire, and the like of an electronic product using the same.

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.Modern electronic devices are getting smaller and smaller to meet the demands of high integration, low power or portability, size, and operating voltage. One serious issue here is the wettability and strength of the soldering parts of electronic devices. In order to improve this, there is an increasing demand for a solder made of improved wettability and fine intermetallic compounds, and the lead-free solder alloy composition according to the present invention can be effectively used to improve this disadvantage.

무연 솔더 합금 조성물 제조방법Lead-free solder alloy composition manufacturing method

본 발명의 일 실시예에 의한 무연솔더 합금 조성물 제조방법은 특별히 제한되지 아니한다.A method for preparing a lead-free solder alloy composition according to an embodiment of the present invention is not particularly limited.

일 예로 하기 방법을 사용할 수 있다.As an example, the following method may be used.

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.Grinding and mixing the high entropy alloy raw material to prepare a high entropy alloy nanopowder, melting the alloy solder containing Sn, and adding the high entropy alloy nanopowder to the molten alloy solder, followed by stirring And preparing the composition.

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.When the ceramic nano powder is further included, the high entropy alloy nano powder and the ceramic nano powder are added to the molten alloy solder and then stirred to prepare a composition.

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.Instead of the molten solder, a high entropy alloy nanopowder may be added to the solder powder, or a high entropy alloy nanopowder and a ceramic nanopowder may be added and stirred to prepare a solder composition.

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.In an embodiment of the present invention, a method of manufacturing the high entropy alloy nanopowder is not particularly limited. For example, in the step of pulverizing and mixing a high entropy alloy raw material to prepare a high entropy alloy nanopowder, a high entropy alloy nanopowder may be prepared by ball milling the high entropy alloy raw material.

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.Ceramic nanopowder is manufactured by grinding ceramic raw materials. It is disposed in a vessel that can rotate horizontally and vertically, and a blade-shaped impeller can be used to crush the ceramic through the principle of revolution and rotation.

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.Specifically, ceramic nano-powder may be prepared such that amorphous ceramic nano-powder is included by using a vessel rotating at 10 to 50 rpm and an impeller rotating at 3000 to 14000 rpm in the vessel.

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.When the rotational speed of the impeller is faster than the rotational speed of the vessel, it is possible to prevent the phenomenon that ceramic nanopowder adheres to the inner wall of the vessel due to centrifugal force, making contact with the impeller difficult. Accordingly, the grinding efficiency can be increased.

베슬 및 임펠러의 회전속도가 상기 범위를 만족함으로써 에너지 효율을 높임에 따라 효율적으로 텅스텐을 분쇄할 수 있으며, 비정형의 세라믹 나노 분말을 제조할 수 있다.As the rotational speed of the vessel and the impeller satisfies the above ranges, as energy efficiency is increased, tungsten can be efficiently pulverized, and amorphous ceramic nanopowder can be manufactured.

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.It may further include processing the surface of the ceramic nanopowder by performing at least one of plasma etching and sputtering. Through this, irregular shaped micro grooves are formed on the surface. This is to increase the bonding force with the metal material forming the coating layer.

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.Specifically, CF 4 + O 2 gas may be used. Plasma etching can be performed for 50 to 150 minutes under a vacuum degree of 25 to 40 mTorr. It can be sputtered for 80 to 200 seconds with a current of 20 to 40 mA under a vacuum degree of 0.01 to 1 mbar.

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.It may further include coating the surface of the ceramic nanopowder with a metallic material. This is a step to improve the wettability of the ceramic nano powder. When the non-metallic ceramic nanopowder is mixed with the alloy solder as it is, the ceramic nanopowder has poor wettability, and the ceramic powder is likely to be pushed upwards due to the buoyancy of the solder.

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.On the other hand, when the surface of the ceramic nanopowder is coated with a metal material, the additive may diffuse into the Sn-Bi alloy solder because the solder is wetted onto the surface of the additive and attracts the additive to the inside by the solder surface tension. . Due to this, mechanical bonding and mixing power between the ceramic nano powder and the alloy solder matrix may be improved.

구체적으로, 세라믹 나노 분말 표면은 물리적 증착법(PVD), 화학적 증착법(CVD)과 같은 금속 증기 증착법 혹은 무전해 도금법에 의해 코팅될 수 있다.Specifically, the surface of the ceramic nanopowder may be coated by a metal vapor deposition method such as a physical vapor deposition method (PVD) or a chemical vapor deposition method (CVD), or an electroless plating method.

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.In addition, a sputter coater may be used, and coating may be performed for 70 to 280 seconds with a current of 20 to 60 mA. By satisfying these conditions, an effect of depositing a coating layer of a uniform metal material on the surface of the ceramic nano powder can be expected.

세라믹 나노 분말의 제조 이후에는 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 중 하나 이상을 수행하여 세라믹 나노 분말의 표면을 가공하는 단계를 거칠 수 있다.After the ceramic nanopowder is manufactured, at least one of plasma etching and sputtering may be performed to process the surface of the ceramic nanopowder.

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.By performing one or more processes of plasma etching and sputtering on the surface of the ceramic nanopowder, an uneven structure in which convex portions and concave portions are irregularly repeated may be formed on the surface of the ceramic nanopowder on which the coating layer is formed. Due to the formation of such an uneven structure, Sn-Bi alloy solder may be mixed into concave portions or empty holes of the additive surface according to an anchor effect. As a result, the mechanical bonding force increases, so that the strength and ductility of the soldering portion may be improved.

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.Specifically, CF 4 + O 2 gas may be used. Plasma etching may be performed for 50 to 150 minutes under a vacuum degree of 25 to 40 mTorr. It can be sputtered for 80 to 200 seconds with a current of 20 to 40 mA under a vacuum degree of 0.01 to 1 mbar.

합금 솔더를 용융하는 단계에서는 합금 솔더를 전기로에서 가열하여 용융시킬 수 있다. 구체적으로는, 200 내지 800℃의 온도에서 용융될 수 있다.In the step of melting the alloy solder, the alloy solder may be melted by heating in an electric furnace. Specifically, it may be melted at a temperature of 200 to 800°C.

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.In the step of preparing the composition, a lead-free solder alloy composition may be prepared by mixing and stirring the high entropy alloy nano powder or the high entropy alloy nano powder and the ceramic powder and the molten alloy solder.

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.Specifically, it may be stirred for 10 to 50 minutes using a propeller rotating at 100 to 500 rpm. When the speed of the propeller is less than 100 rpm, the agitation becomes insufficient, and the nano-powder is easily entangled, so that the dispersion effect may not be large. If it exceeds 500rpm, solder may spatter. In addition, in the case of stirring in the air, oxidation of the solder may intensify. Therefore, the rotational speed of the propeller is controlled within the above range.

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.The propeller may be made of stainless steel, and in this case, the reactivity between the surface of the propeller and the solder is low, so that the stirring efficiency may be improved. In addition, a plate-shaped four-blade propeller having a thickness thinner than the diameter value of the shaft may be used. Accordingly, it is possible to prevent agglomeration of the additive, and expect the effect of uniformly dispersing the additive in the molten solder.

조성물을 제조하는 단계 이후, 교반된 조성물을 관통홀에 통과시킴으로써 솔더볼로 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the step of preparing the composition, it may further include processing the agitated composition into a solder ball by passing it through the through hole.

교반되어 용융된 상태의 조성물을 오리피스 판과 같이 일정한 크기를 갖는 관통홀에 통과시키는 과정을 거침으로써 솔더볼 형태로 제조하는 것이 가능하다.It is possible to manufacture in the form of a solder ball by passing the agitated and melted composition through a through hole having a certain size such as an orifice plate.

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.The method for preparing a lead-free solder alloy composition according to another embodiment of the present invention includes the steps of preparing a high entropy alloy nanopowder, preparing an alloy solder containing Sn in a powder form, and a high entropy alloy nanopowder and powder form. It includes the step of preparing a paste by mixing the alloy solder.

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.A description of the steps of preparing the high entropy alloy nanopowder or the high entropy alloy nanopowder and the ceramic powder is replaced by the description of the method for preparing the lead-free solder alloy composition.

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.Thereafter, an alloy solder containing Sn is prepared in the form of a powder, and mixed with the high entropy alloy nano powder or the high entropy alloy nano powder and ceramic powder prepared above, but mixed with a flux to prepare a solder paste form. .

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific examples of the present invention will be described. However, the following examples are only specific examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific examples of the present invention will be described. However, the following examples are only specific examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예: Sn-Sb 솔더 합금 조성물의 제조Example: Preparation of Sn-Sb Solder Alloy Composition

실시예 1 Example 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.Fe-Co-Cr-Ni-Cu high entropy alloy containing 20at% of Fe, Co, Cr, Ni, and Cu by mixing and ball milling Fe powder, Co powder, Cr powder, Ni powder, and Cu powder respectively Nano powder was prepared. The average particle diameter of the high entropy alloy nanopowder was about 140 nm.

베슬을 20rpm으로 회전시키고, 임펠러를 4000rpm으로 회전시켜 20분간 SiC을 분쇄하였다. 이를 통해 100nm 이하 크기의 비정형의 SiC 분말을 제조하였다.The vessel was rotated at 20 rpm, and the impeller was rotated at 4000 rpm to crush SiC for 20 minutes. Through this, amorphous SiC powder having a size of 100 nm or less was prepared.

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.Next, the surface of the SiC powder was plasma etched and sputtered. 95%CF 4 + 5%O 2 gas was used for plasma etching, and etching was performed for about 60 minutes at a vacuum degree of 25 mTorr. In addition, sputtering conditions were performed at room temperature for about 300 seconds, and sputtering was performed at a current of about 40 mA at a vacuum degree of 1 mbar.

이후, SiC 분말 표면을 스퍼터링하여 Au 금속 코팅하였다. 코팅된 금속의 두께는 약 300Å였다.Thereafter, the surface of the SiC powder was sputtered to coat the Au metal. The thickness of the coated metal was about 300 Å.

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.Next, the surface of the additive was plasma etched and sputtered. For plasma etching, 95%CF 4 + 5%O 2 gas was used, and etching was performed for about 40 minutes at a vacuum degree of 25 mTorr. In addition, sputtering conditions were performed at room temperature for about 300 seconds, and sputtering was performed at a current of about 40 mA at a vacuum degree of 1 mbar.

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.Sn-5.0wt%Sb solder was melted in an electric furnace at 350°C in an atmosphere and nitrogen atmosphere for about 20 minutes. Thereafter, 0.025 parts by weight of high entropy alloy nanopowder and 0.025 parts by weight of SiC powder were added to 100 parts by weight of solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a rectangular four-blade stainless steel propeller.

실시예 2Example 2

실시예 1과 동일하게 실시하되, 고 엔트로피 합금 나노 분말 0.075중량부, SiC 분말 0.075중량부 첨가하였다.In the same manner as in Example 1, 0.075 parts by weight of high entropy alloy nano powder and 0.075 parts by weight of SiC powder were added.

실시예 3Example 3

실시예 1과 동일하게 실시하되, 고 엔트로피 합금 나노 분말 0.1 중량부, SiC 분말 0.1 중량부 첨가하였다.In the same manner as in Example 1, 0.1 parts by weight of high entropy alloy nano powder and 0.1 parts by weight of SiC powder were added.

실시예 4Example 4

실시예 1과 동일하게 실시하되, 고 엔트로피 합금 나노 분말 0.25 중량부, SiC 분말 0.25 중량부 첨가하였다.In the same manner as in Example 1, 0.25 parts by weight of high entropy alloy nano powder and 0.25 parts by weight of SiC powder were added.

실시예 5Example 5

Cu 분말, Ni 분말, Co 분말, Fe 분말, Mn 분말을 각각 혼합하고, 볼밀링하여, Cu powder, Ni powder, Co powder, Fe powder, Mn powder are each mixed and ball milled,

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.Cu, Ni, Co, Fe, and Cu-Ni-Co-Fe-Mn high-entropy alloy nano-powder containing 20 at% each of Mn was prepared. The average particle diameter of the powder was about 130 nm.

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.Sn-5.0wt%Sb solder was melted in an electric furnace at 350°C in an atmosphere and nitrogen atmosphere for about 20 minutes. Thereafter, 0.1 parts by weight of high entropy alloy nanopowder and 0.1 parts by weight of Cu 6 Sn 5 powder were added with respect to 100 parts by weight of the solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a rectangular 4-blade stainless steel propeller.

실시예 6Example 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.Al powder, Co powder, Cu powder, Fe powder, and Ni powder were each mixed and ball-milled, and Al: 7.5 at%, Co: 25 at%, Cu: 17.5 at%, Fe: 25 at%, and Ni: 25 Al-Co-Cu-Fe-Ni high entropy alloy nanopowder containing at% was prepared. The average particle diameter of the high entropy alloy nanopowder was about 150 nm.

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.Sn-5.0wt%Sb solder was melted in an electric furnace at 350°C in an atmosphere and nitrogen atmosphere for about 20 minutes. Thereafter, 0.1 parts by weight of high entropy alloy nanopowder and 0.1 part by weight of La 2 O 3 nanopowder were added to 100 parts by weight of the solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a stainless steel propeller in a rectangular 4-blade shape.

실시예 7Example 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.Co powder, Cr powder, Fe powder, Mn powder, Ni powder, and Zn powder were each mixed and ball milled, Co: 20 at%, Cr: 20 at%, Fe: 20 t%, Mn: 5 at%, Co-Cr-Fe-Mn-Ni-Zr powder containing Ni: 20 at% and Zn: 15 at% was prepared. The average particle diameter of the high entropy alloy nanopowder was about 120 nm.

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.Sn-5.0wt%Sb solder was melted in an electric furnace at 350°C in an atmosphere and nitrogen atmosphere for about 20 minutes. Thereafter, 0.1 parts by weight of high entropy alloy nanopowder and 0.1 parts by weight of SrTiO 2 powder were added to 100 parts by weight of the solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a rectangular 4-blade stainless steel propeller.

비교예 1Comparative Example 1

고 엔트로피 합금 나노 분말 및 ceramic 분말의 첨가 없이 Sn-5.0wt%Sb 솔더를 이용하였다.Sn-5.0wt%Sb solder was used without the addition of high entropy alloy nano powder and ceramic powder.

실시예: Sn-Bi 솔더 합금 조성물의 제조Example: Preparation of Sn-Bi Solder Alloy Composition

실시예 8Example 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.Ni powder, Co powder, Fe powder, Cr powder and Mo powder were each mixed and ball milled, and Ni: 20 at%, Co: 20 at%, Fe: 20 at%, Cr: 20 at%, and Mo: 20 Ni-Co-Fe-Cr-Mo powder containing at% was prepared. The average particle diameter of the high entropy alloy nanopowder was about 130 nm.

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.Sn-57wt%Bi solder was melted in an electric furnace at 280°C in an atmosphere and nitrogen atmosphere for about 20 minutes. Thereafter, 0.1 parts by weight of high entropy alloy nanopowder and 0.1 parts by weight of SiC powder were added with respect to 100 parts by weight of solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a rectangular 4-blade stainless steel propeller.

실시예 9Example 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.Ni powder, Co powder, Fe powder, Cr powder and Mo powder were each mixed and ball milled, and Ni: 20 at%, Co: 20 at%, Fe: 20 at%, Cr: 20 at%, and Mo: 20 Ni-Co-Fe-Cr-Mo powder containing at% was prepared. The average particle diameter of the high entropy alloy nanopowder was about 120 nm.

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.Sn-57wt%Bi solder was melted in an electric furnace at 280°C in an atmosphere and nitrogen atmosphere for about 20 minutes. Thereafter, 0.375 parts by weight of high entropy alloy nanopowder and 0.375 parts by weight of SiC powder were added with respect to 100 parts by weight of solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a rectangular 4-blade stainless steel propeller.

비교예 2Comparative Example 2

고 엔트로피 합금 나노 분말 및 추가 분말의 첨가 없이 Sn-57wt%Bi 솔더를 이용하였다.Sn-57wt%Bi solder was used without the addition of high entropy alloy nanopowder and additional powder.

실시예: Sn-Ag-Cu 솔더 합금 조성물의 제조Example: Preparation of Sn-Ag-Cu solder alloy composition

실시예 10Example 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.Ni powder, Co powder, Fe powder, Cr powder and Mo powder were each mixed and ball milled, and Ni: 20 at%, Co: 20 at%, Fe: 20 at%, Cr: 20 at%, and Mo: 20 Ni-Co-Fe-Cr-Mo powder containing at% was prepared. The average particle diameter of the high entropy alloy nanopowder was about 130 nm.

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.Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu solder was melted for about 20 minutes in an electric furnace at 350°C in an atmosphere and nitrogen atmosphere. Thereafter, 0.1 parts by weight of high entropy alloy nanopowder and 0.1 part by weight of SiC nanopowder were added to 100 parts by weight of the solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a stainless steel propeller in a rectangular 4-blade shape.

실시예 11Example 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.Cu powder, Ni powder, Co powder, Fe powder, and Mn powder are each mixed and ball-milled to provide Cu containing 20 at% Cu, 20 at% Ni, 20 at% Fe, 20 at% Fe and 20 at% Mn -Ni-Co-Fe-Mn powder was prepared. The average particle diameter of the high entropy alloy nanopowder was about 180 nm.

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.Sn-3wt% Ag-0.5wt% Cu solder was melted for about 20 minutes in an electric furnace at 350°C in an atmosphere and a nitrogen atmosphere. Thereafter, 0.2 parts by weight of high entropy alloy nanopowder was added to 100 parts by weight of the solder, and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a stainless steel propeller in a rectangular 4-blade shape.

비교예 3Comparative Example 3

고 엔트로피 합금 나노 분말 및 세라믹 또는 금속 분말의 첨가 없이 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더를 이용하였다.Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu solder was used without the addition of high entropy alloy nanopowder and ceramic or metal powder.

비교예 4Comparative Example 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.Without the addition of high entropy alloy nanopowder, 0.25 parts by weight of SiC powder was added to 100 parts by weight of Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu solder. It was stirred for 30 minutes at 300 rpm using a rectangular four-bladed stainless steel propeller.

비교예 5Comparative Example 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.Without the addition of high entropy alloy nanopowder, 0.2 parts by weight of Ni nanopowder was added to 100 parts by weight of Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu solder. It was stirred for 30 minutes at 300 rpm using a rectangular four-bladed stainless steel propeller.

실험예 1: 미세 조직 특성 평가Experimental Example 1: Evaluation of microstructure characteristics

솔더 응고 후, 샘플을 채취하여 연마 에칭한 후 미세 구조를 관찰하였다.After solidification of the solder, a sample was taken, polished and etched, and then the microstructure was observed.

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.Comparing the crystal grains of Examples and Comparative Examples, the average grains of Example 3 were the finest, and Examples 8 and 10 had less refining effect compared to Example 1, but the refining effect was confirmed compared to Comparative Example.

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.FIG. 1 shows an FE-SEM photograph of Example 3, FIG. 2 is Comparative Example 1, FIG. 3 is Example 8, FIG. 4 is Comparative Example 2, FIG. 5 is Example 10, and FIG. 6 is a comparative example 3.

합금 솔더Alloy solder 고 엔트로피 합금 나노 분말(중량부)High entropy alloy nano powder (parts by weight) SiC(중량부)SiC (parts by weight) 금속 간 입자 (㎛)Intermetallic particles (㎛) 실시예 3 Example 3 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb 0.10.1 0.10.1 1.7 ± 0.8 μm1.7 ± 0.8 μm 비교예 1 Comparative Example 1 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb -- -- 4.9 ± 2.3 μm4.9 ± 2.3 μm 실시예 8 Example 8 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi 0.10.1 0.10.1 2.9 ± 1.4 μm2.9 ± 1.4 μm 비교예 2 Comparative Example 2 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi -- -- 6.2 ± 3.3 μm6.2 ± 3.3 μm 실시예 10Example 10 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 0.10.1 0.10.1 15.8 ± 4.7 μm15.8 ± 4.7 μm 비교예 3 Comparative Example 3 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu -- -- 51.2 ± 2.8 μm51.2 ± 2.8 μm

실험예 2 : 인장 강도 및 연신율 측정Experimental Example 2: Measurement of tensile strength and elongation

실시예 및비교예에 대해 인장 시험 및 연신율을 측정하였다.Tensile tests and elongation were measured for Examples and Comparative Examples.

인장강도는 ASTM: E8-M01 and KSB0801 방법으로 시험하였다.Tensile strength was tested by ASTM: E8-M01 and KSB0801 method.

연신율은 ASTM: E8-M01 and KSB0801 방법으로 시험하였다.Elongation was tested by ASTM: E8-M01 and KSB0801 method.

하기 표 2 내지 표 5 및 도 7 내지 도 10에서 측정 결과를 표시하였다.Measurement results are shown in Tables 2 to 5 and FIGS. 7 to 10 below.

합금 솔더Alloy solder 고 엔트로피 합금 나노 분말 High Entropy Alloy Nano Powder 고 엔트로피 합금 나노 분말(중량부)High entropy alloy nano powder (parts by weight) SiC(중량부)SiC (parts by weight) 인장 강도(MPa)Tensile strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 실시예 1 Example 1 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCuFeCoCrNiCu 0.0250.025 0.0250.025 38.52 ± 0.0938.52 ± 0.09 18.38 ± 0.2118.38 ± 0.21 실시예 2 Example 2 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCuFeCoCrNiCu 0.0750.075 0.0750.075 38.73 ± 0.1338.73 ± 0.13 26.21 ± 0.2626.21 ± 0.26 실시예 3 Example 3 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCuFeCoCrNiCu 0.10.1 0.10.1 38.66 ± 0.1638.66 ± 0.16 27.28 ± 0.2427.28 ± 0.24 실시예 4 Example 4 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCuFeCoCrNiCu 0.250.25 0.250.25 38.96 ± 0.1238.96 ± 0.12 20.91 ± 0.2120.91 ± 0.21 비교예 1 Comparative Example 1 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb -- -- -- 39.60 ± 0.139.60 ± 0.1 14.85 ± 0.1914.85 ± 0.19

합금 솔더Alloy solder 고 엔트로피 합금 나노 분말 종류 (0.1 중량부)High entropy alloy nano powder type (0.1 parts by weight) 추가 분말(0.1 중량부)Additional powder (0.1 parts by weight) 인장 강도(MPa)Tensile strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 실시예 3 Example 3 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCuFeCoCrNiCu SiCSiC 38.66 ± 0.1638.66 ± 0.16 27.28 ± 0.2427.28 ± 0.24 실시예 5 Example 5 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb CuNiCoFeMnCuNiCoFeMn Cu6Sn5 Cu 6 Sn 5 36.2 ± 0.4436.2 ± 0.44 26.2 ± 0.2626.2 ± 0.26 실시예 6 Example 6 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb AlCoCuFeNiAlCoCuFeNi La2O3 La 2 O 3 39.3 ± 0.6339.3 ± 0.63 27.65 ± 0.2427.65 ± 0.24 실시예 7 Example 7 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb CoCrFeMnNiZnCoCrFeMnNiZn SrTiO2 SrTiO 2 39.1 ± 0.3139.1 ± 0.31 24.38 ± 0.2124.38 ± 0.21 비교예 1 Comparative Example 1 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb -- -- 39.60 ± 0.139.60 ± 0.1 14.85 ± 0.1914.85 ± 0.19

합금 솔더Alloy solder 고 엔트로피 합금 나노 분말 종류High entropy alloy nano powder type 고 엔트로피 합금 나노 분말(중량부)High entropy alloy nano powder (parts by weight) SiC(중량부)SiC (parts by weight) 인장 강도(MPa)Tensile strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 실시예 8 Example 8 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi NiCoFeCrMoNiCoFeCrMo 0.10.1 0.10.1 63.94 ± 0.3163.94 ± 0.31 34.45 ± 0.434.45 ± 0.4 실시예 9 Example 9 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi NiCoFeCrMoNiCoFeCrMo 0.3750.375 0.3750.375 66.81 ± 0.166.81 ± 0.1 30.46 ± 0.330.46 ± 0.3 비교예 2 Comparative Example 2 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi -- -- -- 65.44 ± 0.265.44 ± 0.2 28.13 ± 0.328.13 ± 0.3

합금 솔더Alloy solder 고 엔트로피 합금 나노 분말High Entropy Alloy Nano Powder 추가 분말Additional powder 인장 강도(MPa)Tensile strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 실시예 10 Example 10 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu NiCoFeCrMo (0.1 중량부)NiCoFeCrMo (0.1 parts by weight) SiC (0.1 중량부)SiC (0.1 parts by weight) 57.99 ± 0.2457.99 ± 0.24 23.03 ± 0.1823.03 ± 0.18 실시예 11 Example 11 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu CuNiCoFeMn (0.2 중량부)CuNiCoFeMn (0.2 parts by weight) -- 57.68 ± 0.1157.68 ± 0.11 21.33 ± 0.1321.33 ± 0.13 비교예 3 Comparative Example 3 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu -- -- 59.88 ± 0.2359.88 ± 0.23 16.65 ± 0.0916.65 ± 0.09 비교예 4Comparative Example 4 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu -- SiC (0.25 중량부) SiC (0.25 parts by weight) 59.54 ± 0.3659.54 ± 0.36 17.96 ± 0.2117.96 ± 0.21 비교예 5Comparative Example 5 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu -- Ni (0.2 중량부)Ni (0.2 parts by weight) 58.72 ± 0.1258.72 ± 0.12 18.38 ± 0.1218.38 ± 0.12

실험예 3 : 퍼짐성 측정Experimental Example 3: Measurement of spreadability

실시예 및 비교예에 대해 퍼짐성을 측정하였다.Spreadability was measured for Examples and Comparative Examples.

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.For the spreadability test, approximately 0.03 g of flux and about 0.3 g of the sample solder alloy are placed in the center of the copper sheet. Then, the copper sheet is placed in a molten solder bath maintained at 250°C. The sample solder soon started to melt, and after 30 seconds, the copper thin plate was taken out of the solder bath and cooled at room temperature to measure the spreading rate.

JIS-Z-3197 표준 측정법을 이용하여 측정하였다.It measured using the JIS-Z-3197 standard measurement method.

그 결과를 하기 표 6 및 도 11에 나타내었다.The results are shown in Table 6 and FIG. 11 below.

합금 솔더Alloy solder 고 엔트로피 합금 나노 분말High Entropy Alloy Nano Powder 추가 분말Additional powder 퍼짐성(%)Spreadability (%) 비교예 1 Comparative Example 1 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb -- -- 68.6 ± 0.1168.6 ± 0.11 실시예 1 Example 1 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.025 중량부)FeCoCrNiCu (0.025 parts by weight) SiC (0.025 중량부)SiC (0.025 parts by weight) 68.9 ± 0.1568.9 ± 0.15 실시예 2 Example 2 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.075 중량부)FeCoCrNiCu (0.075 parts by weight) SiC (0.075 중량부)SiC (0.075 parts by weight) 69.2 ± 0.1669.2 ± 0.16 실시예 3 Example 3 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.1 중량부)FeCoCrNiCu (0.1 parts by weight) SiC (0.1 중량부)SiC (0.1 parts by weight) 69.4 ± 0.1769.4 ± 0.17 실시예 4 Example 4 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb FeCoCrNiCu (0.25 중량부)FeCoCrNiCu (0.25 parts by weight) SiC (0.25 중량부)SiC (0.25 parts by weight) 68.7 ± 0.1668.7 ± 0.16 실시예 5 Example 5 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb CuNiCoFeMn (0.1 중량부)CuNiCoFeMn (0.1 parts by weight) Cu6Sn5 (0.1 중량부)Cu 6 Sn 5 (0.1 parts by weight) 70.2 ± 0.1770.2 ± 0.17 실시예 6 Example 6 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb AlCoCuFeNi (0.1 중량부)AlCoCuFeNi (0.1 parts by weight) La2O3 (0.1 중량부)La 2 O 3 (0.1 parts by weight) 69.4 ± 0.1469.4 ± 0.14 실시예 7 Example 7 Sn-5wt%SbSn-5wt%Sb CoCrFeMnNiZn (0.1 중량부)CoCrFeMnNiZn (0.1 parts by weight) SrTiO2 (0.1 중량부)SrTiO 2 (0.1 parts by weight) 69.9 ± 0.1369.9 ± 0.13 비교예 2 Comparative Example 2 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi -- -- 72.1 ± 0.1272.1 ± 0.12 실시예 8 Example 8 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi NiCoFeCrMo (0.1 중량부)NiCoFeCrMo (0.1 parts by weight) SiC (0.1 중량부)SiC (0.1 parts by weight) 73.5 ± 0.1573.5 ± 0.15 실시예 9 Example 9 Sn-57wt%BiSn-57wt%Bi NiCoFeCrMo (0.375 중량부)NiCoFeCrMo (0.375 parts by weight) SiC (0.375 중량부)SiC (0.375 parts by weight) 72.9 ± 0.1972.9 ± 0.19 비교예 3 Comparative Example 3 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu -- -- 74.7 ± 0.0974.7 ± 0.09 비교예 4Comparative Example 4 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu -- SiC (0.2 중량부) SiC (0.2 parts by weight) 74.9 ± 0.1574.9 ± 0.15 비교예 5 Comparative Example 5 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu Ni (0.2 중량부)Ni (0.2 parts by weight) 75.1 ± 0.1375.1 ± 0.13 실시예 10 Example 10 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu NiCoFeCrMo (0.1 중량부)NiCoFeCrMo (0.1 parts by weight) SiC (0.1 중량부)SiC (0.1 parts by weight) 75.1 ± 0.1775.1 ± 0.17 실시예 11 Example 11 Sn-3wt%Ag-0.5wt%CuSn-3wt%Ag-0.5wt%Cu CuNiCoFeMn (0.2 중량부)CuNiCoFeMn (0.2 parts by weight) -- 75.3 ± 0.1675.3 ± 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.The present invention is not limited to the above embodiments and/or embodiments, but may be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains change the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that it can be implemented in other specific forms without doing so. Therefore, it should be understood that the embodiments and/or embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects.

Claims (7)

합금 솔더 전체 100 중량%에 대하여, Sb: 0.1 내지 30 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금 솔더 및
고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
Based on the total 100% by weight of the alloy solder, Sb: 0.1 to 30% by weight, the balance Sn and alloy solder containing inevitable impurities
Lead-free solder alloy composition containing high entropy alloy nano powder.
합금 솔더 전체 100 중량%에 대하여, Ag: 0.1 내지 30 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금 솔더 및
고 엔트로피 합금 나노 분말을 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
Based on the total 100% by weight of the alloy solder, Ag: 0.1 to 30% by weight, the balance Sn and alloy solder containing inevitable impurities,
Lead-free solder alloy composition containing high entropy alloy nano powder.
제2항에 있어서,
상기 합금 솔더는 Ag: 0.1 내지 30 중량%, Cu: 0.1 내지 30 중량%, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물을 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
The method of claim 2,
The alloy solder is Ag: 0.1 to 30% by weight, Cu: 0.1 to 30% by weight, a lead-free solder alloy composition comprising the balance Sn and inevitable impurities.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금 솔더 100 중량부에 대하여, 상기 고 엔트로피 합금 나노 분말을 0.01 내지 1 중량부 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Lead-free solder alloy composition comprising 0.01 to 1 part by weight of the high entropy alloy nano-powder based on 100 parts by weight of the alloy solder.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 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.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The high entropy alloy nanopowder is B, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta and W Lead-free solder alloy composition comprising four or more of.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 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.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The high entropy alloy nanopowder contains Fe, Co, Cr, Ni and Cu, or contains Cu, Ni, Co, Fe and Mn, or contains Al, Co, Cu, Fe and Ni, Co, Cr, Contains Fe, Mn, Ni and Zn, contains Ni, Co, Fe, Cr and Mo, contains Ni, Co, Fe, Cr and Mn, contains Cu, Ni, Co, Fe and Mn, A lead-free solder alloy composition comprising Fe, Co, Cr, Ni and W, Ta, Nb, V, Ti and Al, or W, Nb, Mo, Ta and V.
제5항에 있어서,
상기 고 엔트로피 합금 나노 분말은 상기 원소를 각각 5 내지 35at% 포함하는 무연솔더 합금 조성물.
The method of claim 5,
The high-entropy alloy nano-powder is a lead-free solder alloy composition containing 5 to 35 at% each of the elements.
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