KR20210014986A - 우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금 및 이를 포함하는 합금분말 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순수 니켈과 달리 제품 수명 및 신뢰성 확보에 요구되는 경도를 가질 뿐만 아니라 순수 니켈과 동등하거나 유사한 전기전도도 및 자성을 가져 테스트 러버 소켓용 전도성 분말로서 순 니켈 분말을 대체할 수 있는 신규 철기 합금으로서, Fe-(3~70wt%)Cu 2원계 및 Fe-(8~70wt%)-(0.05~10wt%)X 3원계 합금(단, X는 Ag, Al, Be, Ca, Ni, Mg, W, Mo, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Bi, Mn, B, C 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는, 우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 철기(Fe based) 합금에 대한 것이다.

Description

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 니켈(Ni)대신 철(Fe)을 기반으로 하되, 순수 니켈과 달리 제품 수명 및 신뢰성 확보에 요구되는 경도를 가질 뿐만 아니라 순수 니켈과 동등하거나 유사한 전기전도도 및 자성을 가져 테스트 러버 소켓용 전도성 분말로서 순 니켈 분말을 대체할 수 있는 새로운 철기(Fe based) 합금으로서, Fe-Cu 2원계 합금과, 구리 외의 합금원소(X)를 더 포함하는 Fe-Cu-X 3원계 합금을 제안한다.

상기 Fe-Cu 2원계 합금은 3.0 내지 70 중량%의 Cu를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 2원계 철기 합금이다.

또한, 상기 Fe-Cu-X 3원계 합금은, 8.0 내지 70 중량%의 Cu 및 0.05 내지 10 중량%의 X (단, X는 Ag, Al, Be, Ca, Ni, Mg, W, Mo, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Bi, Mn, B, C 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 3원계 철기 합금이다.

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

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

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

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

본 발명에 따른 IC 반도체 테스트 소켓용 철기(基) Fe-Cu 2원계 및 Fe-Cu-X 3원계 합금분말은 종래 순 니켈(혹은 합금) 분말과 동등하거나 유사한 전기전도도 및 자성을 가지며, 특히 우수한 경도 특성을 갖는 새로운 다원계 합금분말 소재로서, 반도체 검사장비의 전기적 및 신뢰 특성은 물론, 테스트 소켓의 수명을 획기적으로 향상시킴과 동시에 합금분말의 원료가 비교적 저렴하기 때문에 경제적 효과를 제공할 수 있다.

또한, 상기와 같이 본 발명에 따른 철기 Fe-Cu 2원계 및 Fe-Cu-X 3원계 합금은 전기전도 및 경도가 우수하므로 스프링이 내장된 핀을 접촉단자(contactor)로 사용하는 반도체 테스트 소켓용 포고 핀(pogo pin) 소재뿐만 아니라, 다른 전기·전자부품 및 바이오 센서용 소재로 활용이 가능하다.

도 1은 본원의 실시예 6, 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 10에 따른 합금시료의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 6, 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 10에 따른 Fe-Cu 2원계의 평형상태도를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 나타낸 실시예 6, 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 10에 따른 합금시료를 XRD로 분석한 결과이다.
도 4는 본원의 실시예 6 내지 실시예 11에 따른 합금시료들을 4 point 표면저항기로 측정한 결과이다.
도 5는 본원의 실시예 6 내지 실시예 11에 따른 합금시료들을 진동시료자성측정기(VSM)로 측정한 결과이다.
도 6은 본원의 실시예 6 내지 실시예 11에 따른 합금시료들을 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정한 결과이다.
도 7은 본원의 실시예 22 내지 실시예 25에 따른 합금시료들을 4 point 표면저항기로 측정한 결과이다.
도 8은 본원의 실시예 22 내지 실시예 25에 따른 합금시료들을 진동시료자성측정기(VSM)로 측정한 결과이다.
도 9는 본원의 실시예 22 내지 실시예 25에 따른 합금시료들을 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정한 결과이다.
도 10은 본원의 실시예 22 내지 실시예 25에 따른 합금시료들을 4 point 표면저항기로 측정한 결과이다.
도 11은 본원의 실시예 82 내지 실시예 88에 따른 합금시료들을 진동시료자성측정기(VSM)로 측정한 결과이다.
도 12는 본원의 실시예 82 내지 실시예 88에 따른 합금시료들을 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정한 결과이다.
도 13은 본원의 실시예 37 등에 따른 합금시료들을 4 point 표면저항기로 측정한 결과이다.
도 14는 본원의 실시예 37 등에 따른 합금시료들을 진동시료자성측정기(VSM)로 측정한 결과이다.
도 15는 본원의 실시예 37 등에 따른 합금시료들을 마이크로 비커스 경도기(Hv)로 측정한 결과이다.

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

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

<실시예>

1. Fe-Cu 2원계 철기 합금의 제조 및 물성 평가

상용 시약급 원료금속을 전자저울로 총량 50g 천평하여 알루미나(혹은 마그네시아) 도가니에 장입하여 고주파 유도 진공용해로 용해하여 수냉 동 몰드(φ30*25H)에 틸팅(tilting)하여 잉곳상태로 주조하였다. 주조한 잉곳은 25mm×25mm×6mm 크기로 절단하여 튜브 전기로를 이용하여 열처리(250~800℃, Ar 분위기), 연마 및 버핑하여 Fe-(3~70중량%)Cu 2원계로 표시되며 아래 표 1에 기재된 조성을 가지는 2원계 합금을 제조하였다.

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

아래의 표 1은 실시예 1~12에 따른 Fe-(3~70중량%)Cu 2원계 합금시료의 화학적 조성, 합금의 전기저항, 자성 및 경도, 그리고 열처리 조건을 나타낸 것이다.

<표 1>

도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 12에 따른 합금 중, 동(Cu)의 함량이 (a) 15 중량% (실시예 6), (b) 20 중량%(실시예 7), (c) 30 중량%(실시예 8) 및 (d) 50 중량%(실시예 10)인 합금잉곳 시료를 500℃에서 5시간동안 Ar 분위기에서 동일한 조건으로 열처리한 후, 절단 및 연마하여 광학현미경(OP)으로 관찰한 미세조직이다. 이러한 Fe-Cu 2원계 합금의 미세조직은 기계적 경도 및 전기저항과 밀접한 관계가 있으며, 특히 상온에 존재하는 Fe-Cu 합금의 각종 고용체(solid solution) 혹은 중간상(intermediate phase)은 경도 및 전기저항에 큰 영향을 줄 수 있다.

도 2는 Fe-Cu 2원계 평형상태도를 나타낸 것으로 Fe-rich 측의 저온으로부터 bcc 고용체(αFe), fcc 고용체(γFe), bcc 고용체(δFe), 그리고 Cu-rich 측에 fcc고용체(εCu) 4개의 고상과 액상(L)이 존재하며, 2개의 포정반응(peritectic reaction)과 1개의 공석반응(eutectoid reaction)이 일어난다. 한편 1096℃이상 고온에서는 γ-Fe(fcc) 고상과 액상(L)의 공존 영역이 광범위하게 존재할 뿐만 아니라, 액상 용해도 차이(liquid miscibility gap)에 따른 L₁(bcc Fe-rich phase)과 L₂(fcc Cu-rich phase)이 존재하므로, 특히 합금 잉곳 제조 시 편석(segregation) 발생에 대한 주의가 필요하다.

도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예 6, 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 10의 합금 잉곳을 500℃에서 5시간 동안(Ar 분위기) 열처리하여 XRD로 상분석을 행한 결과이다. Fe중 Cu함량이 질량비로 각각 5%, 8% 함유된 합금시료인 실시예 2 및 실시예 3에서는 αFe(Cu₃Fe₁₇) peak 만이 관찰되었지만, 10%이상(10%, 12%, 15%, 20%, 30%, 50%)인 합금 시료에서는 αFe(Cu₃Fe₁₇) 및 (εCu) 2종류의 peak가 관찰되었으며, 합금 중 Cu함유량이 증대함에 (εCu) 고용체 peak의 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 합금시료의 OP 및 SEM 에 의한 미세조직 관찰결과와 일치하였다.

도 4 내지 도 6은 Fe-Cu 2원계의 Cu 첨가량 변화에 따른 실시예 6 내지 11에 따른 합금잉곳 시료의 전기저항, 자성 및 경도값을 비교하여 나타낸 것이다.

이상과 같이 본 발명에서는 Fe-(3~70%)Cu 2원계 합금조성에 대한 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성을 분석한 결과, 기본적으로 합금의 전기저항은 마시젠의 규칙(Matthiessen's rule)과 혼합법칙(rule of mixture) 등에 의존하여 Cu의 함유량 증가에 따라 (εCu) 고용체 상의 체적 분율의 증가로 인해 감소효과 크지만, 합금의 자속밀도 및 경도는 크게 감소하는 것으로 나타났다.

특히 실시예 1의 합금은 Cu 함유량이 3%로서, 전기저항이 비교적 낮고 자속밀도 우수하지만, 경도(Hv)가 175.6정도로 낮다. 반면에 실시예 12의 합금은 Cu함량이 70%로 전기저항 우수하지만, 자속밀도 및 경도가 크게 감소한다. 따라서 우수한 전기저항(15.0μΩ·㎝이하), 자성(0.60 Wb/㎡(T)이상) 및 경도(130(Hv) 이상)의 특성을 얻기 위해서는 Cu 함유량은 질량비로 3~70%범위로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

2. Fe-Cu-X 3원계 철기 합금의 제조 및 물성 평가

본 발명에 있어서 Fe-(8~70wt%)Cu-(0.05~10%)X 3원계 합금은 합금원소 X로서 Ag, Al, Be, Ca, Ni, Mg, W, Mo, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Bi, Mn, B, C 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다. 단, 합금원료 준비 및 합금잉곳 제조 시 불가피하게 혼입된 불순물 원소량이 질량비로 0.05% 이하인 합금에 관한 것이다.

아래 표 2에 나타낸 실시예 13 내지 62는 Fe-(8~70wt%)Cu-(0.05~10wt%)X 다원계 합금 중에서, 미량의 첨가원소(X)로 Ag, Al, Be, Ca, Mg 원소를 소정량 첨가하여 상기 Fe-(3~70wt%)Cu 2원계 합금과 동일한 방법으로 합금잉곳을 제조한 것이다. 여기서도 전술한 Fe-Cu 2원계에서 알 수 있는 바와 같이, 기본적으로 Cu 원소 첨가량이 증가함에 따라 합금의 전기저항의 감소효과 크게 상승하지만, 반면에 대부분 합금의 자속밀도 및 경도가 감소하였다. 특히 첨가원소(X)의 종류 및 조성에 따른 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성에 미치는 미량의 첨가원소 효과를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

은(Ag)의 첨가는 합금의 전기저항 감소를 위해 중요한 원소로서, Cu 첨가량에 다소 차이가 있지만, Cu함유량이 40% 이하일 경우에 Ag의 첨가량 증가에 첨가량이 증가에 따라 전기저항 감소효과 매우 크며, 자속밀도 약간 감소하지만 경도는 다소 증가한다. 한편 Ag의 첨가량이 2%이상으로 증가하면 전기저항은 오히려 크게 증가하므로 0.1~2% 이내로 제한하는 것이 바람직하다. 또한 Cu함유량이 40%를 초과할 경우에도 Ag 첨가량 증가에 따라 전기저항 감소효과 크지만, 경도와 자성도 함께 크게 감소할 뿐만 아니라, 고가의 귀금속이므로 첨가량을 5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

도 7 내지 도 9는 Fe-(8~70wt%)Cu-(0.05~10wt%)X 계 합금 중, 일예로 Ag 첨가량 변화에 따른 실시예 22 내지 26에 따른 합금잉곳 시료의 전기저항, 자성 및 경도값을 비교하여 나타낸 것이다.

알루미늄(Al)의 첨가는 Ag 및 Cu와 마찬가지로 전기저항 감소효과를 위해 매우 효과적인 원소이다. 특히 비저항이 Cu에 버금가는 상용 금속으로 합금의 전기저항 감소효과와 함께 Fe-Al계 Fe-rich 측으로부터 α-Fe, γ-Fe, Fe₃Al, FeAl, FeAl₂...) 및 Cu-Al 2원계의 Cu-rich 측으로부터 (Cu), β, β₀, α₂, γ₁, γ₀, ε₁, ε₂, ζ₁, ζ₂, δ, η₂ 등 다수의 다양한 고용체 및 금속간화합물이 존재하므로 경도 상승효과가 예상되었다. 그러나 첨가량에 따른 전기저항 감소 및 경도 상승효과는 매우 미미하며, 첨가량이 0.5%이상으로 증가하면 급격한 전기저항 증대와 함께 경도도 크게 감소하므로 첨가량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

베릴륨(Be)은 비저항이 Ag의 1.6배 정도로 비교적 낮은 원소이므로 전기저항 감소효과는 물론, 특히 Fe-Be 계의 Fe-rich 측으로부터 α-Fe, ζ, δ, ε의 고용체와 및 Cu-Be계 2원 합금에는 Cu-rich 측으로부터 (Cu), β, γ, δ고용체 등이 존재하므로 경도는 비교적 증가하는 것으로 나타났다. 하지만, Be은 가격적으로 비교적 고가이며 용해 및 가공 시 유해성이 있는 것으로 알려진 원소이므로 첨가량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)은 원래 두 원소는 비저항이 거의 유사하며 Ag의 1.6배 정도로 낮기 때문에 합금의 전기저항의 감소효과는 비교적 우수한 것으로 나타났다. 그러나 Ca 및 Mg 원소는 모두 활성 금속으로 융점이 비교적 낮을 뿐마 아니라, 증기압이 매우 높아 합금제조 시 합금조성 제어가 어렵고, 특히 합금용해 시 용탕 중의 산소(O₂) 제거 효과가 있어 전기저항 및 자속밀도에는 유효하므로 첨가량을 2.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

<표 2>

표 3의 실시예 63 내지 107은, 미량의 첨가원소(X)로 W, Co 및 Mo 원소를 소정량 첨가하여 제조한 것이다. 이들 합금에서도 기본적으로 Cu 원소 첨가량이 증가함에 따라 합금의 전기저항의 감소효과 크게 상승하지만, 반면에 대부분 합금의 자속밀도 및 경도가 감소한다.

특히 첨가원소(X)의 종류 및 조성에 따른 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성에 미치는 미량의 첨가원소 효과를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)의 경우, 원래 2종류 원소의 비저항이 Fe(10.7x10^-8Ω·m) 금속의 1/2정도로 비교적 작은 원소로 합금의 저항 감소효과는 물론, 고융점이므로 타 원소보다 합금의 경도 향상에 기여한다. 그러나 1%이상 첨가할 경우 첨가량 증가에 따른 경도 상승효과는 미비하며, 전기저항이 크게 증가하므로 첨가량을 1.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 특히 W은 Fe-Cu 2원계 합금 용해 시 고온에서 액상 용해도 차이(miscibility gap)에 영향을 주는 원소로 알려져 있으므로 적정량 첨가 시 합금잉곳의 균질한 조직을 얻을 수 있다.

코발트(Co)는 우선 합금의 주성분 Fe와 함께 강자성체이므로 첨가량에 비례하여 합금의 자속밀도 향상 효과가 있다. 그러나 합금의 전기저항 약간 증가하며, 경도 상승효과 미약하지만 약간 증가하는 것으로 나타났다. 특히 합금 중 동(Cu)의 함량이 증대함에 따라 차이가 있지만, Cu의 함유량이 질량비로 50%이내일 경우, Co 첨가량은 0.1~5%범위로 제한하는 것이 바람직하다.

도 10 내지 도 12는 Fe-(8~70wt%)Cu-(0.05~10wt%)X 3원계 합금 중, 일예로 Co 첨가량 변화에 따른 실시예 82 내지 88에 따른 합금잉곳 시료의 전기저항, 자성 및 경도값을 비교하여 나타낸 것이다.

<표 3>

아래 표 4 및 표 5의 실시예 108 내지 168은 미량의 첨가원소(X)로 Ni, Sn, Cr, Zr 또는 Mn 원소를 소정량 첨가하여 제조한 것이다. 여기서도 전술한 표 1의 Fe-(3~70wt%)Cu 2원계 합금에서 알 수 있는 바와 같이, 기본적으로 Cu 원소 첨가량이 증가함에 따라 합금의 전기저항의 감소효과 크게 상승하지만, 반면에 대부분 합금의 자속밀도 및 경도가 감소한다.

특히 첨가원소(X)의 종류 및 조성에 따른 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성에 미치는 미량의 첨가원소 효과를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

니켈(Ni)은 Fe 및 Co와 마찬가지로 강자성체일 뿐만 아니라, Fe 및 Cu금속 원소와는 전율고용체를 형성하는 원소이다. 기본적으로 합금의 전기저항, 자성 및 경도 등의 특성은 Cu의 함유량에 따라 차이가 있을 수 있지만, 첨가량이 질량비로 1.0%정도까지는 합금의 전기저항 및 자속밀도에 큰 차이가 없다. 그러나 1.0%이상 첨가할 경우에 첨가량의 증가에 따라 합금의 전기저항 증대와 함께 자속밀도가 크게 감소하였다. 한편 합금의 경도는 합금 중 Cu의 함유량이 증대함에 대체적으로 감소하였지만, 특히 Ni 첨가량이 1.0%이하까지는 약간 증가한다. 예를들면, Ni 첨가량이 질량비로 0.1% 및 0.5%일 때 합금의 경도(Hv)는 260.4에서 326.7로 약 20%정도 증가하지만, 반면에 Ni 첨가량이 질량비로 1.0% 및 3.0%의 합금의 경도(Hv)는 305.3 및 275.8로 감소한다. 따라서 합금 중 Ni 첨가량은 전술한 전기저항을 고려하면 0.1~3%범위로 제한하는 것이 바람직하다.

주석(Sn)은 원래 비저항이 12.8x10^-8Ω·m로 Ni원소(7.5x10^-8Ω·m)의 약 1.7배정도로 비교적 크다. 우선 이들 합금의 경도는 Fe-Sn 2원계 상태도에서 추정하면 Fe-rich 측으로부터 α-Fe, γ-Fe, Fe₅Sn₃, Fe₃Sn₂, FeSn, FeSn₂) 및 Cu-Sn 2원계의 Cu-rich 측으로부터 (Cu), β, δ, γ, ζ,ε, η 등 다수의 다양한 고용체 및 금속간화합물이 존재하므로 경도 상승효과가 예상되었으며, 실제로 Cu의 함유량 및 Sn의 첨가량에 따라 경도값의 변화가 큰 것으로 나타났다. 예를 들면, Cu 함량이 20.0%이며 Sn 첨가량이 질량비로 0.1% 및 0.3%일 때 합금의 경도(Hv)는 265.8에서 295.7로 약 10%정도 증가하지만, 반면에 Cu 함량이 30.0%이며 Sn 첨가량이 질량비로 0.1% 및 0.3%의 합금의 경도(Hv)는 230.2 및 227.0로 감소한다. 이상과 같이, 합금 중 Cu 함량이 30.0% 이상인 경우 Sn의 첨가량을 1.0%이하로 첨가하면 전기저항의 감소효과 증대하지만 자속밀도 감소하므로 첨가량은 3.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 특히 Sn은 Fe-Cu 2원계 합금 용해 시 고온에서 액상 용해도 차이에 영향을 주는 원소로 알려져 있으므로 적정량 첨가 시 합금잉곳의 균질한 조직을 얻을 수 있다.

크롬(Cr)은 비저항이 12.9x10^-8Ω·m로 상기한 Sn과 유사하며 반강자성 원소이다. 여기서도 Fe-Cr 2원계 상태도에서 추정하면 Fe-rich 측으로부터 γ-Fe, α-Fe(Cr), σ상 및 Cu-Sn 2원계의 Cu-rich 측으로부터 (Cu)의 고용체 만이 존재한다. 첨가량의 증가에 따라 약간 증가하지만, 전기저항 증가와 함께 자속밀도도 감소하므로 첨가량을 2.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

지르코늄(Zr)은 첨가량 증가에 따라 경도의 향상효과 다소 있지만, 전기저항 증가와 함께 자속밀도도 감소하므로 첨가량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 원래 Cr원소와 마찬가지로 반강자성 원소로 자속밀도 향상에 도움이 될 수 있지만, 비저항이 Fe 원소보다 약 17배 정도 전기저항이 큰 원소이다. 또한 첨가량 증가에 따라 합금의 자속밀도는 약간 증가하지만 전기저항이 크게 증가한다. 특히 경도는 Fe-Mn 2원계 평형상태도를 살펴보면, Fe-rich 측으로부터 α-Fe, δ-Fe, γ-Fe 고용체가 광범위하게 존재하며, Cu-Mn 2원계는 전율 고용체이므로 고용강화에 의한 합금의 경도 상승이 예상할 수 있다. 그러나 실제로 첨가량 증가에 따라 오히려 약간 감소하므로 첨가량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

<표 4>

<표 5>

아래 표 6의 실시예 169 내지 198은 미량의 첨가원소(X)로 B, C 또는 Pr 원소를 소정량 첨가하여 제조한 것이다. 여기서도 기본적으로 Cu 원소 첨가량이 증가함에 따라 합금의 전기저항의 감소효과 크게 상승하지만, 반면에 대부분 합금의 자속밀도 및 경도가 감소한다.

특히 첨가원소(X)의 종류 및 조성에 따른 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성에 미치는 미량의 첨가원소 효과를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

보론(B)은 준금속(metalloid) 원소로서, 기본적으로 첨가량 증대함에 따라 전기저항이 증가함과 동시에 경도가 크게 증가한다. 특히 합금의 경도 증가의 원인은 원래 B금속의 융점이 2092℃정도로 높을 뿐만 아니라, Fe-B 2원계 합금의 평형상태도에 의하면 Fe-rich로부터α-Fe, γ-Fe, δ-Fe, Fe₂B 및 FeB 화합물이 존재하며, 또한 Cu-B 2원계는 Cu-rich의 공정반응(2.5wt%B)에 의이 존재하며 (Cu)가 존재하므로 고용강화 및 금속간화합물 생성에 기인된 것으로 추정된다. 실제로 Cu의 함유량이 질량비로 20%이상의 경우 B원소를 0.5% 첨가하면 액상 용해도 차이에 의한 2상분리 현상이 증가하므로 첨가량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

탄소(C)는 비금속 원소로서, 합금의 주성분인 Fe에 고용되어 α-Fe 형성에 의한 고용강화 및 Fe-C계 탄화물 등의 석출이 예상되어 경도의 증대가 예상되지만, Cu와는 거의 고용도가 존재하지 않는다. 여기서도 기본적으로 합금 중 Cu의 함량이 증대함에 전기저항 감소효과 크지만, C첨가량이 증가함에 따라 전기저항 크게 증가하며 동시에 경도가 크게 증가한다. 특히 Cu함량이 중량비로 30%이상일 경우 탄소함량을 0.3%이상 첨가하면 액상 용해도 차이에 의한 편석(segregation) 때문에 합금의 물성 측정이 불가능하였다. C는 Fe-Cu 2원계 합금 용해 시 고온에서 액상 용해도 차이에 영향을 주는 원소로 알려져 있으므로 적정량 첨가 시 합금잉곳의 균질한 조직을 얻을 수 있지만, 첨가량은 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

프라세오디뮴(Pr)은 희토류 원소(Sc,Y외 15종) 중, 4f 천이금속(Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm)의 반강자성 금속원소의 일종으로 합금의 자속밀도 향상에 도움이 될 수 있으며, 원래 비저항이 0.7μΩ·㎝로 순 Ni(0.75μΩ·㎝)의 약 1/10정도로 적기 때문에 합금의 저항 감소효과를 기대할 수 있다. 본 발명에서도 Pr 첨가량 증가에 따라 합금의 전기저항 증가하였으며, 합금의 자속밀도 및 경도의 상승효과 약간 있는 것으로 나타났다. 하지만 합금의 내식성 저하 및 비교적 고가이므로 첨가량은 1.0% 이하로 제한하여 첨가하는 것이 바람직하다.

<표 6>

도 13 내지 도 15는 Fe-(8~70wt%)Cu-(0.05~10wt%)X 3원계 합금 중, 일예로 미량 첨가원소의 종류(Ag, Al, Be, W, Co, Mo, Ni, Sn, Cr, Zr, Mn, B, C, Pr) 에 따른 합금잉곳 시료의 전기저항, 자성 및 경도값을 비교하여 나타낸 것이다.

이상과 같이 본 발명에서는 철(Fe)과 동(Cu)를 주성분으로 하는 Fe-(8~70wt%)Cu-(0.05~10wt%)X계 다원 합금잉곳의 화학적 조성에 대한 전기저항, 자속밀도 및 경도 특성 분석한 결과, 대부분의 합금의 전기저항은 마시젠의 규칙(Matthiessen's rule)과 혼합법칙(rule of mixture)에 의존하지만, 합금의 자속밀도(Bs)는 Fe, Co 및 Ni 원소의 함량에 따라 큰 차이가 있지만, Cu의 함유량 증가에 반비례하였다. 또한 경도는 각 합금원소의 화학적 조성에 다른 고용체 혹은 금속간화합물의 존재여부, 열처리에 의한 석출경화 및 분산효과 등이 복합적으로 작용하는 것으로 추정되었다.

본 발명은 상기 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

1. 3.0 내지 70 중량%의 Cu를 포함하고,
   잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 2원계 합금인 것을 특징으로 하는,
   우수한 경도, 전기전도도 및 자성을 갖는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금.
2. 8.0 내지 70 중량%의 Cu; 및
   0.05 내지 10 중량%의 X (단, X는 Ag, Al, Be, Ca, Ni, Mg, W, Mo, Pt, Sn, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Sb, Zr, Ti, Bi, Mn, B, C 및 희토류 원소(RE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 원소);를 포함하고,
   잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 3원계 합금인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   전기저항은 15.0 μΩ·㎝ 이하이고, 자속밀도(Bs)는 0.60 Wb/㎡(T) 이상이며, 경도(Hardness)는 130(Hv) 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금.
4. 제1항 또는 제2항의 철기 합금을 포함해 이루어지는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금분말.
5. 제4항에 있어서,
   구형(球形)인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금분말.
6. 제5항에 있어서,
   입경이 3 내지 44㎛인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금분말.
7. 제5항에 있어서,
   편상비(aspect ratio)가 1 내지 3인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금분말.
8. 제5항에 있어서,
   평균 산소농도가 2000ppm 이하인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금분말.
9. 제5항에 있어서,
   비표면적이 0.3 ㎟/g 이상인 구형 합금분말인 것을 특징으로 하는 반도체 테스트 소켓용 철기 합금분말.

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