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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 선행연구에서 다루지 않은 Ag 함량에 따른 SnAgCu 3원계 솔더의 물성치를 평가하기 위하여, Ag 함량을 1.0wt%, 2.5wt%, 3.0wt%, 그리고 4.5wt% 로 정밀하게 조절한 주조바를 제작하였다. 주형속에서 주조바가 상온에 도달 할 때까지 충분히 서냉시킨 후 탈형을 하였고, 별도의 열처리 공정은 실시하지 않았으며, 주조바를 와이어 가공하고 표면 미세연마를 실시하여 표준 시험편들을 제작하였다.
제안 방법
- Ag 함량 변화에 따른 SnAgCu 3원계 솔더의 기계적 물성치 평가를 위하여 Ag 조성별 4종의 주조바를 제작한 후, EDXRF (Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer)를 이용하여 각 시편의 성분을 분석하였다. 분석결과 미량의 불순물들이 포함되어 있는 것으로 확인되었으나, Sn, Ag, Cu 등의 함량은 주어진 조건들을 만족하는 것으로 나타났다.
- 2와 같은 마이크로 인장 시험편을 제작하였다. 또한 미소 마이크로 비커스 경도를 측정하기 위하여 가공된 시편을 에폭시로 마운팅하고 미세 연마하여 경도 시험편을 제작하였다.
- 본 논문에서는 Sn-χAg-0.5Cu 무연 솔더의 Ag 함량별 기계적 물성치를 평가하였으며 결과를 요약하면 아래와 같다.
- 제작된 표준 시험편들에 대해, 마이크로 비커스 경도시험, 인장시험 등을 실시하여 마이크로 비커스 경도값, 탄성계수(Young’s modulus), 0.2% 오프셋 항복강도 (0.2% offset yield strength), 최대인장강도 등의 기본적인 기계적 물성치 데이터베이스를 구축하였다.
- 5wt% 로 정밀하게 조절한 주조바를 제작하였다. 주형속에서 주조바가 상온에 도달 할 때까지 충분히 서냉시킨 후 탈형을 하였고, 별도의 열처리 공정은 실시하지 않았으며, 주조바를 와이어 가공하고 표면 미세연마를 실시하여 표준 시험편들을 제작하였다. 제작된 표준 시험편들에 대해, 마이크로 비커스 경도시험, 인장시험 등을 실시하여 마이크로 비커스 경도값, 탄성계수(Young’s modulus), 0.
- 분석결과 미량의 불순물들이 포함되어 있는 것으로 확인되었으나, Sn, Ag, Cu 등의 함량은 주어진 조건들을 만족하는 것으로 나타났다. 한편 0.2% 오프셋항복강도와 최대인장강도값을 측정하기 위하여, 각 성분 별 주조바를 와이어가공 및 미세 연마하여 ASTM8) 규격을 만족하는 Fig. 1과 같은 인장시험편을 제작하였으며, 치수효과 (size effect)에 의한 물성치의 변화를 확인하기 위하여 Fig. 2와 같은 마이크로 인장 시험편을 제작하였다. 또한 미소 마이크로 비커스 경도를 측정하기 위하여 가공된 시편을 에폭시로 마운팅하고 미세 연마하여 경도 시험편을 제작하였다.
대상 데이터
- 5와 같이 SPACE SOLUTION사 장비를 사용하였다. 시험조건으로 INSTRON 4467에서는 하중 부가속도를 분당 2mm로 하였고, 로드셀은 3000 kg.f를 사용하였다. 마이크로 인장시험기에서는 하중 부가속도를 분당 2 mm로 하였고, 로드셀은 50 kg.
- 표준인장시험(파단부 단면적 6mm2)은 Fig. 4와 같이 INSTRON 4467 장비를 사용하였으며, 치수효과를 확인하기 위한 마이크로 인장시험(파단부 단면적 1mm2)은 Fig. 5와 같이 SPACE SOLUTION사 장비를 사용하였다. 시험조건으로 INSTRON 4467에서는 하중 부가속도를 분당 2mm로 하였고, 로드셀은 3000 kg.
데이터처리
- 2 mN (25gf), 시험력 유지시간은 10초로 하여 시험하였다. 경도측정은 미세연마를 실시한 표면 중에서 흠 (defect)이 없고 조도가 가장 좋은 곳을 선택하여 각각 10회씩 측정하여 평균값과 표준편차, 표준오차를 계산하였다.
성능/효과
- (1) 미소경도시험에서는 Ag의 함량이 많을수록 경도값이 증가하였다.
- (2) 인장시험에서는 파단부 단면적의 크기와 관계없이 0.2% 오프셋 항복강도값과 최대인장강도값이 표준오차 범위 안에서 미세한 차이가 나타났다.
- (3) 0.2% 오프셋 항복강도값과 최대인장강도값은 Ag의 함량이 증가함에 따라 그 값도 증가하였다.
- (4) Ag 함량 증가에 따른 경도값, 0.2% 오프셋 항복강도값, 최대인장강도값의 증가 기울기는 Ag 함량이 증가할수록 점차 감소하여 완만해 지는 것으로 나타났다.
- 2%오프셋 항복강도값(σy)을 나타낸다. Table 3에서 볼 수 있듯이, Ag 1.0wt%의 0.2%오프셋 항복강도값을 기준으로 2.5wt%는 16.1% 증가하였고, 3.0wt%는 40.5% 증가하였으며, 4.5wt%에서는 52.7% 증가한 것으로 나타났다. Fig.
- Table 4는 Ag 함량별 최대인장강도값을 나타낸다. Table 3에서 볼 수 있듯이, Ag 1.0wt%의 최대인장강도값을 기준으로, 2.5wt%는 17.5% 증가하였고, 3.0wt%는 47.1% 증가하였으며, 4.5wt%에서는 53.2% 증가한 것으로 나타났다. 또한 3.
- 7은 SnAgCu 솔더의 표준인장시험에서 전형적으로 얻어지는 응력-변형율선도를 보여주고 있다. 본 연구에서는 변형율속도 0.01로 실험하였으며, 탄성한도 내에서 탄성계수값은 1.0wt%일 때 47.07GPa, 2.5wt%는 53.94GPa, 3.0wt%는 54.52GPa, 4.5wt%는 60.90GPa로 나타났다. Fig.
- Ag 함량 변화에 따른 SnAgCu 3원계 솔더의 기계적 물성치 평가를 위하여 Ag 조성별 4종의 주조바를 제작한 후, EDXRF (Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer)를 이용하여 각 시편의 성분을 분석하였다. 분석결과 미량의 불순물들이 포함되어 있는 것으로 확인되었으나, Sn, Ag, Cu 등의 함량은 주어진 조건들을 만족하는 것으로 나타났다. 한편 0.
- 2%오프셋 항복강도값을 그래프로 나타내고 있다. 측정결과 0.2%오프셋 항복강도값은 파단부 단면적의 크기와 관계없이 표준오차범위 내에서 근사한 값을 가지는 것으로 측정되었다.
후속연구
- 2% offset yield strength), 최대인장강도 등의 기본적인 기계적 물성치 데이터베이스를 구축하였다. 본 연구에서 획득한 물성치 데이터는 향후 솔더볼의 피로파괴 수명 예측을 위한 유한요소해석 등의 관련 연구5,6,7)에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 추가적인 실험(고온 인장시험 및 변형율속도별 물성평가)을 통하여, SnAgCu 3원계 솔더의 Ag 함량 변화에 따른 추가 물성치 데이터베이스를 구축하고, 선행연구4)와의 직접적인 데이터 비교를 통하여 오차발생 원인을 규명할 계획이다.
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