[논문]내산화성 개선 Sn-Zn계 저온용 무연솔더 개발

이재언; 김근수; 허석환

doi:10.5781/kwjs.2011.29.5.514

내산화성 개선 Sn-Zn계 저온용 무연솔더 개발
Development of Sn-Zn Based Low Temperature Lead-Free Solder for Improvement of Oxidation Resistance 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.29 no.5, 2011년, pp.16 - 23

이재언 (삼성전기 FCB개발G) , 김근수 (호서대학교 융합기술연구소) , 허석환 (삼성전기 FCB기술G)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나, Sn-Zn 공정합금에 Bi 첨가는 젖음성 향상 및 저융점 실현은 가능하나 고온․고습하 에서 Sn-Zn 공정합금에 비해 산화가 가속화됨이 보고 되고 있다^17,18). 본고에서는 Sn-Zn 공정합금의 특성 및 Sn-Zn 공정합금에 제 3 원소(Bi, Ag, Cu) 첨가에 따른 조직학적/열적/기계적/계면 특성에 대해 기술하였다.
본고에서는 Sn-Zn 합금에 Zn 과 반응성이 뛰어난 제 3 금속원소(Ag, Cu) 첨가를 통해 범용적 리플로 융점/ 기계적 강도/ 뛰어난 내산화 특성을 확인하였다. 앞으로 추가적인 계면 신뢰성 연구를 통해 실용화 여부에 대한 판단이 필요하다.
특히, Sn-Zn-Bi 합금의 고온·고습하에서의 산화거동 및 Sn-Zn 합금의 내산화성 확보를 위한 Ag 및 Cu 등의 제 3 원소 첨가에 따른 내산화성 개선에 대한 연구를 소개하고자 한다.

성능/효과

각 합금의 융점을 Table 3에 정리하였다. Ag 및 Cu 첨가량이 증가할수록, 각 합금의 융점은 증가하는 경향을 보여주고 있다. Sn-Zn-Ag 합금의 경우, 융점범위가 206 ~ 219℃, Sn-Zn-Cu 합금의 경우, 211 ~224℃임을 알 수 있다.
Ag 와 Cu 첨가량이 증가함에 따라 금속간화합물 형성은 증가하고 상대적으로 α-Zn 상은 적어짐을 확인할 수 있다.
Ag 와 Cu 첨가량이 증가함에 따라 금속간화합물 형성은 증가하고 상대적으로 α-Zn 상은 적어짐을 확인할 수 있다. 각 합금계에서 생성되는 금속간화합물은 Fig. 11의 전자 현미분석(EPMA: Electron Probe Micro Analysis) 을 통해 Ag-Zn 및 Cu-Zn 으로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.
13에 표시하였다. 최대인장강도 (UTS: Ultimate tensile strength)를 Sn-Zn 공정합금과 비교해 보면, Sn-Zn-Ag 합금은 Ag 1, 2wt% 첨가했을 경우에는 비교적 낮은 최대인장강도 값을 나타내지만, Ag 4wt% 첨가에서는 동등한 값을 보여준다. Sn-Zn-Cu 합금은 Cu 1wt% 첨가에서는 낮은 값을 보이다가, Cu 2wt% 첨가부터 Sn-Zn 공정합금과 동등한 값을 보여준다.
반면, Sn-Zn 공정합금은 70㎛, Sn-8Zn-3Bi 합금은 130㎛까지 산화가 진행됨을 확인할 수 있다. 특히, Sn-9Zn-2Ag 및 Sn-9Zn-4Cu 합금을 제외한 합금조성에서는 산화된 영역이 거의 없어, 기존의 Sn- Zn 공정합금에 비해 내산화성이 크게 향상되었음을 확인 할 수 있다. 고온․고습하에서 산화가 발생한 Sn9Zn-2Ag 및 Sn-9Zn-4Cu 합금조성에서는 각각 γ상의 상분율(phase fraction) 증가 및 ε → γ 상전이 (phase transformation)가 관찰되었다.

후속연구

16과 같이, 고신뢰성 저온무연솔더 개발에 대한 요구는 더욱 커질 것으로 예상된다. 게다가, 무연솔더의 융점만 낮추는 의미에서의 저온재료 개발뿐만 아니라, 보다 넓은 의미의 나노 금속 또는 마이크로 입자, 박막, 고상/고상 접합 등을 이용한 150℃이하에서 상온까지의 온도영역에서 접합할 수 있는 저온 패키징 기술들의 보급도 가속화될 것으로 전망된다.
본고에서는 Sn-Zn 합금에 Zn 과 반응성이 뛰어난 제 3 금속원소(Ag, Cu) 첨가를 통해 범용적 리플로 융점/ 기계적 강도/ 뛰어난 내산화 특성을 확인하였다. 앞으로 추가적인 계면 신뢰성 연구를 통해 실용화 여부에 대한 판단이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Sn-Ag-Cu 합금의 융점(216～225℃)의 특징은 무엇인가?	대표적인 무연솔더인 Sn-Ag-Cu 합금의 융점(216～225℃)은 기존 유연솔더인 Sn-Pb 공정합금의 융점 (183℃)에 비해서 약 30℃이상 높기 때문에, 각종 부품 및 기판의 내열성 향상과 접합 프로세스의 변경이 필요하다. 이러한 프로세스 변경의 문제점을 해결하기 위해서 기존 Sn-Pb 공정솔더와 비슷한 저융점의 고신뢰성 무연솔더재료 확보를 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.
	Sn-Zn 합금계의 단점은 무엇인가?	하지만, 산소와의 반응성(reactivity)이 뛰어나고 기판과의 젖음성(wettability)이 불량하기 때문에 상용화하는데 제한을 받아왔다. 현재 이러한 부분을 개선하기 위해 분위기 제어기술(vacuum, gas purging, partial oxygen pressure, etc.
	Sn-Zn 공정합금의 장점은 무엇인가?	이러한 프로세스 변경의 문제점을 해결하기 위해서 기존 Sn-Pb 공정솔더와 비슷한 저융점의 고신뢰성 무연솔더재료 확보를 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그 중에서도 Sn-Zn 공정합금은 융점(199℃)이 기존의 Sn-Pb 공정합금과 유사하여 기존 프로세스를 그대로 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, Sn-Zn 합금계는 높은 강도와 크리프 특성 및 내열피로성이 우수하고 경제적이다.

참고문헌 (24)

菅沼克昭: 鉛フリ？はんだ技術材料ハンドブック, 工業調査會 (in Japanese)
須賀唯知: 鉛フリ？はんだ技術, 工業調査會 (in Japanese)
J.M. Song and K.L. Lin: Double peritectic behavior of Ag-Zn intermetallics in Sn-Zn-Ag solder alloys, Journal of Materials Research, 19(9) (2004), 2719-2724

상세보기
J.M. Song and K.L. Lin: Behavior of intermetallics in liquid Sn-Zn-Ag solder alloy, Journal of Materials Research, 18(9) (2003), 2060-2067

상세보기
J.M. Song, G.F. Lan, T.S. Lui and L.H. Chen: Microstructure and tensile properties of Sn-9Zn-xAg lead-free solder alloys, Scripta Materialia 48(8) (2003), 1047-1051

상세보기
J.M. Song, T.S. Lui, G.F. Lan and L.H. Chen: Resonant vibration behavior of Sn-Zn-Ag solder alloys, Journal of Alloys Compounds, 379 (2004), 233-239

상세보기
K.L. Lin and C.L. Shih: Microstructure and thermal behavior of Sn-Zn-Ag solders, Journal of Electronic Materials, 32(12) (2003), 1496-1500

상세보기
K.L. Lin and H.M. Hsu: Sn-Zn-Al Pb-free solder an inherent barrier solder for Cu contact, Journal of Electronic Materials, 30(9) (2001), 1068-1072

상세보기
S.P. Yu, M.C. Wang and M.H. Hon: Formation of intermetallic compounds at eutectic Sn-Zn-Al solder/Cu interface, Journal of Materials Research, 16(1) (2001), 76-82

상세보기
M. Kitajima, T. Shono, T. Ogino, T. Kobayashi, K. Yamazaki and M. Noguchi: A study on the solderability and joint reliability of lead-free Sn-Zn-Al solder, Journal of Japan Institute of Electronics Packaging, 6(5) (2003), 433-438

상세보기
Y.S. Kim, K.S. Kim, C.W. Hwang and K. Suganuma: Effect of composition and cooling rate on microstructure and tensile properties of Sn-Zn-Bi alloys, Journal of Alloys Compounds, 352 (2003), 237-245

상세보기
J.H. Lee, N.H. Kang, C.W. Lee and J.H. Kim: Necessity of low melting temperature Pb-free solder alloy and characteristics of representative alloys, Journal of KWS, 24(2) (2006), 125-136
J.M. Song, T.S. Lui, Y.L. Chang and L.H. Chen: Compositional effects on the microstructure and vibration fracture properties of Sn-Zn-Bi alloys, Journal of Alloys Compounds, 403 (2005), 191-196

상세보기
S.Y. Cho, Y.W. Lee, K.S. Kim, Y.J. Moon, J.W. Lee, H.J. Han, M.J. Kim and J.P. Jung: Reliability of Sn-8mass%Zn-3mass%Bi lead-free solder and Zn behavior, Materials Transactions, 46(11) (2005), 2322-2328

상세보기
M. McCormack, G.W. Kammoltt, H.S. Chen and S. Jin: Significantly improved mechanical properties in Pb-free, Sn-Zn-In solder alloy by Ag doping, Applied Physics Letters, 65(9) (1994), 1100-1102

상세보기
J.M. Song, N.S. Liu and K.L. Lin: Microstructure, thermal and tensile properties of Sn-Zn-Ga alloys, Materials Transactions, 45(3) (2004), 776-782

상세보기
K.S. Kim, Y.S. Kim, K. Suganuma and H. Nakajima: Microstructure changes in Sn-Zn/Cu joints during heat-exposure, Journal of Japan Institute of Electronics Packaging, 5(7) (2002), 666-671

상세보기
J.X. Jiang, J.E. Lee, K.S. Kim and K. Suganuma: Oxidation behavior of Sn-Zn solders under high-temperature and high-humidity conditions, Journal of Alloys Compounds, 462 (2008), 244-251

상세보기
T.B. Massalski: Binary Alloy Phase Diagrams 2nd ed., ASM International (1992)
菅沼克昭: 鉛フリ？はんだ付け技術, 工業調査會 (in Japanese)
J.E. Lee, K.S. Kim, M. Inoue, J. Jiang, K. Suganuma: Effect of Ag and Cu addition on microstructural properties and oxidation resistance of Sn-Zn eutectic alloy, Journal of Alloys Compounds, 454 (2008), 310-320

상세보기
E.A. Brandes and G.B. Brook: Smithells Metals Reference Book, 7th ed. (Butterworth Heinemann, 1992)
http://www.webelements.com/
G.P. Vassilev, E.S Dobrev, S.K. Evtimova and J.C. Tedenac: Studies of the phase equilibria in the Ag-Sn-Zn system, Journal of Alloys Compounds, 327 (2001), 285-291

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

내산화성 개선 Sn-Zn계 저온용 무연솔더 개발
Development of Sn-Zn Based Low Temperature Lead-Free Solder for Improvement of Oxidation Resistance 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (24)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

내산화성 개선 Sn-Zn계 저온용 무연솔더 개발 Development of Sn-Zn Based Low Temperature Lead-Free Solder for Improvement of Oxidation Resistance 원문보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (24)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이재언 (1) 김근수 (8) 허석환 (14)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

내산화성 개선 Sn-Zn계 저온용 무연솔더 개발
Development of Sn-Zn Based Low Temperature Lead-Free Solder for Improvement of Oxidation Resistance 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper