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문제 정의
- 본 연구에서는 최근 전기, 전자소자용 리드프레임 패키징 소재에서 요구하는 높은 기계적 강도 특성을 확보하기 위해 표면 부에 Cu 소재를 사용하여 전기 및 열 전달 특성을 유지시키며, 중간 부에 높은 기계적 강도를 가진 이종 소재인 STS 소재를 클레딩 하여 압연비를 조절하여 기계적 강도를 개선하였다. 또한 본 연구에서는 최근 전기, 전자소자의 고기능화 및 소형화에 따른 발열온도를 고려하여 고강도 전기, 전자소자 리드 프레임용 소재로 제조된 Cu/STS/Cu 클래드 메탈을 상온에서 최대 200℃ 온도영역에서 소재의 열안정성 및 물리적특성 변화에 대해 조사하였다.
- 본 연구에서는 최근 전기, 전자소자용 리드프레임 패키징 소재에서 요구하는 높은 기계적 강도 특성을 확보하기 위해 표면 부에 Cu 소재를 사용하여 전기 및 열 전달 특성을 유지시키며, 중간 부에 높은 기계적 강도를 가진 이종 소재인 STS 소재를 클레딩 하여 압연비를 조절하여 기계적 강도를 개선하였다. 또한 본 연구에서는 최근 전기, 전자소자의 고기능화 및 소형화에 따른 발열온도를 고려하여 고강도 전기, 전자소자 리드 프레임용 소재로 제조된 Cu/STS/Cu 클래드 메탈을 상온에서 최대 200℃ 온도영역에서 소재의 열안정성 및 물리적특성 변화에 대해 조사하였다.
제안 방법
- 2 mN), 하중유 지시간 10초로 측정하였다. 경도시험은 연마 처리 후 표면에 홈이 없는 곳을 선택하여 압입자 크기의 5배 간격으로 각 5회씩 측정하였다.
- 고강도 전기, 전자소자 리드프레임 클래드 메탈의 기계적 강도는 응용분야를 고려하여 마이크로 인장시험편을 Fig. 3과 같이 제작하여 실험을 진행하였다. 제작된 인장 시험편의 평형부의 넓이는 1 mm로 압연방향과 일치하도록 방전가공기로 잘라 판상 인장시편을 제작하였다.
- 그리고 박판 샘플의 윗면에서 적외선 온도 센서를 사용하여 온도변화를 전압의 변화를 통해 환산하여 열 확산계수 α 값을 이론적 계산을 통해 구하였다16-17).
- . 또한 소재의 열안정성을 확인하기 위해 상온에 서 200℃까지 온도의 변화를 주어 온도 변화에 따른 기계적 인장강도를 실험하였다.
- 또한 전체 소재의 클래딩 시 접착력을 강화를 위해 소재 표면을 브러싱 작업 후 냉간압연 하였다. 압연시 1회당 평균압하비는 10% 수준으로 70 kg/mm2급 수준의 고강도 전자소자의 리드프레임 클레드 소재를 확보하기 위하여 사전 예비실험들을 통하여 최종압하율은 92% 수준으로 제어하였다.
- 그리고 박판 샘플의 윗면에서 적외선 온도 센서를 사용하여 온도변화를 전압의 변화를 통해 환산하여 열 확산계수 α 값을 이론적 계산을 통해 구하였다16-17). 또한 측정된 각 시편의 비열과 밀도 및 열 확산계수를 식 (1)의 관계식을 사용하여 온도변화에 따른 열전도도를 구하였다5-7).
- 소재의 경도 시험은 상온에서 200℃까지 열 처리된 시편의 단면을 마이크로 비커스경 도기 (JP/FM7, 제조사 : FUTURE-TECH)를 사용하여 시험하중 25 gf(245.2 mN), 하중유 지시간 10초로 측정하였다. 경도시험은 연마 처리 후 표면에 홈이 없는 곳을 선택하여 압입자 크기의 5배 간격으로 각 5회씩 측정하였다.
- 소재의 열안정성을 평가하기 위해서 열전도도 특성을 측정하였다. 열전도 특성 분석은 시편의 온도 조건별 클래드 메탈의 비열을 시차 주사 열량계(DSC: differential scanning calorimetry, DSC 204 F1, 제조사: Netzsh)로 소재의 열용량값(Cp)을 측정하였다.
- 또한 전체 소재의 클래딩 시 접착력을 강화를 위해 소재 표면을 브러싱 작업 후 냉간압연 하였다. 압연시 1회당 평균압하비는 10% 수준으로 70 kg/mm2급 수준의 고강도 전자소자의 리드프레임 클레드 소재를 확보하기 위하여 사전 예비실험들을 통하여 최종압하율은 92% 수준으로 제어하였다.
- 클래드 메탈의 열확산계수(α)는 laser flash(Nano Flash LFA 447, 제조사: Netsch)로 상온에서 200℃까지 50℃ 간격으로 측정하였다. 열 확산계수를 측정하기 위해 박판 아랫면에 Xenon nano-flash laser를 조사하였다. 그리고 박판 샘플의 윗면에서 적외선 온도 센서를 사용하여 온도변화를 전압의 변화를 통해 환산하여 열 확산계수 α 값을 이론적 계산을 통해 구하였다16-17).
- 소재의 열안정성을 평가하기 위해서 열전도도 특성을 측정하였다. 열전도 특성 분석은 시편의 온도 조건별 클래드 메탈의 비열을 시차 주사 열량계(DSC: differential scanning calorimetry, DSC 204 F1, 제조사: Netzsh)로 소재의 열용량값(Cp)을 측정하였다. 시편의 밀도는 아르키메데스의 수중 부유법을 사용하여 측정하였다.
- 시편의 밀도는 아르키메데스의 수중 부유법을 사용하여 측정하였다. 열확산 특성을 측정하기 위해 25 mm 원형의 시편을 제작하여 표면 레이저 펄스의 균일 흡수와 반사를 방지하기 위해 콜로이드 흑연입자를 분사 처리하였다. 클래드 메탈의 열확산계수(α)는 laser flash(Nano Flash LFA 447, 제조사: Netsch)로 상온에서 200℃까지 50℃ 간격으로 측정하였다.
- 인장강도는 마이크로인장시험기(SMT-H50, Space solution)를 사용하여 로드셀 50kg·f, 하중부가속도 50 ㎛/s로 측정하였다13-15).
- 제작된 클래드메탈의 두께는 광학 현미경(LG-PS2, 제조사 : 올림푸스)을 사용하여 모재와 부재간의 전체 두께를 관찰하여 압연비 제어하였으며, 모재와 부재간의 접합계면에 대해시편의 단면을 연마 한 후 이종재료의 계면에서의 접합결함을 미시적으로 관찰하였다.
- 클래드 메탈의 열확산계수(α)는 laser flash(Nano Flash LFA 447, 제조사: Netsch)로 상온에서 200℃까지 50℃ 간격으로 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 고강도 전기, 전자소자 리드프레임용 클래드메탈을 제조하기 위해 사용된 재료는 모재로 우수한 기계적 강도를 가진 스테인레스 스틸(STS316L, 제조사 :대양금속)을 사용하였으며 부재는 구리(Cu, C1030, 제조사: 이구산업, Cu - 99.96, P - 0.0017, O2 - 0.0038)를 사용하였다.
- 3과 같이 제작하여 실험을 진행하였다. 제작된 인장 시험편의 평형부의 넓이는 1 mm로 압연방향과 일치하도록 방전가공기로 잘라 판상 인장시편을 제작하였다.
- 2는 고강도 전기, 전자소자 리드프레임 클래드 메탈 제작을 위한 압연 공정의 모식도로 압연 전후의 두께 변화를 그림으로 나타내었다. 클래드 메탈의 두께는 STS 0.60 mm, Cu 상하층 각각 0.43 mm를 사용하여 총 1.46 mm를 사용하였다.
이론/모형
- 열전도 특성 분석은 시편의 온도 조건별 클래드 메탈의 비열을 시차 주사 열량계(DSC: differential scanning calorimetry, DSC 204 F1, 제조사: Netzsh)로 소재의 열용량값(Cp)을 측정하였다. 시편의 밀도는 아르키메데스의 수중 부유법을 사용하여 측정하였다. 열확산 특성을 측정하기 위해 25 mm 원형의 시편을 제작하여 표면 레이저 펄스의 균일 흡수와 반사를 방지하기 위해 콜로이드 흑연입자를 분사 처리하였다.
- 전기 전도도 실험은 더블 브릿지 장비를 이용하여 KS D 0240 규격에 의거 측정하였다. 구리선에 대한 표준저항은 “20℃ 의 온도조건에서 길이 1m, 일정한 단면적(1mm2)을 가지는 표준 열처리된 구리선의 저항은 1/58 Ω, 즉 0.
- 파면의 분석을 통해 기계적 시험 후 소재의 강도와 인성에 대한 평가 및 소재의 미세부의 접합상태를 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope :SEM) 및 에너지 분산 스펙트로미터(energy dispersive spectroscope : EDS)를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 고강도의 기계적 특성을 갖는 소재를 확보하기 위해 Cu/STS/Cu 클래드방법의 이종소재 접합공정을 하였고, 이때 최대의 인장강도는 압연비 90%이상의 높은 가공비에서 70 kg/mm2이상의 높은 값을 확보할 수 있었다. 또한 소재의 경도값의 변화는 모재 및 부재의 값들이 마이크로 Hv 값으로 405 및 120 수준으로 안정한 값을 유지하였다.
- 2) 고강도 리드프레임 소재의 기계적 열안정성을 평가하기 위해 소재의 실제 고방열의 전기, 전자소자의 리드프레임에서 발생하는 발열 온도 약 80℃보다 높은 100℃ ~ 200℃에서도 70 kgf/mm2 이상의 높은 인장강도를 유지하는 것으로 나타났다. 또한 소재의 경도 값의 변화는 검토한 온도 범위 150℃까지 모재 및 부재에서 3% 미만, 최대 200℃의 고온에서도 6%미만으로 우수한 열안정성을 보였다.
- 3) 상온에서 열전도도는 약 220(W/m·K)로 높은 열전달 특성을 나타냈으며, 온도변화에 따른 열전도도는 온도가 증가함에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내었다.
- 4) 클래드 소재의 전기적 특성은 58.44 %IACS의 전기 전도도 값을 나타내었다. 이 값은 고강도 전기, 전자 소자용 리드프레임 소재 산업분야에서 요구되는 순동소재의 전기전도도 기준 50 %IACS 값에 대해 15% 이상 높은 매우 안정된 전기특성을 나타내었다.
- Table 1는 상온에서 200℃까지 1시간 동안 열처리 된 클레드메탈 시편의 단면에 대한 미소경도시험 후 경도 값을 나타내었다. Cu/STS/Cu 시편의 경도는 C1030 소재는 상하층 모두 120 Hv로 수준으로 나타났으며, STS 316L 소재는 400 Hv로 수준으로 나타났다. 또한 클레드메탈 소재의 모재인 STS의 경우 150℃까지 전혀 경도의 변화가 발생하지 않았으며, 200℃열처리된 시편의 경우 경도의 감소는 2% 수준으로 온도의 영향은 거의 발생하지 않았다.
- 이는 온도가 증가함에 따라 소재의 비열 특성의 증가율이 열확산 계수의 감소율에 비해 열전달특성에 다소 영향을 더 주고 있음을 나타내고 있다. 그럼에도 불구하고 클레드 소재의 온도변화에 따르는 전체적인 열전도도의 변화는 3%이내의 범위내에서 안정성을 유지하고 있음을 보였다. 따라서 본 연구에서 제조된 고강도를 유지하면서 높은 열방출특성을 요구하는 전기, 전자 소자의 리드프레임 소재는 200℃까지 높은 열안정성을 유지함을 알 수 있었다.
- 이는 실제 고방열의 전기, 전자소자의 리드프레임에서 발생하는 발열 온도 약 80℃보다 높은 100℃ ~ 200℃에서도 70 kgf/mm2이상의 높은 인장강도를 유지하는 것으로 나타났다. 따라서 Cu/STS/Cu 클래드메탈은 고강도 전기, 전자소자 리드프레임용으로 사용시 상온에서 200℃까지 온도 안정성을 가지는 것으로 판단된다.
- 그럼에도 불구하고 클레드 소재의 온도변화에 따르는 전체적인 열전도도의 변화는 3%이내의 범위내에서 안정성을 유지하고 있음을 보였다. 따라서 본 연구에서 제조된 고강도를 유지하면서 높은 열방출특성을 요구하는 전기, 전자 소자의 리드프레임 소재는 200℃까지 높은 열안정성을 유지함을 알 수 있었다.
- 이상의 높은 인장강도를 유지하는 것으로 나타났다. 또한 소재의 경도 값의 변화는 검토한 온도 범위 150℃까지 모재 및 부재에서 3% 미만, 최대 200℃의 고온에서도 6%미만으로 우수한 열안정성을 보였다.
- 이상의 높은 값을 확보할 수 있었다. 또한 소재의 경도값의 변화는 모재 및 부재의 값들이 마이크로 Hv 값으로 405 및 120 수준으로 안정한 값을 유지하였다.
- 열 확산계수와 비열, 밀도 값을 식(1)에 대입하여 계산된 평균 열전도도는 약 220(W/m·K)로 나타났다. 또한 열전도도는 온도가 증가함에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내었으나 온도 변화에 따른 열전도도의 증가비는 큰 차이는 보이지 않았다. 이는 온도가 증가함에 따라 소재의 비열 특성의 증가율이 열확산 계수의 감소율에 비해 열전달특성에 다소 영향을 더 주고 있음을 나타내고 있다.
- Cu/STS/Cu 클레드메탈에서 STS 316L 소재는 상온에서 200℃까지 내부에 미세 dimple들이 균일하게 분포하는 전형적인 연성파면의 특징을 나타내었다. 또한 온도증가에 따른 파면의 변화는 발견되지 않았으며, STS 316L 소재를 클래딩 하고 있는 C1030 소재도 온도변화에 따른 파면의 변화는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 고강도 전기, 전자 리드프레임용 소재로 사용하는 경우 외부 충격에 대한 소재의 파괴인성도 양호할 것으로 판단된다.
- 7에 비교하여 나타내었다. 시차주사 열량계로 상온에서 200℃까지 온도 변화에 따른 Cu/STS/Cu 클래드메탈의 비열을 측정한 결과 온도가 증가함에 따라 비열이 증가하는 경향을 나타내었으나 열 확산계수는 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 열 확산계수와 비열, 밀도 값을 식(1)에 대입하여 계산된 평균 열전도도는 약 220(W/m·K)로 나타났다.
- 44 %IACS의 전기 전도도 값을 나타내었다. 이 값은 고강도 전기, 전자 소자용 리드프레임 소재 산업분야에서 요구되는 순동소재의 전기전도도 기준 50 %IACS 값에 대해 15% 이상 높은 매우 안정된 전기특성을 나타내었다.
- 3 kgf/mm2로 약 5% 감소하였다. 이는 실제 고방열의 전기, 전자소자의 리드프레임에서 발생하는 발열 온도 약 80℃보다 높은 100℃ ~ 200℃에서도 70 kgf/mm2이상의 높은 인장강도를 유지하는 것으로 나타났다. 따라서 Cu/STS/Cu 클래드메탈은 고강도 전기, 전자소자 리드프레임용으로 사용시 상온에서 200℃까지 온도 안정성을 가지는 것으로 판단된다.
- 3) 상온에서 열전도도는 약 220(W/m·K)로 높은 열전달 특성을 나타냈으며, 온도변화에 따른 열전도도는 온도가 증가함에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 온도증가에 따라 소재의 비열 특성의 증가율이 열확산계수의 감소율에 비해 열전달특성에 영향을 주고 있음을 보여주었다.
- 이상의 결론으로부터 고압연비로 제조된 Cu/STS/Cu 3층 구조의 클래드메탈 리드프레임 소재는 70 kgf/mm2의 고강도를 유지하면서 높은 열방출특성을 요구하는 고기능성 전기, 전자 소자의 리드프레임 소재로 200℃까지 안정적인 물리적특성을 유지함을 알 수 있었다.
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