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Sn-Ag-Cu 무연합금의 미세구조 분석
Microstructure of Sn-Ag-Cu Pb-free solder 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.27 no.2, 2017년, pp.94 - 98  

이정일 (한국교통대학교 신소재공학과) ,  이호준 (한국교통대학교 신소재공학과) ,  윤요한 (한국교통대학교 신소재공학과) ,  이주연 (한국교통대학교 신소재공학과) ,  조현수 (한국교통대학교 신소재공학과) ,  조현 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과) ,  류정호 (한국교통대학교 신소재공학과)

초록
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최근 수년 동안 Sn-3.0Ag-0.5Cu(weight%) 조성의 합금은 주요 전자 제조업체들의 대표 무연솔더 조성으로 다양한 전자제품의 제작에 적용되어 왔다. 그러나 최근 Ag 가격의 급격한 상승과 전자산업의 저가격화 전략으로 인해 솔더 재료에서의 Ag 함량의 감소가 지속적으로 요구되고 있다. 본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 무연솔더를 주석, 은 및 구리 금속분말의 용융을 이용하여 합금화 하였다. 제조한 Sn-3.0Ag-0.5Cu 샘플에 대한 결정구조 및 미세구조를 XRD, 광학현미경, FE-SEM 및 EDS 분석을 이용하여 검토하였다. 분석결과, 제조된 Sn-3.0Ag-0.5Cu 샘플은 ${\beta}-Sn$, ${\varepsilon}-Ag_3Sn$ 및 ${\eta}-Cu_6Sn_5$ 결정으로 구성되어 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the past few years, Sn-3.0Ag-0.5Cu (weight%) solder composition has been a representative material to electronic industries as a replacement of Pb-base solder alloy. Therefore, extensive studies on process and/or reliability related with the composition have been reported. However, recent rapid r...

주제어

#Pb-free solder   #Sn-3   #0Ag-0   #5Cu   # ${\beta}$-Sn   # ${\varepsilon}-Ag_3Sn$   # ${\eta}-Cu_6Sn_5$  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 주된 연구의 대상이 되는 2원계 솔더 합금으로서는 Sn-Bi, Sn-Ag, Sn-Zn, Sn-In, Sn-Sb계 등이 있는데, 이상과 같은 2원계 합금 중에서는 기존의 Sn-Pb 솔더를 대체할 수 있을 만한 성질을 갖춘 재료가 없으므로, 본 연구에서는 Cu를 제3 원소로서 첨가한 Sn-Ag-Cu[7-10] 조성의 합금조성을 제조하여 개발하여 결정구조, 이차상(secondary phase) 및 미세구조를 조사하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
솔더 중의 Pb를 사용할 수 없는 분위기가 확산되는 이유는? 주석-납(Sn-Pb)계 솔더는 융점,접합성, 가격 등과, 작업성이 양호하기 때문에 전자기기 실장에 사용되어 왔고, 모든 실장 장치도 Sn-Pb 솔더용으로 만들어져 있다. 그러나 솔더 중의 Pb는 사용할 수 없다는 분위기가 점차 확산되고 있으며, 이것은 Pb가 인체에 들어가면 중추신경을 손상 시킨다고 알려져 있기 때문이며, 결국 지구상의 환경 보호 차원에서 앞으로 Pb 사용이 규제될 것임은 틀림이 없다[1-3].
무연솔더 조성 개발 시 고려해야 할 점은? 현재까지 사용되어 오던 Sn-Pb계 solder를 대체하는무연솔더(lead-free solder)는 완전히 합금계를 변경하는 것이 아니라 Sn을 주소재로 하고 여기에 Pb 대신에 다른 원소들을 첨가한 합금개발을 위한 공정 및 합금설계에 대한 데이터를 구축하고 동시에 신뢰성 평가를 실시하여 그 가능성을 평가하는 것이다. 무연솔더 조성 개발 시 고려해야 할 점은 첫째 합금계가 독성이 없어서 인체에 무해할 것, 둘째 합금 매장량 및 생산량이 충분하여 공급상의 문제가 없고 가격이 낮을 것, 셋째 솔더링 공정상의 측면에서 융점이 약 200oC 이하 일 것, 넷째 기판 및 리드선 재료와 젖음성이 양호할 것, 그리고 마지막으로 열피로 특성 등의 기계적 성질이 우수할 것 등이다. 또한 solder재의 경우 인쇄성이 양호하여야 하고 분말 및 ball로 만들기 쉬워야 하며 안전하게 보존하기 위해서는 내산화성이 양호하여야 한다.
Sn-Ag 합금계의 공정조성은 어떤 상으로 이루어져 있는가? Sn-Ag 합금의 경우, Sn-Pb 합금에서 두 원소간 상호 고용도를 가지는 것과는 달리 Sn 원소 중에 Ag 원소가 거의 고용되지 않는다. 상태도에서 나타낸 바와 같이 조직상은 공정조성의 β-Sn 및 ε-Ag3Sn상으로 구성된다. Sn-Pb 합금의 라멜라 구조(lamella structure)와는 달리 ε-Ag3Sn 상은 β-Sn 상을 매트릭스로 해서 섬유상(fabric type)으로 분산되어 있으며, 그 전형적인 조직 ε-Ag3Sn상은 안정한 화합물로 알려져 있으며, 한번 생성되면 고온방치되더라도 조대화(coarse)되지 않기 때문에 Sn-3.
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참고문헌 (17)

  1. D.R. Frear, "Issues related to the implementation of Pbfree electronic solders in consumer electronics", J. Mater. Sci.-Mater. Electron. 18 (2007) 319. 

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  2. O. Unal, D.J. Barnard and I.E. Anderson, "A shear test method to measure shear strength of metallic materials and solder joints using small specimens", Scr. Mater. 40 (1999) 271. 

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  7. D. Swenson, "The effects of suppressed beta tin nucleation on the microstructural evolution of lead-free solder joints", J. Mater. Sci.-Mater. Electron. 18 (2007) 39. 

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  8. I.E. Anderson, J.K. Walleser, J.L. Harringa, F Laabs and A. Kracher, "Nucleation control and thermal aging resistance of near-eutectic Sn-Ag-Cu-X solder joints by alloy design", J. Electron. Mater. 38 (2009) 2770. 

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  15. S.W. Kim, J.W. Yoon and S.B. Jung, "Interfacial reactions and shear strengths between Sn-Ag-based Pb-free solder balls and Au/EN/Cu metallization", J. Electron. Mater. 33 (2004) 1182. 

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  16. J.W. Yoon, W.C. Moon and S.B. Jung, "Interfacial reaction of ENIG/Sn-Ag-Cu/ENIG sandwich solder joint during isothermal aging", Microelectron. Eng. 83 (2006) 2329. 

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  17. T.C. Chiu and K.L. Lin, "Electromigration behavior of the Cu/Au/SnAgCu/Cu solder combination", J. Mater. Res. 23 (2008) 264. 

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