솔더(solder) 재료는 수 천년 이상 인류 문명과 함께해온 대표적인 금속 합금으로서 현재까지도 전자 패키징(electronic packaging) 및 표면 실장(SMT, surface mount technology) 분야의 핵심 소재로 사용되고 있다 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, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu(weight%) 조성의 무연납 솔더바 샘플을 주조법으로 합금화 하였다. 제조한 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu 샘플에 대한 결정구조, 화학조성 및 미세구조를 XRD, XRF, 광학현미경, FE-SEM 및 EDS 분석을 이용하여 조사하였다. 분석결과, 제조된 샘플은 ${\beta}-Sn$, ${\varepsilon}-Ag_3Sn$ 및 ${\eta}-Cu_6Sn_5$ 결정으로 구성되어 있었을 확인할 수 있었다.
솔더(solder) 재료는 수 천년 이상 인류 문명과 함께해온 대표적인 금속 합금으로서 현재까지도 전자 패키징(electronic packaging) 및 표면 실장(SMT, surface mount technology) 분야의 핵심 소재로 사용되고 있다 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, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu(weight%) 조성의 무연납 솔더바 샘플을 주조법으로 합금화 하였다. 제조한 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu 샘플에 대한 결정구조, 화학조성 및 미세구조를 XRD, XRF, 광학현미경, FE-SEM 및 EDS 분석을 이용하여 조사하였다. 분석결과, 제조된 샘플은 ${\beta}-Sn$, ${\varepsilon}-Ag_3Sn$ 및 ${\eta}-Cu_6Sn_5$ 결정으로 구성되어 있었을 확인할 수 있었다.
In the past few years, various solder compositions have been a representative material to electronic packages and surface mount technology industries as a replacement of Pb-base solder alloy. Therefore, extensive studies on process and/or reliability related with the low Ag composition have been rep...
In the past few years, various solder compositions have been a representative material to electronic packages and surface mount technology industries as a replacement of Pb-base solder alloy. Therefore, extensive studies on process and/or reliability related with the low Ag composition have been reported because of recent rapid rise in Ag price. In this study, Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu and Sn-0.3Ag-0.5Cu solder bar samples were fabricated by melting of Sn, Ag and Cu metal powders. Crystal structure and element concentration were analyzed by XRD, XRF, optical microscope, FE-SEM and EDS. The fabricated solder samples were composed of ${\beta}-Sn$, ${\varepsilon}-Ag_3Sn$ and ${\eta}-Cu_6Sn_5$ phases.
In the past few years, various solder compositions have been a representative material to electronic packages and surface mount technology industries as a replacement of Pb-base solder alloy. Therefore, extensive studies on process and/or reliability related with the low Ag composition have been reported because of recent rapid rise in Ag price. In this study, Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu and Sn-0.3Ag-0.5Cu solder bar samples were fabricated by melting of Sn, Ag and Cu metal powders. Crystal structure and element concentration were analyzed by XRD, XRF, optical microscope, FE-SEM and EDS. The fabricated solder samples were composed of ${\beta}-Sn$, ${\varepsilon}-Ag_3Sn$ and ${\eta}-Cu_6Sn_5$ phases.
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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, 본연구에서는 Sn-Ag-Cu 조성의 합금조성을 제조하여 결정상, 화학조성 및 미세구조를 조사하고자 한다.
제안 방법
5Cu(wt%) 조성 솔더바 샘플의 결정상 분석을 위하여 XRD 분석을 실시하였다. WD-XRF (Wavelength-dispersive X-ray fluorescence) 분석을 통하여 주조된 솔더바 시편의 화학성분과 불순물 함입 여부를 조사하였다. 또한 미세구조 분석을 위하여 샘플을 경면 폴리싱(mirror plane polishing) 및 산처리(acid treatment) 후 광학현미경(optical microscope, OM)과 주사전자현미경(Field-emission scanning electron microscope, FESEM)을 이용하여 관찰하였다.
또한 미세구조 분석을 위하여 샘플을 경면 폴리싱(mirror plane polishing) 및 산처리(acid treatment) 후 광학현미경(optical microscope, OM)과 주사전자현미경(Field-emission scanning electron microscope, FESEM)을 이용하여 관찰하였다. 또한 미세구조 분석과 동시에 EDS(Energy dispersive X-ray spectrometer) 분석을 통하여 미세성분 분석을 실시하였다. 산처리는 에탄올 95 %, 질산 4 % 및 염산 1 % 혼합 용액을 사용하여 5초 동안 실시하였다.
WD-XRF (Wavelength-dispersive X-ray fluorescence) 분석을 통하여 주조된 솔더바 시편의 화학성분과 불순물 함입 여부를 조사하였다. 또한 미세구조 분석을 위하여 샘플을 경면 폴리싱(mirror plane polishing) 및 산처리(acid treatment) 후 광학현미경(optical microscope, OM)과 주사전자현미경(Field-emission scanning electron microscope, FESEM)을 이용하여 관찰하였다. 또한 미세구조 분석과 동시에 EDS(Energy dispersive X-ray spectrometer) 분석을 통하여 미세성분 분석을 실시하였다.
또한 미세구조 분석과 동시에 EDS(Energy dispersive X-ray spectrometer) 분석을 통하여 미세성분 분석을 실시하였다. 산처리는 에탄올 95 %, 질산 4 % 및 염산 1 % 혼합 용액을 사용하여 5초 동안 실시하였다. Fig.
각각의 금속 분말을 혼합한 후 Ar 분위기에서 용융하여 솔더바 샘플을 제조하였다. 용융 제조된 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu(wt%) 조성 솔더바 샘플의 결정상 분석을 위하여 XRD 분석을 실시하였다. WD-XRF (Wavelength-dispersive X-ray fluorescence) 분석을 통하여 주조된 솔더바 시편의 화학성분과 불순물 함입 여부를 조사하였다.
대상 데이터
Sn, Ag 및 Cu 금속소재는 고순도화학(Kojundo Chemical)의 분말 제품(99.9 %, −200 mesh)을 사용하였다.
Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu(weight%) 조성의 무연솔더 샘플들을 성공적으로 제조하였다. β-Sn상이 주요한 결정상이었고, 2차상(secondary phase)으로 Ag3Sn 및 Cu6Sn5 결정상이 나타나고 있었으며, 이러한 결과는 기존 발표된 Sn-Ag-Cu 합금계에서의 기존연구 결과와 일치하였다.
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu(wt%) 합금 조성으로 무연솔더 샘플들을 제조하였다. Sn, Ag 및 Cu 금속소재는 고순도화학(Kojundo Chemical)의 분말 제품(99.
성능/효과
β-Sn상이 주요한 결정상이었고, 2차상(secondary phase)으로 Ag3Sn 및 Cu6Sn5 결정상이 나타나고 있었으며, 이러한 결과는 기존 발표된 Sn-Ag-Cu 합금계에서의 기존연구 결과와 일치하였다.
Fig. 4에서 가장넓은 분율을 차지하고 있는 (a) 부분의 경우 대부분이 Sn 으로 이루어져 있었으며 Sn, Ag 및 Cu의 성분비가 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더바 샘플의 디자인 조성에 유사했다. Fig.
EDS 결과를 통하여 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더바는 β-Sn + ε-Ag3Sn + η-Cu6Sn5로 이루어져 있음을 확인할 수 있었으며, 이러한 EDS 결과는 XRD 분석과 일치하는 결과이다.
4에서 명도차이에 따른 합금 성분의 차이를 확인하기 위하여 각 부분에 대하여 EDS 분석을 통하여 금속 성분을 분석하였으며 그 결과를 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 확인할 수 있듯이, FE-SEM 사진의 3부분의 성분분석을 한 결과, Sn, Ag, Cu 및 O 의 성분차이가 큼을 확인할 수 있었다. Fig.
β-Sn상이 주요한 결정상이었고, 2차상(secondary phase)으로 Ag3Sn 및 Cu6Sn5 결정상이 나타나고 있었으며, 이러한 결과는 기존 발표된 Sn-Ag-Cu 합금계에서의 기존연구 결과와 일치하였다. WD-XRF 분석을 통하여 조사한 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu 솔더바 샘플의 화학성분과 불순물 함입 결과는 주조공정시 디자인한 조성과 유사한 결과를 보여주었다. EDS 결과를 통하여 Sn-3.
따라서 이러한 EDS 결과를 통하여 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더바는 β-Sn + ε-Ag3Sn + η-Cu6Sn5로 이루어져 있음을 확인할 수 있었으며, 이러한 EDS 결과는 XRD 분석과 일치하는 결과이다.
Table 1에서 확인할 수 있듯이 주조공정시 디자인한 조성과 유사한 결과를 보여주었으며, 최종적으로 원하는 솔더바 조성이 성공적으로 제조되었음을 확인할 수 있었다. 또한 주요한 조성인 Sn, Ag 및 Cu 이외에 소량의 Si, P, Mg, Sr 등의 미소 불순물이 함유되어 있음을 확인하였다.
무연솔더 조성 개발시 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 200°C 이하일 것, 넷째 기판 및 리드선 재료와 젖음성이 양호할 것, 그리고 마지막으로 열피로 특성 등의 기계적 성질이 우수할 것 등이다.
본 실험의 경우 Sn-3.5Ag-0.5Cu와 Sn-0.7Cu 및 Sn-0.3Ag-0.5Cu는 유사한 미세조직을 보였으나, 극히 미세한 Ag 3 Sn 상의 바깥에 Cu 6 Sn 5 화합물이 존재하고 β-Sn 상의 길이도 Sn-3.5Ag 2원계 합금보다 작지 않은 경향을 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성으로 이루어진 솔더 조인트의 경우 외부에서 인가되는 응력(stress)에 의해 크랙(crack)의 전파가 비교적 잘 이루어지는 특성을 어떤 상황에서 더욱 명확하게 관찰되는가?
이러한 특성은 낙하 시험(drop test)과 같이 외부에서 응력이 급격하게 가해질수록 더욱 명확하게 관찰되는데, 이는 궁극적으로 기존의 Sn-37Pb 조성에 비하여 소성 변형에 대한 저항성이 크기 때문으로 솔더 합금의 연성(elongation)을 향상시킴으로써 개선될 수 있다. Sn-3.
솔더(solder) 재료란?
솔더(solder) 재료는 수 천년 이상 인류 문명과 함께해온 대표적인 금속 합금으로서 현재까지도 전자 패키징(electronic packaging) 및 표면 실장(SMT, surface mount technology) 분야의 핵심 소재로 사용되고 있다. 솔더 재료로서 일차적으로 요구되는 특성으로는 적절한 융점과 젖음성(wettability), 그리고 합금 자체의 기계적 특성과 UBM과의 반응 등을 들 수 있는데, 합금의 가격이 매우 저렴한 Sn-Pb계 합금 중 가장 낮은 융점을 가지는 공정 조성의 경우 183°C의 적절한 융점과 우수한 젖음 특성을 나타냄으로써 대표적인 솔더 조성으로 오랫동안 전자 제품의 제조에 사용되어져 왔다[1-4].
솔더 재료로서 일차적으로 요구되는 특성은?
솔더(solder) 재료는 수 천년 이상 인류 문명과 함께해온 대표적인 금속 합금으로서 현재까지도 전자 패키징(electronic packaging) 및 표면 실장(SMT, surface mount technology) 분야의 핵심 소재로 사용되고 있다. 솔더 재료로서 일차적으로 요구되는 특성으로는 적절한 융점과 젖음성(wettability), 그리고 합금 자체의 기계적 특성과 UBM과의 반응 등을 들 수 있는데, 합금의 가격이 매우 저렴한 Sn-Pb계 합금 중 가장 낮은 융점을 가지는 공정 조성의 경우 183°C의 적절한 융점과 우수한 젖음 특성을 나타냄으로써 대표적인 솔더 조성으로 오랫동안 전자 제품의 제조에 사용되어져 왔다[1-4].
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