[논문]웨팅밸런스법을 통한 젖음성 평가와 솔더의 젖음 특성

전욱상; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2019.26.3.001

웨팅밸런스법을 통한 젖음성 평가와 솔더의 젖음 특성
Wettability Evaluation by Wetting Balance Test and Wetting Characteristics of Solders 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.3, 2019년, pp.1 - 6

전욱상 (서울시립대학교 신소재공학과) , (서울시립대학교 신소재공학과) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Wettability is an important factor to decide solderability of solder, flux, other soldering-related materials and soldering conditions. The wettability also affects the reliability of solder joint. Wetting balance test is a good method for quantitatively measuring wettability between solder and substrate. The wetting balance test is easy to reproduce the wetting experiment and to measure the wetting time and force. And this test provides wetting curve to calculate the surface tension of the molten solder. Development of new solder has been continued in accordance with various and harsh environment in the electronics industry. In this paper, the principle of wetting balance test and recent research issues including nano-composite solder are explained.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Shematic of molten solder and substrate.⁴⁾
그림 Fig. 2. Schematic of specimen immersed in molten solder.⁶⁾
그림 Fig. 3. Wetting balance tester.
그림 Fig. 4. Schematic diagram of a typical wetting curve and procedures at each time.^4,13)
표 Table 1. Surface tension of solder alloys
그림 Fig. 5. Effect of trace element to zero cross time.^20-22)
그림 Fig. 6. Effect of trace element to wetting force.^20,23,24)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본고에서는 젖음성과 웨팅밸런스법을 통해 얻을 수 있는 젖음곡선(wetting curve), 용융 금속의 표면 장력을 소개하고, 최근의 솔더들 중 나노복합솔더의 젖음성 등에 대해 서술하고자 한다.
본고에서는 웨팅밸런스 시험을 소개하고, 이를 통해 얻은 젖음 곡선의 형상 및 해석, 다양한 솔더 합금의 표면장력, 그리고 Sn계 나노복합솔더의 젖음성 연구에 관한 내용을 소개하였다. 용융 솔더의 가장 큰 특성 중 하나인 기판 금속부와의 젖음성은 솔더링성을 결정하는 중요한 요인 중 하나이다.

제안 방법

젖음곡선은 시편의 형상, 시편의 표면상태, 솔더 조의 온도, 솔더의 조성 등 다양한 변수에 의해 그 모양이 바뀔 수 있다. Martorano는 솔더 조(pot)의 온도를 240~280^oC로 변화시키고, 시편의 두께를 0.5~1.5 mm으로 변화시켜가며 웨팅밸런스 시험을 진행하였다.¹⁴⁾ 그 결과 솔더조의 온도가 높을수록, 그리고 시편의 두께가 감소할수록 영점시간이 감소한다는 결과를 보고하였다.

성능/효과

1) 이 중 웨팅밸런스 법은 다른 방법들에 비해 시험 반복성이 우수하고, 시간에 따른 시편의 중량 변화를 측정할 수 있으며, 용융 금속과 금속 시편간 젖음력과 젖음시간의 측정이 가능하고, 추가적으로 표면장력을 정량적으로 계산 가능하다는 장점이 있다
15) Bi의 첨가량이 증가할수록 젖음시간(wetting time)은 증가, 용융 솔더의 표면장력은 감소, 시편-용융 솔더간 계면 장력은 증가하는 것으로 관찰되었다. 젖음 속도는 용융 솔더와 시편 사이의 계면 에너지에 의해 영향을 받는데, Sn-Bi 용융 솔더에서 Bi는 Cu 시편과 반응을 거의 하지 않기 때문에 Bi의 첨가량이 늘어날수록 Sn-Cu 금속간화합물의 형성속도가 증가한다.
5Cu에 TiO₂ 나노입자 함량을 변화시켜 첨가하며 젖음성을 측정하였다.²⁰⁾ TiO₂ 첨가량이 0.1 wt%일 때 약3.3 mN의 젖음력이 관찰되었고, 0.5 wt% 이상 첨가시 오히려 평형젖음력이 약 3.1 mN 이하로 감소되었다. 이들은 솔더에 첨가된 TiO₂의 첨가량이 0.
^20-22) Li는 SAC305-xTiO₂ 솔더 조의 온도를 270^oC로 유지시킨 채 구리 시편 표면에 RMA-type flux 도포 후 30초 열처리했고, 5초동안 시편을 침지하였다.²⁰⁾ TiO₂의 첨가량이 0.25 wt%일 때 약 0.85초의 영점시간이 측정되었다. Sharma 등은 SAC305-xGraphene 솔더 조 온도를 250^oC로 유지한 후, Cu 시편에 플럭스 도포 후 5초동안 침지시켰다.
Sharma 등은 SAC305-xGraphene 솔더 조 온도를 250^oC로 유지한 후, Cu 시편에 플럭스 도포 후 5초동안 침지시켰다.²¹⁾ Graphene의 첨가량이 0.05 wt%일 때 영점 시간이 0.612초로 측정되었다. 또한 Jung 등이 SAC305 솔더에 AlN 나노입자를 첨가하여 웨팅밸런스 시험을 진행한 연구에서는 SAC305-xAlN 솔더 조 온도를 250^oC로 유지 후, 구리시편의 표면에 RMA-type 플럭스 도포 후 5초동안 침지시켰다22).
47 mN의 젖음력이 측정되었다.²⁴⁾첨가물이 미량인 경우에는 나노입자의 첨가량이 증가할수록 젖음력이 증가하는 경향을 보인 반면, 일정량을 초과하여 첨가되는 경우에는 첨가량이 증가할수록 젖음력이 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있다.
6) 용융 금속이 금속시편에서 네킹을 일으켜 분리되기 직전의 순간에는 금속시편과 용융 금속간의 접촉각 θ = 0이 되고, 이때 금속시편이 용융 금속에 침지되는 부피의 양은 0이다.
5Ag 솔더를 이용하여 각각 235^oC, 250^oC에서 Cu 시편으로 웨팅밸런스 시험을 진행하였고, 식 (7)을 이용하여 표면장력을 계산하였다.⁶⁾ 이론적으로 계산된 표면장력은 각각 0.499 N/m, 0.497 N/m로써 이는 보고된 솔더의 표면장력 값인 0.42 N/m, 0.48 N/m와 매우 유사함을 확인하였다.
Gasior는 Sn-3.5Ag에 Cu의 첨가량을 0.46 wt%, 0.74 wt%로 각각 다르게 하여 웨팅밸런스 시험을 진행했고, 그 결과 0.46 wt% Cu에서 젖음력이 약 5.43 mN으로 가장 크게 나타났다.¹¹⁾ 또한 무연솔더의 경우 유연솔더에 비해 Sn의 질량비율이 높은 경우가 많은데 이 경우 솔더용융 시, 강력한 SnO, SnO₂ 산화막이 용융 솔더의 표면에 생기기 때문에 유연솔더의 표면장력이 무연솔더의 표면장력보다 주로 높게 나타나는 것으로 보고하였다.
71 초로 측정되었다. 또한 나노입자의 크기가 증가할수록 젖음력은 감소, 젖음 시간은 증가하는 경향성이 관찰되었다. 이들은 첨가되는 나노입자의 크기가 작을수록 Sn-Cu 금속간화합물의 형성을 지연시킴으로써 젖음성을 향상시키는 것으로 보고하였다.
¹⁴⁾ 그 결과 솔더조의 온도가 높을수록, 그리고 시편의 두께가 감소할수록 영점시간이 감소한다는 결과를 보고하였다. 이 연구에서 시편의 두께가 두꺼울수록 시편 주변에 솔더가 응고막(solidified shell)을 형성하여 젖음을 방해하므로, 영점 시간이 늘어나는 것으로 보고 있으며 이런 현상은 솔더 조의 온도가 상승함에 따라 사라지는 것을 확인하였다.

후속연구

나노복합솔더가 실제 산업에 적용되기 위해서는 좋은 젖음성을 바탕으로 내열성, 내구성 등의 신뢰성 역시 추가로 확보되어야 할 것이다.²⁶⁾ 충분한 젖음성 시험과 그 결과가 솔더링성을 결정하는 중요한 지표인 만큼, 쉼 없이 등장하는 새로운 소재와 환경에 대한 양호한 솔더링을 위해서도 젖음성에 대한 연구와 해석은 앞으로도 계속되어야 할 과제일 것이다.
그리고 첨가된 나노입자의 종류와 조성에 따라 젖음성이 달라지기 때문에 최적의 나노입자 조성을 찾는 것이 중요하다. 나노복합솔더가 실제 산업에 적용되기 위해서는 좋은 젖음성을 바탕으로 내열성, 내구성 등의 신뢰성 역시 추가로 확보되어야 할 것이다.²⁶⁾ 충분한 젖음성 시험과 그 결과가 솔더링성을 결정하는 중요한 지표인 만큼, 쉼 없이 등장하는 새로운 소재와 환경에 대한 양호한 솔더링을 위해서도 젖음성에 대한 연구와 해석은 앞으로도 계속되어야 할 과제일 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	젖음성이란?	이때 솔더 합금과 기판 및 전자부품의 금속부간 젖음성은 접합시 중요한 특성으로 작용한다. 젖음성은 솔더링의 양,불량을 미리 판단할 수 있는 중요한 지표이다. 젖음성이 좋은 조건이나 부품의 상태는 통상 양호한 솔더링성을 나타내고, 젖음성이 나쁜 조건이나 부품의 상태는 통상 불량한 솔더링성을 보인다.
	웨팅밸런스법의 장점은?	젖음성을 측정하는 방법에는 웨팅밸런스법(wetting balance test), 퍼짐 면적법(area of spread method), 침지관찰법(dip and look method) 등이 있다.1) 이 중 웨팅밸런스법은 다른 방법들에 비해 시험 반복성이 우수하고, 시간에 따른 시편의 중량 변화를 측정할 수 있으며, 용융 금속과 금속 시편간 젖음력과 젖음시간의 측정이 가능하고, 추가적으로 표면장력을 정량적으로 계산 가능하다는 장점이 있다
	젖음성이 나빠 불량한 솔더링성을 보이면 솔더부의 신뢰도가 감소될 수 있는 이유는?	젖음성이 좋은 조건이나 부품의 상태는 통상 양호한 솔더링성을 나타내고, 젖음성이 나쁜 조건이나 부품의 상태는 통상 불량한 솔더링성을 보인다. 따라서, 용융된 솔더와 고체 금속간 젖음성이 좋지 않다면 접합성 저하로 인해 솔더부의 신뢰도가 감소될 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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