[논문]Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더재료의 피로 균열진전에 관한 연구

우태욱; 김광수

Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더재료의 피로 균열진전에 관한 연구
Fatigue Crack Propagation Behavior of Sn-3.0Ag-0.5Cu Solder Material 원문보기

우태욱 (포항공과대학교, 기계공학과) , 김광수 (포항공과대학교, 기계공학과)

This study investigates crack propagation behavior of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder under pull-push loading conditions. Fatigue Crack Growth (FCG) tests were conducted on Center Cracked Plate (CCP) specimens in fast-fast (pp) strain waveform. The fast-slow (pc), slow-fast (cp) and slow-slow (cc) strain waveforms were also used to study the effect of strain rates. The crack propagation rates for the four strain waveforms were correlated with J-integral range and a scatter band of factor 4 was found. The crack growth rates for the pc waveform was highest, followed by cp, cc and then pp waveforms.

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문제 정의

균열 진전률과 파괴역학 파라메터와의 상관 관계에 대해서 평가해 보았다.
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 재료에 대한 균열 진전 거동에 대한 연구 수행 하였다. 실험에는 CCP 시편을 사용하였으며, strain 제어 하에서 push-pull 하중조건을 가지고 실험을 수행하였다.

제안 방법

균열 길이(2a)는 Fig. 2 와 같이 정의하였으며, 5μm 해상도의 CCD 카메라를 이용하여 관찰하였다.
균열진전 실험은 네 가지 strain-rate 조건의 삼각 파형을 사용하여 수행되었으며, 실험 결과를 이용하여 균열 진전률(da/dN)과 J-적분 범위(ΔJ) 및 응력집중계수 범위(ΔK)와의 상관 관계를 분석하였다.
따라서, 응력집중계수 범위(ΔK) 파라메터와 더불어 LSY 조건에서 널리 적용되는 J-적분[7]의 범위(ΔJ) 파라메터를 사용하여 균열 진전 거동과 의 상관관계를 살펴 보았다.
또한, 실험 전에 0.05μm 이하의 알루미늄 파우더를 사용하여, 시편의 길이 방향으로 시험부의 표면을 polishing 하였다.
모든 실험은 삼각파형을 사용하여 수행되었으며, pp-파형의 경우 0.2%, 0.3%, 0.5%의 strain 범위에서 각각의 fast(p) 구간에서 0.5%/s 의 strain-rate 를 사용하였으며, cp-, pc-, cc-파형의 경우 0.3%, 0.5%의 strain 범위에서 fast(p) 구간에서는 0.5%/s 의 strain-rate 를, slow(c) 구간에서는 0.05%/s 의 strain-rate 를 사용하였다. 실험 조건 및 파형에 대한 자료는 Table 2 와 Fig.
본 연구의 모든 실험은 5kN 로드 셀 용량의 push-pull servo-hydraulic 방식의 피로시험기를 사용하였으며, 313K 의 온도에서 nominal strain 제어 방식으로 실험을 수행하였다. Nominal strain 은 10mm gage 길이를 갖는 extensometer 를 사용하여 측정하였다.
재료의 화학조성은 Table 1 에 주어져있다. 시편 가공을 위해서 솔더 재료를 용융점 이상의 온도(600K)에서 캐스팅하고, 상온으로 공기 중에서 냉각하여 bulk 시편을 제작하였다. 그리고, CCP 시편을 bulk 시편으로부터 가공하였다.
1 과 같다. 실험에 앞서 솔더 재료의 미세조직의 안정화를 위해 시편을 0.87 T_m 온도로 Furnace 에서 한 시간 동안 열 처리를 수행하였다[8]. 또한, 실험 전에 0.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 Sn-3.0Ag-0.5Cu lead-free 솔더 CCP 시편은 일본 LCF 시험 규격에 따라 제작되었다[8]. 균열진전 실험은 네 가지 strain-rate 조건의 삼각 파형을 사용하여 수행되었으며, 실험 결과를 이용하여 균열 진전률(da/dN)과 J-적분 범위(ΔJ) 및 응력집중계수 범위(ΔK)와의 상관 관계를 분석하였다.
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu lead-free 솔더 재료를 사용하였다. 재료의 화학조성은 Table 1 에 주어져있다.
5Cu 솔더 재료에 대한 균열 진전 거동에 대한 연구 수행 하였다. 실험에는 CCP 시편을 사용하였으며, strain 제어 하에서 push-pull 하중조건을 가지고 실험을 수행하였다. 주요 결론을 다음과 같이 정리하였다.

성능/효과

(1) 균열 진전 속도는 strain 파형 보다 nominal strain 범위에 따라 더 민감하게 변하였다. 또한, 같은 nominal strain 범위에서는 pc-파형이 가장 빠른 균열 진전 속도를 보였고, cp-파형과 cc-파형이 큰 차이 없이 다음으로 빠른 균열 진전 속도를 보였으며, pp-파형에서 균열이 가장 늦게 진전하였다.
(2) 일반적으로 균열은 saw-tooth 형태를 가지고 초기에는 principal stress surface 를 따라 진전하였고, 이후에는 최대 shear stress surface 를 따라 진전하는 경향을 나타냈다.
(3) 균열 진전률은 모든 실험 조건에서 응력집중 계수(ΔK)는 좋은 상관 관계를.
(1) 균열 진전 속도는 strain 파형 보다 nominal strain 범위에 따라 더 민감하게 변하였다. 또한, 같은 nominal strain 범위에서는 pc-파형이 가장 빠른 균열 진전 속도를 보였고, cp-파형과 cc-파형이 큰 차이 없이 다음으로 빠른 균열 진전 속도를 보였으며, pp-파형에서 균열이 가장 늦게 진전하였다.
균열 진전 속도는 같은 파형 조건에서 strain 범위가 클수록 커지는 현상을 보였다. 또한, 같은 strain 범위에서는 네 가지 파형 중 pc-파형이 가장 큰 균열 진전 속도를 보였으며, cp-파형 및 cc-파형이 큰 차이 없이 다음으로 빠른 균열 진전 속도를 보였으며, pp-파형이 가장 느린 균열 진전 속도를 보였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Solder가 널리 사용된 곳은?

Solder(솔더)는 전자기기들에서의 전기적, 기계적 결합재료로서 널리 사용되어왔으며, 사용되는 부품들 간의 열팽창 계수의 차이로 인해 전원 온/오프 과정에서 low cycle fatigue(LCF) 손상을 받게 된다.

Sn-Ag 계 솔더에 추가적인 합금원소(Cu, Bi, Zn etc.)가 첨가되는 이유는?

Lead-free 솔더 중에 Sn-Ag 계 솔더가 가장 눈에 뜨이는 합금이다. 그러나, 이 솔더 계의 낮은 접합성과 용융점으로 인해 물성 개선을 위해 추가적인 합금원소(Cu, Bi, Zn etc.)가 첨가 된다[2].

Solder가 전원 온/오프 과정에서 low cycle fatigue(LCF) 손상을 받게 되는 이유는?

Solder(솔더)는 전자기기들에서의 전기적, 기계적 결합재료로서 널리 사용되어왔으며, 사용되는 부품들 간의 열팽창 계수의 차이로 인해 전원 온/오프 과정에서 low cycle fatigue(LCF) 손상을 받게 된다.

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