KR102070317B1 - 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102070317B1
KR102070317B1 KR1020170130284A KR20170130284A KR102070317B1 KR 102070317 B1 KR102070317 B1 KR 102070317B1 KR 1020170130284 A KR1020170130284 A KR 1020170130284A KR 20170130284 A KR20170130284 A KR 20170130284A KR 102070317 B1 KR102070317 B1 KR 102070317B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lead
powder
solder
alloy
free solder
Prior art date
Application number
KR1020170130284A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190040726A (ko
Inventor
정재필
정도현
스리 하리니 라젠드란
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울시립대학교 산학협력단 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020170130284A priority Critical patent/KR102070317B1/ko
Publication of KR20190040726A publication Critical patent/KR20190040726A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102070317B1 publication Critical patent/KR102070317B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0016—Brazing of electronic components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B23K35/025—Pastes, creams, slurries
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof

Abstract

무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, Sn-Bi 합금, Sn-In 합금, Sn-Bi-Ag, In-Ag 및 Sn-Bi-In 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 합금을 포함하는 솔더; 및 텅스텐(W) 금속 나노 분말을 포함하는 첨가제를 포함하는 무연솔더 합금 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 기계적 특성을 갖는 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법{LEAD-FREE SOLDER COMPOSITION AND METHOD FOR MAUNFACTURING THEREOF}
본 발명은 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 인성 및 솔더링성을 갖는 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, Sn-Pb계 유연(有鉛) 솔더는 오랜 기간 동안 전자기기의 가장 유효한 접합재료로 사용되어 왔으며, 특히 인쇄회로기판에 반도체칩이나 저항칩과 같은 소형 전자부품을 실장하기 위한 접합재로 이용되고 있다.
그러나, 유연 솔더를 사용한 전자기기의 폐기시에 산성비에 의해 솔더 중에 함유된 납(Pb) 성분이 용출되어 지하수를 오염시키고 이것이 인체에 흡수되면 지능저하, 생식기능저하 등 인체에 해를 미치는 환경오염 물질로 지적되고 있다. 그 중에서, 유연솔더에 함유된 납(Pb)은 엄격하게 제한되고 있는 실정으로, Sn-Pb 솔더는 무연 솔더로 대체되고 있다.
이러한 이유로 최근에는 솔더 합금의 제조시 납 사용을 규제하거나 배제함으로써 환경 친화적인 무연 솔더 조성물을 개발하려는 시도가 다양하게 진행되어 왔다.
이러한 무연 솔더와 관련된 기술이 등록특허 제0209241호 및 등록특허 제 10-2007-0067860호에 제안된 바 있다.
등록특허 제0209241호인 종래기술 1의 무연솔더 조성물은 주석(Sn)과, 은(Ag)과, 비스무스(Bi)와, 인듐(In)으로 구성된 무연 솔더 조성물에 있어서, 상기 주석(Sn)은 82~93wt%, 은(Ag)은 2wt%, 비스무스(Bi)는 3~10wt%, 인듐(In)은 2~6wt%가 배합되어 제조된다. 그러나, 종래기술 1에 의한 무연솔더 조성물을 구현하기 위한 솔더는 비스무스(Bi) 함량의 증가에 따라 연성이 저하되어 취성을 일으키는 문제점이 있다.
등록특허 제 10-2007-0067860호인 종래기술 2의 무연솔더 조성물은 저융점 무연 솔더 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 이 저융점 무연 솔더는 무연 기재 및 상기 무연 기재의 표면에 형성된 저융점 합금 도금층을 포함한다. 그러나 종래기술 2는 저융점 무연솔더 제조를 위해 합금 도금층이 포함되므로, 공정이 복잡하여 생산성 저하 및 공정 비용 상승의 문제점으로 인해, 산업에 일반적으로 적용하기에는 무리가 있다.
한편, 최근 Sn, Ag, Bi, Cu, In, Zn, 등의 원소를 포함하는 무연 솔더의 연구개발에 있어서 특히 Sn, Ag, Cu를 포함하는 조성에 관심이 높아지고 있다.
그러나, 상기 언급된 무연 솔더들은 각각 단점들을 가지고 있다. 예를 들어 Zn은 산화와 그에 따른 솔더링성의 감소에 예민하다. Sn-Cu 솔더는 값이 싸지만 젖음성이 좋지 않고, Ag를 포함한 솔더에서는 조대한 침상의 금속간 화합물인 Ag3Sn을 형성하기 쉽기 때문에, 솔더링성을 악화시키고 강도를 저하시킨다.
은이나 구리 등을 함유한 일반적인 무연솔더의 경우 Sn-0.7%Cu, Sn-3.5%Ag, 96.5wt%Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 합금은 젖음성과 신뢰성은 무연솔더 중에서 우수하지만 융점이 종래의 대표적인 Sn-37Pb유연 솔더(융점: 183℃)보다 30∼40℃정도 높은 것이 가장 큰 단점이다. 또한, 이들의 미세구조는 수지상과 베타-Sn, Ag3Sn, Cu6Sn5으로 구성된 공정상을 포함하는데, Ag3Sn과 Cu6Sn5이 너무 많거나 크기가 너무 커지면 오히려 Sn계 솔더의 취성이 증가하여 강도가 저하된다.
따라서, 전자제품의 솔더링시에 열손상에 의한 반도체나 전자부품의 파손을 유발하며, 솔더링 온도가 높아지기 때문에 현재의 솔더링 공정을 그대로 적용할 수 없다는 단점을 가지고 있다. Sn-In계의 경우, In-49.1%Sn이 공정 조성이며, 공정 온도는 117 로 매우 낮지만, 가격이 고가인 것이 단점이다. 결론적으로 무연 솔더의 개발에는 앞서 언급한 단점들을 최소화시키는 것이 요구된다.
현재, 저융점 무연 솔더 중 가장 일반적으로 사용되는 Sn-Bi계 무연 솔더는 공정 조성이 Sn-58Bi 이며, 공정온도는 약 139로 비교적 낮은 공정 온도를 지닌 저온용 솔더이다. 여기서, Bi가 첨가되면 융점이 낮아지는 효과가 있으며, 젖음성이 다소 개선되는 경향이 있다. 그러나, 이 경우, 비교적 높은 Bi 함량으로 인해, 연성이 저하되어 취성을 일으키는 문제가 있다.
이를 위한 방법으로, 입자 미세화 물질을 솔더 조성에 포함시킬 필요가 있는데, 이러한 물질로 산화티타늄(TiO2), 질화알루미늄(AlN), 이트륨 산화물(Y2O3) 등과 같은 세라믹 분말이 존재한다. 이러한 세라믹 분말 물질은 입자를 미세화 하고, 고온에서 안정되어 솔더를 강화시키는 장점이 있다.
그러나 세라믹 분말은 젖음성이 좋지 않아, 세라믹 나노 복합 솔더 합금 제조시에 분말이 응집되거나, 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되지 않는 단점이 있다.
또한, 구형의 나노 분말은 비 구형의 나노 분말에 비해 Sn 금속과 나노 분말 간의 기계적 결합이 비교적 약한 단점이 있다.
상기와 같은 구형의 세라믹 나노 분말의 문제점을 해결하기 위해, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 은(Ag), 구리(Cu), 텅스텐(W) 등과 같은 금속 나노 분말을 사용하는 방법이 있다.
또한, 상기와 같은 나노 분말을 이용하는 솔더 조성물의 제조시 나노 분말의 표면에 금속을 코팅함으로써, 젖음성을 더욱 향상시켜 복합 솔더 합금 제조시 분말의 응집을 방지하고, 비구형의 나노분말을 포함하는 금속 나노 분말을 제조하여, 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되어 솔더의 Sn 기지를 강화시키는 동시에, 연성 및 인성도 우수한 나노 복합 무연 솔더에 대한 필요성이 대두되고 있다.
(특허문헌 1) KR 10-0209241 B1
(특허문헌 2) KR 10-0797161 B1
본 발명은 무연솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 인성 및 솔더링성을 갖는 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에서는, Sn-Bi 합금, Sn-In 합금, Sn-Bi-Ag, In-Ag 및 Sn-Bi-In 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 합금을 포함하는 솔더; 및 나노 분말을 포함하는 첨가제를 포함하는 무연솔더 합금 조성물을 제공한다.
상기 나노 분말의 표면 중 적어도 일부에 위치하는 금속 재질의 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 Sn-Bi 합금은 중량%로, Bi : 35 내지 73%, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성되고, 상기 Sn-In 합금은 중량%로, In : 5.0 내지 70%, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 Sn-Bi-Ag 합금은 중량%로, Bi : 35 내지 75, Ag : 0.1 내지 20, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 In-Ag 합금은 중량%로, Ag : 30% 이하, 잔부 In 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 Sn-Bi-In 합금은 중량%로, Bi : 15 내지 65%, In : 5.0 내지 75%, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.
상기 나노 분말 표면은 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 처리에 의해 불규칙적인 요철구조가 형성될 수 있다.
상기 나노 분말은 W, Sr, Cu, Ni, Ag, Au, Fe, Co, Ti, Pt, Mo, Si, Pd 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택된 나노분말 일 수 있다.
상기 나노 분말의 평균 입자 사이즈는 1 내지 500nm 일 수 있다.
상기 나노 분말 표면에 코팅된 금속은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 나노 분말을 제조하는 나노분말 제조단계, 상기 나노분말 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 처리하여 표면에 불규칙적인 요철구조를 형성하는 첨가제 표면 처리단계(선택적), Bi 및 In 로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 상기 나노 분말에 금속이 코팅된(선택적) 첨가제를 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하며, 상기 Bi의 함량은 35 내지 65 중량% 이고, 상기 In의 함량은 5 내지 30 중량% 이며, 잔부가 Sn 인 솔더 합금과 상기 나노 분말을 혼합하여 상기 첨가제의 함량이 0.01 내지 1.0 중량%인 솔더 합금 조성물을 제조하는 무연솔더 합금 조성물 제조단계를 포함하는 저융점 무연솔더 합금 조성물 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 나노 분말을 포함하는 첨가제를 준비하는 단계; Sn-Bi 합금, Sn-In 합금, Sn-Bi-Ag, In-Ag 및 Sn-Bi-In 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 합금이 포함된 솔더를 용융하는 단계; 및 상기 첨가제와 용융된 솔더를 혼합한 후 교반하여 조성물을 제조하는 단계;를 포함하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법을 제공한다.
상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계는 솔더 합금 분말과 상기 나노 분말 첨가제를 혼합함으로써, 합금 용융물을 제조하는 무연솔더 합금 용융물 제조단계; 및 상기 무연솔더 합금 용융물을 교반하여 벌크 형태의 조성물을 제조하는 벌크형 무연솔더 합금 조성물 제조단계를 포함하는 것으로 수행될 수 있다.
상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계는 상기 솔더 합금 분말과 플럭스를 혼합하여 제조한 솔더 페이스트에 상기 나노 분말 첨가제를 첨가하는 것으로 수행될 수 있다.
상기 조성물을 제조하는 단계 이후에는, 상기 교반된 조성물을 관통홀에 통과시킴으로써 솔더볼 형태로 가공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 독성이 없고, 납(Pb)의 독성에 의해 발생하는 환경 문제를 해결함으로써, 납 등과 같은 유해한 금속 원소가 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있으며, 우수한 인성 및 솔더링성을 갖는 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 나이프 임펠러(knife impeller) 및 믹싱 베슬(mixing vessel) 을 포함하는 장치를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 스테인레스 스틸 프로펠러를 나타낸 모식도이다.
도 4는 금속 재질의 코팅층이 형성되지 않은 나노 분말과 금속 재질의 코팅층이 형성된 분말이 솔더 내부 분산에 미치는 영향을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 나노 분말에 금속을 코팅하기 전과 후의 모습을 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 무연 솔더 합금 용융물의 교반 시간과 프로펠러 회전 속도에 따른 교반 조건을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 첨가제의 표면을 가공하는 단계에서 나노 분말의 스퍼터링 및 플라즈마 에칭 전후의 분말을 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 FE-SEM 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 인장강도 및 연신율을 측정한 그래프이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 일실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 일실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 일 구현예에서는, Sn-Bi 합금, Sn-In 합금, Sn-Bi-Ag, In-Ag 및 Sn-Bi-In 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 합금을 포함하는 솔더; 및 나노 분말을 포함하는 첨가제를 포함하는 무연솔더 합금 조성물을 제공한다.
상기 나노 분말의 표면 중 적어도 일부에 위치하는 금속 재질의 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 Sn-Bi 합금은 중량%로, Bi : 35 내지 73%, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성되고, 상기 Sn-In 합금은 중량%로, In : 5.0 내지 70%, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 Sn-Bi-Ag 합금은 중량%로, Bi : 35 내지 75%, Ag : 0.1 내지 20%, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 In-Ag 합금은 중량%로, Ag : 30% 이하, 잔부 In 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, 상기 Sn-Bi-In 합금은 중량%로, Bi : 15 내지 65%, In : 5.0 내지 75%, 잔부 Sn 및 기타 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예에서는, 나노 분말을 포함하는 첨가제를 준비하는 단계; Sn-Bi 합금, Sn-In 합금, Sn-Bi-Ag, In-Ag 및 Sn-Bi-In 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 합금이 포함된 솔더를 용융하는 단계; 및 상기 첨가제와 용융된 솔더를 혼합한 후 교반하여 조성물을 제조하는 단계;를 포함하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 Sn, Bi, In 원소를 포함하는 무연 솔더 합금에 나노 분말 또는 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 포함함으로써, 나노 입자 첨가제가 솔더 합금의 기지조직과 금속간화합물을 균일하게 미세화하여 합금의 연성 및 인성을 향상시킨다. 또한, 입자의 크기가 큰 금속간화합물로 인해 발생할 수 있는 솔더의 균열과 공동(Cavity)를 방지하여 솔더 연결부의 손상을 막고, 솔더 연결부의 신뢰도와 수명을 증가시키는 특징이 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 포함함으로써, 첨가제가 첨가되지 않은 종래의 무연 솔더 합금에 비해 더 높은 연성과 인성을 가지게 되어, 충격에 대한 저항이 크고, 유동성(flow)과 젖음성(wettability)이 향상되어 납땜부의 불량을 억제하는 장점이 있다.
상기 나노분말의 표면은 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 처리에 의해 불규칙적인 요철구조가 형성될 수 있다. 즉, 이러한 나노 분말 표면의 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 처리에 의해 형성된 불규칙적인 요철구조는 앵커 효과(anchor effect)에 의해 Sn 솔더가 나노 분말 표면의 빈 구멍이나 오목한 곳에 혼입되고, 결과적으로 기계적 결합력이 증가하게 되도록 하여, 합금의 연성 및 인성을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 앵커 효과는 나노 분말의 코팅 이후 나노 분말 표면에 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 처리를 함으로써 더욱 향상될 수 있다.
또한, 상기 무연 솔더 합금 조성물은 전술한 조성 범위의 합금을 사용함으로써, 연성 및 인성 등의 무연솔더 합금 조성물의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 나노 분말은 W, Sr, Cu, Ni, Ag, Au, Fe, Co, Ti, Pt, Mo, Si, Pd 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택된 나노분말 일 수 있다.
또한, 상기 나노 분말 첨가제는 1 내지 500nm의 평균 입자 사이즈를 가진 나노 분말을 사용하여 제조함으로써, 인성과 연성이 더욱 우수한 무연솔더 합금 조성물을 더욱 용이하게 제조할 수 있다.
상기 나노 분말의 표면에 코팅된 금속은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 사용할 수 있으며, 상기 나노 분말 표면에 코팅되는 금속은 금속 증기 증착법 또는 무전해 도금법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅된 나노 분말 표면에 플라즈마 에칭 및 스퍼터링함으로써, 분말 표면에 불규칙한 요철 구조가 형성되고, 이러한 구조는 앵커 효과(anchor effect)에 의해 Sn 솔더가 나노 분말 표면의 빈 구멍이나 오목한 곳에 혼입되고, 결과적으로 기계적 결합력이 증가하게 되어, 합금의 인성을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 앵커 효과는 나노 분말의 코팅 이후 나노 분말 표면에 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 처리를 함으로써 더욱 향상될 수 있다.
상기 첨가제들은 솔더 미세 구조의 특성을 개선하고 솔더 내의 금속간 화합물(IMC) 크기를 미세화하여 솔더의 연성과 인성 등을 향상시킨다.
도 8에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 FE-SEM 사진이 도시되어 있다. 도 9에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 인장강도 및 연신율을 측정한 그래프가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 성능에 대해 설명하면, 나노 분말 중 선택된 1종 이상의 나노 분말 첨가제가 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 무연 솔더와, 나노 분말 첨가제로서 W 이 첨가된 Sn-58%Bi 무연 솔더의 평균 β-Sn dendrite 크기를 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 솔더의 평균 β-Sn dendrite는 대략 6.04μm로 측정되었지만, 나노 분말이 0.2wt% 첨가된 솔더의 평균 β-Sn dendrite는 3.57μm, 금속 Au가 코팅된 W 나노 분말 0.2wt% 첨가된 솔더의 평균 β-Sn dendrite는 2.26μm, 금속 Au가 코팅된 W 나노 분말 0.2wt% 첨가된 솔더에 플라즈마 에칭을 가했을 때 는 2.09μm로 나타났다.
상기 나노 분말 첨가제 유무에 따른 인장 강도를 비교하면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 솔더의 인장강도는 64.96MPa로 측정되었다. 상기 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 제조를 위해, 모든 조건에서 플라즈마 에칭을 행한 후 인장시험을 진행하였다. Sn-58%Bi 솔더에 나노 분말 W가 0.2% 첨가된 경우의 인장강도는 72.12MPa, 나노 분말 W에 금속이 코팅된 경우의 인장강도는 71.56MPa로 측정되었다.
상기 나노 분말 첨가제 유무에 따른 연신율을 비교하면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 솔더의 연신율은 13.45%로 측정되었다. 상기 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 제조를 위해, 모든 조건에서 플라즈마 에칭을 행한 후 인장시험을 진행하였다. Sn-58%Bi 솔더에 나노 분말 W가 0.2% 첨가된 경우의 연신율은 18.82%, 나노 분말 W에 금속이 코팅된 경우의 연신율은 23.33%로 측정되었다.
즉, 상기 나노 분말 첨가로 인해 솔더의 결정립이 미세화되고, 강도 및 연성이 증가하였다. 또한, 상기 플라즈마 에칭 및 금속 코팅으로 인해 무연 솔더 합금의 연신율이 상승하였다. 일반적으로, 금속의 결정립이 미세화되면 아래와 같은 Hall-Petch식에 의해 항복강도와 인장강도가 증가한다.
Figure 112017098527463-pat00001
σy: Reinforced yield strength
σ0: Yield strength of the material
K: constant
d: Particle diameter
본 발명에 따른 나노 분말이 첨가된 나노 복합 무연 솔더의 경우, 납땜 시 용융된 후 응고될 때, 솔더 융점에 비해 훨씬 높은 나노 분말은 미세한 나노 크기의 고체로 존재하게 되며, 이러한 나노 크기의 고체는 첨가된 분말이 응고 시 고체 핵생성 위치(seed, 접종제)로 작용한다. 이로 인해, 첨가된 나노 분말들은 더욱 많은 수의 핵생성 위치를 제공하여 이곳에서 고체 결정이 생성되도록 하므로, 나노 분말 첨가제의 첨가가 없는 무연 솔더에 비해 결정립이 미세화된다. 또한, 나노 분말은 솔더 중의 금속간화합물의 성장을 방해하여, 금속간화합물이 미세화되도록 함으로써, 솔더가 더 향상된 특성을 갖는데 기여한다.
본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물은 상기 나노 분말 첨가제를 0.01 내지 1.0wt%로 포함할 수 있다. 상기 나노 분말의 함유량이 0.01wt%보다 적을 때는, 솔더링성 및 강도의 향상은 거의 나타나지 않는다. 반면에 1.0wt% 이상 과다 첨가된 경우에는 솔더링성이 저하되고 젖음 불량인 디웨팅(dewetting) 현상이 일어날 수 있다.
아래에서는 본 발명에서 솔더 조성물의 구성 및 조건을 표 1에 나타내었다.
성분 함량

무연 솔더		 Sn-Bi Sn-(35~60)%Bi
Sn-Bi-In Sn-(35~60)%Bi-(5~30)%In
첨가제 W
본 발명에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 최적의 강도 및 솔더링성(납땜성)을 구현하기 위한 성능 향상을 위하여, 상기 나노 분말 첨가제를 첨가한 솔더의 구성 요소를 최적의 조성으로 하는 것이 필요하다.
본 발명에 다른 무연 솔더 합금 조성물은 땜납재로 사용될 수 있다. 구체적으로, 솔더 페이스트(paste), 솔더볼, 솔더 봉(bar), 솔더 와이어 등과 이를 활용한 전자제품의 납땜에 사용될 수 있다. 현대의 전자기기들은 고 집적, 저 전력 또는 휴대성, 크기, 작동 전압 등의 요구를 충족시키기 위해서 점점 더 작아지고 있다. 여기서, 하나의 심각한 이슈는 전자기기의 솔더링부의 젖음성과 인성이다. 이를 개선하기 위해 향상된 젖음성과 미세화된 금속간화합물로 이루어진 솔더에 대한 요구가 증가하고 있으며 본 발명에 다른 무연 솔더 합금 조성물은 이러한 단점을 개선하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 나타낸 블록도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 나이프 임펠러(knife impeller) 및 믹싱 베슬(mixing vessel) 을 포함하는 장치를 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법을 수행하기 위한 스테인레스 스틸 프로펠러를 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4에는 금속 재질의 코팅층이 형성되지 않은 나노 분말과 금속 재질의 코팅층이 형성된 분말이 솔더 내부 분산에 미치는 영향을 나타낸 도면이 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 나노 분말에 금속을 코팅하기 전과 후의 모습을 나타낸 사진이 도시되어 있다.
도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 무연 솔더 합금 조성물의 제조방법에서 무연 솔더 합금 용융물의 교반 시간과 프로펠러 회전 속도에 따른 교반 조건을 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 도 7에는 본 발명의 일 구현예에 따른 첨가제의 표면을 가공하는 단계에서 나노 분말의 스퍼터링 및 플라즈마 에칭 전후의 분말을 나타낸 사진이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 무연솔더 합금 조성물의 제조방법은, 나노 분말을 포함하는 첨가제를 준비하는 단계; Sn-Bi 합금, Sn-In 합금, Sn-Bi-Ag, In-Ag 및 Sn-Bi-In 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 합금이 포함된 솔더를 용융하는 단계; 및 상기 첨가제와 용융된 솔더를 혼합한 후 교반하여 조성물을 제조하는 단계;를 포함하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 무연솔더 합금 조성물의 제조방법은 분말을 분쇄하여 나노 분말을 제조하는 나노분말 제조단계, 상기 나노분말의 표면에 금속을 코팅하여 첨가제를 제조하는 나노 분말 첨가제 제조단계, 상기 나노 분말 첨가제를 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 처리하여 표면에 불규칙적인 요철구조를 형성하는 첨가제 표면 처리단계, 전술한 솔더 합금과 상기 나노 분말 첨가제를 혼합하여 상기 첨가제의 함량이 0.01 내지 1.0 중량%인 솔더 합금 조성물을 제조하는 무연솔더 합금 조성물 제조단계를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 나노 분말은 W, Sr, Cu, Ni, Ag, Au, Fe, Co, Ti, Pt, Mo, Si, Pd 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택된 나노분말 일 수 있다.
나노 분말 표면 중 적어도 일부를 금속 재질로 코팅하는 단계;는, 스퍼터 코터를 이용하여, 20 내지 60mA의 전류로 70 내지 300초 동안 코팅하는 방법으로 수행할 수 있다.
상기 플라즈마 에칭은 70~95%CF4 + 5~30%O2 gas를 사용하며, 10~30mTorr의 진공도에서 약 30~180분간 에칭되고, 또한, 스퍼터링은 상온에서 약 50~300초 동안 실시되며, 0.01 mbar ~1 mbar 진공도에서 10~50mA 전류로 스퍼터링될 수 있다.
상기 나노분말 제조단계는 고속 회전하는 나이프 임펠러(knife impeller) 및 수평방향 회전 및 수직방향 회전이 가능한 믹싱 베슬(mixing vessel)을 포함하는 분쇄장치를 이용하여 상기 나노 분말의 분쇄 및 분산을 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 분쇄장치(200)는 장치의 제어회로(도시하지 않음)와 스위치(212), 내부 디스플레이부(213) 등이 형성되어 있는 본체(210)와 이러한 본체(210)에 대해 수직방향으로 회전가능 하도록 연결하는 연결부(211)에 의해 연결된 믹싱 베슬(220)을 포함하는 것으로 구성된다.
상기 믹싱 베슬(220)은 내부 분쇄물을 수직방향으로 회전하며 혼합하는 상부 하우징(221) 및 내부 분쇄물을을 수평방향으로 회전하며 혼합하는 하부 하우징(222)으로 구성된다. 여기서 상기 고속 회전하는 나이프 임펠러(knife impeller)(도시하지 않음)는 상기 하부 하우징(222) 내부에 설치되는 것으로 구성될 수 있다.
상기 나이프 임펠러(knife impeller)의 회전속도는 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 회전속도보다 큰 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 나이프 임펠러(knife impeller)는 3,000~14,000rpm으로 회전하고, 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)은 10~30rpm으로 회전함으로써, 상기 나노 분말을 분쇄 및 분산시킬 수 있다.
상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계(S130)는 예를 들어, Bi, In 및 Sn 으로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 상기 나노 분말을 0.01 내지 1.0 중량%로 포함하며, 상기 Bi의 함량은 35 내지 65 중량% 이고, 상기 In의 함량은 5 내지 30 중량% 이며, 잔부가 Sn 인 솔더 합금 분말과 상기 나노 분말 첨가제를 혼합함으로써, 합금 용융물을 제조하는 무연솔더 합금 용융물 제조단계 및 상기 무연솔더 합금 용융물을 교반하여 벌크 형태의 조성물을 제조하는 벌크형 무연솔더 합금 조성물 제조단계를 포함하는 것으로 수행될 수 있으며, 무연 솔더의 균일한 혼합을 위해 예를 들어, 200~300℃ 온도의 전기로에서 수행될 수 있다.
여기서 상기 벌크형 무연솔더 합금 조성물 제조단계는 상기 무연 솔더와 나노 분말 첨가제의 균일한 혼합을 위해 스테인레스 스틸 프로펠러(320)를 이용하여 상기 무연솔더 합금 용융물을 100~500rpm으로 교반하는 것으로 수행될 수 있다. 여기서, 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)는 축의 직경 값보다 얇은 두께를 갖는 판 형태로서 길게 연장된 프로펠러 축(310)에 결합되어 하나의 교반용 프로펠러 기구(300)로서 사용되는 직사각형 형태의 4날 프로펠러로 제작될 수 있다.
상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계(S130)는 Bi, In 으로 이루어진 군에서 선택된 원소 중 적어도 1종의 원소를 포함하고, 잔부가 Sn인 솔더 합금 중, 예를 들어, Sn-Bi 제1 합금, Sn-In 제2 합금 및 Sn-Bi-In 제3 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 솔더 합금을 각각 준비하여 분쇄하는 과정을 더 수행할 수 있으나, 상업적으로 판매되고 있는 솔더 분말을 사용할 경우에는 분쇄과정을 생략하고, 솔더링용 플럭스를 준비하여 혼합하는 과정으로 수행될 수 있다.
상기 분말을 분쇄하여 나노 분말을 제조하는 나노분말 제조단계(S100)는 나노 복합 무연 솔더 합금 제조에 첨가되는 나노 분말의 응집을 방지하기 위해 나노 분말을 분쇄 및 분산시키는 단계로, 상기 나노 분말은 상기 분쇄장치(200)를 이용하여 분쇄 및 분산시킬 수 있다.
이때, 상기 나이프 임펠러(knife impeller)는 3,000~14,000 rpm 으로 회전하며, 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)은 10~30 rpm 으로 회전하여 나노 분말을 분쇄, 분산한다. 또한, 상기 나이프 임펠러(knife impeller) 회전 속도가 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 회전 속도보다 커야 양호한 분산 특성을 얻을 수 있다. 만일, 상기 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 회전 속도가 상기 나이프 임펠러(knife impeller)의 회전 속도보다 크면, 분말이 원심력에 의해 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)의 내벽에 달라붙어서 나이프 임펠러(knife impeller) 와의 접촉이 나빠져서 양호한 분쇄와 분산효과를 얻을 수 없다. 또한, 상기 나이프 임펠러(knife impeller) 보다 부피가 더 큰 믹싱 베슬(mixing vessel)(220)을 회전시키는데 에너지가 많이 소모되므로 분쇄와 분산효율이 떨어진다.
상기 나노 분말 첨가제 제조단계(S110)는 젖음성 및 퍼짐성을 향상시키기 위해 나노 분말을 코팅하는 단계로서, 상기 나노 분말은 금속 증기 증착법 혹은 무전해 도금법에 의해 코팅될 수 있다. 이때, 상기 나노 분말에 코팅되는 금속은 In, Sn, Sb, Bi, Zn, Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, Fe, Co, Ti, Cr, 및 Mn 이며, 이러한 분말 표면의 금속 코팅은 분말의 젖음성을 향상시켜 나노 복합 솔더 합금 제조시 분말의 응집을 방지하고, 기지인 Sn 금속과 잘 혼합되어 솔더의 Sn 기지를 강화시키는 동시에, 젖음성도 우수한 나노 복합 무연 솔더를 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계(S130)는 200~300℃ 온도의 가열로에서 용융 솔더를 제조하는 단계로, 대기 혹은 질소분위기, 진공 등 비산화성 분위기 중에서 10~30분 동안 유지하는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 무연솔더 합금 용융물 제조단계는 용융된 무연 솔더 합금 내부에 나노 분말 첨가제를 첨가하는 단계로, 상기 나노 분말은 W, Sr, Cu, Ni, Ag, Au, Fe, Co, Ti, Pt, Mo, Si, Pd 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택된 나노 분말을 사용할 수 있으며, 그 평균 직경은 1~500nm 이고, 0.01~1.0wt% 범위로 첨가될 수 있다.
상기 벌크형 무연솔더 합금 조성물 제조단계는 용융 솔더 내부에 나노 분말을 분산, 혼합시키기 위한 단계로, 200~300℃의 온도에서 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)를 이용하여 10~50분(더욱 구체적으로 10~30분)간 교반시키는 것으로 수행되며, 교반 시 약 100~500rpm으로 회전하여 상기 나노 분말을 용융 솔더에 분산시키는 것으로 수행될 수 있다. 여기서, 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)는 용융 솔더와 반응성이 매우 낮아 교반용 프로펠러로 적절하다.
또한, 교반 시 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)의 회전속도가 100 rpm 이하이면 교반이 불충분하게 되어 나노 분말이 엉키기 쉬워 분산효과가 크지 않으며, 500 rpm 이상이면 솔더가 튀거나 대기 중 교반일 경우 솔더의 산화가 심화될 수 있으므로, 상기 스테인레스 스틸 프로펠러(320)의 회전속도는 100~500 rpm이 적절하다.
한편, 상기 무연솔더 합금 조성물 제조단계(S130)는 상기 솔더 합금 분말과 플럭스를 혼합하여 제조한 솔더 페이스트에 상기 나노 분말 첨가제를 첨가하는 것으로 수행될 수 있으며, 상기 솔더 합금 분말에 플럭스와 상기 나노 분말 첨가제를 동시에 혼합하여 솔더 페이스트를 제조하는 것으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 조성물을 제조하는 단계 이후에는, 상기 교반된 조성물을 관통홀에 통과시킴으로써 솔더볼 형태로 가공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
< 실시예 1> 나노 복합 무연 솔더 조성물의 제조 및 미세 조직 특성
베슬을 30rpm으로 회전시키고, 임펠러를 4500rpm으로 회전시켜 10분간 W 분말을 분쇄하였다. 이를 통해 순도 99.9%, 100nm 이하 크기의 비정형의 나노 분말이 포함되도록 W 나노 분말을 제조하였다.
이후, 나노 분말 표면을 금속 증기 증착법을 이용하여 Au 금속 코팅함으로써 첨가제를 제조하였다. 코팅에 사용된 장비는 스퍼터 코터(sputter coater)이며, 약 30mA 전류로 약 300초간 코팅하였다. 코팅된 금속의 두께는 약 500Å이다.
다음으로, 첨가제 표면을 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 하였다. 플라즈마 에칭을 위해 95%CF4 + 5%O2 gas를 사용하였으며, 40mTorr의 진공도에서 약 90분간 에칭하였다.
SnBi 솔더를 대기 및 질소분위기의 200℃ 온도 전기로에서 약 10분간 용융시켰다. 이후, W 나노 분말에 Au가 코팅된 첨가제를 전체 조성물의 중량에 대해 0.2%로 용융된 솔더에 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 300rpm으로 20분간 교반시켰다. 나노 분말 중 선택된 1종 이상의 나노 분말 첨가제가 첨가되지 않은 SnBi 무연 솔더와, 나노 분말 첨가제로서 W 이 첨가된 SnBi 무연 솔더의 결정립을 비교해 보면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 솔더의 평균 β-Sn dendrite는 대략 6.04μm로 측정되었지만, 나노 분말이 0.2wt% 첨가된 솔더의 평균 β-Sn dendrite는 3.57μm, 금속 Au가 코팅된 W 나노 분말 0.2wt% 첨가된 솔더의 평균 β-Sn dendrite는 2.26μm, 금속 Au가 코팅된 W 나노 분말 0.2wt% 첨가된 솔더에 플라즈마 에칭을 가했을 때 는 2.09μm로 나타났다. 도 8에 FE-SEM 사진이 개시되어 있다.
< 실시예 2> 나노 복합 무연 솔더 합금의 제조 및 합금의 기계적 특성
베슬을 35rpm으로 회전시키고, 임펠러를 4000rpm으로 회전시켜 10분간 분말을 분쇄하였다. 이를 통해 순도 99.9%, 100nm 이하 크기의 비정형의 나노 분말이 포함되도록 W 나노 분말을 제조하였다.
이후, 나노 분말 표면을 금속 증기 증착법을 이용하여 금속을 코팅함으로써 첨가제를 제조하였다. 코팅에 사용된 장비는 스퍼터 코터(sputter coater)이며, 약 40mA 전류로 약 300초간 코팅하였다. 코팅된 금속의 두께는 약 300Å이다.
다음으로, 첨가제 표면을 플라즈마 에칭 및 스퍼터링 하였다. 플라즈마 에칭을 위해 70%CF4 + 30%O2 gas를 사용하였으며, 40mTorr의 진공도에서 약 90분간 에칭하였다. SnBi, SnBiIn 솔더를 대기 및 질소분위기의 250℃ 온도 전기로에서 약 20분간 용융시켰다. 이후, W 나노 분말에 금속이 코팅된 첨가제를 용융된 솔더에 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 500rpm으로 15분간 교반시켰다.
솔더에 아무런 첨가제가 첨가되지 않은 경우, 솔더에 나노 분말로 구성된 첨가제가 첨가된 경우, 솔더에 표면에 코팅층이 형성된 나노 분말 첨가제가 첨가된 경우 및 첨가제 표면이 가공된 첨가제가 첨가된 경우의 인장강도 및 연신율은 도 9 의 그래프를 통해 확인할 수 있다.
상기 나노 분말 첨가제 유무에 따른 인장 강도를 비교하면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 솔더의 인장강도는 64.96MPa로 측정되었다. 상기 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 제조를 위해, 모든 조건에서 플라즈마 에칭을 행한 후 인장시험을 진행하였다. Sn-58%Bi 솔더에 나노 분말 W가 0.2% 첨가된 경우의 인장강도는 72.12MPa, 나노 분말 W에 금속이 코팅된 경우의 인장강도는 71.56MPa로 측정되었다.
상기 나노 분말 첨가제 유무에 따른 연신율을 비교하면, 나노 분말이 첨가되지 않은 Sn-58%Bi 솔더의 연신율은 13.45%로 측정되었다. 상기 나노 분말이 첨가된 무연 솔더 합금 조성물의 제조를 위해, 모든 조건에서 플라즈마 에칭을 행한 후 인장시험을 진행하였다. Sn-58%Bi 솔더에 나노 분말 W가 0.2% 첨가된 경우의 연신율은 18.82%, 나노 분말 W에 금속이 코팅된 경우의 연신율은 23.33%로 측정되었다.
결과적으로, 본 발명에 따른 나노 입자의 SnBi, SnBiIn 솔더의 입자를 미세하게 하고, 강도 및 연신율을 증가시킨다. 미세한 입자를 갖는 합금은 전위 이동에 더 많은 방해를 해서, 합금의 기계적 특성을 증가시킨다.
이러한 현상은 상기 실시예의 나노 입자뿐만이 아닌 다른 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물 나노 입자를 사용하였을 때에도 유사한 효과를 나타낼 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 1 내지 500nm의 평균 입자 사이즈를 가지는 텅스텐(W) 금속 나노 분말을 포함하는 첨가제를 준비하는 단계;
    상기 나노 분말 표면 중 적어도 일부를 금속 재질로 코팅하는 단계;
    플라즈마 에칭을 수행하여 상기 첨가제의 표면을 가공하는 단계;
    Sn-Bi 합금, Sn-In 합금, Sn-Bi-Ag, In-Ag 및 Sn-Bi-In 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 합금이 포함된 솔더를 용융하는 단계; 및
    상기 첨가제와 용융된 솔더를 혼합한 후 교반하여 조성물을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 나노 분말을 포함하는 첨가제를 준비하는 단계;는, 10 내지 30rpm으로 회전하는 베슬 및 상기 베슬 내에서 3000 내지 14000rpm으로 회전하는 임펠러를 이용하여 비정형의 나노 분말이 포함되도록 상기 나노 분말을 제조하는 방법으로 수행되고,
    상기 플라즈마 에칭은 70~95부피% CF4 및 5~30 부피% O2 가스 분위기 및 10~30mTorr의 진공도에서 30~180분간 에칭되고,
    상기 조성물을 제조하는 단계는 100 내지 500rpm으로 회전하는 프로펠러를 이용하여 10 내지 50분 동안 교반하는 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 나노 분말 표면 중 적어도 일부를 금속 재질로 코팅하는 단계;는,
    스퍼터 코터를 이용하여, 20 내지 60mA의 전류로 70 내지 300초 동안 코팅하는 방법으로 수행되는 것인 무연솔더 합금 조성물 제조방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
KR1020170130284A 2017-10-11 2017-10-11 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법 KR102070317B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170130284A KR102070317B1 (ko) 2017-10-11 2017-10-11 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170130284A KR102070317B1 (ko) 2017-10-11 2017-10-11 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190040726A KR20190040726A (ko) 2019-04-19
KR102070317B1 true KR102070317B1 (ko) 2020-01-28

Family

ID=66283363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170130284A KR102070317B1 (ko) 2017-10-11 2017-10-11 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102070317B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005319470A (ja) * 2004-05-06 2005-11-17 Katsuaki Suganuma 鉛フリーはんだ材料、電子回路基板およびそれらの製造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100935688B1 (ko) * 2007-05-11 2010-01-08 이건의 초고속 교반식 분쇄 분산 장치
KR20090053053A (ko) * 2007-11-22 2009-05-27 삼성전기주식회사 솔더가 형성된 기판 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005319470A (ja) * 2004-05-06 2005-11-17 Katsuaki Suganuma 鉛フリーはんだ材料、電子回路基板およびそれらの製造方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Lead-Free Soldering Guide. AIM社 공개(2003.06.25.). 인터넷에서 다운로드(https://www.psma.com/ul_files/forums/leadfree/aim_lead_free_guide.pdf) 1부.*
Péter Baumli "Solder Materials with Micro and Nanoparticles: A REVIEW" Materials Science and Engineering. Vol 40. No 1. (2015). pp.42-49. 1부.*
Recent Progress in Lead (Pb)-Free Solders and Soldering Technology. Workshop on Pb-Free Solders, UCLA, 9/5-6/2002. 인터넷에서 다운로드(http://www.seas.ucla.edu/ethinfilm/Pb-freeWorkshop/pdf/kang.pdf) 1부.*
Y. Li, K.M. Luo, 외 3인, Improving the mechanical performance of Sn57.6Bi0.4Ag solder joints on Au/Ni/Cu pads during aging and electromigration through the addition of tungsten (W) nanoparticle reinforcement. Mater. Sci. Eng. A 669, pp. 291~303 (2016) 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190040726A (ko) 2019-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7145855B2 (ja) マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ及びその調製方法
KR101671062B1 (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법
JP2005319470A (ja) 鉛フリーはんだ材料、電子回路基板およびそれらの製造方法
KR102048210B1 (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법
JPH1133775A (ja) 錫含有鉛フリーはんだ合金及びそのクリームはんだ並びにその製造方法
KR102040278B1 (ko) 무연솔더 합금 조성물 및 그 제조방법, 무연솔더 합금 조성물을 이용한 부재 간의 접합방법
KR102303704B1 (ko) 무연 솔더 조성물 및 그 제조 방법
JP2011006740A (ja) 導電性ペースト用銅粉及び導電性ペースト
KR20170131280A (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법
KR102040280B1 (ko) 무연솔더 합금 조성물 및 그 제조방법, 무연솔더 합금 조성물을 이용한 부재 간의 접합방법
KR20190005012A (ko) 고강도 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법
JP2012076086A (ja) ハンダ粉末及びこの粉末を用いたハンダ用ペースト
WO2017200361A2 (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법
KR102070317B1 (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법
KR102040279B1 (ko) 고성능 무연솔더 합금 조성물 및 그 제조방법
KR102078328B1 (ko) 무연솔더 합금 조성물 및 그 제조방법, 무연솔더 합금 조성물을 이용한 압전소자 제조방법
KR102067678B1 (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법
KR102078329B1 (ko) 무연 솔더 합금 조성물과 그 제조 방법
CN110102931A (zh) 一种改进的微电子封装用低银Sn-Ag-Cu焊料及其制备方法
KR20190021065A (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 이의 제조방법
KR102102259B1 (ko) 무연솔더 합금 조성물 및 그 제조방법
KR102245616B1 (ko) 무연솔더 합금 조성물
WO2019027261A1 (ko) 무연솔더 합금 조성물 및 그 제조방법
JP2006159278A (ja) ガラス低温接合用無鉛ハンダ合金及びその粉末の製造方法。
KR102062172B1 (ko) 무연 솔더 합금 조성물 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant