열처리 조건에 따른 고 Sn 구리주석 합금의 미세조직 및 물성 변화

이호형 忠南大學校 大學院 2022 국내석사

주석 함량이 높은 Cu-Sn 합금에서는 금속간 화합물이 쉽게 생성되고 연성이 저하된다. 한국에서는 문화적 가치와 다양한 장점을 지닌 Cu-22Sn 합금이 식기 및 생활용품의 소재로 사용되어 왔다. 그러나 Cu-22Sn 합금은 낮은 연성으로 인해 생산성이 낮고 비용이 많이 드는 단점이 있다. 본 연구의 목적은 Cu-22Sn 합금의 연성을 개선하고 단점을 보완하여 양산에 적합한 조건을 찾는 것이다. Cu-Sn 평형상태도에 따르면 Cu-22Sn 합금은 열처리 온도 범위에 따라 여러 상을 가지고 있다. 알파상과 베타 프라임상 또는 알파상과 감마 프라임상 경계에서 생성된 층을 발견하였고, 주석 함량이 높기 때문에 주석 편석 층이라고 명명하였다. 이 주석 편석층의 존재가 연성 저하의 원인이라고 판단하였다. 따라서 열처리 조건의 변화에 ​​따른 미세구조 및 상 변화와 기계적 물성을 명확히 이해하여 주석편석층을 제거하거나 감소시키도록 냉각속도 조건을 변경하였다. 열간 압연된 Cu-22Sn 시편을 절단하고 750 °C에서 10시간 동안 균질화 처리를 진행하였다. 미세구조 및 상변화를 확인하기 위해 OM, SEM, XRD 및 EBSD 분석을 수행하였고 기계적 물성 변화를 확인하기 위해 인장 및 경도 시험을 수행하였다. 또한, 냉각속도의 차이를 주기 위해 한쪽이 기울어진 시편을 준비하였다. 냉각속도를 측정하기 위해 시편에 여러 개의 열전대를 용접하여 시편표면과 중심부의 온도데이터를 수집하였다. 온도 데이터로부터 냉각 속도의 차이를 계산하고 각 부분을 주사형 전자현미경으로 분석하였다. 그 결과 주석 편석층의 변화를 관찰할 수 있었다. In the Cu-Sn alloy with a high tin content, intermetallic compounds are easily generated and ductility is deteriorated. In Korea, Cu-22Sn alloy, which has cultural values and various advantages, is used as a material for tableware and household items. However, Cu-22Sn alloys are less productive and expensive because of their low ductility. The goal of this study is to find conditions suitable for mass production by improving the ductility of Cu-22Sn alloy and compensating for its shortcomings. According to the phase diagram, Cu-22Sn alloys have several phases depending on the temperature range of heat treatment. We found layers that were produced at the boundary between alpha and beta’ phase or alpha phase and gamma’ phase. Because of its high tin content, it was termed the tin segregation layer. It was judged that the presence of the tin segregation layer was the cause of lowering the ductility. Therefore, the conditions of the cooling rate were changed to remove or reduce the tin segregation layer by clearly understanding the changes in the microstructure and phase and the mechanical properties according to the change of the heat treatment conditions. The hot-rolled Cu-22Sn specimen was cut and homogenized at 750 °C for 10 hours. OM, SEM, XRD, and EBSD analysis were performed to confirm microstructure and phase changes, and tensile and hardness tests were performed to confirm changes in mechanical properties. In addition, in order to make a difference in the cooling rate, a specimen with one side inclined was prepared. To measure the cooling rate, several thermocouples were welded to the specimen, and temperature data of the specimen surface and center were collected. The difference in cooling rate was calculated from the temperature data, and each part was analyzed with a scanning electron microscope. As a result, the change in the tin segregation layer could be observed.

실리콘 이종접합 태양전지에서 ITO와 구리 도금 전극 간의 Ohmic Contact 향상을 위한 Cu-Sn 합금 seed층에 대한 연구

김한준 세종대학교 대학원 2020 국내석사

태양전지 효율 향상을 위해, 이종접합 (Hetero-junction) 구조에 기반 된 결정질 태양 전지는 많은 기관에서 꾸준히 연구되어왔다[1-4]. 현재까지 주로 사용되고 있는 실리콘 태양전지는 동종접합 (Homo-junction) 구조를 가지고 있다. 이러한 단결정 구조를 가지고 있는 태양전지는 에미터 층이 도핑되는 과정에서 800~1000℃의 고온에서 소성되는 공정이 요구된다. 이때, 고온에서의 공정은 실리콘 웨이퍼를 휘게 하는 현상의 원인이 되는데, 웨이퍼 두께가 얇을수록 휘는 현상이 더 심해지기 때문에 얇은 두께의 웨이퍼를 사용하는 것 에는 한계가 있다. 이와는 다르게 이종접합 태양전지는 200℃ 이하의 저온공정을 통해 제작되어 공정 과정에서 셀이 받게 되는 thermal stress가 상대적으로 적어 셀의 파손 가능성이 매우 낮기 때문에 웨이퍼 박형화에 유리하다. 이렇게 낮은 온도에 따른 공정과정에서 웨이퍼의 박형화를 통해 원가절감이 가능해지고, 또한 태양전지의 개방전압 상승으로 인한 셀의 효율 증가 효과도 볼 수 있다. 이종접합 태양전지의 제조에서 silver paste를 사용한 screen printing 방식은 단순하고 빠른 공정으로 주로 사용되어왔지만, 이종접합 태양전지 특성상 저온경화 폴리머 paste를 사용해야하므로 고온공정을 거친 일반적인 태양전지에 비해 전기 전도도가 낮은 단점이 있다. 또한, silver paste의 높은 가격은 비용적인 측면에서 효율적인 태양전지와의 비 호환성을 증가시키고 있다[5, 6]. 이에 대한 해결책으로, metallization 비용과 광학적 손실을 줄이기 위해 이종접합 태양전지에 대한 도금 된 구리 접촉이 활발히 연구되고 있고[7-18], 최근에 이종접합 태양전지에 대해 전기 도금된 구리 전면 접촉 metalliization이 입증되었다[19-21]. 이종접합 태양전지에 도금 된 구리 접촉을 적용하기 위해서는 태양전지의 높은 fill factor에 대한 접촉 비저항의 개선 및 샘플 표면에서의 좋은 접착력이 요구되는데, 이에 대한 해법으로 ITO를 사용할 수 있다. ITO는 구리 확산에 대해 효과적인 장벽 역할을 하는 것으로 알려져 있다[22, 23]. 본 논문에서는 Cu와 Sn을 ITO층 위에 co-evaporation 방법을 사용해서 합금 형태로 증착하여, 접촉저항과 접착력을 향상시키기 위한 seed층 물질로서 사용하였다. Cu와의 합금물질로서 Sn을 사용하는 이유는 열처리 이후에 접촉저항이 감소 될 가능성이 있기 때문이다. ITO층이 이미 Sn으로 도핑되어 있기 때문에 Cu-Sn 합금 seed층이 열처리 될 때, 주석이 확산 될 수 있고 ITO와 Cu-Sn 전극 사이에 더 나은 ohmic contact을 형성 할 것으로 예상된다. seed층 증착 이후에는 Light Induced Electro Plating (LIEP) 방식을 통해 Cu와 Ag를 도금하였고, 각 Cu-Sn 합금 seed층의 조성에 따른 접촉 비저항은 Transfer Length Method (TLM)을 사용하여 측정하였다. 이후, Cu-Sn 합금 seed층을 증착한 이종접합 태양전지를 제작하여 Light I-V 측정을 통한 태양전지 특성을 분석하였다. To improve solar cell efficiency, crystalline solar cells based on heterojunction structures have been steadily studied in many institutions[1-4]. Silicon solar cells, which are mainly used to date, have a homo-junction structure. Solar cell having such a single crystal structure is required to be fired at a high temperature of 800~1000℃ in the process of doping the emitter layer. At this time, the process at high temperature causes the phenomenon of bending the silicon wafer, but the thinner the wafer thickness, the more severe the bending phenomenon is, so there is a limit to using a thin wafer. In contrast, heterojunction solar cells are fabricated through a low temperature process of 200°C or less, which is advantageous for thinning wafers because the thermal stress of the cell is relatively low. In such low temperature process, cost reduction is possible through thinning of the wafer, and the efficiency of the cell can be increased by increasing the open circuit voltage of the solar cell. The screen printing method using silver paste has been mainly used as a simple and fast process in the manufacture of heterojunction solar cells. However, because of the characteristics of heterojunction solar cells, low temperature curing polymer paste should be used, which results in lower electrical conductivity than general solar cells undergoing high temperature processes. There are disadvantages. In addition, the high price of silver paste increases the incompatibility with the solar cell, which is cost effective[5, 6]. As a solution, plated copper contacts for heterojunction solar cells have been actively studied to reduce metallization costs and optical losses [7–18], and recently electroplated copper front contact metalliization for heterojunction solar cells has been developed. Proven [19-21]. Application of plated copper contacts to heterojunction solar cells requires improved contact resistivity for the high fill factor of the solar cells and good adhesion on the sample surface. ITO can be used as a solution. ITO is known to act as an effective barrier against copper diffusion [22, 23]. In this paper, Cu and Sn were deposited on the ITO layer in the form of alloy by using co-evaporation method and used as seed layer material to improve contact resistance and adhesion. The reason for using Sn as an alloying material with Cu is that the contact resistance may decrease after heat treatment. Since the ITO layer is already doped with Sn, it is expected that when the Cu-Sn alloy seed layer is heat treated, tin can diffuse and form a better ohmic contact between the ITO and Cu-Sn electrodes. After seed layer deposition, Cu and Ag were plated by Light Induced Electro Plating (LIEP), and the contact resistivity of each Cu-Sn alloy seed layer was measured using a Transfer Length Method (TLM). Subsequently, a heterojunction solar cell having a Cu-Sn alloy seed layer deposited thereon was fabricated and analyzed for solar cell characteristics through light I-V measurement.

Sulfosuccinate bath에서 전착조건에 따른 Cu-Sn합금도금피막의 표면특성에 관한 연구

박성원 인하대학교 대학원 2009 국내석사

전기도금(Electroplating)은 금속 표면에 다른 금속의 피복을 전착시키는 것으로 바탕금속과는 다른 성질이나 외형을 가진 표면을 형성하게 한다. 전기도금은 금속의 내식성(Corrosion resistance) 등의 전기화학적 성질과 내마모성, 경도(Hardness) 등의 기계적 성질을 비롯하여 접합성, 광택도 등의 각종 물성을 향상시킬 수 있다. 특히 도금에 있어서 니켈도금은 현재 도금금속 중 아연과 더불어 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 니켈은 사람들의 피부에 접촉하게 되면 습진 등의 알레르기성 피부염을 유발하여 최근 5~10년 사이에 가장 큰 문제 중 하나이다. 니켈을 대체하기 위한 Ni-free합금도금 중 Cu-Sn(40mass%)합금은 그 색조가 니켈과 매우 닮아 있고 재료의 가격과 피막의 안정성 등의 관점에서 볼 때 니켈 대체 도금의 후보로 매우 유력한 합금이다. 현재 독성이 강한 시안화욕은 일부 실용화 되고 있지만, 안전성에 문제가 있으며 환경규제 대상에 포함시키고자 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 Sulfosuccinic acid를 기본으로한 Sulfosuccinate bath에서 전류밀도, 전착시간, 전착온도 등의 전착조건에 따른 합금도금을 수행하고, 이렇게 제조된 합금도금 피막의 미세조직과 상을 조사하였고, 경도, 표면조도, 광택도 등을 조사하여 합금도금 피막의 표면에 대한 물성을 분석하여 우수한 합금도금 피막을 얻기 위한 최적의 도금조건을 확인하고자 한다. 도금의 전착조건 중 가장 큰 영향을 미치는 전류밀도에 따른 합금도금 피막의 물성을 조사하였다. 전착조건은 Sulfosuccinate bath에서 99.9%의 구리 소지위에 각각 1, 2, 4, 10 A/dm2의 전류밀도로 3분간 도금을 수행하였다. 도금시편을 분석한 결과 1~4 A/dm2 범위에서 전류밀도가 상승할수록 미세조직을 비롯한 표면물성이 향상되었으며, 10A/dm2에서는 오히려 표면의 물성이 저하되었다. 전류밀도별 실험 중 가장 우수한 전류밀도 조건으로 확인된 4A/dm2에서 시간을 1~10분으로 변화하여 실험한 결과 1분일 경우에는 전착시간이 매우 짧아서 소지를 충분히 피복하지 못하며, 10분의 경우에는 불규칙적인 피막의 성장이 이루어지는 것을 확인하였다. 그러나 표면의 물성자체에는 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 확인되었다. 전착온도별 도금실험에 있어서 50℃, 75℃로 온도가 상승하면 ε상이 석출하며, 이에 따라 경도는 크게 상승하나 표면조도, 광택도 등은 크게 하락하는 것으로 확인되었다. 따라서 sulfosuccinate bath에서 Cu-Sn 합금도금의 최적조건은 4A/dm2의 전류밀도로 25℃에서 3분간 도금하는 것으로 판단되었다. 이러한 Cu-Sn 합금도금의 공정조건은 향후 니켈을 대체할 합금도금의 기초연구로서 습식도금 공정의 개발에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

Catalytic conversion of bio-based carboxylic acids

이종민 성균관대학교 일반대학원 2011 국내박사

연료 및 화학제품 생산을 위한 석유화학 기반의 연구가 석유자원의 고갈과 환경문제의 발생으로 인하여 이산화탄소 배출이 중립적인 재생 가능한 탄소 순환형 바이오매스(biomass) 기반의 그린화학기술, 바이오리파이너리(biorefinery)가 새롭게 부각되고 있다. 최근 미국 에너지성에서는 바이오매스에서 전환이 기대되는 부과가치가 높은 12가지 중간체 화학물질을 선정하였다. 이로부터 기존의 석유화학을 기반으로 얻어진 화학물질을 바이오매스 기반의 바이오화학제품으로 대체하려는 연구가 활성화 되고 있다. 그래서 본 연구에서는 바이오매스에서 유래된 유기산의 촉매전환에 관한 연구로, 특히 부티르산에서(butyric acid) 바이오부탄올로 전환하는 수소화반응 촉매에 관한 연구를 중점적으로 수행하였으며, 또한 락트산메틸(methyl lactate)의 탈수반응에 사용되는 촉매에 관해 연구하였다. 2장에서는 바이오매스에서 유래된 부티르산의 수소화반응에 사용되는 촉매로 Cu-SiO2를 개발하였다. Copper-phillosilicate구조를 통해 Cu이온을 분산시켜 촉매를 재조하였고, 환원 후 20nm Cu 크기의 Cu-SiO2촉매를 수소화 반응에 적용하여 95 % 부탄올 선택성과 99 % 부티르산 전환율을 100시간 동안 관찰하였다. 3장에서는 귀금속 촉매인 Ru이 포함된 Ru-Sn/ZnO 촉매를 함침법으로 제조하고 소성단계를 거치지 않고, 환원처리 후 Ru3Sn7 alloy를 형성시켜 촉매반응에 적용하였다. 그 결과 98 % 높은 부탄올 선택성과 99 % 부티르산 전환율을 3500시간 동안 관찰하여 촉매의 안정성을 또한 검증하였다. 그리고 Ru3Sn7 형성을 용이하게 하는 ZnO를 사용하여 기존의 명확하게 설명하지 못한 RuSn계 촉매의 활성점을 Ru3Sn7 alloy로 규명함으로 반응 메커니즘을 예측할 수 있었다. 마지막 장에서는, 락트산메틸에서 아크릴산과 아크릴산메틸로 전환하는 기상 탈수반응에 SiO2 지지체에 칼슘포스페이트(Ca3(PO4)2)를 담지한 촉매를 개발, 적용하여 20시간 후 락트산메틸의 74 % 전환율에서 아크릴산과 아크릴산메틸의 76 % 선택성을 관찰하였다.

Characterization of negative electrodes prepared from fabric-shaped current collectors

황홍서 서울대학교 대학원 2017 국내박사

Negative electrode of lithium-ion batteries are composed of active material, binder, conducting agent and current collector. In this work, the materially and structurally distinguishable current collectors are utilized to make advanced negative electrodes. First, carbon fabric is used as a current collector to make the high specific capacity negative electrode. Secondly, stainless steel (SUS) fabric is utilized as a current collector to fabricate the flexible and high rate capable negative electrode. Cu6Sn5-deposited carbon fiber paper (carbon fabric) is prepared successfully to develop high capacity negative electrode. Graphite is well-known to be highly electric conductive material, and it has a potential to be used as a current collector. When using graphite as a current collector, it is not only acting as a conventional current collector but reacting with lithium ion. In this study, carbon fabric is chosen as a current collector to increase overall electrode capacity. In the case of Cu6Sn5, it is prepared as active material, and there is no observation engaged with severe material detachment from carbon fabric during cycling. As a result, negative electrode which shows specific capacity about 300 mA h g-1 stably could be made. When comparing with conventional negative electrode which uses Cu foil as a current collector, the specific capacity considering the weight of current collector is almost 70 % larger. The other beneficial feature offered by the carbon fabric current collector is negligible electrode swelling, which is possible because the void spaces in the carbon fabric can accommodate the volume expansion of Cu6Sn5 component. The simple method for loading active material is invented to generalize the utility of carbon fabric. The conventional slurry spreading method is modified and applied to carbon fabric system. The viscosity of prepared slurry was decreased, and the slurry was soaked into carbon fabric by home-made suction equipment. The solid content of prepared slurry was 30 wt. %, and the suction process was conducted during 3 mins. As a result, the weight of loaded slurry was about 1.8 times heavier than that of carbon fabric. From the thickness information, it is checked that the loaded slurry was almost penetrated into carbon fabric. The fabricated electrode shows a good electrochemical properties, and especially, it delivers the high volumetric capacity because of the loaded slurry, which fills the void spaces of carbon fabric. TiO2-deposited SUS fabric is prepared successfully to develop the flexible negative electrode. SUS fabric characterized by 3-dimensional structure is used as a current collector for negative electrode of lithium-ion battery. TiO2 which plays the role of active material is deposited onto SUS fabric by liquid-phase deposition in the microstructure of core (SUS fabric, current collector)/shell (TiO2, active material). The flexibility of TiO2-deposited SUS fabric is tested under the extreme condition, called folding test, and there is no detachment of active material. When using TiO2-deposited SUS fabric as negative electrode and executing folding test during electrochemical cycling, there is no change in voltage profile and the cycle performance compared with non-folded one. The reason for granted flexibility of TiO2-deposited SUS fabric is summarized as follows. First, imposed stress occurred during flexible test is effectively dissipated by 3-dimensional structure of SUS fabric utilized as a current collector. Second, the stress experienced by active material is overcome with strong adhesion strength obtained via covalent bond between TiO2 and SUS fabric generated during liquid-phase deposition. Third, the selection of active material, which undergoes less volume change during cycling, helps initial adhesion strength remain even after electrochemical cycling. SUS fabric, which provides a 3-dimensionally well-constructed electric path and large contact area between active material and electrolyte, is utilized as a current collector for the high rate capable negative electrode. When comparing with the conventionally prepared negative electrode, which uses Cu foil as a current collector, they have a big difference in the structure of current collector. As a result, the electrode composed by SUS fabric shows a better rate capability than the conventional electrode, although they use same kind of active material. In this research, properties of negative electrode are improved by using unique current collector, although there is no modification in active material. There has been no sufficient research on current collector. However, the importance of current collector is now obvious, and it is expected for lots of following researches.

Atom Probe Tomography를 활용한 알루미늄 합금의 나노스케일 특성 분석

이미영 전북대학교 대학원 2025 국내석사

This study investigates the analysis of solute clustering in Al-Mg-Si-Cu-Sn alloys using atom probe tomography (APT), focusing on the effects of region of interest (ROI) selection and user-defined parameters on data reconstruction and cluster identification algorithms. To minimize analysis errors, the following findings and recommendations are proposed: First, the presence of pole regions in the APT reconstruction significantly impacts cluster analysis results. Analyses excluding these pole regions from the outset (“Partial”) minimize compositional bias caused by Si-surface migration to the pole regions, easily visualized by iso-concentration surfaces, making this the recommended approach. Second, results from fixed sets of parameters for the maximum separation (MS) algorithm for cluster identification were compared with results obtained with parameters optimized for each dataset using comparator data from the random labelling process (RLP). Fixed parameters showed limitations in detecting clusters under varying conditions, while the parameters set by RLP more accurately reflected the atomic distribution. Dmax variability due to randomization affected cluster detection, with overly small Dmax splitting clusters and overly large Dmax misidentifying matrix regions as clusters, emphasizing the need for careful parameter selection. Lastly, spatial normalization was applied to determine the inclusion of Cu and Sn within clusters with sufficient statistical significance. Results showed that Cu is incorporated into clusters, while Sn is excluded. The normalization method is essential for reliable APT analysis, ensuring accurate interpretation of cluster formation and alloying element effects.

靑銅合金의 機械的性質에 關한 硏究

신근하 단국대학교 대학원 1976 국내석사

Sn-Ag-Cu-In 4원계 솔더 조성의 특성 및 솔더 접합부의 신뢰성 평가

유아미 인하대학교 대학원 일반대학원 2008 국내석사

지난 수년 동안 Sn-3.0Ag-0.5(wt%)Cu 합금은 주요 전자 제조업체들의 대표 무연솔더 조성으로 다양한 전자제품의 제작에 적용되어 왔으며, 그 신뢰성 역시 충분히 검증된 바 있다. 그러나 최근 Ag 가격의 급격한 상승과 전자산업의 저가격화 전략으로 인해 솔더 재료에서의 Ag 함량의 감소가 지속적으로 요구되고 있다. 또한 많은 전자제품이 휴대화 되면서 전자제품의 내충격 신뢰성이 점차 중요하게 인식되고 있는 현 상황에서, 기존 Sn-Pb 합금에 비하여 경도가 높은 Sn-Ag-Cu의 3원계 솔더를 사용한 접합부의 경우 일반적으로 내충격 신뢰성이 보다 저하되었고, Sn-Ag-Cu의 3원계 함금에서 Ag의 함량을 감소시키게 되면 내충격 신뢰성이 향상되는 결과들이 속속 발표되면서 더더욱 Sn-Ag-Cu계 무연솔더 조성에서 Ag 함량의 감소가 요구되고 있다. 그러나 Sn-Ag-Cu의 3원계 함금에서 Ag는 합금의 융점을 낮추고, 강도와 같은 합금의 기계적 특성을 증가시키는 한편, 모재에 대한 합금의 젖음성을 향상시키는데 필수적인 원소로 인식되고 있다. 따라서 Sn-Ag-Cu의 3원계 함금에서 Ag의 함량을 감소시키게 되면, 합금액 액상선 온도와 고상선 온도가 벌어져 pasty range(또는 mush zone)가 증가하게 되고, wettability도 감소하게 되어 솔더 합금으로서의 요구 특성을 많이 상실하게 된다. 또한 Ag 함량을 감소시키게 되면 합금의 elongation이 향상되면서 내 impact 수명이 향상되는 효과를 볼 수 있으나, 합금의 creep 특성 및 기계적인 강도는 감소하면서 열싸이클링 수명은 감소하는 경향을 나타내게 된다. 따라서 솔더 합금의 내 impact 수명과 열싸이클링 수명을 동시에 만족시키지 위해서는 Ag 함량을 최적화하기 위한 고려가 필요하며, 합금원소에 대한 연구가 요청된다. 한편 Ag의 함량을 3wt.% 이상으로 첨가할 경우에도 비교적 느린 응고 속도에서는 조대한 판상의 Ag3Sn 상을 형성하는 경향이 있어 외관 불량을 야기 시킬 가능성이 매우 커지는 현상도 보고되고 있다. 따라서 Ag의 첨가량을 최적화 하면서 솔더 재료로서의 특성을 계속적으로 유지하기 위해서는 제 4 원소의 함유가 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 Sn-Ag-Cu계에 첨부하는 제 4원소로서 In을 선택하여 그 젖음 특성과 용융 및 응고 특성, 미세조직 특성, 리플로우(reflow) 반응 특성, 그리고 접합부 형성 시의 기계적 강도 및 접합부의 신뢰성을 평가하여 최적의 4원계 솔더 조성을 제시하고자 하였다. 우선 젖음 특성을 측정, 분석한 결과, In을 1wt.% 이하로 소량 첨가한 경우에서도 230∼240oC의 온도에서 젖음 특성이 크게 개선되는 것을 관찰할 수 있었는데, 이는 주로 In 원소 자체의 우수한 젖음 특성에 기인한 것으로 분석되었다. 아울러 인장시험을 통한 합금 자체의 기계적 특성을 관찰한 결과, 합금 조직의 미세화에 따른 elongation 특성이 극적으로 향상되어 toughness 값이 개선됨으로써 우수한 기계적 신뢰성을 나타낼 수 있는 조성으로 분석되었다. 이와 같은 결과들을 바탕으로 제안된 4원계 솔더 조성의 접합부 신뢰성 또한 우수하게 평가되었다. 요컨대 본 연구를 통해 구현된 Sn-Ag-Cu-In계 솔더 조성은 최적 솔더 조성에서 요구되는 4가지 인자, 즉, 저렴한 원재료 가격, 우수한 wettability 특성, 합금 자체의 높은 toughness, 안정하고 낮은 성장 속도의 계면 반응 층 생성을 모두 만족시키는 특징을 가짐으로서 기존 무연솔더 조성의 새로운 대안으로 자리 잡을 것으로 기대된다.

Nanocomposite Sn3.0Ag0.5Cu solder characteristics and its application to mini-LED and ball grid array (BGA) solder joint

라젠드란 스리 하리니 서울시립대학교 일반대학원 2022 국내박사

The electronic packaging industry is at the heart of transitioning from low-density to high-density fine-pitch interconnections to meet the rising demand for advanced systems. Pb-free Sn3.0Ag0.5Cu (SAC 305) soldering, a key interconnection technology in controlling electrical signal transfer, is facing a setback in reliability due to the formation of Cu-Sn intermetallic compounds at the interface. Incorporating additives into the solder is considered one of the best ways to improve the solder joints' reliability. This study investigates the additive characteristics and dispersion strategies on the wettability, IMC growth, structure-property relationship, and reliability of SAC 305 solder joints. The additives improved the wettability until an optimum amount. Unlike conventional metallic additives, FeCoCrCuNi high entropy alloy (HEA) particles are stable in solder during reflow and improve reliability until 0.3 wt.%. However, HEA dissolves in the solder matrix during thermal shock cycles and contributes to IMC growth. For ceramic nano additives, the size, shape, and amount play a vital role in the reliability of solder joints. Adding small-sized nanoparticles to SAC 305 improves the robustness of the joint. However, nanoparticles could be agglomerated at a higher amount and deteriorate reliability. Meanwhile, additives with an aspect ratio >1, such as nanowires, exhibit steady strength improvement and can be reliable over a wide range. Dispersion of nano additives in solder is the most challenging task. Ultrasonic melt dispersion retained higher amount of nanoparticles, improved the wettability, structure-property, and thermal stability of SAC 305. 전자 패키징 산업은 주로 소비자 및 자동차 전자 제품의 첨단 시스템에 대한 수요 증가를 충족하기 위해 저밀도에서 고밀도 미세 피치 연결로 전환하는 것이 핵심이다. 전기 신호 전송을 제어하는 핵심 상호 연결 기술인 무연 Sn3.0Ag0.5Cu(SAC 305) 솔더는 인터페이스에서 Cu-Sn 금속간 화합물 성장으로 인해 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 솔더에 첨가제를 첨가하는 것은 솔더 접합부의 신뢰성을 향상시키는 가장 좋은 방법 중 하나이다. 이 연구는 SAC 305 솔더 조인트의 젖음성, IMC 성장, 구조-물성 관계 및 신뢰성에 대한 첨가제 특성 및 분산 거동에 대한 연구를 제시한다. 첨가제는 최적의 양이 될 때까지 젖음성을 향상시켰다. 기존 금속 첨가제와 달리 FeCoCrCuNi 고엔트로피 합금(HEA) 입자는 리플로우 동안 솔더에서 안정적이며 0.3wt.%까지 신뢰성을 향상시킨다. 그러나 HEA는 열 충격 주기 동안 솔더 매트릭스에 용해되어 IMC 성장에 기여한다. 세라믹 나노 첨가제의 경우 크기, 모양 및 양이 솔더 접합부의 신뢰성에 중요한 역할을 한다. SAC 305에 작은 크기의 나노 입자를 추가하면 접합부의 견고성이 향상된다. 그러나 나노 입자가 더 많은 양으로 응집되어 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 한편, 나노와이어와 같이 종횡비가 1보다 큰 첨가제는 꾸준한 강도 향상을 나타내며 광범위한 범위에서 신뢰할 수 있다. 솔더에 나노 첨가제를 분산시키는 것은 가장 어려운 작업으로 초음파 용융 분산은 더 많은 양의 나노 입자를 유지하고 SAC 305의 습윤성, 구조 특성 및 열 안정성을 개선하였다.