MXene 입자가 첨가된 Sn-58Bi 나노 복합 솔더 재료의 기계적 특성에 관한 연구 = A Study on the Mechanical Properties of Sn-58Bi Nanocomposite Solders Reinforced with MXene

국문 초록 (Abstract)

반도체 칩의 고성능화가 가속화됨에 따라 안정적인 성능과 신뢰성을 확보할 수 있는 첨단 패키징 소재의 필요성이 커지고 있다. 특히, 우수한열적, 기계적 특성을 지닌 저온 솔더 재료의 개발은 차세대 전자 패키징의 핵심 기술로 부상하고 있다. 이전 연구에서 본 연구진은 고상 혼합법인 볼 밀링 공정을 통해 Ti3C2Tx로 강화된 비납계 Sn-58Bi 저온 솔더 재료를 성공적으로 개발하였으며, Ti3C2Tx의 함량 증가에 따른Ti3C2Tx/Sn-58Bi 나노 복합체의 조직 미세화와 기계적 강도의 증가를 보고한 바 있다. 또한 Ti3C2Tx/Sn-58Bi 나노 복합체 페이스트로 제작된솔더 범프와 기판의 계면에서 생성된 금속간 화합물의 두께가 Ti3C2Tx의 첨가에 의해 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 본연구에서는 ENIG 기판 위에 Ti3C2Tx/Sn-58Bi 나노 복합체 솔더 범프를 제작하고 저속 및 고속 전단 시험으로 기계적 특성을 측정하였다. 저속 전단 시험 결과, Ti3C2Tx의 함량이 증가함에 따라 최대 전단 하중과 인성이 점차 증가하였으며 약 0.17 wt% Ti3C2Tx에서 각각 최대 76%와72% 향상되었다. 고속 전단 시험에 의한 파괴 단면을 분석한 결과, Ti3C2Tx가 첨가됨에 따라 금속간 화합물의 두께 감소와 함께 솔더 범프의파단이 취성에서 연성으로 전이되는 것이 관찰되었다. 따라서, 우수한 기계적 특성과 신뢰성을 갖는 Ti3C2Tx/Sn-58Bi 나노 복합체 솔더는 전자 패키징용 저온 무연 솔더 기술의 발전에 기여할 수 있음을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The continuous advancement of high-performance semiconductor chips has increased the demand for advanced packaging materials that can ensure stable performance and reliability. Among them, low-temperature solders with excellent thermal and mechanical properties are considered a key technology for next-generation electronic packaging. In this study, Pb-free Sn-58Bi solder reinforced with Ti3C2Tx MXene was developed using a solid-state ball milling process. The addition of Ti3C2Tx was found to refine the eutectic microstructure of the Sn-58Bi alloy and significantly improve its mechanical performance. The interfacial microstructure revealed that the thickness of intermetallic compound (IMC) formed between the solder bumps and ENIG substrates was effectively reduced by Ti3C2Tx incorporation. Mechanical evaluations were carried out through low- and high-speed shear tests. The low-speed shear test results showed a gradual increase in maximum shear load and toughness with increasing Ti3C2Tx content, achieving improvements of 76% and 72%, respectively, at 0.17 wt%. Fractographic analysis after high-speed shear testing indicated that Ti3C2Tx addition not only suppressed IMC growth but also promoted a fracture mode transition of solder bumps from brittle to ductile. These findings demonstrate that Ti3C2Tx/Sn-58Bi nanocomposite solder offers enhanced mechanical reliability and has strong potential as a low-temperature Pb-free solder for advanced electronic packaging applications.