기계적 분쇄법으로 제작된 고온 공정용 Zn-base 솔더 페이스트의 미세조직과 특성평가

Abstract

전자 부품을 기판에 접합할 때 사용되는 솔더는 사용온도에 따라 고온용(260~400 oC)과 중온용(140~230 oC)으로 대별되며 고온 솔더는 전자 부품의 소형화 고출력화로 인한 내부 발열량등으로 고온신뢰성이 요구되는 자동차용 전장부품, 스텝 솔더링의 1차재료, 전력반도체 등의 파워소자에 이르기까지 다양한 분야에서 수요가 증가하고 있다. 연구되고 있는 대표적인 고온 무연 솔더 합금계는 Au 합금계, Bi 합금계, Zn 합금계등이 있다. 이중 Zn-Al 합금계는 Zn 와 Al 원자의 높은 산소친화도 때문에 발생하는 습윤성(Wettability)과 기계적 특성 저하현상이 발생하지만 Mg, Ga, Ge, Cu 등의 원소를 첨가하여 특성을 개선함과 동시에 낮은 가격과 고온 솔더링 공정에 적합한 용융점 범위를 나타내어 칩 접착공정(Die-attach process)에 사용되고 있다. 하지만 기존의 연구들은 칩 접합공정에 대한 논의만 주로 이루어져있으며 전자부품의 소형화에 따른 표면실장기술(Surface Mount Technology, SMT) 공정적용에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 Zn-Al 솔더 합금계중 산소친화도를 억제한 Zn-Al-Mg(ZAM) 합금계를 선정하고 기계적 특성과 건전한 계면 확보를 위해 Ca원소를 첨가한 Zn-Al-Mg-Ca(ZAMC) 합금계를 주조 공정을 통해 제작하였다. 제작된 솔더는 건식파쇄장비와 볼밀 분쇄공정을 통해 분말로 제작하여 전자부품의 소형화에 대응하기 위한 솔더 페이스트를 제작하여 솔더와 솔더 페이스트의 특성평가를 수행하였다. 제작된 솔더는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM), 에너지 형광 분석(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS), 회절 분석법(X-ray Diffraction)을 이용한 미세구조와 상 분석을 진행하였고 시차주사열량법(Differential Scanning Calorimetry, DSC)과 만능인장시험기를 이용하여 열•기계적 분석을 하였다. 제작된 솔더 페이스트는 열처리로를 이용하여 325~450 oC 공정온도에서 구리 기판과 접합하여 공정 온도별 계면성장 거동을 분석하였고 전단 테스트를 통해 솔더 페이스트의 접합강도평가 및 파단 모드 분석을 수행하였다. 제작된 ZAM 과 ZAMC 솔더의 용융점은 345.95 oC와 347.96 oC로 고온 솔더링에 적합한 용융범위를 나타내었다. ZAM 솔더는 본 연구에서 제작된 합금계에서 비평형상인 MgZn2 상이 형성되었고 ZAMC 솔더에서는 Ca 원소 첨가 영향에 의해 평형상인 Mg2Zn11과 CaZn13상이 형성됨과 동시에 기계적 강도가 10% 향상되었다. 솔더 페이스트 계면 성장 거동 분석결과 ZAM 솔더 페이스트의 경우 Cu-Zn 조성의 금속간 화합물(Intermetallic compound, IMC)이 주로 성장하였으며 ZAMC 솔더 페이스트의 경우 Mg2Zn11상과 Cu-Zn IMC의 복합 계면을 형성하였다. 기계적 특성 평가 결과 ZAMC 솔더 페이스트의 접합 강도는 공정온도별로 ZAM 솔더 페이스트 대비 향상되었으며 이는 ZAM솔더 페이스트는 계면내에Zn 원자의 이동에 의한 vacancy 형성이 진행되었으나 ZAMC 솔더 페이스트의 경우에는 Ca 원소 첨가 영향에 의해 건전한 계면이 형성됐기 때문이라고 판단된다. 접합 강도 테스트 결과 ZAM 솔더 페이스트의 경우 375 oC, ZAMC 솔더 페이스트의 경우 400~425 oC 에서 건전한 계면 형성과 적정 IMC 성장효과에 의해 최대 전단 응력값을 나타내었다.