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제목 무연솔더 특성(융점 및 젖음성)
작성자 관리자 작성일 2009.10.23 조회수 10976
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1. Sn-Cu계
Sn-Cu계의 공정 조성은 Sn0.7%Cu이다. 공정점이란 합금이 마치 하나의 원소처럼 용융 범위가 없이 하나의 융점(221℃)을 갖게 되는 온도를 말한다. Sn-0.7Cu% 공정에 미량의 Ni을 첨가한 것이 Wave Soldering용으로 유력시 되고 있다. 그러나 Sn-Cu계의 젖음성은 순수 주석과 가까워 그다지 좋지 않으며, 양면기판의 Wave Soldering에 적용하면, 작업조건에 따라 다르겠지만, 용융 솔더가 충분히 쓰루홀(Thru-hole)로 채워 올라오기 어려운 단점도 있다.

2. Sn-Ag계
공정조성인 Sn-3.5Ag는 융점이 221℃이다. 솔더의 젖음성에 큰 영향을 미치는 표면장력은 공기중에서는 431mN/m, 질소분위기에서는 493mN/이다. Sn-3.5Ag의 Cu 기판과의 젖음특성은 다른 solder에 비해 좋지 않고, 불활성 분위기에서도 크게 개선 되지 않는다. 그러나, Ni에 대해서는 Sn-Pb 보다는 못하지만, 다른 무연솔더에 비해 좋은 특성을 보인다. 웨팅 밸런스 시험(wetting balance test)법에 의하여 솔더의 젖음력을 측정하면 솔더의 온도가 증가할수록 표면 장력 및 접촉각이 모두 감소하는 경향을 보인다. Sn-Ag솔더의 표면장력은 Sn-Pb에 비해 높고, 접촉각은 낮다. 이것은 Sn-Ag 솔더가 Sn-Pb 솔더에 비해 젖음특성이 떨어진다는 것을 의미한다. 이에 관해서는 연구자에 따라 약간의 차이가 있지만, 대략 10% 정도의 젖음특성의 차이가 있다. Sn-3.5Ag의 조성을 가지고 합금이 공정점에서 벗어나면 액상선과 고상선으로 나뉘게 되는데 액상선과 고상선의 중간영역을 머쉬 존(mushy znoe)이라고 부르며 머쉬존에서는 고상과 액상이 공존하게된다.

3. Sn-Ag-Cu계
Sn-Ag-Cu계 솔더는 실용화가 가장 유력한 무연솔더로서 공정온도가 대략 217℃정도로 보고 되고 있다. 그러나 아직 정확한 공정조성이 밝혀져 있지 않으며 최근 Sn-3.5Ag-0.7Cu라는 보고가 있다. Sn-Ag 계 솔더에 동을 첨가하면 젖음성이 향상되며 Cu의 첨가량에 의해 현저한 차이가 있다. Sn-Pb 공정 솔더와 비교 할 때, 웨팅 밸런스 시험을 실시한 결과 젖음시간 (zero-cross time)이 길어지는 경향을 보였지만, 최대 인출력은 대체로 슷한 값을 보인다. (본사 제품은 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 페이스트에 재료인 Flux 및 Powder의 끊임없는 연구개발로 (퍼짐율 78-80%, 젖음력 2.8mN, 젖음시간 0.5초 내외, 그외 기본물성 8 항목 Spec.에 적합함)를 양산중이며, 국내외 제품(일본, 말레이시아 등) 중 최정상의 품질을 자랑함.)

4. Sn-Ag-Bi계
Sn-Ag-Bi계 솔더에 있어서 Bi가 첨가되면 융점이 낮아지는 효과가 있으며 젖음성이 다소 개선되는 경향이 있다. Sn-Pb 공정 소더와 비교할때, 웨팅 밸런스 시험을 실시한 결과 Bi 첨가량이 적은 우 젖음시간이 길어지지만, Bi량이 7% 이상 일때에는 표면장력이 증가하게된다. Bi 첨가시 액상선이 낮아지는 효과도 있지만, 동시에 고상선도 저하되어 결국 리프트 오프 (lift-off 또는 fillet lifting) 불량을 일으키는 원인이 되기도 한다. Bi 첨가량은 약 3%를 경계로 하고, 1% 이내에서 Bi의 첨가량 증가에 따라 Cu판에 젖음성이 향상되기도 한다.

5. Sn-Ag-Bi-In계
In의 첨가는 솔더의 융점 저하에 크게 기여하는데 Sn-Ag계에 In을 약 6%첨가하면 10℃ 정도의 융점이 저하된다. 그러나 Sn-Ag-Bi-In 계에서 In량을 증가시키더라도 젖음성은 극히 조금 개선된다. 조성에 따라 차이는 있겠지만 대체로 Sn-Ag-Bi-In 계의 젖음성은 Sn-Pb계와 비교하여 약간 나쁜 수준이다. Sn-Ag-Bi-In계의 퍼짐율(sprading ratio)은 약 85% 정도이다. 이 합금계의 가장 단점은 In이 고가라는 점이며 이 때문에 수% 이내를 첨가한 것을 실용화하고 있다.

6. Sn-Ag-Zn계
Sn-Ag-Zn계 중에서 개발된 솔더 합금 조성은 Sn-3.5Ag-1Zn이 있으며 용융점은 약 217℃이다. Sn-Ag에 Zn을 첨가하면 Zn이 솔더 표면으로 나와 대기중에서 강한 산화막을 형성하여 젖음성을 떠러뜨린다. 또한 Zn을 첨가한 솔더는 내식성이 약하기 때문에 솔더링성에서의 사용이 제한되어 왔다. 그러나 플럭스와 질소 분위기의 솔더링 기술이 점차 발달하고 있어 젖음성의 문제는 점차 해결될 수 있을 것이다.

7. Sn-Zn계
Sn-8.8%Zn는 198.5℃의 공정온도를 지닌 것으로, 내열 온도가 낮은 전자부품을 채용하고 있는 전자제품에 적용 가능하다. Sn-Zn계에 Bi를 3%내외로 첨가한 솔더의 융점은 187-197℃ 정도이다. Sn-Zn계는 Sn-37Pb 공정 솔더와 용융점이 가장 유사하여 기존의 설비와 공법을 이용하여 솔더링이 가능한 것으로 평가 되는 후보 합금이다. Sn-Zn계는 Zn이 대기중에서 쉽게 산화되기 때문에, 기존의 플럭스를 사용할 때에는 젖음성이 나쁘다. 그러나 플럭스가 개량되어 젖음성이 많이 개선되었으며, 230-250℃에서 솔더 페이스트 퍼짐율(Spreading ratio)이 약 70%이다. (본사 제품인 Sn-Zn-Bi계는 플럭스 연구개발로 80% 이상의 퍼짐율을 나타냄.) 이는 Sn-37Pb 공정 솔더의 퍼짐율(약90%)에는 미치지 못하지만, Sn-3.5Ag-0.7Cu의 퍼짐율(약 75%)에는 근접한 수치이다.(본사 제품인 Sn3.0Ag0.5Cu 솔더 페이스트는 약 78~80%이상의 퍼짐율을 나타냄.) Sn-Zn계 솔더 페이스트는 현재 빠른 속도로 발달하고 있으며, 대기 중에서도 솔더링이 가능한 수준이다. Zn은 활성화되어 안정한 산화물을 형성하므로 웨이브 솔더링 등의 산화되기 쉬운 조건에서는 질소 분위기에서 사용해야 한다. Sn-Zn계의 젖음성을 개선하기 위해서는 In을 첨가하기도 한다.(Sn-8.8Zn-5In)

8. Sn-Bi계
Sn-58Bi는 139℃의 비교적 낮은 공정온도를 지닌 저온 솔더 합금이다. SnBi계 합금의 퍼짐율(Spreading ratio) 은 220~250℃ 범위에서 약 78~80% 정도이며, 접촉각은 약 18도 정도이다. Sn-Bi계 합금의 실용화에 있어서 가장 큰 문제점은 139~190℃범위에 걸쳐있는 넓은 응고 범위이다. 이것은 솔더링시 고상/액상 공존영역(Mush zone)을 상당히 커지게 하며, 솔더가 응고할 때 편석으로 나타나 lift-off를 발생시키는 요인이 된다.

9. Sn-In계
Sn-In계는 Sn-50.9In이 공정 조성이며, 공정 온도는 117℃로 융점이 매우 낮다. 이 솔더는 연성과 젖음성이 우수한 저온용 솔더이나 고가인 것이 단점이다.

- 참고서적, '마이크로 접합' 강춘식, 정재필 공저, 삼성북스-
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