솔더링에서의 금속간 물질

2011년 11월 11일, 금요일/Eric Bastow [이력 보기]

금속간 물질들은, 솔더링이 필수적으로 포함되는, 금속과 금속을 붙이는 세계에서는 필요악입니다. 한 금속이 다른 금속에 “화학적으로” 결합되는 두 가지의 기본방식이 있습니다: 1) 고체 솔루션  2) 금속간 물질. 이번에는 솔더링 세계에 가장 적합한 금속간 물질에만 초점을 맞추겠습니다.

많은 사람들이”젖게 하는 것”을 금속간 물질의 형성(결합)과 혼동하거나 바꿔 사용합니다. 젖게 하는 것은 단순히 적시는 것입니다. 솔더의 표면이 “젖는다”는 것은 금속간의 “결합”이 형성되었다는 것을 의미하지 않습니다. 예를 들어, 이것은 제가 직접 한 것인데, 55.5Bi 44.5Pb 는 동 조각 위에서 용해될 수 있습니다. 녹은 BiPb는 동 표면으로 흐르고 “젖게 할” 것입니다. 하지만, 그 합금이 고체화(냉각)하면서 BiPb 는 껍질이 벗겨질 수 있습니다. 왜냐구요?... 그건  BiPb와 동의 표면 사이에는 금속간 물질이 형성되지 않기 때문입니다.

어떤 금속간 물질이 형성되기 위해서는, 어느 정도 양의 표면 금속성분이 용해된 솔더로 녹아 들어가야 합니다. 이러한 이유로, Sn (주석)은 오랜 기간 동안 솔더 합금의 주요한 구성 요소였습니다. 용해된Sn (주석) 은 많은 다른 금속에서 뛰어난 용제의 역할을 합니다. 그리고, 우리에게 편리하게도, 그들 “많은 다른 금속들”에는 동, 금, 은과,  그리고 적지만 니켈 등이 포함됩니다. 이들 기타의 금속들이 용해된 주석(솔더)으로 녹아 들어가는 비율은 각기 다릅니다. 금은 솔더에 쉽게 용해되지만; 니켈은 아주 천천히 녹습니다. 각 금속마다 용해율이 다르기 때문에, 금속간 물질 형성율도 역시 다릅니다. 오랜 기간 동안 동에 솔더링을 해 온 회사들과 거래해 왔지만, 이유가 무엇이든 그들은ENIG (비전착성니켈 / 잠기는 금) 표면으로 전환하도록 강요받고 있습니다. (금이 형성하는 층은 극도로 얇으며 니켈을 산화로부터 보호하기 위해서만 적용되는 것에 주목하는 것이 중요합니다. 이 금이 형성한 층은 용해된 솔더로 쉽고 완벽하게 녹아 들어가며 “결합”이 니켈의 표면에 실제로 생깁니다). 이들이 변화를 일으킬 때 불완전한 젖음, 약한 결합력 등등과 같은 다수의 문제들에 때로 봉착하기는 하지만 그 이유는 아직 모릅니다. 그들은 동에 훌륭한(금속간 물질) 결합을 만들어 내는 동일한 환류 프로필(시간 및 온도)이 니켈에 같은 금속간 결합을 얻는데는 충분하지 않다는 것은 알지 못합니다. 충분한 금속간 물질 형성을 위해 일단 그 프로필(더 긴 시간 및/또는 높은 온도)을 조정하게 되면, 그들은 사용할 수 있는 솔더 접합부위를 갖게 됩니다. 고체가 액체로 녹는 용해는 시간과 온도에 영향을 받는다는 것을 염두에 두어야 합니다. 일반적으로, 더 오랜 시간과 높은 온도는 더 용해를 쉽게 해서 더 많은 금속간 물질이 형성됩니다.

서두에서 제가 언급한 바와 같이, 금속간 물질은 필요악입니다. 왜 “악”이냐구요? 그건 이들이 솔더 조인트에서 가장 부서지기 쉽기 때문이지요. 어떤 금속간 물질은 다른 것들 보다 더 부서지기 쉽습니다. (어떤 특정 금속화를 위한 솔더 합금을 선택할 때 이것을 반드시 고려해야 합니다). 예를 들어, Sn 과Au 사이에 형성된 금속간 물질은 때론 극히 부서지기 쉽습니다. 부서지기 쉬워지면 절단 등의 대상이 될 수 있습니다. 더 많은 것이 항상 더 좋은 것은 아닌 경우일 것입니다. 맞아요, “결합”에는 금속간 물질이 필요하지요. 금속간 물질의 층이 너무 얇은 것은 좋지 않을 수 있습니다; 하지만 금속간 물질의 층이 너무 두꺼운 것도 나쁠 수 있습니다. 더 나쁠 수도 있습니다. 믿기는 힘들지만, 솔더가 자체의 금속간 물질 층에 붙지 않을 수도 있습니다. 금속간 물질은 보통은 투명하고 화학적으로 안정적인 구조를 갖고 있으며……일단 형성되면 다른 어느 것과도 반응하지 않습니다. 절단된 솔더 조인트를 한 번 보신적이 있다면, 그 절단이 바로 금속간 물질층 과 벌크 솔더 사이의 인터페이스에서 발생했을 수도 있다는 것에 주목하셨을 것입니다.

 

과도하게 두꺼운 금속간 물질층이 초래할 가능성이 있는 또 다른 결과는 인터페이스 부위에서의 “방출”입니다. 왜냐구요? 글쎄요, 우선은 재생 제품들을 살펴볼 필요가 있습니다. Sn 과 Cu 사이에 금속간 물질 층을 형성하는 두 가지 유형의 재생 제품들이 있습니다. Cu3Sn 과 Cu6Sn5가 그들입니다. 첫 번째 케이스에는, 각각의 Sn 원자에 3개의Cu 원자가 있으며, 두 번째 케이스에서는 각 5개의 Sn 원자에 6개의 Cu 원자가 있습니다. 두 경우 모두에서 Cu 는Sn 원자들 보다 더 빠르게 소모됩니다. 이런 반응성의 불일치로 인해, 과장된 시나리오일 경우에는, 동 표면에 작은 구멍 또는 빈 공간(“방출구”)가 형성될 수도 있습니다.

금속간 물질의 형성은 솔더 과정에만 한정된 것은 아닙니다. 금속 원자들은 고체 상태에서도 방산될 수 있습니다. 그리고 그러한 움직임은 금속 원자들이 상호작용하고, 반응해서 금속간 물질을 형성하거나 기존의 금속간 물질 층을 두껍게 만들 수 있습니다.  "시간을 두고 살펴보는" 실험이 금속간 물질 층이 어떻게 변화하고 조인트의 기계적 성질에 어떤 영향을 줄 것인지를 측정하기 위해 종종 실시됩니다.

금속간 물질에 관해 더 깊이 다루는 것은 이 블로그 포스트의 영역을 훨씬 뛰어 넘는 일입니다. 이 토픽에 관해서만도 책 한 권을 쓸 수 있으니까요. 그래서, 금속간 물질에 관해서는 여기까지만 하려고 합니다. 저는 단지 이 주제에 대해 관심을 보여주시기 바란 것이니까요.

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