[신제조공학실험]젖음성 Test (Wetting Balance) 3부

실험 결과

1. Sn-Pb(63-37)솔더에 관한 구리시편의 Wetting Balance법 측정결과 그래프(실험치)

가로축 : 시간t(sec)

좌측 세로축 : 솔더와 시편사이에 작용하는 힘(mN)

우측 세로축 : 솔더의 온도(℃) 이다.

Fmax : 최대 젖음력, Fend : 최종 젖음력

t0 : 침적이 개시되는 순간, t1 : 표면장력이 깨지는 순간, t2 : 2/3Fmax 지점

T (t0 ~ t2) : 젖음 시간, T0(t0 ~ t1) : 젖음 개시 시간, T1(t1 ~ t2) : 젖음 상승 시간

 

1) 1차 결과

• 측정치

t0 : 약 2.30초, t1 : 약 2.54초, t2 : 약 2.63초

T (t0 ~ t2) : 약 0.33초, T0(t0 ~ t1) : 약 0.24초, T1(t1 ~ t2) : 약 0.09초

Fmax : 약 3.42mN Fend : 약 2.90mN

 

분석 : 침적이 시작 된 후 0.24초 만에 표면장력이 깨지고 0.32초 만에 2/3Fmax값에 도달했다. 그래프로 보아 Very Fast Wetting의 개형임을 알 수 있다.

 

2) 2차 결과

• 측정치

t0 : 약 2.60초, t1: 약 2.60초, t2 : 약 2.78초

T (t0 ~ t2) : 약 0.18초, T0(t0 ~ t1) : 약 0.00초, T1(t1 ~ t2) : 약 0.18초

Fmax : 약 3.92mN Fend : 약 2.94mN

 

분석 : 침적이 시작 됨과 동시에 표면장력이 깨지고 0.18초 만에 2/3Fmax값에 도달했다. 본 두 번째 실험은 젖음 개시시간이 거의 0이었으며 젖음 상승시간이 젖음 개시시간 보다 훨씬 더 많았으므로 보편적인 그래프를 얻을 수 없었다. 침적 시작 시각( )이 타 실험에 비해 늦은 것으로 보아 실험 시작 전 시편과 솔더의 거리가 적절하지 않았는지 의심해 볼 여지가 있다. 또한 실험 중 가장 큰 Fmax값을 얻었다. 본 그래프의 개형으로 보아 Very Fast Wetting개형임을 알 수 있다.

 

3) 3차결과

• 측정치

t0 : 약 2.02초, t1: 약 2.12초, t2 : 약 2.19초

T (t0 ~ t2) : 약 0.17초, T0(t0 ~ t1) : 약 0.10초, T1(t1 ~ t2) : 약 0.07초

Fmax : 약 3.83mN Fend : 약 2.55mN

 

분석 : 젖음시간이 0.17초로 가장 짧았으며 Fmax값과 Fend값의 차이가 약 1.28mN으로 가장 실험 결과 값 중 가장 큰 차이를 보였다. 또한 F값이 Fmax~Fend사이 구간에서 매우 불안정한 파형의 그래프를 그리는 것을 관찰 할 수 있다. 본 그래프의 개형을 종합적으로 고려해 볼 때본 실험 결과는 Unstable Wetting임을 알 수 있다.

 

4) 4차결과

• 측정치

t0 : 약 0.70, t1: 약 측정불가, t2 : 약 측정불가

T (t0 ~ t2) : 측정불가, T0(t0 ~ t1) : 측정불가, T1(t1 ~ t2) : 측정불가

Fmax : 측정불가 Fend : 약 –2.28mN

분석 : Fend를 제외한 모든 측정치가 나오지 않았으며 작용력(F)값이 계속 - 값을 유지했다. 본 그래프는 전형적인 Non Wetting그래프 개형으로 Wetting이 전혀 이루어지지 않았다. 시편이 침적이 되었지만 시편에 Flux를 묻히지 않았거나 실험 과정 중 시간 지연으로 인하여 Flux가 휘발 됐을 가능성이 있는 것으로 보인다.

2. Sn-3.0Ag-0.5Cu Solder에 관한 침적 시험(Group B 결과그래프)

나머지 실험 컨디션은 동일하며 Solder를 무연솔더의 대표적인 조성인 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성 솔더로 교체 하여 실험하였음.

1) 1차 실험

2) 2차 실험

3) 3차 실험

4) 4차 실험

3. Group A vs Group B 측정치 비교분석표

		Wetting Balance법(Maniscograph법)
		젖음 개시시간	젖음 상승시간	젖음시간	최대 젖음력 2/3	최대 젖음력	최종 젖음력
		T0(t0~t1)	T1(t1~t2)	T	2/3Fmax(mN)	Fmax(mN)	Fend(mN)
Group A	1차실험	0.24	0.09	0.33	2.28	3.42	2.90
	2차실험	0.00	0.18	0.18	2.61	3.92	2.94
	3차실험	0.10	0.07	0.17	2.55	3.83	2.55
	4차실험	-	-	-	-	-	-2.28
Group B	1차실험	0.45	0.12	0.57	2.22	3.34	2.82
	2차실험	0.44	0.18	0.62	2.67	4.01	3.40
	3차실험	0.59	0.21	0.80	2.45	3.69	3.42
	4차실험	-	-	-	-	-	-4.32

(※ 비교를 위해 Group B 반 실험은 임의로 4개를 뽑아 나열하였음)

4. 평균값 비교표

	Wetting Balance법(Maniscograph법)
	젖음 개시시간	젖음 상승시간	젖음시간	최대 젖음력 2/3	최대 젖음력	최종 젖음력
	T0(t0~t1)	T1(t1~t2)	T	2/3Fmax(mN)	Fmax(mN)	Fend(mN)
Group A	0.11	0.11	0.23	2.48	3.72	2.80
Group B	0.49	0.17	0.66	2.45	3.68	3.21
Group B 측정치 대비오차	-0.38	-0.06	-0.43	+0.03	+0.04	-0.41

※ 조금더 신뢰성있는 비교를 위해 각각 Non Wetting 결과 치는 제외하고 평균을 분석. 평균값의 소숫점 셋째자리에서 반올림 하였음

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험을 통하여 무연솔더와 유연솔더의 젖음성 테스트를 통해 그 차이점을 알아보았다. 각각 유연솔더와 무연솔더의 대표적 조성인 Sn63-Pb37과 Sn-3.0Ag-0.5Cu를 이용하여 실험을 하였는데 첫 실험이기 때문에 실험 결과가 굉장히 Stable하게 나오지 못했다. 두 개의 측정치를 비교한 표를 보면 유연솔더가 무연솔더에 비해 젖음시간(T)이 상당히 짧은 것으로 나타났으며 무연솔더의 젖음 시간에 비해 거의 1/3정도 수준인 것으로 나타났다.

 

또한 젖음시간의 차이만큼은 아니지만 최대젖음력(Fmax) 값에서 약 0.04mN정도 유연솔더의 젖음력이 크게 나타났다. 두 가지 결과를 종합하여 보았을 때 유연솔더가 무연솔더에 비해 젖음성이 우수하다는 사실을 알 수 있었다. 또한 플럭스의 도포가 제대로 이루어지지 않은 상황에서 침적이 되었을 때 Non Wetting이 일어나는 것으로 보아 Flux가 젖음성을 좋게 한다는 사실 역시 확인 할 수 있다.

 

본 실험에서 실험한 두 대상시료의 가장 큰 물성적 차이는 Pb의 함유의 유무인데 본래 가장 대표적으로 쓰이던 땜납 즉 Pb솔더류가 그 대안으로 고안된 무연솔더에 비하여 Soldering시 요구되는 물성치인 젖음성이 우수하다는 것을 확인 할 수 있었다. 허나 아무리 물성치가 좋아도 환경오염을 방지하기 위해 Pb솔더를 다시 사용하는 쪽으로 갈수는 없기에 무연솔더의 여러 가지 단점을 보완하기 위해 다양한 연구가 진행되어야 할 것이다.

 

무연솔더는 유연솔더에 비하여 물성치적 특성이 안좋은데다 가격도 보편적으로 유연솔더보다 고가이기 때문에 유연솔더의 단점 보완이 시급하다. 최근 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 한국에서도 최근 코엑스에서 smt/pcb & nepcon Korea (국제표면실장 및 인쇄회로기판 생산 기자재전)이 열리는 등 무연솔더 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다.

참고 문헌

1. 마이크로 솔더링의 기초, Group A․정재필 공저, 원창출판사, 2002

2. 무연 마이크로 솔더링, 정재필․Group A․임승수 공역, 삼성실업, 2001

[Engineering/공학실험] - [신제조공학실험]젖음성 Test (Wetting Balance) 1부

[Engineering/공학실험] - [신제조공학실험]젖음성 Test (Wetting Balance) 2부