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JWJ > Volume 36(3); 2018 > Article
Sn-xSb계 솔더의 전기화학적 부식 특성

Abstract

In this study, the electrochemical corrosion property was measured by increasing Sb contents. The corrosion property of Sn-5Sb, Sn-8Sb, Sn-10Sb, Sn-8Sb-3Ag solder alloys was measured using polarization test. The polarization curves were measured in 3.5 wt. % NaCl solution of 25 °C. Ag/AgCl and platinum were used by reference electrode and counter electrode, respectively. Corrosion potential (Ecorr), corrosion current density (Icorr) and linear polarization resistance (LPR, Rp) were estimated from the anodic and cathodic tafel lines. SnSb IMC was more diffused in the β-Sn structure by increasing Sb contents. Also, SnSb and Ag3Sn IMC was diffused in the β-Sn structure at Sn-8Sb-3Ag solder alloy. The corrosion potential (Ecorr) and corrosion current density (Icorr) was increased by increasing Sb contents. But, the linear polarization resistance (LPR) was decreased by increasing Sb contents.

1. 서 론

전력반도체(Power semiconductor)는 전력용 파워 스위칭 소자(Power switching device)와 제어 IC로 구성되어 전자기기에 주입되는 전력을 변환 및 분배, 관리하는 역할을 하는 반도체로, 일반 반도체에 비해 고 신뢰성이 요구되며, 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 개발로 그 수요가 증가하고 있다. 전력반도체 모듈은 전력반도체 소자 및 패키징 소재의 모듈 집적화 설계 기술, 제조 공정기술, 특성시험 및 신뢰성 평가 등의 주요 기술을 통해 구현되는 것으로, 특히 친환경 자동차인 하이브리드 자동차 및 전기자동차에 적용되는 전력모듈은 고온 및 진동 등의 열악한 환경에서 동작되기 때문에 높은 신뢰성이 요구된다1,2). 전력반도체용 솔더로 Sn-Pb계 솔더가 주로 사용되었으나, 친환경 규제인 자동차 폐차처리지침(ELV, End of Life Vehicle) 법규로 인해 자동차용 전력 반도체에 대한 무연솔더 적용이 진행되고 있다3,4). 이를 대체할 솔더 후보로 비교적 젖음성 및 크립 특성이 우수한 Sn-Sb계 솔더가 거론되고 있으며, 고온, 고습 및 진동 등의 사용 환경에 따른 신뢰성 연구가 진행 되고 있다5,6). 하지만 솔더링 공정 중 사용되는 플럭스나 세척공정 또는 대기 중의 염분, 습기 등의 사용환경에 대한 솔더 접합부의 부식 신뢰성에 관한 연구는 미비한 실정이다7). 내식성을 평가하기 위한 일반적인 부식 시험방법으로는 염수분무시험법(Salt Spray Test)과 CASS(Copper Accelerated Acetic Acid Salt Spray)시험, 전기화학적 분극시험방법이 있다. 하지만 부식 면적률에 의한 Rating Number로 솔더의 내식성을 평가는 염수분무시험법 및 CASS 시험법은 시험 검사자의 주관이 개입될 여지가 많아, 시험결과에 대한 객관적인 정량화가 쉽지 않다는 단점이 있다8,9).
이에 본 연구에서는, 단기간에 솔더의 내식성을 정량적으로 평가할 수 있다는 장점을 가진 전기화학적 부식시험 방법을 사용하여 Sb 함량에 따른 Sn-xSb계 솔더의 부식특성을 비교 평가하였다. 이를 기초로 Sn-xSb계 솔더의 전기화학적 부식특성을 통해 전력반도체용 고온 솔더의 적합여부를 비교, 평가하였다.

2. 실험방법

2.1 시험 시편 제작

본 연구에서는 Sb 함량에 따른 솔더의 전기화학적 특성을 분석하고자 Sn-5Sb, Sn-8Sb, Sn-10Sb, Sn- 8Sb-3Ag 조성의 솔더를 사용하였다. 각각의 솔더를 에폭시 수지로 마운팅 후, 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 기계적 연마를 실시하였다. 그 후, 솔더를 0.5cm#1 면적만 노출되게 시편을 제작하였다. 시험 시편의 제작 모식도를 Fig. 1 에 나타내었다.
Fig. 1
Schematic of fabricated of test sample
jwj-36-3-78f1.tif

2.2 미세구조 분석

Sb 함량에 따른 Sn-xSb계 솔더의 미세구조 및 금속간화합물의 형상을 관찰하기 위해 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)를 사용하여 관찰하였으며, XRD(X-ray diffraction)를 사용하여 형성된 금속간화합물의 종류를 분석하였다.

2.3 분극 시험

Sb함량에 따른 부식 특성을 측정하기 위해 HOKUTO DENKO 社의 HZ-7000 모델을 사용하였으며, 25 °C, 3.5 wt. % 1 mole 농도의 NaCl 용액에서 전기화학적 분극 시험을 진행하였다. 측정에 사용된 표준전극으로 은/염화은(Ag/AgCl) 전극을 사용하였으며, 분극 특성은 -1200 mV에서 +600 mV 범위의 전위에서 관찰하였다. 시험시편에 전위를 인가한 후, 발생되는 전류의 일반적인 분극 곡선 그래프를 Fig. 2에 나타내었다. AB 및 BF는 각각 음극 및 양극 분극 곡선을 나타낸다. 타펠 외삽법(Tafel extrapolation)을 사용하여 양극 및 음극 분극 곡선에 접선을 구하였다. 두 접선의 교점(C)을 부식전류밀도(Icorr)라 하며, 이때의 전위 값을 부식전위(Ecorr)라고 한다. 전류밀도가 최대가 되는 지점(F)의 전위를 부동태화 전위(Ep), 전류를 부동태화 임계전류(Ic)라 한다. FG영역에서 복합 산화물의 생성으로 부식 전류밀도가 감소되며, 점 H는 부동태영역 전류밀도(Ip)라고 한다. 그 후, 산화물의 파괴가 시작될 때까지 비교적 안정적으로 유지된다. 이를 기반으로 Sn- xSb계 솔더의 Ecorr, Icorr, Ep, Ic 및 Rp 값을 측정하였다10).
Fig. 2
Schematic polarization curve of passivable metals
jwj-36-3-78f2.tif

3. 결과 및 고찰

3.1 미세구조 관찰

Sn-xSb 솔더의 Sb 함량에 따른 미세구조를 관찰한 EPMA mapping 이미지를 Fig. 3에 나타내었다. (a), (b), (c) 에서는 β-Sn 조직 내에 수 um 이하의 SnSb 금속간화합물이 미세하게 분산되어 있으며, (d) 는 β-Sn 조직 내에 SnSb, Ag3Sn 금속간화합물이 분산되어 있다.
Fig. 3
EPMA mapping images of various solders:(a) Sn-5Sb (b) Sn-8Sb (c) Sn-10Sb (d) Sn-8Sb-3Ag
jwj-36-3-78f3.tif
Sb 함량에 따른 석출상 및 금속간화합물의 XRD 분석 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Sn-(5, 8, 10)Sb 솔더의 경우 Sn, SnSb 금속간화합물이 검출 되었으며, SnSb 화합물의 경우 Sb의 함량이 높아질수록 SnSb 금속간화합물이 증가하였다. Sn-8Sb-3Ag 솔더는 Sn, SnSb 외에 Ag3Sn 금속간화합물이 검출되었다.
Fig. 4
XRD patterns of various solders:(a) Sn-5Sb (b) Sn-8Sb (c) Sn-10Sb (d) Sn-8Sb-3Ag
jwj-36-3-78f4.tif

3.2 분극 특성 비교

-1200 mV ~ +600 mV 전위 사이에서 측정된 Sn- xSb 솔더의 음극 및 양극 분극 곡선을 Fig. 5에 나타내었다. 이때의 분극 곡선 결과를 통하여 측정된 βa, βb, Ecorr, Icorr, Ep, Ic 값을 Table 1 에 나타내었다. Ecorr의 경우 Sn-5Sb는 -506mV, Sn-8Sb는 -477mV, Sn- 10Sb는 -429mV, Sn-8Sb-3Ag는 -418mV로 측정되었으며, 솔더 조성에 따른 Ecorr 그래프를 Fig. 6 에 나타내었다. Sb의 함량이 증가할수록 Ecorr이 높게 측정되는 이유는 Sn-xSb계 솔더에 존재하는 Sn이 가장 먼저 부식이 진행되기 때문으로 사료된다. 이는 표준 전극 전위에 따라 Sb, Ag 보다 Sn 값이 상대적으로 낮아 Sn의 함량이 높은 Sn-5Sb 솔더의 Ecorr이 가장 낮게 측정되었다. 표준 전극 전위를 Table 2에 나타내었다11).
Fig 5
Polarization curves of Sn-xSb solder alloys in 3.5 wt.% NaCl solution
jwj-36-3-78f5.tif
Fig. 6
Ecorr value during polarization of the Sn-xSb solder alloys in 3.5%NaCl solution
jwj-36-3-78f6.tif
Table 1
Experimental data of the Sn-xSb solders alloys under polarization in 3.5 %NaCl solution
Solder βa (mV/dec) βc (mV/dec) Ecorr (mV) Icorr (uA/cm2) Rp (Ω·cm2) Ep (mV) Ic (A/cm2)
Sn-5Sb 106.99 130.41 -506 5.01 5.10×103 34.31 0.0214
Sn-8Sb 83.62 121.18 -477 7.74 2.79×103 -12.16 0.018
Sn-10Sb 31.22 26.66 -429 7.96 2.32×103 -71.15 1.48
Sn-8Sb-3Ag 35.68 133.23 -418 9.19 1.33×103 -1.16 0.017
Table 2
Standard electrode potentials of Sn, Sb, and Ag
Electrode reaction Standard potential at 25°C (V vs SHE)
Sn2++2e- → Sn -0.136
Sb3++3e- → Sb 0.10
Ag++e- → Ag 0.799
기존 문헌에 따르면 선형분극저항(Rp)은 전극표면에서의 부식속도와 반비례적 관계가 있다고 보고되고 있으며, Stern-Geary 식을 사용하여 Rp를 구하였다12,13). 이때의 βa 와 βc 는 양극 및 음극의 타펠 기울기이며, 솔더 조성에 따라 계산된 RpFig. 7 에 나타내었다. Sn-5Sb는 5.10×103 Ω·cm#1, Sn-8Sb는 2.79×103 Ω·cm#1, Sn-10Sb는 2.32×103 Ω·cm#1, Sn-8Sb-3Ag는 1.33×103 Ω·cm#1 의 값을 구하였다.
Fig. 7
Rp value during polarization of the Sn-xSb solder alloys in 3.5%NaCl solution
jwj-36-3-78f7.tif
기존 연구에 따르면, 솔더 내부의 금속간화합물과 Sn 사이의 전위차에 의한 갈바닉 부식의 효과로 금속간화합물이 증가함에 따라 부식저항이 낮게 측정된다고 보고되고 있다14,15). 따라서 Sb 함량이 증가함에 따라 SnSb 금속간화합물이 증가하게 되어 Rp가 낮게 측정된 것으로 사료된다16). 또한, Sn-8Sb-3Ag 솔더에서는 SnSb 및 Ag3Sn 금속간화합물의 생성에 따른 Rp가 낮게 측정된 것으로 사료된다.

4. 결 론

Sb함량에 따른 Sn-xSb계 솔더의 25°C, 3.5 wt% NaCl 용액에서 부식 시험을 진행하였다. 이를 기초로 Sn-xSb계 솔더의 전기화학적 부식특성 및 선형분극저항(RP)을 비교하였다. 이러한 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) Sn-xSb계 솔더의 미세구조 관찰결과, Sn-(5, 8, 10)Sb 솔더의 경우 β-Sn 조직 내에 수 um 이하의 SnSb 금속간화합물이 미세하게 분산되어 있으며, Sb의 함량이 높아질수록 SnSb 금속간화합물의 양은 증가하였다. Sn-8Sb-3Ag 솔더의 경우 β-Sn 조직 내에 SnSb, Ag3Sn 금속간화합물이 분산되었다.
2) 부식전위 비교 결과, Sb의 함량이 증가할수록 부식전위가 높게 측정되었다. Sb의 함량이 증가할수록 부식전위가 높게 측정되는 이유는 표준 전극 전위에 따라 Sb, Ag 보다 Sn 값이 상대적으로 낮아 Sn의 함량이 높은 Sn-5Sb 솔더의 부식전위가 가장 낮게 측정된 것으로 사료된다.
3) 선형분극저항 비교 결과, Sb와 Ag의 함량이 증가할수록, 선형분극저항이 낮게 측정되었다. SnSb 및 Ag3Sn 금속간화합물의 증가에 따른 Sn과 금속간화합물의 전위차에 의한 갈바닉 부식의 효과로 부식저항이 낮게 측정된 것으로 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부 글로벌전문기술개발사업의 지원으로 수행되었습니다.

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