Effects of Ultrasonic Atomization Parameters on the Properties of Sn-58Bi Powder and Its Application in Ultrasonic-Assisted Soldering

당신이 금속으로 아주 작고 완벽한 도시를 건설하려고 한다고 상상해 보십시오. 이를 위해서는 건축 블록인 금속 분말이 마치 작은 구슬처럼 완벽하게 둥글고, 모두 대략 비슷한 크기여야 합니다. 만약 당신의 블록이 울퉁불퉁한 돌덩어리거나 이상한 덩어리로 뭉쳐 있다면, 당신의 도시는 약하고 지저분해질 것입니다. 이것이 바로 3D 프린팅된 가젯부터 전자 제품을 고정하는 미세한 솔더 조인트(납땜 접점)에 이르기까지 모든 것을 만드는 보이지 않는 먼지, **금속 분말(metal powders)**의 세계입니다. 하지만 이 완벽한 "구슬"을 만드는 것은 까다로운 일입니다. 전통적인 방식은 마치 망치로 점토를 조각하려는 것과 같습니다. 지저분해지거나 불순물이 섞일 수 있고, 금속을 매끄러운 구체가 아닌 구겨진 탄산음료 캔처럼 보이게 만들 수 있기 때문입니다.

여기 **초음파 미립화(ultrasonic atomization)**라는 기술이 있습니다. 이 기술은 고주파 음파를 사용하여 액체 금속을 미세한 안개 형태의 방울로 바꿉니다. 이것은 마치 탄산음료 병을 너무 세게 흔들어서 액체가 지저분하게 튀는 대신 완벽하고 작은 안개가 되어 뿜어져 나오는 것과 같습니다. 음파는 용융된 금속 표면에 물결을 만들고, 이 물결이 충분히 커지면 작은 방울들이 떨어져 나와 분말로 냉각됩니다. 하지만 여기서 문제는, 마치 케이크를 굽는 것처럼 "레시피"가 중요하다는 것입니다. 소리가 얼마나 큰가? 금속은 얼마나 뜨거운가? 용기를 회전시키는가? 그리고 금속이 녹슬거나 산화되지 않도록 공기로부터 보호하는가? 만약 레시피를 틀리면, 덩어리지고 보기 흉한 결과물이 나옵니다. 만약 제대로 맞춘다면, 미래의 전자 제품을 위한 완벽한 건축 블록을 얻게 될 것입니다.

이 연구는 전자 부품을 붙이는 데 사용되는 특정 종류의 무연 금속 합금인 Sn-58Bi 분말을 만드는 레시피를 깊이 있게 파고듭니다. 연구원들은 네 가지 주요 재료, 즉 소리의 크기(진폭), 금속의 온도, 금속 용기의 회전 여부(소노트로드 회전), 그리고 일반 공기 대신 아르곤 가스의 보호막 속에서 조리하는지 여부를 조절하며 숙련된 요리사처럼 행동했습니다. 그들은 각 변화가 결과물인 분말의 모양, 크기 및 청결도에 어떤 영향을 미치는지 확인하고자 했습니다. 일단 "황금 레시피"를 찾아낸 후, 그들은 분말 작업에서 멈추지 않고 이를 솔더 페이스트(납땜 페이스트)로 만들어 전자 접합부가 얼마나 잘 견디는지 테스트했으며, 직접 만든 페이스트를 시판되는 상업용 제품과 비교했습니다.

완벽한 구체의 소리

연구팀이 가장 먼저 테스트한 것은 초음파 소리의 크기였습니다. 금속 용융물을 트램펄린이라고 상상해 보십시오. 만약 살살 뛰면(낮은 진폭), 작은 물결만 생깁니다. 하지만 세게 뛰면(높은 진폭), 트램펄린이 격렬하게 튀어 올라 표면을 더 작고 균일한 조각들로 부숩니다. 연구원들은 소리를 30% 진폭까지 높였을 때가 최적의 지점이라는 것을 발견했습니다. 이 수준에서 분말 입자는 가장 작고 둥글었으며, 중앙값 크기(D50)는 83.37 μm였습니다(단, 최종 최적화 혼합물에서는 65.5 μm였습니다). **20%**와 같은 낮은 볼륨은 울퉁불퉁한 돌덩어리와 큰 입자에 딱지처럼 붙어 있는 작은 "위성" 입자들이 섞인 지저と共に한 결과물을 낳았습니다. 큰 소리는 더 강한 물결과 더 격렬한 "캐비테이션(액체 내부에서 미세한 기포가 터지는 현상)"을 만들어내어, 금속을 완벽하고 작은 구체로 찢어내는 데 도움을 주었습니다.

골디락스 온도

다음으로, 그들은 열을 가지고 놀았습니다. 뜨거울수록 금도가 꿀처럼 잘 흐르기 때문에 항상 더 뜨거운 것이 좋다고 생각할 수도 있습니다. 하지만 연구원들은 "골디락스(딱 적당한)" 구역을 발견했습니다. 금속을 녹는점보다 약간 높은 199 °C로 가열했을 때 분말은 매우 우수했습니다. 그러나 열을 499 °C까지 올리자 문제가 발생했습니다. 분말이 더 커지고, 덩어리지고, 덜 둥글어졌습니다. 왜 그럴까요? 높은 온도에서는 금속이 공기와 반응하여 딱딱한 산화막(crusty oxide film)을 형성하기 때문입니다. 이 막은 마치 단단하고 마른 껍질처럼 작용하여 방울이 완벽한 구체로 줄어드는 것을 방해합니다. 이는 겉면에 딱딱하고 마른 껍질이 생긴 반죽을 굴리려고 하는 것과 같아서, 매끄러운 구체가 될 수 없게 만듭니다. 가장 좋은 결과는 온도를 199 °C로 비교적 낮게 유지하여 금속을 깨끗하고 유동성 있게 유지했을 때 나타났습니다.

회전인가 정지인가

연구팀은 피자 반죽을 크게 만들기 위해 반죽을 돌리는 것처럼, 금속 용기를 회전시키면 도움이 될지 궁금해했습니다. 그들은 0 rpm(정지), 10 rpm, 20 rpm의 속도를 테스트했습니다. 놀랍게도 회전은 분말을 더 좋게 만드는 것이 아니라 오히려 악화시켰습니다. 회전은 분말 수득률을 높이는 데는 도움이 되었지만, 품질을 망쳤습니다. 회전하는 힘은 액체를 불균일하게 밖으로 던져버려, 거대한 방울과 아주 작은 방울이 섞이게 만들었습니다. 분말은 덜 둥글고 더 불규칙해졌습니다. 이 특정 레시피의 경우, **용기를 가만히 두는 것(0 rpm)**이 가장 균일하고 구형인 입자를 얻는 비결이었습니다.

보이지 않는 방패

가장 극적인 변화는 분위기를 바꾸는 데서 왔습니다. 그들은 일반 공기에서의 제조와 보호용 아르곤 가스 담요를 비교했습니다. 아르곤은 공기보다 무거워서 아래로 가라앉아 산소를 밀어내며, 금속이 뜨거운 동안 녹슬지 않도록 방지합니다. 차이는 밤과 낮만큼이나 뚜렷했습니다. 공기 중에서는 분말이 다소 덩어리지고 산소 함량이 높았습니다. 아르곤 속에서는 분말이 훨씬 더 미세해졌으며, 중앙값 크기가 65.5 μm로 감소했고(29.19% 감소), 입자는 훨씬 더 둥글었습니다(구형도가 0.79에서 0.87로 상승). 아르곤 방패는 금속을 깨끗하게 유지하여, 딱딱한 산화층의 방해 없이 음파가 완벽하게 제 역할을 수행할 수 있도록 했습니다.

마지막 테스트: 결합하기

최적화된 분말 레시피(30% 진폭, 199 °C, 회전 없음, 아르곤 가스)를 갖춘 연구원들은 맞춤형 솔더 페이스트를 만들어 구리판에 테스트했습니다. 그들은 산화층을 닦아내고 솔더가 잘 흐르도록 돕는 특수 초음파 보조 솔더링(ultrasonic-assisted soldering) 기술을 사용했습니다. 그들은 음파를 적용하는 시간(2초에서 16초 사이)과 접합부를 유지하는 시간(holding time)을 조절하며 실험했습니다.

결과는 "많을수록 항상 좋은 것은 아니다"라는 명확한 이야기였습니다. 초음파를 8초 동안 적용했을 때 접합부가 가장 강했으며, 전단 강도는 44.7 MPa에 달했습니다. 이것이 음파가 표면을 깨끗하게 하고 금속이 완벽하게 결합하도록 도와 약 2.68 μm 두께의 얇고 강한 금속간 화합물(IMC) 층을 형성하는 "최적의 지점"이었습니다. 하지만 초음파를 16초 동안 계속 켜두면 접합부가 약해졌습니다. 음파가 너무 공격적이어서 새로 형성된 결합층을 말 그대로 산산조각 내고 분해해 버렸기 때문입니다. 이것은 정교한 시계를 닦는 데 칫솔을 사용하는 것과 같습니다. 부드럽게 문지르면 깨끗해지지만, 너무 세게 문지르면 기어를 망가뜨리는 것과 같습니다.

결국, 최적화된 분말을 사용한 그들의 맞춤형 페이스트는 거의 모든 테스트에서 상업용 제품보다 더 나은 성능을 보였습니다. 이 연구는 소리, 열, 그리고 분위기를 세심하게 조율함으로써, 미래의 전자 제품을 위한 더 강하고 신뢰할 수 있는 연결을 만드는 우수한 금속 분말을 만들 수 있음을 증명합니다. 이는 때때로 미래를 건설하는 가장 좋은 방법은 금속 자체의 소리에 귀를 기울이는 것임을 상기시켜 줍니다.