금속 간 접합 분야, 특히 납땜에서는 금속간 화합물이 피할 수 없는 존재입니다. 금속이 다른 금속과 “화학적”으로 결합하는 기본적인 방법은 두 가지가 있습니다: 1) 용체 2) 금속간 화합물. 이번에는 납땜 분야와 가장 밀접한 관련이 있는 금속간 화합물에만 초점을 맞추겠습니다.
많은 사람들이 “젖음”과 금속간 화합물 형성(결합)을 혼동하거나 서로 바꿔서 사용합니다. 젖음은 그저 젖는 현상일 뿐입니다. 솔더가 표면에 “젖는다”고 해서 반드시 금속간 “결합”이 형성된 것은 아닙니다. 예를 들어, 저 역시 직접 해본 적이 있는데, 55.5% Bi와 44.5% Pb로 구성된 합금을 구리 조각 위에 녹여 바를 수 있습니다. 녹은 BiPb는 흐르면서 구리 표면에 “젖어” 들어갑니다. 하지만 합금이 응고(냉각)되면 BiPb를 떼어낼 수 있습니다. 왜일까요?… BiPb와 구리 표면 사이에 금속간 화합물이 형성되지 않았기 때문입니다.
금속간 화합물이 형성되려면 표면의 금속 코팅 일부가 용융된 솔더에 용해되어야 합니다. 이러한 이유로 Sn(주석)은 오랫동안 솔더 합금의 핵심 성분으로 사용되어 왔습니다. 용융된 Sn(주석)은 다른 많은 금속을 용해시키는 데 탁월한 용매입니다. 그리고 우리에게 다행스럽게도, 이러한 “다른 많은 금속”에는 구리, 금, 은, 그리고 그보다 적은 정도이지만 니켈과 같은 원소들이 포함됩니다. 이러한 다른 금속들이 용융 주석(솔더)에 용해되는 속도는 각기 다릅니다. 금은 솔더에 쉽게 용해되는 반면, 니켈은 천천히 용해됩니다. 따라서 각 금속마다 용해 속도가 다르기 때문에, 금속간 화합물이 형성되는 속도도 달라집니다. 저는 오랫동안 구리에 납땜을 해 온 기업들과 협력해 왔는데, 어떤 이유에서인지 ENIG(무전해 니켈/침지 금) 표면으로 전환해야만 하는 상황에 처한 경우가 있습니다. (금층은 매우 얇으며, 니켈을 산화로부터 보호하기 위해서만 도포된다는 점을 유의해야 합니다. 이 금층은 용융된 솔더에 쉽게 완전히 용해되며, 실제로는 니켈 표면과 ‘접합’이 이루어집니다). 이러한 변경을 단행할 때, 기업들은 때때로 불완전한 습윤, 낮은 접합 강도 등과 같은 여러 문제를 겪으면서도 그 원인을 파악하지 못합니다. 이들은 구리와의 양호한(금속간 화합물) 접합을 이끌어냈던 동일한 리플로우 프로파일(시간 및 온도)이 니켈과의 동일한 금속간 화합물 접합을 얻기에는 불충분하다는 사실을 인지하지 못하고 있습니다. 충분한 금속간 화합물 형성을 위해 프로파일(시간 및/또는 온도)을 조정하면, 만족스러운 솔더 접합부를 얻을 수 있습니다. 고체가 액체에 용해되는 현상인 용해는 시간과 온도의 영향을 모두 받는다는 점을 명심하십시오. 일반적으로 시간이 길고 온도가 높을수록 용해 정도가 커지며, 결과적으로 더 많은 금속간 화합물이 형성됩니다.
서두에서 언급했듯이, 금속간 화합물은 ‘피할 수 없는 악’입니다. 왜 ‘악’일까요? 이는 솔더 접합부에서 가장 취성이 높은 부분이 되기 때문입니다. 일부 금속간 화합물은 다른 것보다 더 취성이 높습니다. (특정 금속 도금에 사용할 솔더 합금을 선택할 때 이 점을 고려해야 합니다). 예를 들어, Sn과 Au 사이에 형성되는 금속간 화합물은 대개 극도로 취성이 강합니다. 취성이 강하기 때문에 파단 등이 발생할 수 있습니다. 이는 ‘많을수록 좋은’ 것이 항상 적용되는 것은 아닌 경우입니다. 물론, ‘결합’을 형성하기 위해서는 금속간 화합물이 필요합니다. 금속간 화합물 층이 너무 얇으면 문제가 될 수 있지만, 너무 두꺼운 경우에도 그 못지않게, 혹은 더 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 믿기 어렵겠지만, 솔더가 자체 금속간 화합물 층에 잘 접착되지 않을 수도 있습니다. 금속간 화합물은 일반적으로 결정질이며 화학적으로 안정된 구조를 띠고 있어… 일단 형성되면 다른 물질과 실제로 반응하지 않습니다. 파단된 솔더 접합부를 본 적이 있다면, 파단이 금속간 화합물 층과 솔더 본체 사이의 경계면에서 발생했을 가능성이 높다는 것을 눈치챘을 것입니다.
과도하게 두꺼운 금속간 화합물 층이 초래할 수 있는 또 다른 결과는 계면에서 발생하는 “공극”입니다. 왜 그럴까요? 우선 반응 생성물을 살펴봐야 합니다. Sn과 Cu 사이에 금속간 화합물 층을 형성하는 반응 생성물에는 기본적으로 두 가지 유형이 있습니다. 바로 Cu3Sn과 Cu6Sn5입니다. f
첫 번째 경우에는 스냅(Sn) 원자 1개당 구리(Cu) 원자가 3개이고, 두 번째 경우에는 스냅 원자 5개당 구리 원자가 6개입니다. 두 경우 모두 구리 원자가 스냅 원자보다 더 빨리 소모됩니다. 이러한 반응의 불균형으로 인해, 극단적인 상황을 가정할 때 구리 표면에 작은 구멍이나 공극(“voids”)이 형성될 수 있습니다.
금속간 화합물의 형성은 납땜 공정에만 국한되지 않습니다. 금속 원자는 고체 상태에서도 확산될 수 있습니다. 그리고 이러한 이동으로 인해 금속 원자들이 상호작용하고 반응하여 금속간 화합물을 형성하거나, 기존의 금속간 화합물 층이 두꺼워질 수 있습니다. 금속간 화합물 층이 얼마나 변화할지, 그리고 이것이 접합부의 기계적 특성에 어떤 영향을 미칠지 측정하기 위해 종종 “노화” 실험이 수행됩니다.
금속간 화합물에 대해 철저하게 다루는 것은 이 블로그 게시물의 범위나 취지를 훨씬 벗어난 일입니다. 이 주제에 대해서는 책 한 권을 통째로 쓸 수도 있을 정도입니다. 따라서 제가 금속간 화합물이라는 주제를 제대로 다룬다고 말하기는 어렵습니다. 다만 이 주제에 대해 조금이나마 이해를 돕는 데 그칠 뿐입니다.
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