레이저 용적 브레이징기술(LDB; Laser Droplet Brazing)과 전망

LDB에서 나타나는 현상은 4단계 상(phase)으로 분류되는데, 솔더 예비성형체는 노즐 안으로 유입되어 정의된 지속시간의 레이저펄스로 조사된다. 예비성형체는 액상선온도 위에서 가열되어 노즐습윤의 원인이 된다. 질소압력에 의해서 액상의 브레이징 용적은 노즐로부터 분출된다. 용융된 브레이징 용적은 계속적으로 압전세라믹과 구리와이어의 금속화로 습윤시켜 고정된 전기기계적인 접합을 하게 된다. 접합에 영향을 주는 제조인자는 레이저출력, 펄스지속시간, 노즐내부의 질소압력, 노즐사이의 거리 및 기판의 금속화이다.

Stein 등은 Cu89Sn11 예비성형체를 이용한 LDB기술을 검토하였으며, 압전세라믹 액추에이터 모듈의 전기기계식 접촉을 원활히 하기 위해서 기존의 WC/Co노즐과 비교해서 ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 노즐재료와 형태를 조사하였다. 특히 접합부 위치의 정확성, 접합부 높이 및 분리 시간에 미치는 노즐의 영향을 평가하여 매우 긍정적인 해결책을 찾아내었다.

Jeromen 등은 Ni과 Ag15Cu80P5 합금호일을 이용하여 여러 두께로 레이저 용적발생법을 시도하였다. 이 방법은 특히 더 작은 용적의 발생에서도 유동성을 향상시킬 수 있었으며, 열적 안정성을 가져다주었다. 레이저 용적 브레이징법은 크게 와이어 브레이징과 구형(spherical)의 예비성형체를 이용할 수 있다. 와이어 브레이징법에서는 내구력이 있는 접속이 이러한 방법으로 형성시킬 수 있지만, 하나의 용적을 만드는데 재생산성은 낮다. 용적용융이 모든 방향에서 와이어의
끝부분에서 진동하기 때문에 표면에서 용적 위치가 분산되는 경향이 있다. 더욱이 용적의 크기는 임의로 조절할 수 없고, 1mm 이하라고 하는 낮은 제한을 받기 때문에 접합높이에 대한 요구를 만족시킬 수 없다. 브레이징 용적의 대량작업에서는 세라믹부품에서 높은 열응력을 받아 종종 모듈 내에서 균열을 일으키는 단점이있다. 구형의 예비성형체를 사용하는 경우, 세라믹복합 재료의 모듈에 대한 손상을 방지하고, 브레이징 접속에 대한 재생산성을 향상할 수 있다. 또한 브레이징 용적의 양 뿐만 아니라 비행경로(flight path)도 조절할 수 있다. 비행경로는 노즐과 질소의 후압력에 의해 조절되는데, 원하는 접촉점위에 브레이징 용적을 떨어뜨린다.

 

압전기부품을 경량구조체 내에 통합시키는 경우, 기계적인 진동에 대한 센싱 혹은 활성 감쇠(active damping)에 대한 가능성을 높이거나 혹은 에너지 수확(harvesting)에도 활용할 수 있다. 또한 압전기모듈은 600℃까지의 고온에 노출되기 때문에 전기적 접촉부위가 고온하중에 견디기 위해서는 최소한의 접합높이가 필요하다. 그러나 다이캐스팅 동안의 높은 압력에 대비해 200㎛ 이하의 매우 작은 접합높이가 요구되고 있다.

 

Quentin 등은 연속적으로 대량의 브레이징 용적을 만들어내기 위하여 구형의 예비성형체를 사용하였다. 예비성형체 직경을 노즐의 출구직경보다 약간 크게 하여 우선 노즐출구를 막은 상태에서, 질소를 가압하여 브레이징 볼이 노즐로부터 분출되어 나오게 하였다.

단일 브레이징 구(sphere) (Cu89Sn11, d=600㎛)를 노즐안으로 공급하고 노즐출구를 막고, 질소압력을 100-140 mbar로 가압하여 기판을 완전히 가열하지 않아도 브레이징이 가능하도록하였으며, 에너지입력을 정확하게 조절하였다.

 

[레이저 용적 브레이징기술(LDB; Laser Droplet Brazing) 전망]

구형의 브레이징 예비성형체는 세라믹노즐 내에 위치되어 있으며, 계속적으로 레이저펄스에 의해 용융된다. 질소가압을 통하여 노즐로부터 분출된 액상 솔더는 금속화 패드와 구리와이어의 표면을 습윤시켜, 응고 후에 브레이징 접합이 되는 공정을 레이저 용적 브레이징이라 부른다.

구조부품에 집적된 활성 압전세라믹 부품에 대한 적용분야로서 활성 감쇠(damping), 에너지 수확기술(harvesting), 혹은 진동과 재료파괴에 대한 모니터링 등이 있다. 향후 LDB 공정에서 해결해야 할 문제점은 도체(conductor)를 손상시키지 않거나 혹은 세라믹기판의 금속화가 일어나지 않게 하여 부품들을 전기적으로 접촉하는 것이다. 특히 압전부품은 주조된 알루미늄으로 제조된 구조체 내에 집적되어 있으므로 높은 기계적 강도와 내열성이 요구되고 있으므로 이에 대한 연구가 필요하다.

예비성형체에 대하여 에너지입열(즉, 레이저펄스에너지와 지속시간)을 낮추는 연구는 세라믹의 열적하중을 최소로 유지시킬 수 있으며, 균열을 방지하는데 효과적이다. 또한 브레이징재료의 증발없이 완전한 용융이 가능하다. 만약 레이저출력이 낮으면 예비성형체는 완전히 녹지 않고 노즐을 막지만, 너무 높으면 증발이 스플래터를 유도하여 잔사가 노즐 내에 남을 수 있고, 브레이징 되는 위치에 편차가 발생할 수 있기 때문에 최적의 레이저출력 범위를 찾는 것도 중요한 과제이다.

브레이징 위치의 정확성을 기하기 위해서는 향후 노즐출구와 기판 사이의 거리를 최소로 유지하는 연구가 필요하고 레이저빔에 관한 브레이징의 정확성과 질소압력도 중요한 제조조건이 될 수 있다. 특히 브레이징 예비성형체의 크기가 작으면 브레이징 높이를 줄이는 효과가 있기 때문에, 작은 예비성형체를 형성시키기 위해서는 노즐크기를 줄이는 연구가 요구되고 있다.

 

출 처 : 최신의 고능률 브레이징 기술개발 동향(Recent Study of Technical Development for High Efficient Brazing) /

          유호천 / 한국과학기술정보연구원 / ReSEAT 프로그램 전문연구위원