In the electronic packaging field, the minor addition of Ni and Zn in Sn-based Pb-free solders has been recommended to enhance the mechanical properties of solder joint. In order to thermodynamically evaluate the proper composition level of Ni and Zn as well as to analyze the reaction with the Ni substrate, the thermodynamic data are needed for the Sn-Ni-Zn ternary system. In this study, the phase equilibria of the Sn-Ni-Zn ternary system have been investigated at $200\degC$, $500\degC$, and $800\degC$ (less than 60 at% Ni). To identify the equilibrium phases, the scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and electron probe microanalysis (EPMA) were used. On the basis of the experimental data and thermodynamic parameters, the isothermal sections of the Sn-Ni-Zn ternary system have been modified in consideration of the ternary solubility in the binary phases.
전자패키징 공정 중 솔더 공정에서 가장 많이 사용되는 Pb은 인체의 유해함과 환경적인 문제때문에 사용이 금지되었다. 따라서 납솔더를 대체하는 다양한 무연 솔더 합금들이 개발되었고, 최근에는 가장 많이 사용되는 SAC솔더의 문제점을 해결하고 원하는 특성을 얻기 위해 다양한 합금 원소를 첨가하고 있다. 첨가하는 미량 합금 원소 중, Ni은 SAC솔더와 Cu 하부금속층 사이의 계면 반응에서 생성되는 금속간 화합물의 성장을 억제하는 효과를 나타낸다. 또 다른 미량 합금 원소인 Zn 또한, 계면 화합물의 성장을 억제할 뿐 아니라 시효처리 시 소모되는 Cu 하부금속층의 양을 현저히 줄이는 역할을 한다. 따라서 Sn을 기반으로 하는 솔더에 첨가되는 Ni과 Zn의 성분비를 조절하는 것은 매우 중요한 일이며 이는 열역학적 자료를 바탕으로 예측할 수 있다. 본 연구에서는 Sn, Ni 그리고 Zn로 구성된 3원계에 대한 열역학적 이해를 위하여 Ni-Sn, Sn-Zn, Ni-Zn 2원계의 열역학 파라미터를 최적화하여 Sn-Ni-Zn 3원계 상태도를 계산하였다. 그리고 계산된 상태도를 이용해 Sn-Ni-Zn 3원계 $200\degC$, $500\degC$, $800\degC$ 의 합금 조성을 각각 16개, 11개, 11개 선정하여 실험을 통해 평형상을 얻고 OM, SEM, EPMA, XRD를 이용하여 분석하였다. 그 후 분석한 실험결과와 열역학 파라미터를 바탕으로 2원계상에 대한 3원 고용도를 고려하여 $200\degC$, $500\degC$, $800\degC$ 에서의 Sn-Ni-Zn 3원계 등온상태도를 구현하였다.
