마이크로 접합에 대한 미세구조의 시험평가기법은 일반적으로 재료의 분석, 평가에 사용되어지는 평가기법과 동일하게 적용되고 있다. 마이크로 접합(Micro-joining)에 대한 일반적 정의는 다음과 같다. "마이크로 접합이란 접합하고자 하는 대상부가 미세하기 때문에 접합 대상부의 크기가 큰 경우에 문제가 되지 않았던 접합부에서의 용해량, 확산 두께, 변형량, 표면 장력 등이 접합성 및 접합 품질에 무시할 수 없는 영향을 주기 때문에, 이러한 치수 효과(size effect)를 특히 고려해야 할 부위에 적용되는 접합법의 총칭이다"1). 미세접합에 대하여 미세구조의 시험평가가 중요한 이유도 일반적 재료에서 주요인자로 작용하지 않을 수 있는 미세구조의 변화가 기초적 물성에 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다.
미세구조의 분석에 있어서 분석자는 평가대상영역의 크기별로 거시구조(Macrostructure), 미세구조(Microstructure), 초미세구조(Ultra-microstructure) 등으로 나누어 접근하게 되며 어떠한 조직 혹은 상(Phase)이 있는가와 그 크기, 간격, 분포상태 등을 결정하게 된다. 미세구조(Microstructure)는 거시구조(Macrostructure)에 상대되는 용어이나 산업현장에서는 거시구조도 미세영역(마이크론 단위)에서 관찰하여 논하는 범주에 있어 본 기술서 에서는 마이크로 단위의 용접부에 대한 재료구조에 대하여는 모두 미세구조의 평가로 한다. 미세구조는 결정립의 크기 및 형태 (grain size, feature), 결함의 형태, 분포(Defect feature, distribution), 상변태(phase trasformation)등을 정량, 정성적으로 분석, 평가하여 재료의 인장강도, 경도, 전기전도도 등 기초 물성에 영향을 미칠 수 있는 인자를 제어하고 이를 통해 제품과 제조공정의 품질과 공정조건 등을 개선하는 것을 목표로 하고 있다. 미세구조를 이해하기 위하여서는 조직학, 강도학, 결정학 등 일반적 재료공학의 접근이 필요하나 본서에서는 산업현장에서 주로 사용되는 기기를 중심으로 미세조직의 평가. 화학성분의 평가, 상 평가, 결함평가, 파단면 평가 등으로 나누어 그 개요와 주요 사용장비, 평가방법 및 활용되는 예시를 제시하여 현장 연구자 및 기술자가 미세조직의 평가에 쉽게 접근할 수 있게 하고자 하였다.
6-1. 미세조직평가
2005-11-07
6-1-1. 개요
재료의 기계적, 물리적, 전기적 물성은 미세구조의 차이에 의해 결정적으로 영향을 받게 된다. 즉, 재료의 미세구조를 정확히 분석, 평가하게 되면 그 재료가 지니는 물성을 미세구조와 연계하여 재료의 물성을 예측할 수 있게 된다. 예를 들어 재료의 미세조직을 광학현미경, 혹은 전자현미경으로 관찰하여 결정립의 크기 및 형태와 결함의 유무, 분포 형상, 편석의 형태 등을 분석하게 되면 그 재료의 인장강도, 경도, 내식성, 전도성 등 물리, 화학적 기초 물성을 예측 할 수 있게 되기 때문에 미세구조의 분석, 평가는 재료의 선택 및 공정제어에 매우 중요한 시험평가 방법이다.
미세 접합부, 특히 금속의 미세 접합부에 대한 미세구조의 평가는 매우 포괄적 의미를 담고 있어서 결정립, 화학성분, 결함, 상분포 등의 다양한 부분을 관찰, 평가하는 것을 의미하고 있으나 화학성분, 결함, 상분포 등에 대하여는 다음 절(3-2, 3, 4, 5절)에 보다 상세히 설명하기로 하고 3-1절에서는 재료의 결정립 크기 및 형상과 표면의 형태 등을 확대 관찰하는 방법과 시편준비법, 결과해석에 대하여 서술하였다.
미세 접합부를 확대하지 않은 상태에서 육안으로 관찰할 수 있는 최소 크기는 약 0.1㎜(100㎛)로 일반적인 재료의 결정립 크기를 확인하는 것은 한계가 있어 현미경을 이용한 관찰이 주를 이루게 되는데 일반적으로 광학현미경의 배율이 평균 500배에서 1000배임으로 관찰 가능한 최소 크기는 약 0.001㎜(1㎛)가 된다. 이하 보다 작은 영역은 전자현미경을 이용하여 평가하게 된다. 그림 3-1-1은 분석영역의 크기별로 분석 가능한 영역과 이미지로부터 얻을 수 있는 정보를 나타내고 있다.
6-1-2. 장비
일반적으로 미소접합부의 미세 조직은 관찰하고자 하는 면적의 영역에 따라 광학 현미경(Optical Microscope, OM), 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope. SEM) 혹은 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope)을 이용하여 미세조직을 관찰한다.
그림 3-1-1. 관찰영역의 크기별로 분석 가능한 장비 및 미세구조의 형태
6-1-3. 시험평가 방법
(1) 시편준비(Sample Preparation)
현미경 관찰을 위한 시편제작은 현미경의 종류, 관찰 내용에 따라 준비하는 내용이 조금씩 달라지나, 미세조직 관찰영역을 경면 연마하는 과정까지는 동일하다. 시편을 절단하고 이후 연마지(#100 - #2000)와 천(Clothing paper)을 이용하여 경면 연마한다. 이때 미소시편일수록 절단 시에 열적 충격을 받지 않도록 저속으로 충분한 윤활과 냉각을 지니는 조건으로 절단하는 것이 필요하며 연마공정에서도 물과 기름을 이용하여 냉각, 윤활조건을 갖추는 것이 중요하다. 이후 광학현미경의 관찰일 경우에는 재료에 맞는 표면 부식액 (Etchant)을 활용하여 표면을 얇게 부식시켜 관찰한다. 부식액의 농도에 따라 급격한 부식이 발생할 수 있으므로 부식액을 처음 제조한 경우, 2-5초 단위로 부식과 세정(순수 사용)을 반복하면서 부식정도를 판단하여 가장 알맞은 조건을 설정하는 것이 중요하다. (재료에 맞는 에칭액과 각 조건에 대해서는 “금속현미경 조직학”-김정근 외, 1999,도서출판 골드, pp687-743-를 참조)
SEM 관찰의 경우, 마운팅을 한 시편이나 전기전도도가 나쁜 시편은 반드시 관찰 표면에 Au나 Pt, 혹은 carbon coating을 통하여 표면 도전성을 주어야 양질의 이미지(image)를 얻을 수 있다. SEM의 시편은 진공 중에 관찰하는 것임으로 분말형태의 시료를 직접 장입하거나, 페이스트 등의 경우 건조가 완전히 이루어진 후에 관찰하는 것이 필요하다.
(2) 광학 현미경(Optical Microscope, OM)
광학현미경은 시편으로부터 빛을 사용하여 대물렌즈에 의해 시편이 확대된 실상을 맺고, 이것을 접안렌즈에 의해서 재 확대하는 장치로서 광원은 빛을 이용한다. 광학현미경은 원하는 관찰목적에 따라 명시현미경, 암시현미경, 편광현미경 등 이 있으며 대물렌즈의 배율을 바꾸어 원하는 배율로 맞출 수 있다.
그림 3-1-2는 현미경에서 관찰할 수 있는 미세구조를 분류하여 나타내고 있다. 현미경에서는 결정립의 크기, 형태 외에도 결정방향성, 결정의 균질성, 상분포, 미소균열, 공s공(voids)의 크기, 분포형태, 불순물의 분포 및 크기, 표면의 형상 등 매우 다양한 시료의 표면정보를 얻을 수 있다.
그림 3-1-3은 일반적으로 사용되고 있는 편광현미경의 실제모습과 원리를 개략적으로 나타내고 있다. 편광현미경은 광학현미경에서 특정방향의 광을 편광 시켜서 결정립의 방향성을 관찰할 수 있는 현미경으로 그 원리는 필터(filter)를 제외한 대부분이 광학현미경과 같다.
그림 3-1-2. 현미경을 통해 평가가 가능한 미세조직의 분류
그림 3-1-3. 편광현미경의 실물 및 원리의 개략도
(3) 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)
주사전자현미경(Scanning electron microscopy, 이하 SEM)은 고체상태에서 마이크론 혹은 이보다 작은 크기의 미세조직과 형상을 관찰하는데 가장 다양하게 쓰이는 현미경이다. SEM은 광학현미경에 비해 초점심도(표면의 요철을 같은 초점에서 관찰할 수 있는 정도, 그림 3-1-4참조)가 크기 때문에 3차원적인 영상의 관찰이 용이해서 곡면 혹은 울퉁불퉁한 표면의 영상을 육안으로 관찰하는 것처럼 보여준다. 그림 3-4에서 나타내고 있는 것과 같이 SEM의 경우 D의 초점심도를 지녀서 동일 이미지(한 장의 사진)안에서 3차원 입체 영상과 같이 높낮이를 동시에 관찰할 수 있다. 초점심도 D는 대물렌즈의 구면수차 및 sopt size와 관계가 있는 인자로 높은 초점심도를 원하는 경우에는 저배율, 대물apperture의 size를 작게 조절하면 된다. 그림 3-1-5는 광학현미경에서 관찰한 이미지(a)와 초점심도가 높은 SEM에서 관찰한 이미지(b)를 비교한 그림이다. 사진에서 나타나는 것과 같이 SEM은 초점심도가 높아서 3차원 이미지를 보는 것과 같은 효과를 주고, 이는 요철이 심한 파단면의 관찰이나 표면조도가 높은 시료를 관찰하는데 매우 유리하다. SEM은 가시광선 대신에 가속전자빔을 광원으로 하며, 유리렌즈 대신에 자기 렌즈를 사용하고, 반사된 빛으로 영상을 형성하는 대신에 가속전자와 고체표면의 반응으로 발생되는 2차 전자를 전자 검출기로 검출하여 CRT 스크린에 영상화한다. 이때, 가속 전자빔을 TV 스크린에서처럼 시료의 표면에 주사시키고 동시에 검출된 2차 전자 신호도 CRT의 해당하는 위치로 주사하여 영상으로 나타내게 된다. 주사전자현미경은 광원으로 1 - 30kV로 가속된 전자를 사용함으로 미소영역을 집중적으로 관찰하는 경우 광원에 의해 관찰영역이 손상을 당하는 경우가 있고 진공이 불충분할 경우에는 시료를 장입한 챔버(Chamber)내의 불순물이 표면에 집중적으로 오염을 일으킬 수 있어 주의가 요구된다. 또한 가속에너지의 부적절한 선택은 실제의 이미지를 변질하여 정확한 표면형상의 정보를 얻을 수 없는 경우가 있다. 그림 3-1-6은 가속전압이 1kV, 5kV, 15kV, 30kV 일 경우의 금속샘플을 관찰한 이미지를 보여주고 있다. 사진에서 나타나는 것과 같이 5kV로 가속된 전자를 사용하였을 경우, 엣지(edge)부분에서 밝게 나타나는 엣지효과(edge effect: 엣지부분에서 2차전자의 방출이 평면의 부분보다 많아서 생기는 현상)가 나타나기 시작하며 15kV 이상으로 가속된 전자를 사용한 경우에는 정확한 실제의 이미지를 얻을 수 없다. 이는 가속에너지가 높으면 높을수록 시료에서 나오는 2차전자의 수가 많아져서 밝게 보이는 현상 때문이며 이러한 현상을 방지하기 위해서는 시료에 맞는 에너지를 선택하여야 한다. 일반적으로 엣지가 나타나지 않는 평면 혹은 단면시료에서는 10kV～15kV의 가속에너지를 사용하는 것이 보편적이다.
그림 3-1-4. 초점심도를 나타내는 개략도
(a) (b)
그림 3-1-5. 동일 생체시료를 관찰한 경우의 광학현미경의 이미지(a)와 SEM의 이미지(b)
그림 3-1-6. 가속전압에 따른 이미지의 변화
6-1-4. 결과의 활용
(1) 광학현미경
그림 3-7은 Ni기 초내열합금의 브레이징 시 사용되고 있는 Ni-14Cr-10Co- 3.5Al-2.5Ta-2.8B 삽입금속을 이용하여 브레이징 공정을 행한 후 미소접합부의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 시편준비는 브레이징 공정후에 미소접합부를 절단하고 경면 연마한 후에 5㎖인산+20㎖황산+20㎖질산+55㎖순수를 혼합한 엣칭액을 사용하여 전해연마로 준비하였다. 그림에서 보이는 바와 같이 미소접합부는 두 가지 종류의 공정 상이 존재하는 것으로 보인다(그림 3-1-7. (a)). 미소접합부에 존재하는 두 종류의 공정에 대한 확대된 사진을 그림 3-1-7(b)와 그림 3-1-7(c)에 나타내었다. 광학현미경을 이용한 미세구조 평가 방법은 접합부에 존재하는 상의 형태, 분포 및 2차원적인 영상을 관찰할 수 있다.
그림 3-1-7. Ni-14Cr-10Co-3.5Al-2.5Ta-2.8B 삽입금속을 이용한 미소접합부의 광학 현미경 사진.
(2) 주사전자현미경
그림 3-1-8은 Ni-14Cr-10Co-3.5Al-2.5Ta-2.8B 삽입금속을 이용한 미소접합부의 SEM 사진으로서 접합부는 검은색 각형과 밝은 회색의 두상이 eutectic colony를 형성하고 있는 것으로 관찰된다. 또한 밝은 회색의 상을 고배율로 확대한 사진을 분석한 결과 석출강화형 Ni기 초내열합금에서 일반적으로 생성되는 γ＇상과 같은 형태로 Cuboidal 형태의 석출물이 석출되어 있는 것으로 관찰되었다. 미세접합부의 기지 조직은 진한 회색의 상과 밝은 회색의 상이 이원계 공정으로 이루어져 있는 것으로 관찰된다.
그림 3-1-8. Ni-14Cr-10Co-3.5Al-2.5Ta-2.8B 삽입금속을 이용한 미소접합부의 SEM 사진.
그림 3-1-9는 AWS(American Welding Society) 규격의 Ni 기 삽입금속인 BNi-3 삽입금속을 1200℃에서 1시간 유지 후 노냉한 미소 접합부의 미세조직을 관찰한 사진이다. 그림에서 보여지는 바와 같이 미소 접합부는 초정상으로 보여지는 P 상과 T1, T2 및 T3로 이루어진 삼원계 공정조직과 m 상으로 이루어져 있는 것으로 관찰되어진다.
그림 3-1-10은 BNi-3 삽입금속과 IN738 첨가금속 분말이 혼합된 wide-gap 브레이징부의 미세조직 사진으로서 브레이징부는 삽입금속과 반응하여 모재의 표면에 반응층이 생성된 것으로 관찰되어진다. 또한 브레이징 공정 시 첨가된 IN738 첨가금속 분말은 구형의 형태를 유지하며 브레이징부에 진한 회색의 화합물이 형성된 것으로 보여진다. 첨가금속 분말이 혼합된 브레이징부와 삽입금속만을 이용한 브레이징부의 미세조직 관찰 결과, 첨가금속분말이 혼합됨으로서 초정상과 삼원계 공정을 억제하는 것으로 판단된다.
그림 3-1-9. BNi-3 삽입금속을 미소접합부의 SEM 사진.
그림 3-1-10. BNi-3 삽입금속과 IN738 additive powder가 첨가된 wide-gap 브레이징부의 미세조직
(2-1) 주사전자현미경의 image 관찰 및 사진을 촬영할 때 주의 사항
전자현미경은 눈으로 식별이 불가능한 미세한 시편을 관찰한다. 따라서 현미경 화면에서 제공하는 결과에 대하여 의심 없이 만족한다. 기초에서 배운 것과 같이 현미경과 눈의 구조와 기능은 같다. 그러므로 현미경에서도 착시 현상이 일어날 수도 있다. image의 관찰에 있어서 관찰 image가 아닌 반대의 image를 촬영할 수 있다. 착시 현상이 일어나는 원인은 시편의 위치를 시료 스테이지 회전 손잡이로 회전시키는 것은 관계없고 판넬의 회전 조정기로 시편의 위치를 90도 회전시키면 image가 요철 형상이거나 Pit 형상의 image는 반대로 돌출 되어 보인다. 직접 확인 방법은 요철 부분이 있는 엠보싱이나, pit가 있는 시편을 90도 회전하여 눈으로 보면 깊이가 있는 부분이나 pit는 밖으로 돌출 되는 현상이 생긴다. 따라서 아주 미세한 pit를 관찰할 때 시편의 위치를 회전하였을 경우는 pit 부분을 표면에 묻어 있는 이 물질이나 먼지 또는 개재물로 판단할 수 있다. 그림 3-1-11은 엠보싱 시편을 정상적인 위치로 촬영한것과 회전조정기로 90도 회전시켜 촬영한 사진을 비교하였다.
0도 (정상) 90도 (회전)
그림 3-1-11. 시편 위치의 회전에 따라 생기는 착시 현상
※사진10을 180도 회전시켜 관찰하면 굴곡 부분이 반대로 보임
Pit 또는 엠보싱 깊이가 있는 시편을 사진 촬영하여 사진을 180도 회전시켜 관찰하면 반대 형상으로 보인다.
6-2. 화학성분평가
6-2-1. 개요
어떠한 상(phase) 혹은 구조(structure)을 이루고 있는 성분은 합금을 이루는데 명시된 분율, 예를 들어 Al2O3인 경우 Al 원자 2개와 O 원자 3개로 이루어져 있다. 상의 부피분율(혹은 중량분율)은 평평한 임의의 면에서 면적의 평균값 혹은 라인의 평균값 혹은 점에서의 평균값으로 측정된다. 이때 현미경 혹은 측정장비의 시험조건(측정각, 전자의 에너지 등)에 따라 편차가 발생함으로 주의해서 측정하여야 한다. 특히 SEM을 이용한 EDS나 WDS인 경우에는 전자가속에너지, 측정기의 각도, 일거리(working distance) 등이 변수이다.
재료의 화학적 성분은 미세접합부의 화학성분 분석은 각기 다른 원리에 따라 EDX(Energy Dispersive X-ray), WDX(Wave Dispersive X-ray), AES(Auger Eelctron Spectroscope), SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) 등의 방법이 있다. 3-1절에서 언급했던 SEM은 전자 광원을 이용하여 미소접합부의 거시 조직뿐만 아니라 고배율의 미세조직 관찰이 가능하며 1차 전자와 고체 시료 사이의 반응으로 X-ray이 방출되는데, 이의 에너지와 파장을 검출하기 위하여 EDX(Energy Dispersive X-ray) 혹은 WDX(Wave Dispersive X-ray) 검출기를 장착하여 작은 부피의 화학조성을 빠르고 정확하게 측정할 수 있으며 이의 용도는 미소접합부에 존재하는 상의 영상 관찰과 이의 화학 조성을 분석함으로서 상의 확인이 가능하다.
6-2-2. 장비
(1) 에너지분광검출기 (Energy Dispersive Spectroscopy, EDS) 및 파장분광검출기(Wave Dispersive Spectroscopy, WDS)
에너지 분광검출기(이하 EDS)와 파장분광검출기(이하 WDS)는 전자현미경의 전자총으로부터 발생된 전자빔이 시료 표면에 주사되어 전자와 시편의 원자 사이의 상호작용에 의하여 각종 신호가 발생하는데 이때 발생한 여러 가지 신호 중에 화학 성분을 분석하는 x-ray 신호를 에너지 혹은 파장 detector로 검출하여 시료 중에 함유된 화학적 성분을 분석하는 장비이다. 전자현미경에서 관찰한 개재물이나 어떤 특정한 형태를 area 또는 spot로 선택하여 정성 분석 및 정량분석을 할 수 있으며, 여러 가지 원소를 동시에 분석할 수 있고 분석 시간이 짧다. EDS 및 WDS는 투과 전자현미경이나 전자현미경에 연결하여 사용할 수 있는 분석 장비이다.
EDS를 이해하고 분석기기로 활용하기 위해서는 전자와 시료의 상호작용을 이해해야 한다. 그림 3-2-1은 전자와 시료간의 상호작용을 보여주는 모식도이다.
(a)
(b)
그림 3-2-1. 전자와 시료의 상호작용을 나타내는 모식도
그림3-2-1의 (a)에서 보듯이 초기 1차전자(전자현미경의 Gun에서 나온 초기 전자)가 시료에 존재하는 K, L, M각의 전자운에서 K각의 전자를 맞아 맞은 전자가 궤도를 이탈하여 튀어나가면 안정화를 위해 L각에 있는 전자가 K각으로 떨어지게 되는데(drop) 이때 에너지 차이에 의해서 X-ray가 발생하게 된다. 이때 X선은 특정 X선과 연속 X선 두종류가 발생하게 되는데 특정 X선에 원자 고유의 정보가 담겨져 있다.
EDS는 원소기호 5번의 B부터 92번인 U까지의 범위에 해당하는 원소들을 검출기를 (Si/In의 P type 검출기)통하여 정량, 정성 분석이 가능하며 특히 표면에 존재하는 여러 종류의 혼합물에 대해 Digital Mapping(면분석), Line Scanning(선분석), Point shooting(점분석)으로 원소의 분포를 알 수 있다. EDS System의 가장 뚜렷한 특징은 짧은 분석 시간이다. X-선 Spectrum이 보통의 농도(1000ppm 이상) 수준이면 1-3분안 분석이 가능하고 EDS는 입력되는 모든 에너지에 대해 연속적으로 Countting 및 Processing으로 그 분석시간이 매우 짧다.
EDS 혹은 WDS를 잘 사용하기 위해서는 Hardware setting, 분해능의 점검(Resolution probe), 기타 SEM의 시험조건 등을 모두 만족해야 하나 본서에서는 정확한 정성분석과 정량분석에 대해서 간단한 원리와 점검방법, 주의점에 대해 언급하고자 한다.
(1-1) 정성분석
정성 분석이라 함은 모니터 상에 얻어진 spectrum peak를 컴퓨터 내부의 에너지 기준과 비교하여 가장 근접되고 가장 가까운 모양을 갖는 원소를 비교하여 분석하는 작업을 말한다. EDS는 WDS에 비해 정확성이 떨어지는 단점이 있다. 저 에너지 영역에서는 peak가 overlapping이 발생할 수 있으며 적은 함량의 peak가 main peak에 묻혀 있다면 이를 분석하기가 어렵다. 이때 peak의 신뢰성을 확인하는 방법에는 다음의 3가지 유형의 방법이 있으며 processor의 zero strobe peak position 및 gain position 등이 정확히 선택되어야 한다.
◆ Energe line series : 각 원소에서는 K, L, M, N, O 등의 x-ray들이 series로 발생하게 되는데 가속 전압 및 EDS energe rangy 들이 적당하게 설정되어 각 line 들의 x-ray가 충분히 발생할 수 있는 조건을 가지고 있다면 이들 series line 들이 제대로 나오는지 확인하고 그 원소의 peak를 신뢰할 수 있게 된다.
그림 3-2-2.에서 Cu Kα와 Ni Kβ가 서로 overlapping 되는 영역으로 peak의 모양이 gaussian shape을 하고 있지 않아 쉽게 다른 peak가 겹쳐 있다는 것을 알 수 있으나 Mo와 S 부분은 2.29Kev의 Mo Lα1 peak과 2.308 KeV의 S Kα1 peak가 서로 겹쳐 있어 구분하기가 어렵다. 그러나 spectrum을 보면 17.48 Kev에 Mo Kα peak가 있는 것이 확인되므로 2.3Kev 부분의 Mo와 S가 있는 영역에서는 Mo peak 가능성이 크다. 만약 17.48Kev 이하의 가속전압을 사용했다면 Mo Kα peak가 발생하지 않으므로 구분하기 불가능하다. 높은 가속전압을 사용한 경우도 두 peak가 동시에 존재할 경우에도 어렵다. 따라서 분석을 시작하기 전에 분석물질의 성분을 파악하고 분석하면 많은 도움이 된다.
그림3-2-2. EDS에서 얻어지는 일반적인 Spectrum의 형태
◆ Energy line들의 peak intensity ratio : 한 궤도에서 발생하는 peak는 대략 정해져 있으므로 이를 이용하면 서로 중복되어 있는 peak들을 구분하는데 도움이 된다. 즉 Kα peak과 Kβ peak 의 intensity 비는 대략 5:1 정도 되는데 Kα peak가 이보다 크고 peak의 모양이 gaussian shape에서 크게 벗어난다면 다른 peak가 겹쳐 있다는 것을 의미한다.
각 line 별 intensity 비는 다음과 같다.K line = Kα(100) : Kβ(20)L line = L(1) : Lα(100): Lβ1(70):Lβ2(10)M line = Mz(1) : Ma(100)
K, L, M line의 intensity는 detector, window, material, window 오염 상태 또는 가속 전압에 따라서 달라진다.
◆ Peak 모양 : Cu Kα와 Ni Kβ의 peak를 보면 Cu kα와 Ni Kβ가 서로 overlapping되어 gaussian peak가 되지 않고 있는데 이처럼 gaussian peak의 어느 쪽으로 모양이 틀어질 경우에는 다른 peak가 중복되어 있을 가능성을 생각해야 한다.
(1-2) 정량분석
정량분석 방법은 표준 시료를 이용하여 count한 값과 분석한 시료의 count 값을 상대 비교하여 이 값이 정확성을 갖도록 여러 가지 방법을 이용하여 보정한 후 결과 값을 얻는다. 표준시료에서 얻은 결과 값과 분석하고자 하는 sample의 spectrum을 얻을 때는 다음과 같은 조건은 정확하게 일치해야 한다.
◆ 전자현미경의 가속전압
◆ 전자현미경의 사용 작업 거리(working distance)
◆ take off angle (시료의 경사각)
◆ 전자현미경의 beam current
◆ 배율
◆ EDS의 range 및 channel 설정
※정량 분석할 때에는 coating을 하지 않는다.
(2) 오이저 전자 분광기 (Auger Electron Spectroscopy, AES)
(1) EDS 및 WDS
시편준비는 3-1절에서 언급한 것과 같이 경면연마 후 관찰하게 되며 마운팅을 할 경우에는 부전도성에 의한 이미지 산란(charging)을 방지하기 위해 표면을 전도성 물질인 Au나 Pt, C로 coating하게 된다. 이때 주의할 점은 coating하는 물질의 특성 X선의 Kα가 분석하고자 하는 시료의 특성 X선과 겹치지(overlap) 않는지를 먼저 확인하는 것이다. 또한 실제 시험평가에 있어서 검출하는 시료에 포함되지 않는 원소의 특성 X선 peak가 나타날 수 있는데 이를 Hard X-ray 라고 한다. Hard X-ray는 시료내의 분석 영역 외에서 발생하는 원치 않는 x-ray가 발생하여 원소를 분석하는데 혼란을 주는 x-ray 이다.
그림3-2-4. Hard x-ray 발생 형태
hard x-ray가 발생하는 장소는 aperture, 시편홀더, 렌즈, 진공Chamber, 코팅장비의 gold 박판을 부착시키는 홀더에서 코팅할 때 발생한다. 예상하지 않았던 성분이 검출되었을 때는 hard x-ray가 검출되었다고 판단하고 hard x-ray를 줄이거나 제거할 수 있도록 한다.
종이를 시편으로 준비하여 시편 표면에 Au 코팅기로 코팅한 후 EDS 분석 결과 그림3-2-5의 spectrum과 같이 Au와 Ni이 검출되었다. Au는 Au박판에서 발생한 성분이라는 것을 알고 있고, Ni이 발생한 원인은 알 수 없다. 이렇게 예상하지 않았던 성분이 검출되었을 때는 이것을 hard x-ray라고 판단할 수 있다.
그림3-2-5. Hard x-ray가 발생한 spectrum
또한 분해능과 count rate와의 상관관계가 있으므로 분석 목적에 따라 적당하게 조절해야 한다. 가령 x-ray mapping을 할 경우는 각 pixel당 count rate가 적어 양질의 map image를 얻기 위해서는 오랜 시간 동안의 mapping을 진행시켜야 되므로 image drift, 시편 표면 손상 등의 현상으로 사진 촬영할 때 문제점이 발생한다. 이 경우 짧은 processing time을 선택하면 최대 50,000 CPS 까지의 count rate를 얻을 수 있으므로 수초대의 짧은 시간에 양호한 image를 얻을 수 있다. 경원소 분석을 할 경우는 peak 들이overlapping 되는 영역이므로 긴 시간의 processing time을 사용하면 양호한 분해능을 얻을 수 있다. x-ray mapping시 최대 배율은 전자현미경의 능력과 가속 전압에 따라 다소 차이가 있겠지만 최대 4,000배 이상은 넘지 말아야 한다.
한편, EDS는 2차전자의 에너지를 검출하는 것이 원리이므로 파장을 검출하는 WDS보다 분해능이 현저히 떨어지게 된다. 따라서 보다 정밀한 성분분석이 요구되는 경우에는 1차로 EDS를 시험하여 보편적 성분원소를 알아내고 이후 WDS를 수행하여 보다 정밀한 성분분석을 할 필요가 있다. 그림 3-2-6은 동일한 재료를 EDS분석과 WDS분석을 동시에 실시하여 그 결과치를 비교하는 graph이다. 결과에서 보이듯이 EDS의 경우 WDS가 지니는 분해능에 비해 매우 낮은 분해능을 지니고 있음을 알 수 있다.
(EDS 분해능: 129 eV, WDS의 분해능 : min 2eV)
그림3-2-6. Hard x-ray가 발생한 spectrum
6-2-4. 결과의 활용
(1) EDS 및 WSD
그림 3-2-7은 Ni-14Cr-10Co-3.5Al-2.5Ta-2.8B 삽입금속을 이용하여 1230℃에서 1시간 동안 브레이징 공정을 거친 후 노냉된 미세접합부에 존재하는 상에 대하여 EDX 점 분석(point analysis) 결과이다. 그림 b에서 관찰된 검은색 각형상은 Cr rich 상으로 이루어진 것으로 보여지며 cuboidal 형태의 상은 Ni, Al, Cr, Co 등으로 이루어진 것을 알 수 있다. 또한 이원계 공정을 이루고 있는 상(그림 3-2-7 (c), (d))도 Ni이 주성분인 상임을 알 수 있다. 또한 EDX 분석법 중 line-profile 분석을 통해서 미소접합부내에 존재하는 원소들의 원소 농도 분포를 알 수 있다. 그림 3-2-8은 IN738 첨가금속분말이 혼합된 브레이징부에서 IN738 첨가금속분말내의 원소들의 농도 기울기를 나타낸 그림이다. 그림 3-2-7에서 보여지는 바와 같이 EDX 선 분석 기법을 이용할 경우 미소 접합부내의 원소들의 농도 기울기를 알 수 있다. 그러나 EDX 검출기는 Na(원자번호 11)보다 낮은 원자번호의 X-선 검출에는 효과적이니 못하므로 오제이전자분석법(Auger electron spectroscopy, AES)을 이용하여 Na보다 낮은 원자번호의 원소를 정확히 분석 할 수 있다.
(a)그림의 성분분석결과
(b)그림의 성분분석결과
(c)그림의 성분분석결과
(d)그림의 성분분석결과
그림 3-2-7. 그림 3-1-8의 확대사진으로 각상들의 SEM image, EDX spectrum 및 정성 분석 결과
그림 3-2-8. IN738 첨가금속분말이 혼합된 미소접합부에서 IN738 첨가금속분말에 존재하는 원소의 선 분석 결과
AES 분석법은 앞서 기술한 것처럼, 수 백 anstrom 크기로 집속된 전자 빔을 재료의 표면에 입사시켜 방출되는 Auger 전자의 에너지를 측정하여 재료 표면을 구성하고 있는 원소의 종류 및 양을 분석해 내는 표면 분석 장비이므로, AES를 이용한 표면 분석에는 SEM 관찰, 원소의 정성 및 정량 분석, ion beam을 이용한 depth profiling, 재료구성 원소의 화학적 상태 분석 등을 들 수 있다. 표면 구성원소의 정성 분석에는 Auger peak의 위치가 이용되는데 그림 3-2-9에서 보는 바와 같은 E․n(E) spectrum을 에너지에 대해 미분한 그래프를 사용하는 경우가 보편적이다.
그림 3-2-9는 Ni-14Cr-10Co-3.5Al-2.5Ta-2.8B 삽입금속을 이용하여 1230℃에서 1시간 동안 브레이징 공정을 거친 후 노냉된 미세접합부에 존재하는 상에 대하여 AES 점 분석(point analysis) 결과이다. AES 점 분석 결과와 이에 대한 정량분석 결과에 의하면 검은색 각형상(a)은 CrB 상으로 분석되었다. 또한 Ni 고용체는 Ni, Cr, Al 등이 분포하고 있는 것으로 분석되었다. 이들 eutectic colony와 이원계 공정에 대하여 원소 분포를 알아보기 위해 AES element mapping을 실시하여 그림 8에 나타내었다. 그림 8에서 보여지듯이 검은색 각형상은 모두 Cr과 B으로 이루어진 것을 알 수 있으며 이원계 공정은 Ni 과 B으로 이루어진 것으로 알 수 있다. 이상과 같이 AES element mapping을 통해서 eutectic colony는 CrB와 Ni 고용체로 이루어져 있으며 이원계 공정은 Ni3B 상과 Ni 고용체로 구성되어진 것을 알 수 있다.
그림. 3-2-9. Ni-14Cr-10Co-3.5Al-2.5Ta-2.8B 삽입금속을 이용하여 1230℃에서 1시간 동안 브레이징 공정을 거친 후 노냉된 미세접합부에 존재하는 상에 대하여 AES 점 분석(point analysis) 결과 및 정량 분석 결과
6-3. 결함분석
6-3-1. 개요
결함은 균일한 용접부위에서 나타나는 모든 불균일한 상태를 지칭한다. 미세접합 후에 내부나 외관에 재료의 기계적, 전기적 물성에 악영향을 주는 일반적 모든 불균일 상태를 의미한다고 볼 수 있다. 결함은 그 상태, 크기에 따라 점결함, 선결함, 공간결함과 같이 재료의 일반적 결함의 종류로 나눌 수 있으나 이는 재료의 일반적 결함으로 본서에서는 미세 접합에 대한 주요 결함의 종류와 그 측정방법에 대해 기술한다.
1. 기공 (Porosity):
- 용착금속의 응고 과정에서 가스의 포집에 의해 생성되는 공동형상의 결함 이다. 이것은 특성상 구형이므로 가장 미미한 결함으로 간주되기도 하지만 미세접합부의 인장강도 및 전기적 특성에도 매우 큰 악영향을 미칠 수 있다. 기공의 형상에 따라 분산된 기공, 크러스터(Cluster) 기공, 선형기공과 같은 명칭들로 불리기도 한다. 기공은 접합부위의 오염물 또는 습기가 용접 열에 의해 분리되어 가스를 형성하기도 하고 전자 패키징에서 플러스, 표면전처리 물질의 혼입으로 발생하기도 한다.
2. 균열 (Crack):
- 균열은 가장 치명적인 결함이다. 균열이 치명적인 이유는 작은 응력, 즉 미세용접부의 인장강도 이하의 응력에서도 장시간 반복되면 피로파괴를 일으킬 수 있고 이는 재료의 내구성 및 기능성에 매우 큰 악 영향을 미치기 때문이다. 균열이 생성되는 시간과 전파하는 시간으로 나누어 미세용접부의 내구성을 논할 수 있는데 생성시간이 전혀 없이 미리 생성되어 있다면 이는 접합부의 신뢰성이 50%이상을 감소하는 것이다. 재료학적으로는 균열은 인장강도를 초과한 응력이 작용한 경우에 시작되는 응력과 인장강도 이하의 응력이 반복적으로 작용하여 발생하는 피로균열이 있다. 미세접합균열은 몇 가지 방법으로 분류되는데 균열이 발생하는 금속의 온도를 기준으로 분류하면 고온균열과 저온 균열로 분류할 수 있다.
고온균열은 금속이 응고되면서 발생한다. 결정립계(Grain Boundary)에서 발생하기 때문에 고온균열은 결정립사이로 진행한다. 저온균열은 금속이 응고된 후 발생한다. 현장 사용 중에 발생되는 균열은 저온균열로 분류한다. 수소취성에 의한 지연 또는 언더비드 균열은 저온균열로 분류된다. 저온균열은 결정립사이 또는 결정립을 관통하는 형태로 전파, 성장된다.
균열은 용접 축방향을 기준해서 분류하기도 한다. 용접부의 축과 평행한 방향으로 발생하는 균열을 종균열(longitudinal crack)이라과 부르고, 용접부의 축과 수직으로 발생된 균열은 횡균열 ( Transverse crack)이라고 부른다.
3. 개재물 (Inclusion)
- 개재물이란 슬래그, 플럭스 등과 같이 미세접합부 내에 들어 있는 이물질을 말한다. 슬래그 개재물이란 용해된 금속을 보호하기 위해 사용되는 플럭스가 용착금속의 내부 또는 용접표면에 박혀 있는 것을 말한다. 이외 석출되어 원하지 않는 이종상의 형성도 개제물로 분류될 수 있으며 무연솔더를 이용한 전자패키징에서 금속간 화합물(Intermetallic Compounds, IMCs)가 이 분류에 속한다. 개제물의 원인은 미세접합부의 오염에 의한 개제물과 이종의 접합 물질에서 상호 확산반응에 의한 개제물 등 여러 원인이 있다.
4. 기타 (Others)
- 기타 결함으로는 일반적 접합의 결함인 언더컷(Under cut), 언더필(Under fill), 오버랩(Over lap), 용융부족(Incomplete fusion) 등이 있고, 무연 전자 패키징에서 대표적으로 나타나는 리프트 오프(Lift off)현상 등이 있다.
6-3-2. 장비
결함의 분석, 평가에 대해서는 일반적으로 광학현미경, 주사전자현미경, 에너지분광검출기 등을 사용하여 표면결함, 내부결함의 정성, 정량적 평가를 하는 것이 가장 보편적이며 이외 비파괴 검사로 초음파 탐상장비 및 방사선 탐상장비를 활용하기도 한다. 광학현미경 및 주사전자현미경은 6-1절을 참조하기 바라며, 본 절에서는 초음파 탐상장비 및 방사선 탐상장비의 방법을 소개한다.
6-3-3. 시험평가
(1) 전자현미경
일반적인 미소접합부의 기공 및 균열의 결함은 육안 검사 및 전자 현미경 및 이들 사진을 바탕으로 상분석기(image analyzer)를 이용하여 내부에 존재하는 결함의 양을 분석할 수 있다. 전자현미경 및 에너지 분광검출기에 대해서는 3-1절의 장비 항목을 참조하기 바라며, 이를 이용한 결함의 시험평가 예는 3-3-4의 활용 예에서 나타내었다.
(2) 초음파 탐상장비
초음파탐상 검사법은 주로 펄스 반사법을 이용한다. 초음파가 탐촉자에서 발진하여 검사체 내에 입사하여 저면 또는 재료 내에 반사체로부터 반사하여 탐촉자로 되돌아오는 시간을 감안하여 탐측 장비에서는 주기적으로 일정시간(주로 수 마이크로초)동안 펄스픞 발진하고 휴지기간(약 1/1000 초 정도)을 경과한 뒤 다시 펄스 발진, 휴지를 반복한다. 일단 발진된 초음파는 시험체 내를 전진하여 저면 또는 기타 기하학적인 반사체에서 반사하거나 시험체 내에 결함 등에서 반사하여 탐촉자로 되돌아오는데 이를 탐촉자에서는 발진 이후 되돌아돌 때까지의 시간을 측정하여 이를 CRT 화면에 횡축으로 표현하고 신호의 세기를 종축으로 표현하는 화면에서 결함의 유뮤 및 형상을 판정하는 기법이다. 이를 A-scope 화면 방식이라고 하며 만약 이와같은 초음파탐촉자를 검사체 표면을 주사하여 결함의 양상을 옆에서 단면도를 보는 듯한 화면 형식을 B-scope, 위에서 아래로 단면 개념으로 본 화면을 C-scope 방식이라고 한다.
(3) 방사선 탐상장비
방사선검사법은 검사체에 X- 선, γ- 선 등의 방사선을 조사하면 투과 후에 방사선의 강도도 달라지며 이러한 방사선 강도 변화를 관찰함으로서 결함의 상태를 탐지할 수 있다. 일반적으로 방사선이 재료를 통과한 선량은 재료의 밀도에 따라 달라지고 이에 따라 필름의 감광 정도가 다른 것을 이용하여 필름을 인화, 판독함으로서 결함 유무 및 그 형상을 탐지하는 비파괴검사 방법이다. 이외에도 두께의 변화, 혼합물의 분포 상태 혹은 조립품의 내부구조 등도 알아낼 수 있다. 방사선의 선원으로는 X-선을 이용하는 경우가 많고 다음이 감마선이며 베타선, 중성자선, 알파선도 가능하다. 또한 필름을 이용하는 방법 이외에 계기를 사용하여 측정하는 방법도 있다. 그림 3-3-1은 방사선 탐상장치의 실제 모습(a)과 원리를 보여주는 모식도(b)이다.
그림 3-3-1. 방사선 탐상장치(a)와 그 원리를 나타내는 모식도(b)
6-3-3. 결과의 활용
(1) 주사전자현미경(SEM) 및 상분석기(Image Analyzer)
그림 3-3-2는 주사전자현미경을 활용하여 Ni-Fe 합금속에 있는 결함을 분석한 이미지이다. 이는 200배의 사진에서 상 분석에 의한 기공의 증가유무를 확인함으로서 첨가금속분말과 삽입금속분말의 혼합비에 따른 미소접합부의 미세조직의 변화를 보여주고 있다. 그림 아래의 분율은 Cr의 증가율을 나타내는 것이다. 그림에서 보이듯 첨가금속분말의 양이 증가함에 따라 내부에 존재하는 크롬보라이드(Cr boride)가 감소하는 것으로 보인다. 그러나 반대로 첨가금속분말이 증가함에 따라 내부에 존재하는 기공은 증가하는 것을 볼 수 있다. 그림 3-3-2-1을 바탕으로 미소 접합부내에 존재하는 기공 및 Cr boride의 면적 분율을 상 분석기(image analyzer)를 이용하여 측정한 결과를 그림 3-3-2에 나타내었다. 그림 3-3-3에서 보이는 바와 같이 첨가금속 분말이 증가함에 따라 Cr boride는 감소하지만 반대로 미소접합부내에 존재하는 기공의 양은 증가하는 것을 알 수 있다.
그림 3-3-2. 첨가금속분말과 삽입금속분말이 혼합된 미소접합부내의 기공분포
그림 3-3-3. 첨가금속분말의 혼합비에 따른 Cr boride와 기공의 면적 분율 변화
그림 3-3-4는 주사전자현미경을 활용하여 관찰한 무연 전자패키징 공정에서 나타나는 대표적인 결함인 리프트 오프 (Lift off)를 보여주고 있다. 이는 초점심도(같은 이미지(포커스)에서 상하의 변화를 모두 관찰할 수 있는 능력 : 3-1절 참조)가 깊어 무연솔더 및 하부의 Cu pad 층을 모두 관찰할 수 있기 때문에 솔더와 pad 사이의 박리된 모습을 잘 보여주고 있다.
그림 3-3-3. Sn-Ag-Cu계 무연 솔더링에서의 Lift off 현상
그림 3-3-5는 Lift off 현상을 보다 잘 보여주는 fillet 부분에서의 단면사진과 그 기전을 설명하는 모식도이다. 단면사진은 일반 광학현미경으로 관찰한 것이다. 단면사진의 관찰에서는 시료에 열, 기계적 충격이 가지 않도록 저속의 절단 속도(cutting speed), 충분한 윤활작용 등 세심한 주의가 필요하다.
그림 3-3-5. Lift off 현상을 보여주는 단면사진과 그 기전을 설명하는 모식도
한편 그림 3-3-6은 필렛 부위의 단면사진으로 공공(void)의 형상을 보여주고 있다. 좌측의 그림은 BGA(Ball Grid Array)에서의 상부에 형성된 조대 기공을 보여주고 있고, 우측의 그림은 Reflow Soldering 공정 후의 리드부(Lead part)와 pad 사이의 솔더 내에 형성된 기공을 보여주고 있다.
그림 3-3-6. BGA에서의 상부 형성 조대기공(좌측)과 Reflow 공정 후의 솔더 기공
열 충격을 받아 표면에 표면크랙(Surface Crack)이 발생한 경우를 그림 3-3-7에 보여주고 있다. 이는 솔더가 응고되는 중에 수축이 일어나서 생기는 현상으로 내구성에 치명적인 악영향을 줄 수 있다. 그림의 이미지는 표면에서 발생한 크랙의 모습과 이를 단면관찰한 모양을 함께 보여주고 있는데 수축시의 단면에서 균열이 덴드라이트 모양으로 생긴 양상을 보여주고 있다.
그림 3-3-7. Reflow 공정 중에 발생한 필렛(filet)의 표면결함 및 이의 단면 사진
(2) 방사선 검사법 및 초음파 탐상 검사법
그림 3-3-7은 방사선 검사법을 이용하여 파이프 소켓 용접부의 결함을 판독한 사진이다. 그림에서 보는바와 같이 파이프 소켓 용접부내에 존재하는 결함을 판독할 수 있다. 또한 그림 3-3-8은 이들 파이프 소켓 용접부를 초음파 검사법으로 결함을 판독한 사진으로서 결함이 없는 부위는 초음파의 시그널이 일정한 반면 결함부가 존재하는 소켓 용접부는 초음파의 시그널이 달라짐을 알 수 있다. 한편, 표 3-3-1은 KS B 0845 규격에 의거 결함의 등급을 결정하는 표를 나타내고 있다.
(a) 결함 없는 경우(without defect)
(b) 결함 있는 경우(with defect)
그림 3-3-7. 파이프 소켓 용접부에서 결함유무 판단을 위한 방사선 투과 사진
표 3-3-1. KS B 0845 결함의 등급 분류 기준 (2종 결함)
(a) without defect
(b) with defect
그림 3-3-8. 초음파 탐상시험을 이용한 소켓 용접부의 결함 판단 사진
6-4. 파괴분석
6-4-1. 개요
미세 접합부의 파괴원인을 분석하기 위해서 가장 중요한 것이 손상부위를 잘 보호하는 것이다. 특히 .손상부 중에서도 손상 시초 부위인 파단부 보호가 우선적이며, 부식 분위기나 외부 충격 손상으로부터 훼손되지 않도록 주의해야 한다. 아래의 절차는 파단면 관찰을 통한 미세접합부의 파괴원인을 규명하고 재료 및 공정의 개선점을 찾는 순서를 간단히 정리한 것이다.
1>
손상 시초부위의 보호
2>
파단면 관찰 (육안, OM, SEM)
- 연성, 취성파단의 구별
- 취성파단 : 부품결함, 사용분위기 (피로, 열, 부식) 관련
3>
재료시험
- 화학성분 분석
- 균열 및 미세조직 관찰 (OM, SEM/EDS)
- 기계적 특성평가 : 경도, 인장, 충격, 크리프, 피로, 파괴인성
4>
파괴원인 분석
- 원소재 : 화학조성, 기계적 특성
- 제조공정 : 주/단조, 용접, 열처리, 표면처리
- 사용조건 : 사용압력 및 분위기, 적용하중
- 컴퓨터 모사 : 열해석, 열응력해석
위와 같은 순서 중에서 가장 정확히 수행되어야 할 부분이 파단면의 관찰이다. 파단면의 관찰을 통해 파괴의 직접적, 간접적 원인을 규명할 수 있기 때문이다. 파단면의 관찰은 앞 절에서 언급한 것과 같이 초점심도가 큰 주사전자현미경을 이용하는 것이 보편적이며 이에 에너지 분광 분석기(EDS), 파장 분광 분석기(WDS) 등을 함께 활용하여 편석, 개제물 등, 파괴의 원인을 평가하게 된다.
재료의 파괴는 대부분 사용 중인 부품에 과도한 압력 혹은 열과 같은 과 하중이 걸린 경우이고 이러한 환경에서 사용되는 부품은 단시간, 혹은 장시간에 걸쳐 파손에 이르게 된다. 이러한 과부하에 의한 파손은 금속 부품의 파단면만 가지고 쉽게 판단할 수 있는 특징을 지니고 있어 파단면의 관찰은 매우 중요한 정보를 지닌다. 파단면을 가지고 육안 관찰에 의해 즉석에서 얻을 수 있는 중요한 정보는 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 파단이 연성 파괴인가 혹은 취성 파괴인가에 대한 것이고, 둘째는 균열이 어디서 시작하여 전파되다가 어느 부분에서 최종 파단에 이르렀는가에 대한 정보이다. 대부분의 파단면은 연, 취성 파단을 공유하고 있고 파단면의 관찰 이미지에서 연성 파단은 파단면이 찢어지듯이 형성되는 것과 취성 파단은 평평하게 구성되는 보편적인 양상을 지니고 있다.
파괴는 크게 3단계로 나누어질 수 있는데 그 순서는 균열의 발생, 균열의 전파, 파괴이다. 즉 균열 벌어짐 응력이 걸리는 표시 부분(비교적 줄무늬 간격이 좁은 지역)이 균열이 시작되는 곳이고 이곳으로부터 대부분의 파단면은 평평하여 이 부분을 균열 전파지역으로. 그리고 찢어지듯이 예리한 각을 갖는 파단부를 최종 파단으로 판정하면 된다. 이러한 판정 방식은 다른 금속 부품 파단부 판정에 쉽게 적용되어진다.
연성파괴는 균열이 전파될 때 파단면 상에 상당한 소성 변형이 발생되는 파괴형태로써 파단면은 찢어지는 느낌의 형상으로 구성되어 일반적으로는 큰 단면 감소율을 갖는다. 간혹 눈으로 보기에 취성파괴와 같은 평평한 파단면도 연성파괴로 판정되는데, 여기에는 주사전자현미경 (SEM)으로 확인할 수 있는 딤플 (dimple) 이 형성되어 있어 이것이 미세한 소성 변형의 공공이 부품의 연성적인 파괴에 기여한 것을 확인할 수 있다. 그런데 연성파단과 연성파괴는 부품 손상에서 특별한 의미를 갖는다. 즉 부품이 연성적으로 파손된다면 손상진단 측면에서 그 원인 해석 결과가 아주 단순하게 귀결된다. 한 파단면 상에 연성파괴의 양상이 존재한다면, 부품의 소재 , 제조공정에 대한 책임은 면하게 되고 단순히 설계 구조나 사용상의 과부하만이 손상에 대한 결정적 책임을 지게 마련인 것이다. 이에 비해서 취성파괴는 파단면이 평평하고 벽개 (cleavage) 및 강물결 무늬 (river pattern)를 갖는 평활한 특징을 지닌 반면에, 손상원인 분석에는 쉽지 않은 복잡성이 내재된다. 이것은 취성파괴에는 소재나 제조공정 그리고 사용상의 분위기 (열, 부식, 피로하중 등)가 구조적인 문제와 더불어 적용되기 때문인데, 일단 취성파괴로 판명된 부품 파손의 경우 부품 제조와 보수상의 책임을 회피하기가 어렵다. 또한 취성파괴는 어느 기간 동안 꾸준히 발전해 나간 균열이 한 순간에 급격히 파단에 이르는 것이 보통의 손상 사례이므로, 그나마 재료가 버텨주는 연성 파괴에 비하여 예측 없이 순식간에 발생되어 그 피해와 책임이 막대해지는 특징을 갖는다.
한편, 파괴의 원인 중에 피로파괴는 미세 접합부에서 발생하는 보편적인 파괴의 한 양상으로 피로 파단면은 다른 파손기구와 다르게 반복하중에 기인한 균열의 전파특성 때문에 독특한 형상을 나타내어 비교적 파손 양상의 판정이 용이하다. 즉 피로 파괴면은 균열이 균열면을 따라 전파할 때 반복하중에 의한 균열면 여닫힘에 따른 평활한 마찰면과 어느 정도 균열이 전파된 후 단면이 하중을 더 이상 지탱할 수 없을 때 단일 인장하중으로 파괴를 일으킨 거친 영역으로 구성된다. 또한 균열면 여닫힘으로 생기는 평활한 균열 전파지역에는 파괴 시작점으로부터 내부로 진행하는 일련의 원형자국 (beach mark)이 형성되는데, 이러한 beach mark는 장비 가동 시 부하의 변화, 진동수의 변화 또는 부품의 단속적 사용으로 인하여 균열정지 기간 동안에 생긴 파면의 산화 부식 정도 차이에 의하여 발생하는 것으로써 육안으로 구별할 수 있는 피로파손의 중요한 특징이 된다. 아래의 항목은 피로 파괴의 파단면에서 나타나는 전형적인 파괴양상을 정리한 것이다.
- beach mark, 해안자국 : 육안으로 관찰, ㎝ 크기
균열의 간헐적인 진전과 중단, 파단면 부식정도 차이에 의해 형성
- fatigue striation, 피로줄무늬 : 주사전자현미경으로 관찰, ㎛ 크기
반복하중에 대한 균열의 일회 전진과 닫힘의 무늬
- 균열 시작위치와 전파방향 확인
피로파단의 균열시작은 노치나 개재물과 같은 응력 집중점에서 발생하며 파손수명을 결정하는 중요한 요소인데, 대부분 표면에서 시작되므로 피로파손이 우려되는 부품에 있어서 표면 상태는 매우 중요하게 된다. 미세접합부의 표면에 발생되는 피로 균열의 시초는 접합 노치(Notch), Stress crack, Thermal crack 등이다.
6-4-2. 장비
파단면의 분석, 평가에 대해서는 일반적으로 육안, 광학현미경, 주사전자현미경, 등을 사용하여 표면상태, 내부결함의 정성, 정량적 평가 및 파단면의 형태를 보고 판단하는 것이 가장 보편적이다. (광학현미경 및 주사전자현미경은 6-1절을 참조)
6-4-3. 시험평가 방법
(1) 전자현미경
일반적인 미소접합부의 파단면은 육안 검사 및 전자 현미경을 활용하여 거시적, 미시적 파단면의 형태를 보고, 균열의 시작점과 균열 전파 양상(연성 혹은 취성의 양상), 줄무늬 간격 등으로 평가할 수 있다. 그림 3-4-1은 인장시험에 대한 파단면의 단면양상에 따라 파괴형태를 모식도로 표현한 것이다.
(a)
(b)
(c)
(d)
그림 3-4-1. 인장 시험에 의한 각종 파괴 형태
(a) 취성파괴 (b) 연성파괴 (c) 전단파괴 (d) 점성파괴
(2) 파괴 양상
아래의 항목은 주사전자 현미경을 활용하여 파단면에서 나타나는 대표적인 형태를 분류별로 나누어 정리한 것이다. 연성파괴, 취성파괴, 피로파괴로 나누어 파괴양상에 대한 실제 이미지와 모식도 등을 통하여 파괴원인을 규명하는 것이 가능하다.
(2-1) 연성파괴
파단 부위에 현저한 연신과 단면 수축 현상을 동반하는 파괴를 연성 파괴라고 한다. 파괴 기구학적으로는 Slip면 분리 또는 미소 공동(void)의 합체에 따른 것이다. 미소 공동의 합체 기구에 의한 연성 파면에는 미시적인 다수의 분화구 형태로 구성되고 있는 Dimple 형태가 발견되고 있다.(그림. 3-4-2)
Dimple은 입내 파괴, 입계 파괴에 관계없이 나타나고 있으며, 그의 크기는 Void 핵이 되는 석출물과 개재물의 거리에 의하여 결정된다. Dimple의 깊이는 기지의 연성에 의존한다.
(a) 등축 Dimple
(b) 연신된 Dimple
그림. 3-4-2. 연성파괴에서 발생하는 딤플 패턴(Dimple Pattern)
또 Dimple의 형상은 거시적 파면에 대한 응력의 작용 거동에 따라 변화한다.파면에 대하여 수직방향으로 균일한 인장응력이 작용한 경우에는 등축 Dimple(그림. 3-4-3(a))이, 전단 응력과 인장 찌어짐 응력이 작용한 경우는 길게 연신된 Dimple(그림. 3-4-3(b),(c))이 형성된다.
그림. 3-4-3. Dimple Pattern과 응력 상태
(a) 균일 인장 (b) 전단 응력 (c) 찌어짐 응력
(2-2) 취성 파괴
파단부 부위에서 소성 변형을 거의 동반하지 않는 파괴를 취성 파괴라고 한다. 취성 파괴는 연성 파괴에 비하여 파괴에 소모되는 에너지가 현저하게 적게 된다. 일반적으로 연성파괴를 나타내는 재료에서도 저온, Notch 존재, 높은 변형 속도 등의 조건에서는 취성 파괴는 일으키게 된다. 취성 파괴를 일으킨 파단면은 다음과 같은 특징이 있다.
(ⅰ) 광택이 있는 결정상 외관을 보인다.
(ⅱ) 파단면은 주응력축에 거의 수직이다.
(ⅲ) Herring Bone Pattern 이 나타나는 경우도 있다(그림. 3-4-4(a),(b) 참조)
주사전자현미경으로 관찰하면 다음과 같은 미시적 특징이 있다.
(가) 벽개면(Cleavage Facet)
결정립의 벽개면이 파면으로 나타난 것으로 Cleavage Facet 상에는 다음과 같은 특징적 모양이 형성된다.
그림. 3-4-4. 전단 파괴된 부품의 Herring Bone(a)과 개략도(b)
(나) 벽개단(Cleavage Step)
벽개 파괴에서는 보통 상호 평행한 복잡한 면에서 발생한 균열이 확대 진전해서 합체가 되고, Facet을 형성한다. 이때 합체부에 형성된 단을 벽개단이라 한다. 벽개면과 벽개면이 이루는 층의 단면을 벽개단으로 이해해도 무방하다.
그림. 3-4-5 벽개단의 모식도
(다) 강무늬 패턴 (River Pattern)
균열이 진전함에 따라 벽개단의 합체가 촉진되고, 벽개단의 수가 감소되면, 단의 높이가 증가하게 된다. 이와 같은 pattern은 마치 하천의 지류가 합류해서 본류를 형성하여 가는 양상과 유사 하므로 이것은 River Pattern 이라고 한다.
그림. 3-4-6 River Pattern의 실제 이미지
(라) 벽개혀 (Cleavage Tongue)
그림. 3-4-7 연강의 충격파면에 나타난 Cleavage Tongue
벽개면상에 돌출한 혀 모양의 파단면을 벽개혀(Cleavage Tongue)라고 한다. 벽개 파괴가 국소적으로 벽개면으로부터 벗어나고, 생성된 쌍정 방향으로 짧게 진전된 형상이다.
(2-3) 피로 파괴(Fatigue)
반복된 응력이 재료에 주기적으로 작용하여 일어난 파괴를 피로 파괴라고 한다. 피로파괴는 아래의 사항으로 나눌 수 있으며 각각의 특징을 기술하였다.
(가) 고주기 피로 (High Cycle Fatigue)
수명이 104～105 Cycle 이상으로 되는 피로를 High Cycle Fatigue 라고 한다. 균열의 발생 기점은 표면 및 표면 직하에 존재하는 개재물, 결정립계, 반복 하중 중에 형성된 Slip Band 등으로 알려져 있다. 또한 부품의 표면 상태는 피로 강도에 큰 영향을 주고, 고강도 재료일수록 표면 결함 및 Notch 등에 대한 민감성이 매우 크다.
피로 파면의 거시적 특징은 다음과 같다
(ⅰ) 파면은 평탄하고 소성 변형이 적다.
(ⅱ) Beach Mark가 나타나고 있다. Beach Mark는 균열의 진전 과정에서 하중의 변동에 의하여 형성된다.
(ⅲ) 경한 재료와 표면 경화된 재료 등에서는 균열의 기점이 표면 직하의 개재물이 되는 경우가 있다. 이 경우 파면상에는 개재물의 주위에 Fish Eye라고 하는 백색의 원형 모양이 나타난다(그림. 3-4-8) 또한 미시적으로 다음과 같은 특징이 있다.
그림. 3-4-8 Fish Eye의 관찰 이미지
① 줄 무늬 (Striation)
줄무늬(Striation)는 띠모양의 평탄부에 연속적으로 평행하게 형성되는 끈모양이다. 이와 같은 끈모양은 하중의 1 Cycle 중에 형성 된다. Striation의 형성에 커다란 소성 변형을 수반하는 것을 연성 Striation, 소성 변형의 흔적이 적은 것을 취성 Striation 이라고 한다.
그림. 3-4-9. Striation 현상의 실제 관찰 이미지
② 타이어 트랙 (Tire Track)
균열 끝단에서 형성된 것은 아니지만 피로 파면 특유의 모양으로 Tire Track이 있다. 이것은 일방향의 균열면상에 존재하는 개재물 등의 경한 돌기물이 균열면의 개폐에 의하여 양쪽면에 눌린 압흔의 연속 모양이다.
그림. 3-4-10. Tire Track 현상의 실제 관찰 이미지
(나) Low Cycle Fatigue(소성 피로)
수명이 104～105 Cycle 이하의 피로를 Low Cycle Fatigue라고 한다. Low Cycle Fatigue 에서는 재료의 변형 량이 크고, 반복 소성 상태로 되기 때문에 소성 피로라고도 한다.
(다) 저온 피로
상온(현상학적 관점으로 부터는 재결정 온도)을 경계로 저온 피로와 고온 피로로 구별된다.
(라) 고온 피로
고온 피로 균열의 발생에는 점소성 변형, Cavitation, 산화부식이라고 하는 현상이 관여된다.
(마) 열피로
가열, 냉각의 반복 공정을 받으면, 열응력의 발생에 의하여 부품에 반복 응력을 받음과 동시에 재질 열화를 일으켜 손상이 발생 된다. 이와 같은 현상을 열피로라고 한다. 균열의 발생은 파단까지 Cycle 수가 큰 경우는 입계인 경우가 많고, 작은 경우는 입내인 경우가 많다.
6-4-4. 결과의 활용
(1) 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분광분석기(EDS)
그림 3-4-11은 첨가금속분말과 삽입금속분말의 혼합비율을 달리하여 고온 브레이징한 미소접합부를 인장 시험을 행한 후 접합부에 나타난 파단면의 양상을 관찰한 사진이다. SEM을 이용하여 파단면을 관찰한 결과, 미소접합부에서의 파괴는 주로 내부에 존재하는 기공과 제 2상에 의해 파단이 발생했음을 알 수 있다. 즉, SEM을 이용하여 파단면 관찰 시 내부의 결함 및 다른 제 2상에 의해 파단이 일어났음을 유추할 수 있다. SEM에 장착된 EDX 성분 분석기는 접합부의 2차 균열이 생성된 상의 성분을 분석함으로서 파단에 직접 기여한 상을 알 수 있다.
그림 3-4-11. 첨가금속분말과 삽입금속분말의 혼합비에 따른 미소접합부의 인장 시험 후 파단면 변화 양상
(a) 상온 인장 시험 후 EDX 분석을 통한 파면 분석 결과
(b) 고온(900℃) 인장 시험 후 EDX 분석을 통한 파면 분석 결과
그림. 3-4-12. 미소접합부의 인장 시험 후 파면에 대한 EDX 성분 분석 결과
그림 3-4-12는 미소접합부의 상온 및 고온(900℃)시험 후 2차 균열이 생성된 상을 EDX 성분분석기를 이용하여 상 분석을 실시한 결과이다. 그림에서 보이듯이 2차 균열이 생성된 상의 성분을 정량적으로 분석한 결과, 2차 균열이 생성된 상은 Cr boride로 유추될 수 있다.
그림 3-4-13은 미소접합부의 인장 시험 후 파면 주위의 균열을 관찰한 사진이다. 사진에서 보이는 바와 같이 접합부에서의 균열은 공정 조직을 통해 균열이 전파되고 있음을 보여준다.
또한 그림 3-4-14는 미소접합부에 HRC 압입자 시험을 실시한 후 압입자 주변의 균열을 관찰한 그림으로서 그림에서 알 수 있듯이 미소접합부내에 존재하는 Cr boride의 취약함으로 인해 이들 계면을 따라 취성의 crack이 전파함을 알 수 있다.
그림. 3-4-13. 미소접합부 인장 시험 후 파면 주위의 균열 전파 모습 관찰 결과
그림 3-4-14. HRC 압입자를 이용한 미소 접합부의 균열 양상 관찰 결과
한편, 그림 3-4-15는 열에너지에 의해 파괴의 양상이 변화하는 것을 나타내고 있다. 초기 Cu pad에 Sn-Cu 솔더를 사용하여 패키징 한 시료는 150℃의 시효(aging)처리를 거치면서 연성파괴에서 연성과 취성이 혼합된 파괴양상을 보이고 있으나 표면처리를 Ni/Au 로 한 시료에서는 개제물의 영향이 줄어 시효(aging)후에도 여전히 연성파괴양상을 나타내고 있다. 이는 그림 3-4-16에서 보이는 것과 같이 3일 시효와 100일 시효의 파단면을 비교한 결과, 딤플의 크기는 조대화 하였으나 여전히 연성파괴의 파단면을 보이는 결과에서 솔더의 파괴 양상을 유추할 수 있다.
그림 3-4-15. Cu 기반위에 Sn-0.35Ag-0.75Cu 솔더를 사용한 패키징의 파단면
그림 3-4-16. Cu 기반위에 Ni/Au(ENIG)표면 전처리후에 Sn-0.35Ag-0.75Cu 솔더를 사용한 패키징의 파단면