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무플럭스 브레이징 공정 적용을 위한 구리-스테인리스 접합용 브레이징 재료에 관한 연구

  • 이찬양 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

최근 AI 기술의 확산으로 고밀도 연산 장비의 열 부하가 급증하고 있으며, 이를 효과적으로 관리하지 못할 경우 성능 저하와 에너지 비효율, 시스템 중단 등의 문제가 발생한다. AI 서버에서 발생한 고열은 칩 바로 아래의 콜드플레이트에서 가장 먼저 회수되며, 이 영역은 수백 W/cm² 수준의 고열이 집중 되는 구간이다. 칩과 냉각수 사이의 열 저항을 최소화하기 위해서는 높은 열전도도와 가공성을 갖춘 구리 기반 구조가 필수적으로 적용되며, 약 400 W/m·K의 열전도율을 가진 구리는 칩이 발생시키는 열을 냉각수로 신속히 전달하는 데 매우 효과적이다. 하지만 콜드플레이트에서 열을 회수한 냉각수는 배관·펌프·열교환기로 구성된 외부 순환 계통을 흐르며, 이 구간은 펌프 압력, 기계적 하중, 잔류 진동이 지속되는 가혹한 환경에 놓인다. 구리는 연성과 낮은 강도로 인해 이러한 하중에 취약해 변형 및 형상 안정성 저하가 발생할 수 있으므로, 외부 순환 계통에는 높은 강도와 강성, 진동 내구성을 갖춘 소재가 요구된다. 스테인리스강은 이러한 요구 조건을 충족하는 대표적 소재로, 기계적 강도, 내식성, 압력 안정성, 장기 신뢰성 측면에서 이러한 조건을 충족하며, 경제성과 공급 안정성까지 확보할 수 있어 배관의 대표적 재질로 사용된다. 그러나 구리와 스테인리스강은 열전도도·열팽창 특성이 크게 달라 고온 접합 시 잔류응력과 취성 결함이 발생하기 쉽기 때문에, 모재 용융을 최소화 하면서 안정적인 금속결합을 형성할 수 있는 별도의 접합 기술이 요구된다. 브레이징은 모재보다 낮은 온도에서 용가재만을 용융시키기 때문에 구리-스테인리스강처럼 물성 차이가 큰 이종 금속 접합에서 열손상과 잔류응력을 낮 출 수 있는 적합한 공정이다. 양질의 접합을 위해서는 용융 금속의 젖음성·유동성·계면 반응성이 중요하며, 이러한 특성은 공정 조건보다도 용가재 조성에 크게 좌우된다. 기존 구리–스테인리스강 접합에는 Ag–Cu계 용가재가 사용되어 왔으나, 높은 은 함량으로 인한 재료비 상승과 플럭스 사용이 필수적이라는 점에서 산업 적용에 한계가 있다. 또한 Cu–P계 용가재는 무플럭스 브레이징이 가능하다는 장점이 있으나, 계면에 취성 Cu–P 반응층이 연속적으로 형성되어 접합부 인성과 신뢰성이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Cu-Ag–P–Sn 4원계 용가재를 설계하였다. 은은 융점 저하 및 유동성 향상에 기여하나 비용 문제를 고려해 10–20wt%로 제한하였으며, 감소되는 젖음성은 주석 첨가를 통해 보완하였다. 주석은 액상선을 낮춤과 동시에 열역학적으로 안정한 Cu–Sn 화합물을 우선 형성함으로써 Cu–P계 취성층의 형성을 억제한다. 인은 표면 산화막 제거와 활성화를 담당하며, Cu–P 상태도를 바탕으로 취성상 형성을 최소화할 수 있도록 5–10wt% 범위로 조절하였다. 이러한 전략을 통해 개발된 55Cu–20Ag–5P–20Sn 조성은 900°C에서 우수한 젖음성을 보였으며, 기계적 평가에서도 상용 BAg-4 대비 낮은 은 함량 에도 불구하고 더 높은 접합강도를 확보하여 경제성과 성능의 우수성을 확인 하였다.

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목차

1. 서론 1
2. 이론적 배경 4
2-1. 금속 이종 접합 원리와 기술 4
2-1-1. 금속 이종 접합 기술 개요 4
2-1-2. 이종 접합부에서의 결합 메커니즘 6
2-1-2-1. 원자 확산 현상 6
2-1-2-2. 용융금속의 젖음성 8
2-1-2-3. 모세관 작용의 역할 10
2-1-3. 이종 접합 기술의 분류 11
2-1-3-1. 클래딩 기술 11
2-1-3-2. 레이저 용접 12
2-1-3-3. 솔더링 및 브레이징 14
2-2. 방열 모듈용 용가재 및 요구 특성 15
2-2-1. 금속 용가재의 조성과 계열별 특징 15
2-2-1-1. Ag-Cu계 용가재 15
2-2-1-2. Cu-P계 용가재 16
2-2-2. 방열 접합용 용가재의 요구 특성 18
2-2-2-1. Ag-Cu-Sn 조성 변화에 따른 상변화 거동 18
2-2-2-2. Cu-STS 이종 접합에서의 용가재의 역할 22
2-3. 용접부 구조와 열영향 특성 23
2-3-1. 열영향부의 정의 및 특징 23
2-3-2. 신뢰성 확보를 위한 용접부 요구 특성 24
2-3-3. 접합부의 미세조직 분석 25
3. 실험 방법 26
3-1. 다원계 저융점 용가재 개발 26
3-1-1. 은 저감 무플럭스 4원계 용가재 제조 26
3-1-1-1. 용가재 설계 27
3-1-1-2. 용가재 제조 공정 28
3-2. 무플럭스 브레이징 공정 및 특성 평가 30
3-2-1. TG-DTA 분석 30
3-2-2. 젖음성 평가 31
3-2-3. 이종 브레이징 접합(브레이징 온도/시간) 32
3-2-4. 기계적 물성 평가(Tensile Strength) 33
3-3. 조성별 용가재 특성 미세조직 분석 34
3-3-1. 용가재 미세조직 분석 34
3-3-2. XRD 분석 35
3-3-3. 브레이징재 미세조직 분석 35
4. 결과 및 고찰 36
4-1. 다원계 저융점 용가재 합금 설계 36
4-1-1. 고/액상 구간 고려 합금설계 해석결과 36
4-2. 무플럭스 브레이징 공정 제어 연구 40
4-2-1. TG-DTA 결과를 통한 융점 범위 분석 40
4-2-2. 합금 조성과 브레이징 온도에 따른 젖음성 비교 45
4-2-3. 용가재 조성에 따른 브레이징 공정 최적화 47
4-2-4. 상용소재와의 기계적 물성 비교 연구 49
4-3. 조성별 용가재 특성 평가 51
4-3-1. 조성별 미세조직 및 상분율 분석 51
4-3-2. XRD 분석에 의한 금속간화합물 형성 특성 평가 58
4-3-3. 브레이징 공정 최적화 접합부 미세조직 분석 65
4-3-4. 브레이징 공정 최적화 접합부 파단면 미세조직 분석 73
5. 결론 78
참고 문헌 81

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