2.1 합금 선정

앞서 서론에서 언급한 바와 같이, 본 연구에서 적용하고자 하는 쉴드캔의 소재는 칩셋 보호를 위한 기계적 안정성과 고효율 방열을 위한 높은 열전도도를 동시에 만족해야 한다. 본 연구에서는 쉴드캔 적용 시 대량 양산이 가능한 상용 Cu계 합금들의 열전도도 및 기계적 특성을 종합적으로 비교하여 최적의 합금을 선정하고자 하였다. 주요 후보 상용 합금들의 기준물성 비교 결과를 표 1에 나타내었다. 비교군 중 크롬동 합금은 310 W/m∙K의 가장 우수한 열전도도를 나타내었으며, 동시에 쉴드캔 적용 시 요구되는 충분한 기계적 물성을 함께 확보하고 있음을 확인하였다. 반면 C70340 합금은 인장강도는 우수하지만 열전도도가 상대적으로 낮아(210 W/m∙K) 방열 효율 측면에서 한계가 있었다. 또한 C19400 합금은 인장강도가 기존 쉴드캔 소재인 양백보다 낮아 본 연구의 목적에 부합하지 않았다. 결론적으로, 방열 효율과 기계적 물성의 균형을 고려하여 크롬동을 본 연구의 쉴드캔 소재로 최종 선정하였다.

2.2 샘플 제작

본 연구에서는 상용 양백(Cu₆₄Ni₁₈Zn₁₈) 합금과 설계된 크롬동(Cu_99.64Cr_0.3Si_0.03Co_0.03) 합금을 시편으로 사용하였다. 크롬동 합금은 다음과 같은 공정을 통해 제작되었다. 유도 용해로에서 설계 조성에 따라 맞게 각 합금 원소를 혼합하여 대기 용해 및 주조를 거쳐 중량 3톤의 슬라브(Slab)를 제조하였다. (두께 180 mm, 폭 640 mm, 길이 3,000 mm) 이후 제조된 슬라브를 950 ^oC에서 2시간 균질화처리하였으며, 열간압연을 통해 두께 11 mm 코일 형태의 스트립(Strip)으로 제조하였다. 압연 후 표면 산화층 제거를 위해 면삭(Scalping) 공정을 수행하였으며, 95% 압하율로 1차 냉간압연하였다. 합금 내 용질 원자의 과포화 고용을 위하여 스트립이 열처리 구간을 통과하는 연속 열처리로에서 800 ^oC, 30초로 용체화 처리하였으며, 이후 가스분사 냉각(80 ^oC/s)하였다. 최종적으로 450 ^oC에서 3시간 시효 처리(Aging)한 뒤 40%의 최종 압하율로 냉간압연하여 H 판재를 제조하였다.

순동이나 고용강화형 Cu계 합금은 최종 냉간압연의 압하율이 각각 37, 21, 11% 수준일 때를 열처리 기호(Temper designation) H, 1/2H, 1/4H로 정의하여, 순서대로 강도는 감소하고 연신율은 증가한다. 그러나 본 연구에서 사용한 크롬동 합금은 석출경화형 합금으로 물성 구현 방법이 다르기 때문에 일반적인 최종 압하율에 따른 열처리 기호를 적용하지 않고, 각 제조사마다 각각의 물성 사양을 설정하며, 이때 H, 1/2H, 1/4H 순서대로 강도는 감소하고 연신율은 증가하는 경향은 동일하게 유지된다. 본 연구에서의 1/2H, 1/4H 판재는 최종 냉간압연된 H 판재의 전기전도도에 영향을 미치지 않도록 480 ^oC 연속 열처리로에서 각각 20초, 30초 추가 소둔 열처리(Annealing)을 수행하여 제조하였다. 전기전도도를 저하시키지 않는 온도에서 소둔 열처리를 단시간 (1분 이내) 실시하면 회복 및 재결정 과정을 통해 가공경화된 미세조직을 재결정 조직으로 변화시켜 연성을 증대시킬 수 있다^{[29- 30]}. 본 연구에서는 제조 시간을 단축하면서 과시효에 의해 성장한 조대 석출물의 크랙 유발 영향을 없애기 위해 소둔 열처리의 방법을 적용하여 1/2H, 1/4H 판재를 제조하였다.

2.3 미세조직 분석

시편의 도금 두께와 형상 관찰을 위하여 광학현미경(Optical Microscope, OM; Hirox RH-2000)을 이용하였으며, 시편의 열처리 전후 미세조직 변화와 석출물 분포를 관찰하기 위하여 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM; Quanta 650 FEG)을 이용하였다. SEM 이미지를 통해 나노 단위의 석출물 크기(직경)을 측정하였으며, 특히 나노 단위 석출물의 미세 형상 분석을 위하여 투과 전자 현미경(Field Emission Transmission Electron Microscope, FE-TEM; 2100F)을 이용하였으며, TEM 시편은 Tenupol-5(Struers) 장비를 이용해 제트 폴리싱(Jet polishing) 방식으로 준비되었으며, 인산 250 ml, 증류수 500 ml, 에탄올 250 ml, 프로판올 50 ml 및 요소 5 g으로 구성된 에칭액(D2)을 사용했다. 결정학적 구조 분석을 위하여 선택 영역 전자 회절 패턴(Selected Area Electron Diffraction, SAED) 관찰을 수행하였으며 석출물의 정성분석을 위해 EDS(Aztec, Oxford)를 이용하였다.

2.4 소재 물성 평가

합금의 열전도도를 측정하기 위해서 열확산도(D), 비열(C_p), 밀도(ρ)를 측정하였으며, 비열(C_p)는 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC; Discovery DSC25), 열확산도(D)는 레이저 플래시 분석법(Laser Flash Analysis, LFA; LFA467 Hyper Flash)의 상용 장비를 사용하였다. 측정된 열확산도, 비열, 밀도 값을 이용하여 소재의 열전도도(κ)는 $\kappa = D \cdot \rho \cdot C_p$ 의 관계식으로 계산하였다. 제작된 합금의 전자기파 차폐능 측정을 위하여 ASTM D4935 표준 규격에 의거하여 네트워크 분석기(Network Analyzer; ENA series E5071C)를 이용하였다. 기계적 특성 평가를 위해 인장시험을 수행하였으며, KS B 0801 5호 규격에 따라 만능재료시험기(Universial Testing Machine; Z100)을 이용하였다. Crosshead 속도는 항복강도까지 10 mm/min, 항복강도 이후 파단까지 60 mm/min으로 상온에서 시험을 진행했다. 경도 시험은 마이크로 비커스 경도시험기를 사용하였으며(TUKON 2500), 시편의 연마된 단면에 대해 하중 500 gf, 압입 시간 10 s의 조건으로 측정했다.

Fig. 1. Cross-sectional characterization of the Ni-plated layer Cu-Cr-Si-Co alloy: (a) OM image showing with about 2μm-thick coating layer, and (b) compositional line scan profile confirming the Ni element.

Fig. 2. Schematic of the thermal shock test cycle (70 ^oC→25 ^oC→-30 ^oC→25 ^oC 1 hour dwell time at each step). The test was performed for 18 cycles, concluding with 4hour stabilization at room temperature.

2.5 신뢰성 평가

크롬동과 양백 두 시편에 대해, 쉴드캔으로서의 적용 가능성을 확인하기 위해 당사의 스마트폰 신뢰성 평가 기준에 따른 다양한 시험들을 수행하였다. 본 연구에서는 다음 신뢰성 시험들을 수행하기 앞서 솔더링 접합 신뢰성 확보와 부식 방지를 위해 크롬동 쉴드캔 표면에 약 2 μm 두께로 Ni 도금을 수행하였다, 도금층의 수직 단면 미세조직과 두께를 그림 1(a)에 나타냈으며 그림 1(b)의 도금층 라인 성분분석을 통해 해당 도금층이 니켈(Ni)로 구성되어 있음을 교차 검증하였다. 일반적으로 Cu는 높은 반응성으로 인해 산소와 빠르게 반응해 표면에 산화물을 형성하며, 솔더링 시에는 Sn과 빠르게 반응하여 접합부의 장기 신뢰성을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 동합금에는 표면 처리가 요구된다. 이때 Ni은 우수한 내식성과 내마모성을 바탕으로 전자부품의 표면 처리재로 널리 활용된다^[31]. Ni 도금층은 외부 환경과 기판 사이에서 물리적 차단층 역할을 수행하고, 표면에 안정적인 부동태 산화피막(Passive oxide film)을 형성함으로써 내식성을 향상한다^[32]. 또한 솔더링 시에는 Ni 도금층이 Cu 기판과 Sn 기반 솔더 사이에서 확산 방지막(Diffusion barrier) 역할을 하게 되어 그 중요성이 더욱 증가하고 있다^[33]. Cu와 Sn이 빠르게 반응하여 취성이 강한 금속간 화합물 Cu₆Sn₅이 과도하게 성장하는 것을 억제하는 대신, Ni이 Sn과 반응해 안정적이고 성장 속도가 느린 Ni₃Sn₄를 형성하도록 유도하는 것이다^[34]. 한편 Cu-Ni-Zn계의 양백 합금은 Ni을 함유하여, 솔더링 시 상대적으로 안정적인 계면 구조를 형성한다^{[33, 35]}. 이로 인해 양백은 계면 안정성과 내식성을 확보하였으며, 별도의 Ni 도금 없이 적용될 수 있다.

고온고습 환경과 열충격, 염수분무 환경에서 평가를 진행했으며, 신뢰성 평가 후 쉴드캔을 PCB에 솔더링하여 실장성도 함께 평가했다. 본 연구에서는 가공된 크롬동과 양백 쉴드캔을 50 ^oC, 95% 상대습도에서 72시간 노출 후 4시간 동안 상온 안정화를 진행하는 조건으로 고온고습 환경 신뢰성을 평가했으며 열충격시험은 그림 2와 같은 cycle(70 ^oC, 25 ^oC, -30 ^oC, 25 ^oC에서 각각 한 시간 유지)을 18번 반복하고 상온에서 4시간 동안 안정화를 진행하였다. 염수분무 환경에서의 신뢰성을 검증하기 위해 5% NaCl 용액을 분무하여 35 ^oC에서 24시간 동안 유지한 뒤, 수세 후 다시 상온에서 4시간 동안 방치하였다. PCB 실장에는 상용 SAC(Sn-Ag-Cu) 합금 계열의 무연(Lead-less) 솔더를 사용하였다. 쉴드캔 실장을 위한 reflow 공정은 일반적으로 preheat, soak, reflow, cooling의 4단계로 구성되며, 각 단계별 온도 profile을 통해 솔더 접합 안정성을 확보한다. 본 연구에서는 peak temperature 235~250 ^oC, 액상선 이상 구간에서 30~90초 유지하는 조건으로 쉴드캔을 PCB에 실장하였다.

2.6 성능 평가

신뢰성 평가 이후에는 최종적으로 제작된 쉴드캔을 실제 스마트폰에 실장하여 고사양 작업 수행 시 전후면 표면 온도 및 AP 내부 온도를 측정하였다. 이를 위해 상용화된 CPU 벤치마크 프로그램인 드라이스톤 벤치마크(Dhrystone benchmark)를 이용하여 CPU에 일정한 열 부하를 인가하기 위한 발열원으로 활용하였다. AP 소비전력을 일정하게 유지한 상태에서 스마트폰 전후면의 표면 온도는 열화상 카메라로 측정되었으며, AP 내부 온도는 칩에 내장된 열 센서를 이용하여 실시간 측정 및 수집하였다. Drystone은 정수 연산 중심의 합성 벤치마크로, 시스템, 프로세서, 컴파일러 등의 특정 기능을 측정하기 위한 벤치마크 도구이다^{[36, 37]}. 이는 현대의 복잡한 CPU 구조와 실제 사용자의 동적 사용 패턴을 반영하는 데 구조적인 차이가 있기 때문에 실제 사용자의 환경과 유사한 복합적인 부하 조건에서의 AP 성능을 확인하기 위하여 긱벤치 6 벤치마크(Geekbench 6 benchmark)를 추가적인 지표로 활용하였다.

Geekbench 6는 다양한 실제 시나리오의 시뮬레이션을 통해 컴퓨팅 장치의 성능을 측정하기 위한 벤치마킹 도구이다. 즉 AP가 얼마나 계산을 빨리 처리하는지를 측정해 AP의 성능을 수치로 나타낸 값이며, 이는 서로 다른 시스템 간의 성능을 비교할 수 있는 정량적 지표로 사용된다^{[38, 39]}. 해당 점수는 크게 싱글 코어 및 멀티 코어 점수로 구성되는데, 이 중 싱글 코어는 하나의 코어를 주로 활용하는 작업을 실행할 때 프로세서의 성능을 평가하며, 멀티 코어는 여러 코어를 동시에 활용하는 작업을 실행할 때 프로세서의 성능을 평가한다^[39].

3.1 열전도 특성 평가

본 연구에서는 스마트폰 AP의 실제 구동 환경 및 발열 한계 온도를 모사하기 위해서 293K~373K 범위에서 열전도도를 평가하였다. 그림 3은 기존 쉴드캔 소재인 양백(Cu-Ni-Zn)과 크롬동(Cu-Cr-Si-Co)의 LFA를 통해 측정된 열전도도 결과를 나타낸다. 해당 실사용 온도 구간에서 두 합금 모두 포논(Phonon) 산란 등에 의한 급격한 열전도도 저하와 온도 의존성은 관찰되지 않았다. 크롬동 합금은 상온에서 약 320W/m∙K의 열전도도를 나타냈으며, 이는 기존 양백 합금 대비하여 약 10배 높은 열전도도이다. 이처럼 크롬동 합금이 양백 대비 높은 열전도도를 확보할 수 있었던 이유에 대해서 분석해 보고자 한다.

본 연구에서 사용한 크롬동 합금은 Cu 함량이 99.6wt% 이상 포함되어 Cu의 높은 전도도 특성을 가진다. 그림 4의 Cu-Cr 이원계 상태도에서 보듯이 Cu 기지 내 Cr의 평형고용도는 상온에서 거의 0에 가까울 정도로 굉장히 낮다^[40]. 또한, 표 2에서 볼 수 있듯이 Cr과 Cu는 +12kJ/mol의 큰 양의 혼합열($\Delta H_{mix}$) 관계를 가지며^[41], 이는 두 원자 간의 강한 반발 상호작용이 존재하여 상분리를 일으키려는 경향이 큼을 의미한다^{[42- 44]}. 본 연구에서는 이러한 특성을 활용하여 고온에서 용체화 처리 후 급랭을 통해 Cu 기지 내에 Cr, Si, Co 원자들을 강제로 고용시켜 열역학적으로 매우 불안정한 과포화 구조를 형성하였다. 이러한 과포화 구조는 시효 과정 중 전체 깁스 자유에너지를 낮추기 위해 기지로부터 용질 원자를 빠르게 배출하려는 강력한 석출물 형성 구동력으로 작용한다^{[42- 46]}. 이후 시효 및 냉간압연을 통해 Cu 기지 내 고용 원자들을 소비하며 미세한 Cr계 화합물을 형성하며 기지 밖으로 석출되는데, 이러한 석출물의 이미지를 그림 5에 나타내었다. 그림 5(a), (b)는 크롬동 합금의 SEM 단면 사진이며, 나노 단위의 석출물들이 미세하고 균일하게 분포하고 있다. 이를 정량적으로 분석하기 위해 SEM 이미지를 기반으로 나노 단위 석출물들의 직경을 각각 측정해 석출물 크기 분포를 그림 6에 나타냈으며, 분석 결과 평균 약 65 nm 크기의 석출물들이 형성되었음을 확인하였다. 석출물들의 정확한 결정학적 분석과 고배율 형상 관찰을 위하여 TEM 및 EDS 분석을 수행하였다. 그림 5(c)는 나노 석출물의 형상을 나타낸 TEM 사진과 해당 석출물을 통해 얻어낸 SAED 패턴을 나타냈다. 정대축[11$\bar{2}$] 방향에서 분석된 SAED 패턴 분석 결과 Cubic 구조를 갖는 Cr₃Si 상(면군 $Pm\bar{3}n$, a=4.555Å, PDF No.00-007-0186)의 (111) 및 (1$\bar{1}$0) 결정면과 일치함을 확인하였다. 또한 해당 석출물의 중심부에서 수행한 EDS 점 분석 결과를 표 3에 나타냈으며, 기지 대비 Cr과 Si 농도가 높게 검출되었다. 이러한 결정학적 및 화학적 분석 결과들은 시효 처리 후 형성된 미세 석출물들이 Cr₃Si 상임을 뒷받침한다.

크롬동 합금이 기존 쉴드캔 소재인 양백 대비 우수한 열전도도를 확보할 수 있었던 원인을 설명하기 위해 그림 7(a), (b)에 양백 및 크롬동 합금의 미세조직과 전자 이동 경로의 모식도를 나타냈다. 금속 내 열에너지는 주로 자유 전자의 이동에 의해 전달되며 기지 내 격자 왜곡에 의한 전자의 산란이 적을수록 전도도는 향상된다^[47]. 이때 양백은 다량의 Ni과 Zn 원소가 Cu 기지 내에 고용된 α-단상 고용체 상태이다^{[48- 52]}. 그림 7(a)와 같이, 고용 원자들이 Cu 기지 내에 고르게 분포하기 때문에 고용 원자에 의한 격자 왜곡과 전자 산란을 지속적으로 겪게 된다. 반면 크롬동은 과포화 고용체 상태에서 시효 및 냉간압연을 거치면서, 그림 7(b)와 같이 용질 원자들이 석출물로 형성되어 기지 밖으로 분리된다. 이러한 석출 거동은 기지 내 고용 원자의 소모를 수반하므로 격자 왜곡을 완화한다. 이는 곧 전자의 산란과 전자의 평균 자유 행로(Mean free path) 증가로 이어지며 결과적으로 석출 강화된 크롬동 합금이 우수한 열 및 전기전도성을 확보하게 되는 것이다^{[53, 54]}. Cu계 합금에서 시효 처리를 통한 과포화 고용체의 분해 및 기지 내 고용 원자의 소모는 전자 산란을 감소시켜 전도도를 향상하는 주요 물리적 기구로 작용한다^{[55, 56]}. 결론적으로 본 연구의 크롬동 합금은 석출을 통해 기지 내 용질 원자 농도를 낮춰 단상의 고용체인 양백 합금 대비 우수한 열전도도를 달성할 수 있었다.

Fig. 3. Thermal conductivity of Cu-Ni-Zn and Cu-Cr-Si-Co alloys in the temperature range of 293~373K.

Fig. 4. Cu-rich corner of the Cu-Cr phase diagram, illustrating the limited solubility of Cr at low temperature[56].

Fig. 5. Microstructural characterization of the Cu-Cr-Si-Co alloy after the aging process: (a), (b) SEM images showing the distribution of precipitates, and (c) TEM images including an indexing of the precipitates via SAED pattern.

Fig. 6. Size distribution of precipitates in the Cu-Cr-Si-Co alloy after aging, determined from the SEM image shown in Fig. 5(b).

3.2 EMI 차폐 효율

전자기 차폐 효율(EMI Shielding Effectiveness, EMI SE)은 물질이 전자기파의 투과량을 최소화하는 능력으로, 입사전력 $P_i$와 투과전력 $P_t$의 비를 통해 식(1)과 같이 나타난다^[58].

식(1)에 의해 20dB의 SE는 차폐재에 의해 입사된 전자기파의 약 99%가 차폐되었음을 의미하며, 이는 일반적으로 상용 전자기기에 적용하기 충분한 수준의 차폐 성능으로 간주된다^[59]. 그림 8은 네트워크 분석기를 통해 얻은 30 MHz에서 1.5 GHz 주파수 대역에 걸친 양백 소재와 크롬동 소재의 전자기파 차폐 효율 측정값을 보여주며, 측정된 SE 값은 절댓값으로 나타내었다. 그림 8에서 두 소재 모두 전 주파수 대역에서 80 dB 이상의 매우 우수한 차폐 성능을 기록한 것을 알 수 있으며, 식(1)에 따라 80 dB의 차폐 효율은 전자기파의 약 99.999999%가 차폐되었음을 의미한다.

한편 전자기 간섭 차폐 메커니즘은 Schelkunoff의 평면파 전송 이론으로 주로 설명되며, EMI 차폐는 기본적으로 전하 이동 운반체가 EMI와 직접적으로 상호작용하여 이루어지기 때문에, SE는 일반적으로 재료의 전기전도도 증가에 따라 증가한다^{[5, 60]}. 또한 금속의 전기전도도는 열전도도와 비례하므로, 높은 열전도도를 갖는 크롬동은 양백에 비해 높은 SE를 나타낼 것으로 예상할 수 있다. 하지만 그림 8의 EMI SE 측정 결과에서 더 낮은 열전도도를 갖는 양백의 경우에도 80 dB 이상의 높은 SE를 나타낸 것을 확인할 수 있다. 이는 식(1)에서 볼 수 있듯이 SE가 log scale이므로 고전도 영역으로 갈수록 전도도 증가가 차폐 성능에 미치는 영향이 감소될 수밖에 없으며, 또한 고차폐 영역에서는 이미 대부분의 입사 전자기파가 감쇠되어 EMI SE가 포화되는 경향을 나타낼 수 있기 때문이다. 이에 따라 두 소재 간 전도도 차이가 큼에도 불구하고 유사한 SE를 나타낸 것이다. 이를 바탕으로 기존 스마트폰 쉴드캔 소재인 양백은 이미 전자기 차폐 성능을 충분히 확보했으며, 더 높은 전도도를 갖는 크롬동 합금 또한 80 dB가 넘는 높은 SE를 바탕으로 높은 전자기 차폐 성능을 확보했음을 입증하였다.

Fig. 7. Schematic diagrams of the alloy matrix and electron pathways illustrating thermal conduction: (a) the singleαphase solid solution of Cu-Zn-Ni alloy, and (b) the precipitated Cu-Cr-Si-Co alloy after heat treatment, exhibiting enhanced thermal conductivity.

Fig. 8. EMI SE Electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI SE) of Cu-Ni-Zn and Cu-Cr-Si-Co alloys measured up to 1.5GHz, demonstrating an excellent shielding performance over 80dB.

3.3 기계적 특성 평가

그림 5에 본 연구에서 사용한 크롬동 합금의 시효 후 미세조직을 나타냈으며, 나노미터 크기의 Cr계 석출물들이 Cu 기지 내에 균일하게 분포함을 확인하였다. 이러한 미세 석출물들은 전위의 이동을 방해하는 강력한 장애물로 작용하여 재료의 경도와 강도를 향상한다^[47].

표 4에 본 연구에서 제작한 합금의 기계적 물성을 분석한 결과를 나타내었다. 두 합금의 기계적 특성 차이는 앞서 3.1에서 언급한 본질적인 미세조직 및 강화 메커니즘 차이에서 기인한다. 기존 쉴드캔 소재인 양백은 Cu 기지 내 Ni, Zn 등 합금 원소의 높은 함량에 의한 고용강화 및 가공경화에 주로 의존하지만, 크롬동 합금은 미세 석출물들이 전위 이동을 효과적으로 억제하는 석출 강화 기구가 지배적으로 작용한다^{[47, 56]}. 이러한 석출강화 효과로 크롬동 합금은 146HV의 높은 경도와 506 MPa의 인장강도를 나타내며, 기존 쉴드캔 소재인 양백의 기계적 물성보다 우세함을 알 수 있다. 그러나 급격한 가공경화로 인한 전위 밀도 상승으로 인해 연신율은 3% 수준으로 저하되어, 복잡한 형상을 가지는 쉴드캔 제작을 위한 정밀 프레스 공정 시 파단을 일으키기 때문에, 실제 제품에 적용이 불가능하다. 이에 본 연구에서는 가공성 확보를 위해 최종 소둔 열처리를 수행하였다. 표 4와 같이, 1/2H 및 1/4H 판재를 제작하기 위한 소둔 열처리를 통해 연신율은 26%까지 향상되었다. Trade-off 관계에 있는 강도와 연성을 제어하여, 특히 1/2H 판재로 제작한 크롬동 합금은 기존 양백과 대등한 수준의 기계적 강도를 유지하면서도 가공성까지 확보했기에, 해당 합금을 본 연구의 최종 소재로 선정하였다.

3.4 신뢰성 평가

본 연구에서는 크롬동 합금의 실제 스마트폰 적용 가능성을 검증하기 위해서 당사의 표준 규격에 맞춰 가혹한 환경에서 신뢰성 평가를 수행하였다. 스마트폰과 같은 모바일 기기는 사용자의 다양한 활동 환경에 노출되기 때문에, 주요 결함 요인을 모사하기 위해 고온고습, 열충격, 염수분무 신뢰성 평가를 수행하였으며, 최종적으로 PCB에 솔더링하여 실장성도 함께 평가하였다.

그림 9(a)~(d)에서 보듯이, 양백 및 크롬동 시편 모두 50 ^oC, 95% 상대습도에서 72시간 노출 후에도 표면 광택이 유지되었고, 부식 산화물이 발생되지 않았다. 또한 급격한 온도 변화에 따른 열팽창 계수 차이로 발생되는 기계적 피로 저항성을 평가하는 열충격 시험^[61]. 수행 후 시편 표면부를 그림 10(a)~(d)에 나타내었다. 열충격 시험 이후에도 두 시편에 유의미한 표면 손상이 나타나지 않았으며, 급격한 온도 변화 상황에서의 신뢰성 기준 역시 충족했음을 알 수 있다. 특히 그림 11(a)~(b)에 크롬동 쉴드캔의 열충격 전후로 응력 집중이 예상되는 코너부의 고배율 이미지를 나타내었는데, 시험 전후 박리 면적의 확산이나 공식 부식(pitting)현상이 발생하지 않아, 가혹한 열-기계적 응력 하에서도 안정성을 유지함을 확인하였다.

염수분무 전후의 크롬동 및 양백 쉴드캔의 이미지를 각각 그림 12(a)~(d)에 나타내었다. 염수분무 시에는 염소 이온(Cl^-)이 금속 표면에서 결함 부위로 확산되어 국소적으로 염소 농도가 높은 영역을 형성하고 공식 부식을 촉진한다. 이는 공식 성장을 촉진하여 균열을 발생시키고, 결과적으로 전해부식과 기계적 손상 사이 결합 효과로 소재의 손상이 발생한다^[62]. 일반적으로 양백은 우수한 내식성을 가지는 동합금으로 알려져 있으나, 염수 환경에서는 담수 환경에 비해 공식 부식 전위가 감소하여 내식성이 떨어지기에 그림 12(b)와 같이 양백 쉴드캔에서는 표면 산화가 발생함을 알 수 있다^{[63, 64]}. 하지만 그림 12(d)의 Ni 도금한 크롬동 쉴드캔은 양백 시편보다 우수한 내부식성을 나타냈으며, 이는 표면의 Ni 도금층이 이온의 침투를 효과적으로 차단하였음을 알 수 있다.

그림 13(a), (b)에서 염수분무한 양백 쉴드캔과 크롬동 쉴드캔을 솔더링한 실장성 평가 결과를 나타내었다. Cu 기판과 솔더 계면 사이 취성의 금속간 화합물 성장을 방지하기 위한 Ni 도금 처리에도 불구하고 열충격 및 염수 노출의 가혹한 환경 조건은 원자 확산을 촉진한다. 이는 솔더 접합부 내 급속한 화합물 성장을 발생시킬 수 있고 결과적으로 솔더 신뢰성 문제를 야기할 수 있다^{[1- 2, 65- 68]}. 하지만 실제 실장성 평가를 진행했을 때, 양백의 경우 표면 산화가 심하게 나타났으나, Ni 도금한 크롬동의 경우 실제 공정 적용에 무리가 없는 수준의 실장 신뢰성을 확보했다.

따라서 크롬동 쉴드캔의 경우 4가지 신뢰성 평가에서 모두 큰 특이 사항을 보이지 않으며, 적용 기준을 충족했기 때문에 실제 스마트폰 쉴드캔 적용에 대한 제한 사항이 없음을 확인했다.

Fig. 9. Surface appearances of (a, b) Cu-Ni-Zn and (c, d) Cu-Cr-Si-Co shield-cans before and after the high-temperature high-humidity test.

Fig. 10. Surface appearances of (a, b) Cu-Ni-Zn and (c, d) Cu-Cr-Si-Co shield-cans before and after the thermal shock test.

Fig. 11. Magnified images of the corner area of the Cu-Cr-Si-Co shield-can (a) before and (b) after the thermal shock test.

Fig. 12. Surface appearances of (a, b) Cu-Ni-Zn and (c, d) Cu-Cr-Si-Co shield-cans before and after the salt spray test.

Fig. 13. Solderability evaluation (a) Cu-Ni-Zn and (b) Cu-Cr-Si-Co shield-cans.

3.5 크롬동 쉴드캔 적용의 AP 성능 향상 효과

AP는 스마트폰의 성능을 결정하므로 AP의 발열을 관리해 피크 성능을 극대화하는 것이 중요하다. 또한 스마트폰의 발열 문제를 효과적으로 제어하기 위해서 단방향으로 표면 온도가 높아지지 않도록 효율적인 열 분산 경로를 설정하고 스마트폰 전후면 발열 밸런스를 맞추는 것도 중요하다. 스마트폰에 사용되는 PCB는 크게 적층형과 단층형으로 구분할 수 있으며, 대표적인 적층형 PCB의 개략도를 그림 14에 나타내었다. 일반적으로 스마트폰 내부의 쉴드캔은 스마트폰의 종류나 형상 등에 관계없이 크게 세 가지 종류로 구분되며, 특히 적층형 PCB의 경우, 상부 AP 쉴드캔, 중간부 PMIC 쉴드캔, 하부 RF 쉴드캔으로 구성되어 있다. 기존에는 세 가지 쉴드캔 모두 동일한 소재로 이루어져 있었지만, 본 연구에서는 각 쉴드캔에 서로 다른 소재를 적용하여 사용자가 요구하는 스마트폰의 구조와 방열 성능에 따라 임의로 열전달 경로를 조절할 수 있는 방법을 제안한다.

3.1~3.4를 통하여 쉴드캔 소재로서 크롬동을 적용하였을 때 열전도도, 기계적 특성, 신뢰성 측면에서 우수한 특성을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 스마트폰 A, B에 대해 크롬동과 양백을 3가지 위치별 쉴드캔 소재에 변경 적용하며 스마트폰의 전후면 발열 및 AP의 발열을 평가하였고, 표 5, 6은 그의 결과를 나타낸다. 모델 A는 적층형 PCB를 사용하는 스마트폰이며, 모델 B는 단층형 PCB를 사용하는 스마트폰이다. 표 5는 모델 A에서 기존 쉴드캔을 사용했을 때와 각 쉴드캔 위치별로 크롬동을 적용했을 때의 스마트폰 및 AP 온도 측정 결과를 나타낸다. 표 5를 바탕으로 모든 쉴드캔을 크롬동으로 제작하였을 때 후면부 발열이 기존 대비 증가하며, 전후면의 온도 차 역시 소폭 증가하였으나, AP 온도는 0.9도 감소한 것을 확인할 수 있다. 하지만 상부 AP 쉴드캔에만 크롬동 소재를 적용하였을 때 후면 발열이 감소하며 전후면 발열 밸런스가 맞춰진 것을 알 수 있다. 이는 높은 열전도도를 가지는 크롬동 쉴드캔을 통해 AP에서 발생하는 열이 전면부로 빠르게 전달되었기 때문으로 판단된다. 반면 하부 RF 쉴드캔만 크롬동으로 변경하였을 때는 후면으로 열을 빠르게 전달하여 후면 온도가 default 대비 0.13 ^oC 증가하였다. 이때 전후면의 온도차가 증가한 것을 확인할 수 있는데, 이는 해당 모델의 방열 특성이 후면 대비 전면으로 우세하여 전면 온도 감소량이 작기 때문이다. 만약 스마트폰의 전면 발열이 우세한 모델에 적용한다면, 하부 RF 쉴드캔에 크롬동 소재를 적용했을 때 AP에서 발생하는 열이 후면으로 빠르게 전달되어 전면부 발열 문제를 줄일 수 있을 것이다. 따라서 스마트폰 방열 설계의 목적에 맞게 위치별로 열전도도가 다른 쉴드캔을 차등 적용하면 사용자가 원하는 방열 효과를 얻을 수 있다.

Fig. 14. Schematic illustration of the placement of shield-can within the multi-layered PCB in smartphone.

모델 B에서도 3가지 위치별로 쉴드캔 소재를 변경하며 열특성 평가를 수행하였다. 이 중 중간부 PMIC 쉴드캔의 재질만 크롬동으로 변경했을 때의 스마트폰 및 AP 온도와 성능 점수를 기존 쉴드캔을 사용했을 때와 비교하여 표 6에 나타냈다. 중간부 PMIC 쉴드캔의 재질만 변경했을 때 Geekbench 6 점수 측정 결과, 싱글 코어 42점, 멀티 코어 106점 상승한 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 크롬동 쉴드캔을 차등 적용 시 사용자가 의도한 방향으로 열 전달 경로를 형성해 AP의 내부 온도를 낮춰 스마트폰의 성능 개선에 기여했음을 확인할 수 있다.