[논문]진동모터용 PCB 정류자의 내구성 향상을 위한 신 합금도금 (Au-Cu) 개발

김영태; 이성재; 박성준

문제 정의

본 논문에서는 휴대폰 전화 알림 도구로 일반적으로 사용되고 있는 코인형 진동모터의 단속수명에서 발생하는 불량유형을 정의하고 수명 향상을 위한 방법을 제시하였다. 무통전과 쇼트의 경우 대부분 브러쉬와 접촉하고 있는 정류자 면의 마멸과 함께 발생하는 금속 입자나 스파크에 의한 유기물의 탄화에 의해서 발생한다.
아직까지 휴대폰 착신 진동 장치에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 코인형 진동모터이며 고신뢰성의 진동모터 개발을 위해서는 정류자용 PCB 도금 기술의 확보가 필수적이다. 본 연구에서는 PCB 도금 기술 확보를 위하여 도금액 및 전류 조건에 따른 정류자 표면의 형태 (morphology)를 최적화 하였으며, 이를 바탕으로 현재 사용하고 있는 기존 합금 도금보다 내구성이 뛰어난 Au-Cu 신 합금도금을 개발하여 신뢰성 수명이 기존 대비 2 배를 초과하는 제품 개발에 성공하였다.
무통전과 쇼트의 경우 대부분 브러쉬와 접촉하고 있는 정류자 면의 마멸과 함께 발생하는 금속 입자나 스파크에 의한 유기물의 탄화에 의해서 발생한다. 이번 실험에서는 특히 문제가 되는 쇼트 문제를 해결하기 위하여 도금면의 마모 현상을 지연시킴으로써 수명을향상시킬 수 있는 방법으로 도금 표면 조직을 최적화하는 방법과 새로운 합금도금 개발에 대해 제시하였다. 일반적으로 Au-Co 도금의 경우에 니켈층을 하지 도금하고 그 위에 금도금을 한다.

제안 방법

(1) 전류밀도에 따른 니켈 및 금도금 표면 형태를 분석하여 내마모성이 우수한 최적 전류밀도 조건을 선정하고 Au-Co 도금액 조성을 최적화하여 단속수명을 향상시켰다.
(2) 사용자가 원하는 이상의 신뢰성 단속수명을 얻기 위하여 기존의 Au-Co 도금을 대체할 수 있는 Au-Cu 신 합금 도금 방법을 개발하였다.
PCB 도금 표면의 형태를 최적화 하기 위하여 Table 1 과 같이 전류조건을 변화시켜 가면서 PCB 도금의 SEM 분석 및 경도, 모터 신뢰성 수명평가를 실시하였다.
이러한 이유로 인하여 내마모성이 향상됨과 동시에 쇼트 현상을 지연시켜 진동모터의 수명을 길게 할 수 있는 신 합금도금을 개발하게 되었다. 개발 초기에는 Au-Pd, Au-Ag 도금 방법을 시도하였으나, Au-Cu 도금 방법이 완전고용체를 이루고 결정립 크기가 상대적으로 가장 작다는 것을 기초 실험을 통해 확인하고 Au-Cu 도금방법을 개발하였다.
11은 전류밀도 변화에 따른 도금층의 Cu 함량 변화와 경도변화를 보여주고 있다. 경도측정은 비커스 경도계를 이용하여 Wgf 하중 하에서 5 초 load time 조건에서 측정을 진행하였다. 측정 값은 10번 반복하여 평균값을 취하였다.
내마모성 실험의 경우 실제 모터 구동 환경을 재현하기 힘들기 때문에 가혹 조건에서 행하여 상대 비교를 하였다.
구조를 이룸을 알 수 있다. 내부 조직의 형상이나 결정 립 구조를 살펴보기 위하여 TEM 분석을 실시하였다. Fig.
그러한 일환으로 PCB 도금면의 경도를 올리는 금도금 조건을 찾아야 한다. 본 실험을 위해 먼저 도금액의 성분을 최적화 한 후 전류 조건을 변화 시켜 가며 최적의 도금 조직 및 경도를 갖는 전류 조건을 선정하였다. Fig.
8A/dm2 으로 최종 확정하였다. 뿐만 아니라 니켈, 금도금 층의 경도를 향상시키기 위하여 Dry oven에서 열처리 공정을 주가하였다. 온도별 실험을 통하여 최적 조건인 100笆에서 Fig.
개발된 합금도금을 적용하기 위해서는 Au-Co 도금에서와 같이 표면 및 전류밀도 최적화 작업이 필요하다. 실험을 통하여 전류밀도 별 조성비 및 경도 변화, 그리고 단속수명실험을 통하여서 가장 최적화된 도금 조건을 선정하였다. Fig.
앞에서 일반 Au-Co 도금과 Au-Cu 도금의 특징들을 비교하여 보았다. 개발된 합금도금을 적용하기 위해서는 Au-Co 도금에서와 같이 표면 및 전류밀도 최적화 작업이 필요하다.
진동모터의 신뢰성 수명을 향상시키기 위하여 니켈 도금과 전류 도금의 용액의 비율을 최적화하였다. PCB 도금 표면의 형태를 최적화 하기 위하여 Table 1 과 같이 전류조건을 변화시켜 가면서 PCB 도금의 SEM 분석 및 경도, 모터 신뢰성 수명평가를 실시하였다.

대상 데이터

Au-Cu 도금면이 기존의 Au-Co 도금 면보다 내마모성이 매우 우수하며 이를 진동모터에 적용할 경우에 브러쉬 접촉면의 마모 지연에 따라 수명개선 효과를 볼 수 있게 되었다. 실험은 간이 내 마모 실험기를 이용하여 행하였으며 실험조건은 하중 450g, 핀직경 45mm, 속도 90mm/s 이다.

데이터처리

경도측정은 비커스 경도계를 이용하여 Wgf 하중 하에서 5 초 load time 조건에서 측정을 진행하였다. 측정 값은 10번 반복하여 평균값을 취하였다. 전류밀도가 증가할수록 도금층의 Cu 함량 및 경도가 증가하는 경향성을 보여주고 있다.

성능/효과

(3) Au-Cu 합금도금을 Au-Co 합금도금과 비교분석하여 Au-Cu 합금도금이 완전고용체를 이루면서 내마모성이 향상된 최적화된 합금 도금임을 검증하였으며 이를 진동모터에 적용하여 신뢰성 시험에서 목표 이상의 단속수명을 달성하였다.
내부 조직의 형상이나 결정 립 구조를 살펴보기 위하여 TEM 분석을 실시하였다. Fig. 9의 TEM 결과에서 볼 수 있듯이 polycrystal 이지만 결정립 경계가 명확하지 않으며, 제한시야회절(SAD) 분석결과 결정내부에 잔류응력이 작게 존재하는 것으로 나타났다.5
일반적으로는 전류밀도가 증가할수록 결정립 크기가 커지며 도금 두께 성장 속도가 빨라지게 된다. 경도 및 내마모성의 향상은 니켈 도금층의 표면 형태에 따라 많이 좌우되며 실험을 통해 니켈 층이 최적의 Morphology를 갖는 전류밀도 6A/dm2을 최종적으로 확정하였다.
7 은 당사 기존 양산품과 경쟁사, 그리고 개선품을 나노인덴터 (nano indenter)를 이용하여 동일한 조건에서 경도를 측정한 결과를 보여주고 있다. 도금 최적화를 통하여 정류자면의 경도가 기존 양산품 대비 약 17% 향상되었다.
니켈층의 역할은 기저면에 있는 Cu 가 금도금층으로확산되어 부식이 발생하는 것을 방지하는 역할이다. 반면에 본 연구에서 개발된 Au-Cu 합금 도금을 할 경우에 금속간 완전 고용체를 이루기 때문에 Cu 가 금도금층으로 확산이 되지 않으며 염수 분무 시험에서 좋은 결과를 얻을 수 있다. 본 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
본 합금도금에 의해서 생성되는 합금의 결정조직을 파악하기 위하여 XRD 분석을 행하였으며 분석 결과 면심입방결정 조직으로 Au-Cu 구조를 가지고 있다. Table 1은 XRD 분석을 통하여 Peak 값의 원자 거리와 각도를 구한 값을 보여주고 있다.
Au-Cu 결정조직의 참조값과 주요 Peak 값을 비교하여 본 결과 AuCu3 혹은 Au3Cu 결정 조직과는 다르며 Au-Cu 결정 조직과 거의 일치하였다. 이상의 결과를 바탕으로 현재 개발된 도금은 Au-Cu 조직의 합금 도금을 이룸을 알 수 있다. Au와 Cu 가 전류 조건에 따라서 표면에 도금이 될 때 Au 와 CU 원자가 완전 고용체를 형성하게 된다.
모터의 쇼트 현상은 주로 두 가지 경우에 의해 발생하게 된다. 첫째, 정류자 세그먼트 사이에 브러쉬의 각도가 설계 각도보다 너무 작거나 큰 경우에 발생하는 기구적 원인에 의한 쇼트가 있으며 다른 하나는 도금 면에서 마모된 입자가 세그먼트 극간에 쌓여 세그먼트 사이의 쇼트를 유발하는 경우이다. Fig.
최적화된 전류밀도로 도금한 PCB 의 내마모성 실험을 수행하였으며, 앞에서 설명한 대로 Au-Co 에 비해 Au-Cu 표면의 결정립 크기가 작기 때문에 결합력이 우수하며 이로 인해 내마모성이 우수하리라 예측되었다. 실제 실험 결과, 조직 및 표면 형태에서 예측한 것과 같이 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

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