[논문]Sn/Cu 도금액의 보충이 도금제품의 도금피막특성에 미치는 영향

전택종; 고준빈; 이동주

문제 정의

이에 본 연구는 환경규제 물질인 납을 함유하지 않고 동등한 신뢰성을 가질 수 있는 Pb free 고속 Sn/Cu 합금 반광택 도금액에 연속도금에서 발생되어지는 도금액 부족에 따른 도금액 보충이 제품에 미치는 도금 피막 특성을 파악하기 위하여 Sn/Cu 합금 반광택 도금액을 이용하여, 부품의 단자면에 도금되는 작업성과 무연제 품에서 요구되는 도금두께와 동 (Cu) 조성이 Sn/Pb 솔더 합금의 특성과 동등한 솔더 접합성과 신뢰성을 확보하고, 무연도금에서 발생될 수 있는휘스커(Whisker)를 방지할 수 있는 동조성 2±1%과부품의 단자도금에서 요구되는 도금두께 규격 12土 3um 이 Sn/Pb 솔더 합금의 특성 과 동등함은 이미 밝혀진 이론이다. 이에 Sn/Cu 합금 반광택 도금액이 Sn/Pb 솔더합금 도금액과 동등한 젖음성(Wettability)과 퍼짐성(Spreadability)등 신뢰성을 확보하고, 휘스커(Whisker)발생을 방지할 수 있는 도금규격인 도금두께 12±3um 과 동조성 2±1%가 도금액 보충 전후의 도금제품의 피막특성을 관찰하여 도금두께의 변화와 동조성의 변화를 고찰함으로써 Sn/Cu 합금 반광택 도금액을 보충하면서 발생 되어지는 도금두께의 편차와 동조성의 편차가 도금 피막특성에 미치는 영향을 고찰하고, 도금액보충 전후의 단자외관상태의 변화를 알아보고자 하였다.
따라서 납을 사용하지 않는 재료를 이용하여 종래에 사용되어온 주석(Sn) 과 납(Pb) 합금의 대체물질인 주석과 구리(Cu)의 무연합금에 대한 신표면처리의 적용 가능 여부에 대한 구명이 필요한 실정이다. 이에 본 연구는 환경규제 물질인 납을 함유하지 않고 동등한 신뢰성을 가질 수 있는 Pb free 고속 Sn/Cu 합금 반광택 도금액에 연속도금에서 발생되어지는 도금액 부족에 따른 도금액 보충이 제품에 미치는 도금 피막 특성을 파악하기 위하여 Sn/Cu 합금 반광택 도금액을 이용하여, 부품의 단자면에 도금되는 작업성과 무연제 품에서 요구되는 도금두께와 동 (Cu) 조성이 Sn/Pb 솔더 합금의 특성과 동등한 솔더 접합성과 신뢰성을 확보하고, 무연도금에서 발생될 수 있는휘스커(Whisker)를 방지할 수 있는 동조성 2±1%과부품의 단자도금에서 요구되는 도금두께 규격 12土 3um 이 Sn/Pb 솔더 합금의 특성 과 동등함은 이미 밝혀진 이론이다. 이에 Sn/Cu 합금 반광택 도금액이 Sn/Pb 솔더합금 도금액과 동등한 젖음성(Wettability)과 퍼짐성(Spreadability)등 신뢰성을 확보하고, 휘스커(Whisker)발생을 방지할 수 있는 도금규격인 도금두께 12±3um 과 동조성 2±1%가 도금액 보충 전후의 도금제품의 피막특성을 관찰하여 도금두께의 변화와 동조성의 변화를 고찰함으로써 Sn/Cu 합금 반광택 도금액을 보충하면서 발생 되어지는 도금두께의 편차와 동조성의 편차가 도금 피막특성에 미치는 영향을 고찰하고, 도금액보충 전후의 단자외관상태의 변화를 알아보고자 하였다.

제안 방법

도금 후 순수(DI Water)를 상온에서 200 m〃min 로 분사하여 Sn/Cu 잔류 도금액을 제거하는 공정을 거치고, 제품을 장시간 대기 중의 산소(0, 에서 도금표면이변색되지 않도록 유켄 (YUKEN) 공업(쥐의 MTC-7N 을 작업온도 30±5℃에서 75±25 2의 농도로 변색 방지 4)처리를 하였다. 60±5℃로 가열된 순수 (DI Water)를 이용하여 탕세(Hot Water)를 실시하고, 수세로 인한 얼룩 및 변색을 방지하기 위하여 120 土 10℃의 열풍을 이용하여 제품을 건조 시키고 핀치 로울러 (Pinch Roller)를 이용하여 제품을 이 송 하는 시스템의 도금장비를 이용하여 실험을 진행하였다. 도금 프로세스는 간략하게 도표로 표시하면 Fig.
공정적용을 위한 평가는 도금설비의 도금조 구조를 이해하고, 공정적용 시 발생될 수 있는 이상 내용을 방지하기 위하여 각각의 동조성, 도금두께, 도금 외관 상태를 확인하는 방법으로 실험을 진행하였다.
2m/min 을 기준으로 도금을 실시하였다. 도금 후 순수(DI Water)를 상온에서 200 m〃min 로 분사하여 Sn/Cu 잔류 도금액을 제거하는 공정을 거치고, 제품을 장시간 대기 중의 산소(0, 에서 도금표면이변색되지 않도록 유켄 (YUKEN) 공업(쥐의 MTC-7N 을 작업온도 30±5℃에서 75±25 2의 농도로 변색 방지 4)처리를 하였다. 60±5℃로 가열된 순수 (DI Water)를 이용하여 탕세(Hot Water)를 실시하고, 수세로 인한 얼룩 및 변색을 방지하기 위하여 120 土 10℃의 열풍을 이용하여 제품을 건조 시키고 핀치 로울러 (Pinch Roller)를 이용하여 제품을 이 송 하는 시스템의 도금장비를 이용하여 실험을 진행하였다.
도금액 보충 전, 후 각각 5개의 단자를 콜렉터단자, 에미터단자, 그리고 베이스 단자의 3 단자의 표인 면, 이면의 상태를 확인한다. 이렇게 확인된 도금제품은 도금액 보충 전, 후의 분포차를 확인하여 동조성 측정 과 도금두께 측정을 실시하여 Sn/Cu 도금에서 요구 되어지는 동농도 2±1%와 도금두께 12±3 ㎛의 관리 기준을 충족할 수 있는지를 확인 하였다.
도금액 보충 전후의 동농도 측정은 세이코 (SEIKO)사의 SFT-7700 도금액 분석 장비를 이용하여 도금액이 분석될 수 있도록 하였으며, 각각의 시료 채취 위치는 Fig. 5에 나타내었으며, 도금 장비의 각 셀(Cell)마다 시료를 채취하여 도금액 보충 전, 후의 변화를 확인하였다. 이 과정에서 도금 시료의 측정은 측정위치 (Fig 4)를 정하여 측정오차에 의한 차이 발생을 최소화 할 수 있도록 하여동농도를 측정하였다.
도금액은 정상 가동시의 변동요인을 실험하기 위하여 제품의 단자두께, 동조성분포, 도금의 외관 상태를 확인하였다. 도금평가 시료는 48,000pcs를 12,000pcs씩 분배하여 각각의 선두에 대하여 시료를 채취하여 도금의 상태를 확인 하였다.
도금액은 표준욕 조성을 기본으로 한계성평가를 통하여 최적의 건욕 조건을 설정하고, 프로세스관리 범위를 정하는 방법으로 관리범위를 설정하였다. 표준작업조건은 Table 2의 표준작업 조건을 적용하여 공정조건에 적합한 조건으로 변경 진행하였다.
확인하였다. 도금평가 시료는 48,000pcs를 12,000pcs씩 분배하여 각각의 선두에 대하여 시료를 채취하여 도금의 상태를 확인 하였다. 시료의 수는 각도금조별 15pcs 로 전체 60pcs 를 평가하였다.
5에 나타내었으며, 도금 장비의 각 셀(Cell)마다 시료를 채취하여 도금액 보충 전, 후의 변화를 확인하였다. 이 과정에서 도금 시료의 측정은 측정위치 (Fig 4)를 정하여 측정오차에 의한 차이 발생을 최소화 할 수 있도록 하여동농도를 측정하였다.
이면의 상태를 확인한다. 이렇게 확인된 도금제품은 도금액 보충 전, 후의 분포차를 확인하여 동조성 측정 과 도금두께 측정을 실시하여 Sn/Cu 도금에서 요구 되어지는 동농도 2±1%와 도금두께 12±3 ㎛의 관리 기준을 충족할 수 있는지를 확인 하였다.
도금 피막의 상태를 확인하기 위하여 도금액 보충 전후에 샘플(Sample)을 채취하였고, 샘플(Sample) 수는 도금 조에서 5 개씩 도금액 보충 전, 후로 구분하여 10 개의 시료를 채취하였다. 측정위치는 콜렉터(Collector)단자, 에미터(Emitter)단자, 그리고 베이스 (Base)단자의 3 단자와 제품 표인면과 이면별 분포를 측정하였다(Fig. 4). 특히 Sn/Cu 합금 반광택 도금액은 고속도금에 사용되는 고속 도금액으로서 셀(Cell) 내부에서 빠른 도금액의 교반이 이루어 지고, 제품의 이송이 빠르기 때문에 일반 레크(Rack) 도금과 달리 가장자리 부분에 위치한 시편의 도금두께나 동조성의 변화가 크지 않고, 단자 부품의 특성을 고려하여 측정위치를 선정하였다.
측정은 세이코(SEIKO)사의 SFT-3200 을 이용하여 동일 장소를 연속 3회 30 초의 시간으로 각 단자의 중앙부를 연속 측정하였다. 확인의 기준은 Table 4의 항목을 규격별로 측정하였다.
측정항목은 도금액 보충전후에 도금액 각부의 온도, 동농도를 확인하고, 도금액을 리저브 탱크 (Reserve tank)에 보충 후 30 분간 도금액을 순환한다.
4). 특히 Sn/Cu 합금 반광택 도금액은 고속도금에 사용되는 고속 도금액으로서 셀(Cell) 내부에서 빠른 도금액의 교반이 이루어 지고, 제품의 이송이 빠르기 때문에 일반 레크(Rack) 도금과 달리 가장자리 부분에 위치한 시편의 도금두께나 동조성의 변화가 크지 않고, 단자 부품의 특성을 고려하여 측정위치를 선정하였다.
시료의 수는 각도금조별 15pcs 로 전체 60pcs 를 평가하였다. 표준작업조건은 Table 2의 표준작업조건을 적용하여 공정조건에 적합한 조건으로 변경 진행 하였으며, 도금액 농도는 Table 1의 표준욕 조성을 기준으로 각각의 용액이 도금액 보충전, 후의 변화를 확인하였다.

대상 데이터

동조성분포. 도금 피막의 상태를 확인하기 위하여 도금액 보충 전후에 샘플(Sample)을 채취하였고, 샘플(Sample) 수는 도금 조에서 5 개씩 도금액 보충 전, 후로 구분하여 10 개의 시료를 채취하였다. 측정위치는 콜렉터(Collector)단자, 에미터(Emitter)단자, 그리고 베이스 (Base)단자의 3 단자와 제품 표인면과 이면별 분포를 측정하였다(Fig.
이에 대하여 사용재료는 우에무라공업(쥐의 Soft Alloy GTC-33 Pb free 고속 Sn-Cu 합금 반광택 도 금욕을 사용하였고, 피도금 재료로는 A11oy42재를 사용하여 도금층의 두께와 동(Cu)조성에 대한 작업성을 평가하였다. 도금액은 Table 1의 기준으로 표준욕조성을 기준²으로 하였다.

성능/효과

(1) 도금액 보충 전과 보충 후에도 동농도 조건은 변하지 않음을 나타내며, 동농도는 제품 1 개내에서 최대 0.08%의 차이를 나타내었다.
(2) 도금액 보충전과 보충후에도 도금두께 조건은 변하지 않음을 나타내며, 도금두께는 제품 1 개 내에서 최대 0.17μm의 차이를 나타내었다.
(3) 도금액 보충 전후의 단자 외관 상태는 금속현미경으로 50 배 확대하여 확인한 결과 도금액보충 전 제품과 도금액 보충 후 제품 모두 외관 상태가 양호하고, 표면과 이면에서 도금외관 상태가 양호한 소견을 보이고 있다.
(4) 도금액 보충 전후의 도금두께 편차나 동조성의 확인결과 도금두께의 변화와 동농도의 변화가 미세하므로 단자 부품 등의 미세단자에 정밀도금이 가능함을 확인할 수 있었다.
(5) 도금액 보충 전후는 제품의 외관과 도금조직에 영향을 미치지 않는 결과를 나타내고 있음을 본 실험에서 확인할 수 있었다.
도금 작업조건은 도금액중의 Sn 염(塩)은 51.8g/ I, Cu 염(塩)은 0.755g/C 유리산의 농도는 266 ml/l, 첨가제의 농도는 208 안정제의 농도는 110 m£/C를 퍼킨엘머 (PerkinelmerO 사의 ICP(Inductively Coupled Plasma)분석 기 인 ICP-2100 을 이용하여 표준용액 오차범위내의 도금액의 분석결과를 얻을 수 있었다. 전류밀도는 정류기에 표시되는 전류로서 9.
도금액 보중 전후의 동농도 확인결과 도금액보충전 제품 5 개를 각 단자별로 측정한 결과 최대 0.06%의 차이를 나타내고 있으며, 도금액 보충 후 제품 5 개를 측정한 결과 0.08%의 오차를 보이고 있다. 이는 도금액 보충 전과 보충 후에도 동농도 조건은 변하지 않음을 나타내며, 동농도는제품 1개 내에서 최대 0.
도금입자는 미세하고 균일한 도금조직을 갖고 있으며, 도금 규격을 만족하는 소견을 보이고 있다. 도금액 보충 전후는 제품의 외관과 도금조직에 영향을 미치지 않는 결과를 나타내고 있음을 본 실험에서 확인할 수 있었다.
도금액 보충 전후의 단자 외관 상태는 금속현미경으로 50 배 확대하여 확인한 결과 도금액 보충 전 제품과 도금액 보충 후 제품 모두 외관 상태가 양호하고, 표면과 이면에서 도금외관 상태가 양호한 소견을 보이고 있다(Fig. 8). 도금입자는 미세하고 균일한 도금조직을 갖고 있으며, 도금 규격을 만족하는 소견을 보이고 있다.
도금액 보충 전후의 도금액의 동농도 확인 결과도금액 보충 전에는 1.12%, 도금액 보충 후에는 1.42%로 동농도 편차는 0.3%로 표준규격 범위 내의 편차를 나타내어 도금액 보충 전후의 도금액 동농도 변화는 크지 않음을 확인할 수 있었다(Table 5).
보충전 제품 5 개를 각 단자별로 측정한 결과 최대 0.12um의 차이를 나타내고 있으며, 도금액보충 후 제품 5 개를 측정한 결과 0.17um 의 오차를 보이고 있다.
755g/C 유리산의 농도는 266 ml/l, 첨가제의 농도는 208 안정제의 농도는 110 m£/C를 퍼킨엘머 (PerkinelmerO 사의 ICP(Inductively Coupled Plasma)분석 기 인 ICP-2100 을 이용하여 표준용액 오차범위내의 도금액의 분석결과를 얻을 수 있었다. 전류밀도는 정류기에 표시되는 전류로서 9.6A/d rrf의 평균전류를 나타내어 측정기준의 규격 내에서 작업조건을 확인할 수 있었다(Table 3).

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