KR100461717B1 - 바렐 도금장치 및 그 도금방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전해액이 저장된 도금조와, 상기 도금조 내에 배치되며 회전가능하도록 구성된 바렐본체와, 상기 도금조 내에 배치되며 상기 전해액에 포함된 이온과 동일한 물질로 이루어진 양극와, 상기 양극과 상기 바렐본체에 연결된 음극을 통해 펄스전류를 공급하기 위한 전원공급부와, 상기 도금조 내에 소정의 초음파를 공급하기 위한 초음파발생부 및 펄스전류 및 초음파가 주기적으로 교차하여 발생되도록 상기 전원공급부와 상기 초음파발생부를 전기적으로 제어하기 위한 제어부로 포함한 바렐도금장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 바렐 도금 과정에서 초음파와 펄스전류를 주기적으로 교차 발생시킴으로써 각형의 소형 칩부품의 칩붙음불량을 크게 줄일 수 있다.

Description

바렐 도금장치 및 그 도금방법{BARREL PLATING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 바렐 도금장치에 관한 것으로, 초음파와 펄스전류를 주기적으로 교차시켜 가해줌으로써 칩 붙음 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 바렐 도금장치 및 도금방법에 관한 것이다.

일반적으로, 칩저항, 다층세라믹 칩, 칩인덕터 등과 같은 소형 칩부품은 외부전극을 솔더링하여 인쇄회로기판에 실장한다. 이러한 소형 칩부품의 외부전극은 은 페이스트 또는 구리페이스트로 형성되는데, 상기 칩부품을 인쇄회로기판에 솔더링을 양호하게 하기 위해 그 외부 전극에 니켈 도금 후 주석(Sn) 또는 주석-납(Sn-Pb)을 도금하는 공정을 수행한다. 이러한 도금공정에 주로 바렐 도금법을 적용된다. 이러한 바렐도금법은 칩부품의 크기, 형상 등에 따라 회전 바렐, 진동 바렐, 또는 고속 회전 도금 장치에서 선택하여 수행할 수 있다.

도1은 종래의 바렐도금장치의 일형태에 대한 개략도이다. 도1을 참조하면, 상기 바렐도금장치는 도금조(10), 전원공급장치(20) 및, 바렐본체(30)로 이루어진다. 상기 전원공급장치(20)는 상기 도금조(10) 내의 바렐본체(30)외부에 위치한 양극체(22a,22b)와, 상기 바렐본체(30) 내부에 음극이 연결되어 상기 바렐 내부의 도금체에 직류 전류를 공급한다. 추가적으로, 칩부품의 전극 부위에 통전을 원활히 해주기 위해 금속 더미볼(dummy ball: 미도시)을 적정 비율로 첨가해 주고, 칩 부품과 더미볼의 혼합이 더 잘 이루어지도록 세라믹 볼 혹은 큰 지름의 금속 볼을 투입한다.

상기 바렐도금장치에 도금되는 칩부품(50)은 도2a에 도시된 바와 같이 대부분 외부 형상이 판판하고 날카로운 모서리를 갖는다. 따라서, 칩부품(50)의 외부전극(51)에 도금하는 과정에서, 도2b와 같이 칩부품(60,70)의 외부전극(61,71)끼리 서로 붙은 상태로 도금이 되는 경우가 발생된다. 이를 소위 칩붙음 현상(twin chip)이라 한다. 상기 칩붙음 현상이 발생되면, 붙은 측면의 외부전극에 도금 두께가 충분하지 않아 불량을 일으키고 부품 신뢰성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하며,심한 경우에는 분리되지 않아 칩부품을 사용할 수 없는 경우도 발생될 수 있다.

이를 해결하기 위해서, 종래에는 평평하고 각진 칩부품을 도금할 경우 바렐의 종류, 더미볼의 크기와 배합 비율, 도금액의 교반 정도 등 많은 변수들을 최적화하는 방식을 사용하여 왔다. 하지만, 공정마다 칩부품의 크기 및 투입량이 달라지는 등의 변수가 빈번하게 발생되어, 종래의 방식으로는 칩붙음 불량을 위한 최적화 조건을 찾는 것은 용이하지 않다. 또한, 도금액의 특성에 의해서도 칩붙음 불량 정도가 변화하기 때문에, 솔더링성, 작업성, 액안정성, 안전성을 고려한 도금액의 선정 시에도 큰 제약이 되는 문제가 있다.

따라서, 당 기술분야에서는, 칩붙음현상을 방지하기 위한 새로운 바렐도금장치 및 그 도금방법이 요구되어 왔다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 그 목적은 바렐도금조에 초음파발생장치를 설치하고 펄스 전원을 사용함으로써 바렐 도금 중에 초음파와 펄스전류를 주기적으로 교차시켜 각형의 소형 칩부품의 칩붙음불량을 크게 줄일 수 있는 바렐도금장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 바렐도금조에 바렐 도금 중에 초음파와 펄스전류를 주기적으로 교차 발생시키는 바렐도금방법을 제공하는데 있다.

도1은 종래의 바렐도금장치를 나타내는 개략도이다.

도2a 및 2b는 각형의 칩부품과 칩붙음현상을 나타내는 개략도이다.

도3은 본 발명의 일실시형태에 따른 바렐도금장치를 나타내는 개략도이다.

도4는 초음파와 펄스전류의 발생주기를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

110: 도금조 120: 전원공급장치

130: 바렐본체 140: 초음파발생장치

150: 제어부

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전해액이 저장된 도금조와, 상기도금조 내에 배치되며 회전가능하도록 구성된 바렐본체와, 상기 도금조 내에 배치되며 상기 전해액에 포함된 이온과 동일한 물질로 이루어진 양극과, 상기 양극과 상기 바렐본체에 연결된 음극을 통해 펄스전류를 공급하기 위한 전원공급부와, 상기 도금조 내에 소정의 초음파를 공급하기 위한 초음파발생부와, 펄스전류 및 초음파가 주기적으로 교차하여 발생되도록 상기 전원공급부와 상기 초음파발생부를 전기적으로 제어하기 위한 제어부로 이루어진 바렐도금장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기 초음파 발생장치에서 발생되는 초음파의 주파수는 약 20㎑이상 약 60㎑이하 범위를 갖도록 한다.

특히, 상기 제어부는 상기 주기적으로 교차하여 발생되는 펄스전류 및 초음파 각각이 적어도 상기 바렐본체의 1회전시간보다 긴 온타임(on-time)으로 조절하는 것이 바람직하며, 또한 펄스전류와 초음파가 교차발생시에 소정의 시간동안 초음파 및 펄스전류 모두가 오프(off)가 되도록 조절하여 지연시간을 확보함으로써 도금계면의 이온농도분포를 초기조건으로 회복시킨다.

나아가, 본 발명에서는, 일 주기 당 펄스전류발생시간을 약 1분이상 10분 이하로 조절하고, 일 주기 당 초음파발생시간을 약 20초이상 120초이하로 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 새로운 바렐도금방법도 제공한다. 즉, 전해액이 저장된 도금조 내에 도금물질을 제공하는 도금체 및 회전가능한 바렐본체가 구비된 바렐도금장치를 이용하여 칩부품을 도금하는 방법에 있어서, 상기 도금조 내에 도금할 칩부품을 배치하는 제1 단계와, 상기 바렐본체와 상기 도금체를 두 극으로 하여 펄스전류를 제1 시간 동안 공급하는 제2 단계와, 제1시간의 경과 후에 펄스전류를 중단하고 상기 도금조 내에 소정의 초음파를 제2 시간동안 발생시키는 제3 단계와, 상기 제2 단계와 상기 제3 단계를 순차적으로 적어도 1회이상 반복하는 제4 단계를 포함하는 바렐도금방법을 제공할 수도 있다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태와 원리를 상세히 설명하기로 한다.

도3은 본 발명에 따른 초음파 발생 장치(140)와 펄스 전원(120)을 이용한 바렐 도금 장치의 개략도이다. 도3을 참조하면, 상기 바렐도금장치는, 도금조(110), 바렐본체(130), 도금체인 양극(122a,122b), 전원공급부(120), 초음파발생부(140) 및 제어부(150)로 구성된다.

상기 도금조(110) 내에는 전해액이 저장되고, 바렐본체(130), 양극(122a,122b) 및 초음파발생부(140)가 배치된다. 상기 전원공급부(120)는 양극(122a,122b)과 바렐본체(130)내부의 음극을 두 극으로 하여 도금을 수행하기 위한 펄스전류를 공급한다. 또한, 본 발명에서는 펄스전류 및 초음파가 주기적으로 교차하여 발생되도록 상기 전원공급부(120)와 상기 초음파발생부(140)를 제어하기 위한 제어부(150)가 구비된다.

이와 같이, 본 발명의 바렐도금장치는 도금이 진행 중인 도금조 내에 펄스전류 및 초음파를 주기적으로 교차하여 발생시키도록 구성된다. 펄스전류는 양극 (122a,122b)을 전해액 내에서 이온화시켜 음극과 연결된 바렐본체 내부에 있는 칩부품의 외부전극에 도금층을 형성시킨다. 또한, 제어부(150)에서는 소정의 시간 경과 후에 펄스전류 공급을 중단시킨 후에, 초음파발생부(110)를 작동시켜 소정의 초음파를 도금조(110) 내에 공급한다. 이러한 초음파는 진동에 의해 도금과정에서 부착된 칩부품을 분리시키는 역할을 한다. 이러한 상기 작동을 제어부(150)를 통해 반복적으로 수행함으로써 칩부품의 부착을 방지하면서 도금공정을 수행할 있다.

본 발명의 특징은 칩 부품의 바렐도금공정에서 초음파와 펄스전원을 주기적으로 교차하여 공급시켜 칩 붙음현상을 방지하면서 양질의 도금층을 형성할 수 있다는데 있다.

당 기술분야에서는, 200㎑미만의 주파수를 갖는 초음파가 도금되는 물체에서 반사되는 음파 사이에서 상호 간섭 및 보강으로 발생하는 정상파에 의해 도금체 표면에 공동(cavity)이 발생하고, 이 공동이 파열될 때 표면 세정 효과, 교반 효과 등이 발생하는 사실만으로 알려져 있었다. 이에 대한 실험과 연구 끝에, 본 발명자는 초음파를 이용함으로써 그 진동 에너지로 인해 피도금체, 특히, 소형 칩부품의 평평한 면이 서로 만날 때 부착된 상태로 도금되는 것을 방지해준다는 것을 알아냈다.

하지만, 이러한 200㎑미만의 초음파는 도금층의 응력을 발생시켜 도금층의 핵생성 과정에 영향을 주어 치밀하지 않은 조직을 형성시키는 문제를 야기하기도했다. 이를 해결하기 위해서, 본 발명자는 반복되는 실험을 통해, 초음파와 펄스 전류의 주기를 교차시켜줌으로써 원활한 도금을 수행하는 동시에 칩붙음현상을 방지할 수 있다는 것을 안출해 낼 수 있었다. 즉, 펄스 전류를 가해주는 주기 동안에는 초음파를 가해주지 않으면 초음파의 영향없이 단시간 도금 과정이 일어나고, 그 다음 주기에는 초음파만 가해주고 전류를 차단해줌으로써 도금 과정 중 붙었던 칩들을 강제적으로 분리시켜줄 수 있었다. 이와 같은 원리로 구현된 도3의 바렐도금장치를 고안함으로써, 칩붙음 불량을 크게 줄이고 치밀한 도금층을 얻을 수 있다.

도4는 본 발명에 따른 바렐도금장치의 펄스전류 및 초음파동작을 나타낸 그래프이다.

우선, 도금공정은 펄스전류를 제1 시간(t1-t2)동안 공급하여 시작된다. 펄스전류에 대한 제1 시간(t2)이 경과하면, 펄스전류공급을 중단하고, 초음파를 발생시켜 붙은 칩을 진동으로 분리시킨다. 초음파공급을 위한 제2 시간(t3-t4)이 경과하면, 초음파발생을 중단하고, 소정의 시간(t4-t5)동안 펄스전류공급도 오프상태를 유지한다. 이와 같이, 초음파와 펄스 전류 사이에 지연 시간(t4-t5)을 확보하는 것은 초음파가 공급이 중단된 후에 펄스전류가 가해지기 전에 도금 계면에서의 이온 농도 분포 등이 초기 조건과 동일하게 회복시키기 위함이다. 이러한 지연 시간(t2-t3, t4-t5)은 1초 내지 20초 사이가 바람직하다. 상술된 펄스전류와 초음파의 주기적인 교차공급을 도금공정이 완료될 때까지 반복함으로써 칩붙음현상을 방지한 우수한 도금층을 갖는 칩부품을 얻을 수 있다. 이어, 다시 제1 시간(t1-t2) 동안 펄스전류를 가해주고, 소정의 시간(t2-t3)간격을 둔 후에 다시 초음파를 발생시키는 방식을 도금이 완료될 때까지 반복수행한다.

여기서, 펄스전류공급시간 및 초음파발생시간은 사용되는 바렐본체의 1회전에 소요되는 시간보다 길게 해주는 것이 바람직하다. 이는 적어도 바렐본체의 1회전시간동안에 공급되어야 모든 칩에 대해 균일한 효과를 줄 수 있기 때문이다. 또한, 초음파발생시간은 펄스 전류가 가해지는 시간보다 짧게 해주는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는, 펄스전류 공급시간은 1분 내지 10분정도로 한다. 펄스전류가 1분이하로 공급되면, 충분한 도금층을 형성하기 힘들며, 10분이상 공급되면 다수의 칩부품에서 칩붙음현상이 발생되고, 그 붙음정도가 견고해져 분리가 어려운 문제가 있다. 한편, 초음파발생시간은 20초 내지 120초범위가 바람직하다. 초음파 발생시간이 20초 이하이면, 충분한 칩부품 분리효과를 얻을 수 없고, 120초 이상이면, 칩부품에서 생성중인 도금층에서 산화현상이 발생될 수 있기 때문이다.

나아가, 본 발명에서 사용되는 초음파의 주파수는 20㎑이상 60㎑이하의 범위가 바람직하다. 이는 20㎑미만에서는 충분한 효과를 얻을 수 없고, 60㎑이상에서는 도금조나 바렐본체 등에 재질변형현상이 발생될 수 있기 때문이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명하기로 한다.

도3와 같이, 27㎑와 1㎒의 주파수를 가지는 초음파 진동자를 설치한 도금조에 바렐본체를 설치하였다. 칩붙음 불량이 쉽게 발생하는 각형의 칩부품을 와트 니켈욕에서 온도를 55℃하여, 4.5암페어(A)로 60분동안 도금하였다.

상기 결과물을 다시 주석(Sn)도금을 하였다. 이러한 주석도금과정에서 초음파와 펄스 전류 조건을 변화시켜 각 조건의 변화에 따른 칩붙음발생율을 평가하였다. 칩붙음발생율은 투입한 전체 중량 대 칩붙음 발생 칩의 중량 백분율로 평가하였다. 표1은 상기 초음파와 펄스전류조건에 따른 칩붙음발생율을 나타낸다.

시편	초음파의 주파수	초음파 발생시간	전류공급시간	칩붙음 발생율(%)
1*	27㎑	0	연속	17
2		40초	10분	2
3		40초	5분	0.7
4		40초	2분	0.3
5*		연속	연속	0.2
6	1㎒	40초	2분	0.1
*은 본 발명의 범위에서 벗어남.

표1에 나타난 바와 같이, 초음파를 가하지 않았을 경우에는, 칩붙음 17%로 매우 심하게 불량이 발생하였다. 27㎑인 주파수에서 펄스 전류 공급시간 즉, 초음파를 가하는 주기가 빨라질수록, 칩붙음 불량이 현저히 감소함을 알 수 있다.

특히, 펄스전류의 공급시간이 2분인 경우 칩붙음이 0.3% 까지 감소하였다. 초음파를 연속으로 가할 경우 칩붙음이 0.2%로 최소가 되지만 도금이 매우 거칠고 치밀하지 않아 솔더링 공정에서 냉납 불량이 발생하는 등의 문제가 있어 적용은 곤란하다.

또한, 초음파 주파수를 1MHz로 한 경우에는 칩붙음 발생율이 0.1%로 27kHz 에서보다 더욱 개선된 결과를 보였으나 초음파의 에너지가 크기 때문에 바렐본체의 재료를 변형시키는 문제가 발생하여 이 조건을 적용시키기 위해서는 바렐 재료의 개선이 필요하다. 바렐본체의 재료가 개선되면, 400㎑ 이상의 고주파수에서는 산란이 매우 심하여 정상파가 형성되지 않고 도금체에 직접 에너지를 전달하는 방식으로 초음파 효과가 발생한다. 200kHz 미만에서와는 달리 충격파를 발생하지 않으므로 도금층에 소성변형 등의 응력을 일으키지 않는다. 따라서, 주기적으로 교차하지 않고도 시편(5*)에 해당하는 조건으로도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다.

상술한 바와 같이, 바렐도금조에 초음파발생장치를 설치하고 펄스 전원을 사용함으로써 바렐 도금 중에 초음파와 펄스전류를 주기적으로 교차시킴으로써 각형의 소형 칩부품의 칩붙음불량을 크게 줄일 수 있다.

Claims (12)

1. 전해액이 저장된 도금조;

   상기 도금조 내에 배치되며 회전 가능하도록 구성된 바렐본체;

   상기 도금조 내에 배치되며 상기 전해액에 포함된 이온과 동일한 물질로 이루어진 양극;

   상기 양극과 상기 바렐본체에 연결된 음극을 통해 펄스전류를 공급하기 위한 전원공급부;

   상기 도금조 내에 소정의 초음파를 공급하기 위한 초음파발생부; 및

   펄스전류 및 초음파가 주기적으로 교차하여 발생되도록 상기 전원공급부와 상기 초음파발생부를 전기적으로 제어하기 위한 제어부로 이루어진 바렐도금장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 초음파 발생장치는 20㎑이상 60㎑이하의 주파수를 갖는 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 바렐도금장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 주기적으로 교차하여 발생되는 펄스전류 및 초음파 각각이 적어도 상기 바렐본체의 1회전시간보다 긴 온타임으로 조절하는 것을 특징으로 하는 바렐도금장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 펄스전류와 초음파가 교차발생시에 소정의 시간동안 초음파 및 펄스전류 모두가 오프가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 바렐도금장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 일 주기 당 펄스전류발생시간을 1분이상 10분 이하로 조절하는 것을 특징으로 하는 바렐도금장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 일 주기 당 초음파발생시간을 약 20초이상 120초이하로 조절하는 것을 특징으로 하는 바렐도금장치.
7. 전해액이 저장된 도금조 내에 도금물질을 제공하는 양극 및 회전가능한 바렐본체가 구비된 바렐도금장치를 이용하여 칩부품을 도금하는 방법에 있어서,

   상기 도금조 내에 도금할 칩부품을 배치하는 제1 단계;

   상기 바렐본체 내부의 음극와 상기 양극을 두 극으로 하여 펄스전류를 제1 시간 동안 공급하는 제2 단계;

   제1시간의 경과 후에 펄스전류를 중단하고 상기 도금조 내에 소정의 초음파를 제2 시간동안 발생시키는 제3 단계; 및

   상기 제2 단계와 상기 제3 단계를 순차적으로 적어도 1회이상 반복하는 단계를 포함하는 바렐도금방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 소정의 초음파의 주파수는 20㎑이상 60㎑이하 범위인 것을 특징으로 하는 바렐도금방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 펄스전류가 발생되는 제1 시간과 상기 초음파가 발생되는 제2 시간은 각각 적어도 상기 바렐본체의 1회전시간보다 긴 것을 특징으로 하는 바렐도금방법.
10. 제7항에 있어서,

    상기 펄스전류가 발생되는 제1 시간과 상기 초음파가 발생되는 제2 시간 사이에 소정의 시간동안 초음파 및 펄스전류 모두가 오프가 되는 것을 특징으로 하는 바렐도금방법.
11. 제7항에 있어서,

    상기 펄스전류가 발생되는 제1 시간은 약 1분이상 10분 이하인 것을 특징으로 하는 바렐도금방법.
12. 제7항에 있어서,

    상기 초음파가 발생되는 제2 시간은 20초이상 120초이하인 것을 특징으로 하는 바렐도금방법.