KR100489869B1

KR100489869B1 - 고밀도 인쇄회로기판에서의 솔더링 및 와이어 본딩을 위한단일 은-금 도금층의 형성 방법 및 상기 방법에 의해제조된 단일 은-금 도금층을 구비한 고밀도 인쇄회로기판

Info

Publication number: KR100489869B1
Application number: KR1020040071333A
Authority: KR
Inventors: 전성욱
Original assignee: (주)유일재료기술
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2005-05-17

Abstract

고밀도 인쇄회로기판(printed circuit board for High Density Interconnection)에서의 솔더링 및 와이어 본딩(wire bonding)을 위한 단일 은-금 도금층의 형성 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 단일 은-금 도금층을 구비한 고밀도 인쇄회로기판이 개시된다. 상기 단일 은-금 도금층은, 치환 도금법에 의해서 구리(Cu) 또는 구리합금(Cu-alloy)으로 된 구리층 상에 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금도금부를 혼재하여 형성시킴으로써 만들어진다. 본 발명에 따르면, 종래의 무전해니켈도금 및 무전해금도금 공정을 대체할 수 있기 때문에 60㎛ 이하의 가는 회로(pattern)에서의 번짐 도금(extraneous plating material)의 문제를 해결할 수 있고, 무전해니켈 및 무전해금이 도금된 인쇄회로기판의 실장(surface mount technology)시 빈번하게 발생하는 블랙패드(black pad) 문제를 완벽하게 해결할 수 있다. 또한, 경제적인 측면에서 공정 시간을 종래의 무전해니켈 및 무전해금도금 공정에 비해 1/3 이내로 단축시킬 수 있고, 생산성을 대폭 증가시킬 수 있으며, 시안화물(cyanide)에 의해 은-금 도금층의 박리가 가능하기 때문에 불량이 없는 고밀도 인쇄회로기판의 생성이 가능하다.

Description

고밀도 인쇄회로기판에서의 솔더링 및 와이어 본딩을 위한 단일 은-금 도금층의 형성 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 단일 은-금 도금층을 구비한 고밀도 인쇄회로기판{Method for forming single Ag-Au plating on printed circuit board for High Density Interconnection, and printed circuit board for High Density Interconnection having single Ag-Au plating}

본 발명은 고밀도 인쇄회로기판에서의 솔더링 및 와이어 본딩을 위한, 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금도금부를 포함하는 단일 은-금 도금층의 형성방법 및 상기 방법에 의해 제조된 단일 은-금 도금층을 구비한 고밀도 인쇄회로기판에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고밀도 인쇄회로기판에서의 구리 또는 구리합금으로 된 구리층 상에 이온화 경향 차이에 따른 치환 도금 법을 이용하여 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부를 형성한 다음, 다시 치환도금법을 이용하여 상기 다공성 은도금부 사이, 상기 구리층 상에 금 또는 금합금 으로 된 금도금부를 형성함으로써 다공성 은도금부와 금 도금부가 혼재되어 있는 단일 은-금 도금층을 형성하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 단일 은-금 도금층을 구비한 고밀도 인쇄회로기판에 관한 것이다.

고밀도 인쇄회로기판은 IC chip, RAM 등과 같은 부품과의 실장을 위한 구리층(도 1의 (2))과 반도체와의 본딩 등을 위한 구리층(도 1의 (3))을 포함하고 있다. 도 1은 스트립 형태의 고밀도 인쇄회로기판의 구조를 도시한 사진으로서, (1)은 고밀도 인쇄회로기판, (2)는 솔더링 되어야 할 구리층, (3)은 와이어 본딩되어야 할 구리층이다. 상기 솔더링 되어야 할 구리층(2)과 와이어 본딩되어야 할 구리층(3)의 재질은 구리 또는 구리합금인 것이 일반적이다.

외부로 노출된 상기 구리층은 시간이 경과함에 따라 산화되고 부식되어 솔더링 및 와이어 본딩 특성을 기대할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 도금 공정으로서, 노출된 구리층 위에 2 내지 5 ㎛의 무전해니켈도금층을 형성한 다음, 0.5㎛ 내외의 무전해금도금층을 형성하는 도금 공정이 당업계에 널리 알려져 있다. 상기 무전해니켈도금은 부식성 분위기로부터 구리를 보호하고, 장기적인 저장 조건 하에서도 구리를 보호하는 한편 구리와 금 사이에서 계면 도금역할을 하여 상호 확산을 방지한다. 상기 무전해금도금은 솔더링 및 와이어 본딩을 위한 것이다.

도 2에는 종래 기술에 따른 고밀도 인쇄회로기판의 무전해니켈도금 및 무전해금도금 공정이 개략적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 먼저 당업계에 널리 알려진 방법에 따라 고밀도 인쇄회로기판(1)상에 패턴화된 회로(도시되지 않음)와 구리층(2, 3)을 형성시킨 후에 상기 구리층(2)(3)를 제외한 나머지 부분에 포토솔더레지스트층(4)을 형성한다. 상기 공정을 거친 고밀도 인쇄회기판을 탈지 처리하고 미세 에칭을 한 다음, 팔라듐(Pd)으로 촉매 처리한 후 3 ∼ 6㎛ 내외의 무전해니켈도금층(5)을 상기 구리층(2, 3) 상에 형성한다. 그 다음, 무전해니켈도금층(5)상에 0.1 ~ 0.5㎛ 무전해금도금층(6)을 형성한다.

상기 무전해니켈도금 및 무전해금도금된 고밀도 인쇄회로기판은, 도금 과정에서 팔라듐(Pd) 촉매를 사용하여 무전해니켈도금을 하기 때문에 브릿지(bridge)나 스킵(skip)이 발생하여 전기 접점 단락이나 실장 불량 문제가 발생한다. 특히, 60㎛ 이하의 파인 피치(fine pitch)인 고밀도 인쇄회로기판의 경우 팔라듐(Pd)의 활성으로 인하여 무전해니켈도금이 구리층 이외의 부분에 도금되는 현상(extraneous nickel plating)이 심하게 발생하여 전기적인 단락인 쇼트(short)의 원인이 되기도 한다.

특히, 무전해니켈도금은 약 5∼9%의 인(phosphorous)을 함유하고 있는 니켈-인 합금 도금이므로 공정 중 인의 조절이 쉽지 않고 사용 증가에 따라 일정한 니켈-인 조성을 얻기 어렵다. 실장(surface mount technology)시, 인은 부품과의 접합력을 저하시켜 신뢰성을 보장할 수 없다. 또한, 부품이 장착된 고밀도 인쇄회로기판이 외부의 요인 즉 열, 충격, 진동 등으로부터 반복적인 힘을 받는 경우, 니켈-인 도금 표면과 부품과의 분리가 일어나고 이 면은 종종 블랙(black)으로 관찰된다(소위, black nickel 또는 black pad).

또 다른 문제점으로, 고밀도 인쇄회로기판은 저전류, 고주파용으로 주로 사용되므로 전기전도도 특성이 우수해야하나, 인을 함유한 니켈-인 합금 도금층은 인 함량에 따라 약 50∼80 Ω/㎝의 저항을 갖고 있어 저전류 고주파용 재료로 적합하지 못하다.

한편, 무전해금도금의 경우, 솔더링용에는 주로 플래쉬(flash) 금도금(두께 0.1㎛ 이하)이 요구되고, 와이어 본딩용에는 약 0.5㎛ 내외의 금도금이 요구된다. 상기 와이어 본딩용의 조건인 0.5㎛의 두께를 얻기 위해서는 85 ℃에서 약 100 분 정도의 시간이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 무전해금도금은 환원제에 의해서 도금되는데, 환원제가 스스로 분해되는 특성 때문에 수명이 짧아져 비경제적인 문제가 있다.

무전해니켈도금 및 무전해금도금과 관련된 출원으로서, 국내 특허 공개 번호 제2003-0080547호는 무전해니켈도금 후 금-은 합금 도금액을 이용한 90∼99%의 금과 1~10%의 은으로 이루어진 금-은 합금 도금층을 개시하고 있다. 국내 공개 특허 제2002-0040597호는 주석 및 은 중 하나를 하지층으로 하고 팔라듐(Pd)으로 촉매 처리 후 무전해금도금을 하여 2중 층을 형성하는 방법을 개시하고 있으나, 이 역시 팔라듐(Pd)을 촉매로 사용하기 때문에 고밀도 인쇄회로기판의 무전해금도금시 팔라듐(Pd)의 활성으로 인한 도금 번짐을 피할 수 없다. 이 외에, 구리층 상에 니켈도금층 및 금 도금층을 형성하는 개량된 기술로써 미국특허번호 제5,173,139호 및 제5,235,139호 등이 있다.

본 발명자들은 상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 오랜 연구를 거듭한 결과, 구리층 상에 매우 얇은 다공성 은도금부와 금 도금부로 이루어진 단일 은-금 도금층을 형성함으로써 무전해니켈도금 및 무전해금도금을 대체할 수 있음을 발견하게 되었다.

본 발명의 목적은, 구리층 상에 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금 도금부를 혼재하여 형성시켜 단일 은-금 도금층으로 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 고밀도 인쇄회로기판이 요구하는 솔더링성 및 와이어 본딩성을 갖춘 단일 은-금 도금층이 구비된 인쇄회로기판을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일 은-금 도금층의 형성 방법은, a) 구리 또는 구리 합금으로 된 구리층을 포함하고, 일정한 회로 패턴이 형성된 고밀도 인쇄회로기판을 제공하는 단계, b) 상기 구리층을 제외한 부분에 포토솔더레지스트층을 형성하는 단계, c) 상기 구리층 상에 치환형 은 도금액을 이용하여 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부를 형성하는 단계, d) 상기 다공성 은도금부 사이 상기 구리층 상에 치환형 금 도금액을 이용하여 금 또는 금합금으로 된 금 도금부를 형성하여 상기 다공성 은도금부 및 상기 금 도금부가 혼재되어 있는 단일 은-금 도금층 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 단일 은-금 도금층은 침지 도금법에 의해 형성된다.

본 발명에서는 치환형 은 도금액으로서 질산은(은공급원), 글리신(킬레이트제), 3,5-니트로살리실산(착화제) 및 비이온 계면활성제를 주성분으로 하는 구리 치환형 은 도금액((주)유일재료기술 상품명 DUOTOP-SILVER)이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 다공성 은 도금의 형성 공정은 50℃에서 9 초 내지 60 분 행하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 치환형 금 도금액으로서 시안화금가리(금공급원), 니트릴로아세틱소다(킬레이트제), 구연산암몬(착화제)을 주성분으로 하는 구리 치환형 금도금액((주)유일재료기술 상품명 DUOTOP-GOLD)이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 금 도금의 형성 공정은 85℃에서 1 내지 30 분간 행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일 은-금 도금층이 구비된 고밀도 인쇄회로기판은, 구리 또는 구리합금으로된 구리층 및 상기 구리층 상에 형성된 단일 은-금 도금층;을 포함하고, 상기 은-금 도금층은 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와, 상기 다공성 은도금부 사이에 형성된 금 또는 금합금으로 된 금 도금부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 다공성 은도금부의 두께는 0.05 내지 5㎛이고, 상기 금 도금부의 두께는 0.01 내지 0.25㎛ 이다. 구리층상에 순차적으로 형성된 단일 은-금 도금층은 밀도가 12 내지 13 g/㎤이고, 상기 단일 은-금 도금층을 시안화물(cyanide)로 구성된 용액으로 용해하여 두께로 환산하면 처리 시간에 따라 0.1 내지 5㎛ 이다.

상기 단일 은-금 도금층은 50 내지 99.99 중량%의 은과 0.01 내지 50 중량%의 금으로 이루어진다.

상기 은 합금은 99 내지 99.999 중량%의 은과, 셀레늄(Se) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 0.001 내지 1 중량%로 이루어지며, 상기 금 합금은 99 내지 99.999 중량%의 금과 0.001 내지 1 중량%의 탈륨(Tl)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 단일 은-금 도금층의 형성 방법에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

도 3을 참조하면, 일정한 회로 패턴(도시되지 않음)이 형성된 인쇄회로기판(11)상에 사진식각법(photolithography)을 이용하여 솔더링을 위한 구리층(12)과 와이어 본딩을 위한 구리층(13)을 형성시킨다. 그 다음, 상기 인쇄회로기판(11)에 포토솔더레지스트(PSR)를 도포하여 포토솔더레지스트층(14)을 형성하고, 상기 포토솔더레지스트층(14)에 드라이 필름을 적용한 후 노광 및 현상을 거쳐 상기 구리층(12,13) 상의 포토솔더레지스트층 부위만을 선택적으로 박리한다. 상기 포토솔더레지스트층(14)은 후술하는 도금에 대한 레지스트(resist) 역할을 한다.

상기 공정이 완료된 후에 고밀도 인쇄회로기판을 45℃에서 3분간 산탈지 (㈜유일재료기술 상품명 SAC-161)하고 구리층(12, 13)의 산화물을 제거할 목적으로 0.5㎛ 내외로 에칭하여 수세한 후 치환형 은도금액((주)유일재료기술 상품명 DUOTOP-Silver)에 50℃에서 9초 내지 60분간 침적하여 구리층(12,13) 상에 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부(15)를 형성한다. 이 때, 침지 도금법이 이용된다. 상기 다공성 은도금부의 두께가 0.05 내지 5㎛이 되도록 도금되며, 은 합금이 이용되는 경우 99 내지 99.999 중량%의 은과, 셀레늄(Se) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 0.001 내지 1 중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부를 형성한 후, 이를 수세하고 치환형 금도금액((주)유일재료기술 상품명 DUOTOP-Gold)에 85℃에서 1분 내지 30분간 침적하여 이온화 경향의 차이에 따른 치환 도금법에 의하여 금 또는 금합금으로 된 금 도금부를 구리층(12, 13)상에 형성한다. 이 때, 구리층(12, 13)상에 형성되는 금 또는 금합금으로 된 금 도금부(16)는 다공성 은도금부(15) 사이를 메꾸어 가는 형태로 형성된다. 따라서, 다공성 은도금부(15)와 금 도금부(16)가 혼재되어 단일 은-금 도금층(17)은 매우 조밀하고 광택이 있다. 특히, 은 또는 은합금 도금 입자 사이에 형성된 금 입자가 배리어(barrier) 역할을 하기 때문에 단독 은도금시에 발생되는 마이그레이션(migration)을 방지할 수 있다. 또한, 단독 은도금부는 공기 중에 방치시 대기 중의 아황산가스나 습기 등에 취약하기 때문에 변질 또는 산화되어 솔더링성 및 와이어 본딩성을 저하시키는 문제가 있으나, 금 도금부로 인하여 이러한 문제가 해결된다.

상기 금 도금부의 형성에는 침적 도금법이 이용되는 것이 바람직하고, 상기 금 도금부의 두께가 0.01 내지 0.25㎛ 되도록 도금되며, 금 합금이 이용되는 경우 99 내지 99.999 중량%의 금과 0.001 내지 1 중량%의 탈륨(Tl)으로 이루어진 것이 바람직하다.

이렇게 형성된 상기 단일 은-금 도금층은 50 내지 99.99 중량%의 은과 0.01 내지 50 중량%의 금으로 이루어진다.

이하, 도 4a, 4b, 4c 및 4d를 참조하여 본 발명에 따른 단일 은-금 도금층이 구비된 인쇄회로기판에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

도 4a, 4b, 4c 및 4d를 참조하면, 단일 은-금 도금층(21, 25, 29, 33)은 다공성 은도금부(19, 23, 27, 31)와 금 도금부(20, 24, 28, 32)가 혼재되어 있다. 구리층(18, 22, 26, 30) 상에 다공성(porous) 조직의 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부(19, 23, 27, 31)가 형성되어 있고, 상기 다공성 은도금부(19, 23, 27, 31) 사이 구리층(18, 22, 26, 30)상에 금 또는 금합금으로 된 금 도금부(20, 24, 28, 32)가 형성되어 있다.

구리층상에 형성되어 있는 다공성 은도금부는 솔더링성 및 본딩성을 부여하는 역할을 하며 두께는 0.05 내지 5㎛이고, 바람직하게는 0.25 내지 2㎛이다. 0.05 ㎛ 보다 작아질수록 작업 공정 상 제어하기가 어렵고 솔더링성 및 와이어 본딩 특성이 저하되며, 5㎛ 보다 커질수록 와이어 본딩성은 크게 향상되지 않는 반면 솔더링성이 오히려 저하되고 연속되는 구리층상에 금 또는 금합금으로 된 금 도금부를 형성하는데 시간이 많이 소요된다. 순수한 은 도금만으로도 적정 두께를 유지하면 솔더링성 및 와이어 본딩성이 우수하나, 필요에 따라 셀레늄(Se)이나 납(Pb) 등이 공석된 은합금 도금은 모세관 현상에 의해 솔더링 특성의 개선을 가져오고, 형성된 은 입자를 미세화하여 솔더링성 및 와이어 본딩성을 향상시키는 효과가 있다. 은 합금은 99 내지 99.999 중량%의 은과, 셀레늄(Se) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 0.001 내지 1.0 중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.

구리층상에 치환 도금법에 의하여 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부가 형성되는 원리는 다음과 같다.

Cu (고체) + Ag (액체) ----> Cu (액체) + Ag (고체)

본 발명에 따른 금 또는 금합금으로 된 금 도금부의 두께는 0.01 내지 0.25㎛ 이며, 바람직하게는 0.05 내지 0.1㎛이다. 0.01㎛ 보다 작아질수록 다공성 은도금부가 두껍게 되어 다공성 은도금부가 외부로 노출됨으로써 산화 및 변색을 초래하고, 0.2㎛ 보다 커질수록 솔더링성 및 와이어 본딩성을 크게 향상시키지 않는 반면 재료가 취약해져 밀착 불량의 원인이 될 수 있다. 순수한 금 도금만으로도 솔더링성 및 와이어 본딩성은 우수하나, 금합금 도금에 사용되는 탈륨(Tl)은 언더포텐샬(under potential) 원소로 작용하여 금 도금 속도를 가속시키고 석출되는 금 조직을 입상 조직으로 만들어 솔더링성 및 와이어 본딩성을 향상시키는 역할을 한다. 금 합금은 99 내지 99.999 중량%의 금과 0.001 내지 1 중량%의 탈륨(Tl)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

구리층상에 치환 도금법에 의해서 금 또는 금합금으로 된 금 도금부가 형성되는 원리는 다음과 같다.

Cu (고체) + Au (액체) ----> Cu (액체) + Au (고체)

상기 반응식 (1), (2)을 통해 얻어진 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금 도금부가 혼재되어 형성된 단일 은-금 도금층은 솔더링성 및 와이어 본딩성이 우수하다. 상기 단일 은-금 도금층은 50 내지 99.99 중량%의 은과 0.01 내지 50 중량%의 금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 단일 은-금 도금층이 고밀도 인쇄회로기판에 있어 무전해니켈 및 무전해금도금을 대체할 경우 다음과 같은 장점을 갖는다.

첫째, 스킵(skip, 부분미도금)이나 번짐이 없는 도금이 가능하여 고밀도 미세 회로의 도금이 양호하다.

둘째, 표면 실장(SMT, surface mount technology)시 블랙패드(black pad, 니켈면의 금도금면이 실장 후 분리되어 검게 변하는 현상)의 염려가 없다.

셋째, 무전해니켈도금층은 50∼80 Ω/㎝의 저항이 있는 반면 본원발명에 따른 단일 은-금 도금층은 저항치가 낮아서(은저항치 1.6Ω/㎝, 금저항치 2.4Ω/㎝), 저전류, 고주파 회로에서 발생되는 문제를 없앨 수 있다.

넷째, 무전해니켈도금 및 무전해금도금의 경우 재작업이 불가능하나, 본원발명의 경우, 불량 발생시 시안화물에 의해 박리가 용이하여 100% 재작업이 가능하다.

다섯째, 가장 바람직한 물성을 지닌 도금층을 얻기 위한 공정 시간이, 무전해니켈도금 및 무전해금도금의 경우 통상 45분 정도인 반면, 본 발명의 경우 15분 정도이어서 공정 시간이 1/3 정도로 단축되어 획기적인 생산성 향상을 기대할 수 있다.

여섯째, 와이어 본딩을 위한 금도금 두께는 통상 0.5㎛ 이상이나 본 발명의 경우 0.1㎛ 내외로 금도금의 두께를 1/5 이하로 낮출 수 있어 대폭적인 원가 절감을 할 수 있다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있으며 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.

<전처리>

하기의 실시예에서는, 구리 재질의 솔더링 부위와 와이어 본딩 부위를 제외한 부분에 포토솔더레지스트층(다이오잉크 상품명 AS-303)이 도포된 고밀도 인쇄회로기판(크기 180x230mm, 두께 1.0mm, 구리층 10∼30㎛)을 45 ℃에서 3분간 탈지((주)유일재료기술 상품명 SAC 161)하고, 구리층의 산화물을 제거할 목적으로 0.5㎛ 에칭((주)유일재료기술 상품명 SE 520L)한 후 수세를 하였다.

실시예 1.

상기와 같이 전처리가 완성된 고밀도 인쇄회로기판을 치환형 은도금액(㈜유일재료기술 상품명 DUOTOP-Silver)에 침적하여 50℃에서 1분간 도금하여 은도금 0.25㎛ 를 형성시킨 후 치환형 금도금액(㈜유일재료기술 상품명 DUOTOP-Gold)에 침적하여 85℃에서 4분간 도금하여 금도금 0.05㎛를 갖는 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 2.

은도금 형성 시간을 3분 30초로 하여 은도금 0.5㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 3.

은도금 형성 시간을 8분으로 하여 은도금 1 ㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 4.

은도금 형성 시간을 20분으로 하여 은도금 2 ㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 5.

금도금 형성 시간을 7분으로 하여 금도금 0.1㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 6.

은도금 형성 시간을 3분 30초로 하여 은도금 0.5㎛, 금도금 형성 시간을 7분으로 하여 금도금 0.1㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 7.

은도금 형성 시간을 8분으로 하여 은도금 1 ㎛, 금도금 형성 시간을 7분으로 하여 금도금 0.1㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 8.

은도금 형성 시간을 20분으로 하여 은도금 2 ㎛, 금도금 형성 시간을 7분으로 하여 금도금 0.1㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 9.

은-셀레늄합금 도금액(㈜유일재료기술 상품명 DUOTOP-Silver)을 이용하여 50℃에서 3분 30초간 도금하여 은-셀레늄(Ag-Se)합금 도금 0.5㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 10.

은-셀레늄합금 도금액(㈜유일재료기술 상품명 DUOTOP-Silver)을 이용하여 은합금 도금 형성시간을 8분으로 하여 은-셀레늄(Ag-Se)합금 도금 1 ㎛를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 11.

금-탈륨(Au-Tl)합금 도금액(㈜유일재료기술 상품명 DUOTOP-Gold)을 이용하여 금합금 도금 형성시간을 4분으로 하여 금-탈륨(Au-Tl)합금 도금 0.05㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 12.

금-탈륨(Au-Tl)합금 도금액(㈜유일재료기술 상품명 DUOTOP-Gold)을 이용하여 금합금 도금 형성시간을 7분으로 하여 금-탈륨(Au-Tl) 합금도금의 두께가 0.1㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 13.

금-탈륨(Au-Tl)합금 도금액(㈜유일재료기술 상품명 DUOTOP-Gold))을 이용하여 금합금 도금 형성시간을 4분으로 하여 금-탈륨(Au-Tl)합금 도금 0.05㎛ 를 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

실시예 14.

은-셀레늄합금 도금액을 이용하여 은합금 도금 형성시간을 8분으로 하여 은-셀레늄(Ag-Se)합금 도금 1 ㎛를 형성시키고, 금-탈륨(Au-Tl)합금 도금액을 이용하여 금합금 도금 형성시간을 7분으로 하여 금-탈륨(Au-Tl)합금 도금 0.1㎛ 를 형성시켜 단일 은-금 도금층을 형성하였다.

치환형 은도금액 조성

성 분	함 량	비 고
글리신	10g/ℓ
3,5-니트로살리실산	1 ~ 5g/ℓ
니트로아세틱산	10 ~ 30g/ℓ
이미다졸	40 ~ 60g/ℓ
니트로벤젠설폰산	10g/ℓ
폴리옥시에틸렌글리콜노닐페닐	10g/ℓ	10mol 비이온 계면활성제
*셀레늄옥사이드*	*0.02g/ℓ*	*합금도금 시에만 사용*
질산	50 ~ 100g/ℓ
질산은	3 ~ 10g/ℓ

치환형 금도금액 조성

성 분	함 량
제1인산소다	20 ~ 50g/ℓ
니트릴로아세틱소다	50 ~ 100g/ℓ
구연산암몬	50 ~ 100g/ℓ
아세트산소다	0 ~ 100g/ℓ
*탄산탈륨*	*0.01g/ℓ*	*합금도금 시에만 사용*
시안화금가리	2 ~ 5g/ℓ
청산가리	1 ~ 10g/ℓ

표 1의 은 도금액으로 온도 50℃에서 도금하여 하기 표 3에 도시된 바와 같이 시간에 따른 두께를 얻을 수 있었다.

은도금 시간에 따른 두께 변화

시간(분)	두께 (㎛)
0.15	0.05
0.25	0.1
0.5	0.16
1	0.25
2	0.35
3	0.46
5	0.62
10	1.11
20	2.03
60	5.08

본 발명에 따른 은도금의 두께를 위해서는 약 9초에서 60분의 도금 시간이 필요하다.

표 2의 조성의 도금액으로 온도 85℃, pH 4.5 ~ 5.0(인산으로 pH 조정)의 범위 내에서 도금하여 금도금 시간에 따른 두께 변화를 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 얻었다.

금도금 시간에 따른 두께 변화

시간 (분)	두께 (㎛)
1	0.01
5	0.08
10	0.15
20	0.20
30	0.25

본 발명에 따른 금도금의 두께를 위해서는 약 1분에서 30분의 도금 시간이 필요하다.

상기 실시예를 통해 형성된 단일 은-금 도금층을 수세하였고, 80 ℃에서 15분 동안 건조시킨 후 하기와 같은 조건 및 방법으로 솔더링성 및 와이어 본딩성을 측정하였다. 하기 표 6에는 솔더링성 및 와이어 본딩성 등의 특성 평가 결과를 나타내었다.

<솔더링(용접)성>

솔더링(용접)성은 솔더볼 전단 테스트(solder ball shear test)와 솔더 퍼짐성 테스트(solder spread test)를 행하였다.

1) 솔더볼 전단 테스트

* 조건 :

본딩 테스트기(Bond Tester) : DAGE 4000

위치(Locate) : 5㎛

전단 속도(Shear Speed) : 200㎛/sec

볼 크기 : 0.35mmφ (Alpha Metal Co.)

볼 재질 : Sn/Pb (63/37) 중량%

플럭스(Flux) : EC-1SP-8 (다무라사)

리플로우기(Reflow Machine) : KOKI사 DR-350

리플로우 조건(Reflow Conditions) : 230℃ (peak temperature)

* 평가 방법 :

솔더링 패드부와 솔더볼의 접속 강도를 측정하기 위한 것으로 상기와 같은 조건에서 솔더 범프가 형성된 시편을 테이블에 고정하고 일정한 하중(load)과 전단 높이를 설정하여 볼 전단 시험을 수행하면 스타일러스(stylus)가 범프를 밀어 파괴가 발생하는데 그 때 값을 측정하면 된다.

* 평가 기준 :

볼 전단 강도가 1200gf을 초과하면 이상이 없는 것으로 한다.

2) 솔더볼 퍼짐성 테스트

* 조건 :

솔더볼 크기 : 0.35mmφ (Alpha Metal Co.)

볼 재질 : Sn/Pb (63/37) 중량%

플럭스(Flux) : EC-1SP-8 (다무라사)

리플로우기(Reflow Machine) : KOKI사 DR-350

리플로우 조건 : 230 ℃ (peak temperature)

* 평가 방법 :

솔더링 패드부 플럭스 처리 후 0.35mmφ의 볼을 놓고 리플로우기 통과 후 솔더볼의 크기를 측정한다. 솔더볼이 많이 퍼지면 퍼질수록, 즉 볼 크기가 커질수록 용접성이 우수하다.

* 평가 기준 :

리플로우 후 최초의 솔더볼 입자 크기의 3배 이상(즉, 1.05mmφ 이상)이면 용접성에 이상이 없는 것으로 한다.

<와이어 본딩성>

본딩 와이어와 본딩부의 접착력을 검사하는 방법이다. 와이어 본딩 테스트기로 K&S 1484를 사용하였고 온도 175℃, 1 시간 열노화(thermal aging) 후, 하기 표 5와 같이 본딩 조건을 부여하였다.

본딩 조건

항 목	조 건
금(Au) 와이어	1 mil
시간(1st/2nd)	15m/sec, 25m/sec
힘(Force) (1st/2nd)	70gf/100gf
파워(1st/2nd)	16mW/80mW
전처리-열 온도	100℃
H/B 온도	200℃

와이어 본딩 후 본딩이 떨어지기까지의 최소 및 평균 힘(단위 : gf)을 표시하였으며 최소 spec.은 3gf 이상이고 평균 힘이 5 gf 이상이면 양호하다.

<단일 은-금 도금층내의 은, 셀레늄, 금 및 탈륨의 함량>

단일 은-금 도금층을 형성한 후 박리액(㈜유일재료기술 상품명 GS-10H)을 이용 50℃에서 2분간 박리 후 박리액에 용해된 은, 금, 셀레늄, 탈륨을 ICP로 분석하여 중량%로 나타내었다.

특성 평가 결과

구분		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6	실시예7	실시예8	실시예9	실시예10	실시예11	실시예12	실시예13	실시예14
단일 은-금도금층(㎛)	은도금	0.25	0.5	1	2	0.25	0.5	1	2			0.25	0.25
	은합금도금(Ag-Se)									0.5	1			0.5	1
	금도금	0.05	0.05	0.05	0.05	0.1	0.1	0.1	0.1	0.05	0.05
	금합금도금(Au-Tl)											0.05	0.1	0.05	0.1
단일은금도금층(중량%)	은	76.72	85.68	94.65	97.11	69.2	81.43	89.99	95.54	88.56	92.38	77.4	68.79	86.91	87.026
	셀레늄									0.003	0.004			0.003	0.003
	금	23.28	14.32	5.35	2.89	30.8	18.57	10.01	4.46	11.437	7.616	22.598	31.207	13.085	12.968
	탈륨											0.002	0.003	0.002	0.003
솔더링성	볼전단강도 (gf)	1380	1400	1430	1470	1410	1440	1450	1460	1410	1430	1420	1400	1450	1480
솔더링성	볼퍼짐성 (mmφ)	1.24	1.30	1.32	1.38	1.28	1.30	1.28	1.26	1.38	1.32	1.32	1.36	1.34	1.30
와이어본딩성	최소값(g)	3.25	3.32	4.60	5.27	3.44	3.53	4.32	4.45	4.18	4.65	4.32	4.80	5.02	5.15
와이어본딩성	평균값(g)	5.78	5.50	6.54	6.89	6.67	7.23	7.43	6.86	6.49	6.35	5.60	5.85	6.76	6.98

* 볼 전단 테스트 값은 20 번씩 측정한 값의 평균값임.

<도금 두께 측정>

단일 은-금 도금층 내 은 또는 은합금을 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금 도금부가 요구 사양에 적합한 두께를 갖고 있는지 여부를 확인하기 위하여 X-ray 도금 두께 측정기(CMI 사의 상품명 CMI 909D)를 사용하여 단일 은-금 도금층 내의 다공성 은도금부와 금 도금부의 두께를 측정하였다.

<유공도(porosity) 테스트>

중성 염수 분무 시험 방법을 이용하여 염화나트륨 50g/L 용액, pH 6.5, 35℃에서 분무되는 곳에 기판을 넣고 24 시간 방치한 후 외관의 변질 및 부식 발생 여부를 확인하였다.

<내열성 테스트>

리플로우 장비를 이용하여 하기 표 5에 기재된 온도 조건으로 3회 통과시킨 다음, 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금 도금부가 혼재되어 있는 단일 은-금 도금층의 열에 의한 표면 색상 변화 여부를 확인하였고, 접착테이프를 이용하여 상기 단일 은-금 도금층이 구리층으로부터 분리되는지의 여부를 확인하였다.

<밀착성 테스트>

리플로우 장비를 이용하여 하기 표 7에 기재된 온도 조건으로 3회 통과시킨 다음, 알루미늄 와이어로 솔더링 부위에 솔더를 사용하여 용접한 후 일정한 힘으로 당겼을 때 단일 은-금 도금층과 구리층 사이가 분리되는지의 여부를 관찰하였다.

특성 평가

테스트 항목	규격	테스트 내용	테스트 결과
			실시예 1 시편	실시예 8 시편
도금 두께	은 또는 은합금도금층 : 0.05㎛ 이상금 또는 금합금도금층 : 0.01㎛ 이상	X-ray 두께측정기를 사용하여 측정 (CMI 사의 CMI 909D)	O	O
유공도	은 또는 은합금과 금 또는 금합금의 단일 은-금 도금층의 변질 및 부식이 없을 것	중성염수분무 시험 (염화나트륨 50g/L, pH 6.5, 35℃, 24 시간 유지)	O	O
내열성	테이프 벗김 테스트(tape peel test) 후 은 또는 은합금과 금 또는 금합금의 단일 은-금 도금층의 변색 또는 떨어짐이 없을 것	리플로우 연속 3 회 통과 후 테이프 벗김 테스트.속도 : 240 rpm온도 : 220℃, 240℃, 270℃, 230℃	O	O
밀착성	구리층과 에폭시 계면이 박리되어야 함	리플로우 연속 3회 통과 후 알루미늄 와이어를 당김	O	O

o : 테스트 결과 규격을 충족시킴을 의미함.

상기 테스트 결과에 비추어 본 발명의 실시예에 따른 단일 은-금 도금층이 전술한 항목과 관련하여 요구되는 물성을 모두 충족시킴을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고밀도 인쇄회로기판의 구리층 상에 이온화 경향 차이에 따른 치환 도금법을 이용하여 다공성 은도금부와 금 도금부가 혼재되어 이루어진 단일 은-금 도금층을 형성할 수 있어, 도금의 번짐이 없어 쇼트(short)의 문제가 없고 실장 후에도 부품의 떨어짐이 없는 신뢰성 있는 솔더링 및 와이어 본딩 도금층을 제공할 수 있을 뿐 아니라 기존의 공정 시간을 1/3 이하로 단축시킬 수 있고 금소모량을 1/5 이하로 낮출 수 있어 원가 절감 및 생산성 측면에서 상당히 개선되는 효과를 도모할 수 있다.

또한, 모든 고밀도(HDI용) 인쇄회로기판에 솔더링 및 와이어 본딩이 우수한 도금층을 제공할 수 있다.

본 발명을 상기 실시예를 통하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명으로부터 다양한 변형의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의하여 명확해 질 것이다.

도 1은 스트립 형태의 고밀도 인쇄회로기판의 구조를 개략적으로 도시하는 평면 사진이다.

도 2는 종래의 고밀도 인쇄회로기판의 무전해니켈도금 및 무전해금도금 공정을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 회로기판에서의 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금도금부로 이루어진 단일 은-금 도금층의 형성 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 4a, 4b, 4c 및 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 인쇄회로기판에서의 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와 금 또는 금합금으로 된 금도금부로 이루어진 단일 은-금 도금층을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1, 11 고밀도 인쇄회로기판

2, 12 솔더링(soldering)되어야 할 구리층

3, 13 와이어 본딩(wire bonding)되어야 할 구리층

4, 14 포토솔더레지스트층(photo solder-resist layer)

5 무전해니켈도금층

6 무전해금도금층

15 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부

16 금 또는 금합금으로 된 금도금부

17 다공성 은도금부와 금도금부로 이루어진 단일 은-금도금 층

18, 22, 26, 30 구리 또는 구리합금으로 된 구리층

19, 23 은으로 된 다공성 은도금부

20, 24 금으로 된 금도금부

27, 31 은합금으로 된 다공성 은도금부

28, 32 금합금으로 된 금도금부

21, 25, 29, 33 다공성 은도금부와 금도금부로 이루어진 단일 은-금 도금층

Claims

a) 구리 또는 구리합금으로 된 구리층을 포함하고, 일정한 회로 패턴이 형성된 고밀도 인쇄회로기판을 제공하는 단계;

b) 상기 구리층을 제외한 부분에 포토솔더레지스트층을 형성하는 단계;

c) 상기 구리층 상에 치환형 은 도금액을 이용하여 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부를 형성하는 단계; 및

d) 상기 다공성 은도금부 사이 상기 구리층 상에 치환형 금 도금액을 이용하여 금 또는 금합금으로 된 금 도금부를 형성하여 상기 다공성 은도금부 및 상기 금 도금부가 혼재되어 있는 단일 은-금 도금층 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 은-금 도금층의 형성 방법.
제 1항에 있어서, 상기 단일 은-금 도금층은 침지 도금법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 은-금 도금층의 형성 방법.
제 1항에 있어서, 상기 다공성 은도금부의 두께는 0.05 내지 5㎛이고, 상기 금 도금부의 두께는 0.01 내지 0.25㎛ 인 것을 특징으로 하는 단일 은-금 도금층의 형성 방법.
제 1항에 있어서, 상기 단일 은-금 도금층은 50 내지 99.99 중량%의 은과 0.01 내지 50 중량%의 금으로 이루어진 것으로 특징으로 하는 단일 은-금 도금층의 형성 방법.
제 1항에 있어서, 상기 은 합금은 99 내지 99.999 중량%의 은과, 셀레늄(Se) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 0.001 내지 1.0 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 단일 은-금 도금층의 형성 방법.
제 1항에 있어서, 상기 금 합금은 99 내지 99.999 중량%의 금과 0.001 내지 1 중량%의 탈륨(Tl)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단일 은-금 도금층의 형성 방법.
구리 또는 구리합금으로된 구리층; 및

상기 구리층 상에 형성된 단일 은-금 도금층;을 포함하고,

상기 은-금 도금층은 은 또는 은합금으로 된 다공성 은도금부와, 상기 다공성 은도금부 사이에 형성된 금 또는 금합금으로 된 금 도금부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 인쇄회로기판.
제 7항에 있어서, 상기 다공성 은도금부의 두께는 0.05 내지 5㎛이고, 상기 금 도금부의 두께는 0.01 내지 0.25㎛ 인 것을 특징으로 하는 고밀도 인쇄회로기판.
제 7항에 있어서, 상기 단일 은-금 도금층은 50 내지 99.99 중량%의 은과 0.01 내지 50 중량%의 금으로 이루어진 것으로 특징으로 하는 고밀도 인쇄회로기판.
제 7항에 있어서, 상기 은 합금은 99 내지 99.999 중량%의 은과, 셀레늄(Se) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 0.001 내지 1.0 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 고밀도 인쇄회로기판.
제 7항에 있어서, 상기 금 합금은 99 내지 99.999 중량%의 금과 0.001 내지 1 중량%의 탈륨(Tl)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고밀도 인쇄회로기판.