KR101768799B1 - 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판 및 이의 제조방법 - Google Patents

전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인쇄회로기판(PCB)로 주로 사용되는 Cu박판의 고열팽창 특성을 개선하기 위해 방열 및 저열팽창 특성이 좋은 Fe-Ni계 합금을 전착도금하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판의 제조방법은 Cu박판을 제조하는 박판제조단계 및 상기 Cu박판에 Fe-Ni계 합금을 전착도금 하는 전착도금단계를 포함하고, 상기 전착도금단계에서의 전해질용액은, Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O), Iron Sulfate(FeSO4·7H2O), Boric acid(H3BO3), Sodium saccharine(C7H4NO3SNa), Sodium Lauryl Sulfate(C12H25O4SNa), Sodium chloride(NaCl)을 포함하여, 상기 박판제조단계 내지 전착도금단계를 통해 제조 된 상기 접합박판은 15~25㎛의 두께로 제조된다.
본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판의 제조방법은, 매우 우수한 방열 및 저열팽창 특성을 가지는 Ni함량이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금 도금층을 형성하는 20㎛ 내외의 구리/철-니켈계 합금 접합박판을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판 및 이의 제조방법{Fe-Ni/Cu composite and its manufacturing method for electro deposition plating}
본 발명은 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인쇄회로기판(PCB)로 주로 사용되는 Cu박판의 고열팽창 특성을 개선하기 위해 방열 및 저열팽창 특성이 좋은 인바합금(Fe-Ni계)을 전착도금 하는 기술에 관한 것이다.
인쇄회로기판(PCB)의 핵심소재인 Cu박판은 열전도도가 매우 높고, 열에 의한 팽창률이 높은 금속이다. 따라서 방열 및 열팽창제어를 위해 이종금속(Ag, Al, Fe-42Ni)를 접합하여 사용하고 있다.
이때, 주로 사용되는 이종금속으로 인바합금이 주목받고 있는데, 상기 인바합금은 Fe-Ni계 합금으로써 방열효과 및 저열팽창 특성이 매우 우수한 합금이므로, 이를 이용하여 상기 Cu판에 상기 인바합금을 압연을 통해 제조하고 있다. 그러나 압연을 통해 제조 시, 접합계면이 불균일하고, 부식과 박리되는 문제가 발생되고 있어 이에 대한 개선이 요구되고 있는 실정이다.
또한, 전자부품의 두께가 얇아지는 최근의 추세에 따라, 20㎛ 이하 두께의 접합박판이 요구되고 있으나, 압연방법으로는 제조가 어렵고, 생산원가가 높아진다는 문제점이 있다.
이와 관련하여, 종래의 기술을 살펴보면, 나노 인바합금 및 이의 제조방법이 대한민국 등록특허 제10-0505002호에 개시되고 있고, 인바 합금 및 그 제조방법이 대한민국 등록특허 제10-0931739호에 개시되고 있으나, 이 단순히 인바합금의 제조만을 목적으로 하고 있어, Cu박판과 인바합금을 접합하여 20㎛ 내외의 접합박판으로 제조하기는 어렵고, 저열팽창 특성이 우수한 Fe-(35~43wt%)Ni계 합금을 제조하기 어려운 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0050002호 (2005.07.22) 대한민국 등록특허 제10-0931739호 (2009.12.04)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전주도금 방식에 의해, 10㎛ 내외의 두께로 제조 된, Cu박판에 전착도금 방식으로 Ni함량이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금을 도금하여 방열특성이 우수하고, 저열팽창 특성을 나타내는 접합박판을 제조하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판의 제조방법은 Cu박판을 제조하는 박판제조단계 및 상기 Cu박판에 Fe-Ni계 합금을 전착도금 하는 전착도금단계를 포함하고, 상기 전착도금단계에서의 전해질용액은, Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O), Iron Sulfate(FeSO4·7H2O), Boric acid(H3BO3), Sodium saccharine(C7H4NO3SNa), Sodium Lauryl Sulfate(C12H25O4SNa), Sodium chloride(NaCl)을 포함하여, 상기 박판제조단계 내지 전착도금단계를 통해 제조 된 상기 접합박판은 15~25㎛의 두께로 제조된다.
본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판의 제조방법은, 매우 우수한 방열 및 저열팽창 특성을 가지는 Ni함량이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금 도금층을 형성하는 20㎛ 내외의 구리/철-니켈계 합금 접합박판을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판의 제조 시, 전착도금단계를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판과 Cu, Fe-Ni계 합금의 열팽창계수를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
인쇄회로기판(PCB)의 핵심소재인 Cu박판은 방열 및 열팽창제어를 위해 이종금속(Ag, Al, Fe-42Ni)를 접합하여 사용한다. 이 접합박판(50)은 주로 압연을 통해 제조하고 있는데, 그 접합계면이 불균일하고, 부식과 박리되는 문제가 있고, 전자부품의 두께가 얇아지는 최근의 추세에 따라, 20㎛ 이하 두께의 접합박판(50)이 요구되고 있으나, 압연방법으로는 제조가 어렵고, 생산원가가 높아진다.
본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판(50)의 제조방법은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전주도금 방식에 의해, 10㎛ 내외의 두께로 제조 된, Cu박판에 전착도금 방식으로 Fe-Ni계 합금을 도금하여 방열특성이 우수하고, 저열팽창 특성을 나타내는 접합박판(50)을 제조하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판(50)의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, Cu박판을 제조하는 박판제조단계(S10) 및 상기 Cu박판에 Fe-Ni계 합금을 전착도금 하는 전착도금단계(S20)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 박판제조단계(S10)는, Cu박판을 제조한다.
상기 박판제조단계(S10)에서는, 8~12㎛ 두께의 Cu박판을 제조하는 것으로, 압연, 압착, 압출, 전주도금의 방법으로 제조할 수 있고, 보다 바람직하게는 전주도금 방법으로 제조하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 전주도금 방식은, 박리피막이 부여된 모형상(금형)에 Cu를 전착시킨 후, 전착 된 Cu박판을 상기 모형상(금형)에서 분리해내는 방법으로 제조한다. 이를 통해, 미세한 형상물의 가공이 가능하고, 8~12㎛ 의 두께로 Cu박판의 제조가 가능하다.
다음으로, 상기 전착도금단계(S20)는, 상기 Cu박판에 Fe-Ni계 합금을 전착도금 한다.
구체적으로, 상기 전착도금은, 도 2에 도시된 바와 같이, Fe와 Ni이 함유된 전해질용액(30) 속에서 상기 Cu박판을 환원전극(10)으로 연속직류를 가하여 상기 Cu박판에 Fe-Ni계 합금(40)을 전착도금 하는 것이다.
상기 전착도금단계(S20)에서의 전해질용액(30)은, Iron Sulfate(FeSO4·7H2O), Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O), Boric acid(H3BO3), Sodium saccharine(C7H4NO3SNa), Sodium Lauryl Sulfate(C12H25O4SNa), Sodium chloride(NaCl)을 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로, 상기 전해질 용액은, 상기 Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부에 대하여, 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O) 0.49~0.94 중량부, 상기 Boric acid(H3BO3) 0.20~0.31 중량부, 상기 Sodium saccharine(C7H4NO3SNa) 0.009~0.044 중량부, 상기 Sodium Lauryl Sulfate(C12H25O4SNa) 0.0009~0.0033 중량부, 상기 Sodium chloride(NaCl) 0.23~0.37 중량부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이는, 하기의 표 2에 나타낸 바와 같이, Ni이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금(40) 도금층을 형성하기 위한 것으로, Ni이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금(40) 도금층을 형성하였을 때, 저열팽창 특성이 우수해지고, 강도가 상승하는 효과가 있다.
또한, 상기 Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 및 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)가 혼합된 용액에 상기 Boric acid(H3BO3)를 혼합하여 pH 완충제 및 유지제 역할을 하고, 상기 Sodium saccharine(C7H4NO3SNa)를 혼합하여 도금(성형)재의 효과적인 응력완화재 역할을 하며, 상기 Sodium Lauryl Sulfate(C12H25O4SNa)를 혼합하여 효과적인 계면활성제 역할을 하여 도금(성형)을 도울 수 있고, 상기 Sodium chloride(NaCl)를 혼합하여 전도도를 향상시킨다.
다음으로, 상기 전착도금단계(S20)에서의 환원전극(Cathode)(10)으로는, 상기 Cu박판이 사용되고, 산화전극(Anode)(20)은 Ni 금속을 산화전극(Anode)(20)로 사용한다.
이는, Ni 금속을 산화전극(Anode)(20)로 반응시켰을 때, 본 발명에 따른 전착도금 공정조건을 통해 전착도금 시, 10㎛ 내외의 Ni이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금(40) 도금층을 형성하기에 유리하기 때문이다.
또한, 상기 전착도금단계(S20)에서의 상기 전해질용액(30)의 온도는 50~70℃를 유지하고, pH는 0.5~2.0를 유지하며, 전류밀도는 5~30mA/cm2 가 되도록 하는 것이 바람직하다.
이는, 환원전극(10)으로 사용되는 상기 Cu박판에 상기 Ni이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금(40)의 도금층을 8~12㎛로 형성하기 위한 바람직한 공정조건이다.
본 발명에 따른 전착도금 공정이 실시됨에 따라 전해질용액(30)에 함유된 철화합물과 니켈화합물은 이온화되어, 전기도금과정에서 환원전극(Cathode)(10)인 상기 Cu박판에 Ni이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금(40)으로 전착된다. 상기 Fe-Ni계 합금(40)이 상기 Cu박판에 8~12㎛ 두께로 전착되면, 전해작용을 중지시켜, 상기 Cu박판에 Ni이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금(40)이 전착된 상기 접합박판(50)을 획득한다.
이때, 상기 박판제조단계(S10) 내지 전착도금단계(S20)를 통해 제조 된 상기 접합박판(50)은 15~25㎛의 두께로 제조되고, 열팽창계수는 도 3 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 6.35 ~ 7.10(10-6/℃) 로 형성된다.
하기의 표 1은 25~100℃, 25~150℃, 25~200℃ 각각의 온도범위에서의 Cu박판, 본원발명에 의해 제조된 Fe-36.5wt%Ni계 합금, 상기 Fe-36.5wt%Ni계 합금을 본원발명에 따른 제조방법에 의해 Cu박판에 접합한 접합박판, ASTM규격에 개시되어 있는 Fe-36Ni합금의 열팽창 계수를 나타낸 것이다.
Temperature
Range,℃		 Thermal Expansion Coefficient (10-6/℃)
Electrodeposited Fe-36Ni*
Cu Fe-(36.5wt%)Ni Fe-(36. 5wt% ) Ni /Cu
25~100 9.60 3.80 6.64 0.5
25~150 15.52 2.38 7.07 1.5
25~200 19.11 1.27 6.40 2.3
*ASTM-F1684, UNS No. K93603, Vol 10.04, (1985)
상기 표 1에 따르면, 9.60~19.11(10-6/℃)의 열팽창계수를 나타내는 Cu박판에 1.27~3.80(10-6/℃)의 열팽창계수를 나타내는 Fe-36.5wt%Ni계 합금을 접합하였을 때, 6.40~7.07(10-6/℃)의 열팽창계수를 나타내는 것으로 나타났다.
하기에서는 본 발명에 따른 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판(50)의 제조방법의 효율성을 증명하기 위한 실험의 내용을 실시예 및 비교예를 이용하여 설명한다.
<실시예 1>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.49중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정하였다.
<실시예 2>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.50중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정하였다.
<실시예 3>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.52중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<실시예 4>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.53중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<실시예 5>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.55중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<실시예 6>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.60중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<실시예 7>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.75중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<실시예 8>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.94중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<비교예 1>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.48중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<비교예 2>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 1.00중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<비교예 3>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 1.18중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<비교예 4>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 1.25중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<비교예 5>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 1.33중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
<비교예 6>
Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 1.43중량부로 혼합 후, 전압변화에 따른 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 측정한 것이다.
하기의 표 2는 상기 Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부를 기준으로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 0.48~1.43 중량부로 변화시키며, 형성되는 인바합금(Fe-Ni계 합금)(40) 도금층을 형성하는 Ni 함량을 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 6을 이용하여 나타낸 것이다.
Iron Sulfate(FeSO4 ·7H2O) 1중량부에 대한 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)의 함량 전압
(m/A)
30(m/A) 25(m/A) 20(m/A) 15(m/A) 10(m/A) 5(m/A)
비교예 1 0.48 33.83wt%Ni 　 32.83wt%Ni 　 28.83wt%Ni 　
실시예 1 0.49 34.70wt%Ni 34. 83wt%Ni 　 35. 01wt%Ni 　 35. 91wt%Ni
실시예 2 0.50 　 　 35. 83wt%Ni 35. 64wt%Ni 35. 79wt%Ni 　
실시예 3 0.52 　 35. 73wt%Ni 　 37. 43wt%Ni
실시예 4 0.53 37. 73wt%Ni 　 36. 81wt%Ni 　 37. 91wt%Ni 38. 78wt%Ni
실시예 5 0.55 　 37. 79wt%Ni 　 　 　
실시예 6 0.60 37. 40wt%Ni 　 38. 13wt%Ni 38. 83wt%Ni 39. 40wt%Ni 　
실시예 7 0.75 　 39. 30wt%Ni 　 　 　 39. 62wt%Ni
실시예 8 0.94 41. 83wt%Ni 　 42. 71wt%Ni 　 42. 40wt%Ni 43. 02wt%Ni
비교예 2 1.00 44.78wt%Ni 44.43wt%Ni 　 45.09wt%Ni 　 45.03wt%Ni
비교예 3 1.18 　 　 40.74wt%Ni 44.03wt%Ni 44.43wt%Ni 　
비교예 4 1.25 45.65wt%Ni 　 9.94wt%Ni 　 47.45wt%Ni
비교예 5 1.33 　 46.10wt%Ni 44.64wt%Ni 44.17wt%Ni 49.73wt%Ni
비교예 6 1.43 　 45.78wt%Ni 42.77wt%Ni 　 　 　
보다 구체적으로, 상기 비교예 1 및 실시예 1 내지 8은 Iron Sulfate(FeSO4·7H2O)를 100% 베이스로 하여 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)의 양을 48~94%로 변화시키며, 도금층을 형성하는 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 관찰한 것이고, 비교예 2 내지 6은 반대로 상기 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)를 베이스로 하여 상기 Iron Sulfate(FeSO4·7H2O)를 약 70~100%로 변화시키며 도금층을 형성하는 Fe-Ni계 합금의 Ni함량을 관찰한 것으로, Ni이 35~43wt%인 Fe-Ni계 합금(40) 도금층을 형성하기 위해서는 실시예 1 내지 8의 조건으로 상기 Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 및 Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O)이 혼합되어야 하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S10 : 박판제조단계 S20 : 전착도금단계
10 : 환원전극(Cathode) 20 : 산화전극(Anode)
30 : 전해질용액 40 : Fe-(35~43wt%)Ni계 합금
50 : 접합박판(Fe-Ni/Cu)

Claims (5)

  1. Cu박판을 제조하는 박판제조단계;
    상기 Cu박판에 Fe-Ni계 합금을 전착도금 하여 접합박판을 제조하는 전착도금단계;를 포함하고,
    상기 전착도금단계에서의 전해질용액은,
    Iron Sulfate(FeSO4·7H2O) 1 중량부에 대하여, Sulfur Nickel(NiSO4·6H2O) 0.49~0.94 중량부, Boric acid(H3BO3) 0.20~0.31 중량부, Sodium saccharine(C7H4NO3SNa) 0.009~0.044 중량부, Sodium Lauryl Sulfate(C12H25O4SNa) 0.0009~0.0033 중량부, Sodium chloride(NaCl) 0.23~0.37 중량부를 포함하고,
    상기 박판제조단계 내지 전착도금단계를 통해 제조 된 상기 접합박판은 15~25㎛의 두께로 제조되고,
    상기 전착도금단계에서는,
    환원전극(Cathode)으로 구리(Cu)박판이 사용되고, 산화전극(Anode)으로 니켈(Ni)금속이 사용되며, 상기 전해질용액의 온도는 50~70℃, pH는 0.5~2.0, 전류밀도는 5~30mA/cm2 것임을 특징으로 하고,
    상기 접합박판은 열팽창계수가 6.35 ~ 7.10(10-6/℃) 인 것을 특징으로 하는 전착도금에 의한 구리/철-니켈계 합금 접합박판의 제조방법.
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