KR101817930B1 - 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연 베이스 표면에 접속부가 구비된 구리패턴을 형성하는 제1단계; 상기 구리패턴의 접속부 이외 영역에 솔더레지스트를 도포하는 제2단계; 상기 접속부의 구리패턴과 치환되며 주석층(tin layer)이 형성되도록 주석을 도금하는 제3단계; 최상단의 주석층과 치환 또는 환원되며 구리층이 형성되도록 구리를 도금하는 제4단계; 최상단의 구리층과 치환되며 주석층이 형성되도록 주석을 도금하는 제5단계; 및 상기 제4 및 제5 단계를 n(단, n은 2이상의 정수임)회까지 연속 반복하는 제6단계;를 포함하여 이루어지도록 구현한 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법에 관한 것이다.

Description

연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법{THICK LAYER TIN PLATING METHOD BY CONTINUOUS REPEAT DISPLACEMENT METHOD}

본 발명은 인쇄회로기판 상에 주석층을 일정 두께 이상까지 도금할 수 있도록 한 연속반복 치환에 의한 후층(厚層) 주석 도금 방법에 관한 기술이다.

치환 주석 도금 방법에 관한 기술로는,

대한민국특허공개 제10-2008-0069139호(2008.07.25.공개) 치환 주석 합금 도금 피막의 형성 방법, 치환 주석 합금도금욕 및 도금 성능의 유지 방법이 제시되어 있는바,

기판상의 구리 또는 구리 합금 위에 치환 주석 합금 도금 피막을 형성하는 방법에 관한 것이며, 상기 주석 합금 도금 피막은 은, 비스무트, 팔라듐, 인듐, 아연 및 안티몬으로부터 선택된 최소한 하나 이상의 금속 첨가물을 함유하며, 상기 피막 형성 방법은 다음의 단계를 포함한다. 10 내지 50의 저온의 치환 주석 합금도금욕 내에서 구리 또는 구리 합금 상에 하부층을 형성하는 단계와, 40 내지 80의 고온 주석 합금 도금욕 내에서 상기 하부층 상에 상부층을 형성하여 하부층 및 상부층을 가지는 상기 치환 주석 합금 도금 피막을 형성하는 단계를 포함하는 기술이다.

인쇄회로기판 표면처리에 있어서 주석 도금 시, 패턴의 불연속성 때문에 무전해 도금 방식을 적용하는데 그 중 주석의 특성상 치환 도금 방식을 주로 이용하며, 이때 치환 방식의 주석 도금 시 석출 두께에 한계가 있고 그 한계는 대략 1㎛ 정도이다.

결국 현재의 도금 방식으로는 1㎛ 이상부터 수㎛ 까지의 두께를 갖도록 주석 도금하는 것이 극히 어려우므로, 이를 극복하고자 본 출원인에 의해 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법이 개발되었다.

문헌. 대한민국특허공개 제10-2008-0069139호(2008.07.25.공개)

본 발명은 기판 상의 구리 패턴 표면에 최초 주석층을 도금한 후, 주석층을 치환 및/또는 환원 도금에 의해 구리층을 형성하고, 다시 그 구리층에 치환 도금에 의해 주석층을 도금하게 되는 공정을 연속 반복함으로써, 일정 두께 이상의 주석층을 도금할 수 있도록 한 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 해결 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법은,

절연 베이스 표면에 접속부가 구비된 구리패턴을 형성하는 제1단계;

상기 구리패턴의 접속부 이외 영역에 솔더레지스트를 도포하는 제2단계;

상기 접속부의 구리패턴과 치환되며 주석층(tin layer)이 형성되도록 주석을 도금하는 제3단계;

최상단의 주석층과 치환 또는 환원되며 구리층이 형성되도록 구리를 도금하는 제4단계;

최상단의 구리층과 치환되며 주석층이 형성되도록 주석을 도금하는 제5단계; 및

상기 제4 및 제5 단계를 n(단, n은 2이상의 정수임)회까지 연속 반복하는 제6단계;

를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법은,

일정 두께 이상, 즉 소재가 허락하는 범위 내에서 무한대에 가까운 주석 도금층을 형성할 수 있는 가장 큰 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법에 의한 공정도.

이하 첨부된 도면들을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법은,

크게 제1 내지 제6 단계로 이루어진다.

각 단계별로 살펴보면,

제1단계는

도 1의 [가]에 도시된 바와 같이,

절연 베이스(1) 표면에 접속부가 구비된 구리패턴(2)을 형성하는 단계이다.

여기서 상기 베이스(1)는 에폭시(epoxy) 등의 재질로 이루어진 절연체이다.

그리고 상기 베이스(1) 표면에 수십 ㎛ 정도의 구리박이 접착제 등에 의해 접착되고 이 구리박 층의 표면에 포토레지스트가 도포된 후, 이 포토레지스트에 마스크를 사용하여 배선 패턴을 노광시킴으로서 포토레지스트에 패턴이 전사된다.

상기와 같이 전사되면 구리박 에칭을 통해 원하는 패턴이 형성된 후 포토레지스트가 제거되어 상기 구리패턴(2)의 형성이 완료된다.

제2단계는

도 1의 [가]에 도시된 바와 같이,

상기 구리패턴(2)의 접속부 이외 영역에 솔더레지스트(3)를 도포하는 단계이다.

여기서 상기 솔더레지스트(3)는 포토솔더 레지스트(Photosensitive Soldering Resist : PSR)로서, 납땜 또는 땜납 피복을 필요로 하지 않는 부분을 보호할 목적으로 사용하는 감광 레지스트이다.

제3단계는

도 1의 [나]에 도시된 바와 같이,

상기 접속부의 구리패턴(2a)과 치환되며 주석층(tin layer)(4)이 형성되도록 주석을 도금하는 단계이다.

결국 상기 제2단계에서 구리패턴(2)의 접속부를 제외한 영역에 솔더레지스트(3)를 도포한 후 노출된 접속부의 산화방지 및 전자부품의 실장을 위해 상기 주석층(4)이 형성되는데, 이때 무전해 주석 도금법에 의해 주석을 도금시키게 된다.

상기 무전해 주석 도금법에 의한 기본적인 주석 석출 반응은 다음에 도시된 화학식 1과 같이,

(화학식 1)

Cu⁰ + Sn^{2 +} → Cu^{2 +} + Sn⁰

패턴의 구리가 주석 이온이 있는 도금액에 들어가면 치환 반응이 일어나는데,

한 개의 구리 원자가 한 개의 주석 2가 이온과 치환되어 한 개의 구리 2가 이온이 되고 한 개의 주석 원자가 생성되며, 이때 한 개의 주석 원자가 생성되기 위해서는 한 개의 구리 원자가 필요한 것으로써 이를 두께로 환산하면 1㎛의 주석을 도금하기 위해서는 약 0.5㎛의 구리가 부식된다. 반대로 1㎛의 구리를 도금하기 위해서는 약 2㎛의 주석이 부식된다.

따라서 상기 구리패턴(2)에서 접속부의 구리패턴(2a)에 함유된 구리성분과 무전해 주석 도금액에 함유된 주석성분이 치환되며 주석층(4)이 형성되는 것이다.

이때 상기 주석층(4)은 치환 반응의 특성에 의해 최대 1㎛ 의 도금두께를 갖는다.

상기와 같이 주석이 도금되어 이루어진 주석층(4)은 유연성이 뛰어나고, 인체에 대한 독성이 적으며, 융점이 낮아 납땜성이 우수하다. 또한 비용이 저렴하여 생산비를 저감시킬 수 있으며, 1㎛ 이하의 박막을 균일하게 형성시키는 것이 용이하고, 액 관리가 용이하며, 회로기판과 접속을 위해 전자부품에 금으로 이루어진 범프와의 접합강도가 높아 점점 사용범위가 확대되고 있다.

제4단계는

도 1의 [다]에 도시된 바와 같이,

최상단의 주석층(4)과 치환 및/또는 환원되며 구리층(5)이 형성되도록 구리를 도금하는 단계이다.

여기서 최상단의 주석층(4)이라 함은 상기 베이스(1)의 구리패턴(2) 상부 측에서 제일 위에 위치한 주석층(4)을 의미한다.

우선, 최상단의 주석층(4) 표면에 치환도금방식과 환원도금방식을 병행하여 구리를 도금하는데 전술한 화학식 1 및 다음에 도시된 화학식 2와 같이,

(화학식 2)

Sn⁰ + Cu^{2 +} → Cu⁰ + Sn^{2 +}

무전해 구리 도금액에 함유된 구리이온과 최상단의 주석층(4)에 함유된 주석이 반응하여 구리(Cu)가 석출되고 주석이온이 생성된다.

따라서 최상단의 주석층(4)에 함유된 주석성분과 무전해 구리 도금액에 함유된 구리성분이 치환되며 구리층(5)이 형성되는 것이다.

상기 구리층(5)이 치환 석출되기 위해서는 하부층인 주석층(4)의 부식이 동반되는데 구리 석출 두께의 약 2배가 부식된다. 결국 구리의 석출을 위한 주석의 부식량을 최소화할 필요가 있기에 환원도금방식의 구리 석출이 요구된다.

최상단의 주석층(4)의 일부가 부식되면서 상기 구리층(5)으로 치환되어 0.1㎛ 이하의 도금층이 형성되고, 이때 주석층(4)이 0.2㎛ 이하로 도금층이 감소하게 되며, 주석층(4)의 두께를 계속하여 증가시키기 위해서는 구리 도금 시 주석의 부식량을 줄여야 하므로 구리의 환원도금이 요구된다.

결국 0.1㎛ 이하의 치환 구리 도금층 위에 다시 환원도금방식으로 0.4㎛ 이하로 도금하여 총 0.5㎛ 이하의 구리층(5)을 형성하며, 이는 다음에 연속해서 진행되는 주석 도금 시 주석층(4)의 1㎛ 이하의 도금층을 위한 필요 구리 도금층의 두께이고, 이때 더 이상의 주석층의 감소는 발생하지 않는다.

구리의 환원도금방식은 다음에 도시된 화학식 3과 같이,

(화학식 3)

Cu^{2 +} + 2HCHO + 4OH^- → Cu + 2HCOO^- + H₂ + 2H₂O

도금욕 중에 구리 이온은 포르말린 환원제에 의해 치환 도금된 구리층에 구리로 환원이 되며 수소와 물이 생성된다.

제5단계는

도 1의 [라]에 도시된 바와 같이,

최상단의 구리층(5)과 치환되며 주석층(4)이 형성되도록 주석을 도금하는 단계이다.

여기서 최상단의 구리층(5)이라 함은 상기 베이스(1)의 구리패턴(2) 상부 측에서 제일 위에 위치한 구리층(5)을 의미한다.

상기 제3단계에서 전술한 바와 같이, 무전해 주석 도금액에 함유된 한 개의 2가 주석이온과 상기 최상단의 구리층(5)에 함유된 구리가 반응하여 주석이 석출된다.

따라서 상기 최상단의 구리층(5)에 함유된 구리성분과 무전해 주석 도금액에 함유된 주석성분이 치환되며 주석층(4)이 형성되는 것이다.

제6단계는

도 1의 [마] 및 [바]에 도시된 바와 같이,

상기 제4 및 제5 단계를 n(단, n은 2이상의 정수임)회까지 연속 반복하는 단계이다.

결국 최상단의 구리층(5) 상부에 주석층(4)을 도금하고, 다시 주석층(4) 상부에 구리층(5)을 도금하는 공정을 연속 반복하는 단계이다.

따라서 상기 주석층(4)을 원하는 도금두께까지 도금할 수 있게 되는 것이다.

이때 1회 구리도금과 주석도금으로 0.8㎛ 이하의 주석 도금층을 형성할 수 있고, n회 연속 반복하여 (0.8 × n)㎛ 이하의 주석 도금층을 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 "연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법"을 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 베이스
2 : 구리패턴
2a : 접속부의 구리패턴
3 : 솔더레지스트
4 : 주석층
5 : 구리층

Claims (3)

1. 절연 베이스(1) 표면에 접속부가 구비된 구리패턴(2)을 형성하는 제1단계;
   상기 구리패턴(2)의 접속부 이외 영역에 솔더레지스트(3)를 도포하는 제2단계;
   상기 접속부의 구리패턴(2a)과 치환되며 주석층(tin layer)(4)이 형성되도록 주석을 도금하는 제3단계;
   최상단의 주석층(4)과 치환 또는 환원되며 구리층(5)이 형성되도록 구리를 도금하는 제4단계;
   최상단의 구리층(5)과 치환되며 주석층(4)이 형성되도록 주석을 도금하는 제5단계; 및
   상기 제4 및 제5 단계를 n(단, n은 2이상의 정수임)회까지 연속 반복하는 제6단계;를 포함하여 이루어지되,
   상기 제4단계에서의 구리층(5)은 1차 치환 구리 도금에 의해 0.1㎛ 이하의 층과 2차 환원 구리 도금에 의해 0.4㎛ 이하의 층이 형성됨에 따라 0.5㎛ 이하의 도금두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연속반복 치환에 의한 후층 주석 도금 방법.
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