KR101829189B1 - 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 챔버 내부에 준비된 피처리 대상물을 투입하고, 상기 챔버 하단에 연결된 진공 펌프를 통해 진공 배기하여 피처리 대상물 및 챔버 내부를 건조하는 진공 건조 단계, 상기 챔버와 연결된 전구체 주입조절기에서 하기 화학식 1로 표시되는 액체 상태의 전구체를 기 설정된 온도로 가열한 후 일정 온도로 유지하면서 상기 전구체를 기화시키는 전처리 단계, 및 반응가스와 상기 전처리 단계를 거친 전구체를 챔버 내에 주입하고 챔버 내부에 설치된 전원 전극에 전원을 인가하여 플라즈마를 형성시켜 전구체를 이온화시킨 후, 화학 반응을 통해 피처리 대상물 표면상에 전구체를 코팅하는 코팅 단계를 포함하여 이루어짐으로써, 솔더 패드의 열적 손상을 방지하고, 솔더 패드에 대해 우수한 표면 특성 및 양호한 계면 특성을 구현할 수 있는 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법에 관한 것이다.

Description

전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법{METHOD OF PLASMA VACUUM COATING USING A PRECURCOR}
본 발명은 전자 패키지 기판의 제작에 있어 솔더 패드(Solder pad)의 산화방지를 위한 플라즈마 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 솔더 패드의 열적 및 산화의 손상을 방지하고, 솔더 패드에 대해 우수한 표면 특성 및 양호한 계면 특성을 구현할 수 있도록 전구체를 사용한 플라즈마 코팅 방법에 관한 것이다.
전자 패키지란 전자제품에 사용되는 반도체 칩의 원활한 구동을 위하여 전기적으로 연결 및 물리적으로 보호해 주기 위한 기술을 의미하며, 반도체 칩의 사용 분야가 폭 넓게 됨에 따라 전자 패키지의 중요성은 더욱 크게 되었다.
전자장치의 고밀도, 고집적화에 따라 전자 패키지 제품의 극미세화, 고신뢰성화, 고성능화 등의 기술에 대한 요구가 중요하게 취급되고 있으며, 이에 전자 패키지용 기판의 특성도 전자 패키지 제품의 요구 특성에 따라 더욱 향상되고 있다.
전자 패키지 부품은 솔더(solder)에 의하여 전기적, 열적으로 반도체 칩과 전자회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 사이를 연결시키므로 솔더 계면에서의 신뢰성이 전자 패키지 부품의 전체 신뢰성에 영향을 미친다. 그러나 최근에 개발되는 반도체 부품들은 최소화에 맞춰 솔더 패드도 극소화되면서 솔더 계면 특성이 접합 면적의 감소로 급격히 취약해졌다.
따라서 이러한 단점을 극복하는 방법으로 특히 기존의 양산 인프라를 그대로 적용하여 비용 절감을 유지하면서 전자 패키지용 기판의 물리/기계적 특성, 화학적 특성, 비용 등의 특성을 향상시키기 위하여 최근에는 Ni/Au, HAL(hot-air-leveling), ENIG(Electroless Ni & Immersion Gold), DIG(Direct Immersion Gold), DGP(Direct Gold Plating), ENEPIG(Electroless Ni &Electroless Palladium & Immersion Gold) 등의 표면 처리를 선택적으로 적용된다.
기존의 Ni/Au 및 HAL과 같은 금속계 표면 처리는 도금층의 니켈 또는 금 등과 솔더에 함유된 주석이 상호 작용하여 금속간 화합물(Intermetallic compound)을 형성하게 되고, 이처럼 솔더와 솔더 패드사이에 상기 금속간 화합물이 형성되면, 특히 금(Au)을 포함한 금속간 화합물은 금(Au) 취성으로 인하여 솔더링 후에 외부로부터 충격이 인가되는 경우 Ni/Au 또는 Ni/Pd/Au 도금층과 솔더의 계면에서 크랙(crack)이 발생하게 되므로 솔더가 솔더 패드로부터 떨어진다는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위한 대체 공정으로 유기솔더보존제(Organic Solderability Preservatives, 이하 'OSP'라고도 함) 공정은 유기물을 이용하여 피처리 기판에 코팅하는 공정이다. 이는 전해도금 시 필요한 버스 라인(buss line)이 필요 없으므로 무전해 도금 제품과 같이 제품 디자인에 대한 자유도가 매우 높으며, 낮은 생산 비용 및 구리(Cu) 패드와 솔더 계면특성 향상에 따른 충격적 특성 향상 등의 양산적인 측면의 장점을 많이 지니고 있다.
OSP 공정은 납(Pb), 카드뮴(Cd), 수은(Hg), PBB(polybromobiphenyl), PBDE(polybrominated diphenyl ether) 등의 유해물질이 포함되지 않은 친환경 특성을 가지므로, 공정 온도 조건이 혹독하지 않은 대부분 마더보드(Mother board)와 같은 제품에 수년간 응용되어 왔으며, 최근에는 저비용, 솔더 계면 특성향상 등의 이유로 FBGA(Fine-Pitch Ball Grid Array), FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array) 등의 모바일 디바이스 제품으로 확장 응용되고 있다.
그러나 OSP 공정은 저분자 유기물로 구성된 코팅층이 형성되므로 이 공정의 적용에 한계가 있고, 또한 전자 패키지에 적용될 때 열을 이용한 연속적인 공정으로 열적 손상 등을 입게 되어 변색되고 부식이 발생하는 등 멀티리플로우(Multi-reflow)시에 여러 가지 문제점이 발생하고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1205406호(2012.11.21)
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 계면코팅 방법으로서, 솔더 패드(Solder pad)의 산화방지를 위하여 코팅되는 종래의 유기솔더보존제(OSP) 방법 대신에 사용되는 플라즈마 코팅 방법을 제공하는 것으로서, 유기물 대신 C-F계열의 전구체를 이용하여 박막이 증착되므로 솔더 패드의 열적 및 산화적 손상을 방지하고, 솔더 패드에 대해 우수한 표면 특성 및 양호한 계면 특성을 구현할 수 있도록 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 솔더 패드에서 부식성과 납 젖음성(wetting) 저하를 방지하여 접합부에서 피접합물들 간에 접촉 불량을 방지하므로 우수한 기계적 특성과 젖음성뿐만 아니라 환경오염에 대한 염려가 없는 친환경적 공법인 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법은 챔버 내부에 준비된 피처리 대상물을 투입하고, 상기 챔버 하단에 연결된 진공 펌프를 통해 진공 배기하여 피처리 대상물 및 챔버 내부를 건조하는 진공 건조 단계(S120), 상기 챔버와 연결된 전구체 주입조절기에서 하기 화학식 1로 표시되는 액체 상태의 전구체를 기 설정된 온도로 가열한 후 일정 온도로 유지하면서 상기 전구체를 기화시키는 전처리 단계(S130) 및 반응가스와 상기 전처리 단계를 거친 전구체를 챔버 내에 주입하고 챔버 내부에 설치된 다수개의 전극에 전원을 인가하여 플라즈마를 형성시켜 전구체를 이온화시킨 후, 화학 반응을 통해 피처리 대상물 표면상에 전구체를 코팅하는 코팅 단계(S140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Figure 112016064545128-pat00001
상기 화학식 1로 표시되는 전구체는 화학명이 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실 아크릴레이트(1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyl acrylate)이며, 이하에서 전구체라 언급된 것은 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실 아크릴레이트(1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyl acrylate)를 의미한다.
전처리 단계(S130)는 전구체 용기에 저장된 액체상태의 전구체를 상기 챔버와 연결되는 전구체 주입조절기로 이동시킨 후, 전구체 주입조절기 내부에 설치된 가열수단을 이용하여 상기 전구체를 기 설정된 온도로 가열한 후 일정 온도로 유지하면서 상기 전구체를 기화시킬 수 있다.
이때, 상기 전구체 주입조절기는 상기 가열 수단에 의해 상기 전구체의 온도를 100℃에서 200℃ 사이의 적정온도로 유지하여 상기 전구체를 기화시키는 것이 바람직하다.
코팅 단계(S140)는 반응가스와 전처리 단계를 거쳐 기화된 전구체가 챔버와 각각 연결된 반응가스 질량유량제어기 또는 전구체 질량유량제어기를 통해 챔버 내에 주입된다. 이때, 반응가스는 반응가스 질량 유량제어기를 통해 주입되고 기화된 전구체는 전구체 질량유량제어기를 통해 각각 주입된다. 그 다음 챔버 내부에 설치된 다수의 전원 전극에 고주파 전원을 인가하여 전기장이 형성되어 반응가스를 플라즈마 상태로 만든 후, 상기 플라즈마를 이용하여 기화된 전구체를 이온화시키고, 이는 화학 반응을 통해 피처리 대상물 표면에 전구체가 증착된다.
상기 코팅 단계에서 전구체 주입량은 1sccm에서 1000 sccm 이다.
상기 진공 건조 단계는 상기 챔버 하단에 연결된 진공 펌프를 통해 진공 배기하여 챔버 내부의 진공도가 0.1torr 이하가, 바람직하게는 0.01torr가 되도록 유지할 수 있다.
상기 전처리 단계 이전에 피처리 대상물의 표면에 묻은 이물질을 제거하는 세척 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 세척 단계는 당 업계에서 사용되는 통상적인 피처리 대상물의 표면에 묻은 이물질을 제거하는 방법이라면 모두 가능하다.
한편, 반응가스는 아르곤(Ar), 산소(O2), 수소(H2), 질소(N2), 암모니아(NH3) 및 헬륨(He)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게 아르곤(Ar) 및 산소(O2)를 사용하는 것이 피처리 대상물의 증착력 향상에 효과적이다.
본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법은 종래의 유기솔더보존제(OSP)을 포함한 습식 표면처리법에 비해 공정이 간단하고, 폐수의 발생이 거의 없어 친환경적인 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법을 통해 PCB(Printed Circuit Board)를 표면처리 할 경우, OSP 제조 방법보다 코팅된 박막의 두께가 균일하게 증착되어 멀티리플로우(Multi-reflow)에 따른 부식 저항성과 납 젖음성이 우수하고 솔더링 후 접합강도 역시 높은 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 진공 코팅 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 진공 코팅 장치에서 챔버 내부의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법의 순서도이다.
도 4는 비교예로 유기솔더보존제(Organic Solderability Preservatives, OSP) 제조 방법을 적용한 피처리 대상물 표면에 대한 납 젖음성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법을 적용한 피처리 대상물 표면에 대한 납 젖음성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 일례를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 부품, 영역, 층 또는 부분들을 설명하기 위해서 사용한 것으로, 이들 용어는 하나의 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역의 부품, 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위해서만 사용된다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계 들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명한 것에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 진공 코팅 장치를 나타낸 것이며, 도시된 바와 같이 플라즈마 진공 코팅 장치는 진공 환경을 제공하고 피처리 대상물의 코팅 공정이 수행되는 공간인 챔버(10), 챔버의 일측에 설치된 반응가스 질량유량제어기(20), 전구체 용기(30), 전구체 주입조절기(40), 전구체 질량유량제어기(50), 전압을 공급하는 전원(60) 및, 챔버를 진공하도록 챔버 하단에 설치되는 건조펌프(80) 등을 포함하여 구성된다.
일 예로 육면체 형상으로 형성된 챔버(10)의 일측에 반응가스를 챔버 내로 주입하는 반응가스 질량유량제어기(20)가 배치되고, 상기 반응가스 질량유량제어기(20)가 형성된 측과 반대되는 측에는 전구체를 챔버 내로 주입하는 전구체 질량유량제어기(50)가 배치될 수 있다. 여기서 상기 챔버(10)의 형태는 육면체로 형성되어 있으나, 이는 다른 장치들과의 연계를 위한 설계를 위한 것일 뿐 그 형태가 육면체로 한정될 필요가 없고, 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
본 명세서에서 챔버란 외부로부터 내부가 폐쇄 구분되는 시스템을 구성하며, 플라즈마 진공 코팅 공정이 수행되는 공간으로 정의된다.
또한, 도면에는 도시되어 있지 않지만 챔버에 일측에 배출부가 형성되어 반응가스 및 반응 종료 후 반응 부산물 등을 챔버 외부로 배출할 수 있다.
상기 챔버(10)의 내부에는 플라즈마를 발생시키는 전극부(90)가 형성되어 있으며, 전극부(90)는 챔버 내부에 나란히 배치되는 복수개의 접지전극(ground electrode), 전원(60)에 연결되는 복수개의 전원 전극 및 챔버 내 장입된 피처리 대상물을 올려놓는 판상의 홀더(holder)를 포함한다. 여기서 전원 전극이란 고주파 전원이 인가되어 플라즈마 방전에 필요한 전력이 공급되는 전극을 의미한다.
전극부는 위에서부터 순서대로 접지전극, 전원 전극, 홀더, 다른 접지전극이 서로 소정의 간격을 갖고 대향 마주하도록 배치된 구조를 가지며, 적어도 하나 이상의 전극부가 챔버 내에 형성될 수 있다.
일 예로 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 전극부가 형성될 경우에는 챔버 내부의 맨 상단에 제1 접지전극(93)을 형성하고, 상기 제1 접지전극(93)과 일정 간격을 갖고 마주하도록 배치된 제1 전원 전극(94)과, 상기 제1 전원 전극(94) 하부에 배치된 제1 홀더(95)와, 상기 제1 홀더(95)의 하부에 배치된 제2 접지전극(96)으로 제1 전극부(91)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제2 접지전극(96)을 시작으로, 제2 전원 전극(97), 제2 홀더(98), 제3 접지전극(99)으로 상기 제1 전극부(91)와 동일한 구성으로 배치되어 제2 전극부(92)를 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전극부를 형성하는 접지전극, 전원 전극 및 홀더는 평평한 판상의 형태를 이룰 수 있으며, 이 중에서 홀더는 코팅 처리 방법에 따라서 평평한 판상이 아닌 상부면에 뾰족한 핀 또는 콘 형상의 돌출부를 형성하여, 피처리 대상물의 양면이 노출되게 함으로써, 코팅 공정 수행 시 피처리 대상물의 양면 코팅이 수행될 수 있게 할 수 있다.
또한, 판상의 접지전극, 전원 전극 및 홀더는 일정 간격으로 복수개의 천공 홀이 형성되어 챔버로 주입된 반응 가스와 전구체가 챔버 내에서 고르게 확산되어 분포할 수 있다. 이때, 챔버 내부의 맨 상단과 맨 하단에 형성된 접지전극에는 천공 홀이 형성되지 않을 수 있다.
본 발명의 전극부에 도면에는 도시되지 않았지만 필요에 따라 전극에 유전체를 형성할 수 있으며, 유전체는 실질적으로 비전도성 물질을 포함하는 것이다. 이러한 목적에 대해 적합한 대표적인 유전체 물질로서 이에 한정되는 것은 아니지만, 질화 규소(Si3N4), 이산화 규소(SiO2), 질화붕소(BN), 이트리아(Y2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 탄화 규소(SiC) 등을 사용할 수 있다.
반응가스 질량유량제어기(20)는 피처리 대상물 표면에서 전구체의 증착력을 높이기 위한 플라즈마를 형성하는 반응가스를 챔버 내로 주입하는 장치이며, 상기 반응가스로는 아르곤(Ar), 산소(O2), 수소(H2), 질소(N2), 암모니아(NH3) 및 헬륨(He)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.
각각의 반응가스에 대한 질량유량제어기(mass flow controller, MFC)가 챔버의 일측면에 마련되어 이를 통해 아르곤 가스와 산소 가스가 예를 들어 sccm(standard cubic centimeter per minute) 단위로 공급할 수 있다.
일 예로 본 발명의 반응가스 질량유량제어기(20)는 챔버 내로 아르곤(Ar) 가스의 주입량을 조절하는 아르곤 질량유량제어기(Ar mass flow controller)(21)와, 챔버 내로 주입되는 산소 가스의 주입량을 조절하는 산소 질량유량제어기(O2 mass flow controller)(22)를 포함하여 이루어 질 수 있다.
본 발명의 플라즈마 진공 코팅 장치에는 피처리 대상물의 표면에 전구체를 이용하여 단분자 박막을 형성되도록 전구체를 주입하기 위한 장치로 상온에서 액체 상태의 전구체를 저장하는 전구체 용기(monomer container)(30), 상기 전구체 용기(30)로부터 전구체의 양이 챔버로 주입되는 것을 일차적으로 조절하고 액체 상태의 전구체를 기화시키는 전구체 주입조절기(40), 및 챔버(10)와 연결되어 전구체 주입조절기(40)로부터 받은 기화된 전구체를 챔버 내로 주입하는 전구체 질량유량제어기(50)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 전구체 용기(30)의 일측에는 흡입기(미도시) 설치되어 있어, 흡입기를 통해 액체 상태의 전구체를 전구체 주입조절기(40)로 이동시키며, 이때 전구체의 이동량은 전구체 하단에 설치된 저울(미도시)을 통해 그램(g) 단위로 측정되며, 측정된 무게는 연결된 컴퓨터(미도시)에 신호함에 따라 전구체의 이동량을 제어한다.
전구체 주입조절기(40)는 내부에 가열수단(미도시)이 설치되어 있어 상기 전구체를 일정 온도로 가열하고 유지하여 전구체를 기화시킨다.
전구체 주입조절기(40)의 일측에는 챔버의 일측에 연결되어 기화된 전구체의 주입량을 조절하는 전구체 질량유량제어기(50)가 구비되어 있어, 챔버(10) 내로 기화된 전구체를 sccm(standard cubic centimeter per minute) 단위로 공급할 수 있다.
아르곤 질량유량제어기(21)와, 산소 질량유량제어기(22)와, 전구체 질량유량제어기(50)에서의 각 가스 주입방향과 챔버 내에 형성된 전극부의 수평면이 평행하도록 배열된다.
챔버의 하단에는 스로틀 밸브(throttle valve)(70) 및 진공 펌프(80)가 설치되어 있어, 플라즈마 진공 코팅 공정을 수행할 때 챔버의 내부의 공기를 외부로 배출시켜 진공 상태로 만들 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법을 나타낸 것으로, 도 4의 도시된 바와 같이 세척 단계(S110), 진공 건조 단계(S120), 전처리 단계(S130) 및 코팅 단계(S140) 순서로 진행된다.
세척 단계(S110)는 피처리 대상물을 챔버에 투입하기 전에 피처리 대상물의 표면에 묻은 이물질을 제거하는 단계로 이의 목적을 벗어나지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 다양한 세척 방법을 사용하여 피처리 대상물의 표면을 세척할 수 있다.
그 다음 진공 건조 단계(S120)는 진공 펌프를 통해 진공 배기하여 피처리 대상물 및 챔버 내부를 건조하는 단계로, 챔버 내부에 세척하여 준비된 피처리 대상물을 투입하고, 상기 챔버 하단에 연결된 스로틀 밸브(70)를 열고 건조펌프를 작동시켜 진공 배기시킴으로써 챔버 내부와 피처리 대상물에 존재하는 수분이나 용매를 제거한다.
이때, 챔버 내부의 진공도가 0.1torr 이하가 되도록 유지할 수 있으며, 바람직하게는 0.01torr가 되도록 유지할 수 있다.
만약 이러한 진공도를 벗어나는 경우에는 진공의 효과가 없어 피처리 대상물의 표면이 오염될 수 있고 산화물이 생길 수 있으며, 또한 플라즈마 코팅이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
건조 단계(S120)에서는 진공 펌프를 사용하여 진공과 함께 별도의 건조장치가 필요 없이 피처리 대상물과 챔버 내부를 건조 시킬 수 있으므로 공정 시간이 줄어들고 추가로 설비 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
전처리 단계(S130)는 상온에서 액체 상태의 전구체를 챔버 내로 주입하기 전에 기 설정된 온도로 가열하여 전구체를 기화시키는 과정이다.
상기 전처리 단계(S130)는 전구체 용기(40)에 저장된 상온에서 액체 상태의 전구체인 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실 아세테이트(1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyl acrylate)를 상기 챔버(10)와 연결되는 전구체 주입조절기(50)에 공급한 후, 상기 전구체 주입조절기(50) 내부에 설치된 가열수단(미도시)을 이용하여 상기 전구체를 기 설정된 온도로 가열한 후 일정 온도로 유지하면서 상기 전구체를 기화시킬 수 있다.
상기 가열수단은 전원이 인가되면 열을 발생시키는 전기히터가 바람직하며, 이 전기히터는 전구체 주입조절기 내에 설치되어 공급받은 액체상태의 전구체를 100 내지 200℃로 가열하고 유지하면서 전구체를 기화시킨다.
만약 상기 기준 온도 범위를 벗어나 100℃ 온도 미만이면, 전구체의 기화가 제대로 이루어지지 않고 기화 속도가 느려 공정 수행시간이 길어질 수 있으며, 200℃ 온도를 초과하는 고온의 경우에는 높은 전압을 인가하거나, 더 많은 전류를 인가되어 과도한 압력 상승과 온도 상승을 초래하여 전구체가 변성되거나 열분해될 수 있으며, 많은 에너지와 시간이 필요하므로 공정 효율도 떨어진다.
코팅 단계(S140)는 반응가스와 기화된 전구체를 챔버 내로 주입받고, 챔버 내부에 설치된 전극부의 다수개의 전원 전극에 고주파 전원을 인가하면 전극부에 전기장이 형성되고, 챔버 내부에 존재하는 이 전기장은 반응가스로부터 플라즈마를 형성한다. 이렇게 형성된 플라즈마는 전구체를 이온화시킨 후, 피처리 대상물 표면 상에 전구체를 코팅할 수 있다.
상기 코팅단계는 반응가스와 전처리 단계를 거친 기체 상태의 전구체가 챔버와 각각 연결된 반응가스 질량유량제어기 또는 전구체 질량유량제어기를 통해 챔버 내에 주입한 후, 챔버 내부에 설치된 다수개의 전원 전극에 고주파 전원을 인가하여 전기장이 형성되어 반응가스를 플라즈마 상태로 만들어 이 플라즈마를 이용하여 기화된 전구체를 이온화시켜 이의 화학 반응을 통해 피처리 대상물 표면에 전구체가 증착되는 공정의 순서로 진행될 수 있다.
상기 코팅 단계에서 전구체 주입량은 1 내지 1000 sccm인 것이 바람직하며, 만약 상기 범위를 벗어나 1000 sccm을 초과하는 경우 플라즈마를 이용한 전구체의 이온화가 제대로 이루어지지 못해 전구체의 증착 효율이 떨어지게 된다.
일반적으로 플라즈마(plasma)란 이온화된 가스를 의미하고, 원자 또는 분자로 이루어진 반응가스에 에너지를 이용하여 여기(excitation)시켜, 전자, 이온, 분해된 가스, 및 광자(photon) 등으로 이루어진 플라즈마가 형성된다.
앞서 설명한 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법에서 진공 건조 단계(S120), 전처리 단계(S130) 및 코팅 단계(S140)에서의 각 단계의 수행 시간과 다수의 전극 전압, 챔버 내부에서의 진공도, 아르곤(Ar) 가스 유량, 전구체 유량 등의 조건은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
단계 시간
(초)		 전압
(W)		 진공
(Torr)		 Ar
(sccm)		 전구체
(sccm)
진공 건조 10~600 50~500 0.01~0.5 10~1000 0
전처리 10~600 0 0.02 10~1000 1~100
코팅 10~600 50~2000 0.05~0.3 5~1000 1~100
상기 표 1 나타낸 바와 같은 플라즈마 진공 코팅 방법에서 각 단계의 소요시간이나 반복 횟수 공정 등의 조건은 필요에 따라 당 업계의 기술자가 일부 변경하여 진행 가능하다.
코팅 단계(S140) 이후에는 별도의 전구체가 증착되어 전구체 박막이 형성된 피처리 대상물의 표면을 세척하거나 건조하는 공정을 추가로 더 포함할 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같이 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법의 효과를 실험을 통하여 알아보았다.
본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법이 피처리 대상물의 부식성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 시편으로 구리(Cu) 패드를 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법와, 비교예로 종래의 유기솔더보존제(OSP) 방법을 각각 처리한 다음 부식액 또는 가스 등이 분무된 부식 환경하에 시편을 일정시간 노출시키는 부식 테스트를 수행한다.
여기서 종래의 유기솔더보존제(OSP) 방법은 일반적으로 사용하는 방법으로시편을 유기솔더보존제 용액에 약 40℃ 온도로 1분 동안 잠입 처리하는 저온 습식 공정을 수행한 것이다.
그 결과 비록 도면에는 도시되지 않았으나, 피처리 대상물 표면에 대한 부식성 테스트를 수행 결과를 비교하면 종래의 유기솔더보존제(OSP) 방법이 적용된 시편의 경우 회백색의 부식생성물의 형성이 증가하여 부식이 발생하였음을 알 수 있었고, 이에 반해 본 발명의 전도체를 이용한 플라즈마 코팅 방법이 적용된 구리 패드의 경우에는 부식생성물이 형성되지 않음을 확인할 수 있었다.
이는 종래의 유기솔더보존제(OSP) 방법의 저온 습식 공정보다 전구체를 이용하여 박막을 치밀하게 증착하여 수분 및 산소와의 반응을 최소화시킴으로써 부식 방지 기능이 향상된 효과를 가짐을 확인할 수 있었다.
그리고 도 4와 도 5는 납(Pb) 젖음성 테스트를 반복 수행한 결과를 나타낸 그래프로, 그래프에 나타난 곡선은 젖음이 시작하는 시간에서 시간이 지남에 따라 변화하는 젖음력(wetting force, mN)을 나타낸다.
이때, 도 4와 도 5의 그래프에서 다수의 곡선은 납 젖음성 테스트를 4번 반복 수행한 결과를 나타낸 것으로, 그래프에서 볼 수 있는 것처럼, 다수의 반복 실험에서도 그래프 곡선의 형태가 일정한 실험 결과를 보여줌으로써, 실험 결과에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다.
젖음이란 고체의 표면에 액체가 부착되었을 때 고체와 액체 원자간의 상호 작용에 의해 액체가 퍼지는 형상을 의미한다. 본 발명에서 납 젖음성은 최대 젖음력(maximum wetting force, Fmax) 값이 클수록 납 젖음성이 좋은 것이므로, 따라서 그래프의 기준선인 젖음력 0에서 곡선의 폭이 최대로 되는 점 사이의 거리인 최대 젖음력(maximum wetting force, Fmax) 값을 확인하였다.
그 결과 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 최대 젖음력(maximum wetting force, Fmax)은 유기솔더보존제(OSP) 방법에서 2.1mN이고, 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법에서도 2.1mN으로 종래의 유기솔더보존제(OSP) 기술과 동일한 최대 젖음력을 나타냄을 확인할 수 있었다.
그러므로 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법이 종래의 유기솔더보존제(OSP) 기술과 비교하였을 때 납 젖음성에 대한 성능이 떨어지지 않고, 우수한 납 젖음성을 나타냄을 알 수 있다. 이와 같이 우수한 납 젖음성은 접합부에서 피접합물들 간에 접촉 불량을 방지하므로 우수한 기계적 특성을 가질 수 있다.
한편, 표 2는 종래 유기솔더보존제(OSP) 방법과 본 발명에 따른 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법의 수행에서 발생되는 폐수 배출량과 CO2 배출량을 나타낸 것이다. 하기 표 2에서 'OSP'는 '유기솔더보존제 방법'을 나타내고 'Plasma'는 본 발명에 따른 '전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법'의 공정을 나타낸다.
환경 파라미터
(Environmental parameter)		 OSP Plasma 감소율
폐수 배출량
(per area of PCB panel)		 210 kg/m2 95 kg/m2 54%
CO2 배출량
(per area of PCB panel)		 0.32 kg/m2 0.14 kg/m2 56%
상기 표 2에서 종래 유기솔더보존제(OSP) 공정 과정 중에 발생되는 폐수 배출량과 CO2 배출량과 상대적으로 비교 평가한 결과, 종래 유기솔더보존제(OSP) 방법 대비 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법에서의 폐수 배출량은 약 54%가 감소되고, CO2 배출량은 56%로가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법은 공정 과정 중에서 발생되는 폐수와 CO2의 배출량을 급격히 줄일 수 있는 친환경적인 플라즈마 공법으로 종래의 유기솔더보존제(OSP)을 포함한 습식 표면처리법에 비해 공정이 간단하고, 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법을 통해 전자회로기판을 표면처리 할 경우, 유기솔더보존제(OSP) 방법보다 코팅된 박막의 두께가 균일하게 증착되어 멀티리플로우(Multi-reflow)에 따른 부식 저항성과 납 젖음성이 우수하고 솔더링 후 접합강도도 높은 특성을 갖는 효과가 있다.
앞서 설명한 본 발명의 전구체를 이용한 플라즈마 코팅 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 설명 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
10 : 챔버 20 : 반응가스 질량유량제어기
21 : 아르곤 질량유량제어기 22 : 산소 질량유량제어기
30 : 전구체 용기 40 : 전구체 주입조절기
50 : 전구체 질량유량제어기 60 : 전원
70 : 스로틀 밸브 80 : 진공 펌프
90 : 전극부 91 : 제1 전극부
92 : 제2 전극부 93: 제1 접지전극
94 : 제1 전원 전극 95 : 제1 홀더
96 : 제2 접지전극 97 : 제2 전원 전극
98 : 제2 홀더 99 : 제3 접지전극

Claims (10)

  1. 피처리 대상물의 표면에 묻은 이물질을 제거하는 세척 단계;
    챔버 내부에 준비된 피처리 대상물을 투입하고, 상기 챔버 하단에 연결된 진공 펌프를 통해 진공 배기하여 챔버 내부의 진공도가 0.1torr 이하가 되도록 유지하여 피처리 대상물 및 챔버 내부를 건조하는 진공 건조 단계;
    상기 챔버와 연결된 전구체 주입조절기에서 가열수단에 의해 하기 화학식 1로 표시되는 액체 상태의 전구체를 100℃ 내지 200℃로 온도로 가열하고 유지하면서 상기 전구체를 기화시키는 전처리 단계; 및
    상기 챔버와 연결된 반응가스 질량유량제어기를 통해 1 내지 1000 sccm의 주입량으로 반응가스를 챔버 내에 주입하고, 상기 챔버에 연결된 전구체 질량유량제어기를 통해 1 내지 100 sccm의 주입량으로 상기 전처리 단계를 거쳐 기화된 전구체를 챔버 내에 주입한 후, 챔버 내 진공도를 0.05 내지 0.3 Torr로 유지하면서 챔버 내부에 설치된 전원 전극에 50 내지 2000W의 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 형성시켜 전구체를 이온화시킨 후, 화학 반응을 통해 피처리 대상물 표면상에 전구체를 코팅하는 코팅 단계;를 포함하되,
    상기 전처리 단계는 전구체 용기에 저장된 액체상태의 전구체를 상기 챔버와 연결되는 전구체 주입조절기에 공급하는 단계; 및
    전구체 주입조절기 내부에 설치된 가열수단을 이용하여 상기 전구체를 기 설정된 온도로 가열한 후 일정 온도로 유지하면서 상기 전구체를 기화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법.
    [화학식 1]
    Figure 112017105168733-pat00002
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피처리 대상물은 전자회로기판(Printed Circuit Board)인 것을 특징으로 하는 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버에서는 전극을 통해 전기장이 형성된 후, 반응가스로부터 플라즈마가 형성되고, 형성된 플라즈마를 이용하여 상기 전구체를 이온화시키며 화학 반응을 통해 피처리 대상물 표면에 전구체가 증착하는 것을 특징으로 하는 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스는 아르곤(Ar), 산소(O2), 수소(H2), 질소(N2), 암모니아(NH3) 및 헬륨(He)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전구체를 이용한 플라즈마 진공 코팅 방법.




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* Cited by examiner, † Cited by third party
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