KR102277371B1 - 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법은 모재의 하지금속인 구리에 주석을 도금하는 단계 및 상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계를 포함한다.

Description

위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법{Method for preventing growth of whisker by Electron beam radiation}

본 발명은 전자빔 조사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법에 관한 것이다.

최근 유럽연합의 환경규제는 전자산업에 많은 변화를 가져오고 있다. 2006년 7월부터 발효된 “특정유해물질 사용제한 지침(restriction of the use of certain hazardous substance in electronic equipment, RoHS)”에 따라 일반 전자제품내 납(Pb) 사용이 제한되어 현재 전자제품들은 무연(Pb-fre)화가 되어 있다. 최근에는 “폐차 활용지침(End-of life vehicles, ELV)”의 개정으로 2016년부터 자동차 전장품(car electronics)의 납사용이 제한되어 자동차 전장품의 무연화도 활발히 진행되고 있다.

전자제품을 무연화하기 위해서는 많은 사항들이 고려되어야 한다. 기술적인 부분에서는 부품 설계, 기판(PCB) 설계, 솔더링 공정, 솔더 접합부 신뢰성, 주석 위스커 등으로 구분할 수 있다. 특히, 솔더 접합부 장기 신뢰성 및 주석(Sn) 위스커 억제가 전자제품 무연화에 따른 제품의 장기 신뢰성에 가장 중요한 문제로 부각되고 있다.

전자부품 무연화에 따른 신뢰성은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 기존의 유연(SnPb) 솔더에서 납을 제거한 무연 솔더로 전자부품을 실장함에 따른 솔더 접합부 신뢰성과 기존의 유연 도금에서 납을 제거한 주석 도금 적용에 따른 주석 위스커 성장이다. 위스커는 전기적 단락(short)등을 일으켜 전자 모듈의 성능 이상을 유발한다. 이것은 일정시간 잠복기를 거쳐 오랜 시간동안 계속적으로 성장하는 특성을 가지고 있다. 따라서 국방 및 우주분야와 같은 20년 이상의 사용수명을 요구하는 분야에서는 적절한 위스커 성장 억제가 반드시 요구되고 있다.

등록특허공보 제1126104호 등록특허공보 제1507644호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 구리에 대한 주석 도금시 발생하는 위스커의 성장을 방지하는 전자빔 조사 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법은 모재의 하지금속인 구리에 주석을 도금하는 단계 및 상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계를 포함한다.

상기 모재의 하지금속인 구리에 주석을 도금하는 단계 후, 상기 전자빔을 조사하는 단계 전에 도금된 주석의 두께에 따라 전자빔의 조사선량 및 조사시간을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 방식은 선(line) 조사 및 면(plane) 조사 중 적어도 하나일 수 있다.

상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계는 상기 모재는 정지되어 있고, 전자빔원이 이동할 수 있다.

상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계는 상기 모재는 롤투롤 방식으로 이동하고, 전자빔원은 고정될 수 있다.

상기 전자빔의 출력 전압은 100 kV 내지 300 kV의 범위일 수 있다.

상기 전자빔의 선량은 50 kGy 내지 1000 kGy의 범위일 수 있다.

상기 전자빔은 대기압에서 방전되는 플라즈마 전자빔일 수 있다.

상기 전자빔의 조사시간은 30초 내지 30분의 범위일 수 있다.

본 발명에 따른 전자빔 조사 방법에 따르면, 구리에 대한 주석 도금시 위스커(Whisker)의 성장을 방지할 수 있다.

도 1, 2는 본 발명의 실시예에 따른 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법의 순서도이다.
도 3, 도 4는 본 발명의 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사방법의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 모재의 하지금속인 구리 위에 주석을 도금한 후 전자빔을 조사하기 전 모재의 단면구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 모재의 하지금속인 구리 위에 주석을 도금하고 전자빔을 조사한 후의 모재의 단면구조를 도시한 도면이다.
도 7은 주석을 도금한 구리 필름의 전자빔 조사 전 모습을 나타내는 사진이고, 도 8은 주석을 도금한 구리 필름의 전자빔을 조사한 후 모습을 나타내는 사진이다.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법의 순서도를 나타낸다. 도 1에 따르면 모재의 하지금속인 구리에 주석을 도금한다(S10).

본 발명에서 도금대상인 구리는 순구리 또는 황동이나 청동 등의 합금을 포함하는 개념이다.

순구리의 기계적 성질은 불순물의 함유량, 열처리 등에 의하여 크게 변하지만, 전연성이 크고, 냉간 가공이 매우 쉽다는 장점을 갖는다.

황동은 순구리에 비하여 화학적 부식에 대한 저항이 크며 고온으로 가열하더라도 별로 산화하지 않는다는 장점을 가지며, 청동에 비하여 녹이 잘 슬고 마모되기 쉬우나 저렴하다는 장점을 가지며, 각종 전기 단자, 커넥터, 또는 릴레이 등의 전기재료에 많이 활용되고 있다.

다만, 황동은 각종 전기재료로 사용됨에 있어 가격이 저렴하다는 장점을 갖지만 내부식성에 문제가 있고, 순구리 또는 인청동 역시 내부식성을 높여 제품의 품질을 향상시키기 위해 주석을 도금하는 과정을 필수적으로 거치게 된다.

다만 하지금속 구리에 대한 주석 도금시 도금면에 생긴 기다란 주석 단결정이 생기게 된다. 이를 위스커(whisker)라 하는데, 빗살 모양 및 침상 모양의 결정을 총칭하는 단어로써, 전자기기에 실장되는 부품에서 주석 도금 위스커는 전기적 단락(short) 등의 문제를 일으키는 요인이 된다.

이러한 위스커를 발생 및 성장을 방지하기 위해 상기 모재(40)의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사한다(S20). 즉 가공영역(30)으로 지정된 주석이 도금된 영역은 전자빔으로부터 전달되는 에너지에 의해 기 설정된 깊이만큼 가열되어 용융 및 응고의 과정을 거쳐 열처리될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 것처럼 상기 모재의 하지금속인 구리에 주석을 도금한 후(S10), 도금된 주석의 두께에 따라 전자빔의 조사선량 및 조사시간을 설정한 후(S15), 상기 전자빔을 조사(S20)할 수도 있다. 즉 모재의 표면이 얼마만큼의 넓이 및 깊이를 갖고 열처리될 것인지를 모재의 특성에 맞춰 사전에 설정하고, 전자빔 조사가 이뤄지는 가공영역에 조사되는 전자빔의 조사선량, 조사시간 등을 설정한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사방법의 실시예를 도시한다. 도 3처럼, 모재(40)와 전자빔 조사장치(30)가 정지된 상태에서 모재(40)에 대해 전자빔 조사(35)가 이뤄질 수 있다. 또는 모재(40)가 정지한 상태에서 전자빔 조사장치(30)가 상하좌우로 움직이면서 모재(40)에 대해 전자빔을 조사할 수 있다. 또는 도 4에 도시된 바와 같이 전자빔조사장치는 정지한 상태에서, 모재(40)가 필름형태로 롤투롤(50) 방식으로 이동하면서 전자빔 조사(35)가 이루어질 수도 있다. 또는 모재(40)가 컨베이어벨트에 놓여 이동하면서 전자빔이 조사될 수 있다.

모재(40)에 대한 전자빔의 조사는 선(line) 조사이거나 면(plane) 조사 방식일 수도 있다. 전자빔은 대기압상태에서 방전되는 플라즈마 전자빔일 수도 있고, 저진공상태에서 조사되는 전자빔일 수 있다. 이와 같이 저진공상태에서 열처리가 이루어질 경우에는 가공영역 내에서 전자빔에 의해 용융되는 모재(40)에서 발생하는 증발현상을 최소화할 수 있기 때문에, 모재(40)의 증발로 인한 열처리된 표면의 품질불량 및 거칠기 증가를 방지하고, 매끄러운 표면상태를 갖는 높은 품질의 열처리 결과를 얻을 수 있다.

본 발명의 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사방법의 일 실시예에 따른 전자빔의 출력 전압은 100 kV 내지 300 kV의 범위일 수 있고, 전자빔의 선량은 50 kGy 내지 1000 kGy의 범위일 수 있다. 전자빔의 조사시간은 30초 내지 30분일 수 있다.

도 5는 모재의 하지금속인 구리 위에 주석을 도금한 후 전자빔을 조사하기 전의 모재의 단면구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 전자빔을 조사한 후의 모재의 단면구조를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, Cu 도금면과 Sn 도금막 사이에 상호 확산(Inter-diffusion) 현상이 일어나 Sn도금층에 압축응력을 가하게 된다. 이러한 압축응력을 해소하기 위해 주석 단결정 위스커가 발생·성장하게 된다.

본 발명의 실시예에 따라 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔 조사를 하게 되면, 도 6처럼 고온 환경에 의한 성장, 평판 구조의 금속간화합물 성장, 시효에 의한 도금층 내부응력 감소 등으로 위스커 성장을 억제시킨다.

도 7은 주석을 도금한 구리 필름의 전자빔 조사 전 모습을 나타내는 사진이고, 도 8은 주석을 도금한 구리 필름의 전자빔을 조사한 후 모습을 나타내는 사진이다. 전자빔의 조사 조건에 관하여 전자빔의 가속전압은 130kV, 전자빔 선량은 130kGy이며 조사 시간은 1분이다. 도 7을 참조하면, 위스커가 확연하게 보이지만, 도 8은 위스커가 사라진 것을 볼 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

30: 전자빔 조사장치 35: 전자빔
40: 모재 50: 롤투롤

Claims (9)

1. 모재의 하지금속인 구리에 주석을 도금하는 단계; 및
   상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계;
   를 포함하되, 상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계는 상기 모재는 롤투롤 방식으로 이동하고, 전자빔원은 고정되는 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images