KR20020086286A

KR20020086286A - 코팅형 금속 물질과, 전기 커넥터와, 집적 회로용 리드프레임

Info

Publication number: KR20020086286A
Application number: KR1020020025740A
Authority: KR
Inventors: 아비스요셉에이; 팡총룬; 수첸; 장윤
Original assignee: 루센트 테크놀러지스 인크
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2002-11-18
Also published as: DE60200154D1; US20020185716A1; JP2003003292A; EP1257004B1; EP1257004A1; DE60200154T2

Abstract

본 발명에 따르면, 금속 기판은 주석이나 주석 합금층과 하나 이상의 외곽 금속층을 포함하는 다층 피니쉬(multilayer finish)로 코팅된다. 선택적 금속 하층(underlayer)이 기판과 주석층 사이에 배치될 수 있다. 예시적 실시예에서는 금속 기판이 니켈 하층과, 주석층과, 팔라듐(palladium) 금속 외곽층으로 코팅된 구리 합금을 포함한다. 이에 따른 구조는 특히 전기 커넥터나 리드 프레임으로 유용하다.

Description

코팅형 금속 물질과, 전기 커넥터와, 집적 회로용 리드 프레임{METAL ARTICLE COATED WITH MULTILAYER FINISH INHIBITING WHISKER GROWTH}

본 발명은 땜납 능력(solderability) 및 부식 방지(protection from corrosion)를 위하여 코팅된 금속 물질(metal article)에 관한 것이다. 특히, 주석이나 주석 합금층과 주석 휘스커(tin whisker)의 성장(growth)을 억제하기 위한 금속 외곽층(metal outer layer)을 포함하는 다층 피니쉬(multilayer finish)를 갖는 물질에 관한 것이다. 그 표면 피니쉬(surface finish)는 전기 커넥터(electrical connector) 및 집적 회로 리드 프레임(integrated circuit lead frame)에 특히 유용하다.

양질의 커넥터는 소비자 전자장치(consumer electronics), 가정용 전기 장치(household appliance), 컴퓨터, 자동차, 원격통신 장치, 로봇(robotics), 그리고 군사 장치(military equipment)에 이르기까지 광범위한 제품에서 매우 중요하다. 커넥터는 장치간에 전류가 흐르는 경로를 제공한다. 양질의 커넥터는 도전성이 높아야(highly conductive) 하고, 부식에 저항력이 있어야(corrosion resistant) 하며, 땜납에 의하여 용이하게 연결되어야 하고, 저렴해야 한다.

불행히도 단일 물질로는 어떠한 것도 요구되는 모든 특성을 갖추고 있지는 못하다. 구리와 많은 구리 합금은 도전성이 높지만, 전형적인 주변 조건에서 부식되어, 반응성 산화물(reactive oxide) 및 황화물(sulfide)을 생성한다. 그러한 반응성 부식의 결과 커넥터의 도전성과 상호 연결의 신뢰도가 줄어든다. 또한 그러한 부식 결과는 땜납 본딩(solder bond)의 형성 및 그 신뢰도를 저해하고 다른 전자 소자로 이동하여 역효과를 미칠 수 있다.

얇은 주석층이 구리 표면에 도포되어 부식 저항성 및 땜납 능력을 제공한다. 주석은 용이하게 도포되고, 무독성(non-toxic)이며, 부식 방지를 제공하고, 탁월한 땜납 능력을 보유한다. 불행히도 주석 코팅에서는 주석 "휘스커"라고 불리는 금속 필라멘트(metal filament)의 자발적 성장(spontaneous growth)이 일어난다. 이러한 휘스커는 저전압 장비에서 단락 고장(short circuit failure)의 원인으로 알려져 있다. 나아가 휘스커 부분(whisker fragment)이 분리(detached)되고 장치 패키지(device package) 내에 누적되어, 그 시발점(origin)으로부터 멀리 떨어진 위치에서 단락(short)을 야기하며 전자 기계적 동작을 저해한다. 따라서, 금속 물질에 대하여 무휘스커 주석 코팅(whisker free coating of tin)을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명에 따르면, 금속 기판이 주석 또는 주석 합금층과 하나 이상의 외곽 금속층으로 구성된 다층 피니쉬로 코팅된다. 기판과 주석 사이에 선택적 금속 하층(underlayer)이 배치될 수 있다. 예시적 실시예에서 금속 기판은 니켈 하층(nickel underlayer)으로 코팅된 구리 합금과, 주석층과, 팔라듐(palladium)으로 이루어진 외곽 금속층을 포함한다. 이로써 이루어지는 구조는 특히 전기 커넥터나 리드 프레임으로서 유용하다.

도 1은 본 발명에 따라 코팅된 금속 물질의 개략적 단면도,

도 2는 도 1에 도시된 코팅형 금속 물질을 구성하는 과정을 도시하는 블록도,

도 3은 도 1의 처리 과정을 이용하여 전기 커넥터를 구성하기 위한 기판을 도시하는 도면,

도 4a 및 도 4b는 본 발명과 통상적인 코팅형 물질을 비교하는 사진을 도시하는 도면,

도 5는 집적 회로 리드 프레임을 구성하기 위한 기판을 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 금속 기판12 : 금속 하층

13 : 매개층14 : 외곽 금속층

30 : 전기 커넥터32 : 접합 핀

52 : 패들53 : 리드

54 : 댐 바56 : 집적 회로

본 발명의 이점, 특성 및 다양한 추가적 특징은 이하 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명되는 예시적 실시예들을 검토함으로써 보다 충실하게 이해될 것이다.

첨부 도면은 본 발명의 개념을 예시적으로 설명하고자 하는 것이며 축척으로 도시된 것이 아님을 알아야 한다.

도 1은, 오름차순으로, 기판과, 선택적 금속 하층(12)과, 매개층(intermediate layer)(13)(주석이나 주석 합금으로 구성되고 휘스커가 형성됨)과, 휘스커 형성을 방지하는 금속으로 이루어진 외곽 금속층(14)을 포함하는 다층 피니쉬(11)로 코팅된 금속 기판(10)의 개략적 단면도이다. 금속 기판은 전형적으로 구리나 구리 합금, 또는 철이나 철 합금 등의 도전성 금속으로서 전형적 주변 조건에서 부식되는 금속이다. 선택적 하층은 바람직하게, 니켈, 니켈 합금, 코발트, 또는 코발트 합금 등의 유공률(porosity)이 낮은 금속이다. 이는 바람직하게 비정질 합금(amorphous alloy)이다. 약 10wt.% 이상의 인(phosphorus)을 함유하는 니켈-인 합금(nickel-phosphorus alloy)이 구리나 철을 포함하는 기판에 적합하다. 니켈-인-텅스텐(nickel-phosphorus-tungsten)이나 코발트-인(cobalt-phosphorus)도 이용될 수 있다. 매개층(13)은 주석이나 주석 합금층으로 이루어질 수 있는데 여기서 주석-구리(tin-copper), 주석-비스무트(tin-bismuth), 주석-은(tin-silver).주석-니켈(tin-nickel), 주석-아연(tin-zinc), 또는 주석-구리-은(tin-cooper-silver) 등의 휘스커 성장이 발생한다. 외곽층(또는 층들)(14)은 휘스커 형성을 막는 금속이나 합금으로 이루어진다. 이는 팔라듐, 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium), 백금(platinum), 구리, 은, 이리듐(iridium), 비스무트, 또는 이들 금속 하나 이상으로 이루어진 합금일 수 있다. 선택적 하층(12)은 약 0 내지 10㎛의 두께를 가지며, 외곽 금속층(14)은 바람직하게 약 5 내지 10,000 옹스트롬이다.

본 발명에 따른 코팅형 금속 물질 제조를 설명하는 다음의 특정 실시예를 참조함으로써 본 발명을 보다 명백히 이해할 수 있다.

실시예 1 - 전기 커넥터

도 2는 코팅형 금속 전기 커넥터를 구성하는 단계를 도시하는 블록도이다. 블록(A)에 도시된 제 1 단계에서는 금속 기판을 제공한다. 기판은 금속 블랭크(blank)를 스탬핑(stamping)하거나 에칭함으로써 원하는 구조로 형성될 수 있다.

도 3은 커넥터 몸체(body)(31)와 접합 핀(mating pin)(32)을 포함하는 전기 커넥터(30)를 위한 기판을 도시하고 있다. 커넥터(31)와 핀(32)은 구리 니켈 주석 합금 No.725(88.2 wt.% Cu, 9.5 Ni, 2.3 Sn, ASTM Spec. No.B122) 등의 고도전성 금속으로 이루어진다.

다음 단계는 선택적인 것으로서, 그 도전성 기판(11)을 비정질 니켈 인 등의금속 하층(12)으로 코팅하는 단계이다. 하층(12)은 0부터 약 5㎛의 두께를 갖는다. 이는 비정질 구조를 보장하기 위하여 약 10wt.%보다 많은 P를 함유하고 있는 전착형(electrodeposited) 니켈-인(Ni-P)일 수 있다. 적합한 Ni-P 비정질층은 다음과 같은 배스 구성(bath composition)을 이용하여 전착될 수 있다.

황산 니켈(nickel sulfate)NiSO₄6H₂O100 - 300g/l

염화 니켈(nickel chloride)NiCl₂6H₂O40 - 60g/l

3인산(phosphorus acid)H₃PO₃40 - 100g/l

5인산(phosphoric acid)H₃PO₄0 - 50g/l

블록(C)의 제 3 단계에서는 주석이나 주석 합금으로 이루어진 층(13)이 도포된다. 층(13)은 약 0.5㎛보다 더 큰 두께를 가져야 하며 약 7㎛정도가 바람직하다. 적절한 주석층은 다음과 같은 배스를 이용하여 전자 증착될 수 있다.

술폰산 주석 메탄(tin methane sulfonate):40 - 80g/l

메탄 술폰산(methane sulfonic acid):100 - 200g/l

습윤제(Wetting Agent):5 - 15g/l

(Harcos Chemical Inc.)

산화방지제 C1:1 - 3g/l

(Spectrum Laboratory Products)

블록(D)으로 표시되는 그 다음 단계에서는 층(13) 상에 외곽 금속층(14)이 도포된다. 출원인은 외곽 금속층을 적절히 선택하면 주석 휘스커의 성장을 억제할수 있음을 알고 있다. 외곽 금속층(14)은 하나 이상의 값비싼 금속(팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 백금, 또는 팔라듐-니켈이나 팔라듐-코발트 등과 같은 그 합금)으로 이루어진 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다. 이는 또한 구리, 은, 비스무트, 또는 이들의 합금일 수도 있다. 외곽층 두께는 약 5 내지 10,000 옹스트롬의 범위이다. 적절한 팔라듐층은, 본 명세서에서 참조로써 인용하고 있는, 1990년 3월 27일에 J.A.Abys 등에게 부여된 미국 특허 제 4,911,799호에 개시된 팔라듐 전기 도금 솔루션(electroplating solution)으로 증착될 수 있다. 바람직하게 10 내지 30wt.%의 니켈을 함유하고 있는 적절한 팔라듐-니켈 합금은, 본 명세서에서 참조로써 인용하고 있는, 1990년 3월 27일에 J.A.Abys 등에게 부여된 미국 특허 제 4,911,798호에 개시된 전기 도금 솔루션으로 증착될 수 있다. 적절한 팔라듐-코발트 합금은, 본 명세서에서 참조로써 인용하고 있는, 1999년 11월 2일에 J.A.Abys 등에게 부여된 미국 특허 제 5,976,344호에 개시된 바와 같이 증착될 수 있다. 로듐, 루테늄, 및 백금 도금법이Metal Finishing, (Guidebook and Directory Issue), Vol.97, No.1(1999년 1월)에 개시되어 있다.

이러한 새로운 피니쉬를 테스트하기 위하여, 출원인은 주석층을 포함하는 다양한 피니쉬를 구리 위에 도금하고 50°C의 온도에서 에이징(aged)시켰다. 고배율(100,000배까지) 주사 전자 현미경(scanning electron microscope ; SEM)을 이용하여 에이징되는 표면에서 휘스커에 대하여 검사하였다. 2개월이 지난 다음 새로운 피니쉬 상에서는 어떠한 휘스커도 검출되지 않았다. 통상적인 비오버코트형 주석 피니쉬(nonovercoated tin finish) 상에서는 휘스커가 발견되었다. 도 4a는 본 발명의 피니쉬가 50°C에서 2개월 지난 다음 그 SEM 사진을 도시하고 있다. 어떠한 휘스커도 존재하지 않는다. 도 4b는 통상적인 비오버코트형 주석 피니쉬의 SEM 사진을 도시하고 있다. 여기에는 휘스커가 존재한다.

실시예 2 - 집적 회로 리드 프레임

집적 회로 리드 프레임도 도 2에 도시된 처리 과정에 따라 제조될 수 있다. 유일한 차이는 기판이 서로 다르고 외부 코팅 두께가 더 클 수 있다(예컨대, 0.5 내지 15㎛)는 점이다.

도 5는 집적 회로(IC)의 리드 프레임으로 이용할 수 있는 구성으로 형성된 기판(50)을 도시하고 있다. 기판(50)은 IC가 장착되는 패들(paddle)(52)과 IC가 본딩되는 리드(53)를 포함한다. 댐 바(dam bar)(54)는 패키징 이전에 리드를 상호 연결한다. 집적 회로가 본딩되고 팬텀 라인(phantom line)(55)으로 표시되는 영역 상에 패키징 매체가 도포된 다음, 댐 바(54)는 트리밍(trimmed away)된다.

리드 프레임의 기판은 합금 No.151(99.9wt.% Cu, 0.1% Zr) 또는 합금 No.194(975wt.% Cu, 2,35% Fe, 0.03% P, 0.12% Zn) 등의 구리 합금일 수 있다. 합금 No.42(42wt.% Ni, 58% Fe) 등과 같은 기타 도전성 금속이나 합금도 이용될 수 있다.

집적 회로(56)가 기판에 장착되고 본딩되며, 기판은 도 2에 설명된 처리 과정에 의하여 코팅된다.

전술된 실시예는 본 발명의 원리에 대한 애플리케이션을 보여줄 수 있는 많은 가능한 특정 실시예 중 일부일 뿐임을 알아야 한다. 당업자라면 본 발명의 사상과 영역을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 많은 다른 변형을 용이하게 생각해낼 수 있다.

본 발명에 따르면, 금속 기판이 주석 또는 주석 합금층과 하나 이상의 외곽 금속층으로 구성된 다층 피니쉬로 코팅되고, 기판과 주석 사이에 선택적 금속 하층(underlayer)이 배치될 수 있다. 이렇게 이루어지는 구조는 특히 전기 커넥터나 리드 프레임으로서 유용하다.

Claims

코팅형 금속 물질(coated metal article)로서,

금속 기판(metal substrate)과,

상기 기판 상에 놓인(overlying), 주석이나 주석 합금층(a layer of tin or tin alloy)과 팔라듐(palladium), 이리듐(iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium), 백금(platinum), 구리(cooper), 은(silver), 비스무트(bismuth), 또는 그 합금으로 구성된 금속 외곽층(metal outer later)을 포함하는 다층 피니쉬(multilayer finish)를 포함하는

코팅형 금속 물질.
제 1 항에 있어서,

니켈(nickel), 니켈 합금(nickel alloy), 코발트(cobalt), 및 코발트 합금으로 구성된 그룹 중에서 선택된 금속 하층(underlayer of metal)을 더 포함하는

코팅형 금속 물질.
제 1 항에 있어서,

상기 하층이 니켈-인(nickel-phosphorus), 니켈-인-텅스텐(nickel-phosphorus-tungsten), 및 코발트-인으로 구성된 그룹 중에서 선택되는

코팅형 금속 물질.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 기판은 구리, 구리 합금, 철(iron), 철 합금, 니켈 또는 니켈 합금을 포함하는

코팅형 금속 물질.
제 1 항에 있어서,

상기 주석이나 주석 합금층은 0.5 내지 10㎛ 범위의 두께를 가지며 상기 외곽 금속층은 5 내지 10,000 옹스트롬 범위의 두께를 가지는

코팅형 금속 물질.
제 1 항에 따라서 코팅된 금속 물질을 포함하는 전기 커넥터(electrical connector).
제 1 항에 따라서 코팅된 금속 물질을 포함하는 집적 회로용 리드 프레임(lead frame for an integrated circuit).