KR20050103511A - 납땜성이 우수한 표면처리 Ａｌ판, 이 판을 사용한 히트싱크, 그리고 납땜성이 우수한 표면처리 Ａｌ판의 제조방법 - Google Patents
납땜성이 우수한 표면처리 Ａｌ판, 이 판을 사용한 히트싱크, 그리고 납땜성이 우수한 표면처리 Ａｌ판의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
치환 도금법에 의하여 Al 기판의 표면 위에 Zn층을 형성하고, 도금에 의하여 상기 Zn층 위에 Ni층과 Sn층을 형성하는 것을 포함하거나, 또는, 상기 표면처리 Al판의 Sn층 위에 납땜용 플럭스 성질을 가지며 열방사성을 향상시키는 층을 형성하는 것을 더 포함하는 표면처리 Al판의 제조 방법; 상기 방법에 의해서 제조된 표면처리 Al판; 상기 Al판을 사용한 히트 싱크. 상기 Al판은 납땜층의 밀착성, 땜납의 젖음성, 그리고 납땜 강도가 우수하며 우수한 방열 능력을 보여줌으로써, 납땜이 가능한 히트 싱크로 바람직하게 사용할 수가 있으며, 상기의 방법으로 상기 Al판을 저렴하게 생산할 수가 있다.
Description
본 발명은 표면처리 Al판에 관한 것으로, 특히, 우수한 땜납 젖음성(wettability) 또는 납땜 강도, 큰 열전도율 또는 큰 열방사율을 가지며, 납땜이 가능하고 우수한 방열성을 가질 것이 요구되는 히트 싱크(heat sink)로서 바람직하게 사용할 수 있는 표면처리 Al판, 상기 판을 사용한 히트 싱크, 및 상기 표면처리 Al판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
전자 기기가 소형화되거나 고밀도화됨에 따라서, 간극을 거의 갖지 않거나 샤시의 협소한 내부에 장착된 부품의 온도상승을 제어할 필요가 늘어나고 있다. 인쇄 회로 기판(printed circuit board)에는, 부품의 온도 상승을 억제하기 위해서 기판에 방열용 히트 싱크를 부착하여 사용한다. 예를 들어, 도 1에서 보는 바와 같이, 인쇄 회로 기판과 같은, 발열 요소 (1) 의 적어도 한 면에 히트 싱크를 밀착시켜 형성한다. 밀착 면적이 더 넓으면 열전도가 더 늘어난다. 히트 싱크의 재료로는, 양호한 열전도율을 갖는 재료가 바람직하게 사용되기 때문에 발열 요소로부터 신속히 열을 흡수할 수가 있다. 도 1에서 보는 바와 같이, 히트 싱크 (2) 는 발열 요소 (1) 로부터 떨어진 일정 영역까지 확장 배치되고 확장된 부분으로부터 열이 발산되기 때문에, 히트 싱크의 표면은 우수한 열방사성을 바람직하게 갖는다. 도 1에서, 화살표 (3) 는 열전도의 방향을 표시하고 화살표 (4) 는 열방사의 방향을 나타낸다.
강판 계열 재료를 포함하는 히트 싱크의 경우에, 이러한 히트 싱크는 인쇄 회로 기판에 납땜에 의하여 직접 결합 된다. 방열이 더욱 필요하게 되는 경우, 강판 계열보다 더 우수한 열전도율을 가지는 Al 계열의 재료가 히트 싱크로서 바람직하게 사용된다. 그러나, 히트 싱크를 납땜에 의해서 인쇄 회로 기판에 직접 부착하기가 곤란하므로, 전용의 핀을 Al 계열의 히트 싱크에 부착하고, 이 핀을 통하여 인쇄 회로 기판에 히트 싱크를 납땜한다. 이러한 핀을 통하여 히트 싱크를 부착하는 경우, 핀과 히트 싱크 사이에 견고한 고정을 얻을 수가 없다. 게다가, 히트 싱크가 인쇄 회로 기판과 직접 밀착하는 면적이 줄어들기 때문에, 열전도율이 감소하여, 높은 열전도율을 가지는 Al의 특성을 충분히 활용할 수가 없다. 그러므로, 양호한 납땜성을 갖는 Al판을 얻기 위한 다음과 같은 시도가 있어왔다.
예를 들어, 일본특개평 05-345969호는 Al판 위 또는 Al 계열 합금판 위에 Ni 계열 도금층을 개재시키면서 Sn 도금층이 형성된 양호한 납땜성 및 도금 밀착성을 가지는 Al 계열의 합금판을 개시한다.
상기 Al 계열 합금판에 있어서, 용융(hot dip) Al 도금 강판과 같은 기판에 진공증착법을 사용하여 Ni 도금을 하고 나서 Sn 도금을 한다. Ni과 Sn의 도금에 진공증착법을 사용하는 상기 경우에는, 진공 장치와 같은 대규모의 장치가 요구되고, 또한, 증착률이 낮기 때문에 생산성이 낮아서 저비용으로 상기 판을 제조하기가 곤란하다.
일본특개평 09-291394호는 알루미늄 기판과 주석 또는 주석 합금층 사이의 경계면(interface)에 주석 농도 구배층을 형성하여 가지는 것을 특징으로 하는, 양호한 납땜성을 가지는 주석 또는 주석 합금층으로 코팅된 알루미늄 재료를 개시한다. 상기 알루미늄 재료에 있어서, 알루미늄 기판과 주석 또는 주석 합금층 사이의 경계면에 형성된 주석 농도 구배층은, 알루미늄 합금판을 주석으로 전기도금한 후 가열하거나, 또는, 용융된 주석 합금 속을 알루미늄 합금판이 관통함으로써입혀지지만, 상기 재료는 특히 구부렸을 때, 알루미늄 기재와 주석층 사이의 밀착성이 부족하여 주석 피막이 알루미늄 기판으로부터 쉽게 박리되는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 도금층과의 양호한 밀착성, 땜납 젖음성, 납땜 강도, 그리고 큰 열전도율 또는 열방사율을 가지며, 납땜이 가능하고 양호한 열방사성을 가지는 히트 싱크로서 바람직하게 사용할 수 있는 표면처리 Al판, 상기 판을 사용한 히트 싱크, 그리고 상기 표면처리 Al판을 저렴하게 생산하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 히트 싱크와 발열 요소 간 결합상태의 일 예를 나타내는 개략도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면처리 Al판은, Al 기판의 표면 위에 기판의 표면 쪽에서부터 순서대로 Zn층, Ni층, Sn층을 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 Al 기판은 순(純) Al판으로만 제한되는 것이 아니며, Al 합금판이어도 좋다. 표면처리 Al판에 있어서, Zn층을 5~500 mg/m2의 코팅량으로 형성하고 열방사성을 향상시키기 위한 층을 상기 Zn층 위에 더 형성하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트 싱크는, Al 기판의 표면 위에 Zn층, Ni층, 그리고 Sn층을 기판의 표면 쪽에서부터 순서대로 형성한 표면처리 Al판 또는, 상기 표면처리 Al판 위에, 5~500 mg/m2의 코팅량으로, 열전도율이 바람직하게는 60 W/m·K 이상인 Zn층을 형성한 것을 특징으로 하는 표면처리 Al판을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
다르게는, 본 발명의 다른 히트 싱크는, 열방사율이 바람직하게는 0.2~0.9 인 방열성을 향상시키기 위한 층을 그 표면처리 Al판의 Sn층 위에 더 형성한 표면처리 Al판을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 표면처리 Al판의 제조 방법은 Al 기판을 Zn으로 치환 도금하고나서, Ni로 도금하고, 그리고 Sn으로 도금하는 것을 특징으로 한다;
여기서 Sn을 도금 후에 열방사성을 향상시키기 위한 층을 더 형성하는 것이 바람직하다. 상기 열방사성을 향상시키기 위한 층은, 예를 들어, 표면처리 Al판 위에 검정색 안료(black pigment) 및 수성 로진(aqueous rosin)을 함유하는 수성 수지를 코팅하고 건조시켜 형성할 수 있다.
다음으로, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 표면처리 Al판의 기판이 되는 Al판으로서는, 순(純) Al판, 일본 공업 규격(JIS)에 따른 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 그리고 7000 계열의 Al 합금판 중의 임의의 하나를 사용할 수가 있다. 이러한 Al 합금판을 탈지한 후에, 산성(酸性) 에칭(etching)을 하고나서 스멋을 제거하고(desmutting) 아연을 치환 도금한다. 아연의 치환 도금은, 질산 침지 처리, 1차 아연 치환 처리, 질화 아연(zinc-nitrate) 분리 처리, 2차 아연 치환 처리의 단계를 통하여 실시된다. 이 경우에, 각 단계의 처리가 끝난 후에는 수세(水洗) 처리를 실시한다. 1차 아연 치환 처리 및 2차 아연 치환 처리에 의해 형성된 Zn층은, 상기 치환 처리 후에 Ni 도금을 실시할 때 다소 용해되기 때문에, Zn층의 코팅량은 바람직하게는, Ni 도금 후의 조건에서, 5~500mg/m2 이고 보다 바람직하게는 30~300 mg/m2 이 된다. 2차 아연 치환 처리에서 처리 용액의 Zn 이온 농도와 처리 용액 중의 침지 시간을 적절히 선택함으로써 코팅량을 조정할 수가 있다. 코팅량이 5mg/m2 미만인 경우에는, Zn층 위에 형성된 Ni 도금층과의 밀착성이 충분하지 못하여 구부렸을 때 이 도금층이 쉽게 박리 된다. 다른 한편으로, 코팅량이 500mg/m2 보다 큰 경우에는, 니켈 도금이 불균일하게 되어 납땜 강도가 저하된다.
다음, 이러한 방법으로 형성된 Zn층 위에 Ni층을 도금한다. 니켈 도금층은 전기 도금법 또는 무전해 도금법을 사용하여 형성할 수가 있다. 무전해 도금법을 사용하는 경우, 환원제로서 P 화합물 또는 B 화합물을 사용하기 때문에 니켈 도금 피막은 Ni-P 합금 또는 Ni-B 합금을 포함하는 피막으로 형성되지만, 전기 도금법에 의하여 형성된 순 Ni을 포함하는 피막과 마찬가지로, 도금 피막의 Al 기판에 대한 양호한 밀착성, 양호한 땜납 젖음성 및 납땜 강도를 얻을 수가 있다. 이렇게 하여 얻은 Ni층은 바람직하게는 0.2~50 g/m2, 더 바람직하게는 1~10 g/m2의 코팅량을 갖는다. 코팅량이 0.2 g/m2 미만인 경우에는, Ni층이 Zn층의 전체 표면을 균일하게 덮을 수가 없으므로 충분한 납땜 강도를 얻을 수가 없다. 한편, 코팅량이 50 g/m2 보다 많은 경우에는, 땜납 젖음성 및 납땜 강도 향상의 효과가 포화상태에 달하기 때문에 비용면에서 불리해진다.
다음으로, Ni층 위에 Sn층을 도금한다. 주석 도금층은 전기 도금법 또는 무전해 도금법을 사용하여 형성할 수가 있다. Sn층은 바람직하게는 0.2~20 g/m2, 더 바람직하게는 1~10 g/m2의 코팅량을 갖는다. 코팅량이 0.2 g/m2 미만인 경우에는, 비활성 플럭스를 사용하면 땜납이 잘 젖지가 않는다. 한편으로, 코팅량이 20 g/m2 보다 많은 경우에는, 땜납 젖음성 및 납땜 강도 향상의 효과가 포화상태에 달하기 때문에 비용면에서 불리해진다. 이러한 방법으로, Al판 위에 Zn층, Ni층 그리고 Sn층이 형성됨으로써 본 발명의 표면처리 Al판을 얻는다. 또한, 표면처리 Al판은 그 Al판 위의 최상층인 Sn층이 밑에 놓인 Ni층 또는 Al 기판과 합금화 됨으로써 전부 없어지지 않고 유리 Sn이 남아있는 정도까지 가열되고, 따라서 Al 기판과 Zn층, Zn층과 Ni층, 그리고 Ni층과 Sn층이 서로 확산되거나 또는 Al 기판, Zn층, 그리고 Ni층, 그리고 Zn층, Ni층, 그리고 Sn층이 서로 확산됨으로써, Al 기판과 도금층들 사이의 밀착 강도, 그리고 각각의 도금층 사이의 밀착 강도를 향상시킬 수가 있다.
본 발명의 표면처리 Al판은 열전도율이 60 W/m·K 이상이며, 양호한 열전도성을 갖는 히트 싱크로서 발열 요소로부터의 열을 바람직하게 흡수하여 방열할 수가 있지만 열방사를 향상시키기 위한 층을 Sn층 위에 형성함으로써 방열성을 더욱 향상시킬 수가 있다. 본 발명의 표면처리 Al판의 열방사율은 약 0.05~0.1이지만, 열방사를 향상시키기 위한 층을 형성함으로써 상기 열방사율을 약 0.2~0.9까지 향상시킬 수가 있다. 열방사를 향상시키기 위한 층은 다음과 같은 방법으로 Sn층 위에 형성된다. 즉, Zn층, Ni층, 그리고 Sn층을 순서대로 형성시킨 표면처리 Al판 위, 또는 이 표면처리 Al판 위에 가열 확산 처리를 실시한 표면처리 Al판 위에, 검정색 안료(black pigment) 및 수성 로진(aqueous rosin)을 함유하는 수성 아크릴 수지(aqueous acrylic resin)를 코팅하고 건조시킴으로써 처리 피막이 형성된다. 이 처리 피막은 플럭스(flux) 효과를 가지며, 땜납 젖음성을 향상시킨다. 상기 수성 수지의 농도는 바람직하게는 100~900 g/L 이며, 검정색 안료는 상기 수지 중의 수지의 고형분에 대하여 50 중량 % 이하로 함유되는 것이 바람직하다. 만일 50 중량 % 보다 더 많이 함유하는 경우에는 땜납 젖음성 및 납땜 강도가 저하된다. 건조 후, 처리 피막의 두께는 바람직하게는 0.05~10㎛ 이다. 이 처리 피막의 두께가 0.05㎛ 미만인 경우에는, 방열성 향상의 효과가 작고, 이 처리 피막의 두께가 10㎛ 보다 큰 경우에는 열전도성이 저하되어 방열성을 향상시킬 수가 없다. 이렇게 하여, 열방사성을 향상시키기 위한 층이 Sn층 위에 형성됨으로써 상기 히트 싱크의 방열성을 향상시킬 수가 있다.
(시험판의 준비)
도금 기판으로서 사용되었던 Al 합금판(JIS 5052H19, 두께 0.5mm)을 염기성 용액에서 탈지하고나서 황산 중에서 에칭하고, 질산 중에서 스멋(smut)을 제거한 후, 150 g/L 의 수산화나트륨, 50 g/L 의 로셸염(Rochelle salt), 25 g/L 의 산화 아연, 그리고 1.5 g/L 의 염화 제1철을 함유하는 처리 용액 중에 침지시킴으로써 1차 아연 치환 처리를 실시하고, 전해적으로 치환된 아연을 제거하기 위해 400 g/L 의 질산 용액 중에 침지시키고, 1차 아연 치환 처리에서 사용한 것과 동일한 처리 용액 중에 침지시킴으로써 2차 아연 치환 처리를 실시하였다. 2차 아연 치환 처리에 있어서, 침지 시간을 여러 가지로 변화시킴으로써 표 1에 나타내는 바와 같은 코팅량을 가지는 Zn층이 형성된 아연 도금 Al판을 얻었다.
다음으로, 아연 도금 Al판에 있어서, 표 1에 나타내는 바와 같은 코팅량을 가지는 Ni-12 중량 % P 합금 도금 피막이 Zn층 위에 무전해 도금법으로 형성되었다. 다음으로, Zn층과 Ni층이 형성되는 도금 Al판에 있어서, 표 1에 나타내는 바와 같은 코팅량을 가지는 주석 도금 피막이 Ni층 위에 전기도금법으로 형성됨으로써 시험판이 만들어졌다. 몇몇의 시험판의 경우에는, 이러한 도금 후에, 상기 판들을 280℃까지 가열함으로써 Sn층을 용융시켜 상기 Al 기판과 도금층이 서로 확산되고, 각각의 도금층들은 최외각의 유리 Sn을 잃지 않는 정도까지 서로 확산되는 확산 열처리를 실시하였다. 다른 몇몇의 시험판의 경우에는, 표 2에 나타내는 바와 같은 액 조성을 가지는 처리 용액을 사용하여 열방사성을 향상시키기 위한 층을 형성하였다.
비교를 위하여, 아연 치환 도금층의 형성 없이, 니켈 도금층 및 주석 도금층이 Al 합금판 위에 직접 형성되는 시험판, 아연 치환 도금층의 형성 없이 주석 도금층만이 Al 합금판 위에 형성되는 시험판, 그리고 주석 도금층만이 저탄소 강판(0.5mm 두께) 위에 형성되는 시험판을 준비하였다.
(시험판의 특성 평가)
상기와 같이 얻은 시험판에 있어서, 다음과 같은 특성들을 평가하였다.
[땜납 젖음성]
매니스코 그래프법(meniscograph method) (MIL-STD-883B)에 따라서, 솔더체커(SOLDERCHECKER) (RHESCA 제조의 모델 SAT-5000)를 사용하여, 상기와 같은 각 테스트 재료로부터 절단한 폭 7mm의 시험편들을 플럭스(TAMURA KAKEN CORPORATION 제조의 NA-200)에 침지시켰다. 플럭스가 도포된 상기 시험편들을 250℃를 유지하는 땜납욕(solder bath) (JIS Z 3282: H60A)에 2mm/sec의 침지 속도로 깊이 2mm까지 침지시키고, 납이 젖는 시점, 즉, 제로 크로스 타임을 측정하고나서, 다음의 기준에 따라서 땜납 젖음성을 평가하였다. 다음의 기준은 시간이 더 짧을수록 땜납 젖음성이 더 양호함을 나타낸다.
○○ : 5초 미만
○: 5초 이상 7초 미만
△: 7초 이상 10초 미만
×: 10초 이상
[납땜 강도]
각각의 시험재료로부터 절단한 폭 7mm, 길이 50mm의 2개의 시험편을 L 자 형상으로 접어서 형성한 2개의 절단편들을 T 자를 형성하도록 평가면들이 맞대어지게 쌓았으며, 0.5mm 두께의 강판을 상기 T 자 형상의 수직 막대부 사이에 개재시킴으로써, 상기 T 자 형상의 수직 막대의 하부 사이에 0.5mm의 빈 공간이 있는 시험편을 준비하였다.
땜납 젖음성의 평가에서 사용된 것과 동일한 플럭스를 상기 시험편의 빈 공간에 도포한 후, 솔더체커(SOLDERCHECKER) (RHESCA 제조의 모델 SAT-5000)를 사용하여 상기 시험편의 빈 공간에 땜납을 충진시키기 위하여, 상기 시험편의 빈 공간을 250℃를 유지하는 땜납욕(solder bath) (JIS Z 3282: H60A)에 10mm 깊이까지 5초 동안 침지시킨 후, 끄집어내어 T 필(peel) 시험편을 형성하였다.
다음으로 TENSILON을 사용하여서, 상기 T 필(peel) 시험편의 T 자형의 수평 막대 부분을 척(chuck)에 끼워 조이고 인장시킴으로써, 상기 T 자형의 수직 막대 부분들 사이의 납 충진부를 파단 시킨 후, 납땜 강도를 측정하고, 다음 기준에 따라 평가하였다.
○○ : 4kgf/7mm 이상
○: 3 이상 4kgf/7mm 미만
△: 1 이상 3kgf/7mm 미만
×: 1 kgf/7mm 미만
[도금 피막의 밀착성]
시험편을 각 시험재료로부터 폭 15mm, 길이 50mm로 절단하여, 직각(90°)으로 접고, 이 접힌 부분에 스카치 테이프를 붙였다가 떼어냈다. 그리고나서 이 도금 피막의 박리의 유무를 육안으로 관찰하여 이 도금 피막의 밀착성을 다음의 기준에 따라서 평가하였다.
○ : 박리가 관찰되지 않음
× : 박리가 관찰됨
[방열성]
시험편을 각 시험재료로부터 폭 5mm, 길이 10mm 로 절단하고, 광교류법(optical AC process) 열 상수 측정 시스템(ULVAC-RIKO. Inc.가 제조한 PIT-R2)을 사용하여 열전도율을 측정하였다. 또한, 방사율 측정기(KYOTO ELECTRONICS MANUFACTURING CO., LTD.가 제작한 D and S AERD 방사율 측정기)를 사용하여 열방사율을 측정하였고, 다음 기준에 따라서 방열성을 평가하였다.
○○ : 열전도율 60 W/m·K 이상이며 열방사율 0.20 이상
○: 열전도율 60 W/m·K 이상이며 열방사율 0.05 이상 0.20 미만
△: 열전도율 40 W/m·K 이상 60 W/m·K 미만
×: 열전도율 40 W/m·K 미만
그 결과, 표 3에서 보는 바와 같이, Al판 위에 Zn층, Ni층, Sn층을 형성시킨 본 발명의 표면처리 Al판은 땜납 젖음성이 우수하고, 납땜 강도가 높으며, 또한 열전도율이 크고 방열성이 우수하였다. 또한, 이 표면처리 Al판의 Sn층 위에 열방사성을 향상시키는 층을 형성함으로써 방열성을 더욱 향상 시킬 수가 있음을 확인하였다. 그러므로 본 발명은 납땜이 가능하고 방열성이 우수한 히트 싱크로 바람직하게 사용가능하다.
본 발명의 표면처리 Al판에서는, 치환 도금법에 의하여 Al 기판의 표면 위에 Zn층이 형성되고 그 위에 Ni층 및 Sn층이 도금에 의하여 형성되기 때문에, Al 기판과 도금층들 사이의 밀착성이 우수하다. 또한, 최상층의 표면으로 Sn층이 형성되기 때문에, 양호한 땜납 젖음성 및 높은 납땜 강도를 얻을 수가 있다. 또한, 기판이 Al판이기 때문에 열전도율이 크며 방열성이 우수하다. 또한, 납땜용 플럭스 특성을 가지며 열방사성을 향상시키는 층이 본 발명의 표면처리 Al판 위에 형성됨으로써, 납땜성이 더욱 향상되고 방열성도 향상될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 표면처리 Al판은 납땜이 가능하며 우수한 방열성을 가진 히트 싱크로서 바람직하게 사용할 수가 있다.
Claims (10)
- Al 기판의 표면상에, 기판의 표면 쪽으로부터 순서대로 Zn층, Ni층, Sn층이 형성된 표면처리 Al판.
- 제 1 항에 있어서, 상기 Zn층은 5~500 mg/m2의 코팅량으로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면처리 Al판.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 방열성을 향상시키기 위한 층이 상기 Sn층 위에 더 형성된 것을 특징으로 하는 표면처리 Al판.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 표면처리 Al판을 사용하는 히트 싱크.
- 제 4 항에 있어서, 열전도율이 60 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
- 제 3 항에 따른 표면처리 Al판을 사용하는 히트 싱크.
- 제 6 항에 있어서, 열방사율이 0.2~0.9 인 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
- Al 기판을 Zn으로 치환 도금하고나서, Ni로 도금하고, 그리고 Sn으로 도금하는 것을 특징으로 하는 표면처리 Al판의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서, Sn으로 도금한 후에, 열방사성을 향상시키기 위한 층을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 표면처리 Al판의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서, 열방사성을 향상시키기 위한 층은 검정색 안료(black pigment) 및 수성 로진(aqueous rosin)을 함유하는 수성 수지를 표면처리 Al판 위에 코팅하고 건조시켜서 형성하는 것을 특징으로 하는 표면처리 Al판의 제조 방법
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