KR20110061099A - 치환형 무전해 금 도금액 및 이를 이용한 금 도금층의 형성방법 - Google Patents

치환형 무전해 금 도금액 및 이를 이용한 금 도금층의 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 치환형 무전해 금 도금액 및 이를 이용한 금 도금층의 형성방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 유기 용제; 및 상기 유기 용제에 해리되어 금 이온을 생성하는 유기산계 금염을 포함한다. 본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 균일한 두께의 금 도금층을 형성하고, 하지 금속과의 결합력을 높일 수 있다. 또한, 다양한 인쇄법을 통하여 금 도금층을 형성할 수 있다.
무전해 도금, 유기 용제, 유기산계 금염, 인쇄법, 금 도금층.

Description

치환형 무전해 금 도금액 및 이를 이용한 금 도금층의 형성방법 {Substitutional electroless gold plating solution and method for forming the gold plating layer using the same}
본 발명은 무전해 치환형 금 도금액 및 이를 이용한 금 도금층의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 두께의 금 도금층을 형성할 수 있는 무전해 치환 금 도금액 및 이를 이용한 금 도금층의 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 치환형 금 도금액은 전자 부품에 박막을 형성시키는 데에 이용되고 있다. 치환 도금이 행해진 전자 부품의 도금 피복부는 실장 공정에 있어서 땜납 등을 이용해서 다른 전자 부품과 접합되며, 최종적으로는 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화 등의 전자 장치로서 조합되어 사용되고 있다.
최근, 전자 장치가 소형화, 경량화됨으로써, 치환형 금 도금의 땜납 접합 특성이 문제가 되는 경우가 많아졌다. 이는 전자 장치의 소형화, 경량화의 요구에 부응하기 위해서 땜납 접합부의 면적이 작아지고, 전자 장치의 이동 기회가 증가함에 따라, 기계적 충격, 압박이나 변형 압력에 노출될 기회가 많아지고 있다. 이에 따라 전자 회로의 단선을 방지하기 위해서, 종래보다 더욱 높은 땜납 접합 강도가 필요하게 되었다.
치환형 금 도금은 주로 하지 금속(예를 들면 구리, 니켈, 코발트, 팔라듐 등)의 부식을 방지하고, 땜납 용융시의 젖음성을 확보하기 위해서 이용되고 있으나, 이 치환형 금 도금이 바르게 행하여지지 않으면, 땜납의 접합 강도가 저하된다. 즉, 치환형 금 도금이 바르게 행하여지지 않는 경우, 하지 금속의 산화가 발생하게 되고, 이러한 금 도금 표면을 땜납 접합하면, 하지 금속과 땜납 간 형성되는 접착층이 충분한 강도를 부여하지 않는 경우가 있다.
하지 금속 상에 형성된 금 박막은 땜납 용융시에 땜납 내부에 확산해가고, 계면 합금층이 피도금 금속과 땜납으로 형성된다.
치환형 금 도금이란 도금액 중의 금과 하지 금속의 이온화 경향의 차이를 이용한 금 도금법으로 가장 이온화하기 어려운 금속인 금을 이온으로 하여 도금액에 용해시킨다. 도금액에 피도금 기판으로서 하지 금속을 설치한 기판을 침지하면, 이온화 경향이 큰 하지 금속이 이온이 되어서 도금액에 용해되고, 도금액 중의 금 이온이 금속으로서 하지 금속 상에 석출되어 금 피막을 형성하는 것을 말한다. 이러한 치환 금 도금법은 환원제를 필요로 하지 않는다.
한편, 환원제를 필요로 하는 무전해 도금은 환원형 도금이라고 하며, 치환형 금 도금보다 두꺼운 막 두께가 필요한 경우에 이용되고 있다.
일본특허공개 제2001-144441호는 도금액 중에 하지 금속을 용해하지 않는 착화제 및 하지 금속의 과잉 에칭을 억제하는 금 석출 방지제를 필수 성분으로 하는 무전해 도금액이 개시되어 있다.
그러나, 이는 하지 금속의 과도한 에칭을 억제하는 것을 목적으로 하나, 하지 금속의 산화 방지에 대해서는 고려되고 있지 않다. 또한, 하지 금속을 용해하지 않는 착화제를 이용하면 치환 반응에 의해 용출하는 하지 금속을 안정하게 용해시킬 수 없고, 하지 금속도 금과 함께 재석출되기 쉽고, 얻어진 금 도금은 갈색을 띤 색조가 되어, 금 본래의 색조를 나타내지 않게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 치환 반응 속도 및 하지 금속의 침식 속도의 제어가 가능하고, 금 도금층의 균일한 두께 및 우수한 결합력을 제공하는 무전해 치환형 금 도금액 및 이를 이용한 금 도금층의 형성방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로써, 본 발명의 일 실시 형태는 유기 용제; 및 상기 유기 용제에 해리되어 금 이온을 생성하는 유기산계 금염;을 포함하는 치환형 무전해 금 도금액을 제공한다.
상기 유기산계 금염은 할라이드계 금염, 아세틸아세토네이트계 금염 및 아세테이트계 금염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 유기 용제는 알코올, 글리콜 및 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 유기 용제는 메탈올, 에탄올, 프로판올, 이소-프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리(프로필린 글리콜), 디에틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 디아세테이트 및 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 금속 패드가 형성된 기판을 마련하는 단계; 상기 금속 패드 상에 유기 용제 및 상기 유기 용제에 해리되어 금 이온을 생성하는 유기산계 금염을 포함하는 치환형 무전해 금 도금액을 도포하는 단계; 및 상기 금속 및 금 이온의 치환에 따라 금 도금층을 형성하는 단계;를 포함하는 금 도금층의 형성방법을 제공한다.
상기 치환형 무전해 금 도금액의 도포는 인쇄법에 의하여 수행될 수 있다.
상기 금속 패드는 구리, 니켈, 코발트 또는 팔라듐으로 이루어질 수 있다.
상기 유기산계 금염은 할라이드계 금염, 아세틸아세토네이트계 금염 및 아세테이트계 금염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 유기 용제는 알코올, 글리콜 및 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 유기 용제는 메탈올, 에탄올, 프로판올, 이소-프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리(프로필린 글리콜), 디에틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 디아세테이트 및 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 유기 용제를 사용하여 금과 하지 금속의 치환 반응 속도를 제어하고, 하지 금속의 침식을 방지한다. 이에 따라 균일한 두께의 금 도금층을 형성하고, 하지 금속과의 결합력을 높일 수 있다. 또한, 물을 포함하지 않으므로 다양한 인쇄법을 통하여 금 도금층을 형성할 수 있는 장점 을 갖는다.
또한, 인쇄법을 이용하여 금 도금층층 형성하는 경우 원하는 영역에만 금 도금액을 도포할 수 있어, 금 도금액의 손실을 줄일 수 있다.
본 발명은 치환형 무전해 금 도금액에 관한 것으로, 본 발명에 따른 무전해 치환형 금 도금액은 유기 용제; 상기 유기 용제에 해리되어 금 이온을 생성하는 유기산계 금염을 포함한다.
본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 종래의 무전해 금 도금액와 달리 수계가 아닌 유기 용제를 사용한 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 금염을 물에 녹여 구리, 니켈, 코발트, 팔라듐 등의 하지 금속과 반응시키는 경우 금과 하지금속의 치환 반응이 격렬하게 발생하여 짧은 시간에 금 도금층을 형성하게 된다. 그러나, 단시간에 형성된 금 도금층은 두께가 균일하지 않으며, 하지 금속과의 접착력이 약화된다.
본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 유기 용제를 사용하여 금과 하지 금속의 치환 반응 속도를 제어하고, 하지 금속의 침식을 방지한다. 이에 따라 균일한 두께의 금 도금층을 형성하고, 하지 금속과의 결합력을 높일 수 있다. 또한, 물을 포함하지 않으므로 다양한 인쇄법을 통하여 금 도금층을 형성할 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명의 치환형 무전해 금 도금액의 각 성분을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 치환형 무전해 금 도금액은 유기산계 금염을 포함한다. 유기산계 금염이란, 유기산의 염을 포함하는 금염을 의미하는 것으로, 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 할라이드계, 아세틸아세토네이트계 또는 아세테이트계 금염을 사용할 수 있으며, 이들을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 유기산계 금염의 농도는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 0.001 내지 1.0M일 수 있다.
상기 농도가 0.001M 미만이면, 형성된 금 도금막의 두께가 너무 낮아 하지 금속의 산화를 방지할 수 없고, 0.1M을 초과하면 균일한 금 도금막을 형성하기 어려울 뿐만 아니라 도금막과 하지 금속층과의 접착력이 낮아진다.
종래에는 수계 용제를 사용함으로써, 수용성 금염인 시아나이드계 금염(cyanide) 또는 황산계 금염(sulfate)을 사용하였으나, 본 실시형태에는 유기 용제를 사용함으로써, 다양한 종류의 유기산계 금염을 사용할 수 있다.
본 발명의 치환형 무전해 금 도금액은 상기 유기산계 금염을 해리시키는 용제로써, 유기 용제를 사용한다. 물이 자연적으로 추가될 수는 있으나, 주용제는 유기 용제인 것을 특징으로 한다.
유기 용제를 사용함으로써, 금 이온과 하지 금속의 치환 반응 속도, 하지 금 속의 침식 속도를 제어할 수 있다. 또한, 치환형 무전해 금 도금액의 점도 및 표면 장력의 제어가 용이해 진다.
본 발명에서 사용할 수 있는 유기 용제는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 알코올(alcohol), 글리콜(glycol), 또는 에테르(ether) 등이 있으며, 이들을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 알코올(alcohol)의 구체적인 예로는 메탈올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 이소-프로판올(iso-propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol) 등이 있다.
상기 글리콜(glycol)의 구체적인 예로는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 또는 폴리(프로필린 글리콜)(poly(propylene glycol)) 등이 있다.
상기 에테르(ether)의 구체적인 예로는 디에틸 에테르(diethyl ether), 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르(dipropylene glycol metyl ether), 디프로필렌 글리콜 디아세테이트(dipropylene glycol diacetate), 또는 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르(diethylene glcyol methyl ether) 등이 있다.
치환형 무전해 금 도금은 도금액 중의 금과 하지 금속의 이온화 경향의 차이를 이용한 금 도금법으로 가장 이온화하기 어려운 금속인 금을 이온으로 하여 도금 액에 용해시킨다. 도금액에 하지 금속이 형성된 기판을 침지하면, 이온화 경향이 큰 하지 금속이 이온이 되어서 도금액에 용해되고, 도금액 중의 금 이온이 금속으로서 하지 금속 상에 석출되어 금 피막을 형성하게 된다.
이때, 일반적으로 금과 하지 금속의 치환 반응은 물에서 격력하게 진행된다. 이에 따라, 짧은 시간내 금 도금층이 형성되고, 이러한 금 도금층은 두께가 불균일하고, 하지 금속과의 접착력이 낮은 문제가 있다.
종래에는 치환 반응 속도를 제어하기 위하여 금 이온을 안정화하면서, 하지 금속을 용해시키지 않는 착화제 등을 포함하여 치환 반응의 속도를 조절하였다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 유기 용제를 포함하여 금과 하지 금속의 치환 반응 속도를 늦출 수 있다. 본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 별도의 첨가제 없이 유기 용제만으로 반응성을 제어할 수 있다.
이에 따라 균일한 두께의 금 도금층의 형성이 가능하고, 하지 금속과의 접착력이 향상된 금 도금층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 상기 성분 이외에 필요에 따라 pH 또는 점도 등을 조절하기 위한 첨가제를 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 예로는 지방 아민(fatty amine), 암모늄 염(ammonium salt), 또는 아세틸아세토네이트(acetylacetonate)등이 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 상술한 치환형 무전해 금 도금액을 이용한 금 도금층의 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 유기산계 금염 및 유기 용제를 포함하는 것으로, 물을 실질적으로 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 인쇄법을 이용하여 금 도금층을 형성할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금 도금층의 형성방법을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 금 도금층이 형성되는 기판의 일부를 나타내는 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I'을 따라 취한 기판을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 피도금되는 기판(10)에는 금속 패드(20)가 배열되어 있고, 상기 금속 패드(20)가 노출되도록 개구부가 형성된 보호층(11)이 기판 상 에 형성되어 있다.
금속 패드(20)를 형성하는 금속은 금보다 이온화 경향이 큰 금속이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 구리, 니켈, 코발트 또는 팔라듐일 수 있다.
금속 패드(20)의 종류에 따라 금 이온과의 치환이 용이한 니켈 피막(21)이 형성될 수 있다.
개구부를 통하여 노출된 금속 패드(20) 또는 니켈 피막(21) 상에 본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액(30)을 도포한다. 상기 도금액의 도포는 인쇄법에 의하여 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 잉크젯 인쇄법, 스크린 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 그라비아 인쇄법, 오프셋 인쇄법 등을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 치환형 무전해 금 도금액은 유기 용제 및 상기 유기 용제에 해리되어 금 이온을 생성하는 유기산계 금염을 포함한다.
상기 치환형 무전해 금 도금액은 유기 용제를 포함하여, 점도 및 표면 장력의 제어가 용이하다.
상기 치환형 무전해 금 도금액은 적용되는 인쇄법에 따라 점도를 조절하여 사용될 수 있다.
상기 금속 패드(20) 또는 니켈 피막(21)에 치환형 무전해 금 도금액이 도포되면, 금속 또는 니켈과 금 이온 간의 치환 반응이 진행된다.
금보다 이온화 경향이 금속 또는 니켈은 이온이 되어서 도금액에 용해되고, 도금액 중의 금 이온은 금속 패드상에 석출되어 금 도금층을 형성하게 된다.
일반적으로, 무전해 도금은 수용성 금염을 포함한 도금액을 도금조에 채우고, 도금액에 피도금 기판을 침적하여 수행된다. 이러한 방식은 도금조가 오염되는 경우 금 도금층의 불량률이 높아지므로, 도금조의 관리가 필요하다.
또한, 원하지 않는 영역에 금 도금층이 형성될 수 있어 도금액의 손실률이 높은 단점이 있다.
또한, 금속 박막을 형성하기 위하여 금속 나노 입자 또는 유기 금속 착물을 포함하는 잉크를 이용한 방법이 이용되고 있다. 원하는 영역에 금속 잉크를 도포한 후 소결하여 금속 박막을 형성한다.
그러나, 이러한 방법은 소결 온도가 기판의 분해 온도 보다 일반적으로 높아 소결 과정에서 기판의 손상이 발생할 수 있다. 또한, 소결 과정에서 잉크의 부피가 감소하게 되고, 이에 따라 금속 박막에 두께 차이가 발생하게 된다. 또한, 원지 않는 영역에 잉크가 도포될 수 있는 문제가 있다.
이에 반하여, 본 실시형태에 따르면, 금과 금속 패드를 이루는 금속의 치환 반응 속도를 늦출 수 있다. 이에 따라 균일한 두께의 금 도금층의 형성이 가능하고, 금속 패드와의 접착력이 우수한 금 도금층을 형성할 수 있다.
또한, 인쇄법을 이용하여 원하는 영역에만 금 도금액을 도포할 수 있어, 금 도금액의 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따르면, 금속 패드가 아닌 기판 상에 인쇄되더라도 금 이온과의 치환 반응이 진행되지 않아 금 도금층이 형성되지 않는다. 즉, 목표로 하지 않는 영역에 금 도금액이 도포되더라도, 물이나 용제를 이용한 세척에 의하여 제거가 쉽다.
또한, 본 실시형태에 따르면 금 도금층의 형성에 고온의 열처리가 필요하지 않아 기판이 손상되는 문제가 발생하지 않는다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 금 도금층이 형성되는 기판의 일부를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I'을 따라 취한 기판을 나타내는 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판 11: 보호층
20: 금속 패드 21: 니켈 피막
30: 무전해 치환 금 도금액

Claims (10)

  1. 유기 용제; 및
    상기 유기 용제에 해리되어 금 이온을 생성하는 유기산계 금염;
    을 포함하는 치환형 무전해 금 도금액.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기산계 금염은 할라이드계 금염, 아세틸아세토네이트계 금염 및 아세테이트계 금염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 치환형 무전해 금 도금액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기 용제는 알코올, 글리콜 및 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 치환형 무전해 금 도금액.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기 용제는 메탈올, 에탄올, 프로판올, 이소-프로판올, 부탄올, 펜탄 올, 헥산올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리(프로필린 글리콜), 디에틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 디아세테이트 및 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 치환형 무전해 금 도금액.
  5. 금속 패드가 형성된 기판을 마련하는 단계;
    상기 금속 패드 상에 유기 용제 및 상기 유기 용제에 해리되어 금 이온을 생성하는 유기산계 금염을 포함하는 치환형 무전해 금 도금액을 도포하는 단계; 및
    상기 금속 및 금 이온의 치환에 따라 금 도금층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 금 도금층의 형성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 치환형 무전해 금 도금액의 도포는 인쇄법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 금 도금층의 형성방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 금속 패드는 구리, 니켈, 코발트 또는 팔라듐으로 이루어진 것을 특징 으로 하는 금 도금층의 형성방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유기산계 금염은 할라이드계 금염, 아세틸아세토네이트계 금염 및 아세테이트계 금염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금 도금층의 형성방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 유기 용제는 알코올, 글리콜 및 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금 도금층의 형성방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 유기 용제는 메탈올, 에탄올, 프로판올, 이소-프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리(프로필린 글리콜), 디에틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 디아세테이트 및 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금 도금층의 형성방법.
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