KR20200113797A - Method for preventing growth of whisker by Electron beam radiation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자빔 조사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electron beam irradiation method, and more particularly, to an electron beam irradiation method for preventing whisker growth.
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.The recent environmental regulations of the European Union have brought many changes to the electronics industry. According to the “Restriction of the use of certain hazardous substance in electronic equipment (RoHS)”, which came into effect in July 2006, the use of lead (Pb) in general electronic products is restricted. Pb-fre) is made. In recent years, due to the revision of the “End-of Life Vehicles (ELV)”, lead-free use of car electronics has been restricted since 2016, and lead-free automotive electronics are also actively progressing.
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.In order to make electronic products lead-free, many things have to be considered. In the technical part, it can be classified into component design, board (PCB) design, soldering process, solder joint reliability, and tin whiskers. In particular, long-term reliability of solder joints and suppression of tin (Sn) whiskers are emerging as the most important problems for long-term reliability of products due to lead-free electronic products.
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.The reliability of lead-free electronic components can be largely divided into two. This is the reliability of solder joints by mounting electronic components with lead-free solders that remove lead from the existing lead-free (SnPb) solder, and the growth of tin whiskers due to the application of tin plating that removes lead from the existing lead-free plating. Whiskers cause electrical shorts, etc., causing abnormal performance of electronic modules. It has a characteristic that continues to grow for a long time after a certain period of incubation. Therefore, in fields that require a service life of 20 years or more, such as defense and space fields, adequate whisker growth inhibition is necessarily required.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 구리에 대한 주석 도금시 발생하는 위스커의 성장을 방지하는 전자빔 조사 방법을 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an electron beam irradiation method for preventing the growth of whiskers that occur during tin plating on copper.
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.An electron beam irradiation method for preventing whisker growth according to an aspect of the present invention includes plating tin on copper, which is a base metal of a base material, and irradiating an electron beam to a tin-plated region of the base material.
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.After the step of plating tin on copper, which is a base metal of the base material, before the step of irradiating the electron beam, the step of setting an irradiation dose and an irradiation time of the electron beam according to the thickness of the plated tin may be further included.
상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 방식은 선(line) 조사 및 면(plane) 조사 중 적어도 하나일 수 있다.The method of irradiating the electron beam to the tin-plated region of the base material may be at least one of line irradiation and plane irradiation.
상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계는 상기 모재는 정지되어 있고, 전자빔원이 이동할 수 있다.In the step of irradiating an electron beam to the tin-plated region of the base material, the base material is stopped and the electron beam source may move.
상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계는 상기 모재는 롤투롤 방식으로 이동하고, 전자빔원은 고정될 수 있다.In the step of irradiating an electron beam to the tin-plated region of the base material, the base material may move in a roll-to-roll manner, and the electron beam source may be fixed.
상기 전자빔의 출력 전압은 100 kV 내지 300 kV의 범위일 수 있다.The output voltage of the electron beam may range from 100 kV to 300 kV.
상기 전자빔의 선량은 50 kGy 내지 1000 kGy의 범위일 수 있다.The dose of the electron beam may range from 50 kGy to 1000 kGy.
상기 전자빔은 대기압에서 방전되는 플라즈마 전자빔일 수 있다.The electron beam may be a plasma electron beam discharged at atmospheric pressure.
상기 전자빔의 조사시간은 30초 내지 30분의 범위일 수 있다.The irradiation time of the electron beam may range from 30 seconds to 30 minutes.
본 발명에 따른 전자빔 조사 방법에 따르면, 구리에 대한 주석 도금시 위스커(Whisker)의 성장을 방지할 수 있다.According to the electron beam irradiation method according to the present invention, it is possible to prevent the growth of whiskers when tin plating on copper.
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.1 and 2 are flow charts of an electron beam irradiation method for preventing whisker growth according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are diagrams showing an embodiment of an electron beam irradiation method for preventing whisker growth according to the present invention.
5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a base material before irradiating an electron beam after plating tin on copper, which is a base metal of the base material.
6 is a view showing a cross-sectional structure of a base material after plating tin on copper, which is a base metal of the base material, and irradiating an electron beam.
7 is a photograph showing a state before electron beam irradiation of a tin-plated copper film, and FIG. 8 is a photograph showing a state after irradiation of an electron beam of a tin-plated copper film.
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.It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications of the present invention are possible within the scope of the technical spirit and scope of the present invention. Accordingly, the present invention includes all changes and modifications falling within the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
이하, 도면을 참조하여 본 발명 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an electron beam irradiation method for preventing whisker growth according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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). 1 shows a flow chart of an electron beam irradiation method for preventing whisker growth according to an embodiment of the present invention. According to FIG. 1, tin is plated on copper, which is a base metal of a base material (S10).
본 발명에서 도금대상인 구리는 순구리 또는 황동이나 청동 등의 합금을 포함하는 개념이다.In the present invention, the plating target copper is a concept including pure copper or an alloy such as brass or bronze.
순구리의 기계적 성질은 불순물의 함유량, 열처리 등에 의하여 크게 변하지만, 전연성이 크고, 냉간 가공이 매우 쉽다는 장점을 갖는다.The mechanical properties of pure copper vary greatly depending on the content of impurities, heat treatment, etc., but it has the advantage of high electrical conductivity and very easy cold working.
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. Brass has the advantage that it is more resistant to chemical corrosion than pure copper and does not oxidize very much even when heated to high temperatures. Compared to bronze, it is easy to rust and wear, but it is inexpensive. It is widely used in electrical materials.
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.However, since brass is used as a variety of electrical materials, it has the advantage of being inexpensive, but it has a problem with corrosion resistance, and pure copper or phosphor bronze is also required to undergo a process of plating tin to improve the quality of the product by increasing the corrosion resistance. do.
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.However, when tin plating on the base metal copper, long single crystals of tin are formed on the plated surface. This is called whisker, which is a generic term for comb-shaped and needle-shaped crystals, and tin-plated whiskers in parts mounted in electronic devices cause problems such as electrical shorts.
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.In order to prevent the occurrence and growth of such whiskers, an electron beam is irradiated to the tin-plated region of the base material 40 (S20). That is, the tin-plated region designated as the
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. According to another embodiment of the present invention, after plating tin on copper, which is the base metal of the base metal, as shown in FIG. 2 (S10), after setting the radiation dose and the irradiation time of the electron beam according to the thickness of the plated tin. (S15), the electron beam may be irradiated (S20). That is, how wide and deep the surface of the base material will be heat treated is set in advance according to the characteristics of the base material, and the irradiation dose and irradiation time of the electron beam irradiated to the processing area in which the electron beam is irradiated are set.
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.3 and 4 show an embodiment of an electron beam irradiation method for preventing whisker growth according to the present invention. As shown in FIG. 3, when the
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.The electron beam irradiation to the
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.The output voltage of the electron beam according to an embodiment of the electron beam irradiation method for preventing whisker growth of the present invention may be in the range of 100 kV to 300 kV, and the dose of the electron beam may be in the range of 50 kGy to 1000 kGy. The irradiation time of the electron beam may be 30 seconds to 30 minutes.
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.5 is a view schematically showing a cross-sectional structure of a base material before irradiation with an electron beam after plating tin on copper, which is a base metal of the base material, and FIG. 6 is a view showing the cross-sectional structure of the base material after irradiation with an electron beam. Referring to FIG. 5, an inter-diffusion phenomenon occurs between the Cu plated surface and the Sn plated film, and a compressive stress is applied to the Sn plated layer. In order to relieve such compressive stress, tin single crystal whiskers are generated and grown.
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.According to an embodiment of the present invention, when electron beam irradiation is performed on the tin-plated region of the base material, the growth of whiskers due to the growth of the high-temperature environment, the growth of the intermetallic compound of the plate structure, and the reduction of the internal stress of the plating layer due to aging, as shown in FIG. Inhibit.
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.7 is a photograph showing a state before electron beam irradiation of a tin-plated copper film, and FIG. 8 is a photograph showing a state after irradiation of an electron beam of a tin-plated copper film. Regarding the electron beam irradiation conditions, the electron beam acceleration voltage is 130kV, the electron beam dose is 130kGy, and the irradiation time is 1 minute. Referring to FIG. 7, whiskers are clearly visible, but in FIG. 8 it can be seen that the whiskers have disappeared.
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.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings. It is intended to limit the scope of the rights by the appended claims, and that various types of substitutions, modifications and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be self-explanatory.
30: 전자빔 조사장치 35: 전자빔
40: 모재 50: 롤투롤30: electron beam irradiation device 35: electron beam
40: base material 50: roll to roll
Claims (9)
상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계;
를 포함하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.Plating tin on copper, which is a base metal of the base material; And
Irradiating an electron beam to the tin-plated region of the base material;
Electron beam irradiation method for preventing whisker growth comprising a.
상기 모재의 하지금속인 구리에 주석을 도금하는 단계 후, 상기 전자빔을 조사하는 단계 전에 도금된 주석의 두께에 따라 전자빔의 조사선량 및 조사시간을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.The method of claim 1,
After the step of plating tin on copper, which is a base metal of the base material, before the step of irradiating the electron beam, setting an irradiation dose and an irradiation time of the electron beam according to the thickness of the plated tin. Electron beam irradiation method for prevention.
상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 방식은 선(line) 조사 및 면(plane) 조사 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.The method of claim 1,
Electron beam irradiation method for preventing whisker growth, characterized in that the method of irradiating the electron beam to the tin-plated region of the base material is at least one of line irradiation and plane irradiation.
상기 모재의 주석이 도금된 영역에 전자빔을 조사하는 단계는 상기 모재는 정지되어 있고, 전자빔원이 이동하는 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.The method of claim 1,
In the step of irradiating an electron beam to the tin-plated region of the base material, the base material is stopped and the electron beam source is moved.
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.The method of claim 1,
In the step of irradiating an electron beam to the tin-plated region of the base material, the base material moves in a roll-to-roll manner, and the electron beam source is fixed.
상기 전자빔의 출력 전압은 100 kV 내지 300 kV의 범위인 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.The method of claim 1,
The electron beam irradiation method for preventing whisker growth, characterized in that the output voltage of the electron beam is in the range of 100 kV to 300 kV.
상기 전자빔의 선량은 50 kGy 내지 1000 kGy의 범위인 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.The method of claim 1,
The electron beam irradiation method for preventing whisker growth, characterized in that the dose of the electron beam is in the range of 50 kGy to 1000 kGy.
상기 전자빔은 대기압에서 방전되는 플라즈마 전자빔인 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.The method of claim 1,
The electron beam irradiation method for preventing whisker growth, characterized in that the electron beam is a plasma electron beam discharged at atmospheric pressure.
상기 전자빔의 조사시간은 30초 내지 30분의 범위인 것을 특징으로 하는 위스커 성장 방지를 위한 전자빔 조사 방법.The method of claim 1,
The electron beam irradiation method for preventing whisker growth, characterized in that the irradiation time of the electron beam is in the range of 30 seconds to 30 minutes.
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