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초고집적 반도체기술 차세대 기억소자 공동개발사업( )

년 차 연 구 보 고 서

차 년 도(1 )

소재의 신뢰성 향상을 위한 구리합금

접점부위의 부식방지

(Corrosion Resistance of Copper Alloy Contact

Material for Reliability Improvement)

연구수행기관 성균관대학교:

한국전자통신연구소

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제 출 문

한국전자통신연구소장 귀하

본 보고서를 초고집적 반도체기술 차세대 기억소자 공동개발사업 소재의 신뢰성 향상을( ) "

위한 구리합금 접점부위의 부식방지 개발 과제의 차년 도 년 차 연구보고서로 제출합니" 1

다.

넌 윌 일1990 3 31

연구수행기관 : 성균관대학교

과제 책임자 : 장 현 구

참여 연구원 : 고 광 진

최 준 호

최 송 천

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요 약 문

제목1.

초고집적 반도체기술 공동개발사업 소재의 신뢰성 향상을 위한 구리합금 접점부위의 부식"

방지 에 관한 연구"

연구개발의 목적 및 중요성2.

가 목적.

구리합금 기판 상에 니켈 및 금도금 층을 입혀주고 도금 층의 두께에 따른 전기적 열 적, ,

환경 적 특성을 분석하므로 소자의 신뢰도를 높일 수 있는 도금방안을 연구한다.

나 중요성.

구리합금 접점부위에서 일어나는 부식을 방지하기 위하여 금도금 층을 입혀 주는데 고가의

금사용량을 절감하기 위하여 도금 층의 두께를 너무 얇게 하면 구리성분의 열 적 확산 및

부식성 분위기와의 반응에 의하여 표면층에 부식 생성물을 형성하여 접촉저장을 높여주고

부품의 기능장애를 초래하게된다 구리의 열 적 확산이나 부식성 물질의 침투를 방지하기.

위하여 니켈을 하지도금피막으로 입혀주고 그 위에 금도금 층을 형성시켜주는데 구리합금,

소재의 신뢰도를 향상시키기 위한 구체적인 방안으로 이 연구에서는 각각의 도금 층 두께의

영향을 조사할 필요가 있다.

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연구개발의 내용 및 범위3.

가 연구개발 내용.

승온 조건에 놓인 구리합금기판과 금도금 층에서의 구리확산에 의한 열화를 방지하기 위하

여 니켈 하지도금 층의 확산장벽효과를 분석한다.

나 연구개발의 범위.

실험을 통하여 니켈 및 금도금 층을 인청동 기판상에 입혀주고 현미경조직 및 분석을, EDS

행하고 접촉저항을 측정한다 승온 조건 하에서 도금 층을 통한 구리의 확산 및 그 영향을.

분석한다.

연구개발 결과 및 활용에 대한 건의4.

가 연구결과.

접점용 구리합금기판의 열 적 열화를 방지하기 위하여 니켈 및 금 층을 입혀주고 도금 층의

두께에 따른 전기적 열 적 특성을 분석하였다, .

나 활용방안.

신뢰도 높은 얇은 금도금 층을 니켈하지도금 위에 입혀 금사용량을 감소시켜 줌으로 국(1)

내 자원절약을 할 수 있다.

표면분석 및 접촉저항측정 시험을 통하여 금도금 피막의의 평가 기술 및 방법을 마련(2)

하였다.

이 연구를 통하여 얻은 각종 자료는 국내 도금업체에서의 금도금 기술향상에 활용될 수(3)

있다.

기대효과5.

열적 조건에 놓은 구리합금 접점재료에 니켈 및 금 층 두께를 이 연구에서 알아내었으므로

국내 도금업체에서 접합용 금도금 기술향상을 위하여 경제적인 금도금두께를 설정하는데 이

용할 수 있으며 이를 통하여 금사용량을 절약할 수 있다.

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SUMMARY

In order to prevent the thermal degradation of contact materials a nickel layer was

plated as an undercoat of gold plating on the surface of phosphorous bronze. The

thickness of. nickel and gold coatings and contact resistance of the coatings were

measured at various conditions. Variation of morphology and chemical composition

was studied by SEM and EDS, respectively. Nickel layer was found to act as a

thermal diffusion barrier and to diffusion of copper from substrate to gold coating

in the temperature range l00 - 400 C. Below 250 C gold coated contacts。 。

showed a stable and low contact resistance, while above 250 C rapid diffusion of。

copper formed copper oxide on the surface layer and raised the contact resistance.

With the Nickel thickness of about 5 um as an undercoat the gold thickness of 0.5

um showed stable satisfactory (less than 1 m ) contact resistance below 250 C,Ω 。

and corresponding gold thickness increased to 1.0 um at 300 - 400 C.。

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CONTENTS

1. Introduction

2. Literature Survey

3. Experimental

3.1 Electroplating

3.1.1 Plating Apparatus and Method

3.1.2 Nickel and Hard Gold Plating

3.2 Microstructure and EDS Analysis

3.3 Heat Treatment

3.4 Contact Resistance Mesurement

4. Results and Discussion

4.1 Surface Microstructure

5. conclusions

6. References

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목 차

제 장 서 론1

제 장 문헌자료조사2

제 장 연구방법3

제 절 도금실험1

도금장치 및 실험방법1.

니켈 및 경질 금도금2.

제 절 현미경조직 및 분석2 EDS

제 절 열처리 실험3

제 절 접촉저항 측정4

제 장 결과 및 검토4

제 절 표면조직검사1

제 절 열처리에 의한 표면조직 및 분석2 EDS

제 절 접촉 저항3

제 장 결 론5

제 장 참고문헌6

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제 장 서 론1

반도체 산업의 급속한 신장에 따라 금도금 기술에는 많은 변화가 발생하였으며 종래의 장식

용 도금에서 새로운 공업용 기능도금으로 발전하여 다양한 전기적 화학적 기계적 요구조, ,

건을 만족시키게 되었다 금도금을 필요로 하는 반도체 산업분야는 리드 프레임 헤더. , ,

반도체 다이 및 와이어 본드접촉부와 같은 패키지 부품들이다 금 피막은 변색됨이 없이 산.

회에 견디며 우수한 내식성 좋은 땜 납성 낮은 접촉저항을 지니기 때문에 부품의 신뢰도, , .

를 향상시키는 보호피막으로 널리 활용되고 있다 애를 들어 다이 본딩시 금은 실리콘과 낮.

은 공정점 을 형성하므로 칩을 다이에 부착하기 전에 리드(eutectic temperature= 365t) IC

프레임 다이를 이상으로 예열하게 된다 또 와이어 본딩시에도 열 압착400 C .。

공정을 사용하므로 순간적으로 본딩부위는 정도로 가열된(thermocompression) 300 C。

다 이와 같은 열적 조건에 노출된 리드 프레임의 산화방지를 위하여 접합부위에 금도금 층.

을 입혀주게 된다 금도금에서는 금의 이온화 경향이 작기 때문에 핀홀이 있으면 소지 금속.

이 양극으로 되어 부식을 촉진시킨다 특히 얇은 도금에서는 이 부식 생성물 때문에 금도금.

이 부식된 것처럼 얼룩이나 반점이 생성되어 접촉저항을 높여 줄 우려가 있다 승온조건 하.

에서도 핀홀을 통한 소지금속성분의 확산에 따라 표면에 산화물 층을 생성시키기 때문에 접

점으로서의 기능을 크게 훼손시킬 경우가 있다 그러므로 소지의 부식이나 산화를 방지하기.

위하여 하지도금으로 니켈을 입혀주곤 한다 따라서 이 연구에서는 접합용 재료의 성능을.

향상시켜주기 위하여 인정동판 위에 니켈을 금도금의 하지로 피복 시키고 도금 층을 열처리

하여 열처리 조건에 따른 소지금속을 분석하였으며 접촉저항을 측정하여 니켈의 확산장벽

효과를 알아보았다.

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제 장 문헌자료조사2

최근 전자 통신 및 정보산업의 발전으로 리드 프레임 스위치 코넥터 등의 전기접점 재료, , ,

의 고품위 고 신뢰도화가 당면과제로 떠오르게 되었고 따라서 이를 재료는 전자공업 고도, ,

화 추진계획에서 합리화 품목으로 지정되어 제조공정의 국산화에 집중육성이 필요하게 되었

다.1) 금은 아주 안전한 금속으로 외관이 아름답고 변색 없이 내식성이 우수아고 접촉력이,

작아도 안정한 정기적 접촉을 이루어 양호한 전도도를 지니며 또 고온에서도 내 산화성이,

우수한 특징을 지닌 때문에 종래에는 장식에 도금이 많이 이용되어 왔지만 최근에는 신뢰도

높은 전자부품의 접점에 입히는 기능도금용으로 널리 이용되고 있다.2.3)

금도금의 종류에는 전기도금 무 전해도금 등이 있지만 그 중에서도 전기도금이 많이 활용,

된다 전기적인 접촉부에서는 접촉저항이 낮을 필요가 있으며 동시에 내식성 강도 내 마. . . .

멸성 내 충격성 등의 기계적 성질도 요구된다. .4) 그러나 고 순도의 금은 연하기 때문에 다

른 금속을 소량 함유시킨 합금도금방법을 이용함으로서 강도 내 마멸성을 향상시킬 수 있,

다 이 경우에는 합금원소로서 니켈. 5.6) 코발트, 7.8) 파라듐, 9.10) 등을 금과 함께 석출시켜 경

질도금을 이루며 접점저항에는 큰 손해를 안보면서 경도와 내 마멸성을 현저하게 개선시킬

수 있다.

현재까지 국내의 경질 금 합금도금에 관한 연구는 한국과학연구소에서 수행된 합Pd/Au

금도금 한 건 밖에 눈에 뛰지 않을 정도로 아주 미약한 상태이고 아울러 금도금에 있어서

의 전기적 기계적 환경적 특성분석에 관한 연구 또한 매우 미흡한 실정이다 따라서 경, , .

질 금 합금도금 기술의 미숙은 전자 통신분야의 접점재료도금을 능률적으로 수행하여 귀중,

한 귀금속자원을 효율적으로 운용하는데 큰 장애를 초래하고 있다.

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미국이나 일본에서는 년대 후반부터 이 분야의 중요성을 인식하여 전기접점으로서의1970

접촉저항은 낮게 유지하면서 내 마멸성 내구성이 우수한 도금기술을 개발하여 도금두께를,

이하로 얇게 하고 있으며 아직도 더 좋은 도금기술개발에 많은 노력을 경주하고 있다1 m .μ ․참고문헌 에서는 주요산업부품산업으로 스위치와 코넥터가 차지하는 중요성과 국내현황1) ,

그리고 그 육성방안을 제시하고 있으며 참고문헌 에서는 금도금 합금도금의 일반적인2-4) ,

특징과 도금기술에 대한 개략적인 개념을 설명하고 있다 참고문헌 은 합금도금의 세. 5-10)

부기술을 다룬 문헌들로서 은 니켈을 경질금도금의 합금첨가원소로 은 코발트를5.6) . 7),8)

첨가원소로 은 파라듐을 첨가원소로 금도금 층과 더불어 형성시킨 경우에 있어서의. 9),10)

특징을 논하고 있다 문헌 에서는 도금에서 전류밀도를 변화시킴에 따라 도금피막. 5) N1-Au

의 내 마멸성에 영향을 줌을 지적하였고 문헌 에서는 을 함유한 금도금 층의, 6) 0.4%Ni

미세 조직과 이 조직의 열처리에 의한 변화를 논의하고 있다 문헌 은 산성 금도금 액에. 7)

를 와 함께 석출시키는 도금방법에 대하여 연구한 것이고 문헌 은 으로Co Au 8) SEM TEM

합금도금 층의 현미경조직과 연성사이의 상관관계를 검토하였다Co/Au .

문헌 에서는 전통적인 순금대신에 파라듐층을 하지에 놓고 금도금한 코넥터의 접점이 좋9)

은 성능을 보임을 지적하였으며 문헌 에서도 파라듐층과 금 층을 도금하여 줌으로서 기10)

계적 충격과 심한 부식성환경에서 접점으로서의 성능을 충분히 유지함을 보여주었다.

이상의 문헌에서 지적한 내용을 참고로 하여 이 연구에서는 니켈을 함유한 경질 금 도금법

에 의하여 합금 층을 형성시키고 이 도금 층에 대하여 열 적 전기적 환경 적 특성 분석을, , ,

실행함으로써 이 분야의 도금기술 발전에 기여하고자 한다.

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제 장 연구방법3

제 절 도금 실험1

도금장치 및 실험방법1.

본 연구에서의 도금소지로서는 시편 두께 의 인청동판을 사용하였으며 시편의0.2-0.6mm

화학조성은 과 같고 도금 조건은 와 같다 도금욕조에 미리 제작된 도금TABLE 1 TABLE 2 .

액 을 넣고 일정한 온도로 유지 될 수 있는 자동온도조절장치를 사용하여 니켈도(TABLE 3)

금에서는 공기 교반 금도금에서는 기계교반으로 도금하였다 음극으로는 준비된 인청동판, .

을 사용하였으며 양극은 니켈도금에서는 의 전해 니켈 판을 금도금에서는 백금을 입99.0% ,

힌 티탄 망을 사용하였다 도금 시 전착 층의 두께를 변화시킬 때에는 의 조. 267ml Hull Cell

를 사용하고 일정한 두께로 도금할 때에는 비이커 실험을 행하려 극 간거리는 로 유25mm

지하였다 도금 후 두께측정은 을 사용하였다. XRF(X -ray fluorescence)Model 320 .

은 도금작업 공정도를 나타낸 것이다Fig. 1. .

니켈 및 경질 금도금2.

니켈도금1)

경질 금도금을 행하기 이전에 본 연구에서는 니켈을 하지도금으로 인청동판위 입혀 구리가

금 표면까지 이동하는 것을 방해 하는 확산 층으로 작용하도록 하였다 여기서 니켈 층의.

또 하나의 역할은 구리와 금 사이에 얇은 금속 층을 형성하여 금속계면간에 안전한 결합력

을 얻는 것이다 이를 위하여는 연한 니켈 전착 층을 형성시켜야 한다 여러 가지 공정변수. .

를 변화시켜 현미경조직을 검사하였다 니켈도금의 작업조건은 에 나타내었고 도. TABLE 2

금욕조성은 에 나타내었다TABLE 3 .

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TABLE l. Chemical composition ranges of Phosphor bronze (wt%)

TABLE 2. Operating conditions of Electroplating

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TABLE 3. COMPOSITION OF ELECTROLYTES

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Fig. 1 . Flow chart of the plating process

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금 스트라이크 도금2)

귀금속은 이온화경향이 작기 때문에 그 도금 층 에 밀착불량이 일어나기 쉽다 이를 방지하.

기 위하여 먼저 스트라이크 도금을 하여줄 필요가 있다 도금의 욕조성과 작업조건은.

에 나타내었다TABLE 2,3 .

경질 금도금3)

높은 전류밀도를 이용할 수 있는 산성도금액인 시안화 금도금 액을 제조하여 도금에 사용하

였다.11) 니켈의 시안화 착염을 만들어 주고 유기산으로 구연산을 유기 염으로 구연산가리,

를 첨가하였다 합금도금을 위한 원소로 니켈과 코발트 그리고 인듐을 첨가하였다 여기서. , .

코발트는 경도 및 광택을 돕는 역할도 겸하고 있다 작업조건은 에 도금욕조성은. TABLE 2

에 나타내었다TABLE 3 .

제 절 현미경검사 및 분석2 EDS

도금된 시편의 표면조직과 열처리에 따른 표면조직변화를 조사하기 위하여 주JEOL 35CF

사전자현미경 을 사용하여 조직관찰을 하였다 또한 열처리 시 열확산에 의한 표면조(SEM) .

성변화를 조사하기 위하여 회사의Tracor Northern TN-5500 EDS(Energy dispersive

를 사용하였다spectrometer) .

제 절 열처리 실험3

본 연구에서 수행한 시편별 열처리 공정은 에 보였다Fig.2 .

인천동판에 금만 입힌 경우 니켈만 입힌 경우 그리고 하지도금으로 니켈도금을(1) (2) , (3)

한 후 금층을 입혀준 경우에 대아여 가각 온도구역에서 낮은 온도에서는 장시간100-400℃

까지 높은 온도에서는 단시간동안 열처리하여 그에 따른 영향을 분석한 후 이를 바탕으로,

금도층의 두께를 일정하게 하고 니켈층의 두께를 변화시킨 시편 과 하지도금인(Group:A)

니켈층의 두께를 일정하게 하고 금층의 두께를 변화시킨 시편 에 대하여 각각 열(Group:B)

처리를 행하였다.

제 절 접촉저항 측정4

회사의EG & G Princeton Applied Research Model 124A Lock-In Amplifier(2 Hz -

를 사용하여 법으로 접촉저항을 측정하였다210 KHz) Four point probe .

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Fig.2. F1ow chart of heat treatment process.

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제 장 결과 및 검토4

제 절 표면조직검사1

니켈도금1.

는 니켈 전착 층의 주사전자현미경 사진을 보인 것이다 에서 는Photo.1,2 . Photo 1 A, B, C

전류밀도를 일정하게 하고 두께를 증가시킨 경우의 사진으로 두께가 증가함에 따라 미세하

고 각 형을 지닌 입자들이 구형으로 변해 감을 보여 준 것이다 는 높은 전류밀도로 두께. D

를 와 동일하게 한 조직사진으로 와 를 비교하면 같은 두께이지만 전류밀도가 높을수C C D

록 더욱 미세하고 각형을 지닌 입자들이 나타남을 알 수 있으며 이것은 석출의 구동력에,

따른 핵 생성 속도의 차이에 기인하는 것으로 사료된다 는 의 고배율 확대. Photo.2 Photo.3

사진이므로 전착입자의 형태를 자세하게 보여준 것이다 입자크기 평균적으로 는. A 1.2 m,μ

는 는 로 보인다 여기서 특이할 만한 사항으로는 전착 두께가 증가할수록C 2.1 m, D 1.5 m .μ μ

공극 이 많이 형성됨을 알 수 있다(void) .

경질 금도금2.

은 합금 금도금의 주사현미경 사진이다 전류밀도를 일정하게 하고 두께를 증가시킨photo.3 .

사진으로 니켈의 경우와는 달리 조직이 전체적으로 구성에 가까운 형태로 "rounded

라 불리는 형태로 이루어져 있다mounds" .12) 는 의 고배율 확대 사진으로Photo.4 Photo.3

입자의 크기가 균일하지는 않지 평균적으로 는 는 는 로 성장했음을A 1 m, B 5 m, C 2 mμ μ μ

보여준다 본 합금 금도금 사진의 특징은 니켈과 달리 인성을 지닌 금도금이므로 입자들간.

의 배일이나 전착이 안정하게 되어있다 합금도금에서의 각각의 전착원소의 존재는. Fig.3

에서 분석으로 나타내고 있다 이 에서 가로X-ray fluorescence(XRF) spectrum . spectrum

축은 의 특성 을 보이는 위치를 나타내고 세로축은 각 원소의 함량에X-ray peck Channel

따른 를 암시하는 수를 나타낸다 여기서 니켈에 대한 특성 은 하지도금intensity Count . peck

으로 행한 니켈 층과 합금도금시의 니켈함량을 공유하고 있기 때문에 많은 양의 니켈이 검

출되어지고 있으며 와 은 합금도금 시 함께 전착되는 합금원소이다Co In .

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Photo.1.SEM micrographs of surface morphology of Ni electroplating.

Current density -- A, B, and C) 1.5 A/dm2, D) 4A/dm2

Thickness -- A) 6 m, B) 9 m, C) l2 m ,D)12μ μ μ μ

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Photo.2 Higher magnification view of Photo.1.

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Photo.3. SEM micrographs of surface morphology of acid alloy

Au electroplating.

Thickness; A) l m. B)1.5 m, C) 2 mμ μ μ

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Photo.4. Higher magnification view of Photo.3.

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Fig.3. X-ray fluorescence(XRF) spectrum of deposited elements

of alloy gold electroplating (alloy Au/Ni/P-Bronze)

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제 절 열처리에 의한 표면조직 및 분석2 EDS

는 인청동판에 금도금 니켈하지에 금도금한 시편의 열처리전 단면과 니켈도금 후Photo.5 ,

시간동안 열처리한 시편의 단면을 보인 것으로 가열 시 반응이 진행됨에 따라 접400 C, 5。

촉면에 불규칙한 품질이 형성됨 을 알 수 있다 먼저 금만 입힌 경우에 에서 열처. TABLE 4

리한 분석 결과를 보였으며 에서는 시간의 열처리한 조건에서 금도금EDS Fig.4 300 C, 5。

두께 차이에 따른 성분의 확산경향을 나라내었다 열처리 전에는 도금 층 두께가Cu . Au

일 때에는 분석에서는 구리가 미량 검출되지만 두께가 인 경우에2.23 m EDS (0.44%) 0.30 mμ μ

는 상당량 존재함을 알 수 있다 열처리 후에는 도금 층의 두께가 의 경(17.61%) . Au 2.23 mμ

우 성분 이 약 검출되지만 일 때는 약 로 많은 양의 성분이 검출된다Cu 10% 0.30 m 40% Cu .μ

에서는 더 높은 온도인 시간의 열처리 조건으로 도금 층 두께가 일Fig.5 400 C, 5 2.23 mμ。

경우 약 의 성부타이 나다나고 일 때는 악 의 성분이 검출되어진다20% Cu , 0.30 m 44% Cu .μ

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Table 4. EDS data for Au coating on the P-bronze substrate before heat treatment.

a) Au thickness ; 2.23 mμ

b) Au thickness ; 0.30 mμ

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Fig.4. EDS data for the Au coated P-bronze substrate after heat

treatment at 300 C, 5Hrs.。

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다음으로 니켈하지도금의 확산장벽효과를 알아보기 위하여 인청동판에 니켈도금을 입혀준

다음 열처리를 행하였다 에서는 시간의 열 처리효과로서 니켈 층의 두께. Fig.6 300 C, 10。

가 일 때는 표면에 성분이 전혀 검출되지 않았지만 에서의 의 경우에4.4 m Cu , Fig.7 0.31 mμ μ

는 악 의 많은 성분이 표면으로 확산되었음을 알 수 있다 에서는 에서보60% Cu . Fig.8 Fig.7

다 더 높은 온도와 짧은 시간인 시간으로 열처리를 한 것으로 니켈 층의 두께가400 C, 5。

일 때는 약 의 성분이 표면으로 확산되었지만 일 경우에는 전혀 성0.31 m 50% Cu 4.4 m Cuμ μ

분이 검출되지 않았다 에서는 시간동안 열처리하여 두께변화에 따른. Photo.6 400 C, 5。

표면조직 사진을 보여준 것이다 여기에서 니켈 도금 층의 두께가 이상일 경우에SEM . 2.2 mμ

는 시간동안 가열한다하더라도 표면조직에는 변화가 거의 없는 것으로 판단되고400 C, 5。

그 이하의 두께에서는 표면반응에 의한 손상의 흔적이 보인다 앞의 에서의 결과와. Fig.8

견주어 볼 때 니켈 층의 두께가 일 때 안정한 확산장벽으로 거동하여 표면성분분석에4.4 mμ

서 구리성분이 검출되지 않음과 잘 일치한다.

와 은 니켈하지도금을 한 후 그 위에 금을 입힌 경우 열처리 전의 표면조직사진과Fig.9 10 ,

분석 결과를 나타내었다 에서는 금도금 층의 두께가 의 경우로서 가 검EDS . Fig.9 2.45 m Cuμ

출되지 않지만 에서는 금도금 층의 두께가 로 아주 얇은 도금이므로 부분적으Fig.10 0.38 mμ

로 도금 층을 투과하여 니켈과 구리가 검출됨을 알 수 있다.

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Fig.5. EDS data for the Au coated P-bronze substrate after heat treatment

at 400 C, 5 Hrs.。

a) Au thickness ; 2.23 m, b) Au thickness ;0.30 mμ μ

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Fig.6. EDS data for Ni coating on the P-bronze substrate after heat treatment

at 300 C, 10 Hrs. Ni thickness ; 4.4 mμ。

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Fig.7. EDS data for Ni coating after heat treatment at 300 C,10 Hrs.。

Ni thickness ; 0.31 mμ

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Fig.8. EDS data for Ni coating after heat treatment at 400 C,5 Hrs.。

a) Ni thickness ; 0.31 m, b) Ni thickness ; 4.4 mμ μ

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Fig.9. Microstructure and EDS data for Ni/Au coating before heat treatment.

Ni/Au thickness 7 5.6/ 2.5 mμ

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Fig.10. Microstructure and EDS data for Ni/Au coating before heat treatment.

Ni/Au thickness ; 0.35/ 0.38 mμ

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에시는 도금한 경우에 시간동안 열처리한 후 분석결과를 나타Fig.11 Ni/Au 200 C,15 EDS。

낸 것으로 니켈도금 층의 두께가 금도금 층의 두께가 일 경우에는 낮은 온5.56 m, 2.45 mμ μ

도 장시간 동안의 열처리에는 성분이 표면으로 확산되지 못 함을 알 수 있다 인청동판, Cu .

에 니켈하지도금을 한 후 그 위에 금을 입힌 경우로서 에서 시간동안 열처리한 시300 C 5。

편의 분석결과를 에 나타내었다 니켈하지도금을 으로 하고 금을 으로Fig.12 . 5.6 m 2.5 mμ μ

입혔을 경우에는 표면으로 성분이 전혀 확산되지 못 함을 알 수 있다 앞의 와 비교Cu . Fig.4

해 볼 때 금도금 층만 있는 경우에는 미량의 성분이 확산되지만 하지니켈 층에 의하여Cu

확산이 현저히 억제됨을 알려준다 그러나 니켈 층이 로 얇은 경우에는Cu . 0.4 m barrierμ

작용을 못하여 상당량의 성분이 확산되었음을 나타낸다 는 도layer Cu . Fig.13,14,15 Ni/Au

금의 시간 열 처리한 금도금 층 두께별 표면조직 사진과 분석결과를 나타낸400 C, 5 EDS。

것으로 니켈도금 층 금도금 층의 두께가 각각 으로 두, / 4.1/1.7 m,1.52/0.86 m,0.35/0.38 mμ μ μ

께변화에 따른 거동을 보인다 의 층에서는 성분이 검출되지 않지만. Fig.13 4.1/1.7 m Cu ,μ

와 의 경우 두께가 얇아짐에 따라 성분이 표면으로 확산되어 나옴을 알 수 있다Fig.14 15 Cu .

이와 같은 실험결과를 근거로 하여 의 공정도와 같이 금도금 층의 두께를 으로 일Fig.2 1 mμ

정하게 하고 니켈 층의 두께를 변화시킨 것 과 하지도금인 니켈 층의 두께를(Group: A) 5μ

으로 일정하게 하고 금도금 층의 두께를 변화시킨 시편 을 각각m (Group: B) 100, 200,

에서 열처리를 행하여 그에 따른 효과를 분석하였다 에서는250, 300,400 C . Fig.16 250。 。

시간의 열 처리조건으로 층이 으로서 금도금 층은 얇은 대신 하지도C, 50 Ni/Au 5.0/0.5 mμ

금인 니켈 층이 두꺼운 경우에는 성분이 표면으로 확산되지 못하고 층이Cu Ni/Au 1.0/1.0 mμ

으로 하지도금인 니켈 층이 얇은 경우에는 성분이 약 정도 미량검출 됨을 알 수 있Cu 0.5%

다 에서는 시편을 비교적 높은 온도인 시간 열 처리를 행한 경. Fig.17 Group: B 400 C, 5。

우로서 층이 과 두 경우 모두 성분이 미량 약 검출된Ni/AU 5.0/0.5 m 5.0/1.5 m Cu ( 0.3% )μ μ

다.

다음으로 에서는 에서와 같은 열 처리조건으로 금도금 층의 두께가 로 일정Fig.19 Fig.2 1 mμ

하고 하지도금인 니켈 층의 두께가 변할 때 에는 니켈 층의 두께가 이상일(Group: A) 4 mμ

경우가 안정한 확산장벽역할을 할 수 있음이 분석되어진다 은 앞의 시편. Photo.7 (Group: A)

의 시간 열 처리 후의 표면조직사진이다 여기에서 하지도금인 니켈 층이 일400 C, 5 . 4 mμ。

때에만 금 층의 표면조직은 변화가 없는 것으로 판단되고 그 이하의 두께에서는 표면반응에

의한 손상의 흔적이 보인다.

- 36 -

Fig.11. EDS data for Ni/Au coating after heat treatment at 200 C, 15 Hrs.。

a) Ni/Au thickness ; 0.35/0.38 mμ

b) Ni/Au thickness ; 5.56/ 2.45 / mμ

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Fig.12 EDS data for Ni/Au coating after heat treatment at 300 C, 5Hrs.。

(a) Ni/Au thickness ; 5.6/2.5 m (b) Ni/A u thickness ; 0.4/0.4 mμ μ∴

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Fig.13. Microstructure and EDS data for Ni/Au coating after heat treatment

at 400 C, 5 Hrs.。

Ni/Au thickness ; 4.1/ 1.7 mμ

- 39 -

Fig.14. Microstructure and EDS data for Ni/Au coating after heat treatment

at 400 C, 5 Hrs.。

Ni/Au thickness 7 1.52/ 0.86 mμ

- 40 -

Fig.15. microstructure and EDS data for Ni/Au coating after heat treatment

at 400 C, 5 Hrs.。

Ni/Au thickness ; 0.35/ 0.38 mμ

- 41 -

Fig.16. EDS data for Ni/Au coating after heat treatment at 250 C, 5 0 Hrs.。

a) Ni/Au thickness ; 5/0.5 mμ

b) Ni/Au thickness ; 1/1 mμ

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제 절 접촉저항3

은 의 하중 하에서의 접촉부위를 나타낸 사진으로 접촉부들Photo.8 Four point probe 200g

간의 간격은 로 나타나며 접촉면적은 직경이 인 구형임을 알 수 있다0.57mm 60 m .μ

은 가해준 하중을 변수로 하여 금도금 층을 지닌 시편의 접촉저항을 측정한 것Fig.20 2.2 mμ

으로 약 하중에서 저항이 급격히 감소하는 현상을 보여준다 여러 가지 시편에 대하150g .

여 마찬가지로 접촉저항을 조사하여본 결과 임계하중 값이 정도임을 알았다 그러므150g .

로 모든 접촉저항의 측정을 이 임계하중 치 보다 큰 하중 하에서 수행하였다 열처리200g .

후 접촉저항을 측정하여 에서 까지에 나타내었다Fig.21 Fig.24 .

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Fig.17. Microstructure and EDS data for Ni/Au coating after heat treatment

at 400 C,5 Hrs.。

(Undercoated Ni thickness ; 5 m, constantμ

Au thickness ; a) 0.5 m, b) 1.5 mμ μ

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Fig. 18. EDS data for Ni/Au coating after heat treatment at 400 C,5 Hrs.。

(Undercoated Ni thickness : a) 4 m, b) 3 mμ μ

Au thickness ; 1 m, constant)μ

- 45 -

Fig.19 EDS data for Ni/Au coating after heat treatment at 400 C, 5 Hrs.。

(Undercoated m thickness ; a) 2 m b) 1 mμ μ

Au thickness ; 1 m, constant)μ

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Photo. 7. SEN microstructures of various Ni/Au coating thickness after heat

treatment at 400 C, 5 Hrs.。

( Undercoated Ni thickness ; a) 4 m, b) 3 m c) 2 m d) 1 mμ μ μ μ

Au thickness ; 1 m, constant )μ

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Photo. 8. Photograps showing the indentations of probe trips on contact area.

( probe tip; hemispherically - ended solid platinum rod, load; 200g )

(a) three indentations showing spacing of 0.57mm.

(b) a indentation showing rod diameter of 60 m.μ

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Fig.20. Contact resistance vs load characteristic curve for unheated 2.2 mμ

go1d plate without Ni underplate.

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은 와 에서 시간 열 처리한 금도금 층에 대하여 금 두께에 따라Fig.21 200 C. 300 C 5。 。

접촉저항의 변화를 측정한 것으로 이하의 저항을 만족스런 접촉으로 볼 때 에1m 300 CΩ 。

서 시간 열처리한 금 두께만 불만족스러운 경우이고 이상 두께의 금도금 층이5 0.3 m 1.1 mμ μ

나 이하의 온도조건을 만족스런 접촉을 이를 수 있는 경우라고 할 수 있다200 C . Fig.22。

는 니켈하지에 금을 입힌 경우 와 에서 시간동안 열처리한 도금 층에 대하200 C 300 C 5。 。

여 여러 가지 두께의 층이 갖는 접촉저항 측정한 것이다 이 경우에도 에서Ni/Au . 300 C。

시간 열 처리한 층이 경우만 불만족스럽고 이상 두께의5 Ni/Au 0.35/0.38 m 2.60/1.27 mμ μ

층이나 온도조건은 만족스런 접촉의 경우라고 할 수 있다 다음으로 에Ni/Au 200 C . Fig.2.。

서와 같은 공정으로 및 각각의 시편을 열처리 후 접촉저항을 측정하였다Group A B .

시편인 경우 이하 시간동안 열처리를 행하여도 열처리 전의 접촉저항과Group: A 250 C . 50。

차이가 없었다 에서는 시편을 시간 열 처리한 경우로서 하지도. Fig.23 Group: A 400 C, 5。

금인 니켈도금 층이 이고 금도금 층이 이 일 경우에만 비교적 안정한 접촉저항을4.0 m 1. mμ μ

보여준다 에서는 시편을 시간 열 처리한 경우로서 니켈도금 층. Fig.24 Group: B 400 C, 5。

이 일 때는 금도금 층이 정도의 얇은 경우에는 열처리 시간이 길어질수록 불안5.0 m 0.5 mμ μ

정한 접촉저항을 보이나 금도금 층의 두께가 이상일 때에는 장시간 열처리를 하더라1.0 mμ

도 비교적 안정한 접촉저항을 나타낸다.

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Fig. 21. Contact, resistance curves of Au-coated bronze plates measured

as a function of Au thickness under 200 and 300 C heat treatment,。

heating time for 5 Hrs.

- 51 -

Fig. 22. Contact resistance of Ni/Au coatings after heat treatment at 200 C。

and 300 C for 5 hour.。

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Fig.24. Contact resistance curves of various Ni/Au thickness measured as

a function of heating time at 400 C.。

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제 장 결 론5

접점용 구리합금기판의 열 적 열화를 방지하기 위한 표면처리 방안으로 동판에 켈 및 금 층

을 입히고 도금 층의 두께에 따른 전기적 열적 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻,

었다.

금만 입힌 경우 이하의 낮은 온도에서는 안정한 접촉저장을 나타내지만 그 이상의1) 200 C。

온도로 증가할수록 다량의 성분이 표면으로 확산되어 나와 산화물을 형성하므로 접촉저Cu

항을 높여 주었다.

하지도금으로 니켈을 입히고 다시 금을 입힌 경우에는 니켈 층의 두께가 증가할수록2)

확산장벽 역할이 두드러지게 좋아짐을 알 수 있었다.

하지도금으로 니켈 층의 두께가 이상일 때 사용온도가 이하에서 장시간 가3) 5 m , 250 Cμ 。

열할 경우에는 금 층의 두께가 에서도 안정한 접촉저항을 나타내며 사용온도가0.5 m , 30μ

이상 이하에서는 단시간 가열 시 금 층의 두께가 이상일 경우가 안정한0 C 400 C 1.0 mμ。 。

접촉저항을 나타내었다.

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Fig.23. Contact resistance curves of various Ni/Au thickness measured

as a function of heating time at 400 C.。

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제 장 참 고 문 헌6

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