전해도금을 이용한 Metal Nano Layer 제조 및 3차원 실장을 위한 저온 접합 특성에 대한 연구 = Fabrication of Metal Nano Layers by Electroplating and Low Temperature Soldering for 3-Dimensional Packaging

국문 초록 (Abstract)

21세기를 선도하는 기술로 나노기술이 산업 전반에 걸쳐 각광을 받고 있다. 나노기술은 100nm 이하의 물질 및 관련된 모든 분야의 연구를 지칭하는 과학용어이다. 나노기술은 물질 및 제조기술, 응용기술을 모두 포함하는 기술이고 연구 영역이 대단히 광범위하며 여러 학문 분야 간의 협력과 노력이 필요한 새로운 학문 분야이다.
나노미터란 단위는 단순히 10-3μm의 사이즈이다. 하지만 물질이 마이크로 크기까지는 대부분 벌크 형태에서 나타나는 물리적 특성을 유지하지만 물질이 나노미터 단위로 축소되면 다른 물리적 특성을 갖는다. 입자 크기가 작아짐에 따라 표면적이 증가 하게 되는데 가로 세로 길이가 1cm인 입자를 1nm로 쪼개게 되면 표면적은 천만배로 커지게 된다. 그로인한 표면에너지 증가로 반응성이 급격히 증가한다. 결정 표면 혹은 결정 내의 결함부위에 있는 원자는 결정 내부의 원자와 달리, 배위 불포화로 인하여 일부 결합이 절단된 상태에 있다. 이 절단된 결합을 일반적으로 단글링 본드라 한다. 여기에 원자나 분자가 접근하면 쉽게 화학결합을 이룬다. 이러한 이유로 결정이 나노미터 크기 정도로 작아지면 융점이 낮아지기도 하고, 색깔이 바뀌기도 한다.
이러한 나노 물질은 현재 실생활에서도 상당부분 적용이 되고 있는데 예를 들어 살균에 뛰어난 은나노 제품군이나 CNT나 그래핀등이 코팅된 제품들이 있다. 하지만 최근 나노물질의 위험성이 크게 대두되고 있다. 반응성이 높은 나노파우더가 공기 중에 존재할 경우 급격한 산화로 인한 폭발의 위험성이 있으며, 나노 분말 및 섬유의 인체 침투로 인한 유해성이 발표 되고 있다. 특히 미세먼지 속 중금속 산화물의 나노입자들은 세계보건기구(WHO)가 지정한 1급 발암물질이다. 이들은 폐포를 통해 혈관에 침투해 협심증, 뇌졸중의 위험을 높인다고 한다. 또 피부의 모공을 막아 여드름이나 아토피 피부염을 악화시키기도 한다. 이러한 부작용 외에도 나노 물질의 인체 흡수가 어떠한 부작용을 가져오는지 임상적 검토는 아직 많은 부분이 알려져 있지 않아 더욱 주의가 필요하다.

본 연구에서는 나노 물질의 특성을 가지면서 산소와 반응성 및 인체 흡수성을 줄인 nano layer의 제조방법 및 저온 접합 특성을 연구 하였다. 나노물질의 생산방법에 전해 도금법을 적용하여 기존 bottom-up 방식의 나노물질 제조방법을 개선하여 생산성 및 가격 측면에서 장점을 갖고자 한다. 이를 위하여 Metal Nano Layer형성을 위하여 금속 이온 및 첨가제의 농도를 최적화하였으며 그 결과 Sn-Cu Nano Layer 도금액에서 전류밀도에 따른 각각 다른 도금층의 형성을 육안으로 확인하였다.
layer제조를 위한 도금액을 이용하여 Sn-Cu, Sn-Ag, Zn-Ni, Cu-Ag layer를 형성하였으며 여러 금속에 폭넓게 적용할 수 있음을 확인하였다. 또한 지름30㎛-높이 60㎛의 TSV 상에 Sn-Cu 20nm layer solder bump를 형성하여 3차원 실장 분야에 적용 가능함을 판단하였다. layer의 형태 및 조성은 FESEM과 EPMA를 통하여 분석하였다. 형성된 Metal Nano Layer는 조건에 따라 두께가 달라졌으며 금속성분이 교대로 도금되는 특징을 보였다. Sn-Cu layer의 경우 두께는 20nm까지 감소되었다. 구리 음극 외 타이타늄판 및 SAC Solder 상에 nano layer를 형성함으로서 nano layer가 여러 종류의 기판에 적용할 수 있음을 알 수 있었다. 더욱이 황산 계열, 유기 황산계열, 시트레이트 계열의 여러 도금액에서도 양호한 layer가 형성됨을 알 수 있다.
형성된 nano layer의 저온 접합 특성을 알아보기 위해 DSC를 이용한 열분석 및 XRD를 이용한 상분석을 하였다. layer 두께에 따른 열 특성의 차이를 보기 위하여 층간 간격 20nm, 50nm, 300nm의 Sn-Cu Nano Layer를 제조한 후 DSC를 측정하였다. 20℃에서 350℃ 범위 분당 20℃의 속도로 승온 및 냉각 되었으며. 한 시편당 가열, 냉각, 재가열로 세 번씩 측정하였다. XRD는 가열에 의한 상변화를 보기위하여 측정하였으며 20nm의 Sn-Cu Nano Layer를 제조하여 가열 전 및 300℃ 가열 후 두 번 측정 하였다. 열분석 및 상분석을 통하여 nano layer의 비정질 존재를 확인 하였다. 실제 솔더링 공정에의 적용을 판단하기 위하여 Sn-Cu, Sn-Ag Nano Layer를 제조하여 160℃에서 저온접합을 실시하였다. layer-layer, layer-Cu plate, layer-solder ball 간 접합을 시행하였으며 단면사진에서 결함이 없이 양호한 접합을 이루었음을 확인할 수 있다. 또한 접합 단면의 EDS분석의 결과 접합계면에서 금속간 화합물이 형성되었음을 확인할 수 있다. layer-solder ball 간 접합강도를 분석하기 위하여 Sn-Cu nano layer와 SAC105 ball 간 160℃ 저온접합을 시행하였으며 전단강도를 측정하였다. 전단강도는 평균 24MPa로 측정되었다. 위 접합결과를 바탕으로 Metal Nano Layer의 저온접합의 메커니즘을 분석하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 2장 이론적 배경 5
• 제 1절 나노기술 5
• 제 2절 Metal Nano Layer 8
• 제 3절 전해도금 9
• 2.3.1 전해도금의 원리 9
• 2.3.2 도금액의 이온 및 전도도 10
• 2.3.3 이온의 이동도와 당량전도도 11
• 2.3.4 패러데이(Faraday)의 법칙 13
• 2.3.5 전류밀도와 전류효율 15
• 2.3.6 과전압(overpotential) 17
• 2.3.7 한계전류밀도 21
• 2.3.8 합금도금 23
• 2.3.9 무전해도금 25
• 제 4절 납접 26
• 제 3장 실험방법 29
• 제 1절 머리말 29
• 제 2절 Metal Nano Layer 도금액 제조 30
• 3.2.1 도금조성에 따른 도금표면 특성 32
• 3.2.2 Metal Nano Layer 도금액 분석 33
• 제 3절 Metal Nano Layer 제조 34
• 제 4절 접합성 분석 35
• 3.4.1 열분석 35
• 3.4.2 상분석 35
• 3.4.3 저온 접합성 평가 35
• 제 4장 결과 및 고찰 37
• 제 1절 Metal Nano Layer 도금액 제조 37
• 4.1.1 도금조성에 따른 도금표면 특성 37
• 4.1.2 Metal Nano Layer 도금액 분석 39
• 제 2절 Metal Nano Layer 제조 41
• 4.2.1 요약 48
• 제 3절 접합성 분석 50
• 4.3.1 열분석 50
• 4.3.2 상분석 56
• 4.3.3 저온 접합성 평가 58
• 4.3.4 요약 68
• 제 6장 결론 71
• 참고문헌 73
• 영문초록 75