탄화규소 분말상의 무전해 Ni-P 도금시 마이크로파 에칭의 영향

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

강민, 이승환*, 김지만, 이재의*

아주대학교 분자과학기술학과, 아주대학교 화학공학과*

Microwave Etching Effect on the ElectrolessNi-P Plating of SiC Particles

Min Kang, Seung-Hwan Yi*, Ji-Man Kim, Jae-Eui Yie*

Department of Molcular Science & Technology, Ajou University

Department of Chemical Engineering, Ajou University*

서 론

반도체 소자의 발달과 함께 전자부품 및 회로기판으로의 사용이 증가되고 있는 세라믹소자는 그 중요성이 날로 확대되고 있으며 전자회로기판으로서 사용되는 경우에는 세라믹표면을 금속화하는 기술이 필수적이며 특히 금속과 세라믹과의 강한 밀착강도를 부여하기 위해서는 특수 표면처리 기법을 이용해야 한다.

세라믹 위에 금속화 방법에는 금속 paste법, 진공증착법, 습식도금법 등이 사용되고 있으며, 각각의 기능성에 맞는 표면처리 기법을 이용하여 금속화를 하게 된다.

무전해니켈 도금욕으로부터 얻어진 Ni-P 도금피막은 내마모성, 내식성, 자기적 성질, 균일전착성, 그리고 기계적 성질 등 여러 우수한 성질 때문에 산업기계부품, 자동화부품, 자동차부품 및 전자통신부품 등에 이르기까지 폭넓게 이용되고 있다. 전기니켈 도금피막과는 달리 무전해 니켈 도금피막은 인을 함유하고 있기 때문에 피막층의 결정구조가 비정질의 형태와 결정질의 형태 모두를 얻을 수 있는 특징을 가지고 있다[1][2].

세라믹스 분말 및 유기상 분말의 무전해 도금에 대해서는 Cu-SiC, Ni-graphite, Cu-graphite 등 일부 시스템의 개발 결과만 보고되고 있으나, 공정에 대해서는 거의 보고되고 있지 않다. 특히 세라믹스상의 금속 도금은 화학적 방법 또는 증착에 의해 세라믹스 시편을 만들어서 시도한 경우는 많으나 분말상의 도금은 거의 시도된 적이 없다. 따라서 화학적 방법에 있어서의 에칭방법 및 전처리 활성화 방법이 기존의 시편을 이용한 방법과는 많은 차이점의 여부가 확실하지 않으며, 분말 개개입자를 화학 반응에 균일하게 노출시킬 수 있는 방법이 필요하다[3].

세라믹스나 플라스틱과 같은 비전도성 소재위에 도금을 하기 위해서는 소지 표면의 친수성화 및 촉매화가 필연적으로 요구되고 있다. 이 같은 처리는 최종도금층의 소지층과의 밀착성이나 도금표면의 외관에 큰 영향을 끼치고 있다[4].

일반적으로 이 같은 처리는 불화물을 함유한 액을 이용한 에칭과정을 통해서 화학적으로 표면을 조화시키며, 동시에 소수성인 비전도성 소재의 도금전처리로서 매우 중요하게 취급되고 있으나 이들에 관한 연구는 거의 없는 형편이다.

SiC상에 무전해 도금을 행하는 경우 에칭과정은 특히 중요하게 취급되나, 습식에칭(wet etching)에 의한 방법으로는 Si와 C와의 결합이 매우 강하기 때문에 매우 높은 온도에서만 SiC를 에칭을 수행하여야 한다[5].

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

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Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

본 연구에서는 강도가 높고 물리화학적으로 안정하며, 넓은띠 간격, 높은 열전도도, 높은 전자포화표류속도, 그리고 높은 파괴전압을 나타내기 때문에 고온, 고속, 고주파, 고출력 전자기술에 이용되는 탄화규소(SiC)를 대상으로 Microwave heating 방법을 이용하여 SiC 표면을 에칭을 수행하였고, 이에 따른 표면 특성변화와 무전해 Ni-P 도금의 물리적 및 화학적 특성에 대해 연구하였다.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

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실 험

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

본 연구에서는 평균크기 44[eqn: mu m] SiC(Green Ceratec)를 사용하여 무전해 도금을 수행하였다. 니켈도금에 앞서 에칭속도를 증가시키면서 동시에 효과적인 접촉이 가능한 microwave heating 방법을 수행하였다. 실험은 hydrofluoric acid solution(48%) 100mL을 첨가한 SiC 10g을 2.45GHz의 발진주파수와 700W의 마이크로파 출력의 마이크로파 시스템을 사용하여 15초에서 90초까지 실시하고, 이후에 SiC 입자상에 민감화와 활성화과정을  수행하였으며, 각 과정 후에는 충분한 세정단계를 거쳤다(에칭을 한 SiC와 하지않은 SiC 분말을 각각 E-SiC 와 N-SiC라 함). 무전해 니켈 도금욕의 의 조성은 문헌을 참고하여 실시하였으며, 무전해 니켈용액에 90℃에서 1시간 노출시킨다.

에칭 전후의 SiC 표면은 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)와 XRD(X-ray diffraction)을 이용하여 분석하였으며, 표면적 변화는 BET surface area의 측정함으로써 관찰할 수 있었다. 또한, EXAFS(Extended X-ray Adsorption Fine Structure)를 이용하여 도금층의 미세구조 및 화학결합 상태를 분석하였다.

결 론

마이크로파 에칭 및 민감화, 활성화 처리 등의 전처리 과정에 의한 SiC 표면특성변화를  분석하였다. 또한, 에칭과정의 유무에 따른 SiC와 니켈 도금층간의 물리화학적 특성에 대해 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

SiC와 같은 세라믹스는 화학적으로 매우 안정하기 때문에 에칭 전후의 SiC 표면을 관찰한 결과 큰 차이점을 발견할 수 없었으나, 이 미세한 요철이나 hole 등은 SEM으로는 확인하기 어려웠으나 BET 표면적 측정결과 표면적 증가로서 이를 확인할 수 있었다 (Fig. 1).

무전해 니켈 도금을 수행한 결과 E-SiC(Etched sample)가 N-SiC(Nonetched sample)와 비교해 더 많은 양의 Ni-P의 도금층이 형성되었음을 알 수 있었다.  도금층과 SiC와의 물리적 결합력을 측정하기 위하여 초음파 처리를 실험결과, 에칭을 하지 않고 도금한 시료는 SiC 표면에서 완전히 박리된데 반해 에칭공정을 거친 시료는 도금층이 그대로 남아있었다(Table 2).

Table. ICP-AES result obtained before and after untrasonic treatment

	Ni-P content wt%
	E-SiC			N-SiC
	Ni	P		Ni	P
Before	25.3	3.68		21.2	2.92
After	14.4	1.70		1.01	0.13

Fig. 2. 에 에칭 전후의 C 1s의 XPS 분석 결과를 나타내었다. 에칭전의 XPS 분석결과에서 282.0 eV와 285.8 eV의 두가지 결합에너지에서 peak가 관찰되었는데, 282.0 eV의 peak는 SiC상의 Si-C의 결합에 기인한 peak이고, 285.8 eV의 peak는 C-O의 결합을 나타내며, 이 peak는 에칭 후에 intensity가 두배 이상의 증가를 보인다. Si 2p의 에칭 전후 XPS 분석결과를 Fig. 3.에 나타내었다. Fig. 4. 에칭 전에는 101.5 eV의 결합에너지에서 Si 2p의 존재가 확인되었고, 에칭 후에는 100.7 eV와 103.2 eV의 결합에너지에서 Si 2p의 peak를 확인할 수 있었다. 에칭 전에 관찰된 101.5 eV의 Si 2p peak는 SiC내의 Si와 일치하며, 103.2 eV에서 관찰된 peak는 HF에 의한 에칭과정 중에 제거되지 않은 SiOx 또는 공기의 노출로서 생성된 순수한 oxide이며, 100.7 eV의 Si 2p는 Si-Si 결합의 존재를 나타내는 증거가 된다.

EXAFS 분석 결과로 에칭을 하고 무전해 도금한 SiC (E-SiC)  표면의 니켈 입자가 에칭을 하지 않고 도금(N-SiC)한 니켈 입자의 크기보다 상대적으로 작은 입자가 형성됨을 알 수 있었다. 니켈 입자의 크기가 작은 입자가 상대적으로 넓은 표면적으로 SiC에 결합될 수 있고, 또한 paking이 더 잘 이루어져 Ni-Ni간의 결합력 또한 증가된다 (Fig. 4).

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

[1]  W-S. Chung, S-Y. Chang and S-J. Lin, Plating & Surface Finishing, March 1996; 68

[2] R. Yakimova, E. Janzen, Diamond and Related Materials, 9(2000); 432-438

[3] C. A. Leon, R. A. L. Drew, J. Mat. Sci., 35 (2000) ;4763-4768

[4] J. F. Meek, J. Electrochem. Soc., 122, 1478, (1975)

[5] R. Yakimova, A. L. Hylen, M. Tuominen, M. Syvahari, and E. janzn, Diamond and Related Materials 6 (1997) 1476

Fig 1. BET surface areas of the SiC samples as a function of the microwave etching time.

Fig 4. RDF curves obtained from EXAFS spectra for the Ni-P deposited SiC samples : solid line for N-SiC and dotted line for E-SiC

Fig 2. XPS spectrum of C 1s core level of the SiC surface: (a) N-SiC and (b) E-SiC sample

Fig 3. XPS spectrum of Si 2p core level of the SiC sufrace: (a) N-SiC and (b) E-SiC sample