Gold[Au] Electroplating

이 상 유

Edited by The Dream of Leesang

연구소 공정개발 4팀

I. 서론

금 및 금 합금도금은 주로 극히 엷고 색만 내는 정도의 장식용으로 사용되어 왔으나, 근년에 와서는

단순히 장식품 뿐만 아니고 전화, 전신, 전자기기류, 로켓공업, 인공위성의 외곽부 및 엔진 등의 공업적

으로 널리 이용되고 있다. 즉, 금은 전기전도도, 내식성, 고온에서의 내산화성 등이 매우 우수하여 전자,

통신 및 관련산업용 부품의 최종처리 도금용 소재로 널리 응용되고 있다. 전기적인 접촉부에서는 접촉저

항이 낮을 필요가 있으며 동시에 내식성, 경도, 내마멸성, 내충격성 등의 기계적 성질도 요구되며, 산업

현장에서 전자장치의 가혹한 사용의 원인으로 부식문제도 발생하고 있다. 그러나 고순도의 금은 연하기

때문에 다른 금속을 소량함유시킨 합금 도금 방법을 이용함으로써 경도 및 내마멸성을 향상시킬 수 있다.

이 경우에는 함유원소로서 Ni, Co, Pd등을 0.1∼0.8% 정도 금과 함께 공석시켜 경질금도금을 이루어 접

점저항에는 큰 손해를 안보면서 경도와 내마멸성을 현저하게 개선시킬 수 있다. 그러나 금도금층은 금의

이온화 경향이 작기 때문에 Pin Hole이 있으면 소지 금속이 양극으로 되어 부식이 촉진된다.

얇은 도금에서는 그러한 부식생성물 때문에 금도금이 부식된 것처럼 얼룩이나 반점이 형성되어 접촉저

항을 높혀 줄 우려가 있다. 그러므로 소지의 부식방지를 위하여 하지도금을 입혀주게 되는데 일반적으로

승온조건에서의 구리의 확산장벽 역할과 금도금에 대한 내마멸성을 향상시키기 위해 순수니켈을 입혀준

다. 즉 금도금된 재료의 사용온도는 상용에서는 최대 65℃ 군사용에서는 125℃, 반도체 패키지 부품공정

에서 Thermocompression 공정을 사용하는 와이어 본딩(Wire Bonding)시에는 300℃, IC 칩의 Die

Bonding 시에는 400℃이상이다. 이와 같이 열적승온조건에서 소지금속인 구리의 확산에 의한 열적열화

현상에 의하여 Ni 하지 도금층은 확산장벽 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다. 또한 오염된 환경에서

Porosity 의 문제도 구리소지금속에 곧바로 금을 입힌 경우보다 Ni 하지 도금 후, 금도금을 입힌 경우가

내식성을 현저하게 향상시킨다고 보고되고 있다.

Fig 1. 리드프레임 F i g 2 . 정밀부품용 Connect

Fig 3-1. 전자부품용 Connect Fig 3-2. 전자부품용 Connect Fig 3-3. 전자부품용 Connect

Ni 하지 도금의 다른 역할은 구리와 금사이에 얇은 금속층을 형성하여 금속계면간에 안정한 결합력을

얻는 것이다. 이를 위해 일반적으로 무광택 Watts 욕을 제조하여 사용하고 있다.

금도금법은 대략 다음과 같이 나눌 수 있다.

① 알칼리법(pH = 8.5 ∼ 13) - 색깔(엷은)도금(장신구) - 시안화법

- 페로시안법

- 산업용(두꺼운)도금 - 순금도금

(전자부품용) - 합금도금

② 중성법 (pH = 6 ∼ 8.5) - 장식도금

- 산업용 도금(전자부품)

③ 산성법 (pH = 3 ∼ 6) - 순금도금(TR, 리드프레임)

- 합금도금(Connect, PCB등)

- Strike Plating

④ 비시안화도금 (pH = 6∼11) - 순금도금(Connect, PCB등)

(아황산금도금 등) - 합금금도금(Connect, PCB, 장신구)

Ⅱ. 산성 금도금

산성 금도금액은 다음의 3가지 유형으로 분류시킬 수 있다.

① 합금 금도금

② 순금 금도금

③ 스트라이크 금도금

산성을 사용하는 목적은 금도금액의 유리 시안분을 감소시키고 pH를 낮춤으로써 Ni이나 Co 같은 금

속들을 금과 더불어 공석시키게 한다는 원리를 이용한 것이다. 이로써 금도금의 경도가 높아지고 광택

등 기타 성질도 좋아질 수 있다. 그러나 구리의 시안화도금액은 pH 5.5 이하에서, 은의 시안화도금액은

6.5 이하에서 분해된다는 것이 잘 알려져 있다. 따라서 금의 시안화도금액도 자연히 pH의 한계가 있다.

Ⅱ-1. 액성분의 역할

① 구연산, 구연산소다

전도염으로서 전기 전도도를 증가시키고 비중이 저하될 때는 청화금이 충분히 있어도 석출이 나빠진다.

② 황산 코발트, 술파민산 니켈

경도는 증가하나 색상은 낮아진다.

③ 황산인듐

연성을 좋게 한다.

Ⅱ-2. 금합금도금액

구연산과 구연산염 같은 유기산과 이의 염의 혼합물로 되어 있어 pH 3∼5에서 완충작용을 하게 하고

첨가제도 넣게 한 액이다.

이 구연산계의 착화액은 니켈, 코발트 등의 卑금속을 첨가하여 일정한 금색이 되도록 한 것이다. 이들

의 금속염은 착화물 또는 킬레이트형태로 첨가되어, 음극표면에 이들 이온이 충분히 형성될 양이라야 한

다. 따라서 이들 금속과 착화제의 유리분의 농도비가 중요하다.

그 외에 많은 착화제가 문헌에 나와 있으며, 예를 들어 테트라에틸렌펜타아민 같은 아민류와 EDTA

등이다.

예를 들어 Co 의 경우, 착화되지 않은 여분의 Co염이 있어야 하며, 이것은 EDTA-Co 착화물의 형태에

서는 Co는 석출, 즉 도금되지 않기 때문이다. EDTA-Co 화합물보다 Co를 착화하는 착화물의 pK의 값

이 낮을 때에는 착화물과 유리착화제와의 pK 값에 따라 적절한 Co의 양이 금과 공석할 수 있도록 Co

이온을 방출한다.

이와 반대로 산성액에서 착화제가 없으면 卑금속은 급속히 방출된다. 예를 들어 인산산성 시안화금칼

리액에서는 극히 소량의 Co나 Ni이 있어도 백색으로 도금이 되기 때문에 卑금속이온의 활동도에 대한

완충작용도 한다.

Ⅱ-3. 순금도금액

1960년 중반에 와서는 반도체 등에 도금을 하기 위해서 고순도의 금도금이 필요로 하게 되었고, 구리

등의 금속 불순물은 부품의 성질상 해를 끼치곤 한다.

첨가물은 대체로 3가지가 있다. 착화제, 입자 미세화제 및 경화제이다. 착화제는 금속불순물을 안정된

착화물로 만들어 그 활동을 둔화시켰고 따라서 불순금속의 석출을 거의 저지시키는 역할을 한다.

Ⅱ-4. 금스트라이크 도금액

귀금속은 이온화 경향이 작기 때문에 그 도금층에 밀착불량이 일어나기 쉬우므로 이를 방지하기 위하

여 금도금을 행하기 전에 금스트라이크 도금을 사용하고 있다.

시안화금칼리, 인산 또는 유기산 및 전도염이 있으며, 부분적으로 pH를 조정시키고 있다. pH는 3.0∼

6.5, 금의 함량은 2g/ℓ 정도이지만, 피복이 어려운 물건에 대해서는 금의 양을 증가시키고 있다. 또 卑금

속이 함유될 때도 있다.

Ⅲ. 중성 금도금

Volk 금도금액은 인산염으로 pH 6.5∼7.5로 완충시키고 시안화금칼리를 넣으면 많은 양의 시안분을

축적시키지 않아도 된다. 광택있는 핑크색 도금을 20㎛이상도 할 수 있다. 대개는 황혈염은 빼고 은 또

는 카드뮴의 단독 또는 복합 시안화물을 소량 첨가하고 있다.

유리시안분이 적을 때 금합금도금층은 고용체로 형성되며, 이것은 질산에도 저항이 크다. 이는 카드뮴

이나 은이 시안화 착화물로 되어있기 때문이다.

Spreter & Mermillod 금도금액은 구리를 EDTA·구리로 사용했고, 금은 PGC로 넘고, 전도염과 완충용

염도 첨가해 pH를 8.5이하로 정했다.

EDTA는 분해하므로 정기적으로 활성탄처리가 필요하다. 내식성과 경도를 얻기 위해서는 구리가 단독

이 아니고, Cu3Au나 CuAu 상태로 있도록 300∼400℃에서 열처리를 하는 수가 많다. 300℃에서 3시간

열처리를 하면 결정입자가 커지고 多相으로 되어 질산에도 침식이 되지 않는다고 한다.

반도체용 금도금에서는 몇 ppm의 무기 불순물도 주의해야 하며, 이러한 불순물은 압착이나 Die-

Bonding때 불량이 생기기 쉽다.

최근에는 유공도(porosity)의 감소, 전류밀도의 향상, 결정입자의 미세화, 광택향상을 위해 첨가제

(grain refiners)를 사용하고 있다.

Pulse Plating은 고속도 도금액에 좋으며, 10% 사용율(duty cycle, [ON time×100] / [ON time + OFF

time])이 가장 효율적이다.

Ⅳ. 알카리 금도금액

Ⅳ-1. 엷은 금도금

색깔도금은 엷은 Flash 도금만을 하게 되고 이에 사용되는 금은 전체 금소비량의 아주 작은 페센트를

차지한다. 대개 4g/ℓ 이하의 금의 농도이고, 일률적으로 광택을 얻기 위해서 온도를 올리고 있다.

금합금도금의 색은 도금액의 조성에만 좌우되는 것이 아니고, 전류밀도(전압), 온도, 교반상태에도 많

이 좌우된다. 니켈이나 코발트는 엷은 황색, 은은 녹색, 구리는 붉은색을 띠게 된다. 또 카드뮴도 녹색이

되지만 니켈도 조건에 따라서는 장미색으로 된다.

① 황색금(Yellow Gold)

금 이외에도 Ag, Cu, Zn 등이 첨가되며, 금을 잃지 않을 정도로 쓰는데 주로 장식품에 사용된다.

② 백색금(White Gold)

Au(bal.), Ni(13∼27%), Cu(1.6∼4.5%), Zn(1.3∼1.7%)의 합금으로 Pt와 구별하여 쓰거나 Pt 대용으로

도 쓰며 Ni계 White Gold 와 Pd계 White Gold가 있다.

③ 적색금(Red Gold)

Au, Ag, Cu의 3원 합금에서 Cu가 Ag보다 많을 때 적색금이라고 하며 18K의 적색금의 색이 가장 좋

으며 22K는 색이 좋지 않다.

④ 청금(Green Gold)

Au, Ag의 2원 합금을 하거나 또는 보통 Au, Ag, Cu의 3원합금으로 했을 때 Cu보다 Ag 의 함량이 많

을 때 Green Gold라하며 18K의 색이 가장 좋으며 50:50이 되면 거의 백색으로 된다.

⑤ 분홍금(Pink Gold)

Au(58.3%), Ag(3.3%), Cu(31%), Ni(3.5%), Zn(3.9%)의 합금이 있으며 장식용으로 쓰인다.

알칼리 금도금의 장점은 다음과 같다.

① 도금속도가 빠르며, 밀착성이 우수하다.

② 도금액 조성이 간단하고 도금액 관리가 쉽다.

③ 불순물에 대해 비교적 민감하지 않다.

④ 양호한 균일 전착성을 얻을 수 있다.

⑤ 첨가원소에 따라 다양한 색상을 얻을 수 있다.

⑥ 도금액 사용 수명이 비교적 길다.

알칼리 금도금의 단점은 다음과 같다.

① 시안화합물의 분해로서 탄산염이 발생한다.

② 경도가 산성에 비해 낮은 편이며 도금층은 연질이다.

③ 비교적 Pin Hole이 발생되기 쉽다.

④ 공업용으로는 용도가 제한되는 편이다.

⑤ 펴수처리에서 CN-을 처리해야 한다.

액성분의 역할은 다음과 같다.

① 유리시안(Free - CN)

독특한 색깔을 내는데 중요하며 전도도와 균일전착성을 향상시키고 금과 착이온을 형성시키기 때문에

유리시안량의 관리를 잘해야 한다.

② 인산염, 탄산염

전도도와 균일전착성, 전류효율을 좋게 해준다. 시안화금소다를 사용하면 이의 용해도가 낮아져서 금의

함량을 높일 수 없으므로 청화금칼리를 사용해야 한다.

③ 시안화 Ni, Cu, Ag등의 첨가제

색깔 조절 및 경도, 광택을 좋게 한다.

금합금도금액에서는 은이 금보다 귀한 행동을 한다. 금과 은은 넓은 범위의 합금성분의 도금이 되지만,

이 합금의 조성은 분극이 높아지거나, 온도가 낮거나, 높은 전류밀도 일 때 금이 더 많이 전착된다. 반대

로 온도가 높거나 전류밀도가 낮거나 교반을 많이 할 때 은이 많이 석출한다. 따라서 금합금도금에서는

보통 상온에서 음극교반을 크게 하고 높은 유리시안분으로 도금하고 있다. 은이 금의 1%정도라도 도금

액에 함유했을 때는 99%의 금합금이, 10%일 때는 90%의 금합금이 0.3∼0.5A/d㎡에서 얻어진다.

색깔도금에서의 pH는 대략 11.0이 좋다 11.0보다 높으면 광택범위가 좁아지고, 11.0보다 낮으면 청화

물의 중합이 생겨 노화가 되기 쉽다.

Ⅳ-2. 공업용 금도금

Ⅳ-2-1. 순금도금

전류효율은 60∼70℃에서 100%에 가깝고 전류밀도는 대체로 0.5A/d㎡이다. 바렐도금에서는 전체표면

의 1/3만 도금되고 있으므로 0.15∼0.2A/d㎡정도로 도금한다. 불순물이 도금층에 석출되지 않도록 킬레

이트제를 첨가 할 때도 있다. 유리 시안분을 15g/ℓ이상 유지하면 0.1∼0.3A/d㎡의 저전류밀도로 작업할

때도 불순물이 착화되어 도금에 해가 없도록 해줄 수가 있다. 이때의 금도금은 두께가 2∼3㎛정도이며,

석출입자가 크고 경도가 65 koop 정도로 낮다.

Ⅳ-2-2. 광택 합금금도금

알카리성 금합금도금에서는 Ag, Sn 및 Sb(안티모니)가 합금성분으로 되면서 광택 또는 반광택으로 도