Adhesion layer가 전해도금된 구리와 폴리머 기판 사이의 접착력에 미치는 영향

Abstract

전자부품의 경량화 소형화로 인하여 고밀도 인쇄회로기판 (HDPCBs) 및 printed wiring의 소형화가 요구되고 있다 [1-3]. 그러나, 산업계에서 가장 중요한 문제점 중의 하나는 PCB 산업에 이용되는 기판인 폴리머 기판과 금속 층의 낮은 접착력이다. 폴리머 기판 위에 금속 층의 좋은 접착력은 전자부품의 신뢰성을 결정하는 중요한 요소이다. 그 이유는 전자부품의 신뢰성은 얼마나 금속 층이 기판에 잘 붙어 있는지에 의존하기 때문이다. 폴리머 기판 위의 금속 층은 본질적으로 기판과 금속간의 높은 계면 에너지로 인해 본질적으로 접착력이 낮다 [4, 5]. 폴리머와 금속간의 증가된 접착력을 연구하기 위해서는 증착된 금속층의 접착력을 정량적으로 측정할 수 있어야 하며 측정된 값이 나타내는 의미를 분석할 수 있어야 한다. 접착력 측정 방법으로 산업적으로 가장 많이 이용되는 필 테스트는 측정 값에 금속층의 소성변형 정도에 따라 많이 그 값이 달라지게 된다. 따라서, 필 테스트에 의해 측정된 값은 증착된 금속층의 기계적 성질, 기판의 재료 등에 따라 변화한다. 본 연구에서는 필 값에 영향을 미치는 인자를 판단하고 이들의 요소에 따라 필 값이 어떻게 영향을 미치는지 연구하였다. 특히, 필 값은 금속층과 기판간의 계면에서 모든 원자간 또는 분자간의 결합력 (true adhesion strength)과 계면으로부터 금속층을 분리하기 위하여 필요한 일 (engineering adhesion strength)의 두 가지 힘으로 나타낼 수 있으며, 이들의 영향을 증착되는 기판 재료에 따라 어떻게 달라지는지 두개의 챕터를 이용하여 알아보고자 한다 [6]. 첫 번째 챕터에서는 인쇄회로기판에 이용되는 무전해도금층의 미세구조, 기계적 특성, 커버리지 등 금속층을 분리할 때 이들의 요소가 필 값에 미치는 영향을 파악해보았다. 무전해구리도금층의 노듈 및 결정립 크기는 도금욕의 전해질 농도가 증가함에 따라 감소하는 반면 경도는 증가하는 경향성을 보였다. 아울러, 전해질의 농도가 가장 높을 때 무전해도금층은 가장 낮은 커버리지와 함께 많은 기공(Porosity)들을 가지고 있었다. 전해질의 농도가 감소함에 따라 무전해도금층의 기공들은 적어지는 동시에 높은 커버리지를 보였다. 하지만, 가장 낮은 전해질 도금욕에서는 불균일한 도금층이 형성되었다. 앞서 말한 도금층의 소성변형으로 인해 연성이 높은 특징을 가진 무전해도금층은 높은 필 값을 보였다. 우리는 높은 커버리지와 높은 연성을 고려하여 2층 무전해도금층을 형성하였고, 단일 무전해도금층 보다 높은 필 값을 보였다. 두 번째 챕터에서는 연성회로기판에 이용되는 폴리이미드 기판과 증착되는 박막간의 원자간 또는 분자간 결합력을 증가시키기 위해 Ar 플라즈마 처리, 플라즈마 파워, 스퍼터링 방법이 필 값에 미치는 영향을 연구하였다. 폴리이미드 표면에 플라즈마 전처리 시간이 증가함에 따라 계면 간의 접착력은 향상하는 경향성을 보이나, 일반적인 DC 스퍼터링 방법으로 제조된 시편의 경우 너무 긴 시간에서는 오히려 감소하는 결과를 얻었다. 기판에 bias를 인가하며 증착된 시편의 경우 인가되는 bias가 증가됨에 따라 필 값도 높아졌다. 같은 조건하에 일반적인 DC 스퍼터링 방법과 RF bias 스퍼터링 방법으로 제조된 시편의 박리강도 비교 결과 RF bias 스퍼터링으로 제조된 시편들이 훨씬 높은 박리강도를 보였다. 계면 간의 접착력 향상 기구로 본 연구에서는 증착된 NiMoNb과 폴리이미드 간의 화합물이 형성되었으며, 플라즈마의 도움으로 그들의 화합물 형성은 촉진되는 것을 연구하였다.