PCB의 표면처리종류(HASL , OSP , 무전해 석도금, 무전해 금도금)

[에스엠티]

PCB의 표면처리종류(HASL , OSP , 무전해금도금)

HASL (HOT AIR SOLDER LEVELING)

OSP (ORGANIC SOLDERABILITY PRESERVATIVE)

무전해 주석도금

무전해 금도금

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무전해 석도금 PCB(Printed Circuit Board) 제조 공정에서 가장 마지막 공정이 바로 표면처리 공정이다. 표면처리 공정은 최종 소비자에게 도달하여 Soldering 공정이 이루어 질때까지 Solder Pad 표면에 산화를 방지하기 위한 최후 공정으로서 매우 중요하다.
표면처리 기술의 종류를 살펴보면, HASL(Hot Air Solder Leveling),무전해 Gold도금,흔히 Pre-flux라 불리는 OSP(Organic Solderability Preservative), 무전해 주석,무전해 Silver(Ag) 도금, Palladium(Pd)도금 등이 있다.

HASL 방식은 생산성이 좋고 비용이 적게 들어가는 반면작업 환경이 매우 좋지 않고, 대부분 납(Pb)을 함유한 Solder를 사용하므로 환경처리도 골칫거리가 아닐 수 없다. 또한 소비자의 입장에서 보면 PCB의 Pad에 부착되는 Solder의 양이 일정하지 않아서 SMT(Surface Mount Technology) 공정에서인쇄되는 Solder의 양과 어우러져 Bridge 불량을 일으킬 가능성을 높이기 때문에 HASL 방식에서는 Solder의 두께 관리가 매우 중요하다고 할 수 있다. 일반적으로 HASL의 두께는 10㎛이하로 관리되면 좋겠지만 심한 경우에는 40~50㎛까지도 편차가 생길 수 있으므로 관리에 주의를 요한다.
이와같이 단점을 가지고 있는 반면에 장점도 가지고 있다. 일단 HASL 처리된 기판은 최종 소비자에게 도달되어 사용되기까지 관리가 수월하다고 하는 장점이 있다. 예를 들어 작업자가 손으로 만지거나 진공 포장에서 꺼내어 상온에 방치하더라도 오랫동안 사용할 수 있고, 특히 양면 기판의 경우 Reflow Soldering을 2회하더라도 납땜성이 크게 떨어지지 않는 장점을 가지고 있다.

OSP 방식은 PCB Pad 표면에 유기물을 도포하여 공기와 구리(Cu) 표면이 접촉하는 것을 차단하여 구리의 산화를 방지하는 역할을 한다. 표면에 도포되는 유기물이 Flux와 거의 비슷한 물질이므로 Pre-flux 처리법이라고도 한다. OSP 방식에서 PCB Pad 표면에 골고루 도포되지 않을 경우 동박(Cu)이 산화되어 양면 Reflow Soldering시에 문제를 일으킬 수 있으므로 진공 포장을 개봉한 후에 가능하면 빨리 사용하는 것이 좋고, 취급시에도 작업자의 손이 닿으면 손에 묻어있는 염분에 의하여 산화가 빠르게 진행되는 단점이 있다.

무전해 금도금 방식은 위에서 언급한 HASL 방식과 OSP 방식의 단점들을 어느정도 보완해줄 수 있고, 최종 소비자의 취급성과 납땜성이 좋으므로 꾸준히 시장 점유율을 높여 왔다. 그러나 최근에 무전해 금도금 방식의 문제점이 속속 발표되면서, PCB 제조업체에서 철처한 품질관리가 되지 않으면 치명적인 불량을 유발할 수 있다는 인식이 확산되고 있다.
무전해 금도금을 하기 위해서는 동박(Cu)에 먼저 니켈(Ni)을 도금하지 않으면 안된다. 그 이유는 동박에 바로 금도금을 실시할 경우 금이 구리 조직 속으로 확산되어 들어가므로 이를 방지하기 위하여 중간에 니켈이라는 금속이 확산 차단용으로 사용되는데 이러한 역할을 하는 금속을 흔히 Barrier Metal이라고 표현하기도 한다.
금도금이 없는 상태의 니켈도금만으로는 Solder와의 친화력이 떨어지므로 다시 그위에 금을 도금하여 Solder의 친화력 즉, Solderbility(납땜성)을 확보하는 것이다.무전해 금도금이 잘 되기 위해서는 우선 니켈층의 금이 제대로 이루어져야 한다.
무전해 니켈 도금시에 중요한 공정 인자로는 도금액의 온도, pH, P(인)의 농도등을들 수 있다. 이 중에서 특히 인(P)의 함량이 지나치게 높아지면 금도금시 니켈면의 부식이 증가할 우려가 있으므로 도금액 관리에 주의를 요한다. 보통 인(P)의 함량은 8% ~ 10%로 관리되고 있다. 니켈층의 도금 두께는 국제 규격에서 최소 3㎛이상이 되도록 권장을 하고 있으나, 5㎛ 정도가 되는 것이 안정적이라고 판단된다.
니켈 도금액 속의 불순물이 많아지면 부분적으로 P원자들이 편석을 일으켜 P의 농도가 균일해지지 못하도록 하여 국부적으로 P의 농도가 높아지면 결국 금도금시 금원자와 니켈 원자의 치환 반응을 촉진시켜 금도금 두께의 관리를 어렵게 만듬과 동시에 니켈의 산화를 촉진시켜 Soldering에 까지 영향을 미치게 된다.
또한, 도금액의 pH가 낮아지거나 온도가 높아지면 도금 속도가 빨라질 우려가 있고, 그 반대의 경우에는 도금이 되지 않는 부분이 존재하는 등 도금에 미치는 영향이 크므로 이들 인자에 대한 철저한 관리가 필요한 것이다.
무전해 금도금과정은 대부분 금 원자와 니켈 원자가 직접 치환이 되는 방식으로 이루어지기 때문에 이 과정에서 어느정도 니켈의 부식을 수반할 수 밖에 없다.
그러므로 금도금의 두께를 두껍게 한다면 니켈이 부식되는 양도 그만큼 증가하게되므로 금도금 두께의 적절한 관리가 필요하다고 할 수 있다. 국내에서 일반적으로관리되는 금도금 SPEC(사양)이 0.03㎛ ~ 0.07㎛ 정도이며, 미국이나 유럽쪽의사양보다 조금 얇으므로 니켈층의 부식은 그만큼 줄어든다고 할 수 있다.