07년 81회 표면처리기술사 문제풀이

[제임스]

안녕하세요
과거 2014년도 쯤 표면처리 기술사 시험 준비하면서 정리했던 문제풀이를 최근 보완하였습니다만,
혼자 답을 찾다보니 미흡한 부분이 많습니다.
혹시 필요하신분은 처음부터 답 찾을려면
시간이 많이드니 개념정리용으로 참조하면 좋을거
같습니다.
* 사정상 컴을 사용할 수 없어서 띄어쓰기등
매끄럽지 못한점 양해바랍니다.
* 여기에 없는 문제는 답을 못찾았거나,
그림이 들어가야 하는 답으로 제외하였습니다.

[문제]일반적으로 PCB 기판에 Through Hole을 기계 또는 레이져 드릴 가공한뒤에 무전해
Cu 도금을 실시한다 . 무전해 이전에 디스미어 공정이 존재하는데 , 습식 디스미어
공정의 목적과 기본적인 디스미어 주요 공정의 프로세스 3가지를 순서대로 설명하시오

(출처: VSS 이병기님 & FPCB Youngflex 블로그 참조 후 요약)

A. 습식디스미어 공정의 목적
습식 Desmer는 화학적 약품을 이용하여 홀에 묻어 있는 Smear를 제거하는 공정을 말하며,
만약 Smear가 있는 상태에서 등 도금을 진행한다면 신뢰성에 큰 영향을 받음.
- Inner-layer나 hole 벽 발생하는 smear제거
- hole 벽에 거칠음을 제공하요 표면적을 증가시킴으로써 epoxy 표면에 Black-hole 및 도금의 결합력을 더욱 좋게 하기 위함
- PTH 공정의 효율을 증가시킴(VOID 생성의 중요한 영향 미침)

B. 디스미어 공정의 프로세스 3가지 설명
Desmear Process는 Sweller -> 퍼망간네이트 처리 -> 중화 처리 공정을 거쳐 홈 내벽의 Smear를 제거하는 공정으로 이루어짐.
즉, 중화제를 이용하여 Hole 및 표면에 묻어있는 약품을 제거하는 공정을 말함.
(1)Sweller 공정: 홀 내벽에 붙어있는 Resin 성분의 Smear를 팽윤시켜 Permanganate가 쉽게 침투할 수 있도록 부풀려주는 역할
(2)퍼망간네이트처리: 부풀려진 Resin을 깎아내는 역할 수행.이 단계에서 Hole 내벽에 붙어있는 Smear를 제거하는 공정입니다.
(3)중화 처리(Neutralizer): 과망간산, 망간산, 이산화망간의 잔재물을 환원하여,용해성 망간으로 변화시켜 제거함으로써 Void 방지 및 무전해 동도 금의 결합력을 향상시키는 역할 수행

(좀더 상세한 답안: 디스미어 공정 프로세스)
o 습식 Desmear 주요공정의 프로세스
- 스웰러 (Hole Conditoner:Solvent Condition Sweller) 처리
. 레진 표면을 팽윤시켜 Permanganate 침투 용이(에폭시 레진 표면의 부풀림 Dust제거)
. 레진의 polymer-polymer 결함에 solvent가 침입하여 polymer-solvent 결함으로 변화 시킴
- Permanganate처리
. 스웰러 단계에서 부풀어진 Polymer network의 공유 결함을 산화 시킴으로써
에칭을 하여 미세한 거칠흠으로 도금의 밀착성을 높인다
. 반응 1 : 레진이 OH기와 반응 하여 에칭을 하면서 부산물로 불용성 이산화 망간을 생성
하여 Hole벽에 필름을 형성하고 이막은 Void나 밀착성 감소 원인이 된다
. 반응 2 : 용해성 망간이 부산물로 생성 되는데 농도가 지나치면 중화 처리가 잘안됨

- 중화처리
전단계의 과망간산 처리에 의해 생성된 Through Hole 내의 불용성과 과 Mn산,Mn산 이산화 Mn의 잔재물을 화원하여 용해성 Mn으로 변환시켜 제거함으로써 Void 방지 및 무전해 동도금의 결합력을 향상시키는 역할을 한다
* 황산을 중화제로 사용(환원력이 약할때 Void 발생)

[문제]약품 투입에 의한 시안계 패수 처리시 악취 발생의 원인으로 부정확한 약품투입이 원인이 되고 있다. 이와 관련하여 알칼리 염소처리 방법에 의한 시안폐수처리에 대하여 설명 하시오

o 시안화 물 폐수 처리 (산화 처리)
일반적으로 알칼리 염소 처리를 하고,액이 농후 할때 일단 전해 산화처리후 어느 농도 이하로 만들어 알칼리 염소 처리 한다
-알칼리 염소처리 : 치아인산 소다(NaOCl), 아염소산소다(NaClO2) 표맥분(Ca(ClO)2
등으로 처리하여 질소와 이산화 탄소로 분해하여 무해 무독하게 하는 방법이다.
. 1단계 반응: NaCN + NaOCl → NaCNO + NaCl (pH 10~11, 30~60분)
pH가 낮으면 HCN+NaCOl → CNCl + NaOH (맹독성의 시안화 염소 생성)
Ph가 높으면 반응성이 늦어진다
. 2단계 반응:2NaCNO+3NaOCl+H2O → 2CO2+N2+2NaOH+3NaCl(pH:8~9)

[문제]비정형 플라즈마와 정형 플라즈마 차이점을 설명하고 박막코팅 및 표면세정시에 비정형 플라즈마 만이 적용될 수 있는 이유를 설명하시오

o 플라즈마는 Maxwell-Boltzmann 공식을 따르는 속도 분포를 가지는데 플라즈만의
전자 속도 분포가 (전자의 온도)가 이온의 속도분포(이온의 온도)보다 크면
비 평형 플라즈마(non-equilibrium plazma)라 부르고 전자와 이온의 속도분포가 같으면 평형 플라즈마라 부른다
- 비평형 플라즈마는 낮은 압력,낮은 전류,낮은 gas 온도 일때 생성되고 일반적으로 스퍼터 에칭,이온주입,화학 반응기등에 사용되므로 박막코팅 및 표면 세정시 적용됨.
- 평형 플라즈마는 높은 압역,높은 전류,높은 개스 온도 일때 생성되고 전형적인예는 전기Arc이며,용도는 아크램프,개스히터,용접기,플라즈마 용사등에 사용

[문제]전해 탈지는 여러 탈지 공정중에 마무리 탈지 공정으로 사용된다.
전해 탈지는음극탈지와 양극 탈지로 구별 되는데 소재에 따라 결정 된다.
다음 소재는 음극 탈지와 양극 탈지중 어떤 것이 유리 한가 그이유는?

o 극을 결정하는 기준
. Ni,STS,Al 등과 같이 산화에 의해 부동태가 되기 쉬운 금속은 음극
=> 황동도 양극 탈지하면 아연성분이 용해 되기 쉬우므로 음극탈지해야함
. 아연,다이케스팅 : 양극 탈지 (음극 탈지시 강 알칼리가 음극에면에 생기므로 금속표면이
침식을 당하기 때문에 양극 탈지를 해야한다

o 소재별 유리한 탈지 및 이유
- 철재 볼트, 아연다이캐스팅 : 양극 탈지
=> 음극 탈지시 강 알칼리가 음극면에 생겨 침식 당함
=> 양극 탈지를 할경우 표면 산화 관련 철저한 산세처리가 필요
- 알미늄,스테인리스,황동 : 음극 탈지
=> 양극 탈지시 산화 피막 발생으로 효율이 저하됨
=> 황동의 경우 앙극 탈지시 Zn의 용출이 우려되어 음극 탈지를 수행

- 철강의 경우 산화 화원 작용에 비교적 둔함으로 수소 취성의 염려가 없을때는 음극이나
양극 아무것도 좋다


[문제]금속의 수용액에서 부식반응이 발생할 경우 양극 반응과 음극 반응이 동시에 일어나며 음극반응을 억제 하면 부식의 진행이 되지 않게 된다 . 철을 예로 들면
양극 반응은 철이 용해되는 반응은 Fe => Fe+2 + 2e-이다.
다음의 경우 철의부식반응에 짝을 이루는 음극반응을 반응식과 함께 쓰시오

O 밀폐된 1M 황산 탱크 용액에서의 철의 부식
H2SO4 => 2H+ + SO4-2 , Fe => Fe+2 + 2e-
※ 2H+ + 2e- => H2 (Gas) / Fe+2 + SO4-2 => Fe2SO4

O 바닷물
NaCl => Na+ + Cl- / Fe => Fe+2 + 2e-
2Na+ + 2e- => 2Na / 2Na + 2H2o => H2 + 2NaOH

O 산성도금
Fe + CUSO4 => FeSO4 + CU
. Fe => Fe +2 + 2e-
CuSO4 => Cu+2 + SO4-- / Cu+2 + 2e - => Cu


[문제]무전해 Ni-P 도금과 무전해 Ni-B 도금 형성과정 및 형성된 피막의 특성에 대해 설명 하시오

o 무전해 Ni-P
. 치아 인산소다 사용 : 내마모성 좋지 않으며, 융점이 낮고 비자성이다
=> 균일 피복성,내식성이 우수 하며 열처리에 의한 경도가 향상

o 무전해 Ni-B
. 수소화 붕소나트륨 사용: 강자성이며 융점이 높고 내마모성이 좋다
=> 전기 저항이 낮고 접함성,납땜성이 양호 하며 전자 분야에 사용된다

O 통상 니켈액은 환원제로 치아인산 소다를 사용 한다
도금 과정은
- 치아 인산에 의해 산화
H2PO2- +H2O → HPO3-- + H+ + 2H

H2PO2- + Ni++ + H2O → Ni + 2H+ + H2PO3-

- 보통 화합물
NaBH4 + 4NiCl2 + 8NaOH →4Ni + NaBO2 + 8NaCl + 6H2O

2NaBH4 + 4NiCl2 + 6NaOH → 2Na2B + 8NaCl + 6H2O


[문제]
무전해 도금은 치환도금,환원도금으로 크게 분류 할 수 있다. 치환도금,환원도금의 원리를 간략하게 설명하고 그방식을 적용한 실제도금 사례를 한가지 씩 제시 하시오. 또한 무전해 도금의 장단점을 전기도금과
비교 하여 설명 하시오

o 환원도금: 금속 이온이 있는 용액중 환원제에 의해서 물건에 금속이 환원 석출하는
도금이 환원도금이며 반응은 다음과 같다
Rx + H2O → Ox + 2H+ + 2e-
M2+ + 2e- → M0 , 2H+ + 2e → H2
※ 환원제가 산화 될때 방출한 전자를 금속 이온이 받아들여서 환원 하면서
도금한 대상위에 석출 .
. 사례: 무전해 동도금(PCB-PTH) / PCB 제조에서 동,Ni,Sn등의 도금

o 치환도금: 도금액 내에서 서로 다른 금속의 전위차를 이용한 도금으로 구리합금위에
주석을 도금 할때 주석염 용액 상에 구리합금과 그합금보다 전위차가 낮은 아연을
접촉시켜 음극으로서 구리합금에 주석을 석출 시키는 방법
- Ni/Au 도금
Ni를 화학 동도금과 같은 방법으로 무전해 Ni를 금속표면에 전착시키고 금이온이 들어
있는 용액에 담가두면 금의 환원력이 강해서 Ni 내부의 이온을 빼앗아 Ni은 산화되고
용액의 Au는 환원되어 석출
. 사례: 황산동 용액의 금속 철편 (표면이 산화되어 용해하고 Cu가 석출)

o 무전해 도금
- 장점 : 외부전원이 필요없으며, 한번에 대량생산이 가능하고, 균일도금이(전류분포차가 없다) 가능하며 부도체도 도금이 가능하다
- 단점: 금속Ion의 공급이 약품에 의존(생산비가 높다), 반응생성물의 축적(산화) 사용액의 재사용이 불가 함

[문제]R.F 스퍼터링에 의한 증착 과정중에 비금속 타켓이 양이온들에 의해 이온스팟터링이 될 수 있는 이유는?

o 직류 스퍼터링에서는 Target이 산화물등 절연 물질인 경우 스퍼터링이 되지 않는다.

o RF(Radio Frequency) 고주파 스퍼터링은 절연체로 스퍼터링이 되면 10-3~10-4 Torr
같은 저압에서도 플라즈마가 유지 된다
그이유는 고주파 1Cycle중 전자가 “+”극에 도달하기전에 다시 역방향으로 가게되어
방전되지 않고 전류가 유지 되기 때문이다
직류의 경우는 Target이 절연 물질이면 방전 개시와 동시에 “-”전하와 “+”전하가 중화
되어 방전이 즉시 중단 되기 때문에 플라즈마가 유지 되지 않는다


[문제] CVD 증착과정중 공정조건인 온도,압력 및 기체의 장입속도가 각기 어떤상태 일때 Boundary Layer 두께가 두꺼워 지는가를 설명하고 이상태에서 막의 성장 속도를 율속하는 요인은 무엇인가를 설명 하시오

(이 문제는 너무 어렵네요...최대한 답이 될만한 부분을 정리해 보았습니다.)

o 압력
저압 분위기로 해서 압력 parameter를 최적화하는 방법이 많아지고 있다.
저압상태에 있어서는 원료가스의 유속을 높이고 분자의 평균자유행정을 크게 잡음으로써, 막 두께 균일성이 우수한 막을 얻는것이 가능하다.
또, 원료가스의 공급량을 높이는 것이 가능하므로, 기판상에도 비교적 빠르고 균일성이 좋은 박막 증착이 가능하다.
O 온도
기상온도, 기재온도는 성막 속도, 입자생성속도에 가장 강하게 영향을 미치는 인자이다.또,생성물의 조성이나 미세조직에 대해서도 지배적인 영향을 끼친다.
반응 장치로 벽이 가열된 Hot-wall,내부 가열을 위해 가열하지 않는 cold-wall형이 있고, 장치내 온도분포에 영향을 미치고, 추가로 입자의 발생 ·부착 등에 영향을 준다.


[문제] 금속 용사법의 일반적인 장단점을 설명한 후, 열 용사법과 플라즈마 용사법의 원리 및 특징을 각각 설명 하시오

A. 금속용사법의 장,단점,원리

o 장점 - 가공물의 크기와 관계 없으며 두께 조정이 용이(후 두께 가능)

- 대부분의 고체 물질(유리,목재,종이,플라스틱,금)이 가능 하며 어떤 합금성분도 단시간에 두껍게 할 수 있다
- 다공성 피막이며 산화물이 있어 윤활유 침투가 잘되어 윤활성이 좋고 내마모성이 크다.
- 장치가 소형이고 이동이 간단하여 설비비가 들지 않으며,기술적으로도 단시간에 숙련이되고 비교적 용이하게 기업화 됨

o 단점
- 피막 결함이 기계적이고 용사 입자도 상호 융착되어 있지 않아 떨어지기 쉽다
- 피막층이 산화된 입자이고 다공성으로 방식효과가 미비하고 일반금속보다 기계적 화학적으로 약하다.
- 전처리에 비산금속을 사용함으로 비 위생적이다 - 용사 시공중 금속의 비산 소모가 크다


B. 열용사법과 플라즈마 용사법
- 열 용사 : 압축된 공기를 용융 금속에 보내어 금속을 분무상으로 물체의 표면에 분사하여 금속의 피복층을 만든다 금속 재질에 따라 선식,분말식,용탕식으로 구분되며 용융 열원에 따라 가스식 및 전기식으로 분류할 수 있다.
- 플라즈마 용사 : 플라즈마 제트를 이용 분말재료 또는 가열가속한 용융 또는 반용융 상태로 모재에 부착시켜 피막을 형성
=> 고온의 열원으로 고융점 세라믹을 용사재로 사용 할 수 있는 반면 모재는 150℃로 낮게 유지할 수 있어 모재 변형 없이 여러 산업분야에 응용가능


[문제] STS 응력 부식 균열에 대해 설명 하고 그 방지책은?

o 응력 부식 균열이란 환경과 기계적 인장 응력 영향을 동시에 받아 균열이 생성되고 전파되어 발생하는 부식의 한 형태이다
스테인리스 응력 부식은 공식이나 틈 부식처럼 염화물을 포함하는 용액에서 자주
일어 나는데 염화물의 농도가 낮아 다른 부식이 일어나지 않는 한경에서도 발생 한다

- 응력 부식 균열은 입계 또는 슬립면을 따라 존재하는 이중상과 소지금속 사이에 갈바닉 전지가 형성됨에 기인 공식이 발생하고 응력이 작용되면 이부위가 발전된다.
순금속은 응력 부식 균열이 잘 생기지 않으나 이종 금속(합금)이 결정립계에 편석하게 되면 균열이 진행된다
- 스테인리스의 경우 산소가 들어 있는 용액중에 금속 표면에 부동태 피막으로 덮혀 지지만 피막의 일부는 파괴되어 공식이 생긴다 이때 재료에 응력이 작용하면
인장 응력이 작용 하면 공식의 끝 부분에 인장응력이 집중되어 입계는 넓혀지거나 Slip면이 생기고 새로운 면이 양극으로 작용 용해가 쉽게 된다.

o 방지방법
- 어닐링, 극저 Base로 CDZ 형성 억제, 결정립 미세화, 응력제거, 외부전원공급, 희생양극, 부식 억제제 사용 등


[문제]수용액 중에서 금속의 부동태 피막 현상 및 이를 활용한 방식 방법의 적용사례를 예시하여 설명 하시오

o 부동태 현상
: 좌측은 황산 용액중 철의 분극곡선으로 전위를 낮은 전위에서 높은 전위로 변경 시킬때 부시전위를 지나 특정 전위(Flade)를 지나면 부식전류가 감소하는데 이 현상을 부동태 현상이라 하며 치밀한 고도의 산화물 또는 수산화물이 형성되어 부식전류가 줄어드는 현상이다
o 전위를 “+” 쪽으로 더 가해주면 피막 중의 산소가 발새하여 부식이 다시 발생 하며
대표적인 금속으로 STS를 들수 있으며 STS의 Cr 산화물이 대표적인 피막이다
전위를 “-” 으로 가해지면 이는 음극현상이 발생 화원작용이 일어나면서 수소가 발생한다
방식에 응용 하기 위해선 전위를 부동태 피막이 있는 전위에 유지 하거나 부식전위 아래로 전위를 유지 하는 방법이 있으며,부동태 형성형 부식 억제제 (인히비터 또는 패시베이터)를 사용한다


[문제] 10mm 두께의 304 STS를 용접하여 제품을 만들려고 한다 용접부에서 발생하는 부식현상에 대하여 설명하고 방지대책을 설명하시오

o Austenite계 스테인리스강을 용접하게되면 냉각중에 Cr 탄화물이 입계에 석출하게 되는데 Cr의 확산속도 << C의 확산속도로 입계주변(탄화물주변)은 Cr결핍지역층이 생기게 되는데 이를 예민화 현상이라 한다 통상 500~800℃를 예민하 구간이라 한다

o Cr이 많은곳은 안정한 산화 피막으로된 부동태층이 Cr이 작은곳은 불안정한 부동태 층이 생기고 Cr이 작은곳이 양극으로 작용하여 부식이 발생하는데 탄화물이 입계에 석출하며 그주위가 CDZ가 됨으로 입계를 따라 부식이 발생하는 입계부식이 발생한다

o 방지책으로는 1050~1300℃에서 용체화 처리후 급냉하여 탄화물 형성을 억제하거나
탄화물 형성을 제어 하기위해 Carbon이 0.03%이하인 304L ,316L등을 사용하거나
Ti,Nb등 Cr보다 빨리 탄화물을 만드는 금속의 원소를 첨가 하는것도 좋은 방법이다


표면처리분야는 자료가 정말 많이 없는거 같습니다.
개인기로 찾고 정리하는수밖에 없는데
다들 도움이 되셨으면 합니다.

부끄럽습니다. 모르는게 너무 많네요.ㅜ ㅜ

[Manly진]

문제풀이 감사합니다.

[건호아빠]

감사합니다

[제임스]

부탁드릴말씀은 카페회원외에 무단복제하여
나르시는 일은 없을것으로 아나
혹시나 해서 말씀드립니다.

무단복제나 카페회원외 공유를
삼가해주십시요.

감사합니다.

[제임스]

카페에서 정보를 얻더가시는 분 입장에서
제가 공부한 내용을 한꺼번에 올리는것이 좋다고 판단하여
한번에 1회분을 올리게 되었습니다.

[싱싱어어]

감사합니다