전자산업에서의 금도금
오늘날 전자산업의 전자기기는 소형화 된 반도체소자 1개로 기기의 전기능이 발휘되는 단계까지 와 있다. 대용량 집적 회로가 반도체 기술의 집적 회로가 반도체 기술의 발전으로 탄생되면서 사실상 부품과 완제품의 개념적인 차이가 모호해졌다.
또한 반도체의 고밀도 직접화에 따라 생산업의 기술개발도 따라서 촉진되었으며 원가절감은 물론 상품의 소형화 및 고급화가 유도되었고 생활용 및 산업용 기기의 정밀화 및 자동화를 촉진 시켰다.
최근에는 인공지능의 출현으로 하고자 일을 인간의 두뇌처럼 기억시켰다가 인간의 요구하는 계획에 따라 일을 진행시킬 수 있는 제품이 개발되어 전자산업의 제2의 혁명을 가져오고 있다. 특히 이 혁명의 선두에 PC와 휴대폰이 자리 잡고 있다. 이를 통해 전자통신이 발달하고 있으며 그 속도는 이제 빛의 속도로 이루어지고 있다. 그런데 이 전자통신의 부품에 쓰이는 것이 바로 금이다. 모든 전자통신에 없어서는 안 될 금은 바로 단자, 커넥터 등 회로의 연결통로에 위치, 뛰어난 전도성으로 통신혁명에 일조를 하고 있다. 금이 가진 물리적 성질은 여타의 다른 금속을 압도한다. 무엇보다 두드리거나 압착했을 때 얇게 펴지는 성질인 전성과 연성이 금을 따라오는 것은 지구상에 없다. 또한 금은 유연하고 부식되지 않으며 열과 전기 전도율은 은 다음에 최고이다. 색상도 한 가지가 이처럼 다채로운 성질을 골고루 가지고 있다는 점은 그 만큼 무궁무진하게 사용처가 많다는 이야기다. 이렇게 통신부분의 연결단자에는 여러 가지 귀금속이 사용되는데 PC와 휴대폰에 금, 은, 팔라듐, 로듐, 백금 등의 유가금속이 기종에 따라 30~40% 정도 포함되어 있다. 이는 거의 인쇄회로기판(PCB)에 집중되어 있는 것이다. 또 PCB에 연결 된 CPU나 프로세서에서는 금이 0.005~0.2g/set정도 함유되어 있는 것으로 알려져 있다.
특히 모든 전자기기가 얇고 소형화되어가고 있는 추세에서 금은 최고의 물리적 성질을 갖고 있다. 금은 지구상에서 가장 무거운 물질이지만 정작 전자통신부품에서는 얼마나 얇게 도금하느냐가 관건이며 이렇게 얇게 도금하는 것을 플래시(Fiash)도금이라 한다.
플래시 도금을 할 수 있는 비결은 1천분의 1mm이하에 불과한 두께로 펼 수 있고 1g의 금으로 최대3㎞까지 늘일 수 있는 특성이 있기 때문이다. 금은 열반사 능력이 뛰어나 다른 금속과의 합금형식으로 땜질을 할 때 이용된다. 우주왕복선의 추진엔진과 동체의 연결부분은 취약하기 때문에 이 부분은 금이 들어간 합금으로 땜질을 함으로서 열을 반사하게 되어있다. 또 전자통신부품에서 가장 중요한 것이 반도체이다. 재봉틀 같은 기계가 칩 외곽을 빠른 속도로 찍어 만드는 반도체의 한 가운데 있는 것이 바로 리드프레임이며, 이때 사용되는 것이 바로 골드와이어(Gold Wire), 즉 금실이다. 그러나 최근 들어 금은 리드프레임에서 그 왕좌를 은에게 내주고 말았다. 리드프레임의 금도금이 현재는 은도금으로 바뀐 것이다. 금도금은 장식도금에서 큰 발전을 토대를 이루었지만 값이 비싼 이유 때문에 점차 대용 금으로 서서히 많은 부분이 점유 당하고 있다. 그럼에도 불구하고 아직까지 금의 뛰어난 특성을 능가하는 대체물질은 발견되지 않고 있으며, 장식도금에서 전자부품의 기능도금으로 금도금은 지속적으로 이어 질 것이다. 그러면 왜 전자 부품에는 금도금을 해야 하는가? 잘 알려져 있다시피 금은 가장 비싼 금속 중의 하나이다. 1micron두께로 1dm을 도금하는데 사용되는 비용은 은의 100배에 이른다. 그럼에도 불구하고 금도금이 기능성 도금으로 전자통신 부품에 쓰이는 이유는 금이 가지고 있는 연성과 본딩성 때문이며, 부식되거나 산화되지 않고 저항성이 강하고 전기 전도도와 접촉저항이 우수하다 이에 따라 금은 비싸지만 초창기 전자부품의 회로에 별 무리 없이 선택되어 사용되었다. 그 이유 중의 하나는 전자부품 자체가 고부가가치이기 때문이다. 특히 신뢰성이 중요시되는 PC나 휴대폰에 금도금은 필수적인 것처럼 현재 상용화 되어 있다. 금값의 시세가 매년 변화가 심하므로 인하여 금도금업계는 가장 큰 문제로 대두되고 있다. 금도금은 여러 전자부품의 접점에 쓰이지만 그 중에 가장 대표적인 제품이 바로 반도체와 커넥터 등의 단자이다. 반도체 패키지상의 금도금에서 요구하는 기능특성은 와이어 본딩성(Wire Bonding), 납땜성, 내열성, 내식성 등 여러 가지 기능을 요구하지만 이런 조건들을 충족시키기 위해서 이론상으로는 1.5μm이상의 금 두께가 필요하다. 이에 따라서 어떻게 하면 고가인 금을 적게 사용하고 두께를 규정에 맞게 하느냐가 관건이 된다. 반도체용 금도금의 경우 전도염으로 구연산염이나 인산염 등을 첨가하여 산성이나 중성액으로 만들어 주로 사용한다.
현재 어떻게 하면 금도금의 두께를 얇게 하면서도 본딩 강도를 좋게 할 수 있나 하는 연구가 많이 이루어지고 있으며 그 중 대표적이고 실용화 된 방법으로는 금도금의 표면형태 결정구조를 조정하기 위해서 중금속이온을 사용했다는 결과가 나와 있다.
커넥터 및 접점의 도금은 두개의 금속표면을 접촉시켜서 전로를 이루어 주는 것을 말하며 릴레이, 스위치(개폐접점), 가변저항기, 커넥터(동접점), 압착단자(정지접점)등의 3가지로 구분 지을 수 있다.
이상의 접점들은 통전조건(전압, 전류, 직류, 교류)이나 사용 환경(주위온도 ,습도, 부식성가스, 먼지, 염분 등)에 따른 제반 조건에서도 이상 없이 제 기능을 발휘 할 수 있는 도금을 선택해야만 한다. 커넥터 및 접점의 도금이 갖추어야 할 주요한 기능은 노출되어 있다가 작동개시 될 때까지 부식 생성물이 생기지 말아야 한다. 접촉부위가 소모되지 않은 상태에서도 적은 접촉면을 유지해야 한다. 통상적으로 커넥터 및 접점 도금은 순금을 사용하는 것이 접촉저항이 가장 낮고 각종 환경에서도 내식성이 좋다. 하지만 금의 경도가 낮아서 0.1~0.3% 정도의 니켈, 코발트, 철 등을 합금금속으로 첨가하고 금 두께를 가능한 적게 하여 성능은 저하 시키지 않고 비용절감 효과를 얻으려고 pd/Ni, Sn/Ni 합금도금 등의 하지도금이 여러 가지 개발되어 있다. 근래에는 백금족 중에서 값이 싸고 물성이 좋은 루테늄(Ru)이 새로운 접점도금 재료로서 사용되어지고 있다.
금도금액은 미량(數 ppm)의 중금속을 첨가하였을 때 음극분해 현상이 현저히 낮아지고 평활한 입자의 치밀한 도금 막을 얻을 수 있고 실용 전류밀도 범위도 넓어진다. 그래서 미량의 중금속을 결정조정제(Grain refiner)로 사용한다. 맥킨타이어(Mcintyre)와 펙(Peck)의 연구에 의하면 약알칼리성 인산염 액 중에서 주기율표상의 금과 근접해 있는 수은, 티타늄(Ti), 납(Pb),비스무트(Bi)가 가장 유효한 첨가제라고 발표했다. 이것들은 석출시작 전위보다 귀한 전위인 금이나 백금 극상에 단분자상으로 흡착하는 경향이 매우 강하다.
그 후 매킨타이어와 나카하라는 티타늄과 납의 첨가제를 사용 금 석출물의 결정조직의 특성을 조절해서 대단히 균일하고 큰 입자를 형성시키는데 성공했다. 이는 음극 면에 흡착 된 중금속이 금에 대하여 핵형성의 중심이 됨으로서 입자가 크고 그 전착물의 형태가 수직으로 성장하는 평판 상의 구조일 때가 본딩성 등의 내구성이 가장 좋다. 결정 조직체는 도금을 할 때 금과 공석 하지만 특히 높은 전류밀도로 도금을 할 경우는 수천 ppm까지도 공석하는 경우가 있으나 이는 와이어 본딩성(Wire Bonding)과 다이본딩성(Die Bonding)에 중대한 영향을 미친다.
향후 휴대폰, 모바일기기 산업이 급성장하면서 전자부품의 금도금은 두께를 줄이는 쪽으로 발전 할 것이라는 것이 업계의 공통적 전망이며, 이들 기기에 적용되는 전자파 차폐, 내구성 강화, 색상 구현 등의 첨단 표면처리 기술이 주목받고 있으며 이러한 첨단 표면처리기술은 보다 작으면서 성능과 신뢰성이 높은 제품을 만들기 위해 필요한 소재 물성을 구현할 수 있을 뿐 아니라 저가의 소재에 다양한 물성을 동시에 갖는 쪽으로 발전 할 전망이다.