KR100929136B1 - 도전성 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도전성 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 분말, Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말, 열경화성 수지를 포함하는 제1 바인더, 및 로진(rosin) 화합물을 포함하는 제2 바인더를 포함하는 도전성 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
도전성 접착제, 금속 분말, 저융점 합금, 나노 분말, 로진 화합물
Description
본 발명은 도전성 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 특히 전기 전도성 및 접착력이 우수하면서도 제조 단가가 낮은 도전성 접착제와 그 제조 방법에 관한 것이다.
도전성 접착제는 인쇄 회로 기판 위에 도전 회로를 형성하는 경우, 액정 표시 장치(LCD), 플라즈마 표시 패널(PDP) 등에서 전극이나 집적 회로(IC) 칩을 형성하는 경우, 반도체 장치에서 소자와 전극을 접착시키는 경우, 태양 전지에서 전극을 형성하는 경우 등 다양한 전자 장치를 제조하는 과정에서 널리 사용되고 있다.
종래의 도전성 접착제는 주로 금(Au), 은(Ag), 카본(C) 등의 도전성 분말에 바인더, 유기용제 및 첨가제 등을 첨가하여 페이스트 상으로 혼합되어 제조되었다. 특히 높은 도전성이 요구되는 분야의 경우 금 분말, 은 분말, 팔라듐 분말 또는 이 들의 합금 분말을 주로 이용되고 있었다. 그 중 은 분말을 함유하는 도전성 페이스트는 도전성이 양호하여 인쇄 배선판, 전자부품 등의 배선층(도전층) 또는 전자부품의 전기회로나 전극의 형성에 주로 사용되어 왔지만, 이들은 고온 다습의 분위기 하에서 전계가 인가되면, 전기 회로나 전극에 이온 마이그레이션(ion migration) 현상이 발생하여 원하지 않는 부분에서 전극이나 배선이 단락되는 문제가 발생하였다. 또한 일반적으로 도통 저항이 우수한 도전성 접착제를 형성하기 위해서는 도전성 접착제 중 은 분말이 70 ~ 90 중량% 정도 포함되어야 하므로, 은 분말의 가격으로 인해 도전성 접착제의 가격도 높아지는 문제가 발생하였다. 특히 도전성 접착제가 다양한 전자 장치에 사용됨에 따라 사용량이 급격히 증가하였고, 이로 인해 은 분말을 대체하거나 은 분말의 사용량을 줄여 제조 단가를 낮추어야 할 필요성이 더욱 증가하였다. 아울러 은 분말 외에도 종래에 사용되던 금 분말, 팔라듐 분말의 가격 역시 고가이므로, 이의 사용량을 줄여 제조 단가를 낮추어야 할 필요성이 요구되었다.
이를 위해 은 분말에 비해 가격이 매우 저렴한 구리를 도전성 충전제로 사용하려는 시도가 있었다. 그러나 구리가 공기, 수분, 고열 또는 다른 산화제 등에 노출될 경우 산화구리(copper oxide)가 형성되어 이로 인해 도전성 접착제의 전기 전도도가 급격히 감소하는 문제점이 발생하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 도전성과 접착력이 우수한 도전성 접착제 및 그 제조 방법 및 이를 포함하는 장치를 제공하는 데 있다. 또한 도전성 접착제에 포함된 고가의 금속 분말을 구리 분말로 대체하거나 고가의 금속 분말의 사용량을 감소시켜 제조 원가가 낮으면서도 전기 전도성 및 접착력이 우수한 도전성 접착제 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 도전성 접착제는 금속 분말, Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말, 열경화성 수지를 포함하는 제1 바인더, 및 로진(rosin) 화합물을 포함하는 제2 바인더를 포함할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 도전성 접착제는 Cu, Ag, Au, Ni 및 Al로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 금속분말, Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말, Ag, Cu, Al, Ni, 팽창 흑연, 탄소 나노 튜브(CNT), 탄소, 및 그라핀으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 나노 분말, 열경화성 수지를 포함하는 제1 바인더, 및 로진 화합물을 포함할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 도전성 접착제의 제조 방법은 열경화성 수지와 로진 화합물에 수소화된 캐스트 오일, 실록산이미드, 액상 폴리부타디엔고무, 실리카, 아크릴레이트로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 첨가하여 개질하는 단계, 상기 열경화성 수지와 상기 로진 화합물에 금속 분말과, Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 혼합물을 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자 장치는 금속 분말, Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말, Ag, Cu, Al, Ni, 팽창 흑연, 탄소 나노 튜브(CNT), 탄소, 및 그라핀으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 나노 분말, 열경화성 수지를 포함하는 제1 바인더, 및 로진 화합물을 포함하는 제2 바인더를 포함하는 도전성 접착제를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 접착제는 저융점 합금 분말과 나노 분말을 금속 입자 사이에 분산시켜 우수한 전기 전도성 및 접착력을 나타낸다. 또한 본 발명에 따른 도전성 접착제의 제조 방법은 고가의 금속 분말을 구리 분말로 대체하거나 고가의 금속 분말의 사용량을 감소시켜 제조비용을 낮출 수 있다. 아울러 본 발명에 따른 도전성 접착제를 포함하는 전자 장치는 전기 전도성과 접착력이 우수한 도전성 접착제를 사용함으로써 전자 장치의 신뢰도를 높일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 제1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구별하여 설명하기 위해 사용되는 것일 뿐으로, 본원 발명의 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 "포함한다" 와 같은 용어는 명세서 상에 기재된 특징이나 단계 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의하지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
도전성 접착제
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제는 금속 분말, 저융점 합금 분말, 나노 분말, 열경화성 수지를 포함하는 제1 바인더 및 로진(rosin) 화합물을 포함하는 제2 바인더를 포함할 수 있다.
금속 분말로는 구리(Cu) 분말, 은(Ag) 분말, 금(Au) 분말, 니켈(Ni) 분말 및 알루미늄(Al) 분말 각각이 사용되거나 이들이 하나 이상 혼합되어 사용될 수 있다. 예를 들면 금속 분말로 구리 분말만이 사용되거나, 구리 분말과 은 분말이 함께 사용될 수 있다.
저융점 합금 분말로는 Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb 중 하나 이상의 물질이 사용된다. 즉 Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb 중 한 가지 물질이 사용될 수도 있고, 둘 이상의 물질이 혼합되어 사용될 수 있다. 저융점 합금 분말의 용융점은 138℃ ~ 187℃이며, 보다 바람직하게는 130℃ ~ 180℃이다. Sn/Bi의 융점은 137℃ ~ 138℃이고, Sn/Pb의 융점은 187℃이며, Sn/In의 융점은 148℃ ~ 155℃이다. 본 발명의 일 실시예에서는 Sn/Bi계 합금 분말을 사용할 수 있으며, 특히 가격이 저렴하고 융점이 낮은 Sn42/Bi58을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서 Sn42/Bi58은 Sn 40 중량%, Bi는 58 % 포함된 합금을 의미한다.
나노 분말로는 Ag, Cu, Al, Ni, 팽창 흑연, 탄소 나노 튜브(CNT), 탄소, 및 그라핀 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 본 발명에서 나노 분말은 입자 크기가 금속 분말이나 저융점 합금 분말 보다 작은 미세 분말을 의미하며, 나노 분말은 입자 크기가 10nm ~ 100nm인 분말을 의미한다. 분말의 내부에는 각각의 입자 크기 사이에는 미세한 차이가 있으나, 가장 많은 수의 입자가 분포하거나 평균 입자크기를 분말의 입자 크기로 볼 수 있다.
구리 분말, 저융점 합금 분말, 나노 분말은 구 형상 또는 플레이크상과 침상의 형상일 수 있다. 구리 분말, 저융점 합금 분말, 나노 분말 등은 일반적으로 구형이지만 각 입자가 완전한 구형이 아닌 경우 입자의 크기는 입자 내부를 통과하는 가장 긴 선분의 길이와 가장 짧은 선분의 길이의 평균값으로 정의한다. 각 입자가 구형에 가까운 경우 입자의 크기는 구의 지름 값에 가까워질 것이다.
구리 분말, 저융점 합금 분말, 나노 분말은 도전성 충전제의 역할을 하며, 각각의 입자 크기에 대한 한정은 없지만, 각각의 입자 크기는, 금속 분말의 입자 ≥ 저융점 합금 분말의 입자 ≥ 나노 분말의 입자이거나, 저융점 합금 분말의 입자 ≥ 금속 분말의 입자 ≥ 나노 분말의 입자의 관계로 이루어질 수 있으며, 구리 분말의 입자 크기 ≥ 저융점 합금 분말의 입자 크기 ≥ 나노 분말의 입자 크기의 관계를 갖는 것이 보다 바람직하다.
구리 입자 보다 입자 크기가 작은 저융점 합금 분말이 구리 입자 사이에 분산되어 저온(예를 들면, 138)에서 용융되어 액상화 된 후, 구리 입자 간의 공극 사이에 스며들어서 구리 입자 간을 결합시켜 전기 전도성과 접착력을 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한 저융점 합금 분말은 짧은 시간에 열경화되어 구리 입자의 공극 사이로 충분히 스며들지 못할 수 있으므로, 구리 입자나 저융점 합금 입자 보다 입자 크기가 더욱 작은 나노 분말이 구리 입자 사이에 잔여 공극을 채워 줌으로써 공극에 존재하고 있는 습도와 산소를 밖으로 밀어내어 금속분말의 부식과 고분자의 퇴화를 억제시키며 접착력과 전기 전도도를 더욱 높여 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제에서 구리 분말의 입자 크기는 0.05μm ~ 10μm일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.1μm일 수 있다. 구리 분말의 입자 크기가 0.05μm 이하이면 분산성이 좋지 않고, 입자의 크기가 10μm 이상이면 공극률이 커져서 입자 간의 접점이 줄어들고 이에 따라 전기 전도도가 낮아질 수 있다. 또한 저융점 합금 분말의 입자의 크기는 0.05μm~ 10μm일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.1μm일 수 있으며, 나노 분말의 입자 크기는 10nm ~ 100nm일 수 있고, 보다 바람직하게는 50nm일 수 있다. 나노 분말은 구리 분말, 저융점 분말 보다 입자의 크기가 작다.
제1 바인더로는 열경화성 수지가 사용된다. 열경화성 수지로는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolics), 멜라민 수지(melamine resin), 우레아 수지(urea resin), 불포화 폴리에스테르 수지(polyester, unsaturated polyester), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane), 알릴 수지(allyl resin) 및 열경화성 아크릴 수지, 페놀-멜라민 축중합수지, 요소멜라민 축중합 수지 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 열경화성 수지는 강한 접착력으로 구리 분말 간의 간극을 최소화하여 전도도를 향상시키는데 가장 중요한 역할을 한다.
제2 바인더로는 로진(rosin) 화합물이 사용된다. 로진 화합물로는 검 로진(gum rosin), 로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르 (Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 페놀 변성 로진 에스테르 (Phenol Modified Rosin Esters), 탤펜 페놀 공중합 수지, 말레산 변성 수지 및 아크릴 변성 수소 첨가 수지로 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 로진은 송진을 증류하여 얻는 천연 수지로 아비에트산를 주성분으로 하며, 네오아비에트산·레포피마르산·히드로아비에트산·피마르산·덱스톤산 등 수지산(樹脂酸)을 함유하는 물질을 의미한다. 로진 화합물은 활성제 등과 혼합되어 용제(flux)로 사용되며, 저융점 합금 분말의 솔더링을 활성화 시킨다. 또한 로진 화합물은 젖음성(wettability)을 향상 시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제가 접촉면에 도포된 후 열경화 될 때 저온(138℃ ~ 187℃)에서 먼저 저융점 합금 분말이 용융되어 액상으로 변하게 되며, 액상의 저융점 합금 분말은 접점 면과 구리 분말의 공극 사이에 분포하면서 제 1차 솔더링이 이루어진다. 그 후 150℃ ~ 200℃에서 열경화성 수지의 2차 경화에 의하여 수축이 이루어진다. 그 결과 접착성이 높아지며 기존의 전도성 접착제 보다 강한 접착력을 나타낼 수 있다. 한편 저융점 합금 분말이 짧은 시간 동안 용융됨에 따라 충분한 유동성을 갖지 못하여 도전성 충전제의 전도성이 떨어질 수도 있으므로 나노 분말을 더 포함하여 나노 분말이 구리 입자 사이에 분산되도록 하였다. 그 결과 나노 분말이 구리 분말과 저온 합금 분말 사이의 공극을 메우면서 브릿지 역할을 하여 저항이 최소화되고 전기 전도도가 증가될 수 있다.
이에 더하여 첨가제로 용매, 경화제, 활성제, 방청제(rust inhibitor), 환원제, 칙소제 및 점증제 등이 사용될 수 있다.
용매로는 글리시딜 에테르류(GLYCIDYL ETHERS), 글리콜 에테르류(GLYCOL ETHERS), 알파-테르피네올(alpha-Terpneol)로 중 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.
경화제로는 지방족 아민 경화제(에폭시 경화제), 산무수물계 경화제, 아미드계 경화제, 이다졸계 경화제, 잠재성 경화제 등이 사용될 수 있다. 특히 잠재성 경화제로는 디시안디아마이드(DICYANDIAMIDE), 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아(3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea)), 2-페닐-4-메틸-5-하이드록시메틸이미다졸, 아민 어덕트계 화합물, 디하이드라이드 화합물, 오니움염(설포늄염, 포 스포늄염 등), 비페닐에테르블락카본산, 다가카본산의 활성 에스테르가 사용될 수 있다. 잠재성 경화제는 경화제의 경화를 촉진시키는 경화 촉진제로써 경화 온도를 낮추고자 할 때 첨가함으로써 경화 속도를 조절할 수 있다.
활성제로는 숙신산(succinic acid), 아디픽산(ADIPIC ACID), 팔미트산(PALMITIC ACID), 3-불화붕소 에틸 아미드 착물, 부틸 아민 브롬화수소산염, 부틸 아민 염화수소산염, 에틸 아민 브롬화수소산염, 피리딘 브롬화수소산염, 시클로 헥실 아민 브롬화수소산염, 에틸 아민 염화수소산염, 1,3-디페닐 구아니딘 브롬화수소산염, 2,2-비스 하이드록시메칠 프로파이오닉산염, 2,3-디브로모-1-프로판올 중 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 활성제는 로진의 아비에트산의 기능을 도와 활성화시키는 역할을 한다. 로진의 주성분인 아비에트산은 저융점 합금 분말이 용융되어 쉽게 액상으로 변할 수 있게 도와주며, 전자 소자의 기판 면의 구리판에 형성된 산화피막을 거의 공차 없이 제거(청소)하여 저융점 합금 분말이 전자소자의 기판 면에 잘 접합되도록 한다. 그런데 도전성 접착제 중에서 저융점 합금 분말 외에도 제1 바인더와 구리 분말 등의 첨가물의 함량이 늘어나서 이와 같은 기능이 저해되는 경우 활성제는 상술한 아비에트산의 기능을 도와 활성화시킨다.
방청제(rust inhibitor)로는 아민계 방청제, 암모늄계 방청제 중 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 방청제는 열경화 시 용제 내에 존재하는 수분과용제가 기화되면서 흡수하는 수분과 대기 중 습도 및 금속분말 공극 사이에 존재하는 습도와 산소가 방출 될 때 100℃ 이상에서 서서히 기화되어서 습도와 산소를 제거하고 금속분말 외부에 착화합물이 형성되어 금속분말의 부식을 방지한다.
환원제로는 히드라진계와 알데하이드계 환원제가 사용될 수 있다. 환원제는 도전성 금속이 산화될 때 이를 환원시켜서 전기 전도성이 떨어지는 것을 방지하는 역할을 한다. 히드라진계 환원제는 히드라진, 히드라진 수화물, 히드라진 설페이트, 히드라진 카보네이트 및 히드라진 하이드로클로라이드를 포함한다.
그리고 알데하이드계 환원제는 포름알데하이드, 아세트알데하이드, 프로피온 알데하이드를 포함한다.
칙소제는 인쇄성을 향상시키기 위한 것으로 습윤성, 젖음성, 요변성을 상승 시켜서 접착제가 부드럽게 도포되고 신속하게 굳도록 할 수 있다. 칙소제로는 수첨 캐스트 왁스, 폴리 아마이드 왁스, 폴리 올레핀 왁스, 다이머산, 모노머산, 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산, 폴리아민아마이드 카르복실산염, 카나우바 왁스(CARNAUBA WAX), 콜로이드상 실리카, 벤토나이트계 점토가 사용될 수 있다. 점증제는 점도를 높이기 위해 사용하는 물질로서 점증제로는 에칠셀로우즈(ETHYL CELLULOSE), 하이드록시플로필 셀루로우즈(HYDROPROPYL CELLULOSE)가 사용될 수 있다. 한편, 저전압용 접착제와 고전압용 접착제의 경우 요구되는 저항 값이 서로 다르다. 예를 들면 저전압용 도전성 접착제는 반도체 칩 본딩에 사용되고 100mΩ~1000mΩ의 면저항이 요구되고 주로 접착력을 중요 시 하며, 고전압용 도전성 접착제는 50mΩ 미만의 면저항이 요구되고 접착력 보다 전기적 특성을 중요 시 한다. 이를 조절하기 위해서는 구리 분말, 저융점 합금 분말, 나노 분말의 함량을 적절하게 조절할 수 있다. 또한 필요에 따라 나노 분말은 첨가하거나 생략할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제에서는 금속 분말이 30 ~ 85 중 량%, 저융점 합금 분말이 5 ~ 50 중량%, 나노 분말이 3 ~ 13 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 제1 바인더, 제2 바인더, 및 첨가제를 포함한 유기 합성물은 7 ~ 15 중량% 포함되는 것이 바람직하다. 그러나 이는 일 실시예일 뿐 발명의 권리 범위를 한정하는 것은 아니다.
다른 일예로 전체 도전성 접착제 중 구리 분말은 61.6 중량%, 저융점 분말은 26.4 중량%, 나노 분말은 0 중량%, 제1 바인더는 1.25 중량%, 제2 바인더는 0.63 중량% 포함될 수 있으며, 나머지 부분은 첨가제가 포함될 수 있다. 한편 구리 분말의 양이 증가하는 경우 제1 바인더의 양도 증가시키고, 구리 분말의 양이 감소하는 경우 제1 바인더의 양도 감소시키고 제2바인더 양이 늘어나는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 도전성 접착제는 도전성 충전제로 금속 분말, 저융점 합금 분말, 나노 분말을 포함하며, 이 때 금속 분말로 구리 분말만을 포함할 수 있다. 그 외 제1 바인더 및 제2 바인더, 기타 첨가제는 상술한 실시예와 유사 또는 동일하게 포함할 수 있으며, 나노 분말은 필요에 따라 첨가하거나 생략할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도전성 접착제는 금속 분말로 구리 분말을 포함하며, 은 나노 분말을 함께 포함할 수 있다. 이 때 구리 분말의 입자 크기는 0.05μm ~ 10μm이고, 은 나노 분말의 입자 크기는 20nm ~ 100nm인 것이 바람직하다. 또한 전체 도전성 접착제 중 구리 분말은 50 ~ 90 중량%, 은 나노 분말은 5 ~ 20 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 한편 제1 바인더 및 제2 바인더, 기타 첨가제는 상술한 실시예와 유사 또는 동일하게 사용할 수 있으며, 나노 분말은 필요에 따 라 첨가하거나 생략할 수 있다.
아울러 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도전성 접착제의 경우 금속 분말로 은 분말만을 포함해서 사용할 수도 있다. 이때 은 분말의 입자 크기는 0.05μm ~ 10μm이고, 저융점 합금 분말의 입자 크기는 0.05μm ~ 10μm인 것이 바람직하다. 또한 전체 도전성 접착제 중 은 분말은 30 ~ 80 중량%, 저융점 합금 분말은 15 ~ 50 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 이때 은분말과 저융점 합금 분말으로 된 전도성 접착제는 은분말 전도성 접착제 보다 전기 전도도와 접착력이 우수하고 저융점 합금분말이 가격이 은(Ag) 보다 100배 이상 저렴하여 원가절감을 할 수 있다. 우수한 성능과 제1 바인더 및 제2 바인더, 기타 첨가제는 상술한 실시예와 유사 또는 동일하게 사용할 수 있으며, 나노 분말은 필요에 따라 첨가하거나 생략할 수 있다.
도전성 접착제의 제조 및 물성 평가
다음에, 이하의 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명의 도전성 접착제에 대해서 상세하게 설명하겠으나, 이는 어떠한 형태로건 본 발명을 한정하거나 제한하는 것은 아니다.
실시예 1 IC 칩 본딩 용 도전성 접착제의 제조
글리시딜 에테르 또는 글리콜에테르 류 중 분자량 150 이상, 비점 200℃ 이상인 물질 69.58 중량%를 용매로 사용하며, 제1 바인더로 EEW(epoxy equivalent weight)가 170~190(g/eq)인 페놀 노보락 에폭시(Phenol Novolac Epoxy Rosen) 10.40 중량%와 제2 바인더로 수소 첨가 로진(수첨로진) 5.30 중량%를 100℃ 미만에서 교반시키며 용해시킨 후, 산무수물계 경화제로 3 또는 4-메틸-1,2,3,6-테트라하이드로프탈릭 무수물(3 or 4-methyl-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride) 5 중량%와 잠재성 경화제 디시안디아마드(DICYANDIAMIDE) 1.15중량%를 80℃ 이상에서 교반시키며 용해시킨다. 그 후, 활성제로서 에틸아민브롬화수소산염 0.10 중량%와 부틸아민염화수소산염 0.17 중량% 및 아디핀산(adipic acid) 3.80 중량%를 100℃에서 가온, 교반하여 용해시켜 용제(flux)를 제조한다. 상기 제조 된 용제(flux)에 안정화제로서 트리에탄올아민(TEA) 1.5 중량%, 아졸계 기화성 방청제 0.5 중량%와 환원제 히드라진 0.5 중량%를 첨가하고 80℃에서 가온시키면서 교반하여 용해시킨 후, 칙소제와 점증제로 수첨 캐스트왁스 1.5 중량%와 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산 0.5 중량%를 첨가하여 점도를 조절하여 합성물을 제조하였다.
상기 완성된 합성물 100g에 구리 분말(1 ~ 3μm) 513.33g 과 SnBi 분말 220g(1 ~ 5μm)을 혼합하고 교반 탈포한 후 3-Roll Mill(롤 간극 5μm)에서 분산하여 도전성 접착제를 제조하였다.
실시예 2 스루홀 필링용 도전성 접착제의 제조
글리시딜 에테르 또는 글리콜 에테르 류 중 분자량 150 이상, 비점 200℃ 이상인 물질 47.68 중량%를 용매로 사용하여, 제1 바인더로 EEW가 184~190(g/eq)인 비스페놀 A의 다이글리시딜 에테르(diglycidyl ether of bisphenol-A) 13.38 중량%와 제2 바인더로 수소 첨가 로진(수첨로진) 10.39 중량%를 100℃ 미만에서 교반하며 용해시킨 후, 제3 바인더 겸 경화제로 페놀-멜라민 축중합수지 10.00 중량%에 산무수물계 경화제로 3 또는 4-메틸-1,2,3,6-테트라하이드로프탈릭 무수물(3 or 4-methyl-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride) 5 중량%와
경화 촉진제로 3차 아민계 경화제인 2,4,6-트리(디메틸아미노메틸)페놀(2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)phenol) 1.15 중량%를 100℃ 미만에서 교반시키면서 용해시킨다. 그 후, 활성제로 에틸아민브롬화수소산염 0.15 중량%와 부틸아민염화수소산염 0.25 중량% 및 아디핀산(adipic acid) 4.50 중량%를 100℃ 미만에서 가온, 교반하여 용해시켜 용제(Flux)를 제조한다. 상기 제조된 용제에 안정화제로 트리에타놀아민(TEA) 2.5 중량%, 방청제로 아졸계 기화성 방청제 0.5 중량% 및 환원제로 히드라진 0.5 중량%를 첨가하고 150℃에서 가온시키면서 교반하여 용해시킨 후, 칙소제와 점증제로 수첨 캐스트왁스 2.5 중량%와 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산 1.5 중량%를 첨가하여 점도를 조절하여 합성물을 제조하였다. 상기 완성된 합성물 100g에 충전제로 구리 분말(1 ~ 3μm) 373.33g 과 SnBi 분말 350g(1 ~ 5μm)과 은 나노 분말(0.1μm) 70g을 혼합한 후 첨가하여 교반 탈포 한 후 3-Roll Mill(롤 간극 5μm)에서 분산하여 도전성 접착제를 제조하였다.
실시예 3 EMI 용 도전성 접착제의 제조
바인더로 EEW가 190~220(g/eq)인 고성능 에폭시 수지 33.38 중량%를 수첨 캐 스트 왁스 5 중량%에 개질 한 후, 글리시딜 에테르 또는 글리콜에테르 류 중 분자량 150 이상, 비점 200℃ 이상인 물질을 48.47 중량%를 용매로 사용하여 80℃ 미만에서 용해시킨 후, 경화제로 디시안디아마드(DICYANDIAMIDE) 3 중량%를 첨가하고,경화 촉진제로 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아(3-(3,4-dichlrophenyl)-1,1-dimethylurea) 1.15 중량%를 첨가하고, 분산제로 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노올리에이트(Polyoxyethyelene Sorbitan Monooleate)를 1.00 중량% 첨가 후 80℃ 미만에서 교반시키면서 용해시킨다. 그 후, 안정화제로 트리에탄올아민(TEA) 2.5 중량%, 방청제로 아졸계 기화성 방청제 1.50 중량%, 환원제로 히드라진 1.00 중량%를 첨가하고 100℃에서 가온시키면서 교반하여 용해시킨다. 그 다음 칙소제와 점증제로 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산 1.5중량%와 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산 1.5 중량%를 첨가하여 점도를 조절하여 합성물을 제조하였다.
상기 완성 된 합성물 100g에 충전제로 구리 분말(1 ~ 3μm) 723.33g 과 은 나노 분말(0.1μm) 70g 을 혼합한 후 첨가하여 교반 탈포한 후 3-Roll Mill(롤 간극 5μm)에서 분산하여 도전성 접착제를 제조하였다.
비교예 1 종래의 도전성 접착제
시판되고 있는 은 전도성 접착제(Ablestik사 제조, 제품명:ABLEBOND 8390) 를 준비하였다.
비교예 2 종래의 도전성 접착제
시판되고 있는 은 전도성 접착제(미쯔이사 제조, 제품명: MSP-812B)를 준비하였다.
실험예 1 전도성 접착제 평가항목(IC칩 본딩)
비교예 1의 접착제와 실시예 1의 접착제를 IC칩 위에 디스펜서 형 실장기를 이용하여 도포한 후, 오븐을 이용하여 175℃에서 15분간 경화시켰다. 그 후 점도, 접합강도, 면저항, 경도를 측정하였고, 저온고온충격실험(TC), 항온항습편향실험(THB) 등에서 저항 변화가 있는지 여부를 측정하였다. 표 1은 시험 항목과 시험 결과를 나타낸다. 표 1을 참조하면, 실시예 1의 접착제는 점도, 접합강도, 면저항, 경도, 저온고온충격실험(TC), 항온항습편향실험(THB) 결과에서 요구 기준을 만족시키거나 요구 기준에 근접한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 특히 실시예 1의 접착제는 점도 및 접합강도에서 비교예 1의 접착제 보다 우수한 특성을 나타낸다.
| 항목 | 비교예 1 | 실시예 1 | 요구 기준 | 측정 방법 | 장비 |
| 점도/T.I | 55kcps /0.55 | 65kcps /0.60 | 60± 10kcps /0.5~0.6 | 25℃, 5rpm (JIS Z 3284) | Brookfield HBDV2+pro |
| 접합강도 | 25 N/㎟ | 38 N/㎟ | 20 N/㎟ | KS M 3721 | 1605 HTP Aikoh사 |
| 고온저온 충격실험 (TC) | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | -65℃ 30분 ↔ 10 분 ↔150℃ 30 분/1,000 회 (JIS C 0027) | T/C장비 |
| 항온 항습 편향 실험 (THB, Temperature-Humidity bias test) | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | 85℃/85% 3.6V 1,000hr (JIS C0022) | 항온 항습기 |
| 면저항 | 450mΩ | 320mΩ | 400mΩ | 4극점 면저항 측정 | 저 저항측정기 |
| 경도 | 28 HVI | 36 HVI | 25~35 HVI | Advanced frictionless loading shaft mechanism | 비커스 경도계 (Vickers Hardness Tester HVS-50 5-2900HVI) |
실험예 2 전도성 접착제 평가항목(스루홀 필링용)
비교예 2의 접착제와 실시예 2의 접착제를 인쇄회로기판(PCB) 위에 메탈 마스크를 이용하여 스크린 방식으로 도포한 후 오븐에서 경화시켰다. 그 후 점도, 접합강도, 면저항, 경도를 측정하였고, 열충격시험냉열순환(TC)실험, 항온항습편향실험(THB) 등에서 저항 변화가 있는지 여부를 측정하였다. 표 2는 시험 항목과 시험 결과를 나타낸다. 표 2를 참조하면, 실시예 2의 접착제는 점도, 접합강도, 면저항, 경도, TC 실험, 항온항습편향실험(THB) 결과에서 요구 기준을 만족시키거나 요구 기준에 근접한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 특히 실시예 2의 접착제는 점도, 접합강도 및 경도에서 비교예 2의 접착제 보다 우수한 특성을 나타낸다.
| 항목 | 비교예 2 | 실시예 2 | 요구 기준 | 측정 방법 | 장비 |
| 점도/ 칙소(T.I) | 273kcps /0.60 | 320kcps /0.65 | 350± 50kcps /0.6~0.7 | 25℃, 10rpm (JIS Z 3284) | Brookfield HBDV2 + pro |
| 접합강도 | 15 N/㎟ | 20N/㎟ | 15N/㎟ | KS M 3721 | 1605 HTP Aikoh사 |
| 열충격시험냉열순환 | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | -65℃ 30분 ↔ 10 분 ↔150℃ 30 분/1,000 회 (JIS C 0027) | T/C장비 |
| 항온항습 편향실험 (THB, Temperature-Humidity bias test) | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | 저항변화 없음 | 85℃/85% 3.6V 1,000hr (JIS C0022) | 항온 항습기 |
| 면저항 | 7mΩ | 12mΩ | 10mΩ± 3 | 4극점 면저항 측정 (HIOKI 3541) | 저 저항측정기 |
| 경도 | 55HVI | 36 HVI | 45HVI | Advanced frictionless loading shaft mechanism | 비커스 경도계 (Vickers Hardness Tester HVS-50 5-2900HVI) |
| 경화조건 | 185℃/40분 | 185℃/40분 | 170℃/20분 | 열풍 2단경화 (1차80℃, 2차185℃) | 오븐 |
실험예 3 전도성 접착제 평가항목(EMI 용)
실시에 3에서 제조한 전도성 접착제의 물성을 평가한 결과 점도 400Kcps(브룩필더 25도, 10 PPM), 칙소성 6.8cp, 면저항 850mΩ을 나타내었으며, 이는 EMI용으로 사용할 수 있다.
도전성 접착제의 제조 방법
이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제의 제조 방법을 나타낸 개략 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제의 제조 방법은 용제, 바인더 및 첨가제를 혼합하는 단계(S11), 충전제를 혼합-교반시킨 후 탈포하는 단계(S12), 상기 혼합물을 3-Roll Mill에서 분산시키고 탈포하는 단계(S13) 및 제조한 도전성 접착제를 출고검사 및 포장하는 단계(S14)를 포함한다.
상기 S11 단계에서는 열경화성수지와 로진을 용매에 용해시키면서 개질제, 칙소제, 활성제, 방청제 등을 첨가하여 유기합성물을 만든 후 온도를 상온 이하로 내리고 숙성 시킨다. 특히 열경화성 수지와 로진 화합물은 강인성이 약하여 강한 충격에 접합면이 깨어져 부품이 단락될 수 있으므로, 수소화된 캐스트 오일, 실록산이미드, 액상 폴리부타디엔고무, 실리카, 아크릴레이트 중 적어도 하나 이상의 물질을 첨가하여 개질하는 것이 바람직하다. 상기 S12 공정에서는 충전제인 금속분말, 저융점 합금분말, 나노분말을 넣고 교반기에서 혼합한 후 탈포한다. 그 후 상기 S13 공정에서는 교반기에서 혼합한 물질을 3-Roll Mill에서 분산시킨다. 마지막으로 상기 S14 공정에서는 제조된 도전성 접착제를 성능을 테스트하고 출고 검사를 마친 후 포장한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제의 제조 방법에서 금속 분말로는 구리, 은 또는 구리와 은의 혼합물이 사용될 수 있으며, 금속 분말의 입자 크기는 0.05μm~ 10μm인 것이 바람직하다. 저융점 합금 분말의 입자 크기는 0.05μm~ 10μm인 것이 바람직하며, 저융점 합금 분말로는 Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb 중 하나 이상의 물질이 사용된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제의 제조 방법에서는 Sn42/Bi58 합금 분말이 사용될 수 있다. 나노 분말로는 Ag, Cu, Al, Ni, 팽창 흑연, 탄소 나노 튜브(CNT), 탄소, 및 그라핀으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있으며, 나노 분말의 입자 크기는 10nm~100nm인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제 제조 방법에서 열경화성 수지로 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolics), 멜라민 수지(melamine resin), 우레아 수지(urea resin), 불포화 폴리에스테르 수지(polyester, unsaturated polyester), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane), 알릴 수지(allyl resin) 및 열경화성 아크릴 수지, 페놀-멜라민 축중합수지, 요소멜라민 축중합 수지 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 또한 로진 화합물로 검 로진(gum rosin), 로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르 (Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 페놀 변성 로진 에스테르 (Phenol Modified Rosin Esters), 탤펜 페놀 공중합 수지, 말레산 변성 수지 및 아크릴 변성 수소 첨가 수지로 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.
그 외 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제의 제조 방법은 필요에 따라 다가 알코올계 용매, 경화제, 활성제, 방청제(rust inhibitor), 환원제, 칙소제, 점증제 등을 함께 또는 각각 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전자 장치
상기와 같이 제조된 도전성 접착제는 반도체 스루(through) 홀 접합(bonding), 플라즈마 표시 패널 전극의 형성, 전극 위에 반도체 소자 형성, 액정 표시 장치 위에 구동 칩 형성, 태양전지 전극 형성, 인듐-틴-옥사이드(ITO) 전극 대체, 인쇄 회로 기판 용 접합 등 다양한 전자 장치에서 사용될 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제를 포함한 반도체 장치를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(100)는 기판(110), 기판(110) 위에 형성된 전극(120), 도전성 접착제(130) 및 반도체 소자(140)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(100)에서 도전성 접착제(130)는 전극(120)과 반도체 소자(140)를 접착시키며, 전기적으로 연결하여 반도체 장치(100)가 기능을 발휘할 수 있도록 한다. 도전성 접착제(130)를 접합면인 전극(120) 위에 도포한 후 경화시켜 전극(120)과 반도체 소자(140)를 접합시킬 수 있다. 도포 방법으로는 주로 스크린 인쇄, 스프레이, 딥핑, 디스펜서 등의 방법이 사용될 수 있다. 이상에서는 반도체 장치를 예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 권리 범위는 반도체 장치에만 한정되는 것은 아니고 본 발명에 따른 도전성 접착제를 포함하는 전자 장치에 해당한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제의 제조 방법을 나타낸 개략 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 접착제를 포함한 반도체 장치를 나타낸 단면도이다.
Claims (20)
- 금속 분말;Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말;Ag, Cu, Al, Ni, 팽창 흑연, 탄소 나노 튜브(CNT), 탄소, 및 그라핀으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 나노 분말;열경화성 수지를 포함하는 제1 바인더; 및로진(rosin) 화합물을 포함하는 제2 바인더를 포함하는 도전성 접착제.
- 제1 항에 있어서, 상기 금속 분말은 Cu, Ag, Au, Ni 및 Al로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 바인더는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolics), 멜라민 수지(melamine resin), 우레아 수지(urea resin), 불포화 폴리에스테르 수지(polyester, unsaturated polyester), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane), 알릴 수지(allyl resin), 열경화성 아크릴 수지, 페놀-메라민축 중합수지, 요소-멜라민 축중합수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
- 제1 항에 있어서, 상기 제2 바인더는 검 로진(gum rosin), 로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르(Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 페놀 변성 로진 에스테르(Phenol Modified Rosin Esters), 탤펜 페놀 공중합 수지, 말레산 변성 수지 및 아크릴 변성 수소 첨가 수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
- 제1 항에 있어서, 상기 도전성 접착제는 방청제를 더 포함하며, 상기 방청제는 아민계 화합물 또는 암모늄계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
- 삭제
- 제1 항에 있어서, 상기 금속 분말, 상기 저융점 합금 분말 및 상기 나노 분입의 입자 크기는, 금속 분말의 입자 ≥ 저융점 합금 분말의 입자 ≥ 나노 분말의 입자이거나, 저융점 합금 분말의 입자 ≥ 금속 분말의 입자 ≥ 나노 분말의 입자의 관계로 이루어지는 도전성 접착제.
- 제1 항에 있어서, 상기 도전성 접착제 중 상기 금속 분말은 30 ~ 85 중량%, 상기 저융점 합금 분말은 5 ~ 50 중량%, 상기 나노 분말은 3 ~ 13 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
- 제1 항에 있어서, 상기 금속 분말은 구리 분말만으로 이루어진 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
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- 열경화성 수지와 로진 화합물에 수소화된 캐스트 오일, 실록산이미드, 액상 폴리부타디엔고무, 실리카, 아크릴레이트로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 첨가하여 개질하는 단계;상기 열경화성 수지와 상기 로진 화합물에 금속 분말과, Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말과, 입자의 크기가 10nm ~ 100nm이고, Ag, Cu, Al, Ni, 팽창 흑연, 탄소 나노 튜브(CNT), 탄소, 및 그라핀으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 나노 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및상기 혼합물을 분산시키는 단계를 포함하는 도전성 접착제의 제조 방법.
- 삭제
- 금속 분말;Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 저융점 합금 분말;Ag, Cu, Al, Ni, 팽창 흑연, 탄소 나노 튜브(CNT), 탄소, 및 그라핀으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 나노 분말;열경화성 수지를 포함하는 제1 바인더; 및로진 화합물을 포함하는 제2 바인더를 포함하는 도전성 접착제를 포함하는 전자 장치.
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