KR102389258B1 - 고온 안정성과 필렛특성이 개선된 접합 페이스트 및 그의 제조방법 - Google Patents

고온 안정성과 필렛특성이 개선된 접합 페이스트 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접합 페이스트 및 이의 제조방법과 관련된다. 본 발명은 실시예로, 산소로 표면처리되고 평균 입경이 2~6㎛인 구리로 이루어지는 제1금속분말, 평균 입경이 20~40㎛이고 주석-은-구리 합금으로 이루어지는 제2금속분말 및 상기 제1금속분말 및 상기 제2금속분말을 혼합시키는 플럭스 성분을 포함하는 접합 페이스트 및 이의 제조방법을 제시한다.

Description

고온 안정성과 필렛특성이 개선된 접합 페이스트 및 그의 제조방법{Bonding paste with improved high temperature stability and fillet characteristics and manufacturing method thereof}
본 발명은 접합 페이스트에 관한 것으로서 상세하게는 반복 리플로우 공정에서 고온 안정성을 가진 접합 페이스트 및 그의 제조방법과 관련된다.
반도체 공정이나 PCB 제조에 사용되는 접합 페이스트는 솔더페이스트, 땜납페이스트, 솔더크림이라고도 하며, 솔더 분말에 플럭스를 혼합하여 페이스트 모양으로 만든 것으로서, 프린트 배선기판의 납땜에 사용된다. 납땜할 부분에 스크린 인쇄법에 따라 접합 페이스트를 도포하고 가열하여 납땜을 할 수 있다.
최근에는 반도체 및 디스플레이의 배선판이 고밀도화되고 고성능화되고 있다. 이에 따라 소자들의 표면실장률을 높이기 위해 리플로우(reflow) 공정을 반복하거나 배선판을 복수층으로 적층하는 방식으로 공정이 진행되고 있다.
하지만 이 경우 초기에 접합한 접합 페이스트가 재용융되는 경우가 발행할 수 있고 이는 단락, 단선 또는 칩의 이동을 일으켜 불량을 유발하는 문제가 발생하고 있다. 한편 재용융 문제의 해결에만 치우칠 경우 접합 페이스트의 흐름성이 나빠져 용융시 접합 부위의 필렛(솔더가 소자와 접촉하는 높이)이 낮게 생성되거나 빈 공간(void)이 발생할 수도 있다.
따라서 리플로우 공정을 반복하거나 배선판을 복수로 적층하는 방식을 사용하는 경우에도 초기에 접합한 접합 페이스트는 재용융되지 않고 안정적으로 납땜이 가능하도록 하는 동시에 리플로우 공정시 페이스트의 흐름성이 우수하여 접합 부위에 높은 필렛을 형성하면서 빈 공간의 형성을 최소화하기 위한 방안이 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0086809호 (2007.08.27)
본 발명은 솔더 분말에 산소로 표면 처리된 2종의 구리 분말을 포함시켜 접합 페이스트를 구성함으로써 납땜을 위한 접합 페이스트의 최초 용융온도를 230℃ ~ 250℃ 정도로 하고 반복 공정 투입시에는 동일한 온도에서 재용융되지 않으며 접합 부위에 높은 필렛을 형성하면서 빈 공간의 형성을 최소화할 수 있는 접합 페이스트를 제시한다. 또한 이러한 접합 페이스트를 제조하는 방법을 제시한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 구 형상의 구리가 산소로 표면처리되어 이루어지는 제1금속분말, 플레이크 형상의 구리가 산소로 표면처리되어 이루어지는 제2금속분말, 주석을 포함하는 합금으로 이루어지고 납땜 재료로 사용되는 제3금속분말 및 환원제를 포함하고, 상기 제1금속분말, 상기 제2금속분말, 상기 제2금속분말을 혼합시키는 플럭스 성분을 포함하는 접합 페이스트를 제시한다.
여기에서, 상기 제1금속분말의 평균 입경은 2 내지 6㎛이고, 상기 제2금속분말의 평균 입경은 4 내지 12㎛일 수 있다.
또한 상기 제2금속분말은, 산소농도가 1500 내지 2000ppm이 되도록 표면처리될 수 있다.
또한 상기 제1금속분말은, 산소농도가 600 내지 2000ppm이 되도록 표면처리될 수 있다.
한편 위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 구형의 구리로 이루어진 제1구리분말과 플레이크 형상의 구리로 이루어진 제2구리분말을 준비하는 제1단계, 상기 제1단계에서 준비된 제1구리분말에 산소 농도 조절을 위한 표면 처리 공정을 수행하여 산소로 표면 처리된 구리분말을 얻는 제2단계, 상기 제1단계에서 준비된 제2구리분말에 산소 농도 조절을 위한 표면 처리 공정을 수행하여 산소로 표면 처리된 구리분말을 얻는 제3단계, 주석-은-구리(SnAgCu) 합금 솔더 분말을 준비하는 제4단계, 폴리비닐알코올(PVA)계 수용성 고분자, 알코올류, 아민류 및 수용성 용매를 혼합하여 플럭스 성분을 준비하는 제5단계, 표면 처리된 상기 제1구리분말과 상기 제2구리분말 및 플럭스성분을 교반기를 통해 혼합하는 제6단계 및 상기 제6단계에서 혼합된 성분을 페이스트 믹서를 사용하여 균일 혼합하는 제7단계를 포함하는 접합 페이스트 제조방법을 제시한다.
여기에서 상기 제1단계에서는, 상기 제2구리분말은 두께가 크기의 5~30%가 되도록 가공하여 준비하고, 상기 제2단계에서는, 상기 제1구리분말과 상기 제2구리분말은 추가적인 산화를 방지할 수 있도록 유기물이나 무기물로 표면코팅 처리될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트는, 반복 및 복합 또는 다단계 리플로우 공정에서 초기 접합에 필요한 공정 온도는 일반적인 접합 페이스트와 동일하지만 접합이 완료된 후에는 본딩 상태가 안정됨으로써, 2차, 3차 또는 복층의 리플로우 공정을 적용할 때 초기 접합 온도에 도달하여도 재용융되지 않는다. 또한 접합 부위에 높은 필렛을 형성하면서 빈 공간의 형성을 방지할 수 있다. 이에 따라 실장된 칩의 이동에 의한 불량을 방지할 수 있고 미세패턴에서 재용융에 따라 분리된 전극들이 접촉하는 것을 예방할 수 있다.
나아가 본딩된 접합 페이스트 성분이 고온에서 재용융되어 흐르는 것을 방지할 수 있기 때문에 미세패턴 구현이 가능하게 되고 고집적화 다기능 반도체를 설계하는 것이 가능해 진다.
그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트를 나타내는 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트를 제조하는 방법을 나타내는 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트에 대하여 리플로우 공정을 반복했을 때 접합 페이스트의 형상 변화를 나타낸 도면.
도 4는 일반적인 접합 페이스트에 대하여 리플로우 공정을 반복했을 때 접합 페이스트의 형상 변화를 나타낸 도면.
도 5는 반복 리플플로우 안정성의 평가 정도를 나타내는 도면.
도 6은 필렛특성의 평가 기준을 설명하기 위한 도면.
도 7은 실시예 1, 실시예 10 및 실시예 17에 따른 접합 페이스트의 필렛 특성을 나타낸 도면.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 페이스트 및 그의 제조방법에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일유사한 구성에 대해서는 동일유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트는 제1금속분말, 제2금속분말, 제3금속분말 및 플럭스 성분을 포함한다.
제1금속분말은 산소로 표면처리된 구 형상의 구리로 이루어지고, 제2금속분말은 산소로 표면처리된 플레이크 형상의 구리로 이루어진다. 한편 제3금속분말은 주석을 포함하는 합금으로 이루어진다. 여기에서 플럭스(flux) 성분은 환원제를 포함하고 제1금속분말, 제2금속분말 및 제3금속분말을 혼합시킨다.
이러한 접합 페이스트는 산소로 표면처리된 구리로 이루어진 제1금속분말과 제2금속분말이 주석을 포함하는 합금으로 이루어진 제3금속분말에 혼합됨으로써 소자의 접합 공정 중 리플로우 공정에서 주석(Sn) 입자가 구리(Cu) 입자 표면에서 1차적으로 녹으면서 제1금속분말 및 제2금속분말의 표면에 CuSn 조성의 열적 안정성이 확보된 합금층이 형성된다.
이때 플럭스 성분 내에 함유된 환원제는 구리 입자 표면에 존재하는 용존산소와 반응함으로써 CuSn 합금의 생성속도를 증가시킨다.
이와 같이 1차 리플로우 공정을 수행한 후 형성된 접합층은 신규로 생성된 CuSn 조성을 가지게 되므로 재용융 온도가 높아지고 이후 반복하여 리플로우 공정을 수행할 때 재용융되는 것을 방지할 수 있어 열적안정성을 확보할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트를 구성하는 각 성분에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트를 나타내는 개념도이다.
제1금속분말(1)은 산소로 표면처리된 구형의 구리(Cu) 분말로 이루어 지고, 제2금속분말(2)은 산소로 표면처리된 플레이크형 구리(Cu) 분말로 이루어진다.
구리는 전기 및 열 전도성이 우수하고 비교적 무르며, 연성과 전성이 매우 크다. 구리는 화학 반응성이 제법 큰 편으로, 건조한 공기에서는 거의 산화되지 않으나 습한 공기 중에서는 산화될 수 있다. 한편 구리의 녹는점은 1084.6℃로서 높은 편이다. 따라서 이러한 구리의 성질을 이용하기 위하여 본 발명에서는 구리를 산소로 표면처리하였다.
산소로 표면처리된 제1금속분말과 제2금속분말은 산소에 의해 리플로우 공정에서 용융이 가능하다. 또한 한번 용융되고 굳은 다음에는 재용융이 어렵게 된다. 이러한 제1금속분말과 제2금속분말에 의해 접합 페이스트는 재용융안정성을 가지게 된다.
서로 다른 형태와 크기를 가진 2개의 분말에 의해 다양한 조건에서 재용융안정성을 갖게 할 수 있다. 특히 제2금속분말은 재용융안정성 뿐만 아니라 접합면의 필렛특성을 향상시키는 성분으로 작용할 수 있다.
제2금속분말은 플레이크 형태로서 같은 질량일 경우 구형에 비해 크기와 표면적을 크게 할 수 있다. 이에 따라 용존산소량을 크게 할 수 있고 신속하게 용융될 수 있으며 제3금속분말이 제2금속분말을 따라 용이하게 흐를 수 있다. 따라서 높은 필렛을 형성할 수 있다.
이와 같은 제1금속분말과 제2금속분말에 있어서, 제1금속분말의 평균입경은 2 내지 6㎛이고, 제2금속분말의 평균 입경은 4 내지 12㎛임이 바람직하다.
제1금속분말의 평균입경이 2㎛ 미만이거나 제2금속분말의 평균입경이 4㎛ 미만인 경우 각 금속분말의 적절한 용존산소량을 유지하기 어렵다. 이에 따라 요구되는 용존산소량을 유지하기 위해 추가 공정 및 비용이 발생하게 되므로 경제적이지 못하다.
한편 제1금속분말의 평균입경이 6㎛를 초과하거나 제2금속분말의 평균입경이 12㎛를 초과하는 경우에는 입자의 크기가 너무 커서 흐름성이 좋지 않게 된다.
한편 제2금속분말은 두께/크기의 비가 5~30%가 되도록 가공하는 것이 바람직하다. 이는 제2금속분말이 크기에 비해 두께가 두꺼워질 경우(30% 초과), 용융이 어렵게 되어 솔더페이스트의 필렛특성을 저해하는 요소로 작용하게 되기 때문이다. 또한 제1금속분말과 제2금속분말은 산화 방지를 위한 유기물 또는 무기물로 표면 코팅 처리를 함이 바람직하다.
이때 제2금속분말의 산소농도는 1500~2000ppm이 되도록 함이 바람직하다. 제2금속분말의 용존산소량이 1500ppm 미만이면 접합을 위한 리플로우 공정에서 제3금속분말이 먼저 융해되어 제1금속표면과 접촉되어 열을 전달할 때, 이종합금 반응(CuSn 생성반응)을 위한 추가적인 에너지 활성이 약해져서 신규 이종합금 성분의 생성률이 저하되게 되므로 고온안정성 특성과 흐름성이 감소하게 된다.
한편 제2금속분말의 용존산소량이 2000ppm을 초과하는 경우에는 접합을 위한 리플로우 공정에서 제2금속분말이 먼저 융해되어 제1금속분말의 표면과 접촉하면서 열을 전달할 때, 플럭스 성분의 환원제와 반응이 증가하고 이종합금 반응이 감소하게 되므로 고온안정 특성과 흐름성이 감소하게 된다.
또한 제1금속분말 역시 상술한 바와 같은 특성을 감안하여 설정할 수 있으며 600~2000ppm이 되도록 함이 바람직하다.
한편 제1금속분말과 제2금속분말로서 구리 분말 외에 은 분말을 고려할 수 있으나 구리와 비교하였을 때 많은 함량을 필요로 하고 고온안정 특성도 구리에 비해 높지 않다.
제3금속분말(3)은 주석을 포함하는 합금으로 이루어진다. 제3금속분말은 일반적인 주석-은-구리 합금의 솔더 분말을 사용할 수 있고 용융온도가 230℃ 내외로 낮은 편이다.
한편 제3금속분말의 평균입경에는 큰 제한이 없지만 예를 들어 1~40㎛일 수 있고, 20~40㎛의 비교적 큰 평균 입경을 가지고 있어도 무방하다. 제3금속분말의 함량은 솔더페이스트 전체에 대하여 75~85중량%인 것이 바람직하다.
플럭스 성분(4)은 환원제를 포함하고, 제1금속분말, 제2금속분말 및 제3금속분말이 혼합되도록 하며 페이스트 형태를 형성한다.
여기에서 플럭스 성분은 폴리비닐알코올(PVA)계 수용성 고분자, 알코올류, 수용성 용매를 혼합하고 환원제로서 아민류의 화합물이 포함되어 이루어질 수 있다.
플럭스 성분은, 환원제를 함유하여 리플로우 공정 중 제1금속분말 및 제2금속분말의 표면에 존재하는 용존산소와 환원반응에 의해 제1금속분말 및 제2금속분말의 표면온도를 상승시키는 한편 1차로 발열된 제3금속분말의 융해열을 전달함으로써 제1금속분말 및 제2금속분말의 표면이 순간적으로 액상이 되도록 한다.
이러한 열에 의해 제1금속분말 및 제2금속분말의 표면에는 제3금속분말의 성분(주석)과 제1금속분말, 제2금속분말의 성분(구리)의 합금(CuSn)이 형성되게 된다.
이와 같이 제1금속분말과 제2금속분말에 대하여 산소 농도를 제어하는 표면처리를 수행함으로써 융점이 높은 제1금속분말과 제2금속분말의 표면을 기존의 리플로우 공정과 유사한 온도에서 순간적으로 액화시키는 것이 가능하고 표면이 액화된 제1금속분말과 제2금속분말이 기존 솔더 금속성분인 제3금속분말과 합금화되어 부품을 부착시키는 접착제 역할을 할 수 있다.
또한 부착이 완료된 후에는 합금화된 제1금속분말, 제2금속분말 및 제3금속분말이 융점이 높은 금속 성분의 성질을 갖게 되어 동일 온도 조건에서 재용융되지 않게 된다.
이에 따라 리플로우 공정시 기존에 접착된 솔더가 재용융이 되지 않도록 안정성이 확보된 접합 페이스트(100)를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트를 제조하는 방법은, 제1금속분말과 제2금속분말을 준비하는 제1단계(S10), 산소로 표면 처리된 제1금속분말을 얻는 제2단계(S20), 산소로 표면처리된 제2금속분말을 얻는 제3단계(S30), 주석-은-구리 합금 솔더 분말을 준비하는 제4단계(S40), 환원제가 포함된 플럭스 성분을 준비하는 제5단계(S50), 각 성분을 1차 혼합하는 제6단계(S60) 및 각 성분을 균일 혼합하는 제7단계(S70)를 포함한다.
제1단계에서는 제1금속분말로서 평균 입경이 2~6㎛인 구리 분말을 준비하는 한편 제2금속분말로서 평균 입경이 4~12㎛인 구리 분말을 준비한다.
제2단계와 제3단계에서는 제1단계에서 준비된 2종의 구리 분말에 산소 농도 조절을 위한 표면 처리 공정을 각각 수행하여 산소로 표면 처리된 2종의 구리 분말을 얻는다.
산소로 표면을 처리함에 따라 구리 분말은 기존의 리플로우 공정온도인 230~250℃ 조건에서 순간적으로 입자 표면이 액상으로 상변화를 하는 것이 가능해 진다.
한편 제2단계와 제3단계는 구리 분말의 표면 산소 농도를 조절하는 단계와 구리 분말 표면의 산화방지를 위한 방청코팅을 하는 단계를 포함할 수 있다.
이때 제1금속분말의 산소농도는 600 ~ 2000ppm으로 조절하는 것이 바람직하고, 제2금속분말의 산소농도는 1500 ~ 2000ppm으로 조절하는 것이 바람직하다. 산소농도는 건식 로터리 킬른을 사용하여 O2/H2의 유량 및 공정시간을 조절하여 원하는 산소농도를 조절할 수 있다. 추가적으로 구리 분말 표면의 산화방지를 위한 방청코팅을 수행하여 구리 분말의 보관 안정성을 확보할 수 있다.
다음으로 제4단계에서는 제2금속분말로서 평균 입경이 1~40㎛인 주석-은-구리(SnAgCu) 합금 솔더 분말을 준비한다. 특히 평균 입경이 20~40㎛인 주석-은-구리(SnAgCu) 합금 솔더 분말은 범용적인 합금 솔더 분말로서 제조가 쉽고 대량생산이 가능하며 가격부담이 적어 쉽게 구할 수 있다.
다음으로 제5단계에서는 폴리비닐알코올(PVA)계 수용성 고분자, 알코올류, 아민류 및 수용성 용매를 혼합하여 플럭스 성분을 준비한다.
다음으로 제6단계에서 제1금속분말, 제2금속분말, 제3금속분말 및 플럭스성분을 1차적으로 교반기를 통해 혼합하고, 제7단계에서 제6단계에서 혼합된 성분을 2차적으로 페이스트 믹서를 사용하여 균일 혼합한다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 접합 페이스트에 대하여 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명의 효과를 알아보기 위해 제1금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 구형 구리 분말(융점 1083℃) 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 8㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였다. 건식 로터리 킬른을 사용하여 O2/H2의 유량 및 공정시간을 조절하는 방법으로 제1금속분말의 산소농도를 1000ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1600ppm으로 조절하였고 표면산소 농도의 보관 안정성을 확보하기 위해 지방산 코팅을 진행하였다. 다음으로 제3금속분말로서 평균 입경이 20 ~ 40㎛인 SnAgCu 범용 솔더 구형 분말 80g을 준비하였다. 한편 플럭스로서 PVA 수용성 고분자와 알코올류, 아민류 및 수용성 용매를 혼합하여 10g을 준비하였다. 이어서 제1금속분말, 제2금속분말, 제3금속분말과 플럭스를 준비된 물량으로 1차적으로 교반기를 통해 혼합하고 2차적으로 페이스트 믹서를 사용하여 균일 혼합하는 방식으로 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 2
로터리 킬른에서 O2/H2의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 600ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 3
로터리 킬른에서 O2/H2의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 2000ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 4
제1금속분말로서 평균 입경이 2㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 700ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1400ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 5
제1금속분말로서 평균 입경이 2㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 800ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1500ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 6
제1금속분말로서 평균 입경이 2㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1600ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 2000ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 7
제1금속분말로서 평균 입경이 2㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1700ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 2100ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 8
제1금속분말로서 평균 입경이 6㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 12㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 700ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1400ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 9
제1금속분말로서 평균 입경이 6㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 12㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 800ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1500ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 10
제1금속분말로서 평균 입경이 6㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 12㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1600ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 2000ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 11
제1금속분말로서 평균 입경이 6㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 12㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1700ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 2100ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 12
제1금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 2㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1000ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1600ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 13
제1금속분말로서 평균 입경이 1㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 8㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1000ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1600ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 14
제1금속분말로서 평균 입경이 7㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 8㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1000ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1600ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 15
제1금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 8㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1000ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1300ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 16
제1금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 15㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1000ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 1600ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
실시예 17
제1금속분말로서 평균 입경이 4㎛인 구형 구리 분말 5g을 준비하고 제2금속분말로서 평균 입경이 8㎛인 플레이크형 구리 분말 5g을 준비하였으며, 로터리 킬른의 유량을 조절하여 제1금속분말의 산소농도를 1000ppm으로 제2금속분말의 산소농도를 2200ppm으로 조절하는 외에는 나머지 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 접합 페이스트를 제조하였다.
비교예
일반적인 접합 페이스트를 준비하였다. 일반적으로 사용할 수 있는 접합 페이스트는 알파메탈(미국) WS693CPS SAC305#4, 단양솔텍(한국) DS-0304LF305, 센쥬메탈(일본) M705-515A(8)C1-T7G, 덕산하이메탈(한국) PWS110 등이 있으며 이 중 비교예로 알파메탈(미국) WS693CPS SAC305#4을 사용하였다.
상술한 실시예 1의 방법으로 제조한 접합 페이스트와 비교예의 접합 페이스트를 사용하여 페이스트 프린팅, 리플로우, 가압 조건 리플로우 공정을 순차적으로 실시하고 실시예 1과 비교예의 각 공정에 따른 광학 현미경 사진을 각각 도 3과 도 4에 나타내었다.
도면을 참조하면 실시예 1에 따른 접합 페이스트는 형상 변화가 거의 없었으나 비교예의 접합 페이스트는 형상 변화가 크게 발생하였으며 이에 따라 실시예 1의 접합 페이스트는 실제 공정의 진행시 공정 불량이 발생하지 않을 것으로 예상된다.
한편 위와 같이 제조된 실시예 1 내지 실시예 17 및 비교예의 접합 페이스트에 대하여 다음과 같이 재용융 안정성을 검증하였다.
접합 페이스트의 반복 리플로우 공정에서 재용융에 의한 안정성 평가 시험은, 각 실시예 및 비교예에 기재된 접합 페이스트를 세로 30mm×가로 30mm×두께 0.3mm의 니켈판(Ni sheet)에 인쇄하고 리플로우를 실시하는 방법으로 진행하였다.
실시예와 비교예의 접합 페이스트의 인쇄 두께는 모두 0.11mm로 진행하였으며. 리플로우의 조건은 질소 분위기 하에 170℃에서 120sec의 예비 가열을 행한 후, 승온 속도를 1.2℃/sec로 하여 170℃부터 250℃까지 온도를 상승시켜 본가열을 진행하였다(1차 리플로우 공정). 이러한 1차 리플로우 공정 후 플럭스 잔사를 DIW(delonized water) 분위기에서 초음파 세정후 건조시켰다.
2차 리플로우 안정성을 검증하기 위해 1차 리플로우 완료 시편과 동일한 크기의 다른 니켈판(Ni sheet)을 1차 리플로우 완료 시편에 형성된 솔더 상부에 적층하여 중력가압을 가한 뒤 2차 리플로우 공정을 진행하였다.
2차 리플로우의 조건은, 질소 분위기 하에 190℃에서 120sec의 예비 가열을 수행한 후, 승온 속도를 1.2℃/sec로 하여 190℃부터 270℃까지 온도를 상승시켜 본가열을 진행하였다.
위와 같은 검증방법에서 2차 리플로우를 진행한뒤 상부에 적층된 니켈판을 하부의 솔더 접착면으로부터 분리하여 하부 니켈판에 형성된 솔더 성분이 상부 니켈판면에 전사된 면적으로 재용융 여부를 판정한다.
이때 반복 리플로우 안정성 수치는 전사된 면적이 없는 경우를 '10'으로 표기하고 전사면적이 50%일 경우 반복 리플로우 안정성을 '5'로 표기하였다. 전사면적이 100%일 경우는 반복 리플로우 안정성을 '1'로 표기하였다. 도 5는 반복 리플로우 안정성 10, 6, 2에 대한 예가 나타나 있다.
한편 위와 같이 제조된 실시예 1 내지 실시예 17 및 비교예의 접합 페이스트에 대하여 다음과 같이 필렛특성을 검증하였다.
인쇄된 기판 표면 위에 소자를 올려놓은 후, 1차 리플로우 공정과 2차 리플로우 공정을 실시한 후, 소자 부위를 샘플링하여 SEM 장비를 사용하여 바닥면을 기준으로 소자까지의 높이(H1)와, 소자 측면의 솔더페이스트가 올라온 높이(H2)를 측정한 후, (H2/H1)*100의 계산식을 사용하여 필렛 특성을 수치화하였다(도 6 참조). 솔더페이스트가 올라온 높이가 높을 수록 100%에 가까워지며 이 수치가 높을 수록 필렛 특성이 좋은 것으로 생각할 수 있다. 필렛 특성이 좋은 경우 소자에 전류가 원활하게 흐를 수 있고 소자가 정해진 위치에서 이탈되는 것이 방지된다.
도 6은 이러한 필렛 특성의 수치화 과정을 나타내는 것이며, 도 7에는 실시예 1(도 7a), 실시예 10(도 7b) 및 실시예 17(도 7c)에 따른 접합 페이스트의 필렛 특성이 나타나 있다.
아래의 표 1과 표 2는 위 실시예와 비교예에 따른 접합 페이스트의 성분 구성과 반복 리플로우 안정성 및 필렛특성을 나타낸 표이다.
Figure 112020132572815-pat00001
Figure 112020132572815-pat00002
표 1과 표 2에 따르면 제1금속의 입도가 2~6㎛를 벗어나거나 제2금속의 입도가 4~12㎛를 벗어나는 실시예 12 내지 실시예 16의 경우 리플로우안정성이 5 이하이거나 필렛특성이 25% 이하로서 다소 떨어지는 특성을 보였다.
한편 제1금속의 입도가 2~6㎛이고 제2금속의 입도가 4~12㎛인 실시예 1 내지 실시예 11 및 실시예 17의 경우 대체로 리플로우안정성 6 이상 필렛특성 40% 이상으로 비교적 양호한 특성을 가졌다. 따라서 이러한 입도를 가진 제1금속과 제2금속에서 이종합금 반응이 일어나기 적합한 것으로 생각된다.
또한 이 중 제1금속의 용존산소가 600~2000ppm이고 제2금속의 용존산소가 1500~2000ppm인 실시예 1 내지 실시예 3, 실시예 5, 실시예 6, 실시예 9, 실시예 10의 경우 리플로우안정성이 7 이상이고 필렛특성이 45% 이상으로서 특히 우수한 성능을 보였다. 이는 이와 같은 용존산소량을 가진 제1금속과 제2금속의 조건에서 이종합금 반응이 더 활발하게 일어나기 때문인 것으로 예상된다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 제1금속분말
2 : 제2금속분말
3 : 제3금속분말
4 : 플럭스 성분
100 : 접합 페이스트

Claims (6)

  1. 구 형상의 구리가 산소로 표면처리되어 이루어지는 제1금속분말,
    플레이크 형상의 구리가 산소로 표면처리되어 이루어지는 제2금속분말,
    주석을 포함하는 합금으로 이루어지고 납땜 재료로 사용되는 제3금속분말 및
    환원제를 포함하고, 상기 제1금속분말, 상기 제2금속분말, 상기 제2금속분말을 혼합시키는 플럭스 성분을 포함하고,
    상기 제1금속분말의 평균 입경은 2 내지 6㎛이고 상기 제2금속분말의 평균 입경은 4 내지 12㎛이며,
    상기 제1금속분말은 산소농도가 600 내지 2000ppm이 되도록 표면처리되고 상기 제2금속분말은 산소농도가 1500 내지 2000ppm이 되도록 표면처리되는
    접합 페이스트.
  2. 구형의 구리로 이루어진 제1구리분말과 플레이크 형상의 구리로 이루어진 제2구리분말을 준비하는 제1단계,
    상기 제1단계에서 준비된 제1구리분말에 산소 농도 조절을 위한 표면 처리 공정을 수행하여 산소로 표면 처리된 구리분말을 얻는 제2단계,
    상기 제1단계에서 준비된 제2구리분말에 산소 농도 조절을 위한 표면 처리 공정을 수행하여 산소로 표면 처리된 구리분말을 얻는 제3단계,
    주석-은-구리(SnAgCu) 합금 솔더 분말을 준비하는 제4단계,
    폴리비닐알코올(PVA)계 수용성 고분자, 알코올류, 아민류 및 수용성 용매를 혼합하여 플럭스 성분을 준비하는 제5단계,
    표면 처리된 상기 제1구리분말과 상기 제2구리분말 및 플럭스성분을 교반기를 통해 혼합하는 제6단계 및
    상기 제6단계에서 혼합된 성분을 페이스트 믹서를 사용하여 균일 혼합하는 제7단계를 포함하고,
    상기 제1단계에서, 상기 제1구리분말의 평균 입경은 2 내지 6㎛이고 상기 제2구리분말의 평균 입경은 4 내지 12㎛이며,
    상기 제2단계에서 상기 제1구리분말은 산소농도가 600 내지 2000ppm이 되도록 표면처리되고, 상기 제3단계에서 상기 제2구리분말은 산소농도가 1500 내지 2000ppm이 되도록 표면처리되는
    접합 페이스트 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 제2구리분말은 두께가 크기의 5~30%가 되도록 가공하여 준비하고,
    상기 제2단계와 상기 제3단계에서, 상기 제1구리분말과 상기 제2구리분말에는 표면의 산화방지를 위하여 추가적으로 방청코팅이 수행되는 것을 특징으로 하는
    접합 페이스트 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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