KR20090047328A - 도전성 페이스트 및 이를 이용한 인쇄회로기판 - Google Patents

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KR20090047328A
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Abstract

본 발명은 도전성 페이스트 및 이를 이용하는 인쇄회로기판을 제공한다. 본 발명에 따르면, 도전성 입자 및 탄소나노튜브를 포함하는 도전성 페이스트를 이용함으로써 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
탄소나노튜브, 도전성 페이스트, 인쇄회로기판

Description

도전성 페이스트 및 이를 이용한 인쇄회로기판{Conductive paste and printed circuit board using the same}
본 발명은 도전성 페이스트와 이를 이용한 인쇄회로기판에 관한 것이다.
전자부품을 제조하는 기술이 발달함에 따라, 인쇄회로기판의 고밀도화를 위한 회로패턴의 층간 전기적 도통 및 미세회로 배선이 적용된 HDI(high density interconnection)기판의 성능을 향상시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다. 상기 HDI 기판의 성능을 향상시키기 위해서는 회로패턴의 층간 전기적 도통 기술 및 설계의 자유도를 확보하는 기술이 필요하다.
종래기술에 따른 다층 인쇄회로기판의 제조공정은 드릴링, 화학 동도금 및/또는 전기 동도금으로 도금층을 형성하고, 회로층을 형성한 후 적층 공정을 통하여 원하는 수만큼의 회로 패턴층을 형성하는 것이다. 그러나 이와 같은 종래의 다층 인쇄회로기판 제조공정은, 이 제조공정이 적용되는 핸드폰 등의 제품 가격 하락에 따른 저비용(low cost)에 대한 요구를 충족시키지 못하고 있다. 또한 전자 제품을 대량 생산하기 위해 필요한 시간, 즉 리드 타임(lead-time)을 단축할 필요성이 증가하고 있는데, 상기 제조공정은 이러한 요구에 부응하지 못하는 문제점이 발생할 수도 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 제조공정이 요구되고 있다.
종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도전성 페이스트를 이용하여 층간 연결을 하는 공법이 상용화되어 있다. 그러나 상기 도전성 페이스트를 이용하여 층간을 연결하는 공법은 동도금을 이용하여 층간을 연결하는 것보다 비저항이 높고 동박과의 접착력이 낮고, 페이스트 조성 중 폴리머 성분 때문에 열전도성이 좋지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 전기전도도를 향상시킬 수 있는 도전성 페이스트 및 이를 이용하는 인쇄회로기판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 본 발명은 도전성 입자, 탄소나노튜브 및 바인더를 포함하는 도전성 페이스트를 제공한다.
상기 탄소나노튜브는 그 표면이 금속 입자로 코팅될 수 있다. 구체적으로 상기 금속 입자는 은, 구리, 주석, 인듐, 니켈, 팔라듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트에서, 상기 도전성 입자는 70~90 중량부, 상기 탄소나노튜브는 0.5~15 중량부 및 상기 바인더는 1~15 중량부로 포함될 수 있다.
상기 탄소나×노튜브는 단일벽, 다중벽 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 도전성 입자는 은, 구리, 주석, 인듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 도전성 페이스트는 140~200℃의 온도에서 경화한 후, 비저항이 5.×10-4 ~ 3×10-6 Ω·㎝ 인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 복수의 기판; 상기 기판 사이에 위치하는 절연층; 및 상기 절연층을 관통하여 상기 기판의 층간을 연결하는, 도전성 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 도전성 페이스트 범프를 포함하는 인쇄회로기판을 제공한다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트를 이용함으로써 인쇄회로기판의 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
현재 주로 사용되고 있는 도전성 페이스트 (conductive paste)는 금속 페이스트이다. 이는 기본적으로 금속 분말과 에폭시/멜라민계 성분의 바인더를 포함하여 구성된다. 이러한 금속 도전성 페이스트는 경화 후 비저항이 약 ~10-4Ω·㎝로서 벌크(bulk) 금속에 비해 그 가격이 비쌀 뿐만 아니라 미세 회로 등에 적용하기 어려울 수도 있다. 이는 금속 도전성 페이스트 사이에 비전도성 물질인 에폭시/멜라민계 등의 물질이 채워져 있어서, 전자가 흐르는 데 매우 큰 저항 요인으로 작용하기 때문이다.
탄소나노튜브는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 다른 물질과 비교하였을 때 전기적 특성이 뛰어나다.
물리적 특징 탄소나노튜브 비교 물질
밀도 1.33~1.40 g/cm 2.7g/cm3 (알루미늄)
전류밀도 1×109 A/cm2 1×106 A/cm2 (구리 케이블)
열전도도 6000 W/mk 400 W/mk (구리)
비저항 1×10-10 Ω·㎝ 1.72×10-6 Ω·㎝ (구리)
상기 표 1과 같이, 탄소나노튜브는 알루미늄과 구리와 같이 비교적 전기전도성이나 비저항이 우수한 금속 물질보다 더 우수한 전기적 성질을 가진다. 따라서 이러한 탄소나노튜브를 도전성 페이스트 재료로 이용할 경우, 회로패턴의 층간 전기적 도통시 발생하는 저항을 낮출 수 있다. 또한 열전도도도 우수하여 인쇄회로기판 내부의 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브를 도전성 입자 및 바인더(binder)와 혼합하여 이용할 수 있다. 도전성 입자와 탄소나노튜브를 혼합하면 도전성 입자들 사이에서 탄소나노튜브가 전기 브릿지(electrical bridge)를 형성하게 된다. 그 결과 도전성 입자 사이의 전자 흐름을 원활하게 하여 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도전성 입자와 탄소나노튜브와의 계면접착 (interfacial bonding) 특성을 향상시키기 위하여, 상기 탄소나노튜브의 표면을 금속 입자로 코팅하여 사용할 수도 있다.
상기 탄소나노튜브에 코팅되는 금속 입자는 은, 구리, 주석, 인듐, 니켈, 팔라듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서는 특히 은 입자가 바람직하다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 은 코팅된 탄소나노튜브는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 탄소나노튜브를 황산과 질산의 혼합 용액에 넣어서 처리한다. 이렇게 처리한 탄소나노튜브는 화학 반응성이 낮아서 금속 입자 증착이 어렵다. 따라서 상기 처리된 탄소나노튜브를 염화주석-염산 용액(SnCl2-HCl)에 침지시킨 다음, 염화팔라듐-염산(pdCl2-HCl) 용액에 침지시키면 탄소나노튜브 표면에 주석 이온(Sn2 +)이 증착되고 이 주석 이온이 팔라듐 이온(Pd2 +)을 환원시켜서 팔라듐 입자가 탄소나노튜브에 증착된다. 여기에 질산은 용액을 도포하면 팔라듐 입자가 은 이온을 중성의 은 원자로 환원시키면서 은 입자가 탄소나노튜브에 코팅된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 탄소나노튜브를 황산과 질산의 혼합 용액에 넣은 후 초음파분쇄를 수행할 수 있다. 그 다음, 상기 탄소나노튜브를 포름알데히드(HCH0) 및 알콜로 이루어진 혼합 용액에 넣어 두었다가 증류수로 세척한다. 그리고 상기 탄소나노튜브에 pH 8.5의 AgNO3 1O kg/m3(HCHO를 은 촉매제로 첨가함)을 도포하면 탄소나노튜브에 은 이온이 은입자로 환원되어 코팅된다.
상기 본 발명의 도전성 페이스트에 포함되는 도전성 입자로는 은, 구리, 주석, 인듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서는 은 입자가 바람직하다.
상기 본 발명의 도전성 페이스트에 이용되는 바인더는 페놀류나 에폭시류 등이 기술분야에서 널리 공지된 것을 사용한다.
도 1 내지 도 3은, 차례대로, 은 입자, 니켈 입자 및 팔라듐 입자로 코팅된 탄소나노튜브의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 4는 은 입자와 은 코팅된 탄소나노튜브를 포함하는 도전성 페이스트 및 은 코팅된 탄소나노튜브 브릿지를 보여준다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 도전성 페이스트는 도전성 입자가 70~90 중량부, 상기 탄소나노튜브가 0.5~15 중량부 및 상기 바인더가 1~15 중량부 포함하는 것이 바람직하다. 상기 탄소나노튜브의 양이 0.5 중량부 미만이면 원하는 비저항을 얻을 수 없고(Percolation theory)이고, 15 중량부를 초과하는 경우에는 인쇄시 홀 막힘과 같은 인쇄성의 문제점이 발생할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽, 다중벽 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 도전성 페이스트는 140~200℃의 온도 범위에서 경화되며, 경화 후 비저항이 비저항이 5.×10-4~3×10-6 Ω·㎝, 바람직하게는 3.35×10-5 Ω·㎝ 이하이다. 금속과 근접한 비저항(예를 들면 은의 경우, 1.6×10-6 Ω·㎝)을 가질수록 인쇄회로기판의 신호 전달 효율 및/또는 열발생과 같은 전기적인 특성이 향상된다. 따라서 본 발명에 따른 도전성 페이스트는 비저항이 낮아서 전기전도도가 우수함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 상기 도전성 페이스트는 경화제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 언급한 도전성 페이스트를 이용한 인쇄회로기판을 제공한다. 구체적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 기판 (20, 21); 상기 기판 사이에 위치하는 절연층 (30); 상기 절연층을 관통하여 상기 기판의 층간을 연결하는, 도전성 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하는 도전성 페이스트 범프 (40)를 포함하는 인쇄회로기판을 제공할 수 있다.
상기 도 5에 제시된 두 개의 기판은 하나의 예시이며, 복수 개의 기판을 사용하여 복수 회 적층된 인쇄회로기판을 구현할 수 있다.
상기 기판의 층간을 연결하는 도전성 페이스트 범프 (40)는 앞서 언급한 도전성 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 포함하여 이루어진다. 상기 층간을 연결하는 범프 (40)가 형성된 기판 (20, 21)은 B2it (Burried bump interconnection technology) 공정을 통해 수행될 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예를 통하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
직경이 30-50 nm, 길이가 0.5-500 ㎛인 단일벽으로 된 탄소나노튜브(CNT, Hipco사의 제품)를 질산과 황산이 1:3으로 포함된 용액에 120 ℃에서 10시간 동안 넣어두었다. 그 다음, 상기 탄소나노튜브를 증류수로 세척한 후 에탄올에 분산시켜서 평균 입자 지름 3~5μm 의 은 입자로 된 도전성 입자와 혼합하고 초음파 분쇄하여, 에폭시 13 중량부, 탄소나노튜브 1 중량부와 은 입자 84 중량부 및 경화제 2 중량부로 이루어진 도전성 페이스트를 만들었다. 상기 도전성 페이스트를 168℃에서 경화시킨 후 4포인트 프로브법(Four-point probe)을 이용하여 비저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 2
다중벽 탄소나노튜브 (일진사 제품) 질산과 황산이 1:3으로 포함된 용액에 120 ℃에서 10시간 동안 넣어두었다. 그 다음, 상기 탄소나노튜브를 증류수로 세척한 후 에탄올에 분산시켜서 평균 입자 지름 3~5μm 의 은 입자로 된 도전성 입자와 혼합하고 초음파 분쇄하여, 에폭시 13 중량부, 탄소나노튜브 1 중량부, 은 입자 84 중량부 및 경화제 2 중량부로 이루어진 도전성 페이스트를 만들었다. 상기 도전성 페이스트를 168℃에서 경화시킨 후 4포인트 프로브법(Four-point probe)을 이용하여 비저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 3
실시예 2에서 사용한 동일한 탄소나노튜브를 사용하여 황산과 질산이 1:3으로혼합된 용액에 120 ℃에서 10시간 동안 넣어두었다. 이렇게 처리한 탄소나노튜브를 증류수로 세척한 다음 72 시간 동안 실온에 두었다. 그 다음 상기 탄소나노튜브를 1 M 염화주석(SnCl2)-1M 염산 (HCl) 수용액에 30분 동안 침지시킨 다음 증류슈로 세척하였다. 그 다음, 상기 탄소나노튜브를 0.0014M 염화팔라듐(PdCl2)-0.25M염산(HCl) 수용액에 침지시켜서 탄소나노튜브의 표면에 은 입자 증착을 위한 활성 부위를 만들었다. 상기 활성화된 탄소나노튜브를 증류수로 세척한 후 상기 탄소나노튜브에 pH 8.5의 AgNO3 1O kg/m3(HCHO를 은 촉매제로 첨가함)을 도포하여 은 코팅된 탄소나노튜브를 제작하였다. 그 다음, 상기 은 코팅된 탄소나노튜브를 증류수로 세척한 후 에탄올에 분산시켜서 평균 입자 지름 3~5μm의 은 입자로 된 도전성 입자와 혼합하고 초음파분쇄하여, 에폭시 13 중량부, 은이 표면에 코팅된 탄소나노튜브 1 중량부, 은 입자 84 중량부 및 경화제 2 중량부로 이루어진 도전성 페이스트를 만들었다. 상기 도전성 페이스트를 168℃에서 경화시킨 후 4포인트 프로브법(Four-point probe)을 이용하여 비저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 1
평균 입자 지름 3~5μm로 된 은 입자 84 중량부, 에폭시 13 중량부 및 경화제 3 중량부로 이루어진 도전성페이스트를 168℃에서 경화시킨 후 4포인트 프로브법(Four-point probe)을 이용하여 비저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 2
에탄올을 이용하여 비교예 1의 페이스트를 희석 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 수행하였다.
구분 비저항 (Ω·㎝)
실시예 1 단일벽 탄소나노튜브 + 은 페이스트 6.0×10-5
2 다중벽 탄소나노튜브 + 은 페이스트 4.13×10-5
3 은 코팅 탄소나노튜브 + 은 페이스트 1.84×10-5
비교예 1 은 페이스트 1 ×10-4
2 은 페이스트를 에탄올로 희석 7.32 ×10-5
상기 표 2의 결과로부터, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 도전성 페이스트의 경우, 비저항이 낮아서 전기전도도가 향상됨을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분양의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 은 코팅된 탄소나노튜브를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 2는 니켈 코팅된 탄소나노튜브를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 3은 팔라듐 코팅된 탄소나노튜브를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4는 은 입자 및 은 코팅된 탄소나노큐브로 이루어진 도전성 페이스트와 은 코팅된 탄소나노튜브의 브릿지를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20, 21 : 기판 30 : 절연층
40 : 도전성 페이스트 범프

Claims (13)

  1. 도전성 입자, 탄소나노튜브 및 바인더를 포함하는 도전성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 그 표면이 금속 입자로 코팅되는 것인 도전성 페이스트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브에 코팅되는 금속 입자는 은, 구리, 주석, 인듐, 니켈, 팔라듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 도전성 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트는 상기 도전성 입자가 70~90 중량부, 상기 탄소나노튜브가 0.5~15 중량부 및 상기 바인더가 1~15 중량부로 포함되는 것인 도전성 페이스트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽, 다중벽 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 페이스트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 입자는 은, 구리, 주석, 인듐, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 도전성 페이스트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트는 140~200℃의 온도에서 경화한 후, 비저항이 5.×10-4 ~ 3×10-6 Ω·㎝ 인 도전성 페이스트.
  8. 복수의 기판;
    상기 기판 사이에 위치하는 절연층; 및
    상기 절연층을 관통하여 상기 기판의 층간을 연결하는, 도전성 입자, 탄소나 노튜브 및 용매를 포함하는 도전성 페이스트 범프;
    를 포함하는 인쇄회로기판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 그 표면이 금속 입자로 코팅되는 것인 인쇄회로기판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브에 코팅되는 금속 입자는 은, 구리, 주석, 인듐, 니켈, 팔라듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 인쇄회로기판.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽, 다중벽 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 인쇄회로기판.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트 범프는 상기 도전성 입자가 70~90 중량부, 상기 탄소 나노튜브가 0.5~15 중량부 및 상기 바인더가 1~15 중량부로 포함되는 것인 인쇄회로기판.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트 범프는 140~200℃의 온도에서 경화한 후, 비저항이 5.×10-4 ~ 3×10-6 Ω·㎝ 인 인쇄회로기판.
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