KR20100131296A - 금속 배선의 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 인쇄회로기판 - Google Patents

금속 배선의 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 인쇄회로기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 배선의 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 인쇄회로기판에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금속 배선의 형성방법은 기판 상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 단계; 상기 금속배선 패턴을 환원성 용제에 침지하는 단계; 및 상기 금속배선 패턴을 소성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 금속 배선의 형성방법은 금속 배선의 소성 전에 환원성 용제에 침지하는 단계를 수행하여 금속 배선의 표면 및 내부의 소결 치밀도가 우수하고, 공극의 발생 가능성이 낮아 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수하다.
금속 나노입자, 환원성 용제, 소성, 금속 배선

Description

금속 배선의 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 인쇄회로기판{Method for forming metal wiring and printed circuit board prepared by using the same}
본 발명은 금속 배선의 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 인쇄회로 기판에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속 배선의 전기적 및 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 금속 배선의 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 인쇄회로기판에 관한 것이다.
최근 전자 기기, 및 정보 단말기기 등이 소형, 경량화 됨에 따라 기기 내 부에 사용되는 전자부품이 점차 소형화되고 있는 추세이다. 따라서, 전자부품 내 실장을 위한 배선패턴의 사이즈도 점차 작아지고, 배선패턴의 폭이나 배선 간의 간격도 좁아지는 추세이다.
전자부품에 고해상도의 배선패턴을 형성하는 방법으로는 노광과 식각공정을 기반으로 한 광학적 패터닝 방법이 주로 이용되고 있다. 그러나 광학적 패터닝은 재료의 낭비가 많고, 다단계 공정이며 포토레지스트, 현상액 혹은 식각 용액을 사용하는 등 공정이 복잡하기 때문에 공정 효율이 떨어지며, 대면적 마스크를 사용해야 하기 때문에 새로운 설계를 최단시간 내에 생산라인에 적용하는 데에 어려움이 있다. 따라서, 광학적 패터닝의 단점을 극복하기 위하여 마스크 없이 직접적으로 기판상에 패턴을 행할 수 있는 방법으로서, 잉크젯 프린팅 방식이 개발되었다.
잉크젯 프린팅 방식은 광학적 패터닝 공정방법을 대체할 수 있는 기술로서 기존의 광학적 패터닝과 차별화되는 친환경적인 공정기술이며, 현재 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 기업체, 학교 및 연구소에서 연구/개발 중에 있다. 향후 전자부품 산업 및 디스 플레이 산업 분야에서 공정비용 절감에 크게 기여할 것으로 예상되고 있다.
잉크젯 프린팅 방식은 잉크로 만들 수 있는 모든 물질(금속, 세라믹, 폴리머)을 선택적으로 신속하게 미세패턴으로 인쇄할 수 있어 폭넓은 응용성을 갖는다. 잉크젯 프린팅은 목표로 하는 위치에 잉크를 비접촉 방식으로 분사하기 때문에 종이를 비롯하여 직물, 금속, 세라믹, 폴리머 등 다양한 기판에 자유로운 형상을 인쇄할 수 있으며, 수 평방미터 이상의 대형포스터, 배너 등 대면적 인쇄가 가능하다.
잉크젯 프린팅 인쇄 방식으로 형성된 배선은 배선 폭이나 배선 간의 간격이 인쇄되는 배선 재료의 양에 의존하게 되어 어떠한 배선재료를 선택할 지가 중요한 문제가 된다. 최근에는 금속 나노입자를 이용한 잉크젯 프린팅 방식이 대두되고 있는데, 금속 나노입자는 열처리를 통해 안정된 미세구조를 가지게 된다. 금속 나노입자의 미세구조는 금속 배선의 전기적 또는 기계적 성질에 영향의 미치므로, 보다 최적화된 미세구조를 얻기 위한 연구가 진행되고 있다.
금속 배선의 최적화된 미세구조를 얻기 위하여 환원 분위기에서 소성하는 방 법 등을 이용하고 있으나, 배선의 표면은 소성이 잘 진행되나, 배선의 내부는 소성이 잘 진행되지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 금속 배선 내부까지 치밀한 미세구조를 형성하여 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수한 금속 배선을 형성하는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로써, 본 발명의 일 실시형태는 기판 상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 단계; 상기 금속배선 패턴을 환원성 용제에 침지하는 단계; 및 상기 금속배선 패턴을 소성하는 단계;를 포함하는 금속 배선의 형성방법을 제공한다.
상기 금속 나노입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 금속배선 패턴의 형성은 스크린 방식, 잉크젯 프린팅 방식, 그라비아 방식, 스프레이 코팅방식 또는 오프셋 인쇄방식을 이용할 수 있다.
상기 환원성 용제는 알코올, 유기산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 부탄올, 이소프로필알콜, 2-부탄올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 글리세롤로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 유기산은 포름산, 아세트산, 프로피온산, n-부티르산 및 이소-부티르산으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 침지 단계는 1분 내지 100시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 기판; 및 상기 기판 상에 본 발명에 따른 방법으로 형성된 금속 배선;을 포함하는 인쇄 회로 기판을 제공한다.
본 발명에 따른 금속배선의 형성방법은 금속배선 패턴의 소성 전에 환원성 용제에 침지하는 단계를 수행하여 금속배선의 표면 및 내부의 소결 치밀도가 우수하고, 공극의 발생 가능성이 낮아 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 금속 배선의 형성방법은 기판 상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 단계; 상기 금속배선 패턴을 환원성 용제에 침지하는 단계; 및 상기 금속배선 패턴을 소성하는 단계를 포함한다. 이하, 각 단계를 보다 구체적으로 설명한다.
우선, 기판 상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성한다.
금속 나노입자는 입경이 수nm 내지 수백 nm인 입자를 의미한다. 금속 입자 가 나노사이즈 이하로 작아지면 ‘나노 사이즈 효과’를 일으킨다. ‘나노 사이즈 효과’란 일반적으로 보통 재료를 나노사이즈에 도달시킬 때 나타나는 물리적, 화학적 특성 변화를 말한다. 금속의 경우 예를 들면, 나노사이즈 효과를 일으키는 철의 단열 응력 비율은 보통 철보다 12배나 높으며, 나노사이즈 효과를 가지는 금의 융점을 일반적인 금의 반 정도 수준이다.
금속 입자의 입경이 나노사이즈 이하로 작아지면, 금속 원자의 표면 확산은 무시할 없을 정도로 커지고, 이 표면확산에 기인하여 입자 상호간의 계면 연장이 이루어진다. 따라서 나노사이즈 이하로 입자의 크기가 작아질수록 입자의 융점도 낮아진다. 따라서, 나노사이즈 효과가 일어나는 크기 범위의 금속 나노 입자로 배선을 형성하면 융점이 충분히 낮아 유기막 또는 플라스틱 기판 등 저온 소성이 요구되는 기재에도 적용이 가능하다.
잉크 조성물에 포함되는 금속 나노입자는 도전성 재료이면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들의 합금이 있으며, 이들을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 구리, 니켈, 철 등의 산화성 나노입자를 사용하는 것이다.
금속 나노입자의 형태는 제한되지 않으며, 구형, 회전타원체, 분말 형태, 불규칙 형태 또는 임의의 적합한 다른 형태일 수 있다.
금속 나노입자의 평균입경은 특별히 제한되지 않으나, 500nm이하일 수 있고, 100nm이하인 것이 바람직하고, 5 내지 20nm인 것이 보다 바람직하다. 금속 나노입자의 평균입경에 따라 소성 온도를 결정할 수 있다.
잉크 조성물은 금속 나노입자와 함께, 분산제 및 기타의 첨가제를 포함한다. 금속 나노입자는 크기가 매우 작아 표면 에너지의 증가로 인하여 입자 간 응집을 하려는 경향이 크므로, 금속 나노입자를 용매 내에 균일하고 안정하게 분산시키기 위하여 분산제가 부착되어 있다. 여기서 ‘부착’이란 분산제가 금속 이온을 개입시켜 금속 나노입자의 표면에 흡착하는 것을 말하고, 이에 의해, 금속 나노 입자가 용매에 안정하게 분산된 상태가 된다. 이러한 분산제 및 기타의 첨가제는 일반적으로 금속 나노입자의 소성 과정에서 제거된다.
분산제는 금속 나노입자와 배위 결합을 형성하는 물질 또는 계면활성제일 수 있다. 금속나노입자와 배위 결합을 형성하는 물질로서는 아미노기, 티올기(-SH), 설판디일기(-S-), 하이드록시기(-OH), 옥시기(-O-), 카복실기(-COOH), 시아노기(-CN) 등의 질소, 유황, 산소원자 등이 갖는 고립 전자쌍을 갖는 물질을 들 수 있다. 또한, 계면활성제로서는 예를 들면, 비스(2-에틸헥실)설포석실산이나 도데실벤젠설폰산나트륨 등의 음이온성 계면활성제, 폴리알킬글리콜의 알킬에스테르나 알킬페닐에테르 등의 비이온성 계면활성제, 불소계 계면활성제, 폴리에틸렌이민과 폴리에틸렌옥 사이드를 갖는 공중합체 등을 사용할 수 있다.
잉크 조성물의 용매는 특별히 제한되지 않고, 수용성 유기 용매 또는 비수용 성 유기 용매를 사용할 수 있다.
잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 스크린 방식, 잉크젯 프린팅 방식, 그라비아 방식, 스프레이 코팅방식 또는 오프셋 인쇄방식을 이용할 수 있고, 미세 배선을 형성하기 위해서는 잉크젯 프린팅 방식을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 금속 배선이 형성되는 기판은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 유리, 폴리이미드, PET 필름, PEN 필름, 폴리카보네이트 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 금속배선 패턴을 환원성 용제에 침지한다. 침지과정에서 환원성 용제는 금속배선의 내부까지 침투하게 된다.
일반적으로 금속 배선 패턴의 소성과정에서, 금속 배선의 표면은 소성이 잘 일어나지만, 배선의 내부는 상대적으로 소성이 잘 진행되지 않는다. 그러나, 금속 배선 패턴의 소성 전에 환원성 용제에 금속 배선 패턴을 침지하는 경우 배선의 내부까지 소결 치밀도가 우수해진다.
침지 과정에서, 환원성 용제는 금속 배선의 내부까지 침투하게 되고, 배선 내부에 존재하는 금속 나노입자에 부착된 분산제 및 기타의 첨가제가 제거될 수 있다. 이에 따라, 이후 소성 단계에서 금속 배선의 내부까지 소성이 잘 진행될 수 있다.
또한, 배선 내부에 침투한 환원성 용제에 의하여 배선 내부까지 효과적인 환 원 소성이 진행될 수 있다.
환원성 용제는 특별히 제한되지 않으나, 알코올, 유기산 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용 가능한 알코올의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 1-프로판올(1-Propanol) 또는 부탄올(Butanol) 등의 1차 알코올(Primary alcohol); 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol) 또는 2-부탄올(2-Butanol)등의 2차 알코올(Secondary alcohol); 및 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(Diethylene glycol) 또는 프로필렌글리콜(Propylene glycol)등의 글리콜류 또는 글리세롤(Glycerol) 등의 다가 알코올이 있으며, 이들을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 메탄올을 사용하는 것이다.
본 발명에서 사용 가능한 유기산의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), n-부티르산(n-butyric acid) 또는 이소-부티르산(iso-butyric acid) 등이 있으며, 이들을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
환원성 용제가 강한 환원력을 갖는 경우, 분산제 및 기타의 첨가제의 제거효과가 우수하나, 침지 단계에서 금속 배선에 크랙이 발생하거나 식각 될 수 있으므로, 환원성 용제는 금속 나노 입자에 대한 환원력을 고려하여, 적절히 선택될 수 있다.
침지시간에 따라 금속 배선의 소결 치밀도가 달라질 수 있으므로, 침지시간은 금속 나노입자의 종류와 금속 나노입자에 대한 환원성 용제의 환원력을 고려하여 결정될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 침지단계는 1분 내지 100시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 10분 내지 5시간 동안 수행되는 것이다.
침지 시간이 1분 미만이면 환원성 용제가 배선의 내부까지 침투되지 않을 우려가 있고, 100시간을 초과하면 침지 과정에서 배선 패턴이 약화되어 손상될 우려가 있다.
다음으로, 금속 배선을 소성한다. 소성 과정에서 분산제 및 기타의 첨가제가제거 되고, 금속 나노입자의 표면이 직접 접촉하여 응집체를 형성하여 금속 나노입자들 자체가 하나의 커다란 벌크 형태가 된다.
일반적으로 이러한 소성은 금속 배선의 표면에서 진행되어 배선의 표면은 치밀한 구조를 형성하나, 금속 배선의 내부는 입성장이 잘 일어나지 않는다.
또한, 나노입자가 엉켜 붙는 과정에서 공극이 발생할 수 있으며, 이러한 공극은 단락(open circuit) 또는 합선(short circuit)의 원인이 될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 실시형태에서는 상술한 바와 같이, 침지 단계에서 금속 배선의 내부까지 침투한 환원성 용제에 의하여 금속 나노입자에 부착된 분산제 및 기타의 첨가제가 제거될 수 있어 금속 배선의 내부까지 입성장이 촉진되며, 공극이 발생될 가능성이 감소한다.
소성 단계는 금속 나노 입자의 종류에 따라 환원성 분위기에서 수행될 수 있다. 즉, 금속 배선이 산화성 금속 나노 입자를 포함하는 경우, 환원성 분위기에서 소성을 진행하는 것이 바람직하다.
이러한 경우, 금속 나노 입자 사이에 침투된 환원성 용제에 의하여 배선 내부까지 효과적인 환원 소성이 진행될 수 있다.
상기 환원성 분위기는 구체적으로, 불활성 기체, 불활성 기체와 수소 가스의 혼합, 유기산 등을 이용하여 형성할 수 있다.
소성 온도는 금속 나노입자의 종류, 입경, 기판의 특성 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 본 발명에 따른 실시형태에서는 저온 소성을 수행하여도 금속 배선의 내부까지 입성장이 잘 진행될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 400℃이하에서 소성을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 150℃이하에서 수행할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 금속 배선은 배선의 표면 및 내부의 소결 치밀도가 우수하고, 공극의 발생 가능성이 낮아 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수하다.
[실시예]
테트라데칸 용매에 분산된 40wt%의 구리 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 잉크젯 프린팅법을 이용하여 폴리 이미드 기판 상에 금속배선을 형성하였다. 형성된 금속배선을 메탄올 용제에 침지하여 5시간을 유지한 후 꺼내어 건조하였다. 침지 및 건조된 금속배선을 포름산 가스를 통해 환원분위기가 형성된 소성로에서 1시간 동안 200℃에서 소성하였다.
[비교예]
테트라데칸 용매에 분산된 40wt%의 구리 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 잉크젯 프린팅법을 이용하여 폴리 이미드 기판상에 금속배선을 형성하였다. 형성된 금속배선을 환원성 용제에 침지하는 과정 없이 포름산 가스를 통해 환원분위기가 형성된 소성로에서 1시간 동안 200℃에서 소성하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 소성된 금속 배선의 표면 및 내부를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)을 이용하여 미세구조를 관찰하였다. 도 1은 실시예에 따라 소성된 금속배선의 SEM 사진으로, (a)는 금속 배선 표면의 사진이고, (b)는 금속 배선 내부의 사진이다. 도 2는 비교예에 따라 소성된 금속배선의 SEM 사진으로, (a)는 금속 배선 표면의 사진이고, (b)는 금속 배선 내부의 사진이다. 도 1을 참조하면, 실시예에 따라 소성된 금속배선은 표면뿐만 아니라 내부도 치밀하게 소성되었음을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 도 2를 참조하면, 비교예에 따라 소성된 금속배선은 표면은 치밀하게 소성되었으나 금속 배선의 내부는 입자성장에 의한 치밀화가 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속 배선의 SEM사진이다.
도 2는 비교예에 따라 제조된 금속 배선의 SEM사진이다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 단계;
    상기 금속 배선 패턴을 환원성 용제에 침지하는 단계; 및
    상기 금속 배선 패턴을 소성하는 단계;를 포함하는 금속 배선의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 배선의 형성은 스크린 방식, 잉크젯 프린팅 방식, 그라비아 방식, 스프레이 코팅방식 또는 오프셋 인쇄방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 환원성 용제는 알코올, 유기산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부 터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 부탄올, 이소프로필알콜, 2-부탄올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 글리세롤로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성방법.
  6. 제4항 있어서,
    상기 유기산은 포름산, 아세트산, 프로피온산, n-부티르산 및 이소-부티르산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성방법.
  7. 제1항 있어서,
    상기 침지 단계는 1분 내지 100시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 금속배선의 형성방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소성 단계는 환원성 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성방법.
  9. 기판; 및
    상기 기판 상에 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 형성된 금속 배선;을 포함하는 인쇄 회로 기판.
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