KR100201045B1 - 전기적 접속을 위한 도전성 복합물 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 열가소성 중합체, 도전성 금속 분말 및 유기 용매계를 포함하는 도전성 페이스트를 개시한다. 본 발명은 전술한 열가고성 중합체 및 금속 요소를 구비한 도전성 복합체를 더 포함하는데, 상기 금속 요소는 상기 복합체의 전체 부피에 대하여 약 30%이상의 부피를 차지한다. 상기 복합체는 높은 온도에서 상기 페이스트로부터 형성된다. 상기 페이스트는 상기 페이스트가 상기 복합체로 변환되는 처리 조건 하에서, 전기, 전자 구성 요소를 접속하는 단계를 포함하는 공정에서 채용된다.

Description

전기적 접속을 위한 도전성 복합물 및 이를 이용한 방법

제1도는 회로를 포함하는 두 층 사이의 비아를 통한(via to via)상호 접속을 달성하기 위한 본 발명의 페이스트 및 복합물의 사용을 설명하는 단면도.

제2도는 리이드 프레임의 집적 회로 칩을 회로 기판에 표면 장착하기 위한 본 발명이 도전성 페이스트 및 복합물의 사용을 설명하는 개략도.

제3도는 접적 회로 칩 및 회로 기판 간의 부착 및 전기적 통신을 제공하기 위하여 본 발명의 도전성 페이스트 및 복합물을 사용한 이들 사이의 플립 칩(flip-chip)부착을 나타내는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

6 : 동 도금 8 : 비아

10, 50 : 층 12, 21, 23 : 페이스트 돌롭

22, 24 : 패드 25 : 집적 회로 칩

26, 27 : 전기 콘딧

본 발명은 도전 부재들 사이의 도전성 접속을 형성하기 위한 도전성 페이스트(paste)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 도전성 페이스트를 사용하여 전도부재들 사이의 도전성 접속을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.

도전 부재들 사이의 도전성 접속을 형성하기 위한 도전성 조성물, 즉 칩 상의 종단 패드(termination pads), 및 회로 기판에 인쇄된 회로의 패드가 종래 기술에 공지되어 있다. 또한 납, 주석 합금과 같은 공정 합금(eutectic alloys)을 포함하는 종래의 땜납 조성물도 종래 기술로서 오래 동안 공지되어 왔다. 그러나, 이러한 물질은 땜납 금속의 표면에 잔류하는 산화물을 제거하기 위해 융제 조성물(flux composition)을 포함하여야 한다. 이 융제 물질은 산성으로서 전기적으로 접속된 고가의 전기 소자들을 부식시키며, 일반적으로 용매(solvents)을 사용하여 제거된다.그러나 CFC와 같은 종래의 융제 제거용 용매는 환경에 유해하며, 이런 용매의 사용은 융제가 사용되고 있는 제조 공정을 복잡하게 한다. 따라서, 컴퓨터 등과 같은 현대의 전기, 전자 장치에 사용되는 고가의 전기 소자들의 접속을 필요로 하는 전기 조립물에는 융제가 점점 사용되지 않고 있다.

이러한 공정 합금의 문제점에 착안하여 새로운 도전성 페이스트가 개발되고 있다. 전형적으로, 이러한 페이스트는 도전성 금속 분말 및 열경화성 수지 물질을 포함한다. 이러한 물질을 전기 소자에 도포한 다음에, 가열하여 전기 접속을 형성한다. 상기 가열 공정 동안, 열경하성 수지는 경화된다. 상기 새로운 페이스트는 상기 도전성 분말로서 비산화 금속(non-oxidizing metal)을 사용하므로 융제를 필요로 하지는 않지만, 상기 페이스트 물질을 재용융시킬 수 없다는 단점이 있다. 본기술 분야에서 공지된 바와 같이, 열경화성 수지의 경화에 의해 교차 결합 구조(crosslinked structure)가 형성된다. 교차 결합 구조를 갖는 중합체는 재용융되거나 용해될 수 없다. 따라서 매우 고가인 접속 소자들은, 필요에 따라 도전성 페이스트를 단지 가열 또는 재용해하여 이 소자를 분리하고, 또한 이전에 사용한 페이스트나 새로운 동류의 페이스트를 사용하여 이들을 재접속하는 식으로는, 용이하게 분리 및 재접속될 수 없다.

본 기술 분야에서 최근 상당히 진보한 개발로서는 미합중국 특허 제5,062,896호에 기술된 것이 있다. 제'896호 특허는 공정 금속 합금 분말 충전재(eutectic metal alloy powder filler)를 포함하는 합성 중합체-땜납 페이스트에 관한 것인데, 상기 합금은 용융점이 200℃이하이고, 페이스트의 전체 중량에 비하여 약 85내지 93중량%의 농도를 갖는다.

제'896호 특허의 페이스트 조성물은 제2 구성 요소로서 열가소성 중합체를 포함한다. 열가소성 중합체를 포함한다는 것은 이 특허가 기술적 진보를 제공하고 있음을 나타낸다. 제'896호 특허의 페이스트에 포함된 열가소성 중합체에 의하여 상기 페이스트는 재용융될 수 있다. 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 열가소성 중합체는 3차원 망 구조로 경화되지 않는다. 상기 제'896호 특허에서는 바람직하게 폴리(이미드 실록산)인 열가소성 중합체는 교차 결합을 형성하지 않으므로 재용융 및 재용해가 가능하다.

제'896호 특허의 페이스트에 포함된 제3 구성 요소는, 상기 합금 분말의 용융점보다 높고 상기 복합 페이스트 조성물의 최대 리플로 온도(reflow temperature)보다 낮은 비점을 갖는 휘발성 유기 용매이다.

마지막으로 제'896호 특허의 복합 페이스트에 포함된 제4의 필수 구성 요소는 약 140℃ 내지 200℃의 비점을 갖는 지방족 모노카르복실산인 순간 융제(transient flux material)이다. 그러나, 2-메톡시벤조산과 같은 방향족 모노카르복실 산도 사용될 수 있다. 상기 융제는 일반적으로 약 0.5 내지 1.5중량% 사이의 양으로 존재한다.

계면 활성제(surfactants)와 같은 물질을 선택적으로 포함할 수 있는 상기 제 '896호 특허의 페이스트 조성물이 본 분야의 중요한 기술적 진보를 제공하기는 하지만, 상기 특허는 금속 분말-중합체 복합물의 재용융에 관련된 문제를 해결한 반면, 종래 기술의 재료에 관련된 다른 중요한 문제를 해결하지는 못하였다. 즉, 상기 제 4필수 요소인 순간 융제로부터 기인하며 상기 페이스트로 전기 접속된 고가의 전기 소자를 유해하게 부식시키는 산성 유체(acidic fluids)에 관련된 문제제 대하여는 해결 방안이 제시되지 못하였다.

200℃ 이하이 용융점을 갖는 금속을 이용하는 것에서 명백한 바와 같이, 상기 제 '896호 특허의 페이스트에는 산화성 금속이 포함되어 있기 때문에 융제 성분을 포함하여야 한다. 이와 같이, 제'896호 특허의 페이스트가 제공하는 기술적 진보로는 종래 기술의 도전성 접속제에 관련된 모든 문제를 해결하지 못한다.

본 발명은 전기 소자들을 전기적으로 접속하는 데에 사용되는 종래 기술의 도전성 조성물에 관련된 문제점을 극복한 새로운 도전성 페이스트를 제공하고 있다. 따라서, 본 발명의 도전성 페이스트는 재용융이 가능할 뿐만 아니라, 내부의 융제를 제거함으로써 산성 융제에 관련된 문제점을 해결하였다.

본 발명에 따라 도전성 페이스트를 제공한다. 상기 페이스트는 열가소성 중합체, 도전성 금속 분말, 및 유기 용매계(organic solvent system)를 포함한다.

본 발명은 또한 도전성 복합물을 제공한다. 상기 복합물은 전체 부피에 대하여 적어도 30부피%의 도전성 금속 분말을 포함한다.

본 발명은 또한 플렉시블 기판을 회로화하여 플렉시블 회로(flexible circuit)를 만드는 방법을 제공한다.

본 방법에서, 직접 칩 및 표면 장착 소자와 같은 전자소자들이 본 발명의 상기 도전성 페이스트에 의하여 플렉시블 기판에 본딩된다. 열을 가하면 페이스트는 본 발명의 도전성 복합물로 변환된다.

본 발명은 또한 다중층 구조물 또는 다중칩 모듈 적층 구조물을 상호 접속하는 방법을 제공한다. 본 방법에서, 열가소성 중합체, 예를 들어 폴리아미드인 다층 구조물은, 적절한 열 및 압력 하에서 본 발명의 상기 도전성 페이스트를 사용하여 서로 융착된 다층 구조의 쌍을 통과하는 비아(vias), 즉 관통 호울(holes)또는 블라인드 호울(blind holes)을 통하여 전기적으로 상호 연결된다.

본 발명은 또한 리이드 프레임의 집적 회로(IC)칩을 회로 기판에 표면 장착하는 방법을 개시한다. 본 방법에서, 상기 리이드 프레임이 도전성 리이드, 또는 캐패시터나 저항과 같은 표면 장착 소자는, 가열하면 도전성 복합물로 변환되는 본 발명의 페이스트 조성물에 의하여 회로 기판의 패드에 전기적으로 접속된다.

본 발명은 또한 베어(bare)집적 회로 칩을 회로 기판에 직접 본딩하는 방법을 개시한다. 본 방법에서, 베어 집적 회로 칩은 윗면을 아래로 하여, 그 종단 I/O패드가 회로 기판의 표면 상의 도전성 패드와 접촉하도록 배치되어 있다. 칩의 I/O패드와 회로 기판의 도전성 패드 사이에 본 발명의 페이스트의 유효량을 분산한다.

상기 페이스트는 가열되어 도전성 복합물을 형성하고, 이로써 상기 칩과 회로 기판사이의 도전 경로를 형성한다.

본 발명의 도전성 페이스트는 세 개의 구성 요소를 포함하는 조성물이다.

제1구성 요소는 열가소성 중합체이다. 상기 중합체는 예를 들어, 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페닐을 포함하는 군으로부터 선택된 하나의 성분을 포함하는 반복구조식(repeating structural formula)을 갖는 열가소성 중합체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 도전성 페이스트의 열가소성 중합체의 반복 구조식은 전술한 성분 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 열가소성 중합체는 단독 중합체(a homopolymer), 즉 하나의 단량체 반복성 중합체, 또는 세그먼트화 공중합체(a segmented copolymer), 또는 적어도 세개의 상이한 단독중합체 세그먼트를 포함하는 세그먼트화 공중합체, 및 이들의 혼합물일 수 있다. 본 발명의 열가소성 중합체 범주 내의 세그먼트화 공중합체는 세그먼트 형태로 제공되는 적어도 두개의 공단량체(comonomers)를 포함하는 열가소성 중합체를 포함한다. 세그먼트 형태의 공단량체는 제1 단량체의 반복 단량체 단위(repeating monomeric unit)이 블록에 인접하여, 하나의 단량체 단위에서부터 여러 단량체 단위에까지 가변하는 동일 또는 상이한 세그먼트 길이를 갖는, 적어도 하나의 상이한 단량체의 반복 단량체 유닛의 블록을 포함하는 공단량체이다. 바람직하게, 본 발명의 세그먼트화 공중합체는 각각 비극성 및 극성 유닛으로 형성된 연질(soft)및 결질(hard)의 반복 단량체 블록을 포함한다.

본 발명의 도전성 페이스트의 열가소성 중합체의 범주 내의 바람직한 단독 중합체는 폴리술폰(polysulfones), 폴리올레핀(polyolefins), 및 폴리아크릴레이트(polyacrylates)를 포함한다.

본 발명의 범주 내의 세그먼트화 공중합체는 폴리(이미드 우레아)[poly{imide urea)], 폴리(에테르 실록산)[poly(ether siloxane)], 폴리(이미드 실록산), 폴리(스티렌부타디엔)[poly(styrene butadiene)], 폴리(스티렌 이소프렌)[poly(styrene isoprene)], 폴리(아클릴로니트릴 부타디엔)[poly(acrylonitrile butadiene)], 폴리(에틸렌 비닐 아세테이트)[poly(ethylene vinyl acetate)], 및 폴리우레탄(polyurethane)과 같은 공중합체를 포함한다.

이전의 단락에서 언급한 대부분의 바람직한 세그먼트화 공중합체는 열가소성 탄성 중합체이다. 이러한 중합체는 열가소성 물질과 탄성 중합체의 양호한 특성을 결합하되, 이에 수반되는 단점은 갖고 있지 않다. 즉, 열가소성 탄성 중합체는 전형적인 탄성 중합체와는 달리 재용융 및 재성형이 가능하다. 또한, 열가소성 탄성 중합체는 전형적인 열가소성 물질과는 달리 양호한 탄성 복원력을 갖는다.

도전성 페이스트의 구성 요소로서 사용 가능한 모든 열가소성 중합체는 양호한 열 안정성을 가져야 한다. 상기 취지에서, 상기 열가소성 중합체 성분이 약 200℃ 이상의 분해점(decomposition temperature)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열가소성 분해점이 적어도 약 300℃인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 도전성 페이스트의 제2구성 요소는 도전성 금속 분말이다. 상기 도전성 금속 분말은 통상 적어도 약 200℃ 이상의 용융점을 갖는 무산화물(oxide-free)금속 분말인 것이 바람직하다. 상기 무산화물이라는 용어는 상기 금속이 산화물을 형성하지 않거나, 또는 산화물을 형성하되 실질적으로는 그 산화물이 도전성의 절연체로서 작용하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 금, 은, 주석, 니켈, 루테늄(ruthenium), 로듐(rhodium), 팔라듐, 플라티늄, 이리듐(iridium)과 같은 금속이 상기 무산화물금속으로서 사용되는 것이 바람직하다. 상기 무산화물 금속은 무산화물 원소 금속에 의해, 적어도 두개의 무산화물 원소 금속의 합금, 또는 하나의 무산화물 원소 금속으로 피막된 표면 산화물을 갖지 않는 금속, 또는 적어도 두개의 무산화물 원소 금속의 합금으로서 제공될 수 있다. 상기 분말이라는 용어는 단일 입자이거나 작은 입자들의 응집물이든 간에, 지름 또는 최대 길이가 50㎛ 이하인 것을 의미한다.

또한, 단독이나 중합체로, 순수 금속 또는 피복물의 형태로 사용되는 상기 무산화물 금속은 은 또는 금인 것이 더욱 바람직하다.

본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자는, 무산화물 금속이 산화성 금속 코어로 확산되어 들어가는 것을 방지하기 위한 확산 방지충이 필요하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 코발트, 바람직하게는 코발트와 인이 합금이 금 피막 처리 이전에 동 코어(copper core)의 표면에 도포되는 경우가 많다. 이에 의하여, 온도를 상승시킴에 따라 금 피막이 상기 동으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.

제2 구성 요소는 전술한 무산화물 금속이 보다 보람직하지만, 예를 들어 유기 중합체 또는 무기 물질의 코어가 무산화물 금속으로 피막된 복합물일 수 있다.

상기 코어가 유기 중합체 물질인 이 실시예에서는, 상기 유기 중합체가 폴리스티렌 라텍스(polystyrene latex spheres)의 구형 입자인 것이 바람직하다.

상기 코어가 무기 중합물인 또 다른 실시예에서는, 상기 무기 물질이 실리카(silica), 알루미나(alumina), 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 붕산염(borate), 티탄산염(titanate), 규산염, 탄화물, 질화물 또는 그 외 세라믹 물질과 같은 산화물 형태의 분말 고체이다.

바람직하게, 상기 도전성 금속 분말은 약 20㎛ 이하의 평균 크기를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 본 실시예의 도전성 페이스트에 사용된 금속 분말이 평균 크기는 약 10㎛이하이다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 금속 분말이 평균 크기는 약 5㎛이하이다.

본 발명의 도전성 페이스트의 제3 구성 요소는 바람직하게 하나 이상의 극성 유기 용매(polar organic solvent)를 포함하는 유기 용매계이다. 본 발명의 도전성 페이스트에 사용되는 상기 극성 유기 용매는 대기압에서 약 130℃ 내지 약 300℃범위의 비점을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 극성 유기 용매는 대기압에서 약 150℃ 내지 약 250℃ 범위의 비점을 갖는 것이 더욱 바람직하다.

상기 기준을 만족하는 극성 용매는 예를 들어 에스테르, 에테르, 아미드, 락톤(lactone), 또는 술폰(sulfones)일 수 있다. 따라서, 디메틸 아디핀산염(dimethyladipate)및 에틸 벤조에이트(ethyl benzoate)아 같은 에스테르; 아세토페논(acetophenone)및 2-메톡시에틸 에테르와 같은 에테르;디메틸 아세트아미드를 포함하는 아미드; N-메틸 피롤리디논(N-methyl pyrrolidinone)을 포함하는 락톤; 및 디메틸 술폭시화물과 같은 슬폰이 본 발명의 페이스트에 유용한 극성 용매의 범우에 포함된다.

본 발명의 페이스트는 적어도 하나의 극성 유기 용매, 바람직하게는 전술한 극성 용매 중 하나를 포함하는 것이 바람직하지만, 상기 용매들중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 즉, 상기 용매가 둘 이상의 극성 유기 융매의 혼합물일 수 있다. 또한, 하나 이상의 극성 유기 용매뿐만 아니라, 하나 이상의 비극성 용매를 포함할 수 있다.

하나 이상의 극성 용매와 함께 비극성 유기 용매가 사용되는 바람직한 실시예에서, 상기 비극성 유기 용매로서 액체 탄화수소를 사용하는 것이 바람직하고, 액체 방향족 탄화수소를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 방향족 탄화수소 중에서 본 발명의 페이스트에 극성 용매 조성물의 한 구성 물질로서는 크실렌과 트리메틸벤젠이 사용되는 것이 바람직하다.

한편, 도전성 페이스트는 부식 방지제 및 계면 활성제 등과 같은 추가적인 구성 요소를 선택적으로 포함할 수 있다. 그러나, 중요한 사항은 상기 도전성 페이스트가 어떠한 융제(flux material)도 포함하지 않는다는 점이다.

본 발명의 제2 특징은 도전성 복합체(composite)에 관한 것이다. 상기 도전성 복합체는 무산화물 금속을 포함한다. 바람직하게는, 상기 무산화물 금속은 복합체의 전체 부피에 대비하여 적어도 약 30부피%으로 존재한다. 상기 복합체의 금속구성 요소는 상기 도전성 페이스트에 사용되는 전술한 도전성 금속 분말의 성질을 갖는다. 상기 도전성 금속 분말의 바람직한 실시예는 전술한 도전성 페이스트의 금속 분말의 바람직한 실시예와 동일하다.

상기 무산화물 금속이 상기 도전성 복합체의 전체 부피에 대비하여 적어도 약 40부피%이상 포함하는 것이 바람직하다.

상기 도전성 복합체의 제2 구성 요소는 열가소성 중합체이다. 도전성 복합체에 사용되는 상기 열가소성 중합체는 도전성 페이스트의 열가소성 구성 용소와 동일하다. 상기 복합체의 열가소성 중합체는 이의 바람직한 실시예를 포함하여 도전성 페이스트에 사용되는 열가소성 중합체와 동일한 특성을 갖는다.

본 발명의 도전성 복합체는 본 발명의 도전성 페이스트로부터 이를 가열 처리하여 형성된다. 상기 가열 처리와 동시에 본딩 압력을 인가함으로써, 전기적 구성 요소간의 본딩력을 개선하고 본딩을 용이하게 한다. 특히, 도전성 페이스트는 둘 이상의 전기적 구성 요소의 도전성 리이드 사이에 분산된다. 상기 페이스트의 온도를 용매의 비점 이상으로 상승시켜, 용매를 페이스트로부터 분리시킨다. 압력은 대기압일 필요는 없으며, 용매의 비점을 낮추기 위하여 진공 상태가 될 수도 있다.

다른 실시예에서는, 도전성 페이스트를 복합체로 변환하는 공정에 있어서, 용매를 제거하는 상기 단계는 동적인 가스 교환을 포함하고 있다. 본 기술 분야에서 공지인 이 방법은, 비점 이하의 대기압 조건에서 증발에 의하여 용매를 제거할 수 있다. 상기 공정은 대개 질소 또는 다른 불활성 기체(inert gas)의 스트림 하에서 일어난다.

도전성 접속을 형성하는 공정은 후술하는 두 가지 본딩 공정의 어느 하나에 의하여 수행된다. 제1공정에서, 상기 페이스트가 분산되고, 이어서 열가소성 중합체의 유리 전이 온도 이상의 온도에서 압력이 가해진다. 상기 제1공정에서는, 용매가 증발하고, 열가소성 중합체가 흘러 도전성 본딩을 형성한다. 제2 공정에는, 먼저 열가소성 중합체의 유리 전이 온도 이하의 온도에서 페이스트가 건조된다(즉, 용매 제거됨). 그리고 나서, 상기 열가소성 중합체의 유리 전이 온도 이상으로 온도를 상승시킴으로써 도전성 복합체로이 변환이 완료된다. 전술한 공정은 시간과 온도의 함수이다. 본딩 온도, 즉 페이스트가 노출되는 온도가 높을 수록 상기 공정에 필요한 시간은 단축한다. 최적의 본딩 조건은 형성하고자 하는 특정 구조, 및 상기 열가소성 중합체의 유리 전이 온도에 의해 결정된다.

도전성 복합체는 하나 이상의 선택적 구성 요소를 포함할 수 있다. 상기 선택적 구성 요소는 예를 들어 부식 방지제 및 계면 활성제 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 도전성 페이스트로부터 형성되는 도전성 복합체는 상기 페이스트와 같이 융제를 포함하지 않는다.

배합물(formulation)을 선택하는 기준은 (1)중합체/금속 복합체의 도전성; (2) 중합체/금속/용매 페이스트의 유동성(rheological behavior)및; (3) 충전재 금속(filler metal)및 그 외 기판 상의 중합체의 습윤성 및 밀착성의 균형에 기초하여 이루어지는데, 상기 균형은 적용하려는 대상에 따라 정해진다.

도전성에 대해서, 금속/절연체/금속 터널링 동안 전자 트랩(electron traps)으로서 기능하는 이온 불순물은, 적용하려는 대상에 따라 정해지는 전류 범위 내에서 선형이 전류( I)대 전압 강하(V) 특성을 유지할 수 있을 만큼 충분히 작아야 한다. 또한, 도전성(σ)대 온도9T) 특성은 도전성이 온도에 따라 감소하는 무질서계(disordered system)에서 관찰되는 것 보다는 금속과 같이 행동해야 하는데, 즉, log σ∼T¹⁴법칙을 따라야 한다. 마지막으로, 액체 헬륨 온도에서의 저항값은 가능한 한 낮아야 한다. 양호한 밀착성을 달성하기 위하여, 상기 중합체는 금속 충전재, 및 적용하려는 대상에 의하여 정해지는 기판 물질에 상기 중합체가 젖어들어야 하고, 상기 중합체의 영 계수(Young's modulus)는 바람직하게는 25℃에서 0.1 GPa 이상이어야 한다. 또한, 유동성에 있어서 비-뉴턴 점성(non-Newtonian viscosity)이 약 3000 내지 5000 포이즈(Poise)이고, 제1기준 응력 차이(normal stress difference)가 가능한 한 작아서 낮은 탄성 리코일(elastic recoil)이 나타나도록 상기 페이스트를 조성해야 한다. 또한, 안정된 점성을 보이는 보통의 점탄성의 비-뉴턴 액체와는 달리, 전단 처리(shearing process)를 받을 때의 페이스트는 점성의 감소를 나타내게 된다.

본 발명의 다른 특징은 전기적 구성 요소 및 소자를 형성함에 있어서 새로운 도전성 페이스트를 이용하는 공정에 대한 것인데, 상기 공정에서 상기 페이스트는 본 발명의 복합체로 변환된다. 이러한 공정의 한 예는 하나 이상의 플렉시블 전기적 구성 요소 기판을 전기적 구성 요소에 본딩하는 단계를 포함한다. 본 발명의 도전성 페이스트를 이용한 이러한 본딩체 의하면, 플렉시블 기판 위에 전기적인 조립물이 되게 하여, 플랙시블, 즉 플랙스(flex)회로를 형성하게 된다.

상기 공정에서, 본 발명의 도전성 페이스트는 회로화된 플렉시블 기판의 도전면과 전기적 구성 요소의 도전면 사이에 제공된다. 이렇게 분산된 페이스트는 충분한 시간 동안 가열, 가압 처리됨으로써 도전성 복합체로 변환되어 본딩을 형성하게 된다. 바람직하게, 상기 페이스트는 약 5psi 이상의 압력에서 상기 중합체의 유리 전이 온도 이상의 온도로 가열된다. 이에 의하여, 플렉시블 기판과 전기적 구성요소 사이에 전기적 도통 상태가 이루어져, 플렉시블 회로를 형성한다.

본 발명의 도전성 페이스트 및 복합체의 제2 응용은, 다중층 구조물에 있어서 소위 비아를 통한 상호 접속(via to via interconnect)을 형성하는 공정에서 사용되는 것이다. 제1도는 상기 공정을 나타낸다. 층(10)은 동(6)으로 도금된 비아(8)을 포함한다. 상기 층(10)은 x-방향으로의 금속 라인(4), 및 y-방향으로의 금속 라인(5)를 포함한다. 상기 층(10)에는 유전체 층(2)으로 둘러싸인 접지면(3)이 설치되어 있다. 상기 층(10)은 밀착면(7)을 더 포함한다.

층(10)은 본 발명의 도전성 페이스트에 의하여 제2층(50)과 전기적으로 연결된다. 특히, 상기 도전성 페이스트의 돌롭(dollops; 12)이 상부 위와 하단면 아래로 연장되도록 상기 비아(8)에 설치되고, 여기에서 하단면은 유전 접착체(7)를 포함한다. 층(10, 50)을 전기적으로 연결하기 위하여, 이 층은 하나 이상의 비아에 설치된 도전성 페이스트의 돌롭으로 유사하게 메워지고, 이어서 전술한 건조 공정을 거치며, 그리고 나서 상기 층은 비아 내의 페이스트가 연결 및 용융되어 도전성 복합체를 형성하도록 상기 중합체의 유리 전이 온도 이상의 온도와 적당한 압력하에서 정렬되어 함께 압착된다.

본 발명의 도전성 페이스트 및 복합체의 다른 중용한 응용은 표면 장착조립물(surface mounts)의 제조 공정에 있다. 이러한 도전성 페이스트 및 복합체의 이용을 제2도에서 도시한다. 제2도에서, 유기 중합체, 세라믹 등과 같은 물질인 절연회로 기판(20)은 패드라고 부르는 복수의 단자를 구비한다. 제2도에서 상기 단자는 패드(22, 24)로 도시되어 있다. 상기 패드(22, 24)는 전기 콘딧(electrical conduit; 26, 27)에 의하여 리이드 프레임의 집적 회로 칩(25)과 전기적으로 연결되어 있고, 이로써 상기 기판(20)과 상기 집적 회로 칩(25)사이에 전기적 도통 상태를 제공한다. 상기 진기적 도통 상태는 본 발명의 도전성 페이스트에 의하여 영구적으로 형성된다. 제2도에 도시된 바와 같이 전기 콘딧(26, 27)의 리이드와 각각이 패드(22, 24)사이에 분산된 페이스트 돌롭(21, 23)은 상기 중합체의 유리 전이 온도 이상의 온도와 충분한 부하(load), 바람직하게는 상기 칩(25)와 콘딧(26, 27)의 전체 중량 이상의 부하를 받아, 본 발명의 복합체를 형성한다.

본 발명의 도전성 페이스트 및 복합체의 또 다른 중요한 응용은 미합중국 특허 제4,434,434호에 기재된 것과 같은 플립 칩(flip chip)부착인 공정에 있다. 상기 부착 방법은 컴퓨터 기술의 중요한 진보를 나타낸다. 상기 플립 칩부착 방법에 의하면, 배선 이외의 다른 방법에 의하여 집적 회로 칩이 회로 기판에 직접 결합된다. 따라서, 도전성 페이스트를 이용한 다른 것은, 배선 작업이 대단히 노동 집약적이고 공간을 낭비하며 따라서 고가 및 시간적 낭비를 초래한다는 점에서 컴퓨터 및 다른 복잡한 전자 장치의 제조에 있어서 중요한 진보라고 할 수 있다.

본 발명의 공정에 있어서, 플립 칩 부착은 본 발명의 도전성 페이스트를 사용함으로써 달성될 수 있다. 상기 공정을 제3도를 참조하여 설명하고자 한다. 제3도에 의하면, 칩(30)을 플리핑하여, 즉 뒤집어서 그 표면상의 패드(340를 회로 기판(32)(또한 기판으로도 언급함)의 패드(36)과 정렬시킨다. 소량의 도전성 페이스트(38)가 상기 패드(34)와 패드(36)사이에 분사되어 이들 사이에 전기적 도통 상태를 형성한다. 상기 전체 조립물은 높은 온도, 및 바람직하게는 5 psi 이상의 압력을 받게 되고, 이에 의하여 상기 페이스트는 본 발명의 도전성 복합체로 변환되어 상기 전기적 도통 상태가 영구적이 된다.

한편, 상기 플립 칩 공정은 상기 기판의 패드 또는 칩의 패드, 또는 양쪽의 패드 모두에 상기 페이스트를 증착하는 공정을 포함할 수 있다. 이어서, 상기 페이스트는 건조되고, 그리고 나서 상기 두 표면이 상기 중합체의 유리 전이 온도 이상의 온도에서 소정의 압력하에 정렬 및 본딩되므로, 신속한 방법으로 사실상 결함 없이 전기적 조립물을 생산할 수 있다.

상기 응용례에 의하면, 본 발명의 페이스트 및 복합체에 관련딘 분야에서의 진보를 명확히 알 수 있다. 페이스트 조성물을 구성하는 요소들의 독특한 조합에 의하여, 전기·전자 장치를 연결하는 영구 복합체로 용이하게 변환될 수 있으며, 상기 변환은 상대적으로 완화된 온도 및 압력 조건 하에서 상기 전기, 전자 소자에 손상을 입히지 않는 방법으로 수행된다. 또한, 상기 응용례에 의하면, 상기 복합체의 형성으로 전기적 접속이 영구적이 되게 할 수 있지만, 이 접속은 상기 조성물의 열가소성 구성 요소의 유리 전이 온도 이상의 온도를 인가함으로써 상기 복합체에 의하여 연결된 구성 요소에 손상을 입히지 않고 용이하게 분리될 수 있다는 것을 명확히 알 수 있다.

후술하는 실시예는 본 발명의 적용 범위를 설명하기 위하여 제시되는 것이다. 이러한 실시예는 단순히 설명만을 위해 제시된 것이기 때문에, 본 발명은 이에 의하여 제한되지 않아야 한다.

[예 1]

아세토페논 내의 폴리(이미드 실록산)용액이 제공되어 있는데, 상기 폴리(이미드 실록산)은 용액 전체 중량 대비 28중량% 함유되어 있다. 상기 용액에, 약 1㎛내지 5㎛의 가변 크기의 길이. 폭 및 약 1㎛의 두께를 갖는 은 금속의 박편을 부가한다. 상기 은 입자는 은과 폴리(이미드 실록산)의 전체 중량 대비 87중량%의 농도로 함유되어 있다. 상기 87중량%의 농도는 상기 아세토페논 용매의 중량과는 상관없이 계산된 것이다.

폴리(이미드 실록산)-아세토페논 용액 내의 은 입자의 최종 분산물은 이 분산물을 뮬러(Mueller; 상표명)고전단 혼합기에서 고전단으로 혼합하여 페이스트로 형성된다.

전술한 페이스트 조성물의 플립 칩 부착(FCA)방법에서, 상기 페이스트를 Au로 피막된 기판 상에 중심과 중심 사이가 200㎛이 간격이며 약 100㎛ 높이의 100㎛직경의 원형으로서 분산한다. 실험물의 배열은 11 x 11로 하였다. 결과적인 배열은 2.5lbs의 결합 부하 및 340℃의 온도에서 Au로 피막된 다른 기판과 결합된다. 상기 구조물의 전체 저항은 1μΩ·㎠이하이다. 상기 11 x 11 배열의 최적 밀착강도는 3000 psi이다.

[예 2]

N-메틸 피롤리디논(NMP)내의 폴리(이미드 실록산)의 28중량% 용액이 1㎛내지 5㎛ 입자 크기의 금 입자에 결합되어 있는데, 상기 용액은 용매의 종류만 제외하고는 상기 예1 에서의 용액과 유사하다. 상기 폴리(이미드 실록산)용액에 첨가된 금 입자의 양은 금과 폴리(이미드 실록산)의 전체 중량에 대비하여 금 입자가 92중량%이 되도록 함유되어 있다. 상기 중량 농도는 상기 NMP용매의 중량과는 상관 없이 계산된 것이다.

상기 예1에서와 같이, 폴리(이미드 실록산)-MNP용액 내의 상기 금 입자의 분산은 뮬러(상표명)고전단 혼합기에서 혼합된 후에 페이스트로 변환된다.

상기 페이스트는 상기 예 1에서 설명된 바와 동일한 FCA방법에 이용된다. 밀착강도는 2.75lbs의 본딩 부하에 대하여 3200 psi이다.

[예 3]

13중량%의 폴리(이미드 실록산), 3㎛내지 10㎛의 가변 크기의 길이 ·폭 및 약 1㎛의 두께를 갖는 68중량%의 Ag박편, 및 19중량%의 아세토페논의 혼합물이 고전단 혼합물로 조성되어 페이스트를 형성한다. 상기 페이스트는 제2도에 도시된 것과 같은 표면 장착 응용의 예로서 에폭시 기판 상에서, 표면 산화물이 제거된 Cu패트 상에 분산되어 있다. 상기 페이스트는 1.27㎜의 피치가 14개의 패드의 두 열로 분리되어 있는 28개의 1.65㎟ 사각형의 패턴 상에 분포된다. 28개의 리드판의 VSOP[초소형 아우트라인 패키지(Very Small Outline Package)가 습윤성 페이스트에 밀착된다. 상기 부품은 건조된 다음에, 200℃에서 10분동안 경화된다. 상기 공정의 결과, 상기 구성 요소의 기판에 대한 밀착 강도는 리이드 당 0.6lbs이다.

Claims (12)

1. 도전성 복합물을 형성하기 위한 페이스트에 있어서, 융제를 포함하지 않고, 폴리(이미드 우레아), 폴리(에테르 실록산), 폴리(스티렌 부타디엔), 폴리(스티렌 이소프렌), 폴리(아클릴로니트릴 부타디엔), 폴리(에틸렌 비닐 아세테이트), 및 폴리우레탄으로 이루어지는 군으로부터 선택된 열가소성 중합체; 무산화물 원소 금속 또는 적어도 두 개의 무산화물 원소 금속의 중합체이며 용융점이 적어도 약 200℃인 무산화물 분말 ; 에스테르, 에테르, 아미드, 락톤, 및 설폰으로 선택된 적어도 하나의 극성 유기 용매와 비극성 용매를 포함하는 유기용매계를 포함하며, 상기 열경화성 중합체, 상기 무산화물 금속 분말 및 상기 유기 용매계는 상기 페이스트가 약 3000-5000 포이즈 범위 내의 비-뉴턴(non-Newtonian)점성을 갖도록 조성되는 도전성 복합물을 형성하기 위한 페이스트.
2. 제1항에 있어서, 상기 원소 금속은 금, 은, 주석, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 플라티늄 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 복합물을 형성하기 위한 페이스트.
3. 제1항에 있어서, 상기 극성 유기 용매가 디메틸 아디핀산염(dimethly adipate), 에틸 벤조에이트(ethyl benzoate), 아세토페논(acetophenone), 2-메톡시에틸 에테르, 디메틸 앗트 아미드, N-메틸 피롤리디논(N-methyl pyrrolidinone), 디메틸 술폭시화물(dimethyl sylfoxide),물 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 도전성 복합물을 형성하기 위한 페이스트.
4. 제1항에 있어서, 상기 비극성 용매가 크실렌 및 트리메틸 벤젠을 포함하는 군으로부터 선택되는 도전성 복합물을 형성하기 위한 페이스트.
5. 플렉시블 회로의 제조 방법에 있어서, 전기적 구성 요소와 회로화된 플렉시블 기판을 도전성 페이스트와 접속시키는 단계와, 상기 기판을 상기 페이스트의 중합체의유리 전이 온도 이상이 온도로 가열하는 단계를 포함하고, 상기 도전성 페이스트는 반복 구조 단위가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페놀로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고 있는 열가소성 중합체; 용융점이 적어도 약 200℃인 무산화물 분말; 및 적어도 한의 유기 용매를 함유한 유기 용매계를 포함하는 플렉시블 회로의 제조 방법.
6. 하나 이상이 비아가 관통되어 있는 다중층 구조물을 전기적으로 접속하는 방법에 있어서, 상기 비아 내에 도전성 페이스트를 위치시키는 단계; 상기 비아를 일렬시키는 단계; 상기 페이스트 내의 용매를 대기중이나 진공중에서 제어하는 단계 및 상기 인접 층의 비아를 일렬시켜 상기 조립물을 적어도 150℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하고, 상기 도전성 페이스트는 반복 구조 단위가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페놀로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고 있는 열가소성 중합체; 용융점이 적어도 약 200℃인 무산화물 분말; 및 적어도 한의 유기 용매를 함유한 유기 용매계를 포함하는 다중층 구조물의 전기적 접속 방법.
7. 표면 장착 조립물의 제조 방법에 있어서, 리드-프레임의 리드를 기판 회로 보드의 대응 패드와 전기적으로 접촉되게 배치하는 단계; 상기 패드 위에 도전성 페이스트를 피착하는 단계; 및 상기 조립물을 상기 페이스트의 중합체의 유리 전이 온도 이상의 온도로 가열하는 단계를 포함하고, 상기 도전성 페이스트는 반복 구조 단위가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페놀로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고 있는 열가소성 중합체; 용융점이 적어도 약 200℃인 무산화물 분말; 및 적어도 하나의 유기 용매를 함유한 유기 용매계를 포함하는 표면 장착 조립물의 제조 방법.
8. 집적 칩을 회로 보드에 접착하는 방법에 있어서, 상기 칩, 상기 회로 보드 또는 둘 모두 위에 패드에 도전성 페이스트를 피착하는 단계; 및 이러한 조립물을 상기 페이스트의 중합체의 유리 전이 온도 이상의 온도로 가열하는 단계를 포함하고, 상기 도전성 페이스트는 반복 구조 단위가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페놀로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고 있는 열가소성 중합체; 용융점이 적어도 약 200℃인 무산화물 분말; 및 적어도 하나의 유기 용매를 함유한 유기 용매계를 포함하는 집적 칩의 회로 보드에의 접착 방법.
9. 플렉시블 회로에 있어서, 전기적 구성 요소, 회로화된 플렉시블 기판, 및 상기 전기적 구성 요소를 상기 회로화된 플렉시블 기판에 전기적으로 접속하는 도전성 소자를 포함하고, 상기 도전성 소자는, 적어도 200℃이 용융점을 갖는 적어도 30중량%의 무산화물 금속 분말 및 그 반복 구조 단이가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 열가소성 중합체를 포함하고, 상기 페턴티지 중량은 상기 무산화물 금속 분말과 상기 열가소성 중합체의 전체 중량에 기초하는 플렉시블 회로.
10. 다중층 구조물에 있어서, 내부에 비아를 가지면, 선택층 사이에 선택된 비아를 정렬시키도록 위치 설정된 복수의 층과, 상기 정렬된 비아들 사이에 위치 설정되어 상기 정렬된 비아를 함께 전기적으로 접속하여 고정하는 도전성 소자를 포함하고, 상기 도전성 소자는, 적어도 200℃이 용융점을 갖는 적어도 30중량%의 무산화물 금속 분말 및 그 반복 구조 단위가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고 있는 열가소성 중합체를 포함하고, 상기 페턴티지 중량은 상기 무산화물 금속 분말과 상기 열가소성 중합체의 전체 중량에 기초하는 다중충 구조물.
11. 표면 장착 조립물에 있어서, 기판 회로 보드 상의 대응 패드에 대해 위치 설정된 리드를 갖는 리드-프레임과, 상기 리드와 패드 상에 위치 설정되어 상기 대응 패드에 대해 상기 리드를 전기적으로 접속 및 고정하는 도전성 소자를 포함하고, 상기 도전성 소자는, 적어도 200℃이 용융점을 갖는 적어도 30중량%의 무산화물 금속 분말 및 그 반복 구조 단이가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 열가소성 중합체를 포함하고, 상기 퍼센티지 중량은 상기 금속 분말과 상기 열가소성 중합체의 전체 중량에 기초하는 표면 장착 조립물.
12. 조립물에 있어서, 제1패드가 기판 회로 보드 상의 대응하는 제2패드에 대해 위치 결정되어 있는 집적 회로 칩과, 상기 제1패드와 상기 제2패드 상에서 이들 사이에 위치 설정되어 상기 제2 패드에 대해 상기 제1패드를 전기적으로 접속 및 고정하는 도전성 소자를 포함하고, 상기 도전성 소자는 적어도 200℃이 용융점을 갖는 적어도 30중량%의 무산화물 금속 분말 및 그 반복 구조 단위가 황, 산소, 질소, 실리콘, 알킬 및 페닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 열가소성 중합체를 포함하고, 상기 퍼센티지 중량은 상기 금속 분말과 상기 열가소성 중합체의 전체 중량에 기초하는 조립물.