KR100633846B1 - 도전성 배선재료, 배선기판의 제조방법 및 배선기판 - Google Patents

도전성 배선재료, 배선기판의 제조방법 및 배선기판 Download PDF

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Abstract

도전성 배선재료, 배선기판의 제조방법 및 배선기판이 제시된다. 본 발명에 따른 배선기판의 제조방법은 복수의 제1 금속 나노 입자와 상기 복수의 제1 금속 나노 입자보다 작은 입경을 가지는 복수의 제2 금속 나노 입자를 포함하고, 저온 소성에 의해 상기 제2 금속 나노 입자가 용융되어 상기 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채울 수 있는 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하는 단계 및 이 배선재료가 인쇄 된 베이스 필름을 저온 소성하는 단계를 포함하고, 상기 저온 소성에 의해 제2 금속 나노 입자가 용융되어 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채울 수 있다.
도전성 배선재료, 배선기판의 제조방법, 배선기판, 금속 나노 입자

Description

도전성 배선재료, 배선기판의 제조방법 및 배선기판{CONDUCTIVE WIRING MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING WIRING BORARD AND WIRING BORARD}
도 1은 입경이 일정한 금속 나노 입자로 이루어진 배선을 포함하는 배선기판의 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배선을 포함하는 배선기판의 단면도.
도 3는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제1 금속 나노 입자의 배치를 도시한 개념도.
도 4은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배선기판의 제조방법을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예 1에 따라 형성된 도전성 배선의 SEM 사진.
도 6는 본 발명의 바람직한 일 실시예 2에 따라 형성된 도전성 배선의 SEM 사진.
도 7는 본 발명의 바람직한 일 실시예 3에 따라 형성된 도전성 배선의 SEM 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10a, 30a: 소성 전 배선 10b, 30b:소성 후 배선
110, 310: 베이스 필름
130a: 소성 전 입경이 일정한 금속 나노 입자
130b: 소성 후 입경이 일정한 금속 나노 입자
150: 홀(hole) 190, 390: 전류의 흐름
331a: 소성 전 제1 금속 나노 입자 331b: 소성 후 제1 금속 나노 입자
333a: 소성 전 제2 금속 나노 입자 333b: 소성 후 제2 금속 나노 입자
본 발명은 도전성 배선재료, 배선기판의 제조방법 및 배선기판에 관한 것이다.
최근 전자기기 및 정보 단말기기 등이 소형, 경량화 됨에 따라 기기 내부에 사용되는 전자 부품이 점차 소형화 되고 있는 추세이다. 따라서 전자부품 내 실장을 위한 배선패턴의 사이즈도 점차 작아지고, 배선패턴의 폭이나 배선간의 페이스도 좁아지는 추세이다. 즉 미세 배선의 형성이 요구되고 있다. 이러한 미세 배선을 형성하기 위해서 배선재료에 포함되는 금속입자의 크기도 나노 사이즈까지 이르고 있다.
특히 미세 배선을 형성하기 위해서는 기존의 부식법에 이용되는 스크린 인쇄방식을 이용하는 것은 한계가 있다. 최근에는 잉크젯 인쇄방식과 같이 노즐을 이용하여 금속입자를 인쇄하여 미세 배선을 형성하는 방식이 대두되고 있다. 잉크젯 인쇄방식으로 형성된 배선의 경우 배선 폭이나 배선간의 간격이 인쇄되는 배선재료의 양에만 의존하게 되므로, 이 인쇄방식에 의할 경우 어떠한 배선재료를 선택할 지가 중요한 문제가 된다.
특히 최근 회로간격이 수mm 이하의 미세 배선을 형성하기 위해서는 수십㎛의 노즐이 요구되고 있다. 이러한 미세 노즐을 가지는 잉크젯 프린터로 배선재료를 인쇄하는 경우 배선재료 내의 금속 나노 입자의 크기는 사용되는 잉크젯 프린터의 노즐 크기의 1/100 내지 1/1000 정도이어야 노즐의 막힘이 없이 안정적인 공정을 수행 할 수 있다. 따라서 수㎛의 금속 입자를 포함하는 배선 재료를 사용하는 것은 노즐 막힘과 단위 배선 내에 포함되는 금속 입자가 몇 개 밖에 되지않아 형성된 배선이 불 균일하게 되는 문제점이 있다. 또 배선기판의 전기전도도와 전기신뢰도를 확보하는데도 문제가 있다.
또한 미세회로 배선을 포함하는 기판도 최근에는 얇고 구부릴 수 있으며, 소량, 경량화 된 전자제품에 적합할 것이 요구된다. 예를 들면 연성회로기판, 연경성회로기판, 연성다층기판 등을 들 수 있다. 이러한 기판에 사용되는 베이스 필름으로 폴리머 필름이 적합한데, 이 폴리머 필름은 위와 같은 장점에도 불구하고 800℃이상의 소성 온도에 견딜 수 없어 그 사용의 제한을 받아 왔다.
본 발명은 저온 소성에 의해서도 미세회로 배선을 형성할 수 있는 도전성 배선재료를 제공한다. 또한, 본 발명은 이러한 배선재료를 이용한 배선기판의 제조방법 및 배선기판을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 제1 금속 나노 입자와 상기 복수의 제1 금속 나노 입자보다 작은 입경을 가지는 복수의 제2 금속 나노 입자를 포함하고, 저온 소성에 의해 상기 제2 금속 나노 입자가 용융되어 상기 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채울 수 있는 도전성 배선재료를 제시할 수 있다.
여기서 금속 나노 입자는 금, 은, 동 또는 백금 등의 도전성 금속 일 수 있고 이들의 혼합물일 수도 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 제1 금속 나노 입자의 입경은 10 내지 500 nm 범위에서, 제2 금속 나노 입자의 입경은 1 내지 10 nm 범위에서 선택될 수 있다.
여기서 제1 금속 나노 입자 대 상기 제2 금속 나노 입자의 부피비는 1:1 내지 1:3 일 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 이 배선재료는 점도가 1 내지 50cps의 잉크 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 위와 같은 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하 는 단계, 및 배선재료가 인쇄 된 베이스 필름을 저온 소성하는 단계를 포함하고, 상기 저온 소성에 의해 제2 금속 나노 입자가 용융되어 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채울 수 있는 배선기판의 제조방법을 제시할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면 이 베이스 필름은 폴리머 절연성 필름이고, 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하는 방식은 잉크젯 인쇄 방식이다.
여기서, 저온 소성의 온도는 180 내지 300℃ 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 위와 같은 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하고, 상기 배선재료가 인쇄 된 베이스 필름을 저온 소성하여 제2 금속 나노 입자가 용융되어 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채운 도전성 배선을 포함하는 배선기판을 제시할 수 있다.
여기서, 저온 소성 온도는 180 내지 300℃ 일 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 이 도전성 배선의 비저항이 12×10-5.5 Ωㆍ㎝ 이하 이다.
이하, 본 발명에 따른 도전성 배선재료, 배선기판의 제조방법, 배선기판의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기에 앞서 금속 나노 입 자의 일반적인 특성에 대해서 먼저 설명하기로 한다.
본 발명에서 '금속 나노 입자'는 입경이 수nm 내지 수백nm인 입자를 말한다.금속 입자가 나노사이즈 이하로 작아지면 나노사이즈 효과를 일으킨다. 여기서 '나노사이즈 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 융점은 일반적인 금의 반 정도 수준이다.
일반적으로 금속의 경우 약 100nm 이하에서 나노사이즈 효과를 일으키는데, 바람직하게는 50nm, 더 바람직하게는 10nm 이하에서 나노사이즈 효과가 현저히 나타난다. 예를 들면 은(Ag)의 경우 일반적인 은의 융점은 961.9℃이지만 약 100nm에서 융점이 떨어지기 시작하여, 10nm 이하 크기에서는 융점은 200 내지 250℃까지 떨어진다.
이렇게 금속 입자의 입경을 나노사이즈 이하로 충분히 작게 하면, 금속 원자의 표면 확산은 무시할 수 없을 정도로 커지고, 이 표면 확산에 기인하여 입자 상호간의 계면 연장이 이루어진다. 따라서 나노사이즈 이하로 입자의 크기가 작아질 수록 입자의 융점도 낮아진다.
여기서 나노사이즈 효과가 현저히 일어나는 크기 범위의 금속 나노 입자로 배선을 형성하면 융점이 충분히 낮아 저온 소성이 가능하다. 그러나 소성을 행한 후 금속 나노 입자의 표면이 직접 접촉하여 응집체를 형성하여 결국 금속 나노 입자들 전체가 하나의 커다란 벌크 형태가 된다. 이때 형성된 배선은 금속 벌크와 같 이 전기전도도가 향상 될 것 같지만, 작은 입자들이 서로 엉켜 붙는 과정에서 홀이 발생활 확률이 급격히 증가한다. 이러한 홀은 단선의 원인이 된다. 또한 금속 나노 입자간의 연결부위가 많기 때문에 전류의 흐름도 원활하지 않아 전기전도도와 전기신뢰성이 낮다.
도 1은 입경이 일정한 금속 나노 입자로 이루어진 배선을 포함하는 배선기판의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 소성 전 입경이 일정한 금속 나노 입자(130a)로 이루어진 배선재료로 베이스 필름(110) 상에 배선을 형성시킨 경우, 소성 전 배선(10a)을 얻을 수 있다. 이 소성 전 배선(10a) 내의 소성 전 입경이 일정한 금속 나노 입자(130a)는 분산액에 의해 콜로이드 상태로 균형을 유지하고 있다. 이 배선을 소성 시키면 분산액은 소성 후 배선(10b)에서 이탈되어 버리고 소성 후 입경이 일정한 금속 나노 입자끼리 서로 엉켜 붙어버린다. 이때 소성 후 입경이 일정한 금속 나노 입자(130b) 사이의 홀(150)이 발생될 확률이 높다. 따라서 전기신뢰도가 낮다. 또한 금속 나노 입자간의 연결부위가 많기 때문에 전류의 흐름(190)이 원활하지 않게 된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배선을 포함하는 배선기판의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 도전성 배선 재료는 소성 전 제1 금속 나노 입자(331a) 사이의 공간을 소성 전 제2 금속 나노 입자(333a)가 채우고 있고 이 금속 나노 입자들은 분산액에 의해 콜로이드 상태로 안정적으로 분산되어 있다. 이 도전성 배선 재료를 베이스 필름(310)상에 인쇄하여 소성 전 배선(30a)을 얻을 수 있 다. 이 배선을 저온 소성 시키면 소성 후 제2 금속 나노 입자(333b)는 용융되어 소성 후 제1 금속 나노 입자(331b)간의 공간을 채우게 된다. 여기서 소성 후 제2 금속 나노 입자(333b)는 소성 후 제1 금속 나노 입자(331b) 사이의 홀을 메이게 되어 전기신뢰도가 높아진다. 또 소성 후 제1 금속 나노 입자(331b)간의 연결점이 적어 전류의 흐름(390)이 원활하게 되어 전기전도도가 우수한 소성 후 배선(30b)을 포함하는 배선기판을 얻을 수 있다.
이상에서 도전성 배선재료와 이 도전성 배선재료를 이용한 배선기판을 도 2를 참조하여 설명하였다. 이하에서는 도전성 배선재료를 구성하는 구성 요소들의 조건과 이 구성 요소들이 도전성 배선재료를 구성하기위한 조건을 설명하기로 한다.
도전성 배선재료는 복수의 제1 금속 나노 입자와 상기 복수의 제1 금속 나노 입자보다 작은 입경을 가지는 복수의 제2 금속 나노 입자를 포함하고, 저온 소성에 의해 상기 제2 금속 나노 입자가 용융되어 상기 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채울 수 있어야 한다.
금속 나노 입자의 종류
여기서 금속 나노 입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들 중 둘 이상의 금속으로 이루어진 혼합물 중 적어도 하나일 수 있다.
특히 배선재료에 사용되는 바람직한 금속은 금, 은, 백금 또는 팔라듐이다. 이 금속들은 단독 또는 소성 시 합금을 형성하는 혼합물이다. 일반적인 금속 화합물로는 금/백금, 팔라듐/은, 백금/은, 백금/팔라듐/금 또는 백금/팔라듐/은이 있다. 배선 재료에 포함되는 금속 나노 입자는 은(임의로는 팔라듐과의 혼합), 백금 및/또는 금 중에서 선택되며, 특히 바람직하게는 은 및 은/팔라듐 중 하나이다.
금속 나노 입자의 크기
최근 회로간격이 수mm 이하의 미세 배선을 형성하기 위해서는 수십㎛의 노즐이 요구되고 있다. 이러한 미세 노즐을 통과하기 위해서는 금속 나노 입자를 포함하는 배선재료를 사용해야, 노즐 막힘의 문제가 해결될 있고 형성된 배선의 불 균일성도 감소시킬 수 있어 전기전도도와 전기신뢰성이 우수한 미세 배선을 형성하는데 적합하다.
바람직한 실시예에 따르면, 잉크젯 인쇄방식에 사용되기 적합한 금속 나노 입자의 입경은 500nm이하이다. 또 금속의 경우 약 100nm이하에서 나노사이즈 효과를 일으키고, 10nm 이하에서 나노사이즈 효과가 현저히 일어난다. 금속 나노 입자는 10nm 이하에서 융점이 200 내지 250℃이다.
저온 소성의 온도는 크기가 작은 제2 금속 나노 입자의 융점에 의해 결정된다. 따라서 폴리머 필름이 견딜 수 있는 온도인 180 내지 300℃에서 저온 소성하기 위해서는 제2 금속 나노 입자의 입경은 나노사이즈 효과가 현저히 일어나는 10nm이하인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 제2 금속 나노 입자의 입경이 1 내지 10nm이다.
제1 금속 나노 입자의 입경은 미세 배선을 형성하기 위한 잉크젯 프린터의 노즐을 통과하기 적합하도록 500nm이하이고, 제2 금속 나노 입자보다 입경이 크기 위해 10nm 이상이면 바람직하다. 더 바람직하게는 제1 금속 나노 입자도 나노사이즈 효과를 일으킬 수 있는 10 내지 100nm 이다.
여기서 상술한 바람직한 범위 내라면 배선재료를 구성하는 복수의 제1 금속 나노 입자와 복수의 제2 금속 나노 입자의 크기는 제한은 없다. 바람직한 실시예에 따르면 우수한 전기전도도와 전기신뢰도를 얻기 위해서는 복수의 제1 금속 나노 입자는 10 내지 500nm에서 하나의 평균입경을 가질 수 있다. 또한 일정한 소성 온도를 가지기 위하여 복수의 제2 금속 나노 입자는 1 내지 10nm에서 하나의 평균입경을 가질 수 있다.
금속 나노 입자간의 부피비
도 3는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제1 금속 나노 입자의 배치를 도시한 개념도이다. 도 3를 참조하여, 금속 나노 입자간의 부피비를 설명한다. 큰 입경의 제1 금속 나노 입자의 반경을 R, 작은 입경의 제2 금속 나노 입자의 반경을 r이라고 하고, 제1 금속 나노 입자간의 공간을 제2 금속 나노 입자가 모두 채운다고 가정한다. 도 3의 (a)를 참조하면 제1 금속 나노 입자간이 가장 근접될 수 있는 배치이다. 이 경우 제1 금속 나노 입자간의 중심간 거리는 2R이고, 한 변이 2R인 정육면체를 가정한 경우 정육면체에 제1 금속 나노 입자 한 개를 채울 수 있다. 따라서,
제1 금속 나노 입자의 부피 = 4/3×π×R3
제1 금속 나노 입자 간의 공간의 부피 = (2R)3 -4/3×π×R3
제1 금속 나노 입자의 부피:제2 금속 나노 입자의 부피
= 4/3×π×R3: (2R)3-4/3×π×R3 = 1 : 6/π-1 ≒ 1: 0.90985
제1 금속 나노 입자 대 제2 금속 나노 입자의 부피비의 최소값은 1:1이 된다.
또 도 3의 (c)를 참조하면, 제1 금속 나노 입자간의 거리가 최대일 때의 제1 금속 나노 입자간의 배치이다. 이때 동일 평면상의 제1 금속 나노 입자간의 거리는 2R이다. 동일 평면상의 제1 금속 나노 입자간의 거리가 2R 이상이면 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채우는 제2 금속 나노 입자가 제2 금속 나노 입자끼리 뭉쳐 응집체를 형성할 수 있기 때문에 이 거리 이상은 본 발명에서 구하고자 하는 바람직한 효과를 얻을 수 없다. 따라서 도 3의 (d)를 참조하면, 한 변의 길이가 6R인 정육면체를 가정할 수 있다. 이 정육면체는 한 변의 길이가 2R인 작은 정육면체 27개로 나눌 수 있다. 작은 정육면체 중 13개에는 제1 금속 나노 입자가 채워질 수 있고, 14개의 작은 정육면체는 비어 있게 된다. 따라서,
제1 금속 나노 입자의 부피 = 13×4/3×π×R3
제1 금속 나노 입자간의 공간의 부피 = 14(2R)3+{(2R)3-(4/3×π×R3)}
제1 금속 나노 입자 : 제2 금속 나노 입자의 부피비 ≒ 13 : 41
따라서 제1 금속 나노 입자 대 제2 금속 나노 입자의 부피비의 최대값은 1:3 이다.
금속 나노 입자와 배선재료의 형태
금속 나노 입자의 형태는 제한되지 않는다. 구형, 회전타원체, 분말 형태, 불규칙 형태 또는 임의의 적합한 다른 형태일 수 있다.
여기서 배선재료의 형태는 제한되는 것은 아니다. 가장 바람직하게는 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자가 분산액에 의해 콜로이드 상태로 안정하게 분산되어 있는 잉크 형태이다.
배선재료의 점도
여기서 배선재료의 점도는 1 내지 1000cps에서 선택될 수 있다. 그라비아 인쇄방식의 경우 100 내지 500cps가 바람직하고, 잉크젯 인쇄방식의 경우 1 내지 50cps가 바람직하다. 가장 바람직한 배선재료의 형태가 잉크 형태이므로, 잉크 형태인 배선 재료의 가장 바람직한 점도는 1 내지 20cps이다.
분산액 및 분산제
바람직한 실시예에 따르면 잉크 형태의 분산재료의 경우 금속 나노 입자들은 분산액으로 둘러싸여 콜로이드 상태를 유지한다. 이러한 금속 나노 입자들은 분산제에 의해 원하는 점도를 가지며 분산될 수 있는데, 분산제의 작용기에 따라 금속 나노 입자와 결합될 수 있는 결합점이 다르므로 분산제는 필요에 따라 적당한 중량%로 배선재료에 포함될 수 있다. 여기서 분산제는 관능기 N,O 또는 S를 갖고 있으며 금속 나노 입자와 배위결합이 가능한 비이온, 양이온, 음이온계 계면활성제를 사용할 수 있다.
도 4은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배선기판의 제조방법을 도시한 순서도이다. 도 4을 참조하면, 단계 S205에서 베이스 필름(310)의 표면을 후 공정을 수행하기 적합하도록 세정한다. 단계 S210에서 위와 같이 준비된 베이스 필름(310) 상에 사진법이나 스크린 인쇄방법으로 미리 설계된 배선 패턴을 전사한다.
단계 S215에서 습식법이나 건식법으로 베이스 필름의 표면처리를 행한다. 단계 S220은 금속 나노 입자를 포함하는 도전성 배선재료를 인쇄하여 소성 전 배선(30a)를 형성하는 단계이다. 단계 S225에서는 단계 S220에서 얻어진 배선이 포함된 기판을 저온 소성한다. 단계 S220, S225에 의해 기판 상에 도전성 배선이 형성된다.
단계 S230에서는 기판을 적층하는 단계로 다층기판을 형성하기 위한 필수적 단계이고, 단계 S235에서 기 형성된 도전성 패턴에 피막을 입혀 부품의 실장 시 이루어지는 납땜(soldering) 과정에 의해 원하지 않는 접촉이 일어나지 않도록 한다. 단계 S240에서 부품 명, 부품위치 등의 심벌마크를 인쇄하고, 단계 S245에서 HASL 등의 공법으로 마감 표면처리를 행한다. 단계 S250에서 단자부를 도금하고, 단계 S255에서 홀 및 외관가공을 행하여 비저항이 낮은, 즉 우수한 전기전도도를 가지는 배선기판을 얻을 수 있다.
여기서 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하는 방법은 스크린 인쇄, 디스펜스 인쇄, 그라비어 인쇄, 잉크젯 인쇄 등에 의해 인쇄할 수 있다. 미세 배선을 형성하 기 위해서는 잉크젯 인쇄방식이 바람직하다. 잉크젯 인쇄방식에는 피에조(Piezo) 타입과 써멀(Thermal) 타입이 있는데, 이러한 타입에 제한을 받지 않는다.
바람직한 실시예에 따르면, 베이스 필름(310)으로 폴리머 절연성 필름을 사용할 수 있다. 폴리머 절연성 필름의 경우 180 내지 300℃의 저온 소성이 요구되는데, 본 발명의 배선 재료는 제2 금속 나노 입자의 융점에 의해 소성 온도가 정해지기 때문에 이러한 폴리머 절연성 필름에 사용 가능한 저온 소성 도전성 배선재료를 제공할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면 폴리머 절연성 필름으로 폴리이미드 필름을 사용할 수 있다.
본 발명의 배선기판의 제조방법은 그 용도가 한정되지 않는다. 예를 들면 단층, 양면 또는 다층의 경성회로 기판, 단면 또는 양면의 연성회로기판, 경연성회로기판, 연성다층기판 또는 세라믹기판 등의 인쇄회로기판, IC-모듈, P-BGA, CSP, 강화 BGA 또는 FC-BGA 등의 반도체 실장용 경성기판, micro BGA, FBGA, TBGA 등의 반도체 실장용 연성기판, MCM-L 또는 MCM-C 등의 반도체 실장용 기판 등에 사용될 수 있다. 바람직하게는 폴리이미드 필름을 사용하는 배선기판의 제조방법에 사용할 수 있다.
상기의 바람직한 실시예에 따른 배선기판의 제조방법에 의해 얻어진 배선기판은 제2 금속 나노 입자가 용융되어 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채우기 때문에 금속 나노 입자간에 홀이 형성될 확률이 낮고, 제1 금속 나노 입자간의 연결점이 적어 전류의 흐름도 원활하다. 또한 낮은 비저항을 가져 전기전도도가 우수하다. 바람직한 실시예에 따르면 비저항이 12×10-5.5Ωㆍ㎝이하인 배선기판을 얻을 수 있다.
이상에서 도전성 배선재료, 이 도전성 배선재료를 이용한 배선기판의 제조방법 및 이 방법에 의해 형성된 배선기판을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하였으며, 이하에서는 구체적인 실시예를 기준으로 설명하기로 한다.
도전성 배선재료
제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자는 동일 또는 이종의 금속을 사용할 수 있다. 습식 또는 건식 방법으로 합성되어 분산액에 의해 안정화된 제1 은(Ag) 나노 입자와 제2 은(Ag) 나노 입자를 물 또는 유기용매에 분산시켰다. 사용된 분산제는 관능기 N, O, S를 갖고 있으며 은 나노 입자와 배위 결합이 가능한 비이온, 양이온, 음이온계 계면활성제로 하였다. 제1 은 나노 입자는 10 내지 500nm의 입경을 가지고, 제2 은 나노 입자는 1 내지 10nm의 입경을 가지도록 선택하였다. 은 나노 입자들을 부피비 1:1.2, 1:1.8, 1:3로 균일하게 섞은 후 폴리머 절연성 필름에 인쇄하였다. 배선 재료의 점도는 목적에 따라 1 내지 100cps로 조절이 가능하며, 잉크젯 인쇄방식의 경우 1 내지 50cps가 적합하고, 특히 1 내지 20cps가 바람직하다.
배선기판의 제조방법 및 배선기판
잉크젯의 인쇄방식 중 피에조 타입 또는 써멀 타입의 제한이 없으며, 도전성 배선 형성을 위한 잉크 형태의 배선재료는 상기한 배선재료를 사용하였다. 여기서 배선기판의 제조방법이 사용되는 기판은 연성회로기판(FPCB), 경연성회로기판(RF-PCB), 연성다층기판(MF-PCB)을 사용할 수 있다. 이러한 기판에 사용되는 베이스 필름으로 폴리머 절연성 필름을 사용하였다. 잉크젯 인쇄방식으로 100㎛정도의 배선을 기판에 인쇄한 후 180 내지 300℃에서 30 내지 120분 정도 열처리 하였다. 열처리 조건은 인쇄된 배선의 전도도를 최적화 시킬 수 있는 조건에서 결정되었다. 얻어진 배선 기판의 비저항을 측정하였다.
[실시예 1]
습식 또는 건식 방법으로 합성된 입경이 50nm인 은 나노 입자와 입경이 5nm인 은 나노 입자를 부피비 1:1.2로 섞었다. 서로 다른 입경의 은 나노 입자를 균일하게 섞어 도전성 배선재료를 얻었다. 잉크젯 인쇄방식으로 배선 재료를 폴리머 절연성 필름에 배선 패턴을 형성한 후 소성하였다. 소성 온도는 200℃에서 2시간 소성하였을 때 완전 소성되었으며 이렇게 형성된 배선기판의 비저항은 11.6×10-5.5Ωㆍ㎝였다. 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예 2에 따라 형성된 도전성 배선의 SEM 사진이다.
[실시예 2]
습식 또는 건식 방법으로 합성된 입경이 50nm인 은 나노 입자와 입경이 5nm인 은 나노 입자를 부피비 1:1.8로 섞었다. 서로 다른 입경의 은 나노 입자를 균일 하게 섞어 도전성 배선재료를 얻었다. 잉크젯 인쇄방식으로 배선 재료를 폴리머 절연성 필름에 배선 패턴을 형성한 후 소성하였다. 소성 온도는 200℃에서 2시간 소성하였을 때 완전 소성되었으며 이렇게 형성된 배선기판의 비저항은 7.4×10-5.5Ωㆍ㎝였다. 도 6는 본 발명의 바람직한 일 실시예 3에 따라 형성된 도전성 배선의 SEM 사진이다.
[실시예 3]
습식 또는 건식 방법으로 합성된 입경이 50nm인 은 나노 입자와 입경이 5nm인 은 나노 입자를 부피비 1:3로 섞었다. 서로 다른 입경의 은 나노 입자를 균일하게 섞어 도전성 배선재료를 얻었다. 잉크젯 인쇄방식으로 배선 재료를 폴리머 절연성 필름에 배선 패턴을 형성한 후 소성하였다. 소성 온도는 200℃에서 2시간 소성하였을 때 완전 소성되었으며 이렇게 형성된 배선기판의 비저항은 7×10-6Ωㆍ㎝였다. 도 7는 본 발명의 바람직한 일 실시예 4에 따라 형성된 도전성 배선의 SEM 사진이다.
[비교예 1]
습식 또는 건식 방법으로 합성된 입경이 5nm인 은 나노 입자를 유기용매로 균일하게 분산시켰다. 이러한 도전성 배선 재료를 잉크젯 인쇄방식으로 폴리머 절연성 필름에 배선 패턴을 형성한 후 소성하였다. 소성 온도는 220℃에서 2시간 소성하였다. 이렇게 형성된 배선기판의 비저항은 5.5×10-5Ωㆍ㎝였다.
[비교예 2]
습식 또는 건식 방법으로 합성된 입경이 50nm인 은 나노 입자를 용매에 균일하게 분산시켜 배선 재료를 얻었다. 잉크젯 인쇄방식으로 배선 재료를 폴리머 절연성 필름에 배선 패턴을 형성한 후 소성하였다. 소성 온도는 220℃에서 2시간 소성하였으나 완전 소성이 이루어 지지 않았다.
[비교예 3]
습식 또는 건식 방법으로 합성된 입경이 50nm인 은 나노 입자와 입경이 5nm인 은 나노 입자를 부피비 1:0.6로 섞었다. 서로 다른 입경의 은 나노 입자를 균일하게 섞어 도전성 배선재료를 얻었다. 잉크젯 인쇄방식으로 배선 재료를 폴리머 절연성 필름에 배선 패턴을 형성한 후 소성하였다. 소성 온도는 200℃에서 2시간 소성하였을 때 완전 소성되었으며 이렇게 형성된 배선기판의 비저항은 15.6×10-5 Ωㆍ㎝였다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 도전성 배선재료로 배선기판을 제조하면, 입경이 서로 다른 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자 중에서 입경이 작은 제2 금속 나노 입자에 의해 소성 온도가 결정되므로 제2 금속 나노 입자의 입경을 나노사이즈 효과가 현저한 크기로 작게 하면 저온 소성이 가능한 배선재료를 얻을 수 있다. 따라서, 연성기판, 연경성기판, 연성다층 기판에 사용되는 폴리머 필름에도 사용 가능한 배선재료를 얻을 수 있다. 배선기판의 제조과정에서 저온 소성에 의해 배선기판을 제조할 수 있으며, 소성 시 제2 금속 나노 입자는 용융되어 제1 금속 나노 입자 사이의 공간을 채우게 되어 제1 금속 나노 입자간의 연결점이 적어 전기전도도가 높고 전기신뢰성이 우수한 배선기판을 얻을 수 있다. 또한 배선재료에 포함되는 금속 나노 입자들은 나노 사이즈를 가지므로 본 발명의 배선재료는 잉크젯 인쇄방식으로 미세 배선을 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 제1 금속 나노 입자와 상기 복수의 제1 금속 나노 입자보다 작은 입경을 가지는 복수의 제2 금속 나노 입자를 포함하고, 저온 소성에 의해 상기 제2 금속 나노 입자가 용융되어 상기 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채울 수 있는 도전성 배선재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들 중 둘 이상의 금속으로 이루어진 혼합물 중 적어도 하나인 도전성 배선재료.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속 나노 입자의 입경은 10 내지 500 nm 범위에서 선택될 수 있는 도전성 배선재료.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 금속 나노 입자의 입경은 1 내지 10 nm 범위에서 선택될 수 있는 도전성 배선재료.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속 나노 입자 대 상기 제2 금속 나노 입자의 부피비는 1:1 내지 1:3 인 도전성 배선재료.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배선재료는 점도가 1 내지 50cps의 잉크 형태인 도전성 배선재료.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하는 단계; 및
    상기 배선재료가 인쇄 된 베이스 필름을 저온 소성하는 단계;
    를 포함하고, 상기 저온 소성에 의해 제2 금속 나노 입자가 용융되어 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채울 수 있는 배선기판의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 베이스 필름은 폴리머 절연성 필름인 배선기판의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하는 방식은 잉크젯 인쇄 방식인 배선기판의 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 저온 소성의 온도는 180 내지 300℃ 인 배선기판의 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 배선재료를 베이스 필름에 인쇄하고, 상기 배선재료가 인쇄 된 베이스 필름을 저온 소성하여 제2 금속 나노 입자가 용융되어 제1 금속 나노 입자간의 공간을 채운 도전성 배선을 포함하는 배선기판.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 저온 소성 온도는 180 내지 300℃인 배선기판.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 도전성 배선의 비저항이 12×10-5.5Ωㆍ㎝ 이하인 배선기판.
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