KR100637764B1 - 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자와 그 제조방법 및이를 이용한 이방성 도전접속재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자와 그 제조방법 및 이를 이용한 이방성 도전접속재료에 관한 것으로, 특히 전자소자의 도전접속시 접속 불량을 일으키게 되는 주요 원인인 도전성 입자 간의 응집을 피하면서 도전성 입자에 충분한 두께로 균일하게 절연층을 형성할 수 있는 방법 및 원치 않는 박리 및 용매에 의한 용해 현상 등을 최소화할 수 있는 안정된 절연층의 형성에 관한 것이다. 본 발명에서는, 도전성 입자와 그 표면에 피복된 절연성 수지층으로 이루어진 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자에 있어서, 절연성 수지층이 금속과의 결합력을 지닌 헤테로원소나 관능기를 표면에 함유하는 절연성 수지 미립자를 도포시켜 형성된 것임을 특징으로 하는 이방성 절연 도전성 입자가 제공된다. 본 발명의 절연 도전성 입자는 복잡한 장치가 필요 없이 높은 수율로 손쉽게 제조가 가능하며, 본 발명의 절연 도전성 입자를 이용한 도전접속재료는 이방성 도전 접속시 균일하고 우수한 품질의 제품 생산을 보장한다.

이방성, 도전접속, 절연, 도전성, 입자, 상호작용, 표면인식

Description

이방성 도전접속용 절연 도전성 입자와 그 제조방법 및 이를 이용한 이방성 도전접속재료{Insulated conductive ball for anisotropic electric connection and its method of preparation and products using the same}

도 1은 본 발명에 따른 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자의 단면도이다.

도 2는 도 1의 절연성 수지층을 구성하는 절연성 수지 미립자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 절연 도전성 입자

11: 도전성 입자

12: 절연성 수지층

20: 절연성 수지 미립자

22: 절연성 수지 미립자의 표면 부위에 위치한 헤테로원소(heteroatom)

본 발명은 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자와 그 제조방법 및 이를 이용 한 이방성 도전접속재료에 관한 것으로, 특히 전자소자의 도전접속시 접속 불량을 일으키게 되는 주요 원인인 도전성 입자 간의 응집을 피하면서 도전성 입자에 충분한 두께로 균일하게 절연층을 형성할 수 있는 방법 및 원치 않는 박리 및 용매에 의한 용해 현상 등을 최소화할 수 있는 안정된 절연층의 형성에 관한 것이다.

전자부품이나 반도체 소자, 기판의 접속단자를 도전접속함에 있어서 이방성 도전접속 방식이 널리 사용되고 있다. 이방성 도전접속 방법은 평판디스플레이 패널 제조시 TCP 단자와 유리기판의 투명전극간 접속과, 구동 I/C와 FPC 단자간의 접속, 구동 I/C와 투명전극간의 접속 등에 널리 사용되며, 특히 최근에는 플립칩(flip-chip) 방식의 칩패키징에 있어서 솔더볼 접속 방식을 대체하는 미래형 패키징 방법으로 적용이 확대되고 있다.

최근에는 전자부품의 박형화, 소형화로 인해 접속단자의 패턴이 더욱 미세화되고 있어, 이방성 도전접속을 실시할 때에 인접단자 간 쇼트의 발생을 방지하는 것이 중요한 이슈가 되고 있다. 이러한 쇼트 발생을 피하기 위해 이방성 도전접속용의 도전성 입자로서 일반 도전성 입자의 표면을 얇은 수지층으로 피복시킨 소위 절연 도전성 입자의 사용이 점차 확대되고 있다.

그러나, 지금까지 개발된 절연 도전성 입자들은 제조 과정과 제품의 특성에 있어 여러 가지 문제를 갖고 있었다. 현재까지 개발된 절연 도전성 입자의 유형은 절연층이 열가소성 수지로 구성된 경우와 열경화성 수지로 구성된 경우, 부분 경화 수지로 구성된 경우 세 가지로 대별할 수 있다.

먼저 열가소성 수지로 절연층을 피복하는 경우, 제조과정에서 절연층을 충분 한 두께로 균일하게 형성하기가 어렵다는 제조상의 어려움이 있다. 실제, 일정 농도의 용액에 도전성 입자를 담근 후 꺼내어 건조하는 과정을 반복적으로 실시하여 일정한 두께를 얻는 용액침지법과 특정 반응성기를 포함하는 커플링제 또는 표면처리제로 도전성 입자의 표면을 처리한 후 원하는 단량체를 가하여 중합하는 계면중합법 등에 대하여 보고되어 있다. 그러나 이들 방법은 모두 여러 단계의 공정이 요구되어 일정한 품질과 높은 수율을 보장할 수 없을 뿐 아니라, 제조과정상 어쩔 수 없이 발생하는 입자의 응집을 피할 수 없어 후에 이를 사용한 이방성 도전접속 재료가 전자소자 접속에 사용될 시 접속불량의 주요 원인이 된다. 더욱이 열가소성 절연층을 지닌 절연 도전성 입자를 사용하여 이방성 도전접속재료를 제조할 경우, 용매에 의해 수지피막이 용해되거나 벗겨질 수 있으며, 용매가 한정되어 배합조성도 한정된다는 문제를 피할 수 없다.

한편 열경화성 수지로 피복층을 형성할 경우에는 열가소성 수지의 경우에 발생하는 용해 문제 및 응집문제를 어느 정도 피할 수 있으나 절연수지층의 가교밀도 조절이 용이하지 않은 문제가 있다. 너무 낮은 가교밀도에서는 열가소성 수지와 동일한 문제가 있으며 가교밀도가 너무 높을 경우 이방접속 시 피복층이 벗겨지지 않아 전극간 통전을 기할 수 없는 우려가 있으며, 도전성 입자의 절연성 피막을 파괴하기 위해 높은 압력으로 가압할 필요가 있어 피접속체인 전극단자가 손상될 수 있으며, 그럼에도 불구하고 피막 박편들이 전극과 도전 입자의 경계로부터 제대로 제거되지 않아 전극간 통전이 신뢰성 있게 이루어지지 못하는 단점이 있다.

최근 소니케미칼이 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 적당한 가교도를 지닌 절연성 겔상 수지분말을 제조한 후, 이를 물리적·기계적 방법으로 도전성 미립자에 점착시켜 절연 도전성 미립자를 제조하였다고 보고한 바 있다 (한국특허공개 제2001-0060234호). 소니케미칼은 겔 분율 90% 이상의 미립자를 50∼99%의 피복율로 도포함으로써 위에서 언급한 문제점이 해결되었다고 주장하였다. 그러나, 제조공정상 균일한 피복이 불가능하고 피복 후 절연층이 전체적으로 가교되어 있지 않아 절연 수지 입자가 도전성 입자의 표면으로부터 쉽게 박리 될 수 있다. 또한, 건식으로 절연성 수지 입자와 도전성 입자를 가열 혼합하여 고정화하는 피복 공정상 응집 입자의 발생이 불가피하여 피복 후 정제의 문제가 남게 된다.

본 발명은 전자소자의 도전접속시 접속 불량을 일으키게 되는 주요 원인인 도전성 입자 간의 응집을 피하면서 도전성 입자에 충분한 두께로 균일하게 절연층을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이며, 또한 원치 않는 박리 및 용매에 의한 용해 현상 등을 최소화할 수 있는 안정된 절연층의 형성에 관한 것이다.

즉, 본 발명의 목적은 종래의 열가소성 수지나 열경화성 수지로 피복된 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자의 문제점을 해결하고 공정 안정성 및 통전·절연특성이 크게 개선된 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

일반적으로 수지를 미립자 표면에 수십 내지 수백 nm의 두께로 도포하는 것은 매우 어려운 일이다. 일본 특허출원평 제8-13076호에서는 미립자를 수지층으로 피복하는 방법으로 계면중합법, 인시튜(in situ) 중합법, 스프레이 드라이법, 진공증착법 등 여러 방법을 제시하였으며, 일본 특허출원소 제62-71255호에서 용액침지법을 제시하고 있고 있다. 그러나 모두 두께가 수십∼수백 nm 이상의 절연 수지층을 균일하고 용이하게 입힐 수 없다는 문제가 있었다. 즉, 계면중합법과 인시튜 중합법은 입자의 응집이 발생할 뿐만 아니라 입자의 표면 외에서도 중합이 일어나 균일하면서 불순물이 없는 제품을 얻기가 어렵고, 스프레이 드라이법이나 진공증착법 또한 응집을 피할 수 없다. 일본 특허출원소 제62-71255호의 방법은 여러 차례 침지와 건조를 반복한다 하더라도 수백 nm 두께의 절연층 형성이 어려울 뿐 아니라 매회 응집된 입자의 파쇄와 분리가 문제가 되어 실제적으로 적용이 불가능한 방법이다. 또한, 최근 소니케미칼이 출원한 한국특허공개 제2001-060234호에서는 미리 제조된 가교고분자의 미립자를 기체상에서 물리적으로 도전볼 표면에 부착하는 방법을 소개하였는데, 이는 앞에서도 지적했듯이 균일한 피복이 방법상 원천적으로 불가능하며 도전성 입자와 절연수지 간의 결합력이 약하여 결과적으로 피복층의 기계적 강도와 내용매성이 약화되는 문제가 있다.

본 발명은 도전성 입자를 구성하는 금속에 대하여 결합력이 있는 원소 또는 관능기를 표면에 함유하는 절연성 수지 미립자를 이용하여 도전성 입자를 피복하게 되면 종래의 문제점들을 대부분 해결할 수 있고 균일하고도 충분한 피복이 가능하다는 점에 착안한 것이다.

황, 인 등은 금을 포함하는 여러 금속과 공유결합에 가까운 견고한 결합을 이루는 것으로 알려져 있으며, 질소와 산소 또한 쌍극자 인력으로 인해 금속과 비 교적 강한 결합을 이룬다. 따라서 이러한 금속과의 결합력을 지닌 황, 인, 산소, 질소와 같은 헤테로 원소나 이들 원소를 포함하는 관능기가 표면에 존재하는 수지 미립자들은 금, 은, 니켈, 구리 등 통상의 도전성 입자를 구성하는 전도성 금속을 인식하여 그 표면에 부착 고정하게 되므로, 이러한 수지 미립자를 이용하면 간단하고 용이한 방법으로 도전성 입자에 균일하게 절연피복을 실시할 수 있고, 그 결과 얻어진 절연 도전성 입자는 절연층과 도전성 입자 간의 결합력으로 안정성이 우수하여 도전접속재료의 제조시 용액에서도 안정하다.

또, 상기와 같은 절연성 수지 미립자의 크기를 조절함으로써 형성되는 절연층의 두께를 제어할 수 있으며, 분산액 내 절연성 수지 미립자의 농도를 적당히 조절함으로써 입자의 엉김 없이 절연성 수지가 도전성 입자의 표면에 균일하게 도포될 수 있도록 제어할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 측면은 종래의 열가소성 수지나 열경화성 수지를 절연소재로 사용하는 경우는 물론 절연 도전성 구형 미립자를 절연소재로 사용하는 종래기술(한국특허공개 제2001-060234호)에서도 해결할 수 없었던 문제인 균일한 절연층의 형성방법과 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 상기 절연 도전성 입자의 절연피복제로 사용되는 절연성 수지 미립자의 제조에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 절연 도전성 입자를 이용한 이방성 도전접속재료 및 접속 구조체에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 더 잘 알게 될 것이다.

본 발명에서는,

도전성 입자와 그 표면에 피복된 절연성 수지층으로 이루어진 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자에 있어서,

상기 절연성 수지층이, 금속과의 결합력을 지닌 헤테로원소나 관능기를 표면에 함유하는 절연성 수지 미립자를 도포시켜 형성된 것임을 특징으로 하는 이방성 절연 도전성 입자가 제공된다.

상기 헤테로원소나 관능기는 바람직하게는 황, 인, 질소 또는 산소 등의 헤테로 원소이거나 이들 헤테로 원소를 하나 이상 포함하는 화학단이다.

상기 절연성 수지 미립자는 가교되지 않은 분자량 10만∼100만의 올레핀계 중합체; 공중합체; 축중합체인 열가소성 수지; 가교제에 의해 가교된 수지 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 절연성 수지층의 바람직한 평균두께를 10 nm∼1μm로 볼 때 상기 절연성 수지 미립자의 바람직한 직경은 10∼1,000nm이다.

상기 절연성 수지의 유리전이 온도는 바람직하게는 -30∼200℃ 이다.

본 발명의 이방성 절연 도전성 입자는, 통상의 이방성 도전접속용 도전성 입자에, 금속과의 결합력을 지닌 헤테로원소나 관능기를 표면에 함유하는 절연성 수지 미립자를 균일하게 도포시킴으로써 제조될 수 있다.

절연성 수지 미립자의 도포는, 절연성 수지 미립자를 물 또는 유기용매에 분산 또는 용해시킨 분산액 또는 용액에 상기 도전성 입자를 넣고 교반하여 금속과의 결합력을 이용하여 절연성 수지 미립자를 도전성 입자의 표면에 부착 고정시킨 후 여과, 분리, 건조하는 간단한 방법으로 실시할 수 있다. 그러나 도포방법은 이에 한정되는 것은 아니고, 절연성 수지 미립자를 건조하여 분말 형태로 한 후 도전성 입자의 표면에 기계적·열적 방법을 이용하여 결합시키는 소위 '하이브리디제이션' 방법도 가능하다.

이때 상기 절연성 수지 미립자의 크기를 조절하여 절연층의 두께를 제어할 수 있으며, 상기 분산액 또는 용액 내 절연성 수지 미립자의 농도를 조절함으로써 입자 간의 엉김 없이 절연성 수지 미립자를 도전성 입자의 표면에 균일하게 도포시킬 수 있다.

또, 상기와 같이 도포한 후 절연성 수지 미립자의 연화점 보다 높은 온도에서 일정 시간 방치함으로써 형성된 절연성 수지층의 표면을 보다 매끄럽게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 절연성 수지 미립자는 분산용매에 1종 이상의 단량체를 넣은 후 금속과의 결합력을 지닌 헤테로원소나 관능기를 함유하는 단량체와, 라디칼 개시제, 계면활성제를 가하여 라디칼 중합으로 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 이소티우로니움염(isothiuronium salt)을 중합반응시킨 후 입자의 표면에 위치한 염을 가수분해하여 머캡탄기로 전환시킴으로써 표면에 황을 함유하는 절연성 수지 미립자를 제조한다.

또한, 본 발명에서는 절연성 접착제 중에 본 발명의 절연 도전성 입자를 균일하게 분산시킨 이방성 도전접속재료 및 이를 이용하여 접속시킨 접속구조체가 제공된다.

본 명세서에서 "금속과의 결합력을 지닌 헤테로 원소나 관능기"는 도전성 입자를 구성하는 금속에 대해 공유결합성 결합, 극성결합 등의 결합력을 지니거나 금속에 대한 친화도가 커서 금속표면에 부착 고정될 수 있는 모든 헤테로 원소나 관능기를 의미한다.

본 명세서에서 "도전성 입자"는 니켈, 구리, 금, 은과 같은 금속이나 금속 합금 입자, 플라스틱이나 세라믹 입자에 도전성 금속이 코팅 또는 도금되어 있는 다층 입자, 형태상 구형 또는 불규칙한 모양의 입자 등 현재 이방성 도전접속용으로 사용되거나 앞으로 사용될 수 있는 모든 도전성 입자를 의미한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자(10)는 도전성 입자(11)와, 그 표면을 피복하는 절연성 수지층(12)으로 이루어진다.

본 발명에 있어서의 도전성 입자(11)는 특별히 한정되는 것은 아니나, 일반적으로 직경 2∼10㎛ 범위의 입자가 사용될 수 있다. 절연성 수지층(12)의 두께(평균두께)는 10 nm 이상 1μm 이하가 좋다. 절연성 수지층의 두께가 너무 커지면 통전특성이 나빠질 수 있을 뿐 아니라 이를 사용하는 이방성 도전접속재료 중 절연성 수지 분율이 높아져 접속 후 내열성과 접착 특성 등 물성의 저하가 일어날 수 있다. 반면 너무 얇아지면 절연특성이 충분치 못할 수 있다. 본 발명에서의 절연성 수지층의 표면 형상은 절연소재가 되는 절연성 수지 미립자의 조성 및 절연피복 공정 조건에 따라 매끈하고 균일한 두께를 지닐 수 있고 울퉁불퉁한 표면의 불규칙한 두께를 지닐 수도 있다.

절연성 수지층은 도 2의 절연성 수지 입자의 특성에 따라 통상의 열가소성 수지로 구성되거나 적당한 가교밀도를 갖는 가교 고분자로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 절연성 수지 미립자는 가교되지 않은 분자량 10만∼100만의 올레핀계 중합체; 공중합체; 축중합체인 열가소성 수지; 가교제에 의해 가교된 수지 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

절연성 수지층의 연화점은 이방성 도전접속시의 가열온도보다 높은 것이 바람직하다. 가열온도보다 낮은 수지층을 사용하면 절연특성이 나빠지는 경향이 있다. 그러나 연화점이 가열온도보다 너무 높으면 단자 사이에서 압력을 받아도 수지층이 절연성 도전입자의 표면으로부터 용이하게 제거되지 않아 통전 특성을 악화시킬 수 있다. 본 발명에서는 절연소재로 사용되는 수지 입자(도 2)의 제조시 다양한 종류의 단량체와 필요시 적당한 양의 다관능성 단량체를 첨가하여 사용함으로써 절연수지층의 내열성, 기계적 강도, 흐름성을 포함한 여러 특성들을 원하는 대로 조절할 수 있다.

절연 수지층에서 요구되는 주요물성은 적당한 기계적 강도와 내용매성 및 내 열성이다. 절연 수지층은 이방성 도전접속 재료의 제조시 기계적 교반과 용매, 수지, 경화제, 커플링제 등과의 혼합 과정에서 안정하게 유지되어야 한다. 이때 주로 사용되는 용매로는 아세톤, MEK, MIBK와 같은 케톤류와, 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 등 탄화수소계 용매, 그밖에 THF를 포함한 통상의 공업용 용매들이 있다. 따라서, 본 발명의 절연 수지층과 같이 도전성 입자의 금속 표면과 특별한 친화력 내지 결합력이 있는 경우가 아니라면 이러한 용매를 사용할 경우 절연 수지층의 용해나 박리를 피하기 어렵다.

본 발명에서 사용하는 절연소재인 절연성 수지 미립자(20)는 입자 내부(21)의 조성이 어떠하더라도 표면에 황, 인, 질소, 산소와 같은 금속과의 결합력을 지닌 헤테로 원소(22) 또는 이들 원소를 포함하는 관능기를 갖고 있어 금속표면과 강한 결합력을 나타내게 되므로 (도 2), 도전성 입자의 표면에 단단하게 부착 고정되게 되며, 이렇게 형성된 절연성 수지층은 물리적 충격에 박리되지 않을 뿐 아니라 우수한 내용매성을 나타내어 이방성 도전접속재료의 제조 과정에서도 변형되거나 용해되지 않는 특성을 갖게 된다.

절연성 수지층은 가열하더라도 가압이 없으면 흐르지 않아야 한다. 그렇지 않으면 이방성 도전접속 공정시 절연성 수지층의 유동으로 인해 접착체 매트릭스 내의 상분리와 도전성 입자의 응집이 발생할 수 있으며 그 결과 도전성 입자 표면이 노출되어 인접 단자간 쇼트가 발생할 수 있다. 따라서 절연성 수지층의 연화점 또는 유리전이 온도는 이방도전접속 공정의 온도와 동일하거나 또는 적당히 높은 것이 좋다. 그러나 최근 들어 소자조립업체들이 생산성 제고와 플렉서블 기판 또 는 필름 상에서의 접속공정성 확보를 위해 보다 낮은 온도와 압력에서 접속이 가능한 이방성 도전접속재료를 요구하고 있다. 즉, 저온-속경화형 이방 도전성 접속 공정을 위해서는 절연 수지층이 저온에서 보다 짧은 시간 내로 제거되어야 하기 때문에 이 경우 절연성 수지층의 연화점은 가열온도보다 낮은 것이 더 바람직한 경우가 많다. 그러나 지금까지의 절연 도전성 입자는 절연성 수지층의 연화점이 가열온도보다 낮게 되면 상분리가 일어나게 되므로 이러한 저온속경화 접속공정조건을 만족시킬 수 없었다. 그러나 본 발명의 절연 도전성 입자는 지금까지의 절연 도전성 입자와 달리 절연성 수지층과 도전성 입자 표면 간에 결합력이 존재하므로 절연성 수지층의 연화점이 비록 가열온도보다 낮더라도 상분리가 일어나지 않고 접속공정이 이루어질 수 있다. 본 발명에서 절연성 수지층의 유리전이 온도는 바람직하게는 -30∼200℃이며, 통상 이방 도전성 접속시의 가열온도 보다 높으나 저온-속경화형 공정을 위해서는 가열온도 보다 낮을 수 있다.

절연성 수지 미립자의 제조

본 발명에서는 상기와 같은 요구조건을 만족시키는 절연성 수지 입자를 용도에 맞추어 다양한 방법으로 제조할 수 있다. 중합방법으로는 분산중합, 현탁중합 또는 미세현탁중합, 에멀전 중합과 같이 반응결과물이 입자 형태로 얻어지는 중합방법을 이용하는 것이 바람직하다. 이는 얻어진 입자 분산액을 그대로 도전성 입자의 피복 공정에 사용할 수 있고 아울러 입자의 직경 조절이 가능하여 결과적으로 절연층 두께를 비교적 용이하게 제어할 수 있기 때문이다. 절연성 수지층의 바람 직한 평균두께를 10 nm∼1μm 로 볼 때 본 발명의 절연성 수지 미립자의 직경은 바람직하게는 10∼1,000nm이다.

본 발명의 절연성 수지 미립자의 제조방법을 예를 들어 설명하면, 물이나 알코올과 같은 분산용매에 절연성 수지 입자의 주성분이 될 임의의 단량체 또는 2 종류 이상의 단량체를 넣은 후 황, 인, 질소, 산소 등 헤테로 원소를 함유한 단량체와 라디칼 개시제, 계면활성제를 각각 적당한 양만큼 첨가하여 가열, 교반하면 표면에 헤테로 원소들이 존재하는 수지 미립자가 얻어진다. 이때 헤테로 원소를 함유하는 단량체는 비교적 친수성이 높아 결과물인 수지 미립자의 표면에 우선 분포하게 된다.

분산중합에 있어서 헤테로 원소를 함유하는 단량체의 친수성 정도에 따라 분산 용매로 순수한 물 또는 물과 알코올의 혼합물을 사용할 수 있다. 그러나 아크릴아마이드나 아크릴산과 같이 헤테로 원소들을 함유하고 있는 친수성이 높은 단량체들의 경우는 현탁중합이 적합하지 않다. 즉, 아크릴아마이드와 스티렌, 메틸메타크릴레이트 단량체 혼합물을 현탁중합하면 아크릴아마이드 성분이 거의 없는 폴리(스티렌-co-메틸메타크릴레이트) 수지 입자와 물에 용해되어 있는 폴리아크릴아마이드 고분자로 불균일한 결과물이 얻어질 수 있다.

수지 미립자의 직경과 기계적, 열적 특성 및 표면의 성분과 특성은 각 반응물 성분의 종류와 양, 온도와 교반속도 등을 조절하여 제어할 수 있다. 절연성 수지층은 도전성 입자의 표면에 이 수지 미립자가 결합력을 갖고 부착 도포되어 형성되므로 입자의 크기와 특성에 따라 절연 수지층의 물성이 대부분 결정된다.

본 발명의 일 실시예에서 표면에 헤테로 원소를 포함하는 수지 입자는 다단계 반응으로 제조할 수 있다. 앞서 언급한 아크릴아마이드나 아크릴산 종류와 같은 친수성 단량체와는 달리 황이나 인을 입자의 표면에 부가하기 위해서는 다단계 반응을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 4-메틸머캡토스티렌(4-methylmercaptostyrene )과 같이 황을 함유하는 단량체는 친수성이 크지 않아 분산중합시 입자의 표면에 많은 양이 위치하는 것을 기대하기 어려우며 더욱이 머캡탄 또는 티올(thiol) 화합물은 라디칼 중합에 있어서 사슬이동반응(chain transfer reaction)을 일으켜 중합 자체를 방해한다.

따라서 표면에 헤테로 원소를 함유하는 입자의 합성을 위해서는 먼저 표면에 에폭시기와 같은 반응성기를 함유하는 입자를 합성한 후 이 입자의 표면을 적당한 화합물과 반응시켜 원하는 원소를 부가하는 방법이 좋다. 황을 함유한 입자의 경우 특히 이소티우로니움염(isothiuronium salt)을 전구체로 사용하여 중합한 후 입자의 표면에 위치한 염을 가수분해하여 머캡탄기로 전환할 수 있다.

절연성 수지 입자의 조성은 반드시 라디칼 중합으로 제조되는 올레핀계 부가중합체일 필요는 없다. 즉, 폴리에스터나 폴리아마이드, 폴리우레탄과 같은 축중합체 미립자도 가능하다. 이 경우는 입자 자체가 올레핀계 입자보다 도전성 입자의 금속표면과의 점착력이 우수하지만 표면을 개질함으로써 피복 효율성을 개선할 수 있다.

한편 절연성 수지 입자가 반드시 구형의 입자일 필요는 없다. 벌크 중합이나 용액중합으로 제조한 수지를 분쇄하여 얻은 불규칙한 분말도 표면에 황이나 질 소 등 헤테로 원소를 어느 정도 함유하고 있어 금속과 결합력을 나타낼 경우 본 발명의 절연소재로 사용이 가능하다.

절연 도전성 입자의 제조

종래의 절연피복 공정인 용액침지법, 계면중합법, 인시튜(in situ) 중합법, 스프레이 드라이법, 진공증착법, 물리적, 기계적 하이브리디제이션 등이 균일하며 충분한 두께의 절연피복층을 얻기 어려운 문제가 있었는데 반해, 본 발명에서는 미립자가 분산된 수용액 또는 유기용액에 도전성 입자를 혼합한 후 여과 건조하는 간단한 방법으로 균일한 절연피복을 실시할 수 있다.

절연성 수지 미립자의 에멀젼 또는 현탁액에 도전성 입자를 첨가한 후 일정 온도에서 일정 시간 동안 교반하여 수지 입자를 도전성 입자의 표면에 부착 고정시킨 다음, 여과 분리하고, 상온 또는 적당한 온도로 가열하며 건조함으로써 본 발명의 절연 도전성 입자를 제조할 수 있다. 이때 건조시 진공을 가할 수도 있으나 일반 송풍 방식의 건조오븐으로도 충분하다. 본 발명에 있어서의 절연소재인 절연성 미립자는 표면에 금속과의 결합력이 강한 헤테로 원소나 관능기를 함유하고 있기 때문에 단순히 미립자 분산액에 도전성 입자를 넣고 교반하는 것만으로도 도전성 입자 표면에 부착 고정되어 절연성 수지층을 형성하게 된다.

이때 분산액 내 절연성 수지의 농도를 적당히 조절함으로써 입자의 엉김 없이 절연성 수지가 도전성 입자의 표면에 균일하게 피복될 수 있도록 제어할 수 있다.

분산액으로부터 분리된 절연 도전성 입자를 후처리하는 조건에 따라 절연성 수지층의 형태와 표면이 달라진다. 절연성 수지 입자의 연화점보다 높은 온도에서 적당한 시간 동안 방치하면 보다 고른 두께와 매끄러운 표면을 지닌 절연성 수지층을 얻을 수 있다. 이때 입자간 점착성으로 인해 서로 응집될 경우에는 끓는 점이 수지층의 연화점보다 높은 적당한 불용성 용매에 절연성 도전 입자를 분산하여 가열하는 방법을 사용할 수 있다.

또한 본 발명의 절연성 수지 미립자를 도전성 입자에 도포하는 방법으로 상기와 같은 방법 외에도, 절연성 수지 미립자를 건조하여 분말 형태로 한 후 도전성 입자의 표면에 기계적·열적 방법을 이용하여 결합시키는 방법 등도 사용될 수 있다.

이방성 도전접속재료 및 접속 구조체

본 발명의 이방성 절연 도전성 입자를 통상의 기술에 따라 절연성 접착제 중에 균일하게 분산시킴으로써 필름 형상 또는 페이스트 형상의 이방성 도전접속재료를 얻을 수 있다. 이때 절연성 접착제로는 공지의 접착제가 사용될 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 이방성 도전접속재료를 서로 대향하는 2개의 피접속체(반도체소자와 그 탑재용 기판, 유연성 배선기판과 투명전극 어레이 등) 사이에 놓고 가열, 가압시킴으로써, 양호한 통전특성, 절연특성 및 접속강도를 나타내는 접속구조체를 얻을 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴본다.

제조예 1

절연성 수지 미립자의 제조

클로로메틸스티렌(7.0g)과 티오우레아(3.7g)를 메탄올(15mL)에 넣은 후 잘 혼합한다. 혼합물에 t-부틸카테콜(0.20g)을 첨가한 후 48℃에서 10시간 교반하였다. 혼합물을 이서(ether)에 부어 침전을 얻은 후 여과하고 진공건조하였다. 얻어진 이소티우로니움염(isothiuronium salt)(2.0g)을 증류수(80mL)에 녹인 다음 스티렌(20.0g), 부틸아크릴레이트(60.0g), K₂S₂O₈(0.25g)을 넣고 교반하며 가열하였다. 혼합물의 온도를 70℃로 20시간 유지하였다. 반응물에 PVA(1g)를 부가하고 KOH(2M, 5.0mL)를 가한 다음 상온에서 5시간 교반하였다. 얻어진 입자는 원심분리와 에탄올 세척으로 정제하고 진공건조하였다.

제조예 2

절연성 수지 미립자의 제조

스티렌(8.0g), 부틸아크릴레이트(2.0g), 증류수(100g)를 250-mL 플라스크에 넣고 혼합하였다. 혼합물에 PVP(2.0g), K₂S₂O₈(0.20g)을 가한 후 70℃에서 12시간 동안 교반한 후 다시 반응물에 그리시딜메타크릴레이트(2.0g), PVA(1.0g), 증류수(20g)를 혼합한 현탁액을 가하고 70℃에서 12시간 더 강하게 교반하였다. 얻어 진 반응물에 헥사메틸렌디아민(2.0g)을 넣은 후 50℃에서 24시간 동안 교반하였다. 얻어진 미립자는 원심분리기로 분리하여 물과 에탄올로 세척하였다. 분석 결과 얻어진 입자의 평균직경은 약 150 nm였다.

제조예 3

절연성 수지 미립자의 제조

스티렌(7.0g), 부틸아크릴레이트(3.0g), 아크릴아마이드(1.0), K₂S₂O₈(0.5g), 에탄올(70g)을 100-mL 플라스크에 넣고 혼합한 후 혼합물에 증류수(40g)와 PVP(2.0g)의 혼합용액을 부가하였다. 반응물의 온도를 90℃로 올리고 24시간 교반을 지속하였다. 제조된 입자는 분리 세척하고 SEM으로 크기를 관찰하였다. 입자의 평균직경은 약 105 nm 였다.

제조예 4

절연성 수지 미립자의 제조

부틸아크릴레이트(60g) 대신 부틸아크릴레이트(59g)와 헥사메틸렌디아크릴레이트(1g)의 혼합물을 사용하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 하여 절연성 수지 미립자를 제조하였다.

실시예 1∼8

직경 4㎛의 헥사메틸렌디아크릴레이트 중합체 입자의 표면에 Ni/Au 도금을 실시한 도전성 입자에, 표 1과 같은 조건으로 상기 제조예에서 얻은 절연성 수지 분말을 물에 분산시켜 피복함으로써, 절연성 수지로 피복된 이방성 도전접속용 절연 도전성 입자를 얻었다. 피복공정은 다음과 같다.

미립자 분말을 물(또는 에탄올 등 유기용매)에 넣어 초음파를 가하며 교반하여 고형분 5% 미립자 분산액을 제조하였다. 이 분산액 50mL에 도전성 미립자(1.0g, 적수화학, 마이크로펄 AUL704)를 넣고 50℃에서 30분간 교반하여 혼합한 후 고속원심분리기로 입자를 분리하고 에탄올로 수차례 씻은 다음 다시 원심분리하여 진공건조하였다. SEM 사진으로부터 도전성 미립자의 표면은 직경 200∼300nm인 미립자로 덮여있음을 확인하였다. 이 절연 도전성 미립자를 50-mL 비이커에 넣어 오븐 내에 넣어 100℃에서 5분간 방치한 후 SEM으로 관찰하였다. SEM 사진으로부터 절연 도전성 미립자 표면의 입자 형태가 거의 사라지고 표면이 매끄러운 절연층이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 얻어진 절연 도전성 입자는 TGA 분석 결과 두께 150 nm의 절연수지층을 지닌 것으로 확인되었다.

각 실시예에 따른 절연 도전성 입자의 피복율(%), 절연성 수지층의 평균 막두께(nm)를 표 1에 나타내었다. 표 1에서 피복율은 SEM 사진상 도전볼 50개를 무작위로 택해 입자가 붙은 표면과 붙지 않은 표면을 계산하여 산출한 것이다.

비교예 1∼6

직경 4㎛의 헥사메틸렌디아크릴레이트 중합체 입자의 표면에 Ni/Au 도금을 실시한 도전성 입자에, 절연성 수지 입자(스티렌/부틸아크릴레이트 공중합체, 직경 약 180nm)를 표 2의 조건에 따라 상기 실시예와 같은 방법으로 절연피복을 실시하였다 (비교예 1∼3).

또한 톨루엔(또는 THF)에 상기 절연성 수지 입자를 녹인 후 도전성 입자를 침지하는 용액 침지법으로 절연피복을 실시하였다 (비교예 4∼6). 용액 침지법은 통상적인 에멀전 중합으로 얻은 스티렌/부틸아크릴레이트 공중합체(스티렌/부틸아크릴레이트=7:3 중량비, 직경 180 nm) 10g을 톨루엔 100g에 녹인 용액에 도전볼 2g을 넣은 후 30℃에서 30분 동안 서서히 교반하였다. 교반이 완료된 후 도전볼을 여과하여 분리한 후 에탄올로 두 차례 세척하고 진공오븐에서 감압하에 건조하였다. 얻어진 절연도전볼은 고무막대를 이용하여 엉긴 입자를 파쇄한 후 SEM과 TGA로 분석하였다. 분석 결과 다량의 엉긴 입자들이 보였으며 수지의 평균두께는 약 12nm임이 확인되었다.

비교예에서 얻어진 각 도전성 입자의 절연성 수지층의 피복율(%), 절연성 수지층의 평균 막두께(nm)를 표 2에 나타내었다.

실시예 9

상기 실시예 1∼8 및 비교예에서 얻어진 절연 도전성 입자를 비스페놀-A 형 액상 에폭시수지 (YDF-128, 국도화학사 제조) 60 중량부와, 잠재성 경화제 (H-3842, 국도화학사 제조) 40 중량부와, 메틸에틸케톤 70 중량부로 이루어지는 혼합물에 20 중량%가 되도록 첨가하여, 균일하게 혼합하였다. 이 혼합물을, 실리콘처리를 실시한 폴리이미드 필름에 건조두께가 25㎛가 되도록 도포하고, 건조함으로써 이방성 도전접속필름을 제작하였다.

제작된 이방성 도전접속필름을, 50㎛피치(범프사이즈 35×80 ㎛, 범프간격 15㎛, 범프높이 20㎛)의 반도체소자와 50㎛피치의 ITO(배선폭 35㎛, 배선간격 15㎛)를 구비한 유리기판 사이에 놓고 180℃의 온도, 3kgf/cm²의 압력으로 10초간 압착하여, 접속구조체를 얻었다.

얻어진 접속구조체에 대하여, 다음과 같이 통전특성 및 절연특성을 판정하였다. 얻어진 결과를 표 3에 나타내었다.

통전특성

랭크 : 판정기준

○ : 접속한 100 핀 전부의 초기저항치가 5 Ω 이하인 경우

△ : 접속한 100 핀 중의 초기 최대저항치가 5 Ω을 초과하여 10 Ω 미만인 경우

×: 접속한 100 핀 중의 초기 최대저항치가 10 Ω을 초과하는 경우

절연특성

랭크 : 판정기준

○ : 비접속상태의 100 핀의 저항치가 10⁸ Ω 이상인 경우

△ : 비접속상태의 100 핀의 최소저항치가 10⁶ Ω 이상인 경우

× : 비접속상태의 100 핀의 최소저항치가 10⁶ Ω 미만인 경우

표 1∼3의 결과, 특히 표 3의 결과로부터 표면에 금속과의 결합력을 나타내는 원소들을 함유한 수지 입자로 피복된 도전성 입자는 통전특성과 절연특성이 일반 수지 입자나 수지 용액으로 코팅된 도전성 입자보다 우수한 것을 확인할 수 있다. 또 본 발명에서 제조된 절연 도전성 입자는 톨루엔이나 MEK에 넣어 상온에서 3시간까지 교반하여도 절연층의 손상이 거의 없다. 따라서 본 발명에서의 절연 도전성 입자는 이방성 도전접속재료의 제조시 우수한 공정안정성을 나타내고 이렇게 제조된 접속재료는 이방접속공정에서 우수한 이방접속특성을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면 간단하고 용이한 방법으로 원하는 충분한 두께로 균일하게 도전성 입자를 절연성 수지로 피복할 수 있으며, 본 발명의 절연 도전성 입자는 입자간 응집이 없고 우수한 용액안정성을 나타내는 등 종래 열가소성 수지나 열경화 성 수지로 피복된 이방성 도전접속용 도전성 입자의 결점을 개선하여 우수한 통전 및 절연성을 나타낸다. 또한 본 발명의 절연 도전성 입자는 복잡한 장치가 필요 없이 높은 수율로 손쉽게 제조가 가능하며, 이를 이용한 도전접속재료는 이방성 도전 접속시 균일하고 우수한 품질의 제품 생산을 보장한다.

Claims (6)

1. 분산용매에 1종 이상의 단량체와 아크릴아마이드, 라디칼 개시제 및 계면활성제를 가하고 라디칼 중합반응시켜, 분자량 10만∼100만의 올레핀계 부가중합체이고 직경 10∼1,000nm인 절연성 수지 미립자를 제조하는 단계와;

   상기 절연성 수지 미립자를 이방성 도전접속용 도전성 입자에 균일하게 도포시켜 이방성 절연 도전성 입자를 제조하는 단계;를 포함하는 이방성 절연 도전성 입자의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 절연성 수지 미립자가 도전성 입자에 도포되어 형성된 절연성 수지층은 유리전이 온도가 -30∼200℃인 것을 특징으로 하는 이방성 절연 도전성 입자의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 이방성 도전접속용 도전성 입자에 상기 절연성 수지 미립자를 도포시키는 단계는, 상기 절연성 수지 미립자를 물 또는 유기용매에 분산 또는 용해시킨 분산액 또는 용액에 상기 도전성 입자를 넣고 교반하여 절연성 수지 미립자를 도전성 입자의 표면에 부착 고정시킨 후 여과, 분리, 건조하는 것임을 특징으로 하는 이방성 절연 도전성 입자의 제조방법.
4. 청구항 1 또는 3에 있어서, 상기 절연성 수지미립자가 도포된 이방성 절연 도전성 입자를 상기 수지미립자의 연화점보다 높은 온도에서 상기 수지미립자가 연화될 때까지 방치하여 상기 수지미립자로 형성된 절연성 수지층의 표면을 매끄럽게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이방성 절연 도전성 입자의 제조방법.
5. 청구항 1의 방법으로 제조된 절연 도전성 입자를 절연성 접착제 중에 균일하게 분산시킨 이방성 도전접속재료.
6. 청구항 5의 이방성 도전접속재료를 서로 대향하는 2개의 피접속체 사이에 놓고 가열·가압하여 접속시킨 접속구조체.

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