KR100977163B1

KR100977163B1 - 솔더 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치

Info

Publication number: KR100977163B1
Application number: KR1020090024627A
Authority: KR
Inventors: 장용운; 김성철; 추용철; 장승준; 손윤상
Original assignee: 덕산하이메탈(주)
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-08-20
Also published as: EP2412775A2; EP2412775A4; WO2010110542A3; US20120067629A1; WO2010110542A2

Abstract

본 발명은 솔더 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융점이 130℃ ~ 300℃이고, 주석(Sn)을 포함하는 합금, 로진(rosin) 화합물을 포함하는 제1 바인더, 및 열경화성 수지를 포함하는 제2 바인더를 포함하는 솔더 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.

솔더 접착제, 합금, 로진 화합물

Description

솔더 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치{Solder adhesive and the manufacturing method thereof and the electric device comprising thereof}

본 발명은 솔더 접착제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 특히 전기 전도성, 접착력 및 강인성이 우수한 솔더 접착제에 관한 것이다.

전자 부품을 인쇄회로기판에 납땜하는 방법으로서 리플로우법은 땜납 분말과 플럭스로 이루어지는 솔더 접착제를 인쇄회로기판의 필요한 부위에 도포하고 그 도포한 부분에 전자 부품을 마운팅 한 후 가열장치로 솔더 접착제를 용융시켜 접합하는 방법이다.

솔더 접착제는 전기 전도성이 좋고 아울러 접착성이 좋을 것이 요구되며, 또한 휴대폰 등 전자 장치에 주로 사용되는 경우 전자 장치의 낙하 시에도 접착력이 유지될 수 있는 우수한 강인성 역시 요구된다. 그런데 종래의 솔더 페이스트의 경우 접착력 및 강인성이 만족되기는 어려운 문제점이 있었다. 특히 솔더 페이스트에 사용되는 솔더 합금, 플럭스로 어떤 물질을 선택하는가에 따라 전기 도전성, 접착력 및 강인성 등에 많은 차이가 있었다. 따라서 어떠한 물질을 솔더 합금, 플럭스 등으로 선택하는지 여부가 중요한 문제가 되어왔다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전기 전도성, 접착력 및 강인성이 우수한 솔더 접착제 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 솔더 접착제는 용융점이 130℃ ~ 300℃이고, 주석(Sn)을 포함하는 합금, 로진(rosin) 화합물을 포함하는 제1 바인더, 열경화성 수지를 포함하는 제2 바인더를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 합금은 Sn을 포함하고, Ag, Cu, Bi, Zn, In 및 Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 합금은 Sn-Ag-Cu계 합금 및 Sn-Bi계 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 합금은 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-3.9Ag-0.6Cu 및 Sn-Bi계 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 제1 바인더는 검 로진(gum rosin), 로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르(Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 페놀 변성 로진 에스테르(Phenol Modified Rosin Esters), 탤펜 페놀 공중합 수지, 말레산 변성 수지 및 아크릴 변성 수소 첨가 수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 바인더는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolics), 멜라민 수지(melamine resin), 우레아 수지(urea resin), 불포화 폴리에스테르 수지(polyester, unsaturated polyester), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane), 알릴 수지(allyl resin), 열경화성 아크릴 수지, 페놀-멜라민축 중합수지 및 요소-멜라민 축중합수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 솔더 접착제는 합금과 로진 화합물 및 합성수지를 혼합한 하이브리드 바인더를 사용하여 우수한 전기 전도성, 접착력 및 강인성을 나타낸다.

또한 본 발명에 따른 솔더 접착제는 솔더 페이스트로 사용될 수도 있고, 솔더볼과 함께 사용되어 플럭스의 역할을 수행할 수 있다.

아울러 본 발명의 솔더 접착제가 솔더 페이스트로 사용되는 경우 우수한 접 착력을 나타낼 수 있고, 솔더볼의 플럭스로 사용되는 경우 전기전도성이 증가될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 제1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구별하여 설명하기 위해 사용되는 것일 뿐으로, 본원 발명의 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 "포함한다" 와 같은 용어는 명세서 상에 기재된 특징이나 단계 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의하지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 본 발명에서 솔더 접착제는 무연 솔더 접착제 또는 유연 솔더 접착제를 모두를 포함하며 납을 포함하는 솔더 접착제로만 한정되어 해석되는 것은 아니다.

솔더 접착제

본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제는 합금, 로진(rosin) 화합물을 포함하는 제1 바인더, 및 합성수지를 포함하는 제2 바인더를 포함한다.

합금은 주석(Sn)에 Ag, Cu, Bi, Zn, In 및 Pb 중 적어도 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다. 일예로, 합금으로 Sn-Ag계 합금, Sn-Ag-Cu계 합금, Sn-Cu계 합금, Sn-Bi계 합금, Sn-Zn계 합금 및 Sn-Pb계 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 즉, Sn-Ag계 합금, Sn-Ag-Cu계 합금, Sn-Cu계 합금, Sn-Bi계 합금, Sn-Zn계 합금 및 Sn-Pb계 합금 중 하나 이상의 또는 둘 이상의 물질이 사용될 수 있다. 또한 합금으로 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305), Sn95.5-Ag3.9-Cu0.6, Sn-3.9Ag-0.6Cu, Sn-25Ag-10Sb, Sn-0.7Cu,Sn-3.5Ag, Sn-2Ag,Sn-2.8Ag-20In, Sn-5Sb, Sn-58Bi, Sn-9Zn, Sn-0.5Ag-4Cu, Sn-2Ag-0.75Cu, Sn-3.2Ag-0.5Cu, Sn-3.8Ag-0.7Cu, Sn-4Ag-0.5Cu, Sn-4Ag-1Cu, Sn-4.7Ag-1.7Cu, Sn-8Zn-3Bi, Sn-0.2Ag-2Cu-0.8Sb, Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb(Castin), Sn-2Ag-7.5Bi, Sn-3.4Ag-4.8Bi, Sn-3.5Ag-3Bi, Sn-2Ag-3Bi-0.75Cu, Sn-3.5Ag-5Bi-0.7Cu, Sn-2Ag-4Bi-0.5Cu-0.1Ge, Sn-57Bi-0.1Ag, Sn-52In, Sn-2Ag, Sn-2.8Ag-20In, Sn-Cu계 합금, Sn-Bi계 합금, Sn-Zn계 합금 및 Sn-Pb계 합금 등도 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305), Sn95.5-Ag3.9-Cu0.6 및 Sn-Bi계 합금이 사용된다.

이 때 합금은 Sn-3.0Ag-0.5Cu를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 다른 무연 합금보다 젖음성 및 기계적 특성 등 모든 특성이 개선되었기 때문이다.

합금의 용융점은 130℃ ~ 300℃일 수 있으며, 보다 바람직하게는 175℃ ~ 250℃일 수 있다. 175℃ 미만에서는 경도 증가, 취성, 융점 저하, 광택 저하가 발생할 가능성이 있고, 250℃ 초과에서는 고열로 인하여 전자 부품에 스트레스를 줄 가능성이 있기 때문이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제에서 합금은 복수의 입자를 포함할 수 있다. 즉 분말 형태의 합금을 사용하는 것도 가능하다. 입자 크기는 0.2μm ~ 50μm일 수 있고, 보다 바람직하게는 1μm ~ 15μm일 수 있다.

입자 크기가 0.2μm 미만인 경우 전자 소자의 미소 피치(Pitch : 간격)에 대응이 어렵고, 합금 분말을 제조하기가 어렵다. 반면 입자크기가 15μm를 초과하는 경우 분말의 입자 크기가 커서 전자 소자의 미소 피치(Pitch: 간격)에 범프 형성에 문제점이 있을 수 있다.

합금 내부의 각각의 입자 크기 사이에는 미세한 차이가 있으나, 가장 많은 수의 입자가 갖는 입자 크기를 합금의 입자 크기로 정의할 수 있다. 합금은 구 형상 또는 플레이크상과 침상의 형상일 수 있으며, 합금은 일반적으로 구형이지만 각 입자가 완전한 구형이 아닌 경우 입자의 크기는 입자 내부를 통과하는 가장 긴 선분의 길이와 가장 짧은 선분의 길이의 평균값으로 정의한다. 각 입자가 구형에 가까운 경우 입자의 크기는 구의 지름 값에 가까워질 것이다.

본 발명의 일 실시예에서 제1 바인더로는 로진(rosin) 화합물이 사용된다. 로진 화합물로는 검 로진(gum rosin), 로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르 (Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 페놀 변성 로진 에스테르 (Phenol Modified Rosin Esters), 탤펜 페놀 공중합 수지, 말레산 변성 수지 및 아크릴 변성 수소 첨가 수지로 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.

로진은 송진을 증류하여 얻는 천연 수지로 아비에트산를 주성분으로 하며, 네오아비에트산·레포피마르산·히드로아비에트산·피마르산·덱스톤산 등 수지산(樹脂酸)을 함유하는 물질을 의미한다. 로진 화합물의 수지산들은 접합할 부품 표면에서 산화된 금속을 환원시키며, 용융된 솔더 접착제의 젖음성을 향상시켜 솔더 접착제 접착력 및 강인성을 향상시키고, 이에 따라 솔더 접착제의 전기적 특성 역시 향상시킨다. 또한 로진 화합물은 솔더링 후 부품 표면을 보호하여 전자 장치의 수명을 연장시킬 수 있다.

제2 바인더로는 열경화성 수지가 사용된다. 열경화성 수지로는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolics), 멜라민 수지(melamine resin), 우레아 수지(urea resin), 불포화 폴리에스테르 수지(polyester, unsaturated polyester), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane), 알릴 수지(allyl resin) 및 열경화성 아크릴 수지, 페놀-멜라민 축중합수지, 요소-멜라민 축중합 수지 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는 페놀-멜라민 축중합수지나 에폭시 수지가 사용될 수 있다. 열경화성 수지는 열경화 후에는 외부충격(열, 유기용제, 낙하, 방식 등)에 강한 특성을 나타내어 제1 바인더인 로진 화합물의 기능을 향상시키고, 로진 화합물의 1차 솔더링 후 즉시 제2 바인더인 열경화성 수지가 경화됨으로써 솔더 접착제의 접착력과 강인성을 상승시킨다. 이에 따라 솔더 접착제는 외부로부터의 물리적 충격이나 고열이나 유기 용제, 부식 등에도 잘 견디는 우수한 특성을 가질 수 있다. 솔더링과 동시에 열경화성 수지는 수축이 이루어진다. 그 결과 접착성이 높아지며 강인성을 나타낼 수 있다.

한편 이에 더하여 첨가제로 용매, 경화제, 활성제, 방청제(rust inhibitor), 환원제, 칙소제 및 점증제 등이 사용될 수 있다.

용매로는 글리시딜 에테르류(GLYCIDYL ETHERS), 글리콜 에테르류(GLYCOL ETHERS), 알파-테르피네올(alpha-Terpneol)로 중 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.

경화제로는 지방족 아민 경화제(에폭시 경화제), 산무수물계 경화제, 아미드계 경화제, 이다졸계 경화제, 잠재성 경화제 등이 사용될 수 있다. 특히 잠재성 경화제로는 디시안디아마이드(DICYANDIAMIDE), 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아(3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea)), 2-페닐-4-메틸-5-하이드록시메틸이미다졸, 아민 어덕트계 화합물, 디하이드라이드 화합물, 오니움염(설포늄염, 포스포늄염 등), 비페닐에테르블락카본산, 다가카본산의 활성 에스테르가 사용될 수 있다. 잠재성 경화제는 경화제의 경화를 촉진시키는 경화 촉진제로써 경화 온도를 낮추고자 할 때 첨가함으로써 경화 속도를 조절할 수 있다.

활성제로는 숙신산(succinic acid), 아디픽산(ADIPIC ACID), 팔미트산(PALMITIC ACID), 3-불화붕소 에틸 아미드 착물, 부틸 아민 브롬화수소산염, 부틸 아민 염화수소산염, 에틸 아민 브롬화수소산염, 피리딘 브롬화수소산염, 시클로 헥실 아민 브롬화수소산염, 에틸 아민 염화수소산염, 1,3-디페닐 구아니딘 브롬화수소산염, 2,2-비스 하이드록시메칠 프로파이오닉산염, 2,3-디브로모-1-프로판올 중 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 활성제는 로진의 아비에트산의 기능을 도와 활성화시키는 역할을 한다. 로진의 주성분인 아비에트산은 합금이 용융 되어 쉽게 액상으로 변할 수 있게 도와주며, 전자 소자의 기판 면의 구리판에 형성된 산화피막을 거의 공차 없이 제거(청소)하여 합금이 전자소자의 기판 면에 잘 접합되도록 한다.

방청제(rust inhibitor)로는 아민계 방청제, 암모늄계 방청제 중 적어도 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 방청제는 열경화 시 플럭스 내에 존재하는 수분과 플럭스가 기화되면서 흡수하는 수분과 대기 중 습도 및 금속분말 공극 사이에 존재하는 습도와 산소가 방출 될 때 100℃ 이상에서 서서히 기화되어서 습도와 산소를 제거하고 금속분말 외부에 착화합물이 형성되어 금속분말의 부식을 방지한다.

환원제로는 히드라진계와 알데하이드계 환원제가 사용될 수 있다. 환원제는 도전성 금속이 산화될 때 이를 환원시켜서 전기 전도성이 떨어지는 것을 방지하는 역할을 한다. 히드라진계 환원제는 히드라진, 히드라진 수화물, 히드라진 설페이트, 히드라진 카보네이트 및 히드라진 하이드로클로라이드를 포함한다. 그리고 알데하이드계 환원제는 포름알데하이드, 아세트알데하이드, 프로피온 알데하이드를 포함한다.

칙소제는 인쇄성을 향상시키기 위한 것으로 습윤성, 젖음성, 요변성을 상승 시켜서 접착제가 부드럽게 도포되고 신속하게 굳도록 할 수 있다. 칙소제로는 수첨 캐스트 왁스, 폴리 아마이드 왁스, 폴리 올레핀 왁스, 다이머산, 모노머산, 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산, 폴리아민아마이드 카르복실산염, 카나우바 왁스(CARNAUBA WAX), 콜로이드상 실리카, 벤토나이트계 점토가 사용될 수 있다. 점증제는 점도를 높이기 위해 사용하는 물질로서 점증제로는 에칠셀로우즈(ETHYL CELLULOSE), 하이드록시플로필 셀루로우즈(HYDROPROPYL CELLULOSE)가 사용될 수 있다.

이 때, 솔더 접착제 100 중량부에 대해서 합금은 70 중량부 내지 90 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 합금이 70 중량부 미만으로 포함되는 경우 인쇄성과 접착력은 좋아지나 저항이 높아짐으로 인하여 전기적 특성이 나빠질 수 있고, 합금이 90 중량부 초과로 포함되는 경우 전기적 특성은 좋아지나 솔더링 시 젖음성이 나빠지며 인쇄성 역시 저하될 수 있다.

제1 바인더(로진 화합물)는 솔더 접착제 100 중량부에 대해서 1 중량부 내지 29 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 제1 바인더가 1 중량부 미만으로 포함되는 경우 솔더링 시 젖음성이 나빠져서 전기적 특성이 저하될 수 있으며, 29중량부 초과로 포함되는 경우 접착력과 강인성이 저하될 수 있다.

제2 바인더(열경화성 수지)는 솔더 접착제 100 중량부에 대해서 1 중량부 내지 29 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 제2 바인더가 1 중량부 미만으로 포함되는 경우 접착력과 강인성 및 방식력이 나빠질 수 있고, 29중량부 초과로 포함되는 경우 전기적 특성이 나빠질 수 있기 때문이다.

솔더 접착제의 제조 및 물성 평가

다음에, 이하의 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명의 솔더 접착제에 대해서 상세하게 설명하겠으나, 이는 어떠한 형태로건 본 발명을 한정하거나 제한하는 것은 아니다.

실시예 1 솔더 접착제의 제조

글리시딜 에테르 또는 글리콜 에테르 류 중 분자량 150 이상, 비점 200℃ 이상인 물질 52.50kg을 용매로 사용하며, 제1 바인더로 페놀 변성 로진 에스테르 (Phenol Modified Rosin Esters) 36.20kg을 100℃ 미만에서 교반시키며 용해시킨 후, 산무수물계 경화제로 3 또는 4-메틸-1,2,3,6-테트라하이드로프탈릭무수물(3or 4-methyl-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride) 12.28kg과 제2 바인더로 n-부틸레이티드 멜라민 수지(n-Butylated melamine resin) 8.93 kg과 페놀-포름알데히드(Phenol-Formaldehyde) 6.32kg을 80℃ 이상에서 교반시키며 용해시킨다. 그 후 활성제로 에틸아민브롬화수소산염 0.10kg와 부틸아민염화수소산염 0.17kg 및 아디핀산(adipic acid) 3.80kg을 100℃에서 가온, 교반하여 용해시킨다. 그 다음 안정화제로서 트리에탄올아민(TEA) 1.50kg, 칙소제로 수첨 캐스트왁스 1.50kg과 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산 0.50kg을 첨가하고 점증제로 에틸 셀룰로오스 (Ethyl cellulose) 1.20kg를 첨가하여 유동성과 점도를 조절하여 합성물을 제조하였다.

상기 완성된 합성물에 무연솔더 합금분말 SAC305(Sn96.5%, Ag3.0%, Cu0.5%)(입자크기2 ~ 10μm) 880.00 kg을 프레터리 믹서에 넣어 혼합하고 교반 탈포한 후 3-Roll Mill(롤 간극 10μm)에서 분산하여 솔더 접착제를 제조하였다.

실시예 2 솔더 접착제의 제조

글리시딜 에테르 또는 글리콜 에테르 류 중 분자량 150 이상, 비점 200℃ 이상인 물질 52.68kg을 용매로 사용하여, 제1 바인더로 수소 첨가 로진(수첨 로진) 38.39kg을 100℃ 미만에서 교반하며 용해시킨 후, 제2 바인더로 EEW(epoxy equivalent weight)가 184~190(g/eq)인 비스페놀 A의 다이글리시딜 에테르(diglycidyl ether of bisphenol-A) 28.38kg와 산무수물계 경화제로 3 또는 4-메틸-1,2,3,6-테트라하이드로프탈릭 무수물(3 or 4-methyl-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride) 5.68kg와 경화 촉진제로 3차 아민계 경화제인 2,4,6-트리(디메틸아미노메틸)페놀(2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)phenol) 1.15kg을 100℃ 미만에서 교반시키면서 용해시킨다. 그 후, 활성제로 에틸아민브롬화수소산염 0.15kg와 부틸아민염화수소산염 0.25kg 및 아디핀산(adipic acid) 3.12kg을 100℃ 미만에서 가온, 교반하여 용해시킨다. 그 다음 안정화제로 트리에탄올아민(TEA) 2.5kg을 첨가하고 150℃에서 가온시키면서 교반하여 용해시킨 후, 칙소제로 수첨 캐스트왁스 2.50kg와 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산 1.50kg을 첨가하고 점증제로 에틸 셀룰로오스(Ethyl cellulose) 1.20kg을 첨가하여 유동성과 점도를 조절하여 합성물을 제조하였다. 상기 완성된 합성물에 충전제로 SnBi58(Sn42%Bi58%)(입자크기3~10μm) 870.00kg을 혼합한 후 첨가하여 프레터리 믹서로 교반 탈포 한 후 3-Roll Mill(롤 간극 10μm)에서 분산하여 솔더 접착제를 제조하였다.

비교예 1 종래의 솔더 접착제

시판되고 있는 솔더 접착제(센쥬사 제조, 제품명 M705-GRN360-K2-V)를 준비하였다.

실험예 1 솔더 접착제 평가항목

비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 솔더 접착제와 솔더볼을 혼합하여 솔더링한 후, 솔더링(soldering) 시험, 접합 확인 시험, 전단 시험(shear test), 금속간화합물 생성 확인 시험(SEM/EDS) 및 낙하 시험을 실시하였다.

솔더링 시험은 작업성을 평가하기 위한 것으로, 플럭스로 사용된 솔더 접착제를 리플로우 시킨 후 전자 현미경(SMT Scope SK-5000)으로 프로파일을 측정하였다.

접합 확인 시험은 솔더 표면의 유기물에 의한 전도도를 평가하기 위한 것으로서, 저항계로 저항을 측정하였다.

접합 강도 시험은 접합강도를 평가하기 위한 것으로 전단 시험기(Shear-Pull tester Dage series 4000)로 평가하였다.

금속간화합물(intermetallic compound) 생성 확인(이하 'IMC 확인'이라 함)은 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 찍고, 에너지 분산형 X선 측정기(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, 이하 'EDS‘라고 함)로 원소 분석을 하였다.

낙하 시험은 낙하 충격에 의한 솔더 충격 강도를 평가하기 위한 것으로, 국제표준 조건(JESD22-B111)에서 낙하 시험기(LAB SD-10)으로 1500G의 가속도로 낙하시험을 실시하였다.

표 1은 시험 항목과 시험 결과를 나타낸다.

표 1을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 솔더 접착제를 사용한 경우 솔더링 시험, 접합 확인 시험, IMC 확인 시험에서 양호한 특성을 나타내었다. 또한 실시예 1 및 실시예 2의 솔더 접착제를 사용한 경우 접합 강도 시험에서 비교예 1의 솔더 접착제와 동등한 수준을 나타내었으며, 특히 낙하 시험에서는 비교예 1의 솔더 접착제를 사용한 경우 보다 우수한 특성을 나타내었다.

항목	비교예 1	실시예 1	실시예 2	측정 방법	장비
솔더링 시험	양호	양호	양호	솔더 접착제의 리플로우 프로파일 확인	SMT Scope SK-5000
접합 확인 시험	양호	양호	양호	전도도 평가	Mile ohm meter
접합 강도 시험(shear test)	990g	988g	961g	BS5KG cartridge	전단 시험기(Dage series4000)
IMC 확인 시험	양호	양호	양호	접합부 접합 상태 확인	SEM
낙하 시험 (1 % 초기 파괴 횟수)	13회	23회	47회	가속 (1500G±10%)	낙하시험기 (LABSD-10)

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 접착제와 솔더볼을 혼합하여 솔더링한 경우 솔더볼 주변에 접합부를 형성한 SEM 사진이다. 이 때 솔더 접착제는 플럭스의 역할을 할 수 있다. 한편 도 1을 참조하면, 기판(110) 위에 솔더볼(120)이 형성되어 있으며, 솔더볼(120)과 기판(110) 사이에는 금속간화합물층(140)이 형성되어 있다. 금속간화합물층(140)은 솔더볼(120)과 직접 접하도록 형성된다. 또한 솔더볼(120) 주변으로 접합부(130)가 형성되며, 접합부(130)는 솔더볼(120)의 아래 부분을 감싸고 있다. 이 때, 접합부(130)는 기판(110)과 솔더볼(120)에 각각 접하도록 형성되어 있다. 접합부(130)는 제1 바인더인 열경화성 수지를 포함하고 있으며, 바람직하게는 페놀 멜라민 축중합 수지, 및 에폭시 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 접합부(130)가 기판(110)과 솔더볼(120) 주변을 감싸도록 형성됨에 따라 솔더 접착제의 접착력 및 강인성이 우수해질 수 있다. 또한 솔더볼(120) 표면과 기판(110)의 적어도 일부에 코팅층이 형성되어 있으며, 코팅층은 로진 화합물을 포함한다.

한편, 도 2는 비교예 1의 솔더 접착제와 솔더볼을 사용하여 솔더링한 경우 금속간화합물층의 SEM 사진이고, 도 3은 실시예 1의 솔더 접착제와 솔더볼을 사용하여 솔더링한 경우 금속간화합물층의 SEM 사진이며, 도 4는 실시예 2의 솔더 접착제와 솔더볼을 사용하여 솔더링한 경우 금속간화합물층의 SEM 사진이다.

또한, 도 5는 비교예 1의 솔더 접착제를 이용한 경우 형성된 금속간화합물층의 EDS 결과이고, 도 6은 실시예 1의 솔더 접착제를 이용한 경우 형성된 금속간화합물층의 EDS 결과이며, 도 7은 실시예 2의 솔더 접착제를 이용한 경우 형성된 금속간화합물층의 EDS 결과이다. 도 3 및 도 6을 참조하면 실시예 1의 솔더 접착제를 이용하여 솔더링한 경우 IMC(Cu₆Sn₅)가 형성되었음을 확인할 수 있고, 도 4 및 도 7을 참조하면 실시예 2의 솔더 접착제를 이용하여 솔더링한 경우 역시 IMC(Cu₆Sn₅)가 형성되었음을 확인할 수 있다.

또한, 도 8은 낙하시험 결과를 와이불 분포(Weibull distribution)에 따라 나타낸 그래프이다. 와이불 분포는 고장률 함수의 분포에 따라 적절하게 고장 확률 밀도 함수를 표현할 수 있도록 만든 수명 확률 분포이다. 와이불 분포에서 그래프의 기울기가 크고 1% 낙하 횟수가 높을수록 제품의 낙하충격 내구성이 크고 수명이 긴 것을 의미 한다. 실험예 1의 낙하실험에서는 60개 칩을 300회 낙하 실험하여 결과를 도출하였다. 도 8을 참조하면, 비교예 1의 솔더 접착제를 사용한 경우 1% 낙하 횟수는 13회이나 실시예 1의 솔더 접착제를 사용한 경우 23회, 실시예 2의 솔더 접착제를 사용한 경우 47회이므로 실시예 1 및 실시예 2의 솔더 접착제를 사용한 경우에는 낙하충격 내구성이 높다는 것을 알 수 있다.

한편 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제는 솔더볼과 함께 사용되거나 솔더 접착제 단독으로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제가 솔더볼과 함께 사용되는 경우 플럭스의 역할을 하게 되며, 전기 전도성을 증가시킬 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제가 단독으로 사용되는 경우 솔더 페이스트의 역할을 하며, 이 경우 앞서 살펴본 실험예의 솔더 접착제와 같이 우수한 접착력을 나타낼 수 있다.

솔더 접착제의 제조 방법

이하에서는 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법을 나타낸 개략 블록도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법은 용매, 바인더 및 첨가제를 혼합하는 단계(S11), 충전제를 혼합-교반시킨 후 탈포하는 단계(S12), 상기 혼합물을 3-Roll Mill에서 분산시키고 탈포하는 단계(S13) 및 제조한 솔더 접착제를 출고검사 및 포장하는 단계(S14)를 포함한다.

상기 S11 단계에서는 열경화성수지와 로진을 용매에 용해시키면서 개질제, 칙소제, 활성제, 점증제, 경화제 등을 첨가하여 유기합성물을 만든 후 온도를 상온 이하로 내리고 숙성시킨다. 특히 열경화성 수지와 로진 화합물은 강인성이 약하여 강한 충격에 접합면이 깨어져 부품이 단락될 수 있으므로, 수소화된 캐스트 오일, 실록산이미드, 액상 폴리부타디엔고무, 실리카, 아크릴레이트 중 적어도 하나 이상의 물질을 첨가하여 개질하는 것이 바람직하다. 상기 S12 공정에서는 충전제인 합금을 넣고 프레터리 믹서기에서 혼합한 후 탈포한다. 그 후 상기 S13 공정에서는 교반기에서 혼합한 물질을 3-Roll Mill에서 분산시킨다. 마지막으로 상기 S14 공정에서는 제조된 솔더 접착제를 성능을 테스트하고 출고 검사를 마친 후 포장한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법에서 충전제로는 융점이 130℃ ~ 300℃ 솔더 합금 분말이 사용될 수 있고, 솔더 합금 분말의 입자 크기는 0.2μm ~ 50μm인 것이 바람직하며, 합금 분말로는 Sn/Ag/Cu, Sn/Bi, Sn/In 및 Sn/Pb 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법에서는 Sn96.5 Ag3.0 Cu0.5 합금 분말이 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법에서 열경화성 수지로 멜라민 수지(melamine resin), 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolics), 우레아 수지(urea resin), 불포화 폴리에스테르 수지(polyester, unsaturated polyester), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane), 알릴 수지(allyl resin) 및 열경화성 아크릴 수지, 페놀-멜라민 축중합수지, 요소멜라민 축중합 수지 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다. 또한 로진 화합물로 검 로진(gum rosin), 로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르 (Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 페놀 변성 로진 에스테르 (Phenol Modified Rosin Esters), 탤펜 페놀 공중합 수지, 말레산 변성 수지 및 아크릴 변성 수소 첨가 수지로 중 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.

그 외 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법은 필요에 따라 다가 알코올계 용매, 경화제, 활성제, 칙소제, 점증제 등을 함께 또는 각각 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 접착제와 솔더볼을 혼합하여 솔더링한 경우 솔더볼 주변에 접합부를 형성한 SEM 사진이고,

도 2는 비교예 1의 솔더 접착제와 솔더볼을 사용하여 솔더링한 경우 금속간화합물층의 SEM 사진이며,

도 3은 실시예 1의 솔더 접착제와 솔더볼을 사용하여 솔더링한 경우 금속간화합물층의 SEM 사진이고,

도 4는 실시예 2의 솔더 접착제와 솔더볼을 사용하여 솔더링한 경우 금속간화합물층의 SEM 사진이며,

도 5는 비교예 1의 솔더 접착제를 이용한 경우 형성된 금속간화합물층의 EDS 결과이고,

도 6은 실시예 1의 솔더 접착제를 이용한 경우 형성된 금속간화합물층의 EDS 결과이며,

도 7은 실시예 2의 솔더 접착제를 이용한 경우 형성된 금속간화합물층의 EDS 결과이고,

도 8은 낙하시험 결과를 와이불 분포(Weibull distribution)에 따라 나타낸 그래프이며,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 접착제의 제조 방법을 나타낸 개략 블록도이다.

Claims

용융점이 130℃ ~ 300℃이고, 입자크기가 0.2 내지 15㎛이며, 주석(Sn)을 포함하는 합금분말;

로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르(Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 및 페놀 변성 로진 에스테르(Phenol Modified Rosin Esters)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질로 구성된 군에서 선택되는 로진(rosin) 유도체을 포함하는 제1 바인더;

열경화성 수지를 포함하는 제2 바인더; 및

3-불화붕소 에틸 아미드 착물, 부틸 아민 브롬화수소산염, 부틸 아민 염화수소산염, 에틸 아민 브롬화수소산염, 피리딘 브롬화수소산염, 시클로 헥실 아민 브롬화수소산염, 에틸 아민 염화수소산염, 1,3-디페닐 구아니딘 브롬화수소산염, 2,2-비스 하이드록시메칠 프로파이오닉산염, 및 2,3-디브로모-1-프로판올로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 포함되는 활성제를 포함하는 솔더 접착제.
제1 항에 있어서, 상기 합금분말은 Sn을 포함하고, Ag, Cu, Bi, Zn, In 및 Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 더 포함하는 솔더 접착제.
제1 항에 있어서, 상기 합금분말은 Sn-Ag-Cu계 합금 및 Sn-Bi계 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 솔더 접착제.
제1 항에 있어서, 상기 합금분말은 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-3.9Ag-0.6Cu 및 Sn-58Bi계 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 솔더 접착제.
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제1 항에 있어서, 상기 제2 바인더는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolics), 멜라민 수지(melamine resin), 우레아 수지(urea resin), 불포화 폴리에스테르 수지(polyester, unsaturated polyester), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane), 알릴 수지(allyl resin), 열경화성 아크릴 수지, 페놀-멜라민 축중합수지 및 요소-멜라민 축중합수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 솔더 접착제.
제1 항에 있어서, 상기 합금분말의 용융점은 175℃ ~ 250℃인 솔더 접착제.
용융점이 175℃ ~ 250℃이고, 입자크기가 0.2 내지 15㎛이며, Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-3.9Ag-0.6Cu 및 Sn-Pb계 합금분말로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금분말;

로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르(Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 및 페놀 변성 로진 에스테르(Phenol Modified Rosin Esters)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질로 구성된 군에서 선택되는 로진(rosin) 유도체을 포함하는 제1 바인더;

페놀 멜라민 축중합 수지, 및 에폭시 수지 중 적어도 하나를 포함하는 제2 바인; 및

3-불화붕소 에틸 아미드 착물, 부틸 아민 브롬화수소산염, 부틸 아민 염화수소산염, 에틸 아민 브롬화수소산염, 피리딘 브롬화수소산염, 시클로 헥실 아민 브롬화수소산염, 에틸 아민 염화수소산염, 1,3-디페닐 구아니딘 브롬화수소산염, 2,2-비스 하이드록시메칠 프로파이오닉산염, 및 2,3-디브로모-1-프로판올로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 포함되는 활성제를 포함하는 솔더 접착제.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 솔더 접착제를 사용하여 제조된 전자장치로서,

기판;

상기 기판 위에 형성되는 솔더볼;

상기 솔더볼과 상기 기판 사이에 형성된 금속간화합물층; 및

상기 솔더볼 주위를 감싸는 접합부를 포함하는 전자 장치.
제9 항에 있어서, 상기 접합부는 상기 기판과 상기 솔더볼에 각각 접하고 있는 전자 장치.
제9 항에 있어서, 상기 솔더볼 표면과 상기 기판의 적어도 일부에 도포된 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 로진 화합물을 포함하는 전자 장치.
제9 항에 있어서, 상기 솔더볼은 Sn을 포함하고, Ag, Cu, Bi, Zn, In 및 Pb로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 더 포함하는 전자 장치.
제9항에 있어서, 상기 솔더볼은 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-3.9Ag-0.6Cu 및 Sn-Pb계 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 전자 장치.
제9 항에 있어서, 상기 접합부는 열경화성 수지를 포함하는 전자 장치.
제9 항에 있어서, 상기 접합부는 페놀 멜라민 축중합 수지, 및 에폭시 수지 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 전자 장치.
제9 항에 있어서, 상기 금속간화합물층은 상기 솔더볼과 적어도 일부가 접하도록 형성되고, 구리 및 주석을 포함하는 전자 장치.
로진 에스테르(Rosin Esters), 중합 로진 에스테르(Polymerized Rosin Esters), 수소 첨가 로진 에스테르(Hydrogenated Rosin Esters), 불균화 로진 에스테르(Disproportionated Rosin Esters), 이염기산 변성 로진 에스테르(Dibasic Acid Modified Rosin Esters), 및 페놀 변성 로진 에스테르(Phenol Modified Rosin Esters)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질로 구성된 군에서 선택되는 로진(rosin) 유도체을 포함하는 제1 바인더,

열경화성 수지를 포함하는 제2바인더, 및

3-불화붕소 에틸 아미드 착물, 부틸 아민 브롬화수소산염, 부틸 아민 염화수소산염, 에틸 아민 브롬화수소산염, 피리딘 브롬화수소산염, 시클로 헥실 아민 브롬화수소산염, 에틸 아민 염화수소산염, 1,3-디페닐 구아니딘 브롬화수소산염, 2,2-비스 하이드록시메칠 프로파이오닉산염, 및 2,3-디브로모-1-프로판올로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 포함되는 활성제를 용매에 용해시켜 혼합물을 만드는 단계;및

상기 혼합물에 용융점이 130℃ ~ 300℃이고, 입자크기가 0.2 내지 15㎛이며, 주석(Sn)을 포함하는 합금분말을 혼합 및 교반하는 단계를 포함하는 솔더접착제의 제조방법.
제17 항에 있어서, 상기 열경화성 수지와 상기 로진 화합물을 용매에 용해시키면서 칙소제, 점증제, 경화제 중에서 적어도 하나 이상을 더 첨가하는 단계를 더 포함하는 솔더 접착제의 제조 방법.
제18 항에 있어서, 상기 칙소제는 수첨 캐스트 왁스, 폴리 아마이드 왁스, 폴리 올레핀 왁스, 다이머산, 모노머산, 폴리에스테르변성 폴리디메칠 실록산, 폴리아민아마이드 카르복실산염, 카나우바 왁스(CARNAUBA WAX), 콜로이드상 실리카, 및 벤토나이트계 점토로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 솔더 접착제의 제조 방법.
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