KR101088632B1 - 비아 페이스트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비아 페이스트 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 열전도성 재료 및 열경화성 수지로 이루어지는 비아 페이스트 조성물은, 상기 열전도성 재료로서, 평균 입자 직경이 100~300nm 범위인 은 분말과, 평균 입자 직경이 3~10㎛ 범위인 은(Ag) 코팅된 구리(Cu) 분말을 포함하고, 상기 열경화성 수지로서 에폭시 수지를 포함한다.

상기 에폭시 수지는 페놀 노볼락류 에폭시 또는 크레졸 노볼락류 에폭시 중 어느 하나를 포함하며, 상기 열전도성 재료의 함유량은 상기 비아 페이스트 조성물의 총중량의 70 내지 95중량%인 것이 바람직하다.

비아, 페이스트, 조성물, 은, 경화, 저온, 하이브리드

Description

비아 페이스트 조성물{A VIA PASTE COMPOSITION}

본 발명은 도전 부재들 사이의 열전도성 접속을 형성하기 위한 열전도성 페이스트 조성물(paste)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 무소결 세라믹 하이브리드 기판의 열전도 비아 충진을 위해 사용되는 열전도성 비아 페이스트 조성물에 관한 것이다.

공진기나 콘덴서, 코일, 필터 등의 소자가 형성되는 모듈용 기판으로서 또는 반도체 소자나 칩 콘덴서, 칩 저항기 등을 탑재하는 기판으로서 세라믹스나 유리-세라믹스 등의 무기 절연 재료를 소결해 제조되는 회로 기판이 이용되고 있다.

통상적으로, 회로 기판은 아래쪽 면에 배선 도체가 형성되고 있는 것과 동시에 상하면에 위치하는 배선 도체 사이에는 기판의 비어 홀에 충전된 비아 도체를 통하여 전기적으로 접속된다.

전자기기의 고밀도화에 수반하여, 이러한 회로 기판에서 배선 도체의 폭이 수십~수백 ㎛범위로 좁아짐에 따라, 비어 홀의 직경도 50~300㎛ 정도로 작아지고 있다.

통상적으로 전술한 바와 같은 회로 기판은, 다음 방법에 따라 제작된다.

예를 들면 회로 기판이 유리-세라믹스로 이루어지는 경우, 우선, 산화규소, 산화알루미늄 등의 유리 분말 및 세라믹스 분말로 이루어진 원료 분말에 적당한 유기 바인더나 용제, 그리고 필요에 따라서는 가소제 등을 더 첨가하여 혼합한 슬러리를 만든다.

이 슬러리를 닥터 블레이드법 등을 이용해, 두께가 25~300㎛정도의 그린시트를 성형한다. 이 그린 시트를, 후술하는 소성시에 그린 시트의 각 치수가 수%~수십% 정도 수축되는 것을 고려해, 완성품으로서의 회로 기판의 치수보다 큰 치수로 절단한다.

그런 후, 그린 시트의 소정의 위치에 레이저법이나 펀칭법을 이용해, 직경이 50~300㎛ 정도의 비어 홀을 천공한다.

이 비어 홀에는 종래 주지의 스크린 인쇄법을 이용해, 동이나 은, 니켈 등의 금속 분말과 용제, 유기 바인더 등으로 이루어진 비아 도체 형성용 도전성 페이스 트를 충전하고, 비아 도체 형성용 도전성 페이스트를 건조한다.

그린 시트의 표면 또는 아래쪽 면에, 전술한 바와 같은 비어 홀에 충전한 비아 도체 형성용 도전성 페이스트와 접하도록 스크린 인쇄법을 이용해 동이나 은, 니켈 등의 금속 분말과 용제, 유기 바인더 등으로부터 완성되는 패턴 형성용 도전성 페이스트를 배선 패턴으로 인쇄하고, 그 이후 이 패턴 형성용 도전성 페이스트를 건조한다.

비아 도체 형성용 도전성 페이스트를 충전함과 함께 패턴 형성용 도전성 페이스트를 인쇄한 그린 시트를, 상하에 위치하는 비아 도체 형성용 도전성 페이스트나 패턴 형성용 도전성 페이스트가 서로 접하도록 적층한 그린 시트의 적층체를, 700~1600℃정도의 온도로 수십분~수시간 동안 고온에서 굽는 것으로, 단층의 회로 기판 혹은 복수의 그린 시트를 적층해 이루어진 회로 기판을 얻을 수 있다.

그러나 최근 이러한 소성 개념의 전자기판을 하이브리드 형태, 즉 소성보다는 경화에 의해 기판을 형성하는 연구가 진행되고 있다. 하이브리드 기판은 세라믹 분말과 고분자 수지를 복합하여 제작되는 기판으로서 공정 온도를 150~300℃ 수준으로 대폭 낮출 수 있을 뿐 아니라, 면방향 수축율도 제로에 가깝게 제어할 수 있는 유리한 점이 있다.

통상적으로, 유리-세라믹스 기반의 회로기판 소재와 비아 페이스트, 인쇄회로 등의 동시 소성을 위해 전도성 필러와 유리 프릿을 이용하여 700℃ 이상의 온도에서 전도성 분말의 소결이 가능하도록 비아 페이스트를 제작하고 있다.

바인더 수지는 열처리에 의해 제거되는 특성이 있는데, 이러한 페이스트를 온도가 더 낮은 경화에 의해 기판을 형성하는 하이브리드 저온 공정에 적용하게 되면 전도성 페이스트 수지가 잔류될 뿐만 아니라 전도성 원료분말들의 접속이 좋지 않아 비아 페이스트 소재의 열전도도가 매우 나빠지는 문제점이 있다.

즉, 종래에는 바인더를 제거하고 소성하는 공정으로 제작되었으나, 하이브리드 기판에 대응하기 위해서는, 특히 열처리 온도가 낮은 무소결 세라믹 하이브리드 기판의 열전도 비아 형성을 위한 비아 페이스트 조성물이 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 무소결 세라믹 하이브리드 기판용 열전도성 비아 페이스트를 제조하는데 있어서, 특히 150~250℃의 경화온도 범위를 가지면서 경화 후 열전도도가 큰 비아 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열전도성 재료 및 열경화성 수지로 이루어지는 비아 페이스트 조성물은, 상기 열전도성 재료로서, 평균 입자 직경이 100~300nm 범위인 은 분말과, 평균 입자 직경이 3~10㎛ 범위인 은(Ag) 코팅된 구리(Cu) 분말을 포함하고, 상기 열경화성 수지로서 에폭시 수지를 포함한다.

상기 에폭시 수지는 페놀 노볼락류 에폭시 또는 크레졸 노볼락류 에폭시 중 어느 하나를 포함하며, 상기 열전도성 재료의 함유량은 상기 비아 페이스트 조성물의 총중량의 70 내지 95중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 무소결 세라믹 하이브리드 기판의 저온공정에 대응하면서 열전도도가 우수한 열전도성 비아용 열경화형 페이스트를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공하기 위함이며, 본 발명이 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에 따른 비아홀 도체의 형성에 사용되는 열전도성 페이스트 조성물은 열전도성 재료와, 열경화성 수지를 포함한다.

열전도성 페이스트 조성물은, 단일 또는 그 이상의 입자 분포를 가지는 은 분말 또는 은 코팅된 구리 분말과 열경화성 수지를 포함하며, 은 분말 및 은 코팅된 구리 분말은, 각각 평균 입자 직경이 3~10㎛ 범위인 마이크로 은 코팅된 구리 분말과, 평균 입자 직경이 100~300nm 범위인 나노 은 분말을 사용한다.

열경화성 수지는 액상인 에폭시 수지와 액상인 경화제를 포함한다. 전술한 바와 같이 마이크로 은 코팅된 구리 분말과 나노 은 분말을 혼용하는 것은 페이스트의 경화 수축을 최소화하면서도 고충진율을 확보하여 열전도를 위한 경로의 형성을 더욱 용이하게 하기 위함이다.

또한 충진율을 더욱 향상시키거나 열전도 경로의 용이한 형성을 위하여 은 나노 용액이나 탄소나노튜브와 같은 나노 필러를 소량 함유하는 것도 바람직하다. 은 나노 용액은 1차 입자의 사이즈가 10nm이하인 것이 바람직한데, 이는 나노 입자의 저온 소결 특성을 이용하여 페이스트 내 금속입자 간에 금속결합의 형성이 가능하여 열전도가 더욱 원활하게 이루어질 수 있기 때문이다.

또한 탄소나노튜브는 각 금속 입자들의 사이를 채우고 있는 수지 매트릭스에 분산되어 금속 입자간의 열전도 경로의 형성을 용이하게 할 수 있다. 탄소나노튜브는 길이 방향의 열전도도가 매우 우수한 소재로서 입자간 공극에 위치하여 경화 후 페이스트의 열전도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 이용되는 마이크로 및 나노 사이즈의 은 또는 은 코팅된 구리 분말의 총 함유량은, 용제가 포함된 열전도성 페이스트 중 70~95 중량%이다. 70중량% 미만이면 열전도가 나쁜 수지의 함량이 많은 것에 의해 열전도성이 낮아져 좋지 않고, 95중량%를 넘으면 필러 함량이 너무 높아 페이스트 제작이 어렵고 비아 필링 작업성이 나빠진다.

은 또는 은 코팅된 구리 분말의 형상은 플레이크상 또는 구상 등이 이용될 수 있다. 수지와의 적합성을 향상시키기 위해 이러한 은 또는 은 코팅된 분말은 커 플링제로 처리되는 것이 좋으며, 실란계 또는 티타네이트계 커플링제가 이용될 수 있다. 또한 충진율이 높아지는 경우, 페이스트 내부에서의 열전도성 필러의 분산성 향상을 위하여 분산제를 사용해도 좋다.

열경화성 수지로서는, 내열성 및 접합성이 우수한 에폭시 수지를 이용하는 것이 바람직한데, 상온에서 고상이거나 액상인 것을 이용할 수 있으나, 특히 건조수축을 최소화하기 위해 액상인 것이 더욱 바람직하다.

특히, 에폭시 수지 중에서도 내열성이 좋은 페놀 노볼락류 에폭시 또는 크레졸 노볼락류 에폭시 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 에폭시 수지를 경화시키기 위하여 사용되는 경화제 및 경화조제로서 페놀류 또는 산무수물류 경화제와 이미다졸류, 3차아민류 등 경화조제를 함께 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 무소결 세라믹 하이브리드 기판에 대해 설명한다. 무소결 세라믹 하이브리드 기판은 종래의 소성 세라믹 기판과 비교할 때 세라믹과 고분자를 혼용한 후 소결시키지 않는 점이 상이하며, 그 외에는 구조적 구성을 모두 채용할 수 있다. 소성 세라믹 기판의 구조적 구성은 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로 설명을 생략한다.

무소결 세라믹 하이브리드 기판은, 적층 후 소성 공정에 의해 유기물이 제거 되고 세라믹만 남게 되는 세라믹 그린시트와 달리, 바인더 수지가 비교적 저온에서의 경화 또는 가교에 의해 고분자 매트릭스를 형성하고 그 내부에 세라믹 분말이 분산되어 있는 형태로 존재할 수 있다.

예를 들어, 알루미나, 실리카, 티탄산바륨, 또는 티탄산스트론튬 등의 세라믹 분말을 에폭시 수지와 같은 유기물과 함께 시트형태로 성형한 후 여러 장을 쌓아 진공가열가압적층기로 적층함으로써 형성되는 다층 세라믹 하이브리드 기판이 만들어질 수 있다.

또 다른 예로서, 세라믹 분말을 고밀도로 패킹한 후 고분자용액을 함침시키는 방법으로 공극을 채우고 건조 후 경화시키는 것을 반복하는 것으로 무소결 세라믹 하이브리드 기판을 만들 수도 있다. 이 방법을 이용하면 상기 시트 형태를 이용하는 것보다 더 높은 충진율을 얻을 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명에 따른 열전도성 페이스트 조성물에 대해 설명한다.

[실시예1]

- 마이크로 사이즈의 은 코팅된 구리 분말 : 7㎛ 평균입경의 AgCuS7((주)엔피씨 제공)

- 나노 사이즈의 은 분말 : 150nm 평균입경의 NP-S150(NTBase사 제공)

- 에폭시 수지 : 액상 페놀 노볼락 에폭시(YDPN-631,국도화학 제공)

- 경화제 : 액상 산무수물 (HN-2200, 국도화학 제공)

- 경화조제 : BDMA(benzyldimethylamine)(Sigma-Aldrich 시약)

- 첨가제 : 커플링제(KBM-403, 신에츠), 분산제(BYK-111)

- 페이스트용 용제 : α-terpineol

상기 조성물로 이루어진 실시예1의 열전도성 페이스트의 제조 방법은 다음과 같다.

먼저 150cc 용기에 에폭시 수지로서 YDPN-631 2.4g과, 경화제로서 HN-2200 2.1g을 투입하고 고속믹서로 혼합시켰다.

그리고 각 첨가제들을 넣고 고속 믹싱 후 150nm 사이즈의 S150 분말을 투입하고 다시 고속 믹싱하였다.

믹싱된 혼합물에 마이크로 사이즈의 은 코팅된 구리 분말을 투입하고, 점도조절을 위해 터피놀을 추가로 첨가한 후 다시 고속 믹싱하고, 이후 3롤밀을 이용하여 페이스트화하였다.

제조된 페이스트와 강화플라스틱(PEEK)으로 제작된 경화몰드를 이용하여 디 스크 형태의 시편을 제작한 후, 레이저 플래시(Laser flash) 방법으로 열전도도를 평가하였다(네취사의 LFA-447 장치 이용함). 이때, 디스크 경화는 진공가압라미네이터 안에서, 200도에서 1시간 실시하였다

표1은 제작된 페이스트의 조성 및 열전도도를 나타낸 표인다.

(표1) 페이스트의 조성별 열전도도

표1에서 도시된 바와 같이, 조성1에서는 마이크로 사이즈의 은 코팅된 구리 분말과 나노 사이즈의 은 분말의 총중량비가 전체 조성물의 약 87중량%를 차지하고 있으며, 조성2에서는 마이크로 사이즈의 은 코팅된 구리 분말과 나노 사이즈의 은 분말의 총중량비가 전체 조성물의 약 89중량%를 차지하고 있으며, 각각의 열전도도 가 15W/m.k 및 17W/m.k로 우수한 특성을 나타내었다.

[실시예2]

실시예2에서는 실시예1 조성에서의 에폭시 대신 탄소나노튜브-에폭시 분산용액을 적용하였다. 탄소나노튜브-에폭시 분산용액은 다음 원료들을 가지고 초음파 분산을 이용하여 제작되었다.

- 탄소나노튜브: CNT90 (MWNT, (주)어플라이드카본나노)

- 분산제: disperbyk-2150 (BYK사)

- Solvent : 톨루엔

- 수지 : YDPN631

표2는 탄소나노튜브 분산 용액의 조성 및 CNT 함량을 나타낸 표이다.

(표2) 탄소나노튜브 분산용액

상기 탄소나노튜브 분산용액을 이용하여 열전도성 페이스트를 제작하는 순서는 다음과 같다.

먼저 150cc 용기에 CNT-에폭시 분산용액과 평균 입자 직경이 150nm인 나노 사이즈의 은 분말 NP-S150 분말을 투입하고 고속 믹싱하였다. 이후 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 톨루엔 용매를 증발시켜 제거하였다.

이 혼합물에 평균 입자 직경이 7㎛인 은 코팅된 구리 분말, 경화제, 경화촉매, 커플링제, 분산제 등을 투입하고, 점도 조절을 위해 터피놀을 추가로 첨가한 후 다시 고속 믹싱한다.

이후 믹싱된 혼합물을 3롤 밀을 이용하여 페이스트화하였다. 제조된 페이스트와 강화플라스틱(PEEK)으로 제작된 경화몰드를 이용하여 디스크 형태의 시편을 제작한 후, 레이저 플래시(Laser flash) 방법으로 열전도도를 평가하였다(네취사의 LFA-447 장치 이용함).

디스크 경화는 진공가압라미네이터 안에서, 200도에서 1시간 실시하였다.

표3은 전술한 실시예2에 따라 형성된 페이스트 조성물의 조성 및 열전도도를 나타낸 표이다.

(표3) 페이스트 조성물 및 열전도도

표3에서 도시된 바와 같이, 조성물 1,2에서는 마이크로 사이즈의 은 코팅된 구리 분말과 나노 사이즈의 은 분말의 총중량비가 전체 조성물의 약 81중량%를 차지하고 있으며, 조성물 3 내지 6에서는 마이크로 사이즈의 은 코팅된 구리 분말과 나노 사이즈의 은 분말의 총중량비가 전체 조성물의 약 84중량%를 차지하고 있는데, 각각의 열전도도가 7, 10, 12, 13, 21, 18W/m.k와 같이 모두 양호하게 나타남을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 무소결 세라믹 하이브리드 기판의 저온공정에 대응하면서 열전도도가 우수한 열전도성 비아용 열경화형 페이스트를 제공할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으 로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 평균 입자 직경이 100~300nm 범위인 은 분말과, 평균 입자 직경이 3~10㎛ 범위인 은(Ag) 코팅된 구리(Cu) 분말을 포함하는 열전도성 재료;

   탄소나노튜브 및 에폭시를 포함하는 탄소나노튜브-에폭시 분산 용액; 및

   첨가제를 포함하고,

   상기 첨가제는 경화제, 경화조제, 커플링제, 분산제 중 선택되는 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 비아 페이스트 조성물.
7. 제6항에 있어서,

   상기 열전도성 재료의 함유량은 상기 비아 페이스트 조성물의 총중량의 70 내지 95중량%인 것을 특징으로 하는 비아 페이스트 조성물.
8. 제7항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브-에폭시 분산 용액의 CNT 함유량은 0.6중량% 내지 2.0 중량% 이내에 있는 것을 특징으로 하는 비아 페이스트 조성물.