KR101607681B1 - 에폭시 솔더 페이스트의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에폭시 솔더 페이스트는 주제, 경화제, 환원제가 포함되어 있는 제1 혼합물, 솔더 합금 분말, 주제, 경화제, 촉매이 포함되어 있는 제2 혼합물을 포함하고, 제1 혼합물의 주제는 비스페놀 A, 비스페놀 F, 노볼락 에폭시, aliphatic 에폭시, Glycidylamine 에폭시 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 혼합물의 경화제는 호모폴리머리제이션, 아민, 언하이드라이드, 페놀, Thiols 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 혼합물의 환원제는 Oxalic acid, Malonic acid, Glutaric acid, Adipic acid, Pimelic acid, Suberic acid, Azelaic acid, Sebacic acid 중 적어도 하나를 포함하고, 솔더 합금 분말은 Pb가 포함된 Pb-Sn계와 Pb-free Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Bi-Ag, Sn-Bi-Ag-In, Sn-Ag-Cu-Bi계 중 적어도 하나로 구성되어 있으며, 에폭시 주제, 경화제, 환원제가 포함되어 있는 제1 혼합물을 제조하는 단계, 제1 혼합물과 솔더 합금 분말을 혼합하여 제조된 사전 에폭시 솔더 페이스트(pre epoxy solder paste)를 제조하는 단계, 사전 에폭시 솔더 페이스트의 물리적 특성(에폭시 경화, 점도)을 최적화시키기 위한 에폭시 주제, 경화제, 촉매가 포함되어 있는 제 2 혼합물을 제조하는 단계, 사전 에폭시 솔더 페이스트와 제2 혼합물을 혼합하여 최종 에폭시 솔더 페이스트(epoxy solder paste)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

에폭시 솔더 페이스트의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING EPOXY SOLDER PASTE}
본 발명은 에폭시 솔더 페이스트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
스마트폰은 이동중에 사용하는 제품으로서, 가장 큰 취약점은 사용 중 떨어뜨렸을 경우 충격에 의하여 작동이 되지 않는 것이다.
이러한 문제점을 최소화하기 위해서는 전자 회로가 형성되어 있는 마더 보드(Mother Board)에 일반 수동 부품뿐만 아니라, 볼그리드배열(BGA) 형태의 고기능성 패키지가 견고하게 장착되어야 한다.
종래에는 스마트폰 제조시 표면실장(SMT)공정에서 마더보드에 실장되는 제품 중 떨어뜨렸을 경우 충격에 의하여 패키지 부품이 손상될 가능성이 높은 주요 핵심 패키지는 추가로 언더필(underfill) 공정을 진행하거나 마더보드에 실장된 모든 패키지에 추가 언더필 공정을 진행하기도 한다.
언더필 공정을 수행하기 위해 현재 폭 넓게 사용되고 있는 로진계 플럭스(rosin based flux)는 표면실장(SMT) 리플로(reflow) 공정 시 로진계 플럭스에 포함되어 있는 환원성분에 의하여 솔더 산화물을 제거하고 잔류물이 발생하게 된다.
이러한 잔류물은 제품 사용 중에 접합 부위를 부식시켜 신뢰성 특성이 감소하는 원인이 되므로 세척을 통하여 잔류물을 제거한 후 패키지 접합부를 보강하기 위하여 에폭시를 이용하여 추가 언더필 공정을 진행한다.
그러나, 잔류물을 제거하기 위한 세척공정이나, 언더필이 필요한 패키지나 마더보더에 추가로 언더필 공정을 할 경우 별도의 공정과 시간이 걸려 생산성을 증가 시킬 수 없는 단점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 접합과 동시에 경화를 한번의 공정으로 진행 할 수 있는 에폭시 솔더 페이스트를 제조하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 추가 언더필 공정을 표면실장(SMT)공정에서 전기적 접합과 동시에 경화를 한번의 공정으로 진행하기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 에폭시 솔더 페이스트는 주제, 경화제, 환원제가 포함되어 있는 제1 혼합물, 솔더 합금 분말, 주제, 경화제, 촉매등이 포함되어 있는 제2 혼합물을 포함하고, 제1 혼합물의 주제는 비스페놀 A, 비스페놀 F, 노볼락 에폭시, aliphatic 에폭시, Glycidylamine 에폭시 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 혼합물의 경화제는 호모폴리머리제이션, 아민, 언하이드라이드, 페놀, Thiols 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 혼합물의 환원제는 Oxalic acid, Malonic acid, Glutaric acid, Adipic acid, Pimelic acid, Suberic acid, Azelaic acid, Sebacic acid 중 적어도 하나를 포함하고, 솔더 합금 분말은 Pb가 포함된 Pb-Sn계와 Pb-free Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Bi-Ag, Sn-Bi-Ag-In, Sn-Ag-Cu-Bi계 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 에폭시 솔더 페이스트 제조방법은 에폭시 주제, 경화제, 환원제가 포함되어 있는 제1 혼합물을 제조하는 단계, 제1 혼합물과 솔더 합금 분말을 혼합하여 제조된 사전 에폭시 솔더 페이스트(pre epoxy solder paste)를 제조하는 단계, 사전 에폭시 솔더 페이스트의 물리적 특성(에폭시 경화, 점도)을 최적화시키기 위한 에폭시 주제, 경화제, 촉매가 포함되어 있는 제2 혼합물을 제조하는 단계, 사전 에폭시 솔더 페이스트와 제2 혼합물을 혼합하여 최종 에폭시 솔더 페이스트(epoxy solder paste)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 특징에 따르면 접합과 동시에 경화를 한번의 공정으로 진행 할 수 있는 에폭시 솔더 페이스트를 제조할 수 있다.
또한, 추가 언더필을 하기 위한 표면실장(SMT)공정에서 전기적 접합과 동시에 경화를 한번의 공정으로 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 에폭시 솔더 페이스트의 제조 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 솔더 함유량에 따른 솔더 입자의 크기를 나타낸 도면이다.
도 3은 솔더 크기에 따른 산소농도를 나타낸 도면이다.
도 4는 솔더 합금 분말 표면에 에폭시막을 형성하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 에폭시 솔더 페이스트를 이용하여 납땜이 행해질 때 에폭시 솔더 페이스트의 반응 단계를 도시한 도면이다.
도 6은 사전 에폭시 솔더 페이스트(pre epoxy solder paste)에 적용된 솔더 합금 분말의 확대 사진이다.
도 7은 프린팅한 에폭시 솔더 페이스트에 패키지를 실장한 상태를 보여 주는 사진이다.
도 8은 SMT 리플로 장비를 통과하기 전 상온에서의 에폭시 솔더 페이스트가 형성되어 있는 사진이다.
도 9는 SMT 리플로 장비를 통과한 후에 에폭시 솔더 페이스트가 녹아서 에폭시가 형성되어 있는 사진이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
그러면, 도면을 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 에폭시 솔더 페이스트 및 그 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 에폭시 솔더 페이스트는 에폭시(epoxy) 주제, 경화제, 환원제가 포함되어 있는 제1 혼합물, 솔더 합금 분말, 제1 혼합물과 솔더 합금 분말을 혼합하여 제조된 사전 에폭시 솔더 페이스트(pre epoxy solder paste), 에폭시 주제, 경화제, 촉매등이 포함되어 있는 제2 혼합물을 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 에폭시 솔더 페이스트를 제조하는 단계는 도 1에서 와 같이 에폭시 주제, 경화제, 환원제가 포함되어 있는 제1 혼합물을 제조하는 단계(100), 제1 혼합물과 솔더 합금 분말을 혼합하여(200) 제조된 사전 에폭시 솔더 페이스트(pre epoxy solder paste)를 제조하는 단계(300), 사전 에폭시 솔더페이스트의 물리적 특성(에폭시 경화, 점도)을 최적화시키기 위한 에폭시 주제, 경화제, 촉매등이 포함되어 있는 제2 혼합물을 제조하는 단계(400), 그리고 사전 에폭시 솔더 페이스트와 제2 혼합물을 혼합하여 최종 에폭시 솔더 페이스트(epoxy solder paste)를 제조하는 단계(500)를 포함한다.
제1 혼합물은 주제(에폭시), 경화제, 환원제로 구성되어 있으며 이들을 일정 비율로 혼합하여 액상 혼합물을 제조한다.
주제로 사용할 수 있는 에폭시는 비스페놀 A(bisphenol A), 비스페놀 F(bisphenol F), 노볼락 에폭시(novolac epoxy), 지방족 에폭시(aliphatic epoxy), 또는 글리시디아민 에폭시(Glycidylamine epoxy) 등이다.
경화제는 호모폴리머(homopolymer), 아민(amine), 언하이드라이드(anhydride), 페놀(phenol), 티올(Thiols)등이며, 환원제는 옥살산(Oxalic acid), 말론산(Malonic acid), 글루타르산(Glutaric acid), 아디프산(Adipic acid), 피멜산(Pimelic acid), 수베르산(Suberic acid), 아젤라익산(Azelaic acid), 세바스산(Sebacic acid)등을 사용할 수 있다.
이들 혼합물은 통상의 중탕 용해법을 통하여 교반하면서 액상으로 제조한다. 혼합시 전제 중량에서 주제(에폭시)는 10.0~89wt%, 경화제는 10.0~89wt%, 환원제는 0.1wt%~60wt% 범위에서 사용한다.
솔더 합금 분말은 도 2에서와 같이 합성물을 적용하고자 하는 대상 제품의 선폭, 패키지의 패드 면적, 솔더볼의 사이즈에 따라서 결정할 수 있다.
일반적으로 솔더 합금 분말에 적용하는 솔더 합금 분말 사이즈는 도 2에서와 같이 구분하여 사용하고 있으며, 적용 대상에 따라서 Type 4와 Type 5을 일정량 섞어서 사용하는 경우도 있다.
본 발명의 혼합물에서 솔더 합금 분말 표면에 환원성분이 있는 에폭시막을 형성하기 위해서는 솔더 합금 분말 크기가 type 1~7 사이에서 사용이 가능하지만, 솔더 합금 분말 type의 숫자가 증가할수록 미립자 솔더 합금 분말을 사용하기 때문에 솔더 표면에 형성되어 있는 산화물의 양이 증가하게 되는데 이를 제거 하기 위해서는 에폭시 막에 포함되어 있는 환원제의 양도 증가시켜야 한다.
솔더 합금 분말은 일반적으로 시장에서 구입 가능한 것을 사용할 수 있으며, 시장에서 구입하기 어려운 솔더 합금 분말의 경우에는 통상의 분무법으로 직접 제조하여 적용할 수도 있다.
솔더 합금 분말 종류로는 Pb가 포함된 Pb-Sn계와 Pb-free Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Bi-Ag, Sn-Bi-Ag-In, Sn-Ag-Cu-Bi계등 모든 2원계이상의 솔더 합금을 적용할 수 있으며, 솔더 합금 분말 형태는 통상 구형 분말을 사용하지만 필요에 따라서는 판상, 덴드라이트(dendrite), 불규칙한 형태의 분말을 사용할 수도 있다.
솔더 합금 분말 표면에 산화물이 존재하지 않도록 제조는 가능하나 실제로 제품화하여 상업적으로 이용할 수는 없고 상업화가 가능한 정도의 솔더 합금 분말은 일반적으로 산소 농도는 50~200ppm 정도가 적합하다고 알려져 있다.
솔더 합금 분말 사이즈를 결정하게 되면 표면분석을 통하여 솔더 합금 분말 표면의 전체 산화물의 양을 예측할 수가 있으며 이들 산화물을 환원시키기 위한 환원제의 양을 결정할 수 있다.
솔더 합금 분말에 포함되어 있는 산화물을 환원시키기 위한 환원제의 양이 결정되면, 주제(에폭시), 경화제, 환원제를 일정 비율로 혼합하여 제1 혼합물을 제조한다.
이렇게 제조된 제1 혼합물에 솔더 합금 분말을 혼합하여 도 4와 같은 사전 에폭시 솔더 페이스트(pre epoxy solder paste)를 제조한다.
솔더 합금 분말에 제1 혼합물을 혼합하여 에폭시 막을 형성하는 방법은 제1 혼합물과 솔더 합금 분말을 통상적인 혼합법인 플랜터리 믹서(planetary mixer), 쓰리롤밀(3-roll mill), 볼밀(ball mill), 압출 혼련(extrusion mixing)등을 이용하여 형성할 수 있다.
솔더 합금 분말 표면의 에폭시막의 두께는 주성분, 경화제, 환원제간의 상호 배합비, 점도, 혼합 방법 등에 의하여 0.1㎛~10㎛ 사이 조절이 가능하며, 두께 선정은 환원 시켜야 할 솔더 합금 분말 표면의 산화물 양에 따라서 결정된다.
또한 솔더 합금 분말 표면에 제1 혼합물을 혼합하여 에폭시 막을 형성하기 위한 공정으로 솔더 합금 분말의 용융 온도가 250℃ 이하로 낮은 경우에는 액상의 솔더 합금 용탕에서 고온 분무, 원심분무법, 초음파 진동법등의 물리적 수단을 사용하여 제1 혼합물에 솔더 합금 분말을 떨어뜨려 분말 고상화와 동시에 솔더 합금 분말 표면에 원하는 제1 혼합물을 성분의 막을 형성할 수도 있다.
이렇게 제1 혼합물과 솔더 합금 분말을 혼합하여 제조된 사전 에폭시 솔더 페이스트는 적용제품, 적용 공정(프린팅, 디스펜싱)에 따라서 솔더 함유량이 50%~92wt%사이 값을 갖기 때문에 제1 혼합물만 가지고는 폭넓게 사용할 수 없다.
제2 혼합물은 주제(에폭시), 경화제, 촉매 등을 혼합하여 제조한다.
제2 혼합물의 가장 중요한 특성은 제1 혼합물에 포함되어 있지 않은 촉매가 포함되어 있어서, 솔더링 이후 에폭시 경화를 유도할 수 있다.
이때 촉매로 사용되는 물질은 분자중에 염기성 질소를 갖는 화합물이며 본 발명에서는 일반적으로 많이 사용되는 아미다졸(imidazole) 화합물이 촉매로 사용되었다.
경화개시 온도는 촉매를 통하여 결정할 수 있기 때문에 목표로 하는 솔더 용융 온도보다 높은 온도에서 촉매 작용 시작하는 재료를 선택하여야 한다.
이렇게 제조된 제2 혼합물과 사전 에폭시 솔더 페이스트를 혼합하여 본 발명의 에폭시 솔더 페이스트를 제조한다.
다음은 본 발명의 에폭시 솔더 페이스트를 이용하여 일반적으로 사용하고 있는 SMT 공정에서 솔더 크림 스크린 프린팅(solder cream screen printing) 공정과 동일한 방법을 통하여 PCB위에 에폭시 솔더 페이스를 형성한다.
이후 PCB 표면에 형성되어 있는 에폭시 솔더 페이스트 위에 납땜(soldering)하고자 하는 패키지(package)를 올려놓고 리플로 장비를 통과시켜 가열한다.
본 발명의 에폭시 솔더 페이스트는 가열시 도 5와 같이 4단계 반응이 순차적으로 발생하게 되어 원하는 납땜을 완성 시킬 수 있다.
도 5의 4단계 반응의 상세한 내용은 다음과 같다.
1단계 반응은 솔더 합금 분말 표면 환원 성분의 에폭시막은 솔더 표면, 정확하게는 솔더 합금 분말 표면 산화물에 직접 접촉하고 있기 때문에 솔더 용융 온도 20℃ 이하에서 산화물 산소와 용이하게 반응하여 환원시켜 깨끗한 금속 표면을 형성시킨다.
이때 환원 에폭시는 솔더 합금 분말의 산화물뿐만 아니라, 접촉하고 있는 금속 패드 (Cu, N) 또는 솔더볼 표면의 산화물도 동시에 제거한다.
이와 같이 솔더 합금 분말 표면 산화물을 100% 환원시킴으로서 두 번째 반응에서 용융시 액상 솔더 표면 장력 최소화를 제공할 수 있고, 접합 주변에 필요없는 위성 솔더볼 발생을 방지할 수 있다.
2단계 반응은 가열에 의하여 산화물이 제거된 솔더 합금 분말은 액상으로 변화하면서 이웃하고 있는 액상 금속끼리 표면 장력을 최소화하기 위하여 하나의 액상 구조체를 형성하게 된다. 이때 솔더 합금 분말에 존재하던 에폭시 혼합물들은 점도가 급격히 낮아져서 외각으로 흘러나오게 되며, 액상 구조체와 에폭시 혼합물의 계면 에너지를 조절하게 되면 구조물의 전부 또는 일부만을 보강할 수 있는 구조물을 얻을 수 있다.
3단계 반응은 두 번째 반응의 결과로 구조체를 감싸고 있는 에폭시의 경화반응이다. 에폭시 경화 개시 온도는 목표로 하는 솔더 합금 분말의 용융 온도 이상에서 진행되어야 하며, 솔더 합금 분말 용융 온도 이하 또는 동일한 온도에서 진행하게 되면 에폭시가 먼저 경화되어서 전기적 연결을 방해하게 된다. 선경화를 방지하기 위하여 에폭시 경화 개시 온도를 솔더 용융온도보다 지나치게 높게 설정을 하게 되면 마더보드가 고온으로 인하여 휨 현상이 발생한다. 본 발명에서는 기존 장비, 공정 조건과의 적합성을 고려하여 일반적으로 적용하는 리플로 온도 프로파일 내에서 솔더 용융이 이루어지고 나서 약 10℃ 이상에서 경화가 개시되기 시작하도록 소재를 제조하였다.
4단계 반응은 에폭시가 충분히 경화된 후 상온까지 냉각되는 단계를 나타내었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 에폭시, 경화제 및 환원제가 포함되어 있는 제1 혼합물을 제조하는 단계,
    상기 제1 혼합물과 솔더 합금 분말을 혼합하여 상기 솔더 합금 분말의 표면에 에폭시막이 형성된 사전 에폭시 솔더 페이스트를 제조하는 단계,
    상기 에폭시, 상기 경화제 및 에폭시 경화를 유도하는 촉매가 포함되어 있는 제2 혼합물을 제조하는 단계, 그리고
    상기 사전 에폭시 솔더 페이스트와 상기 제2 혼합물을 혼합하여 최종 에폭시 솔더 페이스트를 제조하는 단계
    를 포함하고
    상기 솔더 합금 분말의 표면에 형성된 상기 에폭시막의 두께는 0.1㎛~10㎛인
    에폭시 솔더 페이스트의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 에폭시는 지방족 에폭시(aliphatic epoxy) 또는 글리시디아민 에폭시(Glycidylamine epoxy)인 에폭시 솔더 페이스트의 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 경화제는 티올(Thiols)인 에폭시 솔더 페이스트의 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 혼합물의 환원제는
    환원제는 옥살산(Oxalic acid), 말론산(Malonic acid), 글루타르산(Glutaric acid), 아디프산(Adipic acid), 피멜산(Pimelic acid), 수베르산(Suberic acid), 아젤라익산(Azelaic acid) 또는 세바스산(Sebacic acid)인 에폭시 솔더 페이스트의 제조 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 솔더 합금 분말은 Pb가 포함된 Pb-Sn계와 Pb-free Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Bi-Ag, Sn-Bi-Ag-In, Sn-Ag-Cu-Bi계 중 적어도 하나를 포함하는 에폭시 솔더 페이스트의 제조 방법..
  6. 제1항에서,
    상기 솔더 합금 분말의 크기는 2㎛ 내지 150㎛인 에폭시 솔더 페이스트의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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