KR101682939B1 - 저온 소결 가능한 도전성 접착제 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 도전성 접착제와 그 소결전 조성물에 관한 것으로, 에폭시를 포함하지 않으며, 나노 은 분말, 저온 소결제, 및 유기 화합물을 포함한다.

Description

저온 소결 가능한 도전성 접착제{Low Temperature Sintered Conductive Adhesive}
본 발명은 에폭시가 없는 도전성 접착제에 관한 것이다.
도전성 접착제는 집적 회로(Integrated Circuit)를 회로 패턴이 그려진 기판에 접착하거나 IC 칩 다이(die)를 다이 패드(die pad)에 접착하는데 이용되고 있다. 도전성 접착제는 폴리머(polymer) 기재와 도전 필러(filler) 입자를 주성분으로 구성된다. 이러한 도전성 접착제는 일반 솔더(solder)에 비해 저온 프로세스가 가능하고, 환경 친화적이며, 솔더링이 불가능한 재료에 적용될 수 있는 등 많은 장점이 있다.
도 1은 도전성 접착제가 적용되는 LED(Light Emitting Diode) 패키지의 일예를 보여 주는 도면이다.
도 1을 참조하면, LED 패키지는 패키지 바디(16) 내에 실장된 LED 칩(10), LED 칩(10)에 연결된 내부 배선(12), LED 칩(10)과 내부 배선(12)을 덮는 투명한 밀봉 수지(18) 등을 포함한다.
패키지 바디(16)는 플라스틱, 세라믹 등으로 제작될 수 있다. LED 칩(10)의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)는 각각 내부 배선(12)을 통해 외부로 노출된 리드 프레임(Lead frame)(14)에 연결된다. LED 칩(10)이 형성된 다이는 도전성 접착제(20)로 다이 패드가 형성된 기판(22)에 접착된다. LED 패키지에 적용되는 도전성 접착제(20)로서, 일반적으로 Ag 에폭시 접착제가 이용되고 있다.
고출력 LED 패키지에서 적용되는 도전성 접착제는 기본적으로 전기 전도도가 높아야 하고, IC의 고집적화로 인한 발열문제, 저소비 전력 요구, 수명 문제를 개선하기 위하여 열저항이 낮아야 하고 열전도도가 높아야 한다. 이와 같은 조건을 충족하는 도전성 접착제는 Ag 에폭시 접착제 이외에 Pb-Sn 계, Cu-Sn 계, AuSn 계가 개발되어 있다. Ag 에폭시 접착제의 열전도율은 2W/mK 수준이며 고가인 AuSn 계 접착제의 열전도율은 60W/mK 정도이다.
현재 전자 패키징 분야에서 사용되고 있는 도전성 접착제는 열전도율이 충분히 높지 않거나 고가 재료를 사용하고 있다. 도전성 접착제의 에폭시 수지는 열저항을 높여 열전도율을 줄인다.
본 발명은 LED 칩이 형성된 다이를 기판의 다이 패드에 접착하기 위한 도전성 접착제에 있어서, 저온 소결이 가능하고 저가로 제작될 수 있으며 전기전도율과 열전도율이 높은 도전성 접착제를 제공한다.
본 발명의 도전성 접착제는 95.0571 wt% ~ 99.9893 wt의 나노 은 분말; 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 0.0106 wt% ~ 0.1901 wt%의 저온 소결제; 및 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 0.0001 wt% ~ 4.7528 wt%의 유기 화합물을 포함한다. 상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함한다.
본 발명의 도전성 접착제는 78.8566 wt% ~ 96.7981 wt의 나노 은 분말; 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube : CNT), 그래파이트(Graphite) 중 하나 이상을 포함한 2.6593 wt% ~ 14.7856 wt% 탄소 계열 전도성 물질; BN(Boron Nitride), AlN(질화알루미늄), SiC(실리콘 카바이드), Al2O3(알루미나), ZnO(산화아연) 중 하나 이상을 포함한 0.5319 wt% ~ 4.9285 wt% 의 무기 첨가제; 및 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 0.0106 wt% ~ 0.1971 wt% 의 저온 소결제; 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 0.0001 wt% ~ 1.2322 wt%의 유기 화합물을 포함한다. 상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함한다.
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본 발명의 소결전 도전성 접착제 조성물은 40 wt% ~ 94 wt%의 나노 은 분말; 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 1 wt% ~ 8 wt% 의 저온 소결제; 및 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits ), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent ), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 5 wt% ~ 52 wt%의 유기 화합물을 포함한다. 상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함한다.
본 발명의 소결전 도전성 접착제 조성물은 플레이크 형태와 구형 형태 중 하나 이상의 형태를 갖는 32 wt% ~ 91 wt%의 나노 은 분말; 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube : CNT), 그래파이트(Graphite) 중 하나 이상을 포함한 2.5 wt% ~ 6 wt% 탄소 계열 전도성 물질; BN(Boron Nitride), AlN(질화알루미늄), SiC(실리콘 카바이드), Al2O3(알루미나), ZnO(산화아연) 중 하나 이상을 포함한 0.5 wt% ~ 2 wt%의 무기 첨가제; 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 1 wt% ~ 8 wt%의 저온 소결제; 및 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 5 wt% ~ 52 wt%의 유기 화합물을 포함한다. 상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함한다.
본 발명은 에폭시 수지 없이 나노 Ag 분말을 기본 재료로 포함하여 도전성 접착제를 제작한다. 그 결과, 본 발명은 저온 소결이 가능하고 저가로 제작될 수 있으며 전기전도율과 열전도율이 높은 도전성 접착제를 구현할 수 있다.
도 1은 LED 패키지의 일 예를 보여 주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 접착제의 열전도율 측정 결과이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.
본 발명의 도전성 접착제는 열저항을 줄이기 위하여 에폭시 수지를 포함하지 않는다.
제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 따른 소결전 도전성 접착제 조성물은 표 1과 같다.
나노 은 분말(Nano Ag powder) 플레이크(Flake) 형태의 Ag 분말 30 ~ 93 wt%
구형(Spherical) Ag 분말 1~10 wt%
저온 소결제 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상 1~8 wt%
유기 화합물 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits ), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent ), 레올로지제(Rheology agent) 5~52 wt%
나노 은 입자는 플레이크 형태의 은 분말 및/또는 구형 은 분말을 포함하여 도전성 접착제 조성물의 40wt% ~ 94wt%를 차지하며 전기 전도 역할과 열전도율을 높인다. 나노 은 분말이 소결되어 전기적 특성 및 열전도도 특성을 나타낸다. 열전도도는 소결된 도전성 접착제의 내부 기공율과도 반비례 관계를　갖는다.　　따라서,　목표치의 열전도율에 따라 나노 은 분말을 플레이크 혹은 구형 단독으로 사용할 수 있으며, 높은 열전도율(낮은 기공율)을 구현하기 위해서 표 1과 같이 혼합하여 사용할 수 있다. 저온 소결제는 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 및 올레익산(Oleic acid)을 포함하여 도전성 접착제의 1~8 wt%를 차지하여 활성제(activator) 역할을 한다. 유기 화합물은 유기 용제, 계면 활성제(surfactant), 증점제(Anti-sagging agent), 레올로지제(Rheology agent), 분산제 등을 포함한다. 증점제는 나노 실리케이트(nano silicate)일 수 있다. 유기 화합물에서 미네랄 스프릿은 제4 석유계 용제이다.
도전성 접착제의 제조공정은 종래와 유사하다. 표 1과 같은 조성물을 합성하여 고르게 분산하고 도전성 접착제 페이스트를 얻고, 그 페이스트를 기판 상에 도포한 후에, 그 위에 LED 칩 또는 IC 칩이 형성된 다이(피접착물)를 올려 놓고 소결하여, 도전성 접착제로 IC 칩을 기판 상에 접착할 수 있다. 소결 온도는 실험 결과, 220~240℃ 사이의 온도에서 부착력(peel strength)이 높고 저항 값이 낮은 것이 확인되므로 이 온도가 최적의 소결 온도로 확인되었다.
표 1의 조성물을 소결하면 휘발성 유기 화합물이 증발되어 도전성 접착제의 조성은 표 2와 같아진다.
나노 은 분말(Nano Ag powder) 플레이크(Flake) 형태의 Ag 분말 71.2928 ~ 98.9256 wt%
구형(Spherical) Ag 분말 1.0637 ~ 23.7643 wt%
저온 소결제 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상 0.0106 ~ 0.1901 wt%
유기 화합물 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits ), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent ), 레올로지제(Rheology agent) 0.0001 ~ 4.7528 wt%
소결 후, 나노 은 입자는 플레이크 형태의 은 분말 및/또는 구형 은 분말을 포함하여 도전성 접착제의 95.0571 wt% ~ 99.9893 wt를 차지한다.
제2 실시예
본 발명의 제2 실시예에 따른 소결전 도전성 접착제 조성물은 표 3과 같은 조성을 갖는다. 제2 실시예는 나노 은 분말을 기본 조성으로 하여 탄소 계열 전도성 물질과 무기 첨가제, 저온 소결제, 유기 용제 등을 더 포함한다. 나노 은 분말은 도전성 접착제의 32wt% ~ 91wt%를 차지한다. 탄소 계열 전도성 물질은 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT), 그래파이트(Graphite) 중 하나 이상을 포함한다. 탄소 계열 전도성 물질은 도전성 접착제의 방열 특성을 개선하고 전기 전도성을 향상시키며 또한, 도전성 접착제의 흐름성을 개선한다. 탄소 계열 전도성 물질은 도전성 접착제의 2.5wt% ~ 6wt%를 차지한다. 무기 첨가제는 BN(Boron Nitride) , AlN(질화알루미늄), SiC(실리콘 카바이드), Al2O3(알루미나), 및 ZnO(산화아연)을 포함한다. 무기 첨가제는 무기 절연 물질로서 도전성 접착제의 0.5wt% ~ 2wt%를 차지하며 방열 특성을 개선한다.
나노 은 분말(Nano Ag powder) 플레이크(Flake) 형태의 Ag 분말 25 ~ 90 wt%
구형(Spherical) Ag 분말 1~7 wt%
탄소 계열 전도성 물질 Graphene, CNT(Carbon nano tube, Graphite 중 하나 이상 2.5 ~ 6 wt%
무기 첨가제 BN (Boron Nitride), AlN(질화알루미늄), SiC(실리콘 카바이드), Al2O3(알루미나), ZnO(산화아연) 중 하나 이상 0.5~2 wt%
저온 소결제 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상 1~8 wt%
유기 화합물 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿( Mineral spirits ), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent ), 레올로지제(Rheology agent) 5~52 wt%
표 3의 조성물을 소결하면 휘발성 유기 화합물이 증발되어 도전성 접착제의 조성은 표 4와 같아진다.
나노 은 분말(Nano Ag powder) 플레이크(Flake) 형태의 Ag 분말 61.6067~ 95.7344 wt
구형(Spherical) Ag 분말 1.0637 ~ 17.2499 wt%
탄소 계열 전도성 물질 Graphene, CNT(Carbon nano tube, Graphite 중 하나 이상 2.6593 ~ 14.7856 wt%
무기 첨가제 BN (Boron Nitride), AlN(질화알루미늄), SiC(실리콘 카바이드), Al2O3(알루미나), ZnO(산화아연) 중 하나 이상 0.5319 ~ 4.9285 wt%
저온 소결제 글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상 0.0106 ~ 0.1971 wt%
유기 화합물 부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿( Mineral spirits ), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent ), 레올로지제(Rheology agent) 0.0001 ~ 1.2322 wt%
소결 후, 나노 은 입자는 플레이크 형태의 은 분말 및/또는 구형 은 분말을 포함하여 도전성 접착제의 78.8566 wt% ~ 96.7981 wt를 차지한다.
표 1의 조성물을 230℃의 온도에서 60 분간 소결하여 얻어진 도전성 접착제(표 2)에 대하여 열전도율을 실험한 결과, 본 발명의 도전성 접착제는 그 열전도율이 150 W/mK 까지 개선되었다. 도 2는 한국기술교육대학교 산학연시험센터를 통해 측정된 본 발명의 제2 실시예(표 4)에 따라 도전성 접착제의 열전도율 측정 결과이다. 도 2의 실험에서 사용된 샘플은 표 3의 조성물을 230℃의 온도에서 60 분간 소결하여 얻어진 도전성 접착제이다. 본 발명의 도전성 접착제의 제조 단가는 $4~$6/g 정도이다. 이에 비하여, AuSn 계 접착제의 단가는 $15/g 이상이다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10 : LED 칩 20 : 도전성 접착제

Claims (5)

  1. LED(Light Emitting Diode) 칩이 형성된 다이를 기판의 다이 패드에 접착하기 위한 도전성 접착제에 있어서,
    95.0571 wt% ~ 99.9893 wt의 나노 은 분말;
    글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 0.0106 wt% ~ 0.1901 wt%의 저온 소결제; 및
    부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 0.0001 wt% ~ 4.7528 wt%의 유기 화합물을 포함하고,
    상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
  2. LED(Light Emitting Diode) 칩이 형성된 다이를 기판의 다이 패드에 접착하기 위한 도전성 접착제에 있어서,
    78.8566 wt% ~ 96.7981 wt의 나노 은 분말;
    그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube : CNT), 그래파이트(Graphite) 중 하나 이상을 포함한 2.6593 wt% ~ 14.7856 wt% 탄소 계열 전도성 물질;
    BN(Boron Nitride), AlN(질화알루미늄), SiC(실리콘 카바이드), Al2O3(알루미나), ZnO(산화아연) 중 하나 이상을 포함한 0.5319 wt% ~ 4.9285 wt% 의 무기 첨가제; 및
    글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 0.0106 wt% ~ 0.1971 wt% 의 저온 소결제;
    부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 0.0001 wt% ~ 1.2322 wt%의 유기 화합물을 포함하고,
    상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 접착제.
  3. 삭제
  4. LED(Light Emitting Diode) 칩이 형성된 다이를 기판의 다이 패드에 접착하기 위한 소결전 도전성 접착제 조성물에 있어서,
    40 wt% ~ 94 wt%의 나노 은 분말;
    글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 1 wt% ~ 8 wt% 의 저온 소결제; 및
    부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 5 wt% ~ 52 wt%의 유기 화합물을 포함하고,
    상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결전 도전성 접착제 조성물.
  5. LED(Light Emitting Diode) 칩이 형성된 다이를 기판의 다이 패드에 접착하기 위한 소결전 도전성 접착제 조성물에 있어서,
    32 wt% ~ 91 wt%의 나노 은 분말;
    그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube : CNT), 그래파이트(Graphite) 중 하나 이상을 포함한 2.5 wt% ~ 6 wt% 탄소 계열 전도성 물질;
    BN(Boron Nitride), AlN(질화알루미늄), SiC(실리콘 1+5카바이드), Al2O3(알루미나), ZnO(산화아연) 중 하나 이상을 포함한 0.5 wt% ~ 2 wt%의 무기 첨가제;
    글루타민산 염산염(Glutamic acid hydrochloride), 염화아연(Zinc chloride), 염화아연-염화암모니아(Zinc chloride- chloride ammonia), 아민 하이드로클로라이드(Chloride amine), 올레익산(Oleic acid) 중 하나 이상을 포함한 1 wt% ~ 8 wt%의 저온 소결제; 및
    부틸셀루솔브아세테이트(BCA), 터피니올(Terpineol), 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 미네랄스프릿(Mineral spirits), 글리콜(Glycol), 증점제(Anti-sagging agent), 및 레올로지제(Rheology agent)를 포함하는 5 wt% ~ 52 wt%의 유기 화합물을 포함하고,
    상기 나노 은 분말은 플레이크 형태의 나노 은 입자와 혼합된 구형 형태의 나노 은 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결전 도전성 접착제 조성물.
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