KR102357053B1 - 솔더 페이스트 - Google Patents

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KR102357053B1
KR102357053B1 KR1020190007173A KR20190007173A KR102357053B1 KR 102357053 B1 KR102357053 B1 KR 102357053B1 KR 1020190007173 A KR1020190007173 A KR 1020190007173A KR 20190007173 A KR20190007173 A KR 20190007173A KR 102357053 B1 KR102357053 B1 KR 102357053B1
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Abstract

본 발명에 따른 솔더 페이스트는 용매에 분산되어 있는 제1 입자들, 및 제1 입자들 사이의 전도성 리간드들을 포함하고, 제1 입자들은 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu) 합금을 포함할 수 있다.

Description

솔더 페이스트{Solder paste}
본 발명은 솔더 페이스트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 소결이 가능한 솔더 페이스트에 관한 것이다.
주석-납(Sn-Pb) 솔더(solder) 소재는 우수한 성능과 저렴한 비용으로 최근 수십년동안 전자 부품, 장치의 어셈블리 및 패키징을 위한 접합 재료로 광범위하게 사용되어 왔다. 또한 다양한 전자 패키지의 접합 강도와 열적, 기계적 및 전기적 특성에 많은 영향을 미쳤다.
그러나 납(Pb)이 인간의 건강과 생태계에 미치는 해로운 영향을 없애기 위하여 최근 무연(Pb-free) 솔더 페이스트가 전자 패키징 산업에서 사용되기 시작했다.
무연 솔더 페이스트 중 3종의 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu:SAC) 솔더 페이스트는 주석-납(Sn-Pb) 솔더의 대체재료로 선택되며, 예를 들어 SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu)는 저가격과 효율 면에서 뛰어나기 때문에 높은 평가를 받고 있다.
다만, 대부분의 무연 솔더 페이스트는 유연 솔더 페이스트에 비해서 녹는점이 높기 때문에 유연 기판이나 플라스틱 소재 등에 적용이 어렵다는 단점이 있다. 또한 소결 공정에 많은 시간이 요구되어, 경제성이 낮다는 문제점이 있다. 최근 유연 소자나 3D 프린팅 기반의 전자 소자에 대한 관심이 높아지면서 저온에서 공정 가능한 친환경 솔더 기술이 필요하다.
KR 10-1166790 B1 KR 10-2015-0132043 A1 KR 10-2018-0098106 A1
본 발명의 일 기술적 과제는 저온 소결이 가능한 솔더 페이스트를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 따른 솔더 페이스트는 용매에 분산되어 있는 제1 입자들 및 상기 제1 입자들 사이의 전도성 리간드들을 포함하고, 상기 제1 입자들은 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu) 합금을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 페이스트를 통하여, 더 낮은 소결 온도에서 공정이 가능할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트의 개념도이다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a의 솔더 페이스트의 열처리 공정에 따른 순차적인 변화를 나타내는 개념도들이다.
도 2a는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 솔더 페이스트의 개념도이다.
도 2b 및 도 2c는 도 2a의 솔더 페이스트의 열처리 공정에 따른 순차적인 변화를 나타내는 개념도들이다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 솔더 페이스트의 개념도이다.
도 3b 및 도 3c는 도 3a의 솔더 페이스트의 열처리 공정에 따른 순차적인 변화를 나타내는 개념도들이다.
도 4는 본 발명에 따른 솔더 페이스트의 열처리 온도에 따른 비저항을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트의 개념도이다.
도 1a를 참조하면 솔더 페이스트(10)는 제1 입자들(101), 용매(201), 및 전도성 리간드들(301)을 포함할 수 있다. 제1 입자들(101) 및 전도성 리간드들(301)은 용매(201) 내에 분산되어 있을 수 있다.
제1 입자들(101)은 서로 이격된 상태로 분산될 수 있다. 제1 입자들(101)은 용매(201) 내의 자유 운동에 의해서, 서로 일시적으로 접촉할 수 있다. 제1 입자들(101)은 일 예로 구(sphere) 형태를 가질 수 있다. 제1 입자들(101) 각각의 직경(D1)은 수 내지 수백 마이크로미터 일 수 있다. 제1 입자들(101)은 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu)합금을 포함할 수 있다. 주석-은-구리 합금은 일 예로 SAC305 합금을 포함할 수 있다. 제1 입자들(101)은 표면에 수 내지 수십 나노 미터의 코팅막(미도시)이 코팅된 상태일 수 있다.
용매(201)는 테르피네올, 에틸렌글리콜, 및 아세테이트 등의 고점도 용매 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 용매(201)는 바인더 수지(미도시)를 더 포함할 수 있다. 바인더 수지는 일 예로 폴리에스테르계 수지, 에폭시계 수지 및 폴리우레탄계 수지 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
전도성 리간드들(301)은 칼코게나이드 시안산염(Chalcogenide cyanate) 또는 진틀 이온(Zintl ions)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 칼코게나이드 시안산염(Chalcogenide cyanate)은 시안산염(cyanate), 셀레노시안산염(selenocyanate), 텔루로시안산염(tellurocyanate), 사차암모늄염(quaternary ammonium salt) 또는 티오시안산염(thiocyanate)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 진틀 이온(Zintl ions)은 테트라티옥소몰리브데늄(Tetrathioxomolybdenum: MoS4 2-) 등을 포함할 수 있다.
전도성 리간드들(301) 각각의 길이는 약 0.2nm 내지 약 0.5nm일 수 있다.
전도성 리간드들(301)은 용매(201) 내에서 자유 운동할 수 있고 적어도 일부는 제1 입자들(101) 사이에 제공될 수 있다. 전도성 리간드들(301)의 적어도 일부는 제1 입자들(101)과 접촉할 수 있다. 전도성 리간드들(301)의 일부는 동시에 복수개의 제1 입자들(101)과 접촉할 수 있다. 제1 입자들(101)과 접촉하는 전도성 리간드들(301)은 제1 입자들(101) 표면 상의 코팅막(미도시)을 관통하여 제1 입자들(101)과 직접적으로 결합할 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 페이스트(10)에 전압이 가해지는 경우, 전자들은 제1 입자들(101) 및 제1 입자들(101)과 접촉하는 전도성 리간드들(301) 사이에서 이동할 수 있다. 또한 제1 입자들(101) 및 전도성 리간드들(301)이 서로 이격되더라도, 제1 입자들(101) 및 그와 인접하는 전도성 리간드들(301) 사이의 이격 거리가 짧기 때문에 전자들이 제1 입자들(101) 및 전도성 리간드들(301) 사이를 이동하는 것은 용이할 수 있다.
전도성 리간드(301)를 통해서, 서로 인접하는 제1 입자들(101)은 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적 연결을 통해서, 인접한 제1 입자들(101) 사이에는 전기적 인력이 작용할 수 있다. 결과적으로, 제1 입자들(101)은 전도성 리간드들(301)에 의해서, 서로 가까이 위치할 수 있다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a의 솔더 페이스트(10)의 열처리 공정에 따른 순차적인 변화를 나타내는 개념도이다.
도 1b를 참조하면 열처리 과정 중에 용매(201)가 증발될 수 있다. 이에 따라 도 1a와 비교할 때, 제1 입자들(101)의 표면에 인접하게 위치하는 전도성 리간드들(301)의 수가 증가할 수 있다. 즉, 제1 입자들(101)은 전도성 리간드들(301)로부터 조밀하게 둘러싸일 수 있다. 제1 입자들(101) 사이의 이격 거리도 열처리 전과 비교하여 감소할 수 있다. 열처리 온도는 제1 입자들(101)의 녹는점보다 낮을 수 있고 일 예로 160℃ 내지 250℃ 의 범위에서 이루어질 수 있다.
도 1c를 참조하면 열처리 과정이 완료시, 용매(201)는 전부 증발되고, 전도성 리간드들(301) 전부 또는 대부분이 제거될 수 있다. 제1 입자들(101)은 소결(Sintering)될 수 있다. 구체적으로 인접한 제1 입자들(101) 상호간에 부분적으로 결합이 형성될 수 있다. 제1 입자들(101) 각각은 부분적 결합에 의해서, 본래의 구 형태를 일정 수준 유지할 수 있다. 부분적 결합은 제1 입자들(101) 각각을 이루는 원자들의 확산에 의하여 일어날 수 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 솔더 페이스트의 개념도이다. 이하에서 설명하는 것들을 제외하면 도 1a에서 설명한 솔더 페이스트(10)와 실질적으로 동일하다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 솔더 페이스트(20)는 제2 입자들(102)을 더 포함할 수 있다. 제2 입자들(102)은 일 예로 구 형태를 가질 수 있고, 수 내지 수십 나노미터(nm) 사이즈의 제2 폭(D2)을 가질 수 있다. 제2 입자들(102)은 제1 입자들(101)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 일 예로 제2 입자들(102)은 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu)합금을 포함할 수 있다.
제2 입자들(102)은 용매(201) 내에 분산되어 있을 수 있다. 제2 입자들(102)은 용매(201) 내의 자유 운동에 의해서, 제1 입자들(101) 및/또는 전도성 리간드들(301)과 일시적으로 접촉할 수 있다.
도 2b 및 도 2c는 도 2a의 솔더 페이스트의 열처리 공정에 따른 순차적인 변화를 나타내는 개념도들이다. 이하에서 설명하는 것을 제외하면 도 1b 및 도 1c 각각의 열처리 공정과정과 실질적으로 동일하다.
도 2b를 참조하면 열처리 과정 중에 용매(201)가 증발될 수 있다. 도 2a와 비교할 때, 제1 입자들(101)의 표면에 인접하게 위치하는 전도성 리간드들(301) 및 제2 입자들(102)의 수가 증가할 수 있다. 제1 입자들(101)은 전도성 리간드들(301) 및 제2 입자들(102)로부터 조밀하게 둘러싸일 수 있다. 또한 제1 입자들(101) 사이의 이격 거리도 열처리 전과 비교하여 감소할 수 있다. 열처리 온도는 제1 입자들(101)의 녹는점보다 낮을 수 있고 일 예로 160℃ 내지 250℃ 의 범위에서 이루어질 수 있다.
도 2c를 참조하면, 제2 입자들(102)의 적어도 일부는 제1 입자들(101)과 부분적으로 결합될 수 있다. 제1 입자들(101) 각각 및 제2 입자들(102) 각각은 부분적 결합에 의해서, 본래의 구 형태를 일정 수준 유지할 수 있다. 부분적 결합은 제1 입자들(101) 및 제2 입자들(102)을 이루는 원자들의 확산에 의하여 일어날 수 있다. 전도성 리간드들(301)의 전부 또는 대부분이 제거될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 솔더 페이스트의 개념도이다. 이하에서 설명하는 것들을 제외하면 실질적으로 도 2a에서 설명한 솔더 페이스트(20)와 실질적으로 동일하다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 솔더 페이스트(30)는 제3 입자들(103)을 더 포함할 수 있다. 제3 입자들(103)은 제1 입자들(101) 및 제2 입자들(102)과 형상 및/또는 크기가 다를 수 있다.
제3 입자들(103)은 다양한 형상들을 가질 수 있고, 일 예로 평면적 관점에서 타원의 형태를 가질 수 있다. 제3 입자들(103)의 제3 폭(D3)은 타원의 장축을 포함할 수 있다. 제3 폭(D3)은 수 나노 미터 내지 수 마이크로 미터일 수 있다. 제3 입자들(103) 각각은 서로 크기가 다른 제3 폭(D3)을 가질 수 있다. 또한 제3 입자들(103)은 다른 일 예로 구 형태(미도시)를 가질 수 있고, 그의 직경은 제2 입자들(102)의 제2 폭(D2)과는 다를 수 있다.
제3 입자들(103)은 제1 입자들(101) 및 제2 입자들(102)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 일 예로 제3 입자들(103)은 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu)합금을 포함할 수 있다.
제3 입자들(103)은 용매(201) 내에 분산되어 있을 수 있다. 제3 입자들(103)은 용매(201) 내의 자유 운동에 의해서, 제1 입자들(101), 제2 입자들(102) 및/또는 전도성 리간드들(301)과 일시적으로 접촉할 수 있다.
도 3b 및 도 3c는 도 3a 솔더 페이스트의 열처리 공정에 따른 순차적인 변화를 나타내는 개념도들이다. 이하에서 설명하는 것을 제외하면 도 2b 및 도 2c 각각의 열처리 공정과정과 실질적으로 동일하다.
도 3b를 참조하면 열처리 과정 중에 용매(201)가 증발되고, 도 3a와 비교할 때, 제1 입자들(101)의 표면에 인접하게 위치하는 전도성 리간드들(301), 제2 입자들(102), 및 제3 입자들(103)의 수가 증가할 수 있다. 제1 입자들(101)은 전도성 리간드들(301) 제2 입자들(102) 및 제3 입자들(103)에 의해서 더 조밀하게 둘러싸일 수 있다. 또한 제1 입자들(101) 사이의 이격 거리도 열처리 전과 비교하여 감소할 수 있다. 열처리 온도는 제1 입자들(101)의 녹는점보다 낮을 수 있고 일 예로 160℃ 내지 250℃ 의 범위에서 이루어질 수 있다.
도 3c를 참조하면, 제3 입자들(103)의 적어도 일부는 제1 입자들(101) 및 제2 입자들(102)과 부분적으로 결합될 수 있다. 제3 입자들(103)이 제1 입자들(101) 및 제2 입자들(102)과 부분적으로 결합됨에 따라서 본래의 형상인 타원(또는 구)의 형상을 일정 수준 유지할 수 있다. 부분적 결합은 제1 입자들(101), 제2 입자들(102) 및 제3 입자들(103)을 이루는 원자들의 확산에 의하여 일어날 수 있다. 전도성 리간드들(301)의 전부 또는 대부분이 제거될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트의 열처리 온도에 따른 비저항을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 전도성 리간드를 포함하는 솔더 페이스트(A) 및 전도성 리간드를 포함하지 않는 솔더 페이스트(B)에 열처리를 한 후에 비저항을 측정하였다.
전도성 리간드를 포함하지 않는 솔더 페이스트(B)의 240℃ 부근의 비저항 값과, 전도성 리간드를 포함하는 솔더 페이스트(A)의 170 ℃ 부근의 비저항 값이 동일한 값을 보였다. 또한 전도성 리간드를 포함하는 솔더 페이스트(A)를 150℃ 이하에서 10분 이하로 열처리한 경우 수십 마이크로 옴의 낮은 비저항 값을 보였다.
본 발명에 따른 솔더 페이스트(10,20,30)는 전도성 리간드들(301)로 인하여 제1 입자들(101)이 가까이 위치함으로써, 저온에서 소결하는 것이 가능할 수 있다. 또한 소결 시간도 단축될 수 있다.
저온에서 소결하는 경우, 인접하는 제1 입자들(101) 사이에 부분적으로 결합이 형성됨에 따라서 고온에서 소결하는 경우에 비하여 제1 입자들(101) 사이의 결합력이 감소할 수 있다. 제1 입자들(101) 사이의 결합력이 감소함에 따라서, 이후 낮은 온도에서 솔더링 공정이 가능해지고, 유연 기판이나 플라스틱 소재와 같이 고열에 적용하기 어려운 기판 소재에 솔더링이 가능하다는 효과가 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 20, 30: 솔더 페이스트
101 제1 입자
102 제2 입자
103 제3 입자
201 용매
301 전도성 리간드

Claims (10)

  1. 용매;
    상기 용매에 분산되어 있는 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu) 합금 입자들; 및
    상기 용매에 분산되어 있는 전도성 리간드들을 포함하는 용액으로 구성되고,
    상기 전도성 리간드들의 적어도 일부는 상기 주석-은-구리 합금 입자들 사이에 제공되고,
    상기 전도성 리간드들의 적어도 일부는 그 표면 전체가 상기 용매와 접촉하고,
    상기 전도성 리간드들의 적어도 일부는 상기 용매 내에서 자유 운동하고,
    상기 주석-은-구리 합금 입자들의 직경들은 수 내지 수백 마이크로미터이고, 상기 직경들의 각각은 서로 동일한 솔더 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 리간드들은 칼코게나이드 시안산염(Chalcogenide cyanate) 또는 진틀 이온(Zintl ions)을 포함하는 솔더 페이스트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 칼코게나이드 시안산염은 시안산염(cyanate), 셀레노시안산염(selenocyanate), 텔루로시안산염(tellurocyanate), 사차암모늄염(quaternary ammonium salt) 또는 티오시안산염(thiocyanate)을 포함하고,
    상기 진틀 이온은 테트라티옥소몰리브데늄(Tetrathioxomolybdenum: MoS4 2-)을 포함하는 솔더 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 리간드들의 각각의 길이는 0.2nm 내지 0.5nm인 솔더 페이스트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용매는 테르피네올, 에틸렌글리콜, 및 아세테이트 중 적어도 어느 하나를 포함하는 솔더 페이스트.
  6. 삭제
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