KR102556928B1 - 자가 조립형 이방성 도전 접착제 및 이를 이용한 부품 실장 방법 - Google Patents

자가 조립형 이방성 도전 접착제 및 이를 이용한 부품 실장 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 솔더 입자; 고분자 수지 및 경화제를 포함하고, 상기 솔더 입자의 용융 온도(T0)는 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하고, 상기 고분자 수지의 점도 급변 온도(T1)는 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하고, 상기 경화제의 열경화 시작 온도(T2)는 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 자가 조립형 이방성 도전 접착제는, 공정온도 170℃ 이하에서 실장 공정을 진행하므로 고온에서 열변형이 발생하는 유연회로기판 등 고온에 취약한 기판에도 사용할 수 있다.

Description

자가 조립형 이방성 도전 접착제 및 이를 이용한 부품 실장 방법{Self-assembly anisotropic conductive adhesive and component mounting method using the same}
본 발명은 자가 조립형 이방성 도전 접착제 및 이를 이용한 부품 실장 방법에 관한 것이다.
21세기에 들어서면서 정보통신기기의 진보에 따라 반도체 패키지의 고집적화, 고성능화, 저비용화, 소형화가 가속화되고 있다. 또한, 최근 차세대 디스플레이로 주목 받고 있는 e-paper와 같은 플렉서블 디스플레이는 우수한 굴곡성을 가져 접거나 말 수 있는 특징을 가지고 있어 장착될 마이크로부품의 안정적인 전기적/기계적 특성과 고집적화에 대한 연구가 급속히 진행되고 있다.
이러한 요구에 발맞추어 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Package), FC(Flip Chip), 3-D package 등과 같은 고밀도 전자 패키징 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 전자 패키징 기술 중, 솔더링 접합 기술은 납(pb)이 가지는 우수한 특성으로 Sn-37Pb 공정 솔더를 이용한 기술이 폭넓게 이용되어 왔지만, 인류환경문제 인식에 따른 각종 국제 환경규제 조치로 인해 기존 접합재료를 대체할 새로운 접합재료로 각종 Pb-free 솔더 및 친환경 도전성 접착제 개발, 이를 이용한 친환경 접합공정에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 친환경 대체 재료인 무연 솔더(Pb-free solder)를 이용한 기존 접합방법에 비해 이방성 도전성 접착제(anisotropic conductive adhesives; ACAs)를 이용한 접합방법은 공정의 저온화, 프로세스의 간이화, 솔더링이 불가능한 재료 및 폭넓은 재료에 사용이 가능하며 미세 피치화 대응이 가능한 큰 장점들을 가지고 있다.
그러나 ACAs에 의한 도전메커니즘은 혼합된 금속 입자들의 기계적, 물리적 접촉에 의해 이루어지므로 기존 솔더링에 비해 상대적으로 낮은 도전성, 불안정한 접촉 저항을 갖는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 170℃를 초과하는 공정은 유연회로기판의 특성인 고온에서의 열변형 때문에 적용하기 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서, 고온에서 열변형이 발생하는 유연회로기판 등에 적용할 수 있도록 170℃ 이하의 공정에서 진행되면서도, 낮은 접촉 저항과 높은 접합 강도를 갖는 이방성 도전 접착제의 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 특1994-015223
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 170℃ 이하의 공정 조건에서 사용 가능한 자가 조립형 이방성 도전 접착제 및 이를 이용한 부품 실장 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 자가 조립형 이방성 도전 접착제는, 솔더 입자; 고분자 수지 및 경화제를 포함하고, 상기 솔더 입자의 용융 온도(T0)는 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하고, 상기 고분자 수지의 점도 급변 온도(T1)는 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하고, 상기 경화제의 열경화 시작 온도(T2)는 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 솔더 입자의 크기는 1 μm 내지 25μm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 솔더 입자의 함량은 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 30 중량부 내지 80중량부로 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고분자 수지의 점도는 상기 솔더 입자의 용융 온도에서 1,000cps 내지 500,000cps일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 경화제는 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 1중량부 내지 20중량부로 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 충전재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 충전재의 함량은 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 자가 조립형 이방성 도전 접착제는, 170℃ 이하의 공정 온도에서 사용되고, 1Ω 이하의 접촉 저항을 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 부품 실장 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 부품 실장 방법은 일면에 복수의 제1전극이 형성된 제1기판과 일면에 복수의 제2전극이 형성된 제2기판을 준비하는 단계; 상기 제1기판의 복수의 제1전극이 형성된 일면에 제1항의 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 위치시키는 단계; 상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제 상에 상기 제2기판의 복수의 제2전극이 형성된 일면을 위치시켜서 상기 제1전극과 상기 제2전극이 마주보도록 배치하는 단계; 및 상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 가열하여 상기 제1전극과 상기 제2전극을 전기적으로 연결하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 가열하여 상기 제1전극과 상기 제2전극을 전기적으로 연결하는 단계에서, 상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 T1, T2 및 T0까지 순차적으로 가열되되, T1에서 고분자 수지의 점도가 급변하고, T2에서 경화제의 열경화가 시작되고, T0에서 솔더 입자가 용융되고, 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃, T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃ 및 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자가 조립형 이방성 도전 접착제는, 공정온도 170℃ 이하에서 실장 공정을 진행하므로 고온에서 열변형이 발생하는 유연회로기판 등 고온에 취약한 기판에도 사용할 수 있다.
또한, 자가 조립에 의해 도전 입자의 범프간 점 접촉이 아닌 솔더의 범프간 면 접촉을 형성하여 접촉 저항이 1Ω 이하로 낮아질 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 자가 조립형 이방성 도전 접착제의 온도 변화에 따른 점도 변화 그래프이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 부품 실장 방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 솔더 입자; 고분자 수지 및 경화제를 포함하고, 상기 솔더 입자의 용융 온도(T0)는 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하고, 상기 고분자 수지의 점도 급변 온도(T1)는 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하고, 상기 경화제의 열경화 시작 온도(T2)는 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 T1이 T2 - 30℃ 미만인 경우에는 접착제의 유동성이 너무 좋아져서 솔더가 접합부가 아닌 다른 부분으로 빠져나갈 수 있고, T2 - 10℃ 초과인 경우에는 접착제의 유동성이 너무 저하되어 솔더가 전극으로 이동하지 못하여 자가 조립이 이루어지지 않아 접촉 저항 및 절연 저항이 너무 높아질 수 있다.
상기 T2가 T0 - 60℃ 미만인 경우에는 열경화가 너무 낮은 온도에서 시작하여 솔더의 이동성이 저하되어 자가 조립이 이루어지지 못할 수 있고, T0 - 20℃ 초과인 경우에는 열경화율이 너무 낮아져서 과도한 유동성으로 접합 부분 이외에서 수지로 인한 접합이 발생할 수 있고 접합 강도가 저하될 수 있다.
이때, 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 사용하는 본딩 공정시 공정 최고 온도는 (T3)는 T3 ≥ T0 + 20℃일 수 있다.
상기 T3가 T0 + 20℃ 미만인 경우에는 유기수지의 열경화 및 전극에서의 solder의 젖음성이 낮아지므로 접합강도가 저하될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이방성 도전 접착제의 온도 변화에 따른 점도 변화 그래프이다.
도1을 참조하면, 가열 시작점에서 점도 급변 온도인 T1 까지는 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 온도가 올라가도 점도 변화가 거의 없을 수 있고, T1부터는 점도가 급격하게 떨어진다. 그리고, 온도가 계속 오르면 T2부터는 열경화가 시작된다. 그리고, 온도가 계속 오르면 T0부터는 솔더 입자가 용융되기 시작한다. 이때, T0까지는 점도가 계속적으로 하강하게 된다. 그리고, 온도가 계속 오르면 T0부터는 솔더 입자가 용융되기 시작하면서 솔더 입자의 자가 조립이 시작되고 T3에서 본딩 공정이 완료된다. 이따 T0-T3구간에서는 솔더 입자는 용융되지만 온도가 오르면서 수지 성분은 더욱 굳어서 점도는 오히려 올라가게 된다.
본 명세서에서 이방성 도전 접착제(anistropic conductive adhesives; ACAs)는 고분자 바인더에 금속 분말이나 도전성 폴리머 분말 등을 혼합해 금속의 전기적, 자기적, 광학적 특성과 함께 고분자의 기계적 특성 및 가공성을 동시에 가지는 물질로 디스플레이 패널 글래스나 플렉서블 PCB에의 구동 IC 또는 패키지등을 접합하는데 필수적으로 사용되는 핵심소재이다.
상기 이방성 도전 접착제는 전류가 오직 한 방향으로만 흐를 수 있는 특성을 가지고 있으며, 접착 수지 및 도전성 솔더(solder) 입자를 기본적인 구성으로 하고, 상기 접착 수지에 분산된 도전성 솔더 입자의 자기 조직화(자가 조립화) 공정에 이용될 수 있다.
상기 자기 조직화로 인해 자가 조립되는 이방성 도전 접착제를 자가조립형 이방성 도전 접착제 (SACA, Self-assembly Anisotropic Conductive Adhesive)라 할 수 있다.
본 명세서에서 상기 도전성 솔더 입자의 자기 조직화 공정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
상기 이방성 도전 접착제가 패턴전극을 포함하는 기판의 패턴전극면에 위치하고, 열 또는 열과 압력이 인가 되면, 상기 솔더 입자가 용융되고 상기 접착 수지 내에서 자가이동 및 자가용착되어 상기 패턴전극상에 위치하게 되고, 후술하는 솔더 범프 또는 접합부를 형성한다.
구체적으로, 상기 열의 인가로 인하여, 상기 솔더 입자는 기판의 패턴전극으로 이동하며 뭉치게 된다(자가이동). 상기 솔더 입자는 패턴전극의 금속에 대하여 젖음성이 높은데 비교하여, 패턴전극 이외의 부분에 있는 성분에 대하여는 젖음성이 낮다. 즉, 젖음성이 높은 패턴전극의 표면에서는 접촉각이 작고, 솔더 입자의 중심이 낮아 안정적이며, 솔더 입자와 패턴전극은 서로 끌어당기는 상호작용이 일어나 패턴전극의 상면에 모여 집적될 수 있다.
이와 동시에, 상기 솔더 입자가 용융되어, 용융된 솔더 입자가 상기 패턴전극의 표면에 웨팅(wetting)되고(자가용융), 상기 용융된 솔더 입자의 웨팅 이후, 더 많은 용융된 솔더 입자가 계속해서 유입되고, 결국 패턴전극의 상부에 솔더 범프가 형성될 수 있다. 상기 현상은 크기가 다른 각각의 액적이 접하여 하나의 큰 액적이 형성되는 과정으로 설명할 수 있는데, 반경이 작은 액적은 반경이 큰 액적보다 내압이 높고, 이 압력차에 의해 작은 액적은 큰 액적으로 흡입된다. 따라서, 상기 솔더 입자가 용융되면 더 많은 용융된 솔더 입자가 계속 해서 유입될 수 있다.
한편, 열을 받은 상기 접착 수지는 점도가 낮아져 상기 솔더 입자가 패턴전극의 상부로 이동하도록 상기 솔더 입자의 유동성을 증가시키는 역할을 한다.
상기 솔더 입자가 대향하여 위치하는 제 1 패턴전극 및 제 2 패턴전극의 사이에서 자기 조직화되는 경우에는, 상기 인가된 열이 제거되어 상기 패턴전극에 걸쳐 형성되어 있는 솔더 범프는 냉각 및 응고되고, 냉각된 솔더 범프인 접합부는 제 1 패턴전극 및 제 2 패턴전극을 전기적으로 접속하여 접합구조체를 형성하게 된다.
자가 조립형 이방성 도전 접착제는, 기존 소재보다 낮은 본딩압력과 높은 접착력을 구현하고 5G 통신에서 요구되는 초저 접촉저항 및 초미세피치 구현이 가능하며 면접합에 의한 수명이 우수하다는 특성이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 솔더(solder) 입자는 Sn, Ag, Cu, Bi, In 및 이들의 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 금속 또는 합금이라면 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 솔더 입자는 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu)계, 주석-구리(Sn-Cu)계, 주석-은(Sn-Ag)계, 주석-비스무스(Sn-Bi)계, 주석-인듐(Sn-In)계를 포함할 수 있다.
구체적 예로, Sn/48In, Sn/57Bi/1Ag, Sn/ 9Zn, Sn/8Zn/3Bi, Sn/3.5Ag를 포함할 수 있다.
상기 솔더 입자의 크기는 1 μm 내지 25μm 일 수 있다.
솔더 입자는 그 크기(입도)에 따라 현재 1type 부터 10type까지 그룹화 할 수 있다. 사용 목적에 따라 이상적인 type의 입자를 선택해서 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 바람직하게 6type(10μm~18μm) 내지 9type(1μm~6μm)을 이용할 수 있다.
상기 솔더 입자의 크기가 1 μm 미만인 경우에는 비표면적이 넓고 입자의 표면 에너지가 너무 커서 자가조립에 대한 충분한 화학적 구동력을 얻지 못할 수 있다.
상기 솔더 입자의 함량은 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 30 중량부 내지 80중량부로 포함될 수 있다.
상기 솔더 입자의 함량이 30 중량부 미만인 경우에는 솔더 부족으로 인한 전극간 접합이 이루어지 않아 오픈 현상이 발생할 수 있고, 80 중량부 초과인 경우에는 과량의 솔더로 인한 전극간 쇼트가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 수지는 점도 급변 온도(T1)가 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하도록 하는 고분자 수지일 수 있다(T2: 경화제의 열경화 시작 온도).
본 명세서에서 점도 급변 온도(T1)는 복합전단점도(complex viscosity) 그래프의 기울기가 2배이상 증가 되는 구간의 시작 온도일 수 있다. 도1을 참조하면, 초기 온도에서 온도를 점점 상승시킬 때 T1 이전까지는 점도가 거의 낮아지지 않거나 기울기가 작은 값으로 낮아지다가, T1을 기점으로 점도가 낮아지는 기울기가 급변하는 지점일 수 있다.
상기 고분자 수지는 열경화성 수지 및 열가소성 수지를 적절하게 혼합하여 T1까지 점도 변화가 거의 없도록 하는 혼합 수지로 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 혼합 수지(고분자 수지)는 에폭시, 아크릴레이트, 실리콘(Silicone) 수지, 폴리우레탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다시 예를 들어, 상기 혼합 수지는 BPA, BPE, BPF, 변성 실리콘, 아크릴, 우레탄, 폴리에스터, 페녹시, 노볼락, rubber 및 에폭시 중에 선택되는 하나 이상의 열경화성 수지 1wt% 내지 30wt% 및 우레탄, 실리콘, 페녹시 수지, Rubber, 아크릴레이트 모노머 및 아크릴레이트 올리고머 중에 선택되는 하나 이상의 열가소성 수지 1wt% 내지 30wt%를 혼합하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 수지의 점도는 상기 솔더 입자의 용융 온도에서 1,000cps 내지 500,000cps 일 수 있다.
상기 고분자 수지의 점도가 1,000cps 미만인 경우에는 솔더 자가조립 전에 전극이 아닌 다른 지역으로 솔더가 벗어나 전극간 접합이 잘 이루어지지 않을수 있고, 500,000cps 초과인 경우에는 상기 솔더 입자의 이동이 자유롭지 못할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 경화제는 열경화 시작 온도(T2)가 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족 하는 경화제일 수 있다.
예를 들어, 상기 경화제는 디시안디아미드(DICY, Dicyandiamide), 아민(Amine) 및 이미다졸(Imidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 경화제는 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 1중량부 내지 20중량부로 포함될 수 있다.
상기 경화제가 1중량부 미만인 경우에는 열경화가 잘 이루어지지 않아 접합강도가 낮아질 수 있고, 20중량부 초과인 경우에는 빠른 열경화 속도로 인해 솔더 자가조립이 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 충전재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 충전재는 점도를 조절하거나 경화 시 더욱 단단하게 하기 위해 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제에 포함될 수 있다.
예를 들어, 상기 충전재는 실리카(SiO2), 황산 바륨, 탄산칼슘, 클레이, 산화티타늄, 알루미나 또는 탈크를 포함할 수 있으나, 충전재로 사용되늰 물질이라면 이에 제한되지 않는다.
상기 충전재의 함량은 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 충전재의 함량이 1 중량부 미만인 경우에는 경화 후에 물성이 단단하지 않을 수 있고, 10 중량부 초과인 경우에는 솔더의 자가조립 및 접합강도에 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 170℃ 이하의 공정 온도에서 사용될 수 있고, 1Ω 이하의 접촉 저항을 가질 수 있다.
종래의 이방성 도전 접착제는 공정 온도가 약 300℃ 이상의 고온의 조건으로 사용될 수 있었다. 그러나, 최근 수요가 많은 유연 기판은 고온에 취약하여 종래 조건으로 이방성 도전 접착제 조성물을 사용하여 실장하는 데 어려움이 있었다.
따라서 본 발명의 이방성 도전 접착제로는 170℃ 이하의 공정 온도에서 사용 가능하므로 유연 기판에도 사용 가능하여 종래의 어려움을 해소하였다.
또한, 실장 공정 진행 시 도전 입자의 범프간 점 접촉이 아닌 솔더의 범프간 면 접촉을 형성할 수 있어서, 1Ω 이하의 낮은 접촉 저항을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 부품 실장 방법을 설명한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 부품 실장 방법의 순서도이다.
도3을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 부품 실장 방법은, 일면에 복수의 제1전극이 형성된 제1기판과 일면에 복수의 제2전극이 형성된 제2기판을 준비하는 단계(S100); 상기 제1기판의 복수의 제1전극이 형성된 일면에 제1항의 이방성 도전 접착제를 위치시키는 단계(S200); 상기 이방성 도전 접착제 상에 상기 제2기판의 복수의 제2전극이 형성된 일면을 위치시켜서 상기 제1전극과 상기 제2전극이 마주보도록 배치하는 단계(S300); 및 상기 이방성 도전 접착제를 가열하여 상기 제1전극과 상기 제2전극을 전기적으로 연결하는 단계(S400); 를 포함한다.
첫째 단계에서, 일면에 복수의 제1전극이 형성된 제1기판과 일면에 복수의 제2전극이 형성된 제2기판을 준비한다(S100).
상기 제1 기판 일면에는 복수의 제1전극이 위치할 수 있다.
또한, 상기 제2기판 일면에는 복수의 제2전극이 위치할 수 있다.
상기 제1기판의 제1전극을 상기 제2기판의 제2전극과 전기적으로 통하도록 연결시키고자 하는데, 종래에 점 접촉에 의한 접촉 저항을 낮추기 위해 솔더 입자의 자가 조립에 의한 면 접촉을 이루어 접촉 저항을 낮추고자 하였다.
상기 제1기판 및 상기 제2기판은 유연 기판을 포함할 수 있다.
상기 유연 기판은 예를 들어, 고분자물질을 포함할 수 있는데, 일반적으로 유연 기판은 고온에 약하여 이들을 접착시킬 때 고온이 아닌 저온의 공정으로 실장하는 것이 필요하므로 본 발명에서 이러한 문제점을 해결하고자 한다.
둘째 단계에서, 상기 제1기판의 복수의 제1전극이 형성된 일면에 제1항의 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 위치시킨다(S200).
상기 이방성 도전 접착제는 예를 들어, 시트 형태로 위치될 수 있는데, 상기 이방성 도전 접착제를 기판 위에 도포한 후 건조하는 방법으로 시트를 제조할 수 있다.
본 발명의 이방성 도전 접착제는 솔더 입자; 고분자 수지 및 경화제를 포함하고,
상기 솔더 입자의 용융 온도(T0)는 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하고,
상기 고분자 수지의 점도 급변 온도(T1)는 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하고,
상기 경화제의 열경화 시작 온도(T2)는 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 솔더(solder) 입자는 Sn, Ag, Cu, Bi, In 및 이들의 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 금속 또는 합금이라면 이에 제한되지 않는다.
상기 솔더 입자의 크기는 1 μm 내지 25μm 일 수 있다.
상기 솔더 입자의 크기가 1 μm 미만인 경우에는 비표면적이 넓고 입자의 표면 에너지가 너무 커서 자가조립에 대한 충분한 화학적 구동력을 얻지 못할 수 있다.
상기 솔더 입자의 함량은 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 30중량부 내지 80중량부로 포함될 수 있다.
상기 솔더 입자의 함량이 30 중량부 미만인 경우에는 솔더 부족으로 인한 전극간 접합이 이루어지 않아 오픈 현상이 발생할 수 있고, 80 중량부 초과인 경우에는 과량의 솔더로 인한 전극간 쇼트가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 수지는 점도 급변 온도(T1)가 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하도록 하는 고분자 수지일 수 있다(T2: 경화제의 열경화 시작 온도).
상기 고분자 수지는 열경화성 수지 및 열가소성 수지를 적절하게 혼합하여 T1까지 점도 변화가 거의 없도록 하는 혼합 수지로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 수지의 점도는 상기 솔더 입자의 용융 온도에서 1,000cps 내지 500,000cps 일 수 있다.
상기 고분자 수지의 점도가 1,000cps 미만인 경우에는 솔더 자가조립 전에 전극이 아닌 다른 지역으로 솔더가 벗어나 전극간 접합이 잘 이루어지지 않을수 있고, 500,000cps 초과인 경우에는 상기 솔더 입자의 이동이 자유롭지 못할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 경화제는 열경화 시작 온도(T2)가 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 경화제일 수 있다(T0: 솔더 입자의 용융 온도).
상기 경화제는 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 1중량부 내지 20중량부로 포함될 수 있다.
상기 경화제가 1중량부 미만인 경우에는 열경화가 잘 이루어지지 않아 접합강도가 낮아질 수 있고, 20중량부 초과인 경우에는 빠른 열경화 속도로 인해 솔더 자가조립이 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 충전재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 충전재는 점도를 조절하거나 경화 시 더욱 단단하게 하기 위해 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제에 포함될 수 있다.
예를 들어, 상기 충전재는 실리카(SiO2), 황산 바륨, 탄산칼슘, 클레이, 산화티타늄, 알루미나 또는 탈크를 포함할 수 있으나, 충전재로 사용되늰 물질이라면 이에 제한되지 않는다.
상기 충전재의 함량이 1 중량부 미만인 경우에는 경화 후에 물성이 단단하지 않을 수 있고, 10 중량부 초과인 경우에는 솔더의 자가조립 및 접합강도에 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 170℃ 이하의 공정 온도에서 사용될 수 있고, 1Ω 이하의 접촉 저항을 가질 수 있다.
셋째 단계에서, 상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제 상에 상기 제2기판의 복수의 제2전극이 형성된 일면을 위치시켜서 상기 제1전극과 상기 제2전극이 마주보도록 배치한다(S300).
상기 제1전극과 상기 제2전극을 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제에 있는 솔더 입자로 인해 전기적으로 연결시켜 주어야 하므로, 본 발명의 이방성 도전 접착제를 사이에 두고 상기 제1전극과 상기 제2전극을 마주보도록 배치시킨다.
넷째 단계에서, 상기 제1항의 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 가열하여 상기 제1전극과 상기 제2전극을 전기적으로 연결하는 단계(S400); 를 포함한다.
상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 가열하여 상기 제1전극과 상기 제2전극을 전기적으로 연결하는 단계에서, 상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 T1, T2 및 T0까지 순차적으로 가열되되, T1에서 고분자 수지의 점도가 급변하고, T2에서 경화제의 열경화가 시작되고, T0에서 솔더 입자가 용융되고,
120℃ ≤ T0 ≤ 150℃,
T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃ 및
T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃
를 만족하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 사용하는 본딩 공정시 공정 최고 온도는 (T3)는 T3 ≥ T0 + 20℃일 수 있다.
상기 T3가 T0 + 20℃ 미만인 경우에는 유기수지의 열경화 및 전극에서의 solder의 젖음성이 낮아지므로 접합강도가 저하될 수 있다.
먼저, 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 T1까지 가열하면서 0.1~10MPa로 바람직하게는 0.1~0.5MPa로 가압하여 상기 제1기판과 상기 제2기판을 가접착시킬 수 있다.
이때, 본 발명의 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 T1 까지는 가온됨에도 불구하고 점도가 거의 낮아지지 않는데, 이러한 특성으로 인해 가압 과정에서도 솔더 입자가 외곽으로 빠지지 않고 접합부에 위치할 수 있도록 하는 효과가 있다.
T1 이후에는 가온 할수록 유기 고분자의 점도가 급격하게 낮아지도록 점도 변화 기울기가 변하게 되고, 계속적으로 가열하여 T2까지 온도를 올리면 경화제의 열경화가 시작하게 된다. 계속하여 T0까지 가열하면 이때부터 솔더 입자가 용융되면서 상기 제1전극과 제2 전극 사이로 이동하여 자가 조립을 시작하게 되고, T3에서 본딩 공정이 완료되어, 상기 제1 전극이 마주보는 상기 제2전극과 전기적으로 연결되게 된다.
상기 자가 조립에 의해 도전 입자의 범프간 점 접촉이 아닌 솔더의 범프간 면 접촉을 형성하여 접촉 저항이 1Ω 이하로 낮아질 수 있다.
또한, 상기T0는 120℃ 내지 150℃에 불과하여, 총 공정 온도가 170℃ 이하로 낮아지도록 할 수 있어, 유연 기판 등 고온에 취약한 기판 들을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는 실시예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예1
용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 Sn 및 Bi를 포함하는 솔더입자, 점도 급변 온도(T1)가 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하는 BPA(Bisphenol A) epoxy 수지 및 열경화 시작 온도(T2)가 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 DICY 경화제를 포함하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 제조하여, 공정 최고 온도(T3)가 T3 ≥ T0 + 20℃를 만족하는 조건에서 본딩 공정을 수행하였다.
실시예2
용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 Sn 및 Bi를 포함하는 솔더입자, 점도 급변 온도(T1)가 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하는 BPA(Bisphenol A) epoxy 수지 및 열경화 시작 온도(T2)가 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 DICY 경화제를 포함하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 제조하여, 공정 최고 온도(T3)가 T3 = T0 + 10 인 조건에서 본딩 공정을 수행하였다.
실시예3
용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 Sn 및 Bi를 포함하는 솔더입자, 점도 급변 온도(T1)가 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하는 BPA(Bisphenol A) epoxy 수지 및 열경화 시작 온도(T2)가 T2 > T0 - 20℃을 만족하는 thiol 경화제를 포함하는 이방성 도전 접착제를 제조하였다.
실시예4
용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 Sn 및 Bi를 포함하는 솔더입자, 점도 급변 온도(T1)가 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하는 BPA(Bisphenol A) epoxy 수지 및 열경화 시작 온도(T2)가 T2 < T0 - 60℃를 만족하는 산무수물경화제를 포함하는 이방성 도전 접착제를 제조하였다.
실시예5
용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 Sn 및 Bi를 포함하는 솔더입자, 점도 급변 온도(T1)가 T1 > T2 - 10℃를 만족하는 저점도 BPA epoxy 수지 및 열경화 시작 온도(T2)가 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 DICY 경화제를 포함하는 이방성 도전 접착제를 제조하였다.
실시예6
용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 Sn 및 Bi를 포함하는 솔더입자, 점도 급변 온도(T1)가 T1 < T2 - 30℃를 만족하는 CFE modified BPA epoxy 수지 및 열경화 시작 온도(T2)가 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 DICY 경화제를 포함하는 이방성 도전 접착제를 제조하였다.
실험예
조건 Bonding 후 신뢰성 후
접촉저항
(≤0.03Ω)		 절연저항
(≥109Ω)		 접합강도
(≥1.0kgf/cm)		 접촉저항
(≤0.03Ω)		 절연저항
(≥109Ω)		 접합강도
(≥1.0kgf/cm)
T3 ≥ T0 + 20℃
(실시예1)		 O O O O O O
T3 < T0 + 20℃
(실시예2)		 O O X O O X
T2 = T0 - 20~60℃
(실시예1)		 O O O O O O
T2 > T0 - 20℃
(실시예3)		 O O X O O X
T2 < T0 - 60℃
(실시예4)		 X X O X X O
T1 = T2 - 10~30℃
(실시예1)		 O O O O O O
T1 > T2 - 10℃
(실시예5)		 X X O X X O
T1 < T2 - 30℃
(실시예6)		 X O X X O X
상기 표1은 SACA Rheology에 의한 접합 평가 결과 데이터이다.
상기 표1을 참조하면, 용융 온도(T0)가 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하는 솔더입자, T1이 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃을 만족하는 고분자 수지 및 T2가 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하는 경화제를 포함하는 이방성 도전 접착제로 공정 최고 온도(T3)가 T3 ≥ T0 + 20℃를 만족하는 조건에서 본딩 공정을 수행하는 실시예1에서 bonding 전과 신뢰성 후에 접촉 저항이 0.03Ω 이하이고, 절연 저항이 10-9Ω 이하이고, 접합 강도가 1.0kgf/cm 이하로 측정된다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자가 조립형 이방성 도전 접착제는, 공정온도 170℃ 이하에서 실장 공정을 진행하므로 고온에서 열변형이 발생하는 유연회로기판 등 고온에 취약한 기판에도 사용할 수 있다.
또한, 자가 조립에 의해 도전 입자의 범프간 점 접촉이 아닌 솔더의 범프간 면 접촉을 형성하여 접촉 저항이 1Ω 이하로 낮아질 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 솔더 입자; 고분자 수지 및 경화제를 포함하고,
    상기 솔더 입자의 용융 온도(T0)는 120℃ ≤ T0 ≤ 150℃를 만족하고,
    상기 고분자 수지의 점도 급변 온도(T1)는 T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃를 만족하고,
    상기 경화제의 열경화 시작 온도(T2)는 T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃를 만족하고,
    상기 솔더 입자의 함량은 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 30 중량부 내지 80중량부로 포함되고,
    상기 경화제는 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 1중량부 내지 20중량부로 포함되고,
    170℃ 이하의 공정 온도에서 사용되고, 1Ω 이하의 접촉 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 솔더 입자의 크기는 1 μm 내지 25μm 인 것을 특징으로 하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지의 점도는 상기 솔더 입자의 용융 온도에서 1,000cps 내지 500,000cps인 것을 특징으로 하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    충전재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전재의 함량은 자가 조립형 이방성 도전 접착제 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 자가 조립형 이방성 도전 접착제.
  8. 삭제
  9. 일면에 복수의 제1전극이 형성된 제1기판과 일면에 복수의 제2전극이 형성된 제2기판을 준비하는 단계;
    상기 제1기판의 복수의 제1전극이 형성된 일면에 제1항의 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 위치시키는 단계;
    상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제 상에 상기 제2기판의 복수의 제2전극이 형성된 일면을 위치시켜서 상기 제1전극과 상기 제2전극이 마주보도록 배치하는 단계; 및
    상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 가열하여 상기 제1전극과 상기 제2전극을 전기적으로 연결하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 실장 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제를 가열하여 상기 제1전극과 상기 제2전극을 전기적으로 연결하는 단계에서,
    상기 자가 조립형 이방성 도전 접착제는 T1, T2 및 T0까지 순차적으로 가열되되, T1에서 고분자 수지의 점도가 급변하고, T2에서 경화제의 열경화가 시작되고, T0에서 솔더 입자가 용융되고,
    120℃ ≤ T0 ≤ 150℃,
    T0 - 60℃ ≤ T2 ≤ T0 - 20℃ 및
    T2 - 30℃ ≤ T1 ≤ T2 - 10℃
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 부품 실장 방법.
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