KR20040027993A - 전기전도성 범프용 열경화성 전기전도성 페이스트 - Google Patents

전기전도성 범프용 열경화성 전기전도성 페이스트 Download PDF

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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 절연층에 적층된 하나 이상의 회로층상의 예정된 위치에 전기전도성 범프를 형성하기 위한 열경화성 전기전도성 페이스트에 관한 것이다. 적층 후, 전기전도성 범프는 절연층을 관통하여 제2 회로층과 전기적 접속을 형성한다. 상기 페이스트는, 전체 조성물을 기준으로, 최소한, 패킹 밀도가 제1 분말의 경우 금속의 평균 밀도(비중)의 20％ 이하의 범위이고 제2 분말의 경우 금속의 평균 밀도(비중)의 20 내지 40％의 범위인 제1 및 제2 전도성 금속 분말 80 내지 90 중량％, 및 에폭시 수지, 경화제 및 용매 10 내지 20 중량％를 포함한다.

Description

전기전도성 범프용 열경화성 전기전도성 페이스트{Thermosetting Electroconductive Paste for Electroconductive Bump Use}
실질적으로 원추형인 전기전도성 범프가 인쇄회로기판상의 구조체를 구성하는 상부 및 하부회로층을 접속하는, 인쇄회로기판의 간단한 제작 방법이 일본 특허 출원 공개 공보 H6-342977A (1994)에 개시되어 있다. 이 방법에 따르면, 전기전도성 분말과 열경화성 결합제 수지 또는 열가소성 수지의 혼합물을 포함하는 전기전도성 조성물을 사용한 인쇄법으로 전기전도성 금속박상에 원추형 전기전도성 범프를 형성하고, 합성 수지 시트를 포함하는 절연 시트에 관통시키고, 전기전도성 금속박을 중첩시키고, 이 층들을 하나의 개체로 압착 적층 (적층체는 조절없이 압착되거나 또는 가열압착됨)하며, 범프의 끝은 소성 변형을 일으키고 그것이 접촉하는 반대쪽 전기전도성 금속박과 만족스럽게 접착 및 결합되어 상부 및 하부 회로층의 전기적 접속을 이룰 수 있다. 결국, 상기 범프와 관련하여, 적층체 층의 압착 후전기전도성 금속박에 대해 매우 확실한 전기적 접촉 및 강력한 접착 강도를 가질 것이 요구된다. 전기전도성 조성물은 전기전도성 분말, 예컨대, 금, 은, 구리, 솔더 파우더 (solder powder), 얼로이 분말, 또는 이들의 혼합물을 열경화성 결합제, 예컨대, 폴리카르보네이트 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에스테르 수지, 페녹시 수지, 페놀 수지 및 폴리이미드 수지와 혼합하여 제조한다.
전기전도성 금속박과 매우 확실한 전기적 접촉 및 강력한 접착 강도를 갖는 개선된 전기전도성 범프용 전기전도성 페이스트 조성물이 요구된다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시킨다.
<발명의 요약>
본 발명은 절연층에 적층된 하나 이상의 회로층상의 예정된 위치에 전기전도성 범프를 형성하기 위한 열경화성 전도성 페이스트에 관한 것으로서, 적층 후에 전기전도성 범프는 절연층을 관통하여 제2 회로층과 전기적 접속을 형성하고, 상기 페이스트는, 전체 조성물을 기준으로, 최소한, 패킹 밀도가 제1 분말의 경우 금속의 평균 밀도(비중)의 20％ 이하의 범위이고 제2 분말의 경우 금속의 평균 밀도(비중)의 20 내지 40％의 범위인 제1 및 제2 전기전도성 금속 분말 80 내지 90 중량％, 및 에폭시 수지, 경화제 및 용매 10 내지 20 중량％를 포함한다.
본 발명은 또한 상기한 전기전도성 분말이 패킹 밀도가 3 내지 3.5 g/㎖이고 평균 입도가 2~4.5 ㎛인 박편형 은 분말 25~75 중량％ 및 패킹 밀도가 0.7~1.7 g/㎖이고 평균 입도가 1.5~3.5 ㎛인, 구형 은 입자의 응집체인 은 분말 25~75 중량％를 포함하는 열경화성 전기전도성 페이스트에 관한 것이다.
본 발명은 또한 브룩필드 (Brookfield) 점도계에서 0.5 rpm 및 25℃에서 측정한 점도가 2200~3200 Pa.s의 범위인 상기 열경화성 전기전도성 페이스트에 관한 것이다.
본 발명은 회로층 사이의 쓰루홀-타입 (throughhole-type) 전도성 범프 (bump)에 의한 접속을 형성하기 위해 인쇄회로층상의 예정된 위치에 전도성 범프를 형성하는데에 적합한 열경화성 전기전도성 페이스트에 관한 것이다. 이것은 인쇄회로기판 또는 다층 인쇄회로기판에 특히 유용하다.
본 발명의 목적은 전기전도성 금속박에 대해 매우 확실한 전기적 접촉 및 매우 강력한 접착 강도를 보유하는 범프를 형성할 수 있는, 전기전도성 범프용 열경화성 전기전도성 페이스트를 제공하는 것이다. 범프 형성에 사용되는 열경화성 전기전도성 페이스트는 상부 및 하부 회로층을 전기적으로 접속시키는 방법에 적합하며, 인쇄법에 의해 전기전도성 금속박상에 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프를 형성함으로써 상부 및 하부 회로층 사이의 쓰루홀-타입 전도성 부재 접속을 형성한다. 예를 들어, 이것은 합성 수지 시트를 포함하는 관통 절연시트에 전기전도성 범프가 형성되어 있는 전기전도성 금속박을 중첩시키고, 시트들을 통상 적층화에 의해 하나의 개체로서 압착시킴으로써 달성된다.
요구되는 특성을 만족시키기 위해, 열경화성 전기전도성 페이스트는 인쇄회로기판에서 예정된 거리만큼 분리된 절연층을 관통시키기 위한 전기전도성 범프용으로 개발되었다. 이 두꺼운 필름 조성물은 패킹 밀도가 평균 밀도 (비중)에 대해 20％ 이하인 제1 전기전도성 분말 및 패킹 밀도가 평균 밀도 (비중)에 대해 약 20 내지 약 40％ 범위인 제2 분말을 포함하는, 최소한 2종의 전기전도성 분말을 포함하는 전기전도성 성분 약 80 내지 약 90 중량％를 포함하며, 나머지 성분은 1종 이상의 에폭시 수지, 경화제 및 용매이다. 접속은 인쇄회로기판의 구조체를 구성하는 회로층을 관통하여 전도성 부재 접속을 형성하는 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프에 의해 제공된다. 범프는 관통 후에 전기전도성 금속박에 대한 매우 확실한 전기적 접촉 및 매우 강력한 접착 강도의 요건을 만족시킬 수 있다. 이것은 하나의 개체를 형성하기 위한 적층화 동안 층들을 압착시킬 때 전기전도성 범프의 보다 용이한 변형을 제공하여, 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프 및 전기전도성 금속박 사이의 접촉면적이 증가되도록 함으로써 달성된다.
일반적으로, 공지된 전기전도성 분말, 예컨대, 금, 백금, 팔라듐, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 텅스텐, 또는 분말을 함유하는 얼로이 분말을 사용할 수 있다. 금, 백금 및 팔라듐 분말은 고가이다. 구리 및 니켈 분말은 표면 산화에 의해 전도성 분말의 표면 저항성이 증가하고, 낮은 융점으로 인해 공정의 온도 의존성이 증가될 염려가 있다. 이러한 이유로, 본 발명에 은 분말을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 은 분말은 구형 (이하, 응집체 분말이라 함) 및 박편형 등 상이한 형상의 은 분말을 사용할 수 있다. 이와 같은 한 실시양태는 패킹 밀도가 3~3.5 g/㎖이고 평균 입도가 2~4.5 ㎛인 박편형 분말 25~75 중량％ 및 평균 입도가 1.5~3.5 ㎛이고 패킹 밀도가 0.7~1.7 g/㎖인, 실질적으로 구형인 미립자들의 응집체인 응집체 분말 25~75 중량％가 배합물을 포함할 수 있다. 본원에서 기호 "~"는 "내지 약"을 의미한다.
조성물의 열경화성 결합제 성분으로서는 에폭시 수지가 바람직하다. 예로는 비스페놀 A 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지 및 크레졸 노볼락형 에폭시 수지가 있다. 에폭시 수지가 아닌 수지를 필요에 따라 에폭시 수지에 적합하게 블렌딩할 수 있다.
경화제는 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 바람직한 경화제로는 예를 들어 디시안디아민과 같은 아민 경화제, 카르복시히드라지드, 헵타데실이미다졸과 같은 이미다졸 경화제, 산 무수물로 대표되는 잠복성 경화제 및 개질 페놀 수지가 있다.
제안되는 용매는 예를 들어 지방족 알콜, 예를 들어 에탄올, 이소프로판올, n-프로판올, 부탄올, 이들의 에스테르, 예컨대, 아세테이트, 프로피오네이트 등, 카르비톨(Carbitol, 등록상표) 용매, 예컨대, 메틸 카르비톨, 에틸 카르비톨, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트 등, 셀로솔브(cellosolve) 용매, 예컨대, 셀로솔브, 부틸 셀로솔브, 이소아밀 셀로솔브, 헥실 셀로솔브, 부틸 셀로솔브 아세테이트 등, 케톤 용매, 예컨대, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 2-펜타논, 3-펜타논, 시클로헥사논 등, 및 탄화수소 용매, 예컨대, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠, 테르펜, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 메틸펜탄 등이다.
은 분말, 에폭시 수지, 경화제 및 용매를 포함하는 조성물에서, 은 분말의 형상 및 패킹 밀도를 조절함으로써, 적층체 층의 압착 후, 범프 끝의 반대쪽에 있는 전기전도성 금속박에 대한 접착 및 결합에 의해 매우 확실한 전기적 접속을 얻을 수 있다.
본 발명에 사용되는 은 분말의 낮은 패킹 밀도로 인해, 경화 재료는 형성 및 경화 후, 높은 패킹 밀도를 갖는 은 분말을 함유하는 경화 재료에 비해 보다 낮은 밀도를 갖는데, 이는 다수의 미소 공극이 패킹 밀도가 낮은 경화 재료 내에 형성되기 때문이다. 결국, 본 발명에서는, 상이한 패킹 밀도를 갖는 은 분말을 사용하여 그러한 다수의 미소 공극을 제한할 수 있다. 이것은 경화 후 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프의 형성을 가능하게 한다.
전기전도성 범프는 전기전도성 금속박 및 절연 시트의 구조체를 포함하는 적층체를 압착시킬 때 쉽게 변형된다. 따라서, 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프 및 전기전도성 금속박 사이의 접촉 표면적이 증가하여 뛰어난 확실성을 갖는 전기적 접속을 달성할 수 있게 된다.
본 발명에 사용되는 은 분말은 박편형 분말, 및 실질적으로 구형인 미립자들의 응집체를 포함하는 응집체 분말의 배합물을 포함한다. 박편형 분말은 일반적으로 구형 분말보다 더 낮은 전도 저항을 나타낸다.
그럼에도 불구하고, 박편형 분말이 은 분말의 100 중량％를 구성할 경우, 다수의 미소 공극은 형성되지 않으며, 따라서, 낮은 패킹 밀도를 갖는 은 분말과의 배합이 필요하게 된다.
은 분말에서 박편형 분말 및 응집체 분말의 비율은 바람직하게는 고체 중량을 기준으로 박편형 분말 약 25~75 중량％ 및 응집체 분말 25~75 중량％의 배합이며, 매우 바람직하게는 박편형 분말 40~60 중량％ 및 응집체 분말 40~60 중량％의 배합이다. 박편형 분말의 비율이 75％ 이상일 경우, 다수의 미소 공극이 전기전도성 페이스트내에 형성되는 것이 어려워지며, 또한 25％ 이하일 경우 공극이 과도하게 형성되어 전기전도성 범프에 요구되는 경도가 얻어지지 않는다.
전체 은 분말, 에폭시 수지 및 경화제의 100 중량부 전체에 대한 은 분말의비율은 바람직하게는 80~90 중량부, 보다 바람직하게는 83~88 중량부이다. 80 중량부 이하에서, 다수의 미소 공극이 전술한 전기전도성 범프에 형성되는 것이 어려워진다. 90 중량부 이상에서는 인쇄에 적합한 페이스트 점도가 얻어지지 않는다.
박편형 분말은 때로 짧은 직경에 대한 긴 직경의 비 (종횡비)로서 특징지어진다. 그러나, 레이저 회절형 입도 분포 측정 장치에 의해 측정된 D50％ 값 (평균 입도)이 2~4.5 ㎛의 범위내인 한, 종횡비를 특별히 명시할 필요는 없다.
응집체 분말은 크기가 약 0.1 내지 0.5 ㎛인 실질적으로 구형인 미립자를 포함한다. 그러나, 레이저 회절형 입도 분포 측정 장치에 의해 측정된 평균 입도가 약 1.5~3.5 ㎛의 범위내인 한, 실질적으로 구형인 미립자의 크기를 특별히 명시할 필요는 없다.
은 분말의 패킹 밀도 (g/㎖)는 패킹 밀도 측정 장치로 측정한다. 예를 들어, 은 분말 10 g을 10 ml의 눈금이 있는 유리 실린더에 넣고 5 cm 높이에서 자연스럽게 떨어뜨린다. 이것을 8회 반복한 후, 은 분말의 부피를 판독하고 10 g/패킹 후 벌크 은 분말의 부피 (ml)로부터 패킹 밀도를 계산한다.
다양한 조성물을 위한 에폭시 수지 및 경화제의 비율은 당업계에 널리 공지되어 있으며, 경화 후에 전기전도성 범프에 필요한 경도가 얻어지기만 하면 된다.
열경화성 페이스트를 인쇄하는데 적합한 점도 범위는 바람직하게는 2200~3200 Pa.s, 가장 바람직하게는 2400~3000 Pa.s이다. 점도는 브룩필드 점도계에서 25℃, 0.5 rpm으로 측정한다.
점도가 2200 Pa.s 이하일 경우, 인쇄 및 건조 후 전기전도성 범프의 범프 높이가 낮고, 합성 수지 절연 시트에 대한 관통 특성이 불량하게 된다. 또한, 3200 Pa.s 이상일 경우, 인쇄 및 건조 후 전기전도성 범프의 높이가 너무 높아져 범프의 끝이 관통시에 떨어져나가고 절연층의 절연 특성에 영향을 미친다.
예를 들어, 전체 조성물을 기준으로 은 분말 85 중량％, 에폭시 수지 9 중량％, 경화제 1 중량％ 및 용매 5 중량％의 비율을 갖는 열경화성 은 페이스트를 교반기로 예비혼합한 후 3-롤 밀에서 혼합하여 제조한다. 열경화성 은 페이스트를 사용한 인쇄회로기판은 전기전도성 범프를 형성한 후에 상부 및 하부의 전기전도성 금속박 사이에 내부 코어 층을 포함하는 양면 회로기판을 겹치고, 하나의 개체로서 적층화하여 합성 수지 절연 시트에 대한 관통을 달성한 후, 전기전도성 금속박의 표면을 에칭으로 패턴화하여 제조한다.
생성된 인쇄회로기판의 상부 및 하부 회로층 사이의 접속의 확실성은, 고온 오일 시험 (260℃ 오일조에 10초 동안 침지 직후 20℃ 오일조에 20초 침지하기를 100회 반복) 및 솔더 내열성 시험 (260℃ 솔더조에 20초 부유시킴)을 실시한 후의 회로층 사이의 초기 저항 값에 대한 저항 값 변화(％)에 의해 확인된다.
<실시예 1>
박편형 은 분말 (패킹 밀도 3~3.5 g/㎖, 평균 입도 2~4.5 ㎛) 64 중량％, 응집체 은 분말 (패킹 밀도 0.7 내지 1.7 g/㎖, 평균 입도 2~4.5 ㎛) 21 중량％, 에폭시 수지 (스미또모 케미칼 사 (Sumitomo Chemical Co., Ltd.)에서 시판하는 에폭시 크레졸 노볼락 수지) 9 중량％, 경화제 (시꼬꾸 가세이 사 (Shikoku KaseiKabushiki Kaisha)에서 시판하는 페닐 디히드록시메틸이미다졸) 1 중량％ 및 용매 (부틸 카르비톨 아세테이트) 5 중량％를 포함하는 결합제 혼합물 15 중량％의 혼합물을 3-롤 밀에서 혼합하여 열경화성 은 페이스트를 얻었다. 스크린 인쇄하고, 150 내지 170℃에서 약 20 내지 30분 동안 경화시켜 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프를 형성하였다.
저항 값 변화는 고온 오일 시험 후 -2％이었고, 솔더 내열성 시험 후 저항 값 변화는 -3％이었으며, 두 경우 모두 만족스러운 값을 나타내었다.
<실시예 2>
박편형 은 분말 (패킹 밀도 3~3.5 g/㎖, 평균 입도 2~4.5 ㎛) 42.5 중량％, 응집체 은 분말 (패킹 밀도 0.7 내지 1.7 g/㎖, 평균 입도 2~4.5 ㎛) 42.5 중량％, 에폭시 수지, 경화제 및 용매의 혼합물을 포함하는 실시예 1에서 사용한 것과 같은 결합제 15 중량％의 혼합물을 3-롤 밀에서 혼합하여 열경화성 은 페이스트를 얻었다. 실시예 1에서와 같은 인쇄에 적합한 점도를 얻기 위해, 용매 0.3 중량％를 첨가하여 점도를 조절하였다. 또한, 이 열경화성 은 페이스트를 스크린 인쇄하고 실시예 1에서와 같이 경화시켜 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프를 형성하였다.
저항 값 변화는 고온 오일 시험 후 -2％이었고, 솔더 내열성 시험 후 저항 값 변화는 0％이었으며, 두 경우 모두 만족스러운 값을 나타내었다.
<실시예 3>
박편형 은 분말 (패킹 밀도 3~3.5 g/㎖, 평균 입도 2~4.5 ㎛) 21 중량％, 응집체 은 분말 (패킹 밀도 0.7 내지 1.7 g/㎖, 평균 입도 2~4.5 ㎛) 64 중량％, 에폭시 수지, 경화제 및 용매의 혼합물을 포함하는 실시예 1에서 사용한 것과 같은 결합제 15 중량％의 혼합물을 3-롤 밀에서 혼합하여 열경화성 은 페이스트를 얻었다. 또한, 실시예 1에서와 같은 인쇄에 적합한 점도를 얻기 위해, 용매 0.5 중량％를 첨가하여 점도를 조절하였다. 열경화성 은 페이스트를 스크린 인쇄하여 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프를 형성하였다.
저항 값 변화는 고온 오일 시험 후 -3％이었고, 솔더 내열성 시험 후 저항 값 변화는 1％이었으며, 두 경우 모두 만족스러운 값을 나타내었다.
<비교예 1>
박편형 은 분말 (패킹 밀도 3~3.5 g/㎖, 평균 입도 2~4.5 ㎛) 51 중량％, 구형 분말 (패킹 밀도 5~6 g/㎖, 평균 입도 4.5~6.5 ㎛) 34 중량％, 에폭시 수지, 경화제 및 용매의 혼합물을 포함하는 실시예 1에서 사용한 것과 같은 결합제 15 중량％의 혼합물을 3-롤 밀에서 혼합하여 열경화성 은 페이스트를 얻었다. 이 열경화성 은 페이스트를 스크린 인쇄하고 실시예 1에서와 같이 경화시켜 실질적으로 원추형인 전기전도성 범프를 형성하였다.
저항 값 변화는 고온 오일 시험 후 90％이었고, 저항 값은 50회 반복 후부터 증가하였으며, 솔더 내열성 시험 후 최대 87％까지 증가하였으며, 비정상적으로 높은 값을 나타내었다.

Claims (3)

  1. 적층 후에 범프가 절연층을 관통하여 제2 회로층과 전기적 접속을 형성하며, 상기 범프는 전체 조성물을 기준으로, (a) 최소한, 패킹 밀도가 제1 분말의 경우 평균 밀도(비중)의 20％ 이하의 범위이고 제2 분말의 경우 평균 밀도(비중)의 20 내지 40％의 범위인 제1 및 제2 전기전도성 분말 80 내지 90 중량％ 및 (b) 에폭시 수지, 경화제 및 용매 10 내지 20 중량％를 포함하는, 절연층에 적층된 하나 이상의 회로층을 형성하기 위한 열경화성 전기전도성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 전기전도성 분말이 패킹 밀도가 3 내지 3.5 g/㎖이고 평균 입도가 2 내지 4.5 ㎛인 박편형 은 분말 25 내지 75 중량％ 및 패킹 밀도가 0.7 내지 1.7 g/㎖이고 평균 입도가 1.5 내지 3.5 ㎛인 응집체 은 분말 25 내지 75 중량％를 포함하는 열경화성 전기전도성 페이스트.
  3. 제2항에 있어서, 브룩필드 (Brookfield) 점도계로 0.5 rpm 및 25℃에서 측정한 페이스트의 점도가 2200 내지 3200 Pa.s 범위인 열경화성 전기전도성 페이스트.
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