KR20050063690A - 전자 디바이스 및 전자 디바이스를 형성하는 방법 - Google Patents

전자 디바이스 및 전자 디바이스를 형성하는 방법 Download PDF

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브레즈나타니엘이.
토벤마이클피.
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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머트어리얼즈, 엘.엘.씨.
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Abstract

본 발명은 전자 디바이스를 형성하는 방법을 개시한다. 본 방법은 (a) 기판, 및 전자 부품, 광학 부품, 디바이스 리드(lid) 및 이들의 조합중에서 선택되고, 기판에 결합되는 부품을 제공하고; (b) 캐리어 비히클(carrier vehicle) 및 금속 입자를 함유한 금속 성분을 포함하는 솔더 페이스트를 기판 및/또는 부품에 적용한 다음; (c) 기판과 부품을 서로 접촉시키는 것을 포함한다. 솔더 페이스트는 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도(solidus temperatue) 보다 낮은 고상선 온도를 갖는다. 본 발명의 방법에 의해 형성될 수 있는 전자 디바이스가 또한 제공된다. 반도체 산업에서, 반도체 웨이퍼로부터 형성되는 밀폐 전자 디바이스 패키지, 예를 들어 밀폐 광전자 디바이스 패키지를 형성하는 경우 그 특정의 응용예를 찾아볼 수 있다.

Description

전자 디바이스 및 전자 디바이스를 형성하는 방법{Electronic devices and methods of forming electronic devices}
관련출원의 상호참조
본 출원은 2003년 12월 22일자로 출원된 미국 가출원 제 60/532,265호의 35 U.S.C. § 119(e)하의 잇점을 청구하며, 거기의 모든 내용은 참고로서 본원에 포함된다.
발명의 배경
본 발명은 일반적으로 전자 디바이스를 형성하는 방법 및 이 방법에 의해 형성될 수 있는 전자 디바이스에 관한 것이다. 더욱 특히는, 본 발명은 낮은 고상선 온도(solidus temperature)를 가진 솔더 페이스트를 사용하여 전자 디바이스를 형성하는 방법, 및 이러한 솔더 페이스트를 포함하는 전자 디바이스에 관한 것이다. 반도체 산업에서, 반도체 웨이퍼로부터 형성되는 밀폐 전자 디바이스 패키지, 예를 들어 밀폐 광전자 디바이스 패키지를 형성하는 경우에 그 특정의 응용예를 찾아볼 수 있다.
하나 이상의 전자, 광전자 및/또는 광학 부품을 수용하는 밀폐 전자 패키지의 용도가 제안되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 공개 제 2003/0123816호에는 그의 상부 표면에 광신호 캐리어(carrier), 즉 광섬유 스텁(stub), 광학 반도체 부품, 및 광섬유와 광학 반도체 부품 사이에 삽입된 다른 광학 부품(예, 렌즈, 필터, 모듈레이터(modulator) 등)을 수용하는 기판을 가진 밀폐 광학 디바이스 패키지가 개시되어 있다. 부품 위에 그리고 광섬유의 적어도 일부가 개방되도록, 기판 상부 표면에 프레임이 결합된다. 인클로져(enclosure)내의 부품들을 밀봉하기 위한 커버 구조(cover structure)를 형성하는 리드와 함께 인클로져를 형성하도록 리드가 프레임에 결합된다.
밀폐 패키지는 환경 조건에 대체로 민감한 봉입된(enclosed) 디바이스의 보호 및 봉쇄를 제공한다. 이 점에서, 하나 이상의 부품의 작업중 퇴보(degradation)는 습도, 먼지 및 자유 이온과 같은 대기 오염물에 의해 야기될 수 있다. 패키지의 금속 표면은 부식하기 쉬운 반면에, 패키지중 광전자 및 광학 부품의 광학 입력/출력 표면은 특히 오염되기 쉽다. 이들 효과는 모두 신뢰성 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 외기와의 접촉을 막기 위한 패키지의 밀봉이 요구된다.
전형적으로 솔더링에 의해 리드를 기판에 붙이기 전에, 패키지의 부품들을 먼저 기판에 결합시킨다. 이것은 이전에 결합된 부품이 다른 부품들이 결합 또는 일반적인 프로세싱동안 후속하는 열 프로세싱에 의해 악영향을 받지 않도록 결합 계층(bonding hierarchy)의 확립을 요한다. 예를 들어, 부품이 솔더링에 의해 기판에 결합된 경우, 솔더 컨넥션의 약화(softening) 및 분해(degradation)를 방지하기 위해서는 후속 프로세싱동안 솔더의 고상선 온도에 근접해야한다. 그러나, 전자 부품들의 작동 동안 종종 약화되거나 변형되어(예, 크리프(creep)), 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있기 때문에, 저융점 솔더를 사용하여 신뢰할만한 솔더 컨넥션을 생성하기는 어렵다.
솔더 물질 사용에 대한 추가의 제한은 일반적으로 솔더 범핑 및 금속화에 사용되는 납-함유 물질의 제거에 대한 필요성을 증가시킨, 환경문제를 일으키는 납의 불함유에 대한 최근의 발의와 관련된다. 불행하게도, 납-함유 물질에 대한 최상의 대체물은 공융 주석-납보다 더 높은 고상선 온도를 가진다. 현재, Sn/Ag 3.0/Cu 0.5 솔더 페이스트가 공융 Sn/Pb의 대체물로서 고려중이다. 그러나, 불행하게도, Sn/Ag 3.0/Cu 0.5 합금의 고상선 온도는 공융 Sn/Pb 보다 34 ℃나 높은 약 217 ℃이다. 이 합금에 의해 요구된 열 사이클(thermal excursion)의 증가로 인해 전자 부품이 조기 고장을 일으킬 수 있다는 문제가 있다. 따라서, 비교적 낮은 고상선 온도를 가진, 납-함유 합금에 대한 적합한 대체물을 알아낼 필요가 있다.
광전자 디바이스의 밀폐에 사용되는 또 다른 중요한 합금은 280 ℃의 고상선 온도를 가진, 비율 80:20의 SnAu이다. 이 합금은 일반적으로 고징공하에 증발 기술을 통해 적용되지만, 전기도금 기술에 의한 적용이 또한 가능하다. 이 물질이 밀폐 패키지를 밀폐하는데 사용되는 경우, 디바이스를 결합하기 위해서는 매우 높은 고상선 온도를 갖는 물질이 사용되어야 한다. 공융 Sn/Pb을 Sn/Ag 3.0/Cu 0.5로 치환한 경우, 이들의 높은 온도가 패키지내의 디바이스에 악영향을 미친다. 따라서, 일반적으로 비교적 낮은 고상선 온도를 가진 결합 물질에 요망된다.
본 발명의 방법 및 부품은 기술의 상태에 관해 상기 언급된 하나 이상의 문제를 방지하거나 눈에 띄게 개선할 수 있다.
제 1 측면에 따라, 본 발명은 전자 디바이스를 형성하는 방법을 제공한다. 본 방법은 (a) 기판, 및 전자 부품, 광학 부품, 디바이스 리드(lid) 및 이들의 조합중에서 선택되며, 기판에 결합되는 부품을 제공하고; (b) 캐리어 비히클(carrier vehicle) 및 금속 입자를 함유한 금속 성분을 포함하는 솔더 페이스트를 기판 및/또는 부품에 적용한 다음; (c) 기판과 부품을 서로 접촉시키는 것을 포함한다. 솔더 페이스트는 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도(solidus temperatue) 보다 낮은 고상선 온도를 갖는다.
제 2 측면에 따라, 본 발명은 전자 디바이스를 제공한다. 디바이스는 기판 및 기판 표면위의 부품을 포함한다. 부품은 전자 부품, 광학 부품, 디바이스 리드 및 이들의 조합중에서 선택된다. 솔더 페이스트에 의해 기판과 부품이 접촉하게 된다. 솔더 페이스트는 캐리어 비히클, 및 금속 입자를 가진 금속 부분을 포함한다. 솔더 페이스트는 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도 보다 낮은 고상선 온도를 갖는다.
다음의 설명, 청구범위 및 첨부된 도면을 검토하면, 본 발명의 다른 특징 및 이점이 당업자들에게 명백해질 것이다.
이제, 본 발명의 방법을 설명할 것이다. 용어 나노입자는 직경이 50 ㎚ 또는 그 이하인 입자를 의미한다. 용어 "금속"은 단일-성분 금속, 금속의 혼합물, 금속-합금 및 금속간 화합물을 의미한다. 물질이 처음으로 녹기 시작하는 온도가 "고상선 온도"로서 언급된다. 하나의 물체가 다른 물체에 "결합된" 또는 다른 물체와 "접촉상태인"이라고 하는 경우에는, 각각 직접적 및 간접적 결합 또는 접촉을 의미한다. 용어 "전자 디바이스"는 전기적인 기능을 가진 디방이스, 전기적 및 광학적 기능을 가진 디바이스, 즉 광전자 디바이스, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 디바이스 등을 포함한다.
본 발명의 방법은 기판 및/또는 기판에 결합되는 부품에 솔더 페이스트를 적용한 다음 기판과 부품을 서로 접촉시킴으로써 전자 디바이스를 형성하는 것을 포함한다. 부품은 전자 부품, 광학 부품, 디바이스 리드 및 이들의 조합중에서 선택된다.
본 발명에 사용되는 솔더는 금속 입자 형태의 금속 성분 및 캐리어 비히클 성분을 함유하는 솔더 페이스트로부터 형성된다. 금속 입자의 사이즈는 솔더 페이스트가 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도보다 낮은 고상선 온도를 가지도록 선택된다.
본 발명은 금속 나노입자가 벌크 금속과 동일한 고상선 온도를 가진 종래의 솔더 페이스트에 사용되는 큰-사이즈의 카운터파트보다 낮은 고상선을 가진다는 원리에 기초한다. 금속의 고상선 온도는 임계값이하로 입자 사이즈의 증분(incremental) 감소에 의해 증분적으로 감소될 수 있다. 일단 용융되고 고화되면, 생성된 금속은 재고화된 용융물/벌크 물질의 고상선 온도를 가진다. 솔더 페이스트에 혼입된 경우, 이러한 방식으로 나노입자는 후속적으로 용융 및 고화된 물질에 비해 솔더 페이스트의 고상선 온도를 감소시키는데 효과적이다. 그 결과, 같은(또는 더 높은) 온도에서 후속 열처리 공정동안 리플로우 하지 않는 주어진 온도에서 솔더부를 형성하는 것이 가능한다. 이는 솔더 페이스트와 다른 디바이스 물질의 선택 및 전자 부품의 결합 서열 및 계층에 대해 상당한 유연성을 허용하는 것이다.
또한, 유기 성분이 사용된 경우 솔더 페이스트의 리플로우후 잔존할 수 있는 유기 잔류물이 사용된 금속 입자에 의해 감소되거나 배제된다. 어떤 특정 이론에 의해 매이는 것을 원치 않지만, 솔더 페이스트중 금속 입자의 비교적 높은 표면부는 유기 물질 분해의 촉매반응속도를 증가시킬 수 있으리라 판단된다.
금속 입자의 유효 사이즈는 예를 들어 특정 금속에 따라 그리고 원하는 솔더 페이스트의 고상선 온도에 따라 달라질 것인데, 유용한 입자는 일반적으로 나노미터-사이즈 범위에 있다. 나노입자는 다양한 공지된 기술, 예를 들어 화학증착(CVD), 물리증착(PVD), 예컨대 스퍼터링(sputtering), 전해침착(electrolytic deposition), 레이저 분해(laser decomposition), 아크 가열(arc heating), 고온 플레임(flame) 또는 플라즈마(plasma) 스프레이, 에어로졸 연소(aerosol combustion), 정전 스프레이(electrostatic spraying), 템플릿 전착(templated electrodeposition), 침전(precipitation), 축합, 분쇄(grinding) 등에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어 모든 내용이 참고로서 본원에 속하는 국제출원 공보 WO96/06700호에는 레이저, 전기 아크, 플레임 또는 플라즈마와 같은 에너지원을 사용하여 출발물질을 가열 및 분해시킴으로써 출발물질로부터 나노입자를 형성하는 기술이 개시되어 있다.
본 발명에 유용한 금속 입자로는 예를 들어 주석(Sn), 납(Pb), 은(Ag), 비스무스(Bi), 인듐(In), 안티몬(Sb), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 아연(Zn), 게르마늄(Ge), 란타니드, 이들의 배합물 및 이들의 합금이 포함된다. 그중에서도, Sn, Pb, Ag, Bi, In, Au, Cu, 이들의 배합물 및 이들의 합금, 예를 들어 주석 및 주석-합금, 예컨대 Sn-Pb, Sn-Au, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Ag-Cu, Sn-Bi, Sn-Ag-Bi 및 Sn-In이 전형적이다. 더욱 특히는, Sn-Pb37, Sn-Pb95, Sn-Ag3.5, Sn/Ag3.0/Cu0.5(금속 성분을 기준으로 한 중량%) 등이 본 발명에 사용된다.
솔더 페이스트에서 금속 입자 사이즈 및 사이즈 분포는 원하는 고상선 온도를 제공하도록 선택될 수 있고, 이것은 예를 들어 입자의 형태(들)에 따라 좌우될 것이다. 예를 들어, 입자 사이즈 및 분포는 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도보다 3 ℃ 이상 낮은, 예를 들어 5 ℃ 이상 낮은, 10 ℃ 이상 낮은, 50 ℃ 이상 낮은, 100 ℃ 이상 낮은, 200 ℃ 이상 낮은, 400 ℃ 이상 낮은, 500 ℃ 이상 낮은 솔더 페이스트의 고상선 온도를 제공하도록 선택될 수 있다.
금속 입자는 전형적으로 솔더 페이스를 기준으로 하여 50 중량% 보다 많은 양, 예를 들어 85 중량% 보다 많은 양으로 솔더 페이스트에 존재한다. 상술한 바와 같이, 금속 입자 및 생성되는 솔더 입자의 고상선 온도를 낮추는데 효과적인 입자 사이즈는 입자 물질의 특정 형태(들)에 따라 달라질 것이다. 일반적으로, 입자의 50% 이상, 예를 들어 75% 이상, 90% 이상 또는 99% 이상이 50 ㎚ 이하, 예를 들어 30 ㎚ 이하, 20 ㎚ 이하, 또는 10 ㎚ 이하의 직경을 가지면 충분할 것이다., 일반적으로, 금속 및/또는 금속-합금 입자의 평균 직경은 50 ㎚ 이하, 예를 들어 30 ㎚ 이하, 20 ㎚ 이하, 또는 10 ㎚ 이하이다. 전형적으로, 금속 입자의 사이즈 및 사이즈 분포는 고화된 융융물의 고상선 온도보다 낮은 온도에서 솔더 페이스트를 용융시키기에 효과적이다. 그러나, 생성되는 솔더부가 전자 부품에 충분히 신뢰할만한 전기적 컨넥션을 제공하는 것으로 가정한다면, 일부의 입자가 녹지 않는 더 큰 사이즈이라도 충분할 수 있다. 더 큰 입자의 부분은 솔더 페이스트의 용융된 부분에 용해할 것이다.
캐리어 비히클은 하나 이상의 성분, 예를 들어 용매, 유동화제 및 활성제중 하나 이상을 함유할 수 있다. 캐리어 비히클은 전형적으로 1 내지 30 중량%, 예를 들어 5 내지 15 중량%의 양으로 솔더 페이스트에 존재한다.
용매는 전형적으로 솔더 페이스트의 점도를 조정하기 위해 캐리어 비히클에 존재하며, 여기서 솔더 페이스트의 점도는 전형적으로 100 kcps(킬로센티포아즈) 내지 2,000 kcps, 예를 들어 500 내지 1,500 kcps, 또는 750 내지 1,000 kcps이다. 적합한 용매로는 예를 들어 유기 용매, 예를 들어 에탄올과 같은 저분자량 알콜, 메틸 에틸 케톤과 같은 케톤, 에틸 아세테이트와 같은 에스테르, 케로센과 같은 탄화수소가 포함된다. 용매는 전형적으로 10 내지 50 중량%, 예를 들어 30 내지 40 중량%의 양으로 캐리어 비히클에 존재한다.
접촉 표면에 대한 솔더 페이스트의 접착력을 향상시키기 위해, 캐리어 비히클에 유동화제가 추가로 포함될 수 있다. 적합한 유동화제로는 예를 들어 하나 이상의 로진, 예컨데 중합 로진, 수소화 로진 및 에스테르화 로진, 지방산, 글리세린 또는 소프트 왁스가 포함된다. 유동화제가 사용된 경우, 유동화제는 전형적으로 25 내지 80 중량%의 양으로 캐리어 비히클에 존재한다. 광학 또는 광전자 부품의 경우, 광학 표면이 유동화제 성분 또는 그의 분해 부산물로 코팅될 수 있기 때문에 유동화제를 사용하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 이는 시스템에 광 손실 및 광 전송 문제를 야기할 수 있다. 특정의 경우에, 환원성 분위기를 사용하면 유동화제를 사용할 필요가 없게 된다. 이 경우에, 입자는 가열하는 동안 증발하여 오염된 잔류물을 거의 남기지 않는 단순 용매, 예컨대 메탄올에 분산될 수 있다. 아크릴레이트와 같은 완전-연소(clean-burning) 분산제가 특히 이러한 솔더 페이스트에서 유용하다. 활성제는 솔더 페이스트가 가열될 때 솔더 페이스트와 접촉하고 있는 표면위 및/또는 금속 입자의 표면위에 형성되는 산화물의 제거를 돕는다. 적합한 활성제가 당업계에 공지되어 있고, 예를 들어 하나 이상의 유기 산, 예컨대 숙신산 또는 아디핀산 및/또는 유기 아민, 예컨대 우레아, 다른 금속 킬레이트제, 예컨데 EDTA, 할라이드 화합물, 예컨대 암모늄 클로라이드 또는 염산이 포함된다. 활성제가 사용되는 경우, 활성제는 전형적으로 0.5 내지 10 중량%, 예를 들어 1 내지 5 중량%의 양으로 캐리어 비히클에 존재한다.
추가적인 첨가제, 예를 들어 틱소트로픽제, 예컨데 경화 캐스터 오일, 하이드록시스테아린산, 또는 다가 알콜이 솔더 페이스트에 임의로 사용될 수 있다. 임의의 첨가제는 전형적으로 0 내지 5 중량%, 예를 들어 0.5 내지 2.0 중량%의 양으로 솔더 페이스트에 존재한다.
형성된 전자 부품의 부식 가능성 및 관련된 문제점을 줄이기 위해, 솔더 페이스트는 실질적으로 할로겐 및 알칼리 금속 원소를 함유하지 않을 수 있다. 전형적으로, 솔더중의 할로겐 및 알칼리 금소 원소 함량은 100 ppm 미만, 예를 들어 1 ppm 미만이다.
본 발명에 따른 솔더 페이스트는 금속 성분을 목적하는 임의의 성분을 비롯하여 캐리어 비히클 성분과 함께 혼련함으로써 형성될 수 있다. 비금속 성분을 먼저 혼련시켜 보다 균일한 분산성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 전자 디바이스(2)를 나타낸다. 예시된 디바이스는 광전자 디바이스이지만, 본 발명은 광학 기능이 없는 전자 디바이스, 예를 들어 자동추진, 항공우주 또는 의학 적용예와 같이 엄격한 환경에서 사용되는 고주파 신호 검출기에 또한 적용된다.
하나 이상의 전자 및/또는 광학 부품을 수용하기 위해 그 표면내에 또는 그 표면위에 형성된 하나 이상의 표면 피쳐(feature)를 가진 기판(4)이 제공된다. 기판은 전형적으로 실리콘, 예를 들어 단결정 실리콘 웨이퍼, 예컨대 <100> 실리콘, 실리콘-온-사파이어(SOS), 실리콘-온-절연체(SOI), 세라믹, 폴리머 또는 금속과 같은 물질로 형성된다. 기판은 예를 들어 옵티컬 벤치(optical bench), 유리 또는 세라믹 옵티컬 플레이트(optical plate), 또는 플라스틱 성형품일 수 있다. 기판에 결합될 수 있는 전자 부품으로는 예를 들어 집적회로(IC), 레이저, 발광 다이오드(LED), 광검출기(photodetector), 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser), MOEM(micro optical electrical mechanical device), 전자 냉각기(thermoelectric cooler) 등이 포함된다. 적합한 광학 부품으로는 예를 들어 광섬유, 섬유 스텁(fiber stub), 렌즈, 필터, 도파관(waveguide), 모듈레이터(modulator) 등이 포함된다.
도시된 전자 디바이스(2)는 상부 주 표면(6)을 가진 <100> 실리콘 기판(4), 광섬유 스텁(10)을 수용하기 위한 V-형으로 에칭된 홈(groove)(8), 전자 부품(14), 예를 들어 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED) 또는 광검출기를 수용하기 위한 솔더 패드(12), 및 예를 들어 실리콘, 세라믹 또는 유리로 제조되고 디바이스를 용접밀폐시키기 위한 리드(16)를 가진 밀폐형 실리콘 옵티컬 벤치이다.
하나 이상의 전자 부품(14), 즉 광섬유(10) 또는 리드(16)는 상술한 바와 같은 솔더 페이스트를 사용하여 기판(4)에 결합시킨다. 솔더 페이스트를 사용하여 결합되지 않는 부품들은 다른 공지된 재료 및 기술을 사용하여 결합시킬 수 있다. 본 발명의 솔더 페이스트를 사용하는 경우, 결합될 부품의 표면 및/또는 기판 표면을 납땜가능 표면이 되도록 제조하는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판 또는 실리콘 리드의 경우, 결합 표면은 연마(polishing), 세척(cleaning), 및 스터퍼링(sputtering), CVD 또는 도금 기술을 이용한 금속화(metallization)에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 유리, 세라믹 또는 폴리머로 형성된 광학 부품의 경우, 결합 표면은 연마, 세척, 및 예비처리 용액 또는 증착 물질의 적용에 의해 제조될 수 있다. 전자 부품은 전형적으로 남땜성 마감재, 예를 들어 무전해 니켈 침지 금(ENIG)로 만들어진다.
솔더 페이스트는 기판과 결합될 부품을 서로 접촉시키기 전에 기판 및/또는 결합될 부품에 적용될 수 있다. 예를 들어, 광섬유(10)를 적소에 결합하기 위해, 솔더 페이스트는 필렛(fillet)으로서 V-형 홈에 또는 V-형 홈의 길이 방향을 따라 선택된 위치에 및/또는 섬유에 적용될 수 있다. 광전자 부품(14)은 패드(12) 위에 및/또는 디바이스에 솔더 페이스트를 층으로서 적용함으로써 적소에 결합될 수 있다. 마지막으로, 리드(16)는 리드와 기판의 접촉 지점에 기판의 둘레를 따라 그리고 광섬유(10) 위에 링-형태로 솔더 페이스트(18)를 적용함으로써 기판(4)상에 위치하도록 결합될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 솔더는 기판에 닿게 되는 리드(16)의 표면에 적용될 수 있다. 솔더 페이스트를 가열, 용융 및 재고화하면, 용접밀폐될 수 있다. 대안적으로, 솔더 페이스트는 기판과 부품 또는 리드를 서로 접촉시키기 전에 이들에 적용될 수 있다. 솔더 페이스트는 예를 들어 스크린 인쇄(screen printing), 닥터 블레이딩(doctor blading), 스프레이 코팅(spray coating), 시린지와 같은 노즐을 통한 분배(dispensing), 또는 당업계에 공지된 다양한 기술에 의해 적용될 수 있다. 사용되는 솔더 페이스트의 양 및 두께는 예를 들어 관련된 부품과 기판의 기하구조 및 특정의 솔더 페이스트에 따라 좌우되지만, 솔더 페이스트는 전형적으로 2 내지 400 ㎛의 두께로 코팅된다. 일부 부품을 결합하는 경우, 2 내지 50 ㎛와 같은 비교적 얇은 코팅 또는 100 내지 400 ㎛와 같은 비교적 두꺼운 코팅을 사용할 수도 있다.
이어, 기판을 가열하여 솔더 페이스트를 용융시킨다. 가열은 예를 들어 리플로우 오븐(reflow oven)에서 솔더 페이스트가 녹는 온도로 수행될 수 있다. 적합한 가열 기술이 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들어 적외선 직접 레이저 가열, 전도 및 대류 기술, 및 이들의 조합이 포함된다. 가열 처리 단계는 불활성 대기중에서, 환원 대기중에서 또는 공기중에서 수행될 수 있고, 특정의 처리 온도 및 시간은 솔더 페이스트의 특정 조성 및 솔더 페이스트중의 금속 입자의 사이즈에 따라 달라진다. 고화된 물질의 고상선 온도가 출발 솔더 페이스트보다 높기 때문에, 용융물의 재고화시, 부품과 기판 사이에 결합이 형성된다.
이후의 예언적 실시예는 본 발명을 추가로 설명하기 위해 의도된 것이지, 본 발명의 범위를 어떤 측면으로 제한하고자 의도된 것이 아니다.
실시예 1-11
본 발명에 따라 나노입자의 솔더 페이스트를 다음과 같이 제조하였다. 0.92 g의 벤조산 및 20 ㎖의 디에틸 에테르로부터 0.25 M 벤조산 용액을 제조하였다. 솔더 합금 나노입자 86 g을 이 용액에 가하고, 때때로 교반하면서 한 시간동안 침지하였다. 분말 슬러리를 세정하고 건조시켰다. 로진 50 중량%, 글리콜 용매 41 중량%, 숙신산 4 중량% 및 캐스터 오일 5 중량%로부터 로진-기제 융제(flux)를 제조하였다. 이 융제를 금속 입자에 첨가하여 표 1에 나타낸 바와 같이 88 중량%의 금속을 함유하는 페이스트를 형성하였다. 생성된 솔더 페이스트를 사용하여 아래 설명한 바와 같이 전자 디바이스상에 솔더부를 형성하였다.
도 1에 도시한 실리콘 옵티컬 벤치 및 부품을 제공하였다. 스크린 인쇄 기술을 사용하여 리드에 솔더 페이스트를 적용하고, 이 리드를 실리콘 옵티컬 벤치와 접촉시켰다. 솔더 페이스트를 표 1에 나타낸 예상 고상선 온도(Tsol)로 가열하여, 솔더를 용융시켰다. 솔더를 재고화시킴으로써 기판 표면에 리드를 결합시켰다. Tsol과 용융 및 고화후 솔더 페이스트의 예상 고상선 온도의 차(Tsol-Tbulk)도 표 1에 나타내었다. 알 수 있는 바와 같이, 주어진 물질을 나노입자 솔더 페이스트로 사용함으로써 예상 고상선 온도의 유의적인 감소가 달성될 수 있었다. 또한, 이와 같은 감소의 확대는 금속 입자 사이즈의 조정에 의해 조절될 수 있다.
실시예 12-21
본 발명에 따라 융제를 함유하지 않는 나노입자의 솔더 페이스트를 다음과 같이 제조하였다. 0.36 g의 폴리아크릴산 및 20 ㎖의 에탄올로부터 저분자량 폴리아크릴산을 함유하는 용액을 제조하엿다. 솔더 합금 나노입자 20 g을 이 용액에 가하고, 때때로 교반하면서 한 시간동안 침지하였다. 분말 슬러리를 세정하고 건조시켰다. 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트 또는 메탄올과 같은 용매 15부와 금속 85 중량부를 혼합하여 표 2에 나타낸 바와 같은 솔더 페이스트를 형성하였다. 생성된 솔더 페이스트를 사용하여 아래 설명한 바와 같이 전자 디바이스상에 솔더부를 형성하였다.
도 1에 도시한 실리콘 옵티컬 벤치 및 부품을 제공하였다. 광섬유를 실리콘 옵티컬 벤치에 만들어진 V-형 홈에 배치하고, 기계적 홀더(holder)를 사용하여 그 위치에 고정시켰다. 솔더 페이스트를 광섬유에 노즐을 통해 분배하여 적용하였다. 솔더 페이스트를 표 2에 나타낸 예상 고상선 온도(Tsol)로 가열하여, 솔더를 용융시켰다. 솔더를 재고화시켜 광섬유를 실리콘 옵티컬 벤치에 결합시킨 다음 기계적 홀더를 제거하였다. Tsol과 용융 및 고화후 솔더 페이스트의 예상 고상선 온도의 차(Tsol-Tbulk)도 표 2에 나타내었다. 알 수 있는 바와 같이, 주어진 물질을 나노입자 솔더 페이스트로 사용함으로써 예상 고상선 온도의 유의적인 감소가 달성될 수 있었다. 또한, 이와 같은 감소의 확대는 금속 입자 사이즈의 조정에 의해 조절될 수 있다.
본 발명을 그의 특정 구체예에 관해 보다 상세히 설명하지만, 청구범위에 벗어남이 없이 다양하게 변경 및 변형될 수 있고 등가물이 사용될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명은 다음의 도면을 참조로 하여 논의될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 전자 디바이스를 나타낸다.

Claims (10)

  1. (a) 기판, 및 전자 부품, 광학 부품, 디바이스 리드(lid) 및 이들의 조합중에서 선택되며 기판에 결합되는 부품을 제공하고;
    (b) 캐리어 비히클(carrier vehicle), 및 금속 입자를 함유한 금속 성분을 포함하는 솔더 페이스트(solder paste)를 기판 및/또는 부품에 적용한 다음;
    (c) 기판과 부품을 서로 접촉시키는 것을 포함하며;
    솔더 페이스트가 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화(re-solidificaiton)후 얻어지는 고상선 온도(solidus temperature)보다 더 낮은 고상선 온도를 가진 전자 디바이스를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 입자중 50% 이상이 50 ㎚ 이하의 직경을 가지는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 금속 및/또는 금속-합금 입자의 평균 직경이 30 ㎚ 이하인 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 솔더 페이스트의 고상선 온도가 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도보다 3 ℃ 이상 낮은 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 전자 디바이스가 용접밀폐되고(hermetically sealed), 부품이 디바이스 리드인 방법.
  6. 기판;
    기판 표면위에 위치하며, 전자 부품, 광학 부품, 디바이스 리드 및 이들의 조합중에서 선택되는 부품; 및
    기판 및 부품과 접촉하고 있으며, 캐리어 비히클 및 금속 입자를 함유한 금속 부분을 함유하는 솔더 페이스트를 포함하며,
    솔더 페이스트가 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도보다 더 낮은 고상선 온도를 가진 전자 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서, 금속 및/또는 금속-합금 입자의 평균 직경이 30 ㎚ 이하인 전자 디바이스.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 솔더 페이스트가 무융제(fluxless) 솔더 페이스트인 전자 디바이스.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 솔더 페이스트의 고상선 온도가 솔더 페이스트의 용융 및 용융물의 재고화후 얻어지는 고상선 온도보다 3 ℃ 이상 낮은 전자 디바이스.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 전자 디바이스가 용접밀폐되고, 부품이 디바이스 리드이며, 기판 및 리드가 단결정 실리콘으로 형성되는 전자 디바이스.
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