KR20080001917A - 무납 스포트-용접용 전극 페이스트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

Ag를 주성분으로하여 산화납에 의한 환경오염을 방지하고 저온용접으로 설비투자를 감소시킬 수 있으며 따라서 친환경적이면서도 경제적인 무납 스포트-용접용 페이스트와 그 제조방법이 개시된다.

본 발명에 의하면 Ag분말 65 ~ 75%, 글라스프리트 3 ~ 10%, 그리고 용제가 포함된 유기 바인더 7 ~ 75%를 함유하는 전극페이스트를 400℃에서 60분간 한열처리한후 850℃에서 100분간 다시 열처리하여 제공함으로서 본 발명의 목적이 달성된다.

Description

무납 스포트-용접용 전극 페이스트 및 그 제조방법{An electrode paste for lead free spot-welding and a method of thereof}

도1a는 본 발명에 의한 페이스트의 XRD분석 그래프

도1b는 본 발명에 의한 페이스트의 EDS분석 그래프

도2a 내지 2f는 본 발명에 사용된 Ag분말 및 본 발명에 의한 페이스트의 SEM사진

도3a 내지 3e는 본 발명에 의한 페이스트의 광학 현미경 사진

도4a는 종래 페이스트의 TA-DTA 결과 그래프

도4b는 본 발명의 페이스트의 TA-DTA 결과 그래프

도5a는 세라믹 기판 상에 본 발명의 페이스트를 도포한 사진

도5b는 페라이트 기판 상에 본 발명의 페이스트를 도포한 사진

도6은 본 발명에 의한 5종류의 페이스트 사진

본 발명은 전극 페이스트(paste) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 납 성분을 함유하지 않는, 무납 스포트 용접용 전극 페이스트와 그 제조방 법에 관한 것이다.

일반적으로 페이스트란 금속분말, 글라스 프리트(glass frit), 안료 등의 무기 분말을 비히클(vehicle)이라는 유기 바인더에 고루 분산시킨 고점도의 물질로서, 전도성 페이스트는 유전체 또는 절연체 기판 상에 전극을 형성 시키기 위한 것으로서 전자부품에 사용되는 페이스트는 크게 도체 페이스트와 저항 페이스트로 분류할 수 있고, 전도성 페이스트의 구성요소에서 금속분말은 도전성분으로, 글라스 프리트는 금속분말과 기판과의 접합용으로, 유기바인더는 인쇄능, 점성 및 인쇄형상유지성분 등으로 사용되며, 여기에 납땜(Soldering)향상, 소결보조 및 점성거동특성을 위하여 별도의 유기나 무기첨가제로 분산제, 소포제, B₂O₃, CuO, Ni₂O 등을 첨가하기도 한다.

종래의 상기와 같은 일반적인 전도성 페이스트에서는 용접성 향상을 위해 납(Pb)을 사용하는 경향이 있어 왔다. 그러나 환경규제가 범세계적으로 시행됨에 따라 유럽과 일본을 필두로 모든 전자제품에 납을 사용하지 않으려는 움직임이 강하게 일고 있으며, 또한 납을 함유하지 않는 전극재료의 고기능화에 중요한 역할을 하는 원재료인 산화납(PbO)은 폐기처리 시 환경오염의 문제가 된다는 점에서 그 사용이 규제의 대상이 되고 있다.

따라서 전극재료업계와 부품생산업계에서는 무납(Pb-free) 전극재료의 개발과 이를 만들 수 있는 방법이 필요하게 되었다.

이들과 관련하여 대한민국 특허공고 제 1994-4761 호에서는 전도성 금속입자 로 Ag, Au, Pd, Pt 또는 Cu를 사용하는 전도성 페이스트의 제조방법을 공개하고 있으나 용제를 전도성 금속입자 등의 혼합물에 첨가하여 점도를 낮춘 후 용제가 완전히 휘발할 때까지 혼합하는 방법이나 용제 휘발 여부를 일일이 확인해야 하는 등 문제점이 있고, 결합제로 PbO 함유물질을 사용하고 있어서 납 사용에 따른 문제점을 안고 있으며, 또 다른 대한민국 공개특허 제 2004-72809 호에서는 미세 전극 형성용 고점도 Ag 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 미세 전극에 대하여 공개하고 있으나 무기질계 바인더를 필수로 첨가해야만 하는 등의 함유성분 등에 있어서 바람직하지 못한 것이 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 Ag를 주성분으로 하여 산화납에 의한 환경오염을 방지하고 저온 용접으로 설비투자를 감소시킬 수 있으며 따라서 친환경적이면서도 경제적인 무납 스포트-용접용 전극 페이스트와 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

Ag분말 65~75%, 글라스 프리트 3~10%, 그리고 용제가 포함된 유기 바인더 7~20%를 포함하는 무납 스포트-용접용 전극 페이스트를 제공한다. 본 발명에서의 %는 중량 %를 의미한다.

본 발명은 또한 상기와 같은 함량의 성분들을 혼합한 후 중간 열처리한 후

최종 열처리하여 구성되는 무납 스포트 용접용 전극 페이스트제조방법을 제공한다.

이하에서는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서는 먼저, 도전성분으로의 금속분말로는 Ag분말을 사용하는데 평균입자크기는 1㎛정도인 것이 바람직하고 Ag의 순도는 99.9정도의 것이 바람직하다. Ag의 함량은 65~75% 범위가 바람직한데, Ag의 함량이 65%이하가 되면 페이스트로서의 성질을 잃게 되고 75%이상이 되면 접착력이 현저히 낮게 되므로 상기와 같은 범위로 정하고, 가장바람직한 함량은 70%이다.

또한 본 발명에서 Ag와 기판과의 접합을 위해 사용하는 글라스 프리트로는 일본국 아사히 글라스사제품인 ASF-1131(평균입자크기 3.3㎛; 범위 2.9~3.7㎛; 주성분 : B₂O₃ · ZnO · Bi₂O₃), ASF-1780(평균입자크기 3.3㎛; 범위 2.8~3.3㎛; 주성분 : SiO₂ · B₂O₃ · RO), ASF-1939(평균입자크기 : 1.3㎛; 범위 : 0.9~3.3㎛ 주성분 : SiO₂ · B₂O₃ · RO)중에서 하나이상을 선택하여 사용한다.

상기와 같은 글라스 프리트는 3~10%함량으로 혼합하는데 글라스 프리트의 함량이 3%이하가 되면 접착력이 너무 낮아 Ag와 기판이 접합되지 않는 등의 문제점이 발생하고, 10%이상이 되면 유리성분이 다량함유하게 되어 페이스트가 도체 역할을 하지 못하고 절연체가 되므로 10%이상 첨가하면 바람직하지 못하게 된다. 가장 바람직한 양은 5%이다.

본 발명에서는 일본국의 특정사 제품을 글라스 프리트로 사용하였지만 상기제품의 성분과 입자크기를 갖는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 된다. 또한, 본 발명에서는 B₂O₃등의 성분이 함유된 글라스 프리트를 사용함으로써 소결보조나 납땜 능향상 또는 도금성향상을 위한 별도의 무기첨가제를 사용하지 않아도 된다.

또한, 본 발명에서 사용하는 유기바인더는 용제로서의 BCA (Butyl Carbitol Acetalo) 약80%와 ECT200(상표명) 약10%와 ECN4(상표명) 약10%가 함유된 것을 사용한다. 여기에서의 유기바인더는 타성분을 페이스트화 시키는 용제 역할과 접착력을 증대시키기 위한 것이므로 7%이하가 되면 페이스트보다는 더욱 단단한 것이 됨은 물론 접착력의 저하를 가져오고 20%이상이 되면 너무 묽게 되어 페이스트화를 얻기 어렵고 접착력에도 문제가 생기게 되므로 7~20%로 함이 좋고, 가장 바람직하게는 전체 페이스트 중 유기바인더가 18%, 용매인 BCA가 7%일 때 이다.

이하에서는 본 발명의 무납 스포트-용접용 전극페이스트의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 전극페이스트제조는 상기와 같은 성분인 Ag분말, 글라스 프리트, 용제가 함유된 유기 바인더를 혼합하여 제조하게 되는데, 먼저 Ag분말 65~75%, 글라스 플리트 3~10% 그리고 용제가 함유된 유기바인더 7~20%를 혼합하는데, 여기서 유기바인더는 상기의 BCA80%, ETC200 10%, ECN4 10%를 80℃에서 교반한 것을 사용한다.

상기와 같은 혼합된 혼합물은 약 400℃에서 60분간 1차 열처리를 행한다. 이 1차 열처리 시 용액상태인 유기바인더와 여기에 포함된 용제인 BCA는 휘발되어 없어지게 된다. 그다음 온도를 약850℃로 하여 120분간 2차 열처리를 행하는데 이때 금속분말과 글라스 프리트는 소성된 상태로 기판에 남게 된다.

여기서, 본 발명에서의 열처리를 2단계에 걸쳐 행하는 이유는 1차 열처리를 하지 않고 바로 고온으로 급격히 가열하면 성분들이 파열될 수 있어서 조직변화에 따른 물성이 변할 수 있기 때문에 상대적으로 낮은 온도에서 1차 열처리를 함으로서 함유성분 중 유기물인 휘발성분등은 휘발시키고 각 성분들의 물성이 변하는 것을 막기 위함이며, 최종열처리인 2차열처리의 온도를 약 850℃로 하는 이유는 페이스트가 기판위에서 도체를 띠면서 용접될 수 있게 하기 위함인데 850℃이상의 더 높은 고온에서는 기판자체가 용해될 우려가 있으므로 상기온도에서 약 120분간 행함이 가장바람직하다.

즉, Ag페이스트는 PCB기판의 용접 및 전극재료로 사용되므로 850℃이상의 고안에서는 PCB기판의 결함 및 손상이 발생되는 것을 막기 위함이다.

또한 최종열처리온도는 Agvpdltmxm의 성분변화에 영향을 미치지 않고 낮은 저항값을 보인 온도를 실험을 통해 120분이 최적임을 알게 되어 그 시간으로 한다.

즉, Ag페이스트에 수지 및 용제가 남아 있을 경우 페이스트의 저항을 높인다거나 절연체 역할, PCB기판과의 용접시 완전한 접합이 불가능하기 때문에 이들을 만족시키는 온도 및 시간을 위와 같이 정한다.

상기와 같은 방법으로 글라스 프리트의 혼합비율을 표 1과 같이 하여 페이스트를 제조하였다.

[표 1]

프리트 페이스트	ASF1131	ASF1780	ASF1939
1	100%
2		100%
3			100%
4	70%	30%
5	70%		30%

상기 표 1과 같이 글라스 프리트를 첨가하여 제조된 페이스트의 입도표면 및 표면분석을 위해 광학현미경과 주사전자 현미경(SEM)을 사용하였고 EDS 분석을 통해 페이스트의 정성 · 정량분석을 하였다.

또한, 테스터기를 이용해 페이스트의 저항을 측정하였고, 페이스트의 상분석 및 열처리조건을 확인하기 위해 XRD와 TG-DTA를 측정하였으며, 접착력 시험은 바인딩 테스트(Binding Test)로 하였다.

도 1a 및 1b는 상기 종류별 글라스 프리트 첨가에 따른 상변환 및 성분 분석을 각각 XRD 및 EDS 분석을 통해 나타낸 그래프로서, 도 1a에서 볼 수 있는 바와 같이 Ag상의 피크(peak)가 잘 나타나 있음을 확인할 수 있었고, 도 1b에서와 같이 종래의 Ag 페이스트 분말성분인 Ag의 유기 바인더 및 글라스 프리트 성분인 Mg, Pb 성분이 검출되는 것을 볼 수 있었다.

도 2a 내지 도 2f는 Ag 분말 및 페이스트의 SEM 사진이고 도 3a 내지 도 3e는 광학현미경 사진으로서 ⓐ는 Ag 분말을 나타내고 ⓑ~ⓕ는 Ag 페이스트의 표면을 나타낸다. 상기 도면 사진들에서 확인할 수 있듯이 입자의 평균크기는 50~190nm로 구형형태를 보내 주었고, 또한 850℃에서 2시간 열처리한 페이스트의 표면은 입자가 조밀구조를 이루고 있음을 도면을 통해서 알 수 있었다.

도 4a는 종래 제품인 페이스트에 대한 TG-DTA 분석 결과 그래프이고, 도 4b는 본 발명에 의해 제조된 페이스트에 대한 TG-DTA 분석결과 그래프이다.

도 4a 및 4b에서 확인할 수 있듯이 종래제품 페이스트는 80~110℃에서 첫 번째 중량감소가 있었고 280~290℃에서 두 번째 중량감소가 있었음을 알 수 있었다. 본 발명에 의한 페이스트 역시 120~150℃에서 첫 번째 중량감소와 260~290℃에서 두 번째 중량감소 현상을 보여줌으로서 본 발명에 의한 페이스트가 종래의 페이스트를 대처할 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 5a 및 도 5b는 스폿-용접저항(spot-welding, resistance)을 측정하기 위해 850℃에서 120분간 열처리한 시편들로서, 도 5a는 전자부품소자인 세라믹기판위에 스폿-용접 시험을 하기 위해 Ag 페이스트를 도포한 사진이고 도 5b는 페라이트(ferrite) 기판 위에 Ag 페이스트를 도포한 후 열처리한 사진이다. 도 5a 및 도 5b의 전자부품소자를 Au 도금 후 스폿-용접 시험을 하였다.

본 발명에 의한 5종류의 Ag 페이스트를 850℃에서 120분 열처리한 후 측정한 면 저항 값은 종래의 것을 포함해 모두 0.2Ω을 나타내 본 발명에 의한 것들도 역시 종래 것과 저항값이 동일하여 종래 것을 대체할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 5종류의 페이스트 사진이고 페이스트 제조시 Ag 분말 70%, 글라스 프리트 5%, 유기바인더 18%, 그리고 BCA 7%일 때 가장 우수한 점도를 나타내었다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하여 납성분이 없는 재료들로 환경오염이 없는 페이스트를 제공할 수 있음을 알 수 있고 Ag의 입자크기가 작은 분말을 사용함으로써 상대적으로 낮은 850℃ 이하에서 사용할 수 있고, 종래의 것과 동일한 저항 값을 나타내 종래 제품을 대체할 수 있는 것으로 판단되었으며, 분말의 형태를 침상으로 제조하거나 표면적을 증가시킨다면 열처리 온도인 소결온도를 800℃ 이하로 감소시킬 수 있고, 전기 전도도를 감소시켜 특성이 우수한 전극재료용 페이스트를 제조할 수 있음을 기대할 수도 있게 되었다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 평균입자 크기가 1㎛인 Ag 분말 65~75%, 주성분이 B₂O₃ · ZnO₂ · Bi₂O₃, SiO₂ · B₂O₃ · RO인 것에서 선택된 1종 이상의 글라스 프리트 3~10%, 그리고 용제가 포함된 유기바인더 7~20%를 함유함을 특징으로 하는 무납 스포트-용접용 전극 페이스트.
2. 제 1항에 있어서, 유기바인더는 용제로서의 BCA 80%와, ECT 200 10% 그리고 ECN4 10%가 포함된 것임을 특징으로 하는 무납 스포트용접용 전극 페이스트.
3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항의 무납 스포트-용접용 전극 페이스트의 제조방법에 있어서, Ag 분말 65~75%와, 글라스 프리트 3~10%, 그리고 용제가 포함된 유기바인더 7~20%를 혼합한 후, 400℃에서 60분간 열처리한 후, 850℃에서 120분간 다시 열처리 하는 것임을 특징으로 하는 무납 스포트-용접용 전극페이스트의 제조방법.

Images