KR20100025486A - 무압력 저온소결 공정을 위한 금속 페이스트의 다공성을 조절하는 방법 - Google Patents

무압력 저온소결 공정을 위한 금속 페이스트의 다공성을 조절하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면 구조 성분의 접촉면 사이에, 기계적 및 열 응력 변동에 영구적으로 견디도록 충분히 탄성을 띠는 지극히 치밀한 층들을 생성시킬 수 있다. 이러한 치밀층 형성은 상응하는 접촉 영역의 다공성이 조절됨으로써 달성된다. 이러한 목적을 위하여, 70 내지 90 중량%의 금속 분말, 1 내지 20 중량%의 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 5 내지 20 중량%의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 함유하고, 금속접점을 형성하도록 발열적으로 압축가능한 금속 페이스트가 제공된다.
Figure P1020090079144
무압력 저온소결, 다공성, 발열 압축, 금속 페이스트, 흡열 분해, 금속접점

Description

무압력 저온소결 공정을 위한 금속 페이스트의 다공성을 조절하는 방법{CONTROL OF THE POROSITY OF METAL PASTES FOR THE PRESSURE-FREE LOW TEMPERATURE SINTERING PROCESS}
본 발명은 압력과 온도에 민감한 LED 또는 초박형 실리콘 칩과 같은 소자를 사용하는 접합 기술(joining technology)에 관한 것이다.
압력과 온도에 민감한 부품들을 결합시키기 위해서는, 접촉 영역은 열 전도성 또는 전기 전도성 면에서 부적합하다.
200바를 초과할 수 있는 고압이 적용되기 때문에 종래의 저온소결은 사용될 수 없다. 또한, 생산 수행 모듈(producing performance module)의 처리율이 프레스의 크기에 의해 결정될 것이고, 실질적인 소결에 앞서 건조 단계가 수행되어야 할 것이기 때문에 과도한 노력이 수반될 지도 모른다.
아직 공개되지 않은 DE 10 2007 046 901에 따르면, 전기적으로 및 열적으로 고도로 전도성을 띠는 연결층이 고성능 전자기기용으로 실장될 수 있다. 다공질층은 낮은 처리 압력에서 형성된다.
본 발명의 목적은 접촉면 사이에, 기계적 및 열 응력 변동에 영구적으로 견디고, 압축(compaction) 내내 온도와 처리 압력을 유지하도록 충분히 탄성을 띠는 지극히 견고한 층들을 생성시키는 것으로 이루어진다.
이러한 층 형성은 상응하는 접촉 영역의 다공성이 조절됨으로써 달성된다. 플레이크 또는 분말, 특히 은 또는 동을 기반으로 한 것들을 사용하여 부피의 대략 83%를 채울 수 있으며, 즉, 대략 17%의 다공성이 남는다. 최대 접촉 강도를 위한 최적의 다공성은 연결될 구조 요소의 재질과 적용 조건에 좌우된다. 본 발명에 따르면, 접촉 영역의 다공성은 증감시킬 수 있다. 그러나, 바람직하게는 접촉 영역의 다공성은 감소된다. 본 발명에 따른 공정에 의해, 접촉 영역의 다공성 감소를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 아울러 다공성이 균일하게 낮도록 보장된다.
접촉 영역의 다공성을 조절하기 위하여, 금속 페이스트, 특히 은 또는 동 페이스트가 접촉면 사이에 발열적으로 압축된다. 금속 페이스트의 이러한 압축은 바람직하게는, 사용된 금속 페이스트의 금속 입자간 틈새의 폐쇄를 초래하는 현장에서(in situ) 생성된 금속에 의해 저온소결 공정의 일부로서 일어난다. 현장 금속 생성은 금속 페이스트에 함유된 금속 화합물의 분해에 의해 일어난다. 금속 페이스트의 압축을 가능한 한 높게 달성하기 위하여, 발열 압축 공정이 연장된다. 이러한 연장은 비등 영역이 220℃ 이상인 유기 용매로 달성된다. 이러한 연장의 결과로, 현장에서 형성된 금속은 금속 입자간 틈새를 메우기 위한 더 많은 시간을 갖는다. 이러한 방법으로, 다공성 면에서 발열적으로 압축된 시스템으로부터 200바에서 생성된 은층과 매우 유사한 고도로 치밀한 연결층(접촉 영역)이 매우 낮은 처리 압력에서 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 목적에 대한 해결책이 독립항의 특징들에 의해 제공된다. 종속항은 바람직한 양태를 기술한다.
본 발명은 접촉면 사이에, 기계적 및 열 응력 변동에 영구적으로 견디고, 압축(compaction) 내내 온도와 처리 압력을 유지하도록 충분히 탄성을 띠는 지극히 견고한 층들을 생성시키는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 의해, 금속 페이스트의 중량을 기준으로 70 내지 90 중량%의 금속 분말, 1 내지 20 중량%의 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 5 내지 20 중량%의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 함유하고, 금속접점을 형성하도록 발열적으로 압축가능한 금속 페이스트가 제공된다.
바람직하게는, 금속 페이스트의 중량을 기준으로, 72 내지 88 중량%, 더욱 바람직하게는 75 내지 85 중량%, 한층 더 바람직하게는 77 내지 85 중량%의 금속 분말이 금속 페이스트에 함유된다.
흡열적으로 분해가능한 금속 화합물의 비율은 금속 페이스트의 중량을 기준으로, 바람직하게는 3 내지 18 중량%, 더욱 바람직하게는 4 내지 15 중량%, 한층 더 바람직하게는 5 내지 10 중량%이다.
비등 영역이 220℃ 이상인 용매는 금속 페이스트의 중량을 기준으로, 본 발명에 따른 금속 페이스트에 바람직하게는 9 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 중량%, 한층 더 바람직하게는 11 내지 20 중량%, 예를 들면 12 내지 20 중량% 또는 14 내지 20 중량%의 양으로 존재한다.
금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매와는 별도로, 필요에 따라 금속 페이스트에는 추가적인 성분이 존재할 수 있다. 예를 들면, 220℃ 이하의 비등 영역을 갖는 용매와 같은 추가적인 용매가 금속 페이스트에 존재할 경우 바람직할 수 있다. 이러한 목적에 적합한 것들로는 예를 들면, 테르핀올, N-메틸-2-피롤리돈, 에틸렌 글리콜, 디메틸 아세트아미드 또는 비-분기형 또는 분기형 C5-C9 알콜이 있다. 이들 추가적인 성분은 금속 페이스트를 기준으로, 예를 들면 0 내지 25 중량%의 양으로 금속 페이스트에 함유될 수 있다. 그러나, 금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매와는 별도로 추가적인 성분이 금속 페이스트에 함유되는 가능성은 배제될 수도 있다. 특히, 금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매와는 별도로 추가적인 용매가 금속 페이스트에 함유되는 가능성은 배제될 수 있다.
본 발명의 구성 안에서, 원칙적으로는 어떤 금속 분말이라도 금속 분말로 적합하다. 금속 페이스트의 성분으로 기재된 용어 "금속 분말(metal powder)"은 본 발명에 따르면, 상이한 종류의 금속 분말의 혼합물, 예를 들면 조성이 상이한 금속 분말의 혼합물도 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 사용되는 금속 분말은 바람직하게는, 적어도 1종의 금속을 예를 들면 원소 형태 및/또는 적어도 1종의 금속 합금 형태로 나타내는 입자를 함유한다. 금속 분말의 입자는 적어도 80 중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 90 중량%, 한층 더 바람직하게는 적어도 95 중량%, 예를 들면 적어도 99 중량% 또는 100 중량%의 금속 및/또는 금속 화합물을 나타내는 것이 바람직할 수 있다.
사용된 금속 분말의 입자는 예를 들면 동, 은, 금, 니켈, 팔라듐, 백금 및 알루미늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 1종의 금속을 나타낼 수 있다.
사용된 금속 분말의 입자는 금속 대신에 또는 금속 외에도, 적어도 1종의 금속 합금을 나타낼 수 있다. 합금은 예를 들면, 동 또는 귀금속 화합물일 수 있다. 바람직하게는, 합금은 경질 땜납에 통용되는 합금이다. 바람직하게는, 합금은 동, 은, 금, 니켈, 팔라듐, 백금 및 알루미늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 두 종의 금속을 함유한다. 동, 은, 금, 니켈, 팔라듐, 백금 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소의 합금내 비율은 적어도 90 중량%, 바람직하게는 적어도 95 중량%, 예를 들면 100 중량%의 양에 이르는 것이 바람직할 수 있다. 합금은 예를 들면, Cu/Ag, Cu/Ag/Au, Cu/Au, Ag/Au, Ag/Pd, Pt/Pd 또는 Ni/Pd 합금일 수 있다. 0.1 내지 10 ㎛, 바람직하게는 0.3 내지 3 ㎛ 영역의 치수를 갖는 플레이크의 금속 분말 또는 입자의 금속 분말이 본 발명의 구성 안에서 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.
기본적으로, 어떠한 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물이라도 본 발명에 따라 사용될 수 있는 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물로 적합한 것으로 고려될 수 있다. 금속 페이스트의 성분으로 기재되는 용어 "흡열적으로 분해가능한 금속 화합물(endothermically decomposable metal compound)"은 본 발명에 따르면, 상이한 종류의 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물의 혼합물, 예를 들면 조성이 상이한 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물의 혼합물도 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물이란 열분해가 바람직하게는 보호 가스 분위기하에서 흡열 과정을 나타내는 금속 화합물인 것으로 이해되어야 한다. 이러한 열분해 동안, 금속 화합물로부터 금속의 유리가 일어나야 한다. 바람직한 양태에 따르면, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물은 금속 분말에 또한 함유되는 금속을 나타낸다. 바람직하게는, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물은 금속으로서 동, 은, 금, 니켈, 팔라듐 또는 백금을 나타낸다. 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물로는, 전술한 금속의 흡열적으로 분해가능한 카보네이트, 락테이트, 포메이트, 시트레이트, 옥사이드 또는 지방산 염(예를 들면, C6-C24 지방산과의 염)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물의 예로는 탄산은, 은 락테이트, 은 포메이트, 은 시트레이트, 산화은(예를 들면 Ag2O), 동 락테이트, 동 스테아레이트, 산화동(예를 들면, Cu2O 또는 CuO) 또는 산화금(예를 들면, Au2O 또는 AuO)이 언급될 수 있다. 금속 페이스트에 함유된 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물은 바람직하게는 400℃ 이하, 더욱 바람직하게는 350℃ 이하, 한층 더 바람직하게는 300℃ 이하의 분해 온도를 갖는다. 0.1 내지 10 ㎛, 바람직하게는 0.3 내지 3 ㎛ 영역의 치수를 갖는 입자의 플레이크나 분말이 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따르면, 비등 영역이 220℃ 이상인 용매가 금속 페이스트에 함유된다. 바람직하게는, 이러한 용매는 250℃ 이상의 비등 영역을 갖는다. 바람직한 양태에 따르면, 금속 페이스트에 함유되는 비등 영역이 220℃ 이상인 용매는 비등 영역이 220℃ 이상인 흡열적으로 제거가능한 용매이다. 본 발명에 따르면, 흡열적으로 제거가능한 용매란 바람직하게는 금속 페이스트로부터의 제거가 흡열 과정을 나타내는 용매인 것으로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 예를 들면 용매가 소결 공정 동안 본원 기재의 금속 페이스트에 의해 완전히 반응되지 않고, 이에 따라 반응을 겪지 않고 금속 페이스트로부터 탈출할 수 있게 되는 경우에도 마찬가지이다. 본 발명의 구성 안에서, 용어 "비등 영역이 220℃ 이상인 용매"는 비등 영역이 220℃ 이상인 상이한 종류의 용매들의 혼합물도 포함한다. 비등 영역이 220℃ 이상인 용매는 예를 들면, 1-트리데칸올, 2-트리데칸올, 3-트리데칸올, 4-트리데칸올, 5-트리데칸올, 6-트리데칸올, 이소트리데칸올, 이염기성 에스테르(예를 들면, 글루타르산, 아디프산 또는 숙신산의 디메틸 에스테르 또는 이들의 혼합물), 글리세린, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 페이스트는 금속접점을 형성하도록 발열적으로 압축가능하다. 금속접점을 형성하기 위한 금속 페이스트의 압축이 그 자체를 발열과정으로 제시하는 경우에도 마찬가지이다.
바람직한 양태에 따르면, 본 발명에 따른 금속 페이스트는 산소공급 없이 발열적으로 압축되어 금속접점을 형성할 수 있다. "산소공급 없이"란 본 발명에 따르면, 압축이 무산소 분위기에서 일어남을 의미한다. 본 발명에 따르면, 무산소 분위기란 산소 함량이 1% 이하인 분위기를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 금속 페이스트는 적어도 50 용량%의 고형분 함량을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 금속 페이스트는 현탁액 형태로도 존재할 수 있다. 이 경우에, 금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매와는 별도로, 추가적인 용매가 금속 페이스트에 함유되어도 바람직할 수 있다. 추가적인 용매는 비등 영역이 220℃ 이하인 용매일 수 있다. 추가적인 용매의 비율은 이 경우에 바람직하게는 10 내지 50 중량%이다. 금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매의 중량 비율의 총량은 이 경우에 바람직하게는 50 내지 90 중량%이다. 현탁액 중의 금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매의 중량 비율의 총량, 예를 들면 50 내지 90 중량%를 기준으로, 현탁액은 70 내지 90 중량%의 본원 기재의 금속 분말, 1 내지 20 중량%의 본원 기재의 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 5 내지 20 중량%의 본원 기재의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 함유하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 현탁액 중의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매의 비율이 증가되어도 바람직할 수 있다. 이 경우에, 필요하다면, 비등 영역이 220℃ 이하인 용매의 사용을 생략할 수도 있다. 바람직한 양태에 따르면, 현탁액은 35 내지 81 중량%(바람직하게는 50 내지 70 중량%)의 금속 분말, 0.5 내지 18 중량%(바람직하게는 3 내지 15 중량%)의 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물, 2.5 내지 47 중량%(바람직하게는 5 내지 10 중량%)의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매 및 0 내지 50 중량%(바람직하게는 0 내지 20 중량%)의 추가적인 용매를 함유한다.
또한, 본 발명은 서로의 위에 배치된 접촉면이 본 발명에 따른 금속 페이스트 또는 본 발명에 따른 현탁액을 통해 상호 접촉되고, 금속 페이스트 또는 현탁액이 발열적으로 압축되는, 대향하여, 특히 서로의 위에 배치된 접촉면을 접합하는 방법을 추가적으로 제공한다.
중간체 금속 페이스트의 발열 압축에 의한 접촉면의 접합은 본 발명에 따르면 바람직하게는 저온소결 공정을 통해 일어난다.
접합시킬 접촉면은 바람직하게는 접합시킬 적어도 두 구조 요소의 일부이다.
따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 금속 페이스트 또는 본 발명에 따른 현탁액을 통해 상호 접촉되는 적어도 두 구조 요소를 연결하는 방법에 관한 것으로, 여기에서 금속 페이스트 또는 현탁액은 발열적으로 압축된다. 접합시킬 구조 요소는 서로의 위에 배열된다. 이러한 배열은 샌드위치 배열로도 알려져 있다. 특히, 연결될 구조 요소는 조인트 캐리어(joint carrier) 상에 나란히 배열되지 않아야 한다.
따라서, 서로의 위에, 바람직하게는 샌드위치 배열로 배치된 구조 요소를 연결하여 구조 성분을 형성하기 위한 본원 기재의 금속 페이스트의 용도 또한 본 발명의 구성 안에서 제공된다.
이하에서, 용어 "금속 페이스트"에는 좀더 양호한 판독성의 이유로 현탁액 또한 포함시키고자 한다.
연결될 구조 요소는 모듈 및/또는 기판일 수 있다.
바람직한 양태에 따르면, 적어도 두 모듈, 적어도 두 기판 또는 적어도 하나의 모듈과 적어도 하나의 기판이 본 발명에 따라 연결된다.
일례로, 모듈은 LED(발광 다이오드), 다이, 다이오드, IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터), IC(집적회로), 센서, 방열기(예를 들면, 알루미늄 방열기 또는 동 방열기) 또는 또 다른 수동 구조 요소(예를 들면, 레지스트, 콘덴서 또는 코일)일 수 있다.
기판은 리드 프레임, 세라믹 기판 또는 DCB(직접 동 결합된) 기판일 수 있다.
바람직한 양태 중에서, 본 발명은 LED와 리드 프레임의 연결, LED와 세라믹 기판의 연결, 다이, 다이오드, IGBT 및 IC 중에서 선택된 모듈과 리드 프레임, 세라믹 기판 또는 DCB 기판 중에서 선택된 기판의 연결, 센서와 리드 프레임 또는 세라믹 기판의 연결, DCB 또는 세라믹 기판과 동 또는 알루미늄 방열기의 연결 또는 리드 프레임과 방열기의 연결에 관한 것이다. 또한 바람직하게는, 샌드위치 구조의 개별 요소를 상호 연결하는 것도 가능하다. 일례로서, 그러한 샌드위치 구조는 (i) LED 또는 칩, (ii) 리드 프레임 및 (iii) 방열기를 포함하는 조립체를 나타낼 수 있고, 여기에서 리드 프레임은 바람직하게는 금속 페이스트를 통해 한편으로는 LED 또는 칩과 접촉하고, 다른 한편으로는 방열기와 접촉한다. 또한, 샌드위치 구조는 다이오드가 두 방열기 사이에 존재하고, 두 방열기 각각은 바람직하게는 금속 페이스트를 통해 다이오드의 또 다른 접촉면과 연결되는 구조를 포함할 수 있다.
접촉면은 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 금속 페이스트와 접촉 상태에 있는 구조 요소의 임의의 표면을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
접합시킬 구조 요소, 바람직하게는 모듈 및 기판의 개별 표면은 금속화층을 포함할 수 있다. 이러한 금속화층은 접촉면에 해당하거나 또는 금속화층의 표면에 이러한 접촉면을 함유할 수 있다.
바람직한 양태에 따르면, 금속화층은 동, 은, 금, 팔라듐 또는 백금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 나타낼 수 있다. 금속화층은 또한 이들 원소로 구성될 수 있다.
한편, 금속화층은 은, 금, 니켈, 팔라듐 및 백금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 두 종의 원소를 함유하는 합금을 나타낼 수 있다. 합금 중의 이들 원소의 비율은 바람직하게는 90 중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 95 중량%, 한층 더 바람직하게는 적어도 99 중량%, 예를 들면 100 중량%이다. 바람직하게는, 이러한 합금은 은, 팔라듐 및 백금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 두 종의 원소를 함유한다. 금속화층은 바람직하게는 상기 합금의 적어도 95 중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 99 중량%, 한층 더 바람직하게는 100 중량을 나타낼 수 있다.
금속화층은 또한 다층 구조를 나타낼 수 있다. 따라서, 접합시킬 구조 요소의 적어도 일 표면은 예를 들면 전술한 원소 및/또는 합금을 나타내는 수 개의 층을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직한 양태에 따르면, 구조 요소, 예를 들 면 DCB 기판의 적어도 일 표면은 니켈층이 도포되는 동층을 포함한다. 필요하다면, 금층이 니켈층 위에 다시 도포될 수 있다. 니켈층의 두께는 바람직하게는 1 내지 2 ㎛이고, 금층의 두께는 바람직하게는 0.05 내지 0.3 ㎛이다. 한편, 구조 요소의 표면은 은 또는 금층 및 그 위에 팔라듐 또는 백금층을 포함하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 추가의 바람직한 양태에 따르면, 개별 층은 전술한 원소 또는 합금과는 별도로, 유리를 또한 함유한다. 층들은 (i) 유리와 (ii) 원소 또는 합금의 혼합물을 나타내는 것이 또한 바람직할 수 있다.
이러한 맥락에서, 예를 들면, LED는 은의 금속화층이나 니켈과 금의 코팅, 은의 칩 금속화층이나 니켈과 금의 코팅, 동 또는 은의 리드 프레임 금속화층이나 니켈과 금의 코팅, 동 또는 은의 DCB 기판 금속화층이나 니켈과 금의 코팅, 은, 금, 팔라듐, 백금, 은-팔라듐 합금 또는 은-백금 합금의 세라믹 기판 금속화층 및 동 또는 은의 방열기 금속화층이나 니켈과 금의 코팅을 나타내는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 구성 안에서, 접합시킬 구조 요소는 본 발명에 따른 금속 페이스트를 통해 상호 접촉된다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명에 따른 금속 페이스트를 통해 상호 접촉되는 적어도 두 구조 요소를 포함하는 조립체가 생성된다. 바람직하게는, 이러한 조립체의 생성은 먼저 구조 요소의 표면에 금속 페이스트가 제공된 다음, 그 위에 또 다른 구조 요소가 그의 표면이 금속 페이스트 상에 놓이게 배치됨으로써 달성된다.
구조 요소의 표면 상에의 금속 페이스트의 도포는 예를 들면, 인쇄 공정(스 크린 인쇄 또는 형판 인쇄), 분배 기술, 분무 기술과 같은 통상의 공정에 의해, 핀 트랜스퍼(pin transfer)에 의해 또는 침지에 의해 일어날 수 있다.
계속해서, 이러한 구조 요소의 금속 페이스트가 구비된 표면은 바람직하게는, 금속 페이스트를 통해, 연결될 구조 요소의 표면과 접촉된다. 따라서, 금속 페이스트의 층은 연결될 구조 요소 사이에 존재한다. 상호 대향하고 금속 페이스트와 접촉하는 구조 요소의 표면은, 본 발명에 따르면, 두 구조 요소의 접촉면이다.
소결 공정에 앞서 연결될 구조 요소의 상호 대향하는 두 접촉면간의 거리로서 측정되는, 접합시킬 구조 요소간의 습윤층 두께는 바람직하게는 20 내지 200 ㎛ 영역이다. 바람직한 습윤층 두께는 선택되는 도포 공정에 따라 좌우된다. 금속 페이스트가 스크린 인쇄 공정에 의해 도포될 경우, 20 내지 50 ㎛의 습윤층 두께가 바람직할 수 있다. 금속 페이스트의 도포가 형판 인쇄에 의해 일어날 경우, 바람직한 습윤층 두께는 50 내지 200 ㎛ 영역일 수 있다.
이렇게 하여 수득된 조립체는 필요하다면 저온소결 공정에 앞서 건조된다. 건조 온도는 바람직하게는 50 내지 100℃ 영역이다. 당연한 얘기지만, 건조 시간은 구조 부품의 조성과 크기에 따라 좌우된다. 한편, 건조는 또한 구조 요소의 적어도 일 표면에의 금속 페이스트 도포 후 및 연결될 구조 요소와의 접촉 전에 직접 일어날 수 있다.
금속 페이스트를 통해 상호 접촉되는 적어도 두 구조 요소의 조립체는 이어서 바람직하게는 저온소결 공정에 투입된다. 이러한 공정 동안, 본원에서 기재하는 금속 페이스트의 발열 압축이 일어난다.
본 발명에 따르면, 저온소결 공정은 바람직하게는 230 내지 350℃ 영역, 더욱 바람직하게는 250 내지 300℃ 영역의 온도에서 일어나는 소결 공정을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
이 경우에, 처리 압력은 바람직하게는 0 내지 200바 영역, 더욱 바람직하게는 1 내지 50바 영역이다.
소결 시간은 처리 압력에 따라 좌우되고, 바람직하게는 2 내지 45분 영역이다. 0 내지 2바, 예를 들면 0바의 처리 압력에서 소결 시간은 바람직하게는 20 내지 45분 영역이고, 5 내지 15바, 예를 들면 10바의 처리 압력에서 소결 시간은 바람직하게는 15 내지 30분 영역이며, 40 내지 60바, 예를 들면 50바의 처리 압력에서 소결 시간은 바람직하게는 10 내지 20분 영역이며, 180 내지 200바, 예를 들면 200바의 처리 압력에서 소결 시간은 바람직하게는 2 내지 5분 영역이다.
본 발명에 따르면, 연결될 구조 요소간 접촉 영역의 다공성은 표적화 방식으로 조절될 수 있다. 구조 요소는 상이한 온도, 압력 및 시간 감도를 가지므로, 금속 페이스트를 통해 다공성을 조절하는 것이 필요하다.
이러한 조절은 특히 사용되는 금속 페이스트 중의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매의 비율에 의해 달성될 수 있다.
예를 들면, 비등 영역이 220℃ 이상인 용매의 금속 페이스트내 비율이 높을수록, 저온소결 공정에서 발열 압축 과정이 일어나는 기간이 길어진다. 따라서, 사용된 금속 페이스트의 금속 입자간 틈새를 메우기 위하여 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물로부터 현장에서의 저온소결 공정 동안 금속 페이스트에 생성된 금속에 대해 더 많은 시간이 이용 가능하다. 이러한 점은 연결될 구조 요소간 접촉 영역의 다공성 감소를 초래한다.
한편, 접촉 영역의 다공성은 또한, 비등 영역이 220℃ 이상인 용매의 금속 페이스트내 비율을 감소시킴으로써 증가될 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 함유하는 금속 페이스트는 따라서 저온소결 공정에서 연결될 구조 요소간 접촉 영역의 다공성을 조절하는 데 사용된다.
바람직하게는, 금속 페이스트는 70 내지 90 중량%의 금속 분말, 1 내지 20 중량%의 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 5 내지 20 중량%의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 함유하는 전술한 금속 페이스트이다.
따라서, 두 구조 요소간 접촉면의 다공성을 조절하는 방법이 이용 가능해지고, 금속 페이스트에 의해 상호 연결되는 두 구조 요소를 포함하는 조립체는 금속 페이스트가 금속 분말, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 포함하고, 비등 영역이 220℃ 이상인 용매의 비율은 접촉 영역의 목적하는 다공성이 달성되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 저온소결 공정에 투입된다.
전술한 공정에 의해, 서로의 위에(특히 샌드위치 구조로) 배열되고 상기 정의한 바와 같은 발열적으로 압축된 금속 페이스트에 의해 상호 연결되는 적어도 두 구조 요소를 포함하는 구조 성분이 생성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 구조 성분은 따라서 전술한 바와 같은 압축된 금속 페이스트 또는 현탁액에 의해 접합되는 접촉면을 보인다.
본 발명에 따르면, 주성분으로서의 금속 분말과는 별도로, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물과 흡열적으로 제거 가능한 용매를 함유하는 금속 페이스트 또는 현탁액의 금속이 압축되며, 여기에서 압축은 궁극적으로는 금속 화합물의 흡열 분해에 의해 조절된다.
금속 입자 및 은, 동, 알루미늄, 니켈 및 팔라듐으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 금속의 분해가능한 화합물을 나타내는 접촉 페이스트에 의해 대향하는 금속 표면을 접합시킴으로써 접촉 영역이 생성되는 동안, 페이스트는 바람직하게는 금속 화합물의 분해 동안 발열적으로 반응되어 저-다공성 고정체(fixing mass)를 형성한다.
금속 화합물의 발열반응은 220℃ 이상, 특히 250℃ 이상의 비등 영역을 갖는 유기 용매의 존재에 의해 시간의 관점에서 조절될 수 있다.
발열반응은 10초 내지 10분의 범위 내에서 유지될 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 화합물이 분해되는 동안 용매가 제거되는 것으로 예상된다. 한편, 금속 화합물의 분해는 또한 용매의 제거 중에 일어날 수 있다.
본 발명에 따르면, 생성된, 특히 은 또는 동을 기반으로 하는 부착 및 접촉층의 다공성은 결과적으로, 플레이크 또는 분말 과립 사이의 틈새를 메우는, 현장에서 생성된 금속, 특히 은 또는 동에 의해 감소된다. 본 발명에 따른 추가적인 전개에서, 발열 과정은 틈새의 폐쇄가 끊임없이 일어나도록 연장된다. 발열반응의 이러한 감속은 고-비등 영역을 갖는 유기 용매에 의하여 달성된다. 그러한 용매의 사 용은 다공성이 조절되게 해준다. 200℃ 이하의 비등 영역을 갖는 용매는 이러한 목적에 고려될 수 없다. 이러한 용매들은 너무 빨리 증발하여 발열반응이 즉각적으로 일어나게 된다. 220℃ 이상의 비등 영역을 갖는 용매는 10초 이상 발열반응의 연장을 가능하게 해준다. 비등 영역이 250℃ 이상인 용매는 10분 정도까지 발열반응의 연장을 가능하게 해준다. 이러한 공정 동안, 은의 저속 형성 및 유기 성분의 저속 증발은 동시에 기공의 상당한 감소 및 그에 따라 좀더 높은 수준의 압축을 유도한다. 이러한 목적을 위하여, 본 발명에 따르면 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물, 특히 Ag2CO3와 같은 은 화합물 1 내지 20, 특히 2 내지 10 중량%, TDA와 같이 비등 영역이 220℃ 이상, 특히 250℃ 이상인 용매 5 내지 20 중량%, 바람직하게는 9 내지 20 중량%, 테르핀올과 같이 은 페이스트를 위한 통상의 보조제 0 내지 10 중량%, 및 은 입자 적어도 60 중량%를 나타내는 금속 페이스트가 제공된다.
페이스트의 주성분은 따라서 의도하는 적용 동안 함께 접합되어 조밀한 구조를 형성하는 금속 입자, 특히 은 또는 동 입자로 구성된다. 금속 입자의 비율이 과도하게 높은 경우, 예를 들면 은 입자의 중량비가 90 중량% 이상인 경우, 페이스트 특성이 소실된다. 금속 입자의 비율이 불충분하게 높은 경우, 예를 들면 은 입자의 비율이 60 중량% 이하인 경우, 접합부의 다공성이 과도하게 높아진다. 금속 입자, 특히 은 입자를 가교결합시키기 위하여, 흡열적으로 분해되는 금속 화합물, 특히 은 화합물이 시차 열분석(DTA)에서 발열성인 것으로 나타나는 공정에 사용된다. 흡열 금속 화합물, 특히 은 화합물로부터 형성된 금속, 특히 은은 금속 입자, 특히 동 또는 은 입자를 함께 연결하고, 금속 입자, 특히 동 또는 은 입자간 틈새를 메운다. 흡열 금속 화합물의 양이 불충분한 경우, 예를 들면 페이스트 중의 은 화합물 비율이 1 중량% 이하인 경우, 접합층의 기공이 충분히 감소될 수 없고, 그에 따라 견고성이 본 발명에 따라 가능한 품질로 성취될 수 없다. 흡열 화합물의 비율이 과도하게 높은 경우, 예를 들면 은 화합물의 비율이 20 중량% 이상인 경우, 발열반응은 통제하기가 곤란하고, 지나치게 격렬한 단기 반응의 결과로 기공이 효율적으로 메워지지 않을 우려가 있거나, 또 한편으로는 반응시간이 지나치게 장기간 동안 지속되어, 공정이 대량생산에 비경제적이 된다. 고-비점 용매의 비율이 지나치게 낮으면, 특히 5 중량% 미만인 경우, 반응의 발열성 전개가 충분히 장기간 동안 연장될 수 없어서, 기공의 조절된 감소가 일어나지 않게 된다. 그러나, 고-비점 용매가 주성분으로 사용되면, 이의 제거가 다공성의 만족스러운 감소를 달성하는 데 장애가 된다.
적합한 금속 입자는 동, 귀금속, 니켈 또는 알루미늄, 및 Cu/Ag, Cu/Ag/Au, Cu/Au, Ag/Au, Ag/Pd, Pt/Pd 및 Ni/Pd와 같이 상호간에 용이하게 가용성인 그들의 혼합물을 기반으로 하는 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 플레이크 또는 분말이다. 은-함유 혼합물은 바람직하게는 니켈을 함유하지 않는다. 완전히 대응하여, 금속 화합물로부터 유리된 금속이 입자의 금속과 용이하게 가용성이면, 입자와 금속 화합물의 시스템이 적합하다. 바람직하게는, 금속 화합물로부터 유리된 금속은 발열 압축이 진행되는 동안 금속 입자상에 새로운 상의 형성 없이 용해된다. 자체 금속의 용융 영역보다 상당히 아래에서 분해가능한 화합물이 적합한 흡열 분해가능한 금속 화합물이다. 이러한 점은 다수의 귀금속 화합물에 적용된다. 동 화합물의 경우에, 필요하다면 이들 화합물이 유독성인지 또는 독성이 용인 가능한지 유의할 필요가 있다. 바람직하게는, 분해가능한 금속 화합물의 분해는 고-비점 용매의 제거 중에 개시된다. 400℃ 이하, 특히 350℃ 이하의 분해 온도는 유기 용매의 사용을 허용한다. 반도체 기술 분야에서 특히 민감한 적용을 위해서는, 분해 온도가 300℃ 이하인 금속 화합물이 사용된다. 분해 온도가 300℃ 이하인 경우에, 통상의 연질 땜납 공정이 대신 사용된다.
입자는 저장 중에 응집되지 않아야 한다. 이러한 이유로 해서, 나노분말은 일반적으로 유리하지는 않지만, 될 수 있는 대로 작은 입자가 바람직하다. 0.2 내지 10 ㎛, 특히 0.3 내지 3 ㎛ 크기의 입자, 특히 강한 표면 조도를 갖는 압연 입자(플레이크)가 적합한 것으로 판명되었다.
본 발명에 따른 발열 압축은 다수의 소결 공정과는 대조적으로, 보호 기체하에서 수행될 수 있다. 페이스트와의 접촉시, 접합시킬 성분의 금속 표면은 보호 기체하에서 산화되지 않는다. 이러한 이유로 해서, 페이스트를 사용하여 신뢰할만한 접합부가 생성된다. 보호 기체하에서 페이스트를 사용하여 전기적 구조 성분상에 생성된 금속화 부분은 추가처리 없이 연결, 특히 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 발열 압축에는 산소 공급원이 요구되지 않는다.
이하에서는, 본 발명을 도면을 참조로 설명하기로 한다.
도 1은 은 화합물 없이 은 페이스트를 소결하는 공지의 공정과 비교하여 흐름도로 본 발명의 원리를 설명한다.
도 2a 내지 2d는 발열 압축의 피크 폭에 미치는 고-비점 용매의 영향을 도시한다.
도 1은 은과 탄산은이 용매를 사용하여 혼합 및 가공되어 페이스트를 형성하는 압축을 설명한다. 페이스트의 은 입자 사이에 배열된 탄산은은 압력 없이 250℃에서 분해되어 반응성 은과 CO2를 형성하며, 여기에서 반응성 은은 은 입자간 틈새를 메우고, 은 입자를 응고시킨다. 이러한 식으로, 다공성이 낮은 은 접점이 생성된다. 유사한 방식으로, 은을 기판 표면에 고정시킨다. 접합 기술 분야에서 생산되고 대략 17 용적%의 다공성을 갖는 공지의 실버 바디(silver body)와 비교하여, 본 발명에 따르면 다공성이 10 용적% 미만으로 제한될 수 있다.
도 2a 내지 2d에 따르면, 발열 압축의 지속기간은 페이스트 중의 고-비점 용매의 비율에 의해 조절될 수 있다. 발열 압축의 감속은 기계적, 전기적 및 열적 전도성의 향상과 더불어 좀더 기공 함량이 낮은 접합부를 유도한다.
78 중량%의 은, 5 중량%의 탄산은 및 17 중량%의 테르핀올(비등 영역 219℃)로 이루어진 페이스트는 도 2a에 따라 보호 기체하에서 수행된 시차 열분석에서 200℃에서 흡열 피크를 보인다. 페이스트는 응집되어 기계적 응력에 견딜 수 없는 다공체를 형성한다.
83 중량%의 은, 5 중량%의 탄산은 및 12 중량%의 테르핀올(비등 영역 219℃)로 이루어진 페이스트는 도 2b에 따라 보호 기체하에서 수행된 시차 열분석에서 200℃에서 흡열 피크 뒤에 발열 피크를 보인다. 페이스트는 균일하게 응집되어 기 계적 응력에 견딜 수 없는 다공체를 형성한다.
83 중량%의 은, 5 중량%의 탄산은 및 10 중량%의 테르핀올(비등 영역 219℃)과 2 중량%의 1-트리데칸올(트리데실 알콜: TDA; 비등 영역 274 내지 280℃)로 이루어진 페이스트는 도 2c에 따라 보호 기체하에서 수행된 시차 열분석에서 도 2b와 비교하여 변위 및 클린치되는(clinched) 피크를 200℃에서 유도한다. 페이스트는 균일하게 응집되어 기계적 응력에 견딜 수 없는 다공체를 형성한다.
83 중량%의 은, 5 중량%의 탄산은 및 12 중량%의 1-트리데칸올(TDA; 비등 영역 274 내지 280℃)로 이루어진 페이스트는 도 2d에 따라 보호 기체하에서 수행된 시차 열분석에서 200℃ 이하에서 발열 피크를 유도한다. 이 경우에 페이스트는 응집되어, 4 x 4 mm 이하의 치수를 갖는 초소형 칩과 접촉하는, 고-성능 전자기기, 특히 LED 어태치(attach)에서 기계적 및 열 응력 변동에 견디는 저-기공 함량의 기계적으로 견고한 매스를 형성한다. 다공성은 페이스트 중의 고-비점 용매의 양을 변화시킴으로써 조절될 수 있고, 그에 따라 특정한 적용을 위해 정확하게 조정 가능하다.
하기 실시예는 본 발명의 설명을 위한 것이다.
실시예 1
83 중량%의 은, 5 중량%의 탄산은 및 12 중량%의 1-트리데칸올을 함유한 금속 페이스트를 리드 프레임의 표면에 인쇄하였다. 이어서, 표면적이 8 mm2인 다이를 금속 페이스트 위에 놓았다. 습윤층 두께는 50 ㎛였다. 이어서, 그렇게 하여 수득된 조립체를 100℃에서 20분간 건조시켰다. 소결은 0바의 처리 압력 및 250℃의 처리 온도에서 45분간 수행하였다.
실시예 2
83 중량%의 은, 5 중량%의 탄산은 및 12 중량%의 1-트리데칸올을 함유한 금속 페이스트를 분배 기술을 이용하여 리드 프레임의 표면에 인쇄하였다. 이어서, 표면적이 9.2 mm2인 LED를 금속 페이스트 위에 놓았다. 습윤층 두께는 50 ㎛였다. 이어서, 그렇게 하여 수득된 조립체를 100℃에서 20분간 건조시켰다. 소결은 0바의 처리 압력 및 250℃의 처리 온도에서 45분간 수행하였다.
도 1은 은 화합물 없이 은 페이스트를 소결하는 공지의 공정과 비교하여 흐름도로 본 발명의 원리를 설명한다.
도 2a 내지 2d는 발열 압축의 피크 폭에 미치는 고-비점 용매의 영향을 도시한다.
도 1의 번역
1. Silberpulver: 은 분말 (Silver powder)
2. Silberverbindung: 은 화합물 (Silver compound)
3. Loesungsmittel: 용매 (Solvent)
4. Mischen: 혼합 (Mixing)
5. Paste: 페이스트 (Paste)
6. Kontaktflaechen: 접촉면 (Contact surfaces)
7. In-situ erzeugtes Nano-Silber: 현장에서 생성된 나노실버 (Nano-silver produced in situ)
Ca. 250℃ Tempern: 대략 250℃에서의 템퍼링 (Tempering at approximately 250℃)
Ohne Silberverbindung: 은 화합물 비-사용 (Without silver compound)
mit Silberverbindung: 은 화합물 사용 (With silver compound)

Claims (10)

  1. 70 내지 90 중량%의 금속 분말, 1 내지 20 중량%의 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물 및 5 내지 20 중량%의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 함유하고, 금속접점을 형성하도록 발열적으로 압축 가능한 금속 페이스트.
  2. 제 1 항에 있어서, 금속 페이스트는 11 내지 20 중량%의 비등 영역이 220℃ 이상인 용매를 함유함을 특징으로 하는 금속 페이스트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 흡열적으로 분해가능한 금속 화합물은 동 화합물 또는 귀금속 화합물임을 특징으로 하는 금속 페이스트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 분말은 우세하게는 은 또는 동 또는 금 또는 팔라듐 또는 백금을 나타냄을 특징으로 하는 금속 페이스트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 페이스트는 산소공급 없이 발열적으로 압축 가능하여 금속접점을 형성함을 특징으로 하는 금속 페이스트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 현탁액 형태의 금속 페이스 트.
  7. 접촉면이 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 금속 페이스트를 통해 상호 접촉되고, 금속 페이스트는 발열적으로 압축됨을 특징으로 하는, 상호 대향하여 배치된 접촉면을 접합시키는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 금속 페이스트에 존재하는 용매는 250℃ 이상의 비등 영역을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 금속 페이스트에 함유된 금속 화합물은 400℃ 이하, 바람직하게는 350℃ 이하, 특히 바람직하게는 300℃ 이하의 분해 온도를 가짐을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 압축된 금속 페이스트에 의해 접합되는 서로의 위에 배열되는 구조 요소를 보이는 구조 성분.
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