KR20100086682A - 탄소나노튜브 복합 솔더페이스트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 복합 솔더페이스트 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 탄소나노튜브가 혼합되어 전기적 기계적 물성이 향상된 솔더페이스트를 제작함에 있어서 환경오염의 위험이 적고, 생산단가가 낮으며, 단순한 공정에 의하여 생산성을 향상시킨 탄소나튜브 복합 솔더페이스 제조방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 제조하는 단계(S1); 상기 솔더용액에 탄소나노튜브를 넣어 혼합용액을 제조한 뒤, 초음파 분산기를 이용하여 탄소나노튜브를 분산시키는 단계(S2); 상기 S2 단계를 거친 혼합용액에 볼을 넣고 볼밀장비에 투입한 다음, 볼밀장비의 회전드럼을 회전시켜 볼들이 회전드럼의 내부에서 낙하할 때 발생되는 충격으로 탄소나노튜브를 솔더입자에 박아넣는 단계(S3); 상기 S3 단계를 거친 후, 거름망을 이용하여 혼합용액과 볼을 분리하고, 혼합용액을 증발시켜 솔더입자를 분리한 뒤, 솔더입자를 건조하는 단계(S4); 및 상기 S4 단계를 통해 분리,건조된 솔더입자를 플럭스와 섞어 솔더페이스트를 제조하는 단계(S5)로 이루어진 탄소나노튜브 복합 솔더페이스트 제조방법에 관한 것을 기술적 요지로 한다.

솔더페이스트, 탄소나노튜브, 볼밀

Description

탄소나노튜브 복합 솔더페이스트 제조방법{Carbon nanotube mixed solder paste}

본 발명은 솔더페이스트 제조방법에 관한 것으로, 특히 솔더입자에 탄소나노튜브가 혼합되어 전기적,기계적 성능을 극대화시킨 탄소나노튜브 복합 솔더페이스트 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 표면실장기술(SMT,Surface Mount Technology)이라 함은 전자기판 위에 트랜지스터, 다이오드, IC 등의 반도체나 칩저항, 칩콘덴서 등을 올려놓고, 이를 경화하여 전자기판 상에 부품을 실장하는 공정이나 시스템을 의미하는 것으로, 이러한 표면실장기술은 전자기기의 경박단소(輕薄短小)화로 인해 실장기술의 주류를 이루어 왔다.

이러한 표면실장기술은 기판 상에 솔더페이스트를 스크린 인쇄하고, 그 위에 칩을 올려놓은 후, 리플로 로(Reflow furnace)에서 솔더페이스트를 리플로우시켜 칩을 기판에 실장하게 된다.

한편 상기 솔더페이스트에 의해 형성되는 솔더접합부에는 기기 작동에 의한 열응력이 발생하며, 이러한 열응력에 의하여 솔더합금의 기계적 특성이 저하되기 때문에 솔더접합부의 기계적 신뢰도는 기기의 성능과 신뢰도를 결정짓는 중요한 요인으로 작용하게 된다.

한편 최근 환경규제로 인하여 기존 납솔더를 대체하는 무연솔더가 개발되어 사용되고 있으나, 무연솔더는 납솔더에 비해 기계적 물성이 떨어지므로, 이에 대한 보완책이 많이 연구되고 있다. 특히, 저온에서 사용되어지는 솔더 중 대표적인 것이 Sn-Bi솔더인데, 이러한 Sn-Bi솔더는 취성이 강하므로 외부충격이나 반복하중에 노출되었을 때 쉽게 파괴되어 전자기기의 수명을 단축시키는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 고려하여 공개특허공보 10-2006-0032185호(출원번호 10-2006-0027263호)에는 탄노나노튜브를 이용한 강화 복합솔더를 제시한 바 있다.

상기 강화 복합솔더는 탄노나노튜브가 혼합되어 있는 솔더 도금액을 이용하여 전기도금 방법으로 솔더와 탄소나노튜브를 동시에 전기도금하여 솔더에 탄노나노튜브를 강화재로써 함유시킨 것이다.

그러나 상기와 같은 도금공정을 이용한 제작방법은 이물질이 첨가될 위험이 높고, 특히 도금액의 처리과정에서 있어서 환경오염을 유발한 위험이 높으며, 생산단가가 높은 것은 물론이고 공정이 복잡한 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브가 혼합되어 전기적 기계적 물성이 향상된 솔더페이스트를 제작함에 있어서 환경오염의 위험이 적고, 생산단가가 낮으며, 단순한 공정에 의하여 생산성을 향상시킨 탄소나튜브 복합 솔더페이스 제조방법을 제공함에 있다.

또한 탄소나노튜브의 응집을 방지하기 위한 분산공정을 포함하여 보다 효과적으로 솔더의 기계적 특성을 강화할 수 있는 탄소나노튜브 복합 솔더페이스 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 탄소나노튜브 복합 솔더페이스트 제조방법은 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 제조하는 단계(S1); 상기 솔더용액에 탄소나노튜브를 넣어 혼합용액을 제조한 뒤, 초음파 분산기를 이용하여 탄소나노튜브를 분산시키는 단계(S2); 상기 S2 단계를 거친 혼합용액에 볼을 넣고 볼밀장비에 투입한 다음, 볼밀장비의 회전드럼을 회전시켜 볼들이 회전드럼의 내부에서 낙하할 때 발생되는 충격으로 탄소나노튜브를 솔더입자에 박아넣는 단계(S3); 상기 S3 단계를 거친 후, 거름망을 이용하여 혼합용액과 볼을 분리하고, 혼합용액을 증발시켜 솔더입자를 분리한 뒤, 솔더입자를 건조하는 단계(S4); 및 상기 S4 단계를 통해 분리,건조된 솔더입자를 플럭스와 섞어 솔 더페이스트를 제조하는 단계(S5)로 이루어져 있다.

한편, 상기 S1 단계는 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 만들고, 상기 솔더용액에 볼을 넣은 뒤 볼밀장비에 투입하여 교반함으로써 솔더입자의 크기를 고르게 하고 솔더입자 표면을 활성화시키는 단계(S1-1); 및 상기 S1-1 단계를 거친 후, 거름망을 이용하여 볼과 솔더용액을 분리하는 단계(S1-2)로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 S2 단계에서 혼합용액은 솔더용액 100 중량부에 대해 탄소나노튜브를 0.1~4 중량부의 비율로 첨가하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 기존 도금공정에 비하여 보다 용이하게 탄소나노튜브가 복합된 솔더를 제공할 수 있게 되었으며, 기존 도금액에 의한 환경오염을 방지하고, 솔더의 생산단가를 낮출 수 있는 효과를 기대할 수 있게 되었다.

또한, 본 발명에서는 탄소나노튜브와 솔더입자가 혼합된 후, 탄소나노튜브가 솔더입자에 삽입되기 때문에 탄소나노튜브가 서로 응집되거나 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있게 되며, 이로 인해 솔더의 기계적 특성을 보다 효과적으로 강화할 수 있게 되었다.

또한, 솔더입자와 탄소나노튜브가 고르게 분산된 상태로 혼합됨으로써 솔더 접합부의 전기적 기계적 성능을 극대화할 수 있게 되었고, 특히 기계적 물성이 취약한 Sn계 저온솔더에 적합한 특성을 가짐으로써 신뢰성 확보에 어려움이 많았던 저온 Sn계 솔더범프의 사용을 확대할 수 있게 되었다.

본 발명은 탄소나노튜브가 혼합된 솔더입자를 포함하는 솔더페이스트를 제조하는 방법으로써, 공개특허공보 10-2006-0032185에 개시된 도금방법과는 다른 방법으로 솔더입자에 탄소나노튜브가 혼합되도록 함으로써, 생산단가를 낮추고, 솔더의 제작시 수반되는 환경오염을 방지할 수 있게 한 것으로, 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 제조하는 단계(S1); 상기 솔더용액에 탄소나노튜브를 넣어 혼합용액을 제조한 뒤, 초음파 분산기를 이용하여 탄소나노튜브를 분산시키는 단계(S2); 상기 S2 단계를 거친 혼합용액에 볼을 넣고 볼밀장비에 투입한 다음, 볼밀장비의 회전드럼을 회전시켜 볼들이 회전드럼의 내부에서 낙하할 때 발생되는 충격으로 탄소나노튜브를 솔더입자에 박아넣는 단계(S3); 상기 S3 단계를 거친 후, 거름망을 이용하여 혼합용액과 볼을 분리하고, 혼합용액을 증발시켜 솔더입자를 분리한 뒤, 솔더입자를 건조하는 단계(S4); 및 상기 S4 단계를 통해 분리,건조된 솔더입자를 플럭스와 섞어 솔더페이스트를 제조하는 단계(S5)로 이루어져 있다.

이하 각각의 단계를 구체적으로 설명하도록 한다.

상기 S1 단계는 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 제조하는 단계이다. 이때 솔더입자로는 주석-은-구리, 주석-은, 주석-비스무스, 주석-인듐계 합금재질로서 15~20um의 평균 크기를 갖는 입자가 사용될 수 있다.

이러한 S1 단계는 솔더입자의 크기를 고르게 하고, 솔더입자의 표면을 활성 화하여 탄소나노튜브가 보다 효과적으로 흡착될 수 있도록 솔더용액에 볼밀을 넣고, 이를 볼밀장비에 투입하여 교반하는 단계(S1-1)와, 상기 S1-1 단계를 거친 솔더용액을 볼들로부터 분리하는 단계(S1-2)로 이루어지는 것이 바람직하다.

이때 상기 S1-1 단계는 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 만들고, 상기 솔더용액에 볼들을 넣은 뒤 볼밀장비에 투입하여 12시간 이상 교반하는 것으로 행하여진다. 이러한 교반공정에 의하여 솔더입자의 크기가 고르게 되고, 솔더입자의 표면을 활성화시킬 수 있게 된다.

상기 S1-2 단계는 볼과 솔더용액을 분리하기 위하여 볼밀처리된 솔더용액을 거름망에 통과시키는 단계이다. 이때 사용되는 거름망은 솔더입자 크기 이상 그리고 볼 크기 이하의 체눈을 갖는 거름망을 사용하게 된다.

상기 S2 단계는 솔더용액에 탄소나노튜브를 넣어 혼합용액을 제조한 뒤, 제지된 혼합용액에 초음파 분산기를 이용하여 초음파를 가함으로써 탄소나노튜브가 혼합용액 내에서 응집되지 않고 고르게 분산되도록 하는 것과 함께 솔더입자의 표면에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계이다.

한편 솔더용액에 탄소나노튜브를 넣어 혼합용액을 제조함에 있어 솔더용액 100 중량부에 대해 탄소나노튜브를 0.1~4 중량부의 비율로 첨가하는 것이 바람직하다. 이는 탄소나노튜브의 첨가량이 0.1 중량부 미만일 경우, 특성향상을 기대할 수 없게 되고, 4 중량부를 초과할 경우, 솔더입자 표면에 흡착하지 못하고 남은 탄소나노튜브가 서로 응집되면서 오히려 기계적 물성을 저하시키게 되므로 탄소나노튜 브는 0.1~4 중량부의 비율로 첨가되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 솔더용액와 탄소나노튜브의 혼합에 의해 제조된 혼합용액에 초음파 분산기를 이용하여 4시간 동안 초음파를 가함으로써 혼압용액 내의 탄소나노튜브를 고르게 분산시키고, 솔더입자의 표면에 탄소나노튜브를 흡착시키게 된다.

한편 초음파 분산기를 이용한 처리 조건으로는 25kHz - 50kHz의 주파수로 처리하며, 처리시간은 초음파 세기에 따라 달라지나 5분에서 1시간으로 처리하는 것이 바람직하다. 이는 초음파처리시간이 너무 짧으면 분산의 효과를 보기 힘들며, 반면 초음파처리시간이 너무 길면 탄소나노튜브 표면에 결함이 발생하여 특성이 떨어지기 때문이다.

상기 S3 단계는 혼합용액에 볼을 넣은 다음 볼밀장비에 투입하여 솔더입자의 표면에 흡착된 탄소나노튜브를 솔더입자의 내부로 박아 넣는 단계이다. 한편 상기 S2 단계에서 초음파 분산기를 이용한 처리가 이루어지는 동안 혼압용액을 구성하고 있는 용액이 증발되므로 S1 단계에서의 솔더용액 양과 같게 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액을 보충하게 된다.

한편 볼밀작업을 위한 볼로는 지르코니아볼 또는 알루미나볼이 사용될 수 있으며, 상기 볼밀장비는 소재와 볼들이 투입되는 회전드럼과, 상기 회전드럼을 회전시키기 위한 구동기구를 갖는 것으로, 이러한 볼밀장비는 주지, 관용된 기술이므로 볼밀장비에 대한 설명은 생략하도록 한다.

이러한 S3 단계는 회전드럼을 150~250rpm의 회전속도로 회전시키면서 24시간 동안 실시하게 되며, 회전드럼이 회전하는 과정에서 회전드럼의 내부에 투입된 볼 들이 낙하하면서 솔더입자 및 탄소나노튜브를 타격함으로써 탄소나노튜브를 솔더입자에 박아넣어 솔더입자 내에 탄노나노튜브를 불규칙한 구조로 분산시키게 된다. 여기서 상기 회전드럼을 150rpm 미만의 회전속도로 회전시킬 경우 원심력이 부족하여 볼이 적절한 낙하위치까지 올라가지 못하고 바닥에서만 구르게 되며, 250rpm을 초과한 회전속도로 회전드럼을 회전시킬 경우 볼들이 원심력에 의해 낙하되지 않게 된다.

상기 S4 단계는 탄소나노튜브가 내부에 혼합된 솔더입자를 혼합용액으로부터 분리하는 단계로써, 솔더입자만이 통과할 수 있는 크기의 망눈을 갖는 거름망을 이용하여 혼합용액으로부터 솔더입자를 분리하게 된다. 이처럼 솔더입자로부터 분리된 에탄올에 열을 가하여 용액을 완전히 증발시키고, 또 진공건조기에서 4시간 정도의 건조과정을 거치게 된다.

상기 S5 단계는 건조과 완료된 솔더입자를 플럭스와 섞에 솔더페이스트를 제조하는 단계이다. 여기서 상기 플럭스는 솔더페이스트의 제조를 위해 흔히 사용되고 있는 주지,관용된 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 제조된 솔더페이스트를 이용하여 기판에 칩을 본딩하고자 할 경우, 금속마스크를 이용하여 기판에 솔더페이스트의 프린팅을 실시하고, 기판 상에 인쇄된 탄소나노튜브 혼합 솔더페이스트 위에 칩을 마운팅시킨 후, 온도를 올려 리플로우시킴으로써 칩을 기판에 본딩하게 된다.

[실시예]

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 솔더입자의 SEM 이미지이며, 도 2는 볼밀 후 탄소나노튜브가 혼합된 솔더입자의 모식도를 도시하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법은 다음과 같은 조건 및 공정으로 진행되었다.

솔더 300g과 에탄올을 4(솔더):6(에탄올)의 부피비로 혼합하여 솔더용액을 제조한 후, 솔더용액에 알루미나볼을 넣는다. 이후 알루미나볼이 혼합된 솔더용액을 볼밀용기에 투입하되 볼밀용기의 1/2 정도 채워 넣고, 150rpm의 회전속도로 12시간동안 볼밀을 실시한 다음, 볼밀이 끝나면 거름망을 사용하여 솔더용액으로부터 볼을 제거한다.

상기 솔더용액에 탄소나노튜브 6g을 첨가하여 혼합용액을 제조한다. 이때 탄소나노튜브의 지름은 10~20nm, 길이는 5㎛이상을 사용하였다. 탄소나노튜브를 넣은 상태에서 Horn 타입의 초음파 분산기를 이용하여 25kHz의 초음파세기로 4시간동안 혼합용액에 초음파를 가하여 혼합용액 내의 탄소나노튜브를 분산시키고, 솔더표면에 탄소나노튜브가 흡착되게 한다.

이후, 초음파 도중 증발된 에탄올을 처음의 부피까지 보충한 후 볼밀용기에 알루미나볼과 함께 넣고 150~250rpm의 회전속도로 24시간동안 회전시킴으로서 솔더입자 안에 탄소나노튜브가 분산시키면서 박아 넣을 수 있도록 하였다.

볼밀이 끝나면 약80℃ 정도의 열을 가하여 에탄올을 증발시키고 진공건조기에서 4시간 이상 건조시킨다.

상기와 같은 과정에 통해 제작된 솔더입자는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 탄소나노튜브가 분산되어 솔더입자안에 박혀 혼합되었다. 그림 2는 탄소나노튜브가 솔더입자에 혼합되어 있는 상태를 보여주는 모식도이다. 탄소나노튜브는 응집성이 강하기 때문에 혼합시 분산이 어려우나, 본 발명에서는 분산과 동시에 솔더입자안에 박혀 있는 상태이므로, 탄소나노튜브끼리의 응집을 억제할 수 있게 되었고, 따라서 기계적인 물성향상을 꾀할 수 있게 되었다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 솔더입자의 SEM 이미지,

도 2 는 볼밀 후 탄소나노튜브가 혼합된 솔더입자의 모식도.

Claims (3)

1. 에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 제조하는 단계(S1);

   상기 솔더용액에 탄소나노튜브를 넣어 혼합용액을 제조한 뒤, 초음파 분산기를 이용하여 탄소나노튜브를 분산시키는 단계(S2);

   상기 S2 단계를 거친 혼합용액에 볼을 넣고 볼밀장비에 투입한 다음, 볼밀장비의 회전드럼을 회전시켜 볼들이 회전드럼의 내부에서 낙하할 때 발생되는 충격으로 탄소나노튜브를 솔더입자에 박아넣는 단계(S3);

   상기 S3 단계를 거친 후, 거름망을 이용하여 혼합용액과 볼을 분리하고, 혼합용액을 증발시켜 솔더입자를 분리한 뒤, 솔더입자를 건조하는 단계(S4); 및

   상기 S4 단계를 통해 분리,건조된 솔더입자를 플럭스와 섞어 솔더페이스트를 제조하는 단계(S5)로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합 솔더페이스 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 S1 단계는,

   에탄올 또는 메탄올 또는 이소프로필알콜 중 선택된 어느 하나의 용액에 솔더입자를 넣어 솔더용액을 만들고, 상기 솔더용액에 볼을 넣은 뒤 볼밀장비에 투입하여 교반함으로써 솔더입자의 크기를 고르게 하고 솔더입자 표면을 활성화시키는 단계(S1-1); 및

   상기 S1-1 단계를 거친 후, 거름망을 이용하여 볼과 솔더용액을 분리하는 단계(S1-2)로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합 솔더페이스 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 S2 단계에서 혼합용액은 솔더용액 100 중량부에 대해 탄소나노튜브를 0.1~4 중량부의 비율로 첨가하여 구성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합 솔더페이스 제조방법.

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