KR20110053221A - 금속 페이스트 및 잉크 - Google Patents

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어플라이드 나노테크 홀딩스, 인크.
이시하라 야쿠힌 가부시끼가이샤
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Abstract

용매 및 내부에 분산된 복수의 금속 나노입자들을 포함하는 금속 조성물은 기판 상의 금속 조성물의 경화에 의해 약 5 ×10-4Ω.㎝ 또는 그 미만의 저항률을 갖는 금속 전도체를 제공하도록 조성된다. 전기 부품 조립체는 기판 상에 금속 조성물을 경화시킴으로써 형성되는 금속 전도체에 의해 상호연결될 수 있다. 금속 나노입자들을 포함하는 금속 조성물은 기판 상에 증착되고 고화될 수 있다. 금속 조성물은 금속 조성물의 고화 전후에 금속 와이어와 접촉되며 고화된 금속 조성물에 고정된다.

Description

금속 페이스트 및 잉크 {METALLIC PASTES AND INKS}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 라운드힐(Roundhill) 등에 출원된 미국 가 출원 번호 61/077,711호 및 라운드힐 등에 의해 출원된 미국 가 출원 번호 61/081,539호를 우선권으로 주장하며 이 출원들의 모든 설명들은 본 출원에 참조되었다.
본 발명은 향상된 전도율을 갖는 금속 전도체를 형성하는데 사용될 수 있는 금속 페이스트에 관한 것이다.
금속 잉크와 같은 금속 페이스트는 금속 나노입자, 액체 운반체(liquid vehicle), 분산제, 및 다른 첨가제로 형성될 수 있다. 첨가제는 점성, 습윤성(wetting), 및 선택된 기판과의 접촉 각과 같은 물리적 특성들을 변경시키도록 포함된다. 잉크(예를 들어, 약 5000 cP 미만)에 비해 높은 페이스트(예를 들어, 약 10,000 cP 내지 약 60,000 cP)의 점성은 금속 나노입자의 영구적인 분산을 촉진시킨다. 금속 잉크 또는 페이스트의 사용은 인쇄 방법 및 기판을 포함한 다수의 인자들에 기초할 수 있다. 낮은 점성(예를 들어, 약 20 cP 미만, 또는 약 10 cP 내지 약 20 cP 범위)을 갖는 잉크는 잉크젯 인쇄 또는 에어로졸 인쇄될 수 있다. 페이스트는 너무 점성이 높아 잉크젯 인쇄될 수 없으며 스트린 인쇄 또는 높은 점성에 적합한 다른 방법에 의해 도포될 수 있다.
그러나, 몇몇 금속 페이스트 또는 잉크는 불활성 분위기-(예를 들어, 폴리머 기판을 갖는)가요성 전자기기와 같은 특정 적용에 부적합할 수 있는 조건)에서 승온으로 가열될 필요가 있다. 또한, 몇몇 금속 페이스트 또는 잉크는 높은 비등점을 갖는 하나 또는 그보다 많은 액체 성분들을 포함한다. 높은 비등점 성분들 갖는 금속 페이스트 또는 잉크가 공기 중에서 늦은 열적 소결 공정에 의해 경화될 때, 높은 비등점 성분들은 경화된 전도체 내에 남아 있는 비휘발성 생성물을 형성할 수 있다. 불활성 분위기에서의 열적 소결 공정 중에도 비휘발성 생성물의 열적 분해가 가능하여, 오염된 전도체와 상당히 높은 저항을 초래한다. 몇몇 경우에, 액체 운반체로부터의 유기질 잔류물은 전도체와 기판 사이의 접착력을 열화시켜, 금속 전도체의 품질을 낮춘다.
도 1은 금속 조성물의 준비과정을 도시하는 흐름도이며,
도 2는 광소결을 포함하는 공정에 의해 금속 전도체를 형성하는 공정을 도시하는 흐름도이며,
도 3은 열적 소결 및 광소결에 의해 형성된 구리 전도체에 대한 저항 대 공정 온도를 도시하는 그래프이며,
도 4는 금속 조성물로 제조된 인쇄된 전도체에 의해 상호연결되는 칩을 갖는 조립체를 도시하는 도면이며,
도 5는 금속 조성물로 제조된 인쇄된 전도체에 의해 바이어스를 통해 상호연결되는 칩을 갖는 조립체를 도시하는 도면이며,
도 6은 광소결된 금속 범프에 고정된 와이어를 도시하는 도면이며,
도 7은 광소결된 금속 범프의 제조 단계를 도시하는 흐름도이며,
도 8은 광소결된 금속 범프들 사이에 고정된 금속 와이어를 도시하는 도면이며,
도 9a 내지 도 9f는 구리 와이어를 광소결된 구리 범프에 고정하는 다양한 단계를 사진으로 나타낸 도면이며,
도 10은 유연한 광소결된 금속 범프를 도시하는 도면이다.
저온 공정용으로 제조된 금속 조성물(예를 들어, 잉크 및 페이스트)은 전도체 접착제로서 인쇄된 전자기기의 제조용 또는 전극 및 상호접점과 같은 다양한 전기 부품 및 회로의 제조 및 조립을 포함한 다양한 적용에 적합하다. 금속 조성물은 광소결(photosintering)에 적합한 광학적으로 투명한 운반체(vehicle) 내에 금속 나노입자(예를 들어, 구리, 니켈, 은, 금, 알루미늄, 코발트, 몰리브덴, 아연 등)을 포함한다. 이들 조성물 내의 나노입자들은 크기 및 보호 코팅(passivation coating)에 따라 선택될 수 있으며, 상기 조성물은 정밀한 인쇄를 허용하도록 제조될 수 있다. 인쇄된 조성물 내의 나노입자들은 플라스틱 기판과 양립될 수 있는 온도에서 벌크 금속 필름 또는 라인들 내측에 (예를 들어, 광소결, 열적 소결, 또는 이들 두 방식으로)경화될 수 있다.
본 발명에서 설명되는 금속 조성물은 액체 운반체로부터 감소된 양의 유기질 잔류물을 갖는 경화된 전도체를 생산하도록 제조된다. 상기 금속 조성물은 광소결 공정을 사용하여 금속 전도체를 생성하도록 (예를 들어, 약 5 밀리초(millisecond) 미만, 약 2 밀리초 미만, 또는 1 밀리초 미만으로)소결될 수 있다. 이러한 광소결 공정에서, 고휘도 광 펄스(예를 들어, 약 50,00, 100,000, 또는 150,000 룩스 또는 그 보다 높은)가 조성물 내의 금속 나노입자들에 의해 흡수되어 열로 전환된다. 그 결과, 금속 조성물은 이들 유기질 성분들이 열적 산화 또는 분해되기 이전에 유기질 성분들을 신속히 증발시키는 짧고 높은 열 펄스에 노출될 수 있다. 이러한 금속 조성물(예를 들어, 페이스트 및 잉크)의 광소결은 저온에서 형성될 수 있는 고 전도율 및 몇몇 열 소결 공정보다 낮은 저항율을 갖는 전도체를 생산한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명에서 설명된 금속 조성물은 (예를 들어, 공기 또는 형성 가스 분위기에서)폴리머 기판 상의 조성물에 대한 광소결 및/또는 열적 소결에 의해 낮은 저항률을 갖는 전도체를 제공하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 설명되는 구리 페이스트로부터 제조되는 구리 전도체는 약 1 × 10-3 Ω.㎝ 내지 약 1 × 10-6 Ω-㎝ 범위의 저항률을 가질 수 있다. 즉, 구리 전도체는 약 1 × 10-3 Ω.㎝ 미만, 약 1 × 10-4 Ω.㎝ 미만, 약 1 × 10-5 Ω.㎝, 또는 약 1 × 10-6 Ω.㎝ 미만의 저항률을 가질 수 있다.
고 전도율(낮은 저항률)을 갖는 전도체를 형성하는데 사용되는 금속 조성물의 준비에 관한 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 준비 공정(100)은 불활성 분위기에서 수행될 수 있다. 단계 102에서, 소정 량(예를 들어, 체적)의 액체 운반체가 준비된다. 액체 운반체는 예를 들어, 방향성 지방족 케톤 및 알콜, 에테르, 및 이들의 임의의 조합물을 포함할 수 있다. 상기 운반체가 하나 이상의 성분을 포함하면, 상기 성분들은 함께 혼합될 수 있다. 단계 104에서, 하나 또는 그보다 많은 분산제가 상기 운반체에 첨가될 수 있으며, 그 혼합물은 균일성을 달성하도록 교반된다(예를 들어, 휘젖어지고, 흔들거고 혼합되고, 초음파처리된다). 분산제는 예를 들어, 짧은 사슬형 중합체 아민, 알콜, 황화물, 인산염, 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 단계 106에서, (예를 들어, 나노분말 형태의)금속 나노입자의 양이 소정의 구리 로딩(loading)을 달성하도록 운반체에 첨가될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 나노분말은 조성물의 약 30 중량% 내지 약 70 중량%, 또는 약 50 중량% 내지 약 80 중량% 범위일 수 있다. 그 후 이러한 균일한 혼합물은 페이스트를 형성하기 위해 교반된다. 단계 108에서, 상기 페이스트는 균일한 분산을 형성하도록 초음파 처리될 수 있다. 초음파 처리는 낮은 에너지와 짧은 기간(예를 들어, 약 10 분 미만, 약 2 내지 8 분, 또는 약 5분 동안)에 달성될 수 있다. 초음파 처리욕 액체는 (예를 들어, 약 0 ℃로)냉각될 수 있다. 초음파 처리 시간이 너무 길거나 초음파 에너지가 너무 높으면, 허용 불가능한 높은 온도로의 국부적인 가열에 의한 공동화(cavitation)가 초래되어 금속 나노입자의 집단화 또는 괴상화를 초래한다. 금속 나노입자들의 집단화 또는 괴상화의 억제는 초음파 처리 공정 중의 금속 페이스트의 냉각(예를 들어, 약 0 ℃로)에 의해 촉진될 수 있다. 금속 나노입자들의 집단화 또는 괴상화는 입자 크기를 크게 하며 소결 단계에서 성능을 저하시킨다. 괴상화는 구리 나노입자에는 문제가 될 수 있는데, 이는 구리-구리의 화학적 결합이 발생할 수 있기 때문이다. 이들 구리-구리 결합은 차후의 기계적 처리에 의해 깨지지 않을 수 있다. 단계 110에서, 점성, 습윤성, 또는 접촉 각도와 같은 특성들을 조절하도록 첨가제가 첨가되어 페이스트와 혼합될 수 있다. 첨가제들은 등가 화합물, 이온 화합물, 또는 이들의 임의의 조합물일 수 있다.
도 1에 도시된 대로 준비된 금속 페이스트가 광소결 공정에 의해 전도체(예를 들어, 전도체 필름)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 페이스트는 드로우다운 공정(drawdown process)에 의해 기판(예를 들어, 듀퐁으로부터 이용가능한 KAPTON(등록상표) 폴리이미드 필름) 상에 코팅될 수 있다. 광소결 공정은 금속 나노입자들을 예를 들어 금속 필름으로 광소결시키는 광 플래쉬 이전의 예비-건조 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅은 약 60 분 동안 공기 중에서 약 100 ℃에서 건조될 수 있다. 이러한 단계는 인쇄된 페이스트로부터 휘발 성분들의 제거를 촉진시킨다. 휘발 성분들이 페이스트 내에 남아 있으면, 광소결 단계 중에 급속한 휘발에 의해 금속 나노입자들이 기판에서 분출하게 되는 원인이 될 수 있다. 건조 이후에, 건조 페이스트의 저항률은 예를 들어 100 Ω.㎝ 정도일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 건조 시간은 높은 온도를 사용하거나, 진공 하에서 건조 단계를 수행하거나, 적외선 또는 초단파 복사 하에서의 가열에 의해 감소될 수 있다. 휘발성 액체 성분을 포함하지 않은 구리 페이스트를 위해 건조 단계는 처리 시간을 감소시키기 위해 제거될 수 있다.
건조된 페이스트는 형성 가스 또는 공기 중에서 경화될 수 있다. 예를 들어, 건조된 페이스트는 질소 중에 약 10 체적% 까지의 수소 혼합물(질소 중의 약 3 내지 5 체적% 수소) 하에서 약 350 ℃에서 약 60 분 동안 열적으로 소결될 수 있다. 약 20 nm 내지 약 200 nm 범위의 나노입자를 갖는 구리 페이스트를 위해, 열적 소결된 필름의 저항률은 약 3 × 10-4 Ω.㎝일 수 있다. 상기 형성 가스는 건조된 페이스트 내의 구리 산화물을 구리로 환원시킬 수 있다. 예를 들어, 형성 가스 내의 수소 성분은 다음과 같이 나타낸 바와 같이, 구리와 물을 형성하도록 구리 산화물과 반응한다.
CuO + H → Cu + H2O, 및
Cu2O + H2 → 2Cu + H2O
수증기는 형성 가스 중에서 제거될 수 있다.
열적으로 소결된 금속 조성물은 저항률을 감소시키기 위해 형성 가스 또는 공기 중에서 광소결될 수 있다. 광소결은 금속 조성물을 광 플래쉬에 노출시키는 단계를 포함한다. (전압계에 의해 측정된)세기와 광 플래쉬의 (펄스 폭에 의해 측정된)지속 기간은 기판으로부터 금속 입자들의 분출을 감소시키고, 최종 전도체의 저항률을 감소시키고, 기판에 대한 최종 전도체의 접착력을 증가시키도록 선택될 수 있다. 일 예에서, 공기 중에서 열적 소결된 구리 전도체의 광소결 이후에 전도체의 두께는 약 1 ㎛일 수 있으며, 전도체의 저항률은 약 2 × 10-5 Ω.㎝일 수 있다.
금속 페이스트는 공기 중 또는 불활성 분위기에서 건조될 수 있다. 금속 페이스트 또는 건조된 금속 페이스트는 금속 전도체를 형성하도록 열적으로 경화될 수 있다. 열적 소결된 전도체는 전도체의 저항률을 감소시키도록 광소결될 수 있다. 몇몇의 경우에, 건조된 페이스트는 열적 소결 없이 광소결될 수 있다. 도 2는 금속 조성물로부터 저 저항률의 전도체를 형성하기 위한 공정(200)을 도시한다. 단계 202에서, 금속 페이스트가 기판 상에 도포된다. 단계 204에서, 기판은 페이스트를 건조시키도록 (예를 들어, 약 100 ℃에서 약 60 분 동안 오븐에서)가열될 수 있다. 단계 206에서, 건조된 페이스트가 열적으로 소결될 수 있다.
일 예에서, 열적 소결은 다음 단계들을 포함할 수 있다. 건조된 금속 페이스트를 갖는 기판이 실온에서 석영 튜브 내측에 로딩된다. 석영 튜브는 (예를 들어, 약 100 mTorr로)배기된다. 석영 튜브는 (예를 들어, 약 350 ℃로)가열되고 상기 온도로 안정화될 때까지 형성 가스(예를 들어, 질소와 혼합된 약 4 체적% 수소)로 세정될 수 있다. 코팅된 기판은 350℃에서 약 60분 동안 가열될 수 있다. 형성 가스와 히터가 꺼지고 상기 튜브는 (예를 들어, 100 ℃ 미만으로)기판을 냉각시키도록 불활성 가스(예를 들어, 질소)로 세정될 수 있다. 열적 소결된 전도체를 갖는 기판은 석영 튜브로부터 제거될 수 있다.
단계 208에서, 건조 또는 열적 소결된 금속 페이스트가 광소결된다. 고전압 플래쉬 제논 램프가 광소결을 위해 사용될 수 있다. 광소결은 감소된 전기 저항률 및 기판에 대한 증가된 접착력을 갖는 전도체를 생산하기 위해 약 100 ℃ 미만(예를 들어, 주위 온도 또는 약 20 ℃)의 온도에서 수행될 수 있다. 본 발명에 참조된 미국 특허 출원 공개 제 2008/0286488호에는 광소결 공정이 설명되어 있다.
광소결과 열적 소결 사이의 비교는 표 1에 제시되어 있다.
광소결과 열적 소결 간의 비교

열적 소결
 광소결
(형성가스 중에서 열적소결 이후) 공기 중에서 열적 소결 이후
기판 세라믹 폴리이미드 폴리이미드 폴리이미드 폴리이미드
코팅방법 블레이드 드로우다운 드로우다운 드로우다운 드로우다운
재료 ANI-2 ANI-1 ANI-1 ANI-1 ANI-1
Cu 입자크기(nm) ~200 ~50 ~50 ~50 ~50
건조온도 70℃ 100℃ 100℃ 100℃ 100℃
건조시간 60분 60분 60분 60분 60분
경화온도 300℃
350℃
500℃		 100℃
200℃
300℃		 350℃ 주위온도(~20℃) 주위온도(~20℃)
경화가스 형성가스
(N2중의 4체적%H2)		 공기 형성가스
(N2중의 4체적%H2)		 공기 공기
경화시간 60분 60분 60분 1.2 밀리초 1.2 밀리초
저항율
(Ω.㎝)		 4×102(300℃)
2×102(350℃)
2×10-4(500℃)		 4.50×103 3×10-4 2×10-5 2.00×10-4
최종필름두께
(㎛)		 ~10 ~1 ~1 ~1 ~1
구리 페이스트 ANI-1 및 ANI-2의 조성이 표 2에 제시되어 있다.
구리 페이스트 조성
페이스트 운반체
(중량%)		 용매
(중량%)		 Cu 재료
(중량%)		 3-롤
압연		 점성
(cP)		 분산제 첨가제
ANI-1 없음
(0 중량%)		 MMB1
(29중량%)		 구리 나노분말2
(69중량%)		 예 11,000 1.5%DISPERBYK(등록상표)-111 0.5%DISPERBYK(등록상표)-181
ANI-2 DJB-7153
(12.5중량%)		 테르피네올(37.5중량%) 구리 나노분말4
(50중량%)		 아니오 16,000 없음 없음
1 : 3-메톡실-3-메틸-1-부탄올
2 : 평균 직경 50 nm
3 : 대주(Daejoo) 화인 케미칼 주식회사(한국)으로부터의 대주 유기질 운반체
4 : 평균 직경 200 nm
도 3은 표 1의 구리 전도체를 위한 저항률(Ω.㎝) 대 소결 온도를 나타낸다. 지점(300)은 형성 가스 분위기에서 구리 페이스트 ANI-1을 열적 소결함으로써 형성된 전도체에 대한 약 3×10-4Ω.㎝의 저항률을 나타낸다. 지점(302)은 형성 가스 분위기에서 구리 페이스트 ANI-1을 열적 소결 이후에(지점 300) 약 20℃(1.2 밀리초, 1200 V)에서 공기중에서 광소결함으로써 형성된 전도체 필름에 대한 약 2×10-5Ω.㎝의 저항률을 나타낸다. 이와 같이 광소결은 약 1 차수 크기(an order of magnitude)만큼의 저항률을 감소시킨다.
지점(304,306,308)은 약 100 ℃, 약 200 ℃, 및 약 300 ℃에서 공기 중에서 구리 페이스트 ANI-1을 열적 소결함으로써 형성된 전도성 필름에 대한 약 4.5×103Ω.㎝의 저항률을 나타낸다. 지점(310)은 공기 중에서 구리 페이스트 ANI-1을 열적 소결한 후에(지점 304, 306, 및 308) 약 20 ℃(1.2 밀리초, 1200 V)에서 공기중에서 광소결함으로써 형성된 전도체 필름에 대한 약 2×10-4Ω.㎝의 저항률을 나타낸다. 이와 같이 광 소결은 7 차수 크기만큼의 저항률을 감소시킨다.
지점(312,314, 및 316)은 각각, 300 ℃, 약 350 ℃, 및 약 500 ℃에서 형성 가스(질소 중의 4 체적% H2) 중에서 구리 페이스트 ANI-2(나노입자 크기 200 nm, 첨가제 또는 분산제 없음)을 열적 소결함으로써 형성된 전도성 필름에 대한 약 4×102Ω.㎝, 약 2×102Ω.㎝, 및 약 2×10-4Ω.㎝의 저항률을 나타낸다. 이와 같이, 도 3은 임의의 온도 미만(예를 들어, 몇몇 경우에 약 400 ℃)에서, 단독으로 열적 소결에 의해 달성될 수 있는 것보다 더 낮은 저항률을 달성하기 위해 광소결이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 건조된 금속 페이스트는 중간의 열적 소결 단계 없이 광소결될 수 있다. 이는 보다 높은 열적 소결 온도에 의해 손상되는 기판에 대해 유리할 수 있다. 광소결 공정 내에 포함된 저온(예를 들어, 100 ℃ 미만)으로 인해, 기판에 대한 손상 없이, 폴리에틸렌, 폴리에테르, 난연제(flame retardant) 4 등과 같은 폴리머를 포함하는 기판 상에 금속 및 잉크로부터 10-5Ω.㎝ 또는 그 미만 차수의 저항률을 갖는 전도체를 (형성 가스 분위기의 사용 유무와 관계없이)형성하기 위해 광소결이 사용될 수 있다.
금속 조성물(예를 들어, 페이스트 또는 잉크)은 인쇄 회로판 상에 상호접점(interconnect)을 형성하는데 사용될 수 있다. 도 4는 광소결된 금속 페이스트로 형성된 인쇄된 금속 상호접점(402)을 갖는 조립체(400)를 도시한다. 상기 조립체(400)는 두 개 또는 그보다 많은 칩(406)을 갖는 기판(404)(예를 들어, 실리콘, 세라믹 또는 폴리이미드, 폴리에스터, 액체 결정질 폴리머 등과 같은 가요성 유기질 기판)을 포함할 수 있다. 각각의 칩(406)은 다른 칩 리드(408)와 연결될 수 있는 하나 또는 그보다 많은 금속 리드(408)를 가질 수 있다. 광소결 단계가 저온에서 수행될 수 있기 때문에, 금속 상호접점(402)은 기판(404) 상에 조립된 칩(406)들 사이에 상호접점을 제공하기 위해 칩 리드(408)에 직접 연결될 수 있다.
도 5는 광소결된 금속 조성물(예를 들어, 페이스트 또는 잉크)로부터 형성된 상호접점(402)이 칩 금속 리드(408)와 금속 상호접점(402) 사이의 비아(502)를 충전하는데 사용되는 조립체(500)를 도시한다. 기판(404)(예를 들어, 실리콘, 세라믹 또는 폴리이미드, 폴리에스터, 액체 결정질 폴리머 등과 같은 가요성 유기질 기판)은 기판 상에 배열되는 두 개 또는 그보다 많은 칩(406)을 포함할 수 있으며, 각각의 칩은 하나 또는 그보다 많은 금속 리드(408)를 가진다. 절연보호 코팅(conformal coating)(506)은 칩(406)을 덮도록 기판(404) 상에 인쇄될 수 있다. 금속 칩 리드(408) 쪽으로의 비아(502)가 천공되고 전도성 구리 페이스트로 충전된다. 그 후 구리 상호접점(402)이 비아(502) 상에 인쇄됨으로써, 칩 리드(408)를 연결할 수 있다. 이러한 공정은 다층 회로를 제조하기 위해 반복될 수 있다.
높은 점성(예를 들어, 약 10,000 cP 내지 약 60,000 cP)의 구리 페이스트가 두꺼운 라인의 인쇄를 가능하게 하기 위해 높은 구리 함량(예를 들어, 약 50 중량% 내지 약 80 중량%)으로 준비될 수 있다. 낮은 저항률을 갖는 두꺼운 라인들은 많은 전자기기 장치에 요구될 수 있는 높은 전류밀도를 운반할 수 있다. 구리 페이스트는 도 4 및 도 5의 상호접점 피쳐(402)의 바람직한 형태로 인쇄되거나 도 5의 비아(502)를 충전하는데 사용될 수 있다. 구리 페이스트의 점성 및 습윤 특징들은 상이한 상호접점 치수 또는 상이한 비아 치수 및 깊이에 대해 변경될 수 있다.
본 발명에서 설명된 금속 페이스트는 상호접점 길이 및 전기 저항을 감소시키기 위한 다층 상호접점을 형성하는데 사용될 수 있다. 그 결과, 보다 경량, 보다 작은 비용, 전기 신호에 대한 보다 작은 소음 및 보다 작은 소실을 갖는 고밀도 상호접점이 형성되어 향상된 칩 대 칩 연결을 제공한다. 본 발명에서 설명된 금속 페이스트는 칩 대 회로판 상호접점을 위한 회로 설계에 대한 성능 및 신뢰를 증가시킬뿐만 아니라 무연 납의 사용으로 인해 유발될 수 있는 얇은 휘스커(whisker) 성장 위험성(그리고 차후의 회로 단락)을 제거하기 위해 와이어 본딩 공정을 제거하는데도 사용될 수 있다. 직접적으로 증착(예를 들어, 스크린 인쇄) 및 광소결될 수 있는 금속 페이스트를 사용함으로써, 다층 회로판의 제작이 보다 간단해지고 비용을 줄일 수 있다.
몇몇 경우에, 금속 페이스트 또는 잉크로 형성되는 전도성 범프가 집적 회로와 다른 전자 회로 사이의 인터페이스를 형성하는데 사용될 수 있다. 도 6은 기판(404)이 집적 회로(406)를 지지하고 있는 전자기기 장치(600)를 도시한다. 집적 회로(406)는 기판(404) 상에 형성된 금속 범프(602)에 전기적으로 접속된다. 금속 범프(602)는 와이어(604)에 의해 집적 회로(406)에 연결된다. 몇몇 실시예에서, 금속 범프(602)는 구리 페이스트 또는 잉크로부터 형성되며, 와이어(604)는 구리 와이어이다.
도 7은 도 6의 조립체를 형성하기 위한 공정(700)을 도시한다. 단계 702에서, 금속 페이스트 또는 페이스트 액적이 잉크 또는 페이스트의 특성(예를 들어, 점성)에 따라 선택된 방법에 의해 기판 상에 증착된다. 기판은 예를 들어, 폴리이미드와 같은 폴리머일 수 있다. 단계 704에서, 와이어 부분(예를 들어, 와이어의 단부)이 상기 액적의 내측으로 삽입된다. 단계 706에서, 상기 액적(602)은 (예를 들어, 열적 소결, 광소결 등으로)경화된다. 와이어의 다른 부분(예를 들어, 다른 단부)은 예를 들어, 집적 회로에 고정될 수 있다. 광소결은 금속 벌크 필름 내측으로 금속 나노입자의 용융과 함께, (예를 들어, 구리 산화물을 구리로 환원에 의해)금속 산화물의 제거를 촉진시킨다. 소결 단계 이후에, 와이어는 고체 금속 범프 내에 고정됨으로써, 와이어와 금속 범프가 부착된 기판 사이의 전기 접속을 초래한다.
도 8은 기판(404) 상에 증착되어 광소결되는 금속 잉크 또는 페이스트로 형성되는 전도성 라인 또는 패드(802)를 포함하는 장치(800)를 도시한다. 전도성 라인 또는 패드는 예를 들어, 약 0.1 ㎛의 두께일 수 있다. 기판(404)은 KAPTON(등록상표)과 같은 중합체 재료를 포함할 수 있다. 테이프 본딩 와이어(804)가 광소결된 구리 패드(802)의 상부에 위치된다. 본딩 와이어(804)는 예를 들어, 약 25 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 금속 잉크 또는 페이스의 액적(예를 들어, 약 40 내지 60 ㎛의 직경)(806)이 전도성 패드/본딩 와이어 접합부(808) 상에 증착되어 액적을 건조시키기 위해 (예를 들어, 100 ℃에서 30 분 동안)소성(bake)된다. 그 후 상기 액적은 광소결되고 저항이 와이어 접합부(808)를 통해 측정되었다.
도 9a 내지 도 9f는 도 8에 대해 설명된 공정의 여러 단계들을 나타내는 사진이다. 도 9a 및 도 9c는 광소결 이전의 구리 액적(806) 내에 삽입되는 구리 와이어(804)를 도시한다. 도 9b 및 도 도 9d 내지 도 9f는 광소결 이후의 구리 범프(900)를 도시한다.
몇몇 경우에서, 도 10에 도시한 바와 같이 금속 범프는 유연(compliant)할 수 있다. 유연한 범프(1000)는 기판(404) 상에 유연한 폴리머 재료(1002)를 증착함으로써 형성될 수 있다. 그 후, 금속 잉크 또는 페이스트(1004)는 폴리머 재료(1002) 위에 증착된다. 와이어는 금속 잉크 또는 페이스트(1004) 내측에 삽입될 수 있으며, 그 액적은 상기 와이어를 경화된 금속 전도체에 고정하도록 (예를 들어, 광소결에 의해)경화된다. 이러한 공정은 100 ℃ 미만의 온도에서 수행될 수 있다.
제작 비용은 금속 범프가 금 이외에 예를 들어, 구리로 형성될 때, 여러 이유로 감소될 수 있다. 첫째, 구리 액적은 선택된 인쇄 기술에 의해 정밀하게 위치될 수 있다(예를 들어, 구리 잉크는 잉크젯 인쇄될 수 있다). 둘째, 구리 범프가 100 ℃ 미만의 온도에서 경화(예를 들어, 광소결)될 수 있기 때문에, 고온 공정에 의한 손상 없이 기판 재료를 더 넓게 배열할 수 있다. 셋째, 구리 범프가 저온에서 경화될 수 있기 때문에, 칩 패드와 전도성 범프 사이의 본딩 중에 발생하는 금속의 산화를 최소화하면서 (불활성 분위기 보다는)공기 분위기에서 소결이 수행될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 전술한 설명은 본 발명의 범주를 설명하기 위한 것이지 제한하려는 것이 아니며, 본 발명의 범주는 다음의 특허청구범위에 의해 정의된다고 이해해야 한다. 다른 특징, 장점 및 변형예는 다음 특허청구범위의 범주 내에 있다.

Claims (30)

  1. 용매 및 내부에 분산된 복수의 금속 나노입자들을 포함하는 금속 페이스트로서,
    상기 금속 페이스트는 상기 금속 페이스트의 경화에 의해 약 5 ×10-4Ω.㎝ 또는 그 미만의 저항률을 갖는 금속 전도체가 형성되도록 조성되는,
    금속 페이스트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자들은 구리를 포함하는,
    금속 페이스트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 경화는 열적 소결을 포함하는,
    금속 페이스트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 경화는 수소와 질소를 포함하는 형성 가스 내에서의 열적 소결을 포함하는,
    금속 페이스트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 경화는 광소결(photosintering)을 포함하는,
    금속 페이스트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 경화는 주위 온도의 공기 중에서의 광소결을 포함하는,
    금속 페이스트.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 광소결은 상기 금속 페이스트의 열적 소결이 선행되는,
    금속 페이스트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 페이스트의 열적 소결은 형성 가스 내에서 수행되는,
    금속 페이스트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 경화는 약 350 ℃ 또는 그 미만의 온도에서 발생하는,
    금속 페이스트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 페이스트는 폴리머 기판 상에서 경화되는,
    금속 페이스트.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자들은 약 50 nm 내지 약 200 nm의 평균 직경을 가지는,
    금속 페이스트.
  12. 금속 전도체의 제조 방법으로서,
    약 5 ×10-4Ω.㎝ 또는 그 미만의 저항률을 갖는 상기 금속 전도체를 제공하기 위해 금속 페이스트를 경화하는 단계를 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 금속 페이스트는 구리 나노입자들을 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 경화 단계는 형성 가스 내에서의 열적 소결 단계를 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 형성 가스는 수소와 질소를 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 경화 단계는 광소결 단계를 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 경화 단계는 주위 온도의 공기 중에서의 광소결 단계를 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 광소결 이전에 상기 금속 페이스트의 열적 소결 단계를 더 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 광소결 단계 이전에 형성 가스 내에서 상기 금속 페이스트를 열적 소결하는 단계를 더 포함하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 경화 단계는 약 350 ℃ 또는 그 미만의 온도에서 발생하는,
    금속 전도체의 제조 방법.
  21. 금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체로서,
    상기 금속 전도체는 경화된 금속 페이스트 또는 잉크를 포함하며 약 5 ×10-4Ω.㎝ 또는 그 미만의 저항률을 가지는,
    금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속 페이스트 또는 잉크는 구리 나노입자들을 포함하는,
    금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 경화된 금속 페이스트 또는 잉크는 열적 소결된 금속 페이스트 또는 잉크를 포함하는,
    금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 경화된 금속 페이스트 또는 잉크는 광소결된 금속 페이스트 또는 잉크를 포함하는,
    금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속 전도체는 약 2 ×10-5Ω.㎝ 또는 그 미만의 저항률을 가지는,
    금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속 전도체는 상기 제 1 및 제 2 전기 부품과 직접 접촉되는,
    금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속 전도체는 열적 소결 또는 광소결된 금속 페이스트로 충전된 비아를 통해 상기 제 1 및 제 2 전기 부품에 연결되는,
    금속 전도체에 의해 상호연결되는 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전기 조립체.
  28. 와이어를 전도체에 고정하는 방법으로서,
    금속 나노입자들을 포함하는 금속 조성물의 액적(drop)을 기판 상에 증착하는 단계와,
    금속 와이어의 일부를 상기 액적 내측에 삽입하는 단계와,
    상기 금속 조성물을 소결하는 단계, 및
    상기 와이어를 고화된 상기 금속 조성물에 고정하는 단계를 포함하는,
    와이어를 전도체에 고정하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 금속 와이어의 일부는 상기 금속 조성물이 소결된 이후에 상기 금속 조성물 내에 삽입되는,
    와이어를 전도체에 고정하는 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자들은 구리를 포함하는,
    와이어를 전도체에 고정하는 방법.
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