KR20110114946A - 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제 및 그 제조방법은, 기판 간의 접합 또는 기판 및 칩 간의 접합 시 사용되는 접착제에 있어서, 접착성을 가지는 폴리머기재 및 상기 폴리머기재에 혼합되며, 접합 대상인 기판 또는 칩을 상호 전기적으로 연결시키는 복수의 탄소나노튜브 응집체를 포함한다.

Description

탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제 및 그 제조방법{Anisotropic Conductive Adhesive Included Carbon Nanotube Agglomerates And Manufacturing Method}
본 발명은 기판 또는 칩을 상호 접합 시 사용되는 접착제에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폴리머기재 내에 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제에 관한 것이다.
전자패키징에서 칩을 기판에 접합하기 위해 일면에 범프가 형성된 기판 또는 칩을 직접 범프가 형성된 기판에 서로 맞추어 접합하는 방법이 사용되고 있다.
또한, 이 과정에서 기판 또는 칩을 상호 접합하기 위한 접착제로는 이방성 도전성 접착제(ACA)가 사용되고 있다. 구체적으로, 상기 이방성 도전성 접착제를 기판에 도포한 후 접합한 후 경화시키는 방식으로 접합하는 방법이 사용된다. 이하 도면을 참조하여 종래의 기판 또는 칩 간의 접합 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 기판 및 칩을 종래의 이방성 도전성 접착제를 사용하여 접합하는 첫 번째 과정이 도시된 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 과정에서는 하부의 기판(120) 및 상부의 칩(110)이 서로 접합되는 것으로 예시되며, 기판(120) 상에 이방성 도전성 접착제(140)가 도포된다. 그리고, 상기 이방성 도전성 접착제(140)에는 복수 개의 전도성 입자(130)가 포함된다.
이후, 기판(120)의 일면에 형성된 범프(120a)에 칩(110)의 일면에 형성된 범프(110a)를 맞추어 열 및 압력을 가하여 압착한다.
도 2는 종래의 기판 및 칩을 종래의 이방성 도전성 접착제를 사용하여 접합하는 두 번째 과정이 도시된 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 과정을 거친 하부의 기판(120) 및 상부의 칩(110)이 서로 이방성 도전성 접착제(140)에 의해 접합된다. 그리고, 기판(120)의 일면에 형성된 범프(120a)와 칩(110)의 일면에 형성된 범프(110a) 사이에는, 전도성 입자(130)가 끼어 동시에 압착되고, 이로 인해 기판(120)의 범프(120a) 및 칩(110)의 범프(110a)는 서로 전기적으로 연결된다.
이와 같이, 일면에 범프가 형성된 기판 또는 칩을 직접 범프가 형성된 기판에 서로 맞추어 접합하는 방법을 사용함으로써, 공정의 단축과 소형 경량화를 가져오게 되었다.
하지만, 기술이 발전함에 따라 기판 또는 칩은 소형화 및 고집적화되어, 상기 범프 간의 피치가 20㎛이하로 크게 줄어들게 되었다. 이에 반해, 이방성 도전성 접착제 내에 포함된 도전성 입자의 크기는 기존과 차이가 없어 접합 시 문제점이 발생하였다. 이하에서 상기 문제점에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 고집적화로 범프 간의 피치가 줄어든 기판 및 칩에 브리징 현상 및 오픈 현상이 발생하는 것을 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기한 바와 같이 기판(220)의 범프(220a) 및 칩(210)의 범프(210a)들의 피치는 종래에 비해 크게 줄어들었으며, 이방성 도전성 접착제(240)에 포함되는 전도성 입자(230)의 크기는 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.
이로 인해, 전도성 입자(230)가 일정 구간에 뭉쳐 존재할 경우에는, 각 범프(210a, 220a)의 피치 사이에 전도성 입자(230)가 끼게 되어, 인접한 범프가 서로 전기적으로 도전되는 브리징 현상이 일어나는 경우가 있다는 문제가 있었다.
또한, 전도성 입자(230)의 밀도가 낮은 부분에서는 칩(210)의 범프(210a) 및 기판(220)의 범프(220a) 사이에 전도성 입자가(230) 끼워지지 않는 오픈 현상이 일어나는 경우가 있다는 문제가 있었다.
그리고, 종래의 이방성 도전성 접착제는 폴리머 기재의 열방출 효율이 낮기 때문에 열적 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있었다.
따라서, 이와 같은 문제를 해결할 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판 또는 칩에 형성된 복수의 범프가 상호 이격된 거리보다 작은 크기를 갖는 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제 및 제조방법을 제공함에 있다.
그리고, 열 및 기계적 신뢰성이 향상된 이방성 도전성 접착제를 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과정을 해결하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제는, 기판 간의 접합 또는 기판 및 칩 간의 접합 시 사용되는 접착제에 있어서, 접착성을 가지는 폴리머기재 및 상기 폴리머기재에 혼합되며, 접합 대상인 기판 또는 칩을 상호 전기적으로 연결시키는 복수의 탄소나노튜브 응집체를 포함한다.
그리고, 상기 탄소나노튜브 응집체에서 분리되어 상기 폴리머 기재에 혼합되어 있는 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 응집체의 폭은 상기 기판의 일면 또는 칩의 일면에 형성된 복수의 범프가 상호 이격된 거리보다 작게 형성될 수 있다.
한편, 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제의 제조방법은, 탄소나노튜브를 구비하는 준비단계, 탄소나노튜브를 상호 응집시켜 소정 입도를 가지는 탄소나노튜브 응집체군을 형성하는 응집체군 형성단계, 상기 탄소나노튜브 응집체군을 폴리머기재에 혼합하는 혼합단계 및 상기 탄소나노튜브 응집체군을 상기 폴리머기재 내에서 복수 개의 탄소나노튜브 응집체로 분산시키는 분산단계를 포함한다.
그리고, 상기 응집체군 형성단계는, 볼밀 장치에 탄소나노튜브를 볼밀링 작업을 수행함으로 인해 상기 탄소나노튜브 응집체군이 형성될 수 있다.
또한, 상기 분산단계는, 상기 탄소나노튜브 응집체의 분산 과정에서 탄소나노튜브가 탈락될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 탄소나노튜브 응집체의 크기는 기판 또는 칩에 형성된 복수의 범프 간의 상호 거리보다 더 작고 미세하게 형성되므로, 접합 시 탄소나노튜브 응집체가 서로 인접한 범프 사이에 끼워지는 현상이 발생하지 않는다는 장점이 있다.
둘째, 탄소나노튜브는 열전도율이 뛰어나며, 본 발명은 탄소나노튜브 응집체에서 탈락되어 폴리머기재에 혼합된 탄소나노튜브를 더 포함하므로, 방열효과가 뛰어나다는 장점이 있다.
셋째, 접합이 완료된 패키지는 탄소나노튜브 응집체 또는 탄소나노튜브의 재질적 특성에 의한 우수한 열 및 기계적 신뢰성을 갖는다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 기판 및 칩을 종래의 이방성 도전성 접착제를 사용하여 접합하는 첫 번째 과정이 도시된 단면도;
도 2는 종래의 기판 및 칩을 종래의 이방성 도전성 접착제를 사용하여 접합하는 두 번째 과정이 도시된 단면도;
도 3은 고집적화로 범프 간의 피치가 줄어든 기판 및 칩에 브리징 현상 및 오픈 현상이 발생하는 것을 나타낸 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 응집체의 SEM 이미지; 및
도 5는 본 발명에 따른 이방성 도전성 접착제를 사용하여 기판 및 칩이 접합된 모습을 나타내는 단면도이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 상기 배경기술에서 설명한 바와 같이, 종래의 이방성 도전성 접착제에 포함된 전도성 입자는 고집적화된 기판 또는 칩에 형성된 범프 간의 피치 사이에 끼어 브리징 현상이 발생하였다.
따라서, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 전도성 입자의 크기가 더욱 작아야 할 필요가 있으며, 이를 위해 본 발명에서는 탄소나노튜브 응집체가 사용된다.
일반적으로, 탄소나노튜브는 관 모양으로 형성되며, 그 지름은 ㎚수준으로 극히 미세하다. 또한, 전기 전도도가 구리 정도의 수준을 보이며, 극히 우수한 열전도율을 갖는다.
더불어, 강도가 매우 뛰어나므로 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있다. 구체적으로, 탄소나노튜브는 강철보다 10~100배 견고하고 물리적인 충격에 강하며, 탄소나노튜브에 힘을 가하면 손상 없이 구부러지고, 힘을 제거하면 원래 상태로 돌아간다.
하지만, 탄소나노튜브는 일반적으로 관 형태를 가지므로, 전도성 입자로 사용하기 위해서는 상기 탄소나노튜브를 응집시켜 소정의 모양을 형성할 필요가 있다. 일반적으로, 탄소나노튜브는 합성 과정에서 응집 현상이 발생되지만, 이와 같은 자연적 응집 과정에서는 원하는 적절한 크기대로 응집체를 형성하기에는 어려움이 따른다.
따라서, 본 발명에서는 탄소나노튜브를 볼밀(Ball Mill) 장치에서 볼밀링(Ball Milling) 작업을 수행하여 상기 탄소나노튜브 응집체군을 형성시키는 방법이 사용된다. 이때, 볼밀 장비는 주지, 관용된 기술이므로 볼밀 장비에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 응집체의 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하면, 상기 볼밀에 의해 볼밀링 작업이 수행된 탄소나노튜브 응집체군이 도시된다.
도시된 바와 같이, 탄소나노튜브에 볼밀 작업을 수행할 경우, 복수의 탄소나노튜브 응집체가 형성되며, 상기 탄소나노튜브 응집체가 밀집되어 군이 형성된다. 이때 각 탄소나노튜브 응집체의 입도는 50~200㎚로 접착제의 전도성 입자로 사용하기에 적절한 크기를 갖는다.
따라서, 이후 볼밀링 작업에 의해 형성된 탄소나노튜브 응집체군을 접착성을 갖는 폴리머기재에 탄소나노튜브 응집체가 고르게 분포되도록 혼합하여 접착제를 조성할 수 있다.
이와 같이, 탄소나노튜브 응집체는 입도의 크기가 매우 작기 때문에 고집적화되어 범프의 피치가 줄어든 기판 및 칩의 접합에 전도성 입자로 사용하여도 상기 범프 사이에 탄소나노튜브 응집체가 끼는 브리징 현상이 발생하지 않는 것이다. 더불어, 탄소나노튜브 응집체는 기존의 전도성 입자에 비해 우수한 전도성 및 강성을 가지므로, 패키지 자체의 내구성 및 성능이 전체적으로 상승되는 효과가 있다.
한편, 상기 혼합 과정 중, 탄소나노튜브 응집체에서 탄소나노튜브가 탈락되어 상기 폴리머기재 내의 탄소나노튜브 응집체 사이사이에 위치될 수 있다. 탄소나노튜브는 뛰어난 열전도율을 가지므로, 이와 같이 폴리머기재 내에 개별로 탈락된 탄소나노튜브가 더 포함될 경우에는, 접착제 자체의 방열 효과가 증대되어 열적 신뢰성이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제를 이용하여 기판 및 칩을 접합한 일실시예에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 이방성 도전성 접착제를 사용하여 기판(20) 및 칩(10)이 접합된 모습을 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 하부의 기판(20) 상에 상부의 칩(10)이 위치되어 접합되며, 본 실시예의 기판(20)의 범프(20a) 및 칩(10)의 범프(10a)는 고집적화됨으로써 범프 간의 피치가 20㎛이하로 제조된다.
이때, 탄소나노튜브 응집체(30)의 크기는 약 50~200㎚이므로, 상기 피치의 길이에 비하여 약 100배~400배 작은 크기를 갖는다. 도 5에서는 표현 및 설명의 편의를 위하여 탄소나노튜브 응집체(30)의 크기를 임의로 확대하여 도시한 것이다.
따라서, 이와 같이 탄소나노튜브 응집체(30)는 크기가 미세하므로, 본 발명의 전도성 입자인 탄소나노튜브 응집체(30)는 각 범프(20a, 10a) 사이에 끼게 되지 않아 브리징 현상이 발생하지 않는다. 동시에, 크기가 미세하므로 각 범프(20a, 10a) 사이에 전도성 입자가 존재하지 않게 되는 오픈 현상도 발생하지 않는다. 즉, 균일한 품질의 제품을 제조할 수 있다는 장점이 있는 것이다.
한편, 상기한 바와 같이, 탄소나노튜브 응집체(30)를 폴리머기재(40)에 혼합하는 과정 중에는, 탄소나노튜브 응집체(30)에서 탄소나노튜브(31)가 탈락되어 상기 폴리머기재(40) 내의 탄소나노튜브 응집체(30) 사이사이에 위치될 수 있다. 이로 인해 본 발명의 이방성 도전성 접착제는 방열 효과가 증대되어 열적 신뢰성이 향상될 수 있다.
이상으로 본 발명의 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제의 구조 및 성질에 대해 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제의 제조 방법의 순서를 따라 정리하여 설명하도록 한다.
본 발명의 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제의 제조 방법은, 탄소나노튜브를 구비하는 준비단계(S1), 탄소나노튜브를 상호 응집시켜 소정 입도를 가지는 탄소나노튜브 응집체군을 형성하는 응집체군 형성단계(S2), 상기 탄소나노튜브 응집체군을 폴리머기재에 혼합하는 혼합단계(S3) 및 상기 탄소나노튜브 응집체군을 상기 폴리머기재 내에서 복수 개의 탄소나노튜브 응집체로 분산시키는 분산단계(S4)를 포함한다.
구체적으로, 준비단계(S1)는, 탄소나노튜브를 볼밀 장치에 넣을 수 있도록 탄소나노튜브를 구비하는 단계이다. 본 과정은 탄소나노튜브를 합성하는 과정 및 운반하는 과정을 포함한다.
다음으로, 응집체군 형성단계(S2)는, 상기 탄소나노튜브를 볼밀 장치로 볼밀링 작업을 수행하는 단계로서, 본 과정에서 복수의 탄소나노튜브 응집체가 밀집되어 탄소나노튜브 응집체군이 형성된다. 이때, 상기한 바와 같이, 각 탄소나노튜브 응집체의 크기는 50~200㎚로 형성된다.
이후, 혼합단계(S3)가 수행되며, 본 과정에서는 접착성이 있는 폴리머기재에 상기 탄소나노튜브 응집체군을 혼합하는 작업이 수행된다.
다음으로, 분산단계(S4)가 수행되어, 상기 폴리머기재에 혼합된 탄소나노튜브 응집체군이 상기 폴리머기재 내에 고르게 분포되도록 분산시키는 작업이 이루어진다. 즉, 본 과정에서 상기 탄소나노튜브 응집체군을 구성하는 탄소나노튜브 응집체가 흩어져 접합에 적합하도록 분포된다.
또한, 상기한 바와 같이 본 과정에서는 상기 탄소나노튜브 응집체에서 탄소나노튜브가 탈락되어 상기 폴리머기재 내의 탄소나노튜브 응집체 사이사이에 위치됨으로써 접착제 자체의 방열효율이 더 증가되도록 할 수 있다.
상기와 같은 과정을 거쳐 본 발명의 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제가 제조되고, 이후 기판 또는 칩의 상호 접합 시 도포하여 종래에 비하여 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 칩 10a: 범프
20: 기판 20a: 범프
30: 탄소나노튜브 응집체 31: 탄소나노튜브
40: 폴리머기재

Claims (6)

  1. 기판 간의 접합 또는 기판 및 칩 간의 접합 시 사용되는 접착제에 있어서,
    접착성을 가지는 폴리머기재; 및
    상기 폴리머기재에 혼합되며, 접합 대상인 기판 또는 칩에 형성된 범프를 상호 전기적으로 연결시키는 복수의 탄소나노튜브 응집체;
    를 포함하는 이방성 도전성 접착제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 응집체에서 분리되어 상기 폴리머 기재에 혼합되는 탄소나노튜브를 더 포함하는 이방성 도전성 접착제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 응집체의 크기는 상기 기판의 일면 또는 칩의 일면에 형성된 복수의 범프가 상호 이격된 거리보다 작게 형성된 이방성 도전성 접착제.
  4. 탄소나노튜브를 구비하는 준비단계;
    탄소나노튜브를 상호 응집시켜 소정 입도를 가지는 탄소나노튜브 응집체군을 형성하는 응집체군 형성단계;
    상기 탄소나노튜브 응집체군을 폴리머기재에 혼합하는 혼합단계; 및
    상기 탄소나노튜브 응집체군을 상기 폴리머기재 내에서 복수 개의 탄소나노튜브 응집체로 분산시키는 분산단계;
    를 포함하는 이방성 도전성 접착제 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 응집체군 형성단계는,
    볼밀 장치에서 탄소나노튜브의 볼밀링 작업을 수행함으로 인해 상기 탄소나노튜브 응집체군이 형성되는 이방성 도전성 접착제 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 분산단계는,
    상기 탄소나노튜브 응집체의 분산 과정에서 상기 탄소나노튜브 응집체에서 탄소나노튜브가 탈락되는 이방성 도전성 접착제 제조방법.
KR1020100034348A 2010-04-14 2010-04-14 탄소나노튜브 응집체가 포함된 이방성 도전성 접착제 및 그 제조방법 KR101246805B1 (ko)

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