KR20120013350A - 광 및／또는 레이저 소결을 향상시키기 위한 버퍼층 - Google Patents

광 및／또는 레이저 소결을 향상시키기 위한 버퍼층 Download PDF

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Abstract

전도성 라인이 기판상에 증착되어 전자 부품들 사이의 전도성을 위한 트레이스를 생성시킨다. 패턴화된 금속 층이 기판상에 형성되며, 이어서, 저열전도성을 지닌 물질의 층이 패턴화된 금속 층과 기판상에 코팅된다. 비아가 저열전도성을 지닌 물질의 층을 통해서 형성되어서, 패턴화된 금속층의 일부를 노출시킨다. 이어서, 전도성 잉크의 필름이 저열전도성을 지닌 물질의 층상에 및 비아내로 코팅되어 패턴화된 층의 일부를 코팅시키고, 이어서, 소결된다. 패턴화된 금속 층의 일부상에 코팅된 전도성 잉크의 필름은 저열전도성을 지닌 물질의 층 상에 코팅된 전도성 잉크의 필름만큼 많은 소결로부터의 에너지를 흡수하지 않는다. 저열전도성을 지닌 물질의 층은 폴리머, 예컨대, 폴리이미드일 수 있다.

Description

광 및／또는 레이저 소결을 향상시키기 위한 버퍼층{BUFFER LAYER TO ENHANCE PHOTO AND/OR LASER SINTERING}
본 출원은 미국가특허출원 제 61/174,758호 및 제61/163,894호에 대한 우선권을 주장한다.
배경 정보
마이크로전자 및 반도체 패키징 산업은 인쇄 전자로 이동하기 시작했다. 전자회로는 서로 전기 전도되는 다양한 부품을 포함한다. 상이한 부품들 사이의 그러한 전기적 연결은 전도성 잉크에 의해서 기판상에 인쇄될 수 있는 전도성 금속 트레이스(conductive metal trace)로 제조될 수 있다. 그러한 잉크는 전도성이 되게 하기 위해서 기판상에 증착된 후에 가공되고 소결된다. 열 소결은 높은 온도(예, ≥250℃)를 이용하여 잉크중의 나노입자들을 융합시킨다. 광자(광) 및 레이저 소결은 하부 기판을 손상시키지 않기 위해서 및 낮은 온도에서 아주 짧은 시간(예, 마이크로 초(microsecond)) 내에 나노입자들을 융합시키기 위해서 아주 높은 세기의 램프/레이저를 이용한다. 그러나, 광/레이저 소결 공정은 나노입자들이 에너지를 효과적으로 흡수하고 열에너지가 기판 내로 소산되기 전에 소결시키기 이해서 기판용의 저열전도성 물질을 필요로 하는 제한이 있다. 달리 설명하면, 이들 적용에서 사용될 수 있는 기판은 저열전도성 물질로 아주 제한될 것이다.
다른 한편으로는, 저열전도성 기판이 가요성 인쇄 전자에 사용될 수 있다. 저온 융점 물질, 예컨대, 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르(PET) 등은 나노입자 잉크가 적절히 소결되는 것을 억제할 것이며, 저항이 매우 높은 결과로 인해서 기판이 손상될 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 4개의 실리콘 웨이퍼상에서 광(photo) 소결된 구리 잉크를 나타내는 디지탈 사진이다.
도 2는 광 소결되기 전의 구리 잉크를 나타내는 디지탈 사진이다.
도 3은 광 소결된 후의 구리 잉크를 나타내는 디지탈 사진이다.
도 4는 캡톤 기판(Kapton substrate)상의 레이저 소결된 라인을 나타내는 디지탈 사진이다.
도 5는 도 4의 레이저 소결된 라인을 나타내는 확대된 디지탈 사진이다.
도 6은 레이저에 의해서 소결된 구리 잉크 저항이 레이저 파워에 반비례할 뿐만 아니라, 폴리이미드로 제조된 버퍼층 두께에 반비례함을 나타내는 그래프를 예시하고 있다.
도 7은 다양한 스핀 속도(spin speed)에서 측정된 경화된 폴리이미드의 두께를 나타내는 그래프를 예시하고 있다.
도 8은 소결된 구리 필름의 저항이 폴리이미드 두께에 반비례함을 나타내는 그래프를 예시하고 있다.
도 9는 구리 잉크 필름의 폴리이미드에 대한 용착이 폴리이미드 두께에 비례함을 나타내는 그래프를 예시하고 있다.
도 10은 레이저 기록 라인 폭이 레이저 파워 밀도에 비례함을 나타내는 그래프를 예시하고 있다.
도 11a 내지 도 11f는 본 발명의 구체예에 따른 공정을 예시하고 있다.
상세한 설명
본 발명의 구체예는 폴리이미드 기판상의 금속성 나노입자를 효과적으로 소결시켜서 필름이 벌크 물질(bulk material) 근처에서 매우 전도성이 되게 하기 위한 광 소결 공정을 개시하고 있다. 다른 한편으로, 광 소결 공정은 고열전도성을 지니는 기판, 예컨대, 세라믹 및 실리콘 웨이퍼 상에 코팅된 나노입자 잉크 상에서는 잘 수행되지 않는다. 표 1은 다양한 물질의 열전도성을 나타낸다.
표 1
Figure pct00001
Figure pct00002
광 소결 과정 동안에 나노입자들로부터의 열에너지 소산을 단절시켜 나노입자들이 더 효과적으로 융합되게 하기 위해서, 저열전도성 물질, 예컨대, 폴리이미드가 다른 고열전도성 기판, 예컨대, 세라믹 및 실리콘 웨이퍼에의 코팅 물질로서 사용될 수 있다. 열 소산의 신속한 정도는 저열전도성 물질(예, 폴리이미드 필름)의 두께에 좌우된다.
하기 실험은 본 발명의 작동 방법을 나타내기 위해서 수행되었다. 세 개의 웨이퍼를 1, 1.5 및 2.3 마이크론 두께 DuPont PI-2610 폴리이미드로 각각 스핀 코팅시키고, 350℃에서 30분 동안 열 경화시켰다. 하나의 베어(bare) 실리콘 웨이퍼를 참조(웨이퍼 #1)로 사용하였다. 모든 네 개의 웨이퍼를 강하 공정(drawdown process)을 이용하여 구리 잉크로 코팅하였다. 100℃의 60분 건조 공정 후에, 각각의 웨이퍼를 세 가지의 상이한 에너지 수준으로 각각 소결된 세 개의 구역으로 분할하였다. 각각의 구역 및 각각의 웨이퍼에 대한 저항을 접압계로 측정하였고, 그 결과를 표 2에 기재한다. 표 2는 실리콘 웨이퍼상의 다양한 코팅 두께의 폴리이미드와 함께 광 소결된 후의 구리 필름의 전기 저항을 나타낸다.
표 2
Figure pct00003
여기서, 에너지 1 = 850/1050 V, 1000 μsec에 의한 3회 소결 샷(shot)
에너지 2 = 850/1150 V, 1000 μsec에 의한 4회 소결 샷
에너지 3 = 850/1250 V, 2000 μsec에 의한 5회 소결 샷
웨이퍼 4의 구역 3을 제외하고는, 4 개의 웨이퍼의 모든 구역이 광 소결 후의 저항에 변화가 없었다. 웨이퍼 4의 구역 3은, 도 1에 도시된 바와 같이, 가장 높은 에너지 수준에서 금속성 색상에서의 변화가 나타났다. 그 부분은 심각한 블로우 오프(blow off)를 지녔다. 주변 부분은 전도성인 구리 단편이 남았다. 이는 폴리이미드 물질이 단열체로서 사용될 수 있음을 나타내는 명백한 증거이다. 폴리이미드의 두께는 3 마이크론 초과일 수 있다. 열 전도성은 폴리이미드와 규소의 경우 각각 0.12 및 148 W/m.K이다. 열은 규소 기판(웨이퍼 #1)내로 너무 빨리 소산되어서 구리 나노입자를 소결시킬 수 없었는데, 그 이유는 폴리이미드 물질이 없었기 때문이다.
웨이퍼 1, 2 및 3은 모두 높은 저항(20 메가 오옴 초과)을 지녔다. 도 1에 도시된 바와 같이 저항이 20오옴인 중심 구역에서의 웨이퍼 4는 구리 나노입자 필름이 융합되고, 소결되고, 구리색으로 변화되기 시작하는 듯했다. 따라서, 더 두꺼운 저열전도성 물질이 양호한 단열체로서 사용될 수 있다.
상기 개시된 액체 폴리이미드 외에, 건조한 폴리이미드 필름이 또한 이용되었다. 구리 잉크를 50 마이크론 폴리이미드 필름(Kapton)상에 코팅시켰다. 샘플을, 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 및 카브발 고열전도성 히트 씽크(carbAL high thermal conductive heat sink) 상에 올려놓았다. 실리콘 그리스(Silicon grease)가 Kapton 및 실리콘 웨이퍼 및 carbAL 사이에 코팅되어 양호한 열 접촉이 이루어지게 하였다. 샘플을 단일 샷으로 동시에 광 소결하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 구리는 아주 잘 소결되었으며, 광택성 구리 색상으로 변하였다. Kapton이 어떠한 물질 상에 자리하였는지는 문제가 되지 않았다. 50 마이크론 이상의 두께의 폴리이미드가 광 소결 과정 동안에 열에너지 소산을 단절시키고 억제하기에 충분한 두께이지만, 전도성 트레이스의 전도성이 덜 요구되는 구체예에는 50 마이크론 미만의 두께가 이용될 수 있다.
또한, 레이저 소결이 상기 기재된 바와 동일한 설정으로 실리콘 웨이퍼에 대해서 이용되었다. 레이저는 830 nm 파장 및 800 mW 전력을 제공하는 솔리드 스테이트 다이오드였다. 포커스 빔 크기(focus beam size)는 직경 15 마이크론이었고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 콜리메이터(collimator)와 대물렌즈에 의해서 조절되었다.
이러한 레이저는 나노입자를 소결하고 융합시키며 전도성 구리 잉크를 변화시키기에 충분한 파워를 지녔다. 각각 1, 1.5, 2 및 3 마이크론 두께의 다양한 폴리이미드로 코팅된 4개의 실리콘 웨이퍼와 참조로서 베어 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 각각의 웨이퍼의 저항을 도 6에 레이저 파워로 플롯팅하였으며, 도 6은, 구리 필름 전도성이 폴리이미드 두께에 비례하고, 레이저에 의해서 생성된 열이 폴리이미드가 없는 베어 실리콘 웨이퍼에 존재하는 것보다 폴리이미드가 있는 경우에 기판에 덜 전달됨을 나타내고 있다. 이는 저열전도성을 지닌 어떠한 물질, 예컨대, 폴리이미드 물질이 단열체로서 사용될 수 있고 광 및 레이저 소결 공정을 향상시킴을 나타내는 명백한 증거이다.
추가로, 다양한 폴리이미드 두께를 실리콘 웨이퍼상에 코팅하고 350℃에서 1 시간 동안 경화시켰다. 이어서, 표준 구리 잉크를 강하(drawdown)에 의해서 코팅하고, 오븐에서 건조시키고, 광/레이저 소결시켰다. 전기적 측정을 수행하고 구리 잉크 샘플을 특정화하였다.
DuPont에 의해서 제조된 3 가지 유형의 폴리이미드 물질을 사용하여 1000, 2000, 3000, 4000 및 5000 rpm으로 실리콘 웨이퍼상에 스핀 코팅하였다. 도 7은 다양한 스핀 속도에서 측정된 경화 폴리이미드의 두께를 나타내는 그래프를 예시하고 있다. 범위는 각각의 웨이퍼상에 각각 1 내지 20 마이크론이었다.
샘플이 제조된 후에, 광 및 레이저 소결 둘 모두를 구리 잉크에 대해서 수행하였다. 상이한 유형의 소결을 저항 및 용착력 뿐만 아니라 레이저 소결의 경우의 라인 폭에 대해서 비교하였다. 표 3은 다양한 두께의 폴리이미드와 함께 동일한 에너지 수준에서 광 소결된 샘플을 나타내고 있다. 표 4는 다양한 두께의 폴리이미드와 함께 고정된 전력 수준에서 레이저 소결된 샘플을 나타내고 있다.
표 3
Figure pct00004
표 4
Figure pct00005
도 8은 소결된 구리 필름의 저항이 폴리이미드 두께에 반비례함을 나타내는 그래프를 예시하고 있다. 저항에 대한 포화점은 광 소결의 경우에는 대체로 10 마이크론이고, 레이저 소결의 경우에는 대체로 5 마이크론이다. 광 소결의 전력 밀도는 레이저 소결의 전력 밀도보다 아주 낮아서, 저항이 더 높은 이유를 제공한다.
도 9는 폴리이미드에 대한 구리 잉크 필름의 용착력이 폴리이미드 두께에 비례함을 나타내는 그래프를 예시하고 있다. 일부 노이즈 점(noise point)이 존재하지만 경향은 그래프로부터 명확하다. 폴리이미드가 더 두꺼우면 두꺼울수록 용착력은 더 우수하다. 또한, 양호한 용착력을 위한 폴리이미드 두께의 임계점은 광 소결의 경우에는 대체로 10 마이크론이고 레이저 소결의 경우에는 대체로 5 마이크론이다.
도 10은 레이저 기록 라인 폭(laser writing line width)이 레이저 파워 밀도에 비례함을 나타내는 그래프를 예시하고 있다. 주어진 레이저 파워에서, 레이저 기록 라인 폭은 또한 폴리이미드 필름 두께에 비례하여 폴리이미드가 이들 공정에 양호한 단열체임을 나타내는 증거를 제공한다. 구리 잉크 표면상에 조사된 레이저 에너지 및 열은 폴리이미드 두께가 증가하면 수직으로는 어떠한 깊이로 확산되지 않지만 측면으로는 확산될 수 있다.
도 11a 내지 도 11f를 참조하면, 본 발명의 구체예를 수행하는 공정이 예시되어 있다. 기판(1101)이 제공되고 그 위에 전자 회로가 탑재된다. 도 11b에서, 공지된 제조 공정을 이용함으로써, 금속 물질의 트레이스(1102)가 기판(1101)상에 요망되는 패턴으로 증착된다. 도 11c에서, 저열전도성 물질(1103), 예컨대, 폴리이미드의 층이 금속 트레이스(1102)와 기판(1101)상에 코팅된다. 증착되는 전도성 트레이스에 대한 추가의 패턴을 생성시키기 위해서, 비아(1104)들이 물질(1103)을 통해서 형성되어 금속 트레이스(1102)의 일부를 노출시킨다. 도 11e에서, 잉크 젯 장치(1106)가 전도성 잉크(1105), 예컨대, 구리 나노입자를 물질(1103) 및 비아(1104)들에 의해서 노출된 금속 트레이스(1102)상에 증착시킨다. 도 11F에서는, 본원에서 기재된 바와 같이, 광 또는 레이저 소결 공정이 증착된 전도성 잉크 나노입자(1105)상에서 수행되어 이들을 전도성 트레이스(1107)로 소결시킨다. 전도성 잉크의 증착 및 소결 공정은 본원에서 참조로 통합되는 미국특허공보 2008/0286488 A1에 기재되어 있다.
요약
1. 광 소결 공정의 효과는 금속성 나노입자 크기뿐만 아니라 물질의 유형에 좌우된다.
2. 효과적인 광 소결은 300nm 미만의 나노입자에 의해서 달성된다.
3. 기판의 열 전도성은 금속성 잉크 광 소결에 영향을 줄 것이다. 기판의 열전도성이 낮으면 낮을수록 나노입자 필름의 전기 전도성이 우수하다.
4. 고열전도성 기판은 효과적인 광 소결 공정을 위해서 저열전도성 물질, 예컨대, 폴리이미드 또는 폴리머를 코팅함으로써 개조되고 단열처리된다.
5. 열 소산을 단절시키는데 요구되는 폴리이미드의 코팅 두께는 약 1 내지 50 마이크론이다.
6. 전도성 필름이 되는 구리 잉크가 레이저 및 광 소결 둘 모두에 의해서 고열전도성 물질, 예컨대, 실리콘 웨이퍼상에서 입증되었다.
7. 고열전도성 실리콘 웨이퍼상에서의 열 소산이 웨이퍼상에 코팅된 다양한 폴리이미드 두께로 밝혀졌다. 저열전도성 물질이 버퍼층으로서 사용되어 열 소산을 저하시키고 광 또는 레이저 소결을 향상시킬 수 있다.
8. 구리 잉크는 광 소결의 경우 1x10-5 ohm-cm 및 레이저 소결의 경우 4x10-6 ohm-cm의 저항으로 실리콘 웨이퍼상에 코팅된 폴리이미드와 함께 소결될 수 있다.
9. 폴리이미드 물질은 고열전도성 기판상에서 단열체로서 사용되어 구리 잉크 광 및 레이저 소결 효과를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 저융점 기판에 단열체로서 적용되어 소결 공정 동안 열 손상을 방지할 수 있다.
10. 폴리이미드 층 및 금속 트레이스 층이 다층회로로서 여러 번 반복될 수 있다.
11. 폴리이미드 층은 유전물질로서 사용될 수 있으며 커패시터로서 혼입될 수 있다.
12. 나노-구리 잉크는 2-차원 및 3-차원 칩 패키징 적용에서 접촉 금속으로서 탑 층(top layer) 전도체에 사용될 수 있다.

Claims (25)

  1. 기판상에 전도성 라인을 증착시키는 방법으로서,
    기판상에 금속층을 일정한 패턴으로 증착시키고;
    패턴화된 금속층과 기판 상에 저열전도성을 지니는 물질의 층을 코팅하고;
    저열전도성을 지니는 물질의 층상에 전도성 잉크의 필름을 증착시키고;
    전도성 잉크의 필름을 소결시킴을 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 저열전도성을 지니는 물질의 층을 통해서 비아(via)를 형성시켜서 패턴화된 금속층의 일부를 노출시킴을 추가로 포함하고, 전도성 잉크의 필름의 증착이 전도성 잉크의 필름을 비아내로 증착시켜서 패턴화된 금속층의 일부를 전도성 잉크의 필름으로 코팅하는 것을 포함하고, 패턴화된 금속층의 일부를 코팅하는 전도성 잉크의 필름이 또한 소결되는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 패턴화된 금속층의 일부상에 코팅된 전도성 잉크의 필름이 저열전도성을 지닌 물질의 층 상에 코팅된 전도성 잉크의 필름만큼 많은 소결로부터의 에너지를 소산시키지 않는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 저열전도성을 지니는 물질의 층이 폴리머를 포함하는 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 저열전도성을 지니는 물질의 층이 폴리이미드를 포함하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 폴리이미드의 두께가 50 마이크론 이상인 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 소결이 광 소결 장치에 의해서 수행되는 방법.
  8. 제 5항에 있어서, 소결이 레이저 소결 장치에 의해서 수행되는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 레이저 소결 장치가 830nm 파장 및 800mW 전력을 제공하는 솔리드 스테이트 다이오드(solid state diode)를 포함하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 솔리드 스테이트 다이오드의 포커스 빔 크기(focus beam size)가 직경 15 마이크론인 방법.
  11. 제 5항에 있어서, 폴리이미드의 두께가 5 마이크론 이상인 방법.
  12. 제 5항에 있어서, 폴리이미드의 두께가 2.3 마이크론 이상인 방법.
  13. 제 5항에 있어서, 기판이 규소를 포함하는 방법.
  14. 제 5항에 있어서, 기판이 세라믹을 포함하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 기판이 저열전도성을 지닌 물질의 층보다 더 큰 열전도성을 지니는 방법.
  16. 제 5항에 있어서, 전도성 잉크의 필름이 구리 나노입자를 포함하는 방법.
  17. 기판;
    기판상에 증착된 금속 트레이스의 일정한 패턴;
    기판과 기판상에 증착된 금속 트레이스의 패턴상에 코팅된 저열전도성 물질의 층으로서, 비아(via)들이 금속 트레이스의 일부 패턴상에 있는 저열전도성 물질의 층을 통해서 형성되어 있는 저열전도성 물질의 층; 및
    기판상에 코팅된 저열전도성 물질의 층상에 코팅된 소결된 전도성 잉크의 필름으로서, 저열전도성 물질의 층을 통해서 형성된 비아들 내의 금속 트레이스의 일부 패턴상에 코팅되어 있는 소결된 전도성 잉크의 필름을 포함하는 전자회로.
  18. 제 17항에 있어서, 기판이 저열전도성 물질의 층보다 더 높은 열전도성을 지니는 전자회로.
  19. 제 18항에 있어서, 저열전도성 물질의 층이 폴리이미드를 포함하는 전자회로.
  20. 제 19항에 있어서, 폴리이미드의 두께가 50 마이크론 이상인 전자회로.
  21. 제 19항에 있어서, 소결된 전도성 잉크가 광 소결 장치에 의해서 소결된 구리 나노입자를 포함되는 전자회로.
  22. 제 19항에 있어서, 소결된 전도성 잉크가 레이저 소결 장치에 의해서 소결된 구리 나노입자를 포함되는 전자회로.
  23. 제 19항에 있어서, 폴리이미드의 두께가 5 마이크론 이상인 전자회로.
  24. 제 19항에 있어서, 폴리이미드의 두께가 2.3 마이크론 이상인 전자회로.
  25. 제 19항에 있어서, 기판이 규소를 포함하는 전자회로.
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