KR20120080987A - 낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법 - Google Patents

낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120080987A
KR20120080987A KR1020110002482A KR20110002482A KR20120080987A KR 20120080987 A KR20120080987 A KR 20120080987A KR 1020110002482 A KR1020110002482 A KR 1020110002482A KR 20110002482 A KR20110002482 A KR 20110002482A KR 20120080987 A KR20120080987 A KR 20120080987A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tin
nanoparticles
tin alloy
lead
alloy
Prior art date
Application number
KR1020110002482A
Other languages
English (en)
Inventor
김용상
Original Assignee
김용상
아이에스피(주)
김현수
이종현
장석필
조경진
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김용상, 아이에스피(주), 김현수, 이종현, 장석필, 조경진 filed Critical 김용상
Priority to KR1020110002482A priority Critical patent/KR20120080987A/ko
Priority to PCT/KR2012/000223 priority patent/WO2012096489A2/ko
Publication of KR20120080987A publication Critical patent/KR20120080987A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B22F1/054—Nanosized particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0016—Brazing of electronic components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B23K35/025—Pastes, creams, slurries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/14—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of tin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C5/00—Electrolytic production, recovery or refining of metal powders or porous metal masses
    • C25C5/02—Electrolytic production, recovery or refining of metal powders or porous metal masses from solutions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/11—Manufacturing methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11—Manufacturing methods
    • H01L2224/113—Manufacturing methods by local deposition of the material of the bump connector
    • H01L2224/1133—Manufacturing methods by local deposition of the material of the bump connector in solid form
    • H01L2224/11332—Manufacturing methods by local deposition of the material of the bump connector in solid form using a powder
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11—Manufacturing methods
    • H01L2224/115—Manufacturing methods by chemical or physical modification of a pre-existing or pre-deposited material
    • H01L2224/11505—Sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00013—Fully indexed content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01029—Copper [Cu]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0132—Binary Alloys
    • H01L2924/01322—Eutectic Alloys, i.e. obtained by a liquid transforming into two solid phases

Abstract

본 발명은 주석 또는 주석 합금을 전기분해하여 제조된 1?20㎚ 크기의 나노입자 및 그 제조방법에 관하여 개시한다. 상기 나노입자는 80?130℃의 온도 범위에서 표면 용융된다. 상기 나노 입자를 함유한 솔더 볼은 160℃ 이하에서 소결 할 수 있는바, 첫째 Rflow 공정시 가열 온도를 240℃에서 160℃까지 낮출 수 있기 때문에 기존에 사용되고 있는 74㎾의 에너지를 소모하는 Reflow 공정 장치를 50㎾의 에너지 사용으로 해결할 수 있어 22%의 에너지를 절약할 수 있다. 둘째 Reflow 공정의 온도를 낮춰 PCB 보드의 변형을 최소화할 수 있고, 유리전이 온도가 낮은 PET와 같은 저가 고분자 재료를 사용할 수 있게 됨으로써 단가가 저렴한 실장 재료의 적용 분야가 창출될 수 있다. 그리고 셋째 10㎚ 이하 크기의 나노입자를 사용할 경우 패드 위의 솔더 페이스트 균일성을 높일 수 있고 나노 솔더 잉크의 경우 입자의 크기가 작음으로 인해 미세 Patterning의 한계를 극복할 수 있다.

Description

낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법{TIN/TIN ALLOY NANOPARTICLES HAVING LOW MELTING POINT AND MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
무연 솔더 제조에 관한 선진 기술은 유해물질 사용에 대한 규제가 강화됨과 동시에 미국, 일본, 중국 등 여러 국가에서 개발되고 있다. 특히, 미국 Georgia Institute of Technology의 C.P. Wong 팀에서 무연 솔더의 가장 큰 문제점인 녹는점을 감소시키는 방법에 관한 연구를 활발히 진행해 오고 있다.
현재까지 진행되어온 국외에서의 무연 솔더에 관한 연구를 요약하면 다음과 같다.
대만의 National Tsing Hua University의 Li-Yin Hsiao 팀은 Sn-3.5Ag-xCu (x=0.2,0.5,1.0) 무연 솔더 나노입자를 제작하기 위하여 NaBH4를 이용한 화학 침전 방법을 이용하였고 Reflow 공정 후 젖음성이 우수하다는 것을 보여준다(2005년).
미국의 Georgia Institute of Technology의 C.P. Wong 팀은 다양한 크기의 주석 나노입자를 화학 환원법을 통해 제작하였고 시차주사열량법(differential scanning calorimetry, DSC)에 의한 분석 결과, 크기가 다른 주석 입자는 녹는점 강하의 거동이 다르다는 것을 증명하는 한편, 제작된 주석 나노입자는 마이크로 사이즈보다 융해열이 낮다는 것을 보여준다(2006년).
일본의 JEITA(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)는 Sn-3Ag-0.5Cu을 대표 무연 솔더 조성으로 추천하였다. 이 솔더는 RoHS 규정에 적합하도록 사용되어져 왔으며, 최고 수준의 접합 신뢰성을 제공한다. 또한 은 가격의 부담으로 인해 제2세대 무연 솔더로서 Sn-1Ag-0.7Cu와 Sn-0.3Ag-0.7Cu을 2007년 무연 공정 보고서 발표회(Lead-Free Progress Reports Meeting)에서 제안하였다(2006년 및 2007년).
미국의 Georgia Institute of Technology의 C.P. Wong 팀은 다양한 크기의 Sn-Ag 합금 나노 입자를 저온 화학 환원법을 통하여 제조하였고 시차주사열량법(DSC)을 통해 녹는점과 융해열의 입자 크기 의존성을 관찰하였으며, 나노입자의 직경이 평균 10nm일 때 녹는점은 194℃ 보다 낮다는 것은 보여준다(2007년).
중국의 Shanghai University의 Yulai Gao 팀은 나노입자를 CDCA 기술로 제작하였고, Sn-Ag-Cu 조성의 녹는점을 DSC로 측정한 결과 기존의 Sn-Pb 조성 솔더(183℃)와 비슷하다는 것을 보여준다(2009년).
미국의 Yale University의 Ainissa Ramirez 팀은 철 입자를 포함한 무독성의 Sn-Ag 솔더를 개발하여 기존의 납 함유 솔더 보다 녹는점이 높던 문제를 해결하였다(2010년).
위와 같이 국외에서는 무연 솔더의 조성뿐만이 아니라 제조 공정상의 단점을 극복하기 위한 다양한 기술들에 관하여 활발한 연구가 진행되어 왔다. 특히 무연 솔더의 녹는점에 관한 문제는 기존에 사용되었던 마이크로 입자 대신 나노 입자를 사용하면서 해결될 가능성을 제시하였다.
주석 기반의 무연 솔더는 Sn-Pb 조성의 솔더와 달리 217℃까지 녹는점이 높아지는 특성을 나타낸다. 이는 은(Ag)이나 구리(Cu)와 같이 납(Pb) 대신 사용된 합금 원소들은 매우 적은 양의 첨가만으로도 Sn과 공정(eutectic) 조성을 형성하는 특징을 가지는 한편, 그 공정 온도가 충분히 낮지 않기 때문이다. 따라서 대부분 95 중량% 이상의 주석 함량을 가진 무연 솔더가 많이 연구되었으나 다음과 같은 문제점들이 발생하게 되었다.
첫째, Reflow 공정시 예열(150℃)부터 240℃까지 고온의 가열이 필요해 에너지 소비가 높아진다.
둘째, Reflow 공정시 고온으로 인해 PCB 보드의 변형을 유발하고, 이를 방지하기 위해 유리 전이 온도가 높은 재료를 사용함으로서 PCB의 단가를 높인다.
셋째, 기존에 사용되고 있는 무연 솔더의 경우 입자의 직경이 20?38㎛이기 때문에 패드 위의 솔더 균일성이 좋지 않고 미세 patterning의 한계를 가진다.
따라서 본 발명의 목적은 솔더로서 낮은 용융 온도를 갖는 주석 또는 주석합금의 나노입자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 주석 나노입자는 주석으로서 1?20㎚의 입자 크기를 가지며, DSC로 측정되는 표면 용융 온도가 80℃ 내지 130℃의 범위에 속하는 것을 그 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 주석합금 나노입자는 주석과 이 주석 외의 은, 구리, 납, 니켓 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나를 포함하는 주석 합금으로서 1?20㎚의 입자 크기를 가지며, DSC로 측정되는 표면 용융 온도가 80℃ 내지 130℃의 범위에 속하는 것을 그 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 주석 또는 주석합금 나노입자의 제조방법은 주석 또는 이 주석 외의 은, 구리, 납, 니켓 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나를 포함하는 주석 합금으로 된 주석 전극판 또는 주석합금 전극판을 전극으로 사용하고, 염화나트륨 수용액 내에서 전기분해하여 1?20㎚ 크기의 나노입자로 제조 하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명은 Reflow 공정시 가열 온도를 240℃에서 160℃까지 낮출 수 있기 때문에 기존에 사용되고 있는 74㎾의 에너지를 소모하는 Reflow 공정 장치를 50㎾의 에너지 사용으로 해결할 수 있어 22%의 에너지를 절약할 수 있다. Reflow 공정의 온도를 낮춰 PCB 보드의 변형을 최소화할 수 있고, 유리전이 온도가 낮은 PET와 같은 저가 고분자 재료를 사용할 수 있게 됨으로써 단가가 저렴한 실장 재료의 적용 분야가 창출될 수 있다.
예컨대 10㎚ 이하 크기의 나노입자를 사용할 경우 도 1에 비교된 바와 같이 기존 솔더 페이스트에 비하여 전술한 본 발명에 따른 주석 또는 주석합금 나노입자로 구현되는 나노 솔더 페이스트의 균일성을 높일 수 있다.
또한 도 2에 나타낸 바와 같이 나노 솔더 잉크의 경우 입자의 크기가 작음으로 인해 미세 Patterning의 한계를 극복할 수 있다.
도 1은 기존 솔더 페이스트와 나노솔더 페이스트의 인쇄 공정성을 비교한 모식도이다.
도 2는 패드 위 솔더 잉크의 도포 공정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 주석 또는 주석합금 나노입자를 제조하기 위한 전기분해장치를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 주석 나노입자를 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 주석 나노입자의 DSC 분석 그래프이다.
도 6은 주석합금(Sn96.5-Ag3-Cu0.5) 나노입자의 DSC 분석 그래프이다.
본 발명은 1?20㎚ 크기의 주석 또는 주석 합금 나노입자 분말에 관한 것이다. 나노 입자 중 주석 나노입자의 표면 용융 온도는 80?90℃의 범위에 속하며, 주석 합금의 표면 용융 온도는 은, 구리, 니켈, 납 등 용융 온도가 큰 소재와의 합금 비율에 따라 상대적으로 130℃까지 높아질 수 있다. 주석 또는 주석 합금의 Reflow 공정시 가열 온도를 기존의 240℃에서 표면 용융 온도가 낮은 나노입자를 사용하여 160℃까지 낮출 수 있다.
본 발명에 따른 주석 또는 주석합금 나노입자의 제조는 주석 또는 주석 합금을 전기분해하여 제조할 수 있다. 이 경우 전기 분해시 전기 공급 볼트의 크기가 클수록, 전극의 간격이 좁을수록, 사용되는 전해질의 양이 많을수록 전기 분해에 사용되는 전력량이 커지며, 나노 입자의 추출 속도가 빨라진다. 금의 경우는 평균 1.8㎚ 수준 백금은 4.8㎚ 수준의 크기를 가지며 주석 또는 주석 합금의 나노 입자는 전자 현미경으로 확인 결과 초기 입자의 크기는 4?8㎚ 사이에 95% 이상이 분포하고 1?20㎚ 사이에 99.9% 이상이 분포함을 알 수 있었다.
주석 또는 주석 합금을 주성분으로 하는 나노입자의 제조방법으로 NaCl 수용액내에 위치한 두 개의 전극에 각각 은극과 양극의 직류 전기를 가함으로써 1?20nm 크기의 주석 입자를 제조 하는 것을 특징으로 하는 것을 첨부된 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 주석 나노입자의 제조를 위한 전기분해장치를 나타낸다. 도 3에 있어서, 파워서플라이(1)는 DC 540W를 공급하는데, 예를 들면 상용 또는 동력용 교류전압을 전원으로 하여 직류전압을 공급하는 정류회로로 구성될 수 있다. 이 파워서플라이(1)의 양극(+)과 음극(-)에 주석 전극판(2,3)을 각각 접속하여 전해액(4) 중에 간격을 두고 나란하게 고정한다. 전해액(4)은 순수에 염화나트륨, 구연산 나트륨 등 전해질을 첨가한 것이다. 한편, 전해조(5)는 유리나 스테인리스스틸로 제작하였다.
2개의 주석 전극판(2,3)을 전극으로 하여 전기가 그 양극에서 음극으로 흐르게 하면 전기분해가 일어나면서 전해액 중에 주석 나노입자가 생성되고, 주석 나노입자가 과포화하면서 전해액에 침전된다. 이렇게 하여 얻어진 주석 나노입자를 수거하여 3,4회 순수로 세척 후 진공건조, 상온건조 및 분쇄하여 소정의 주석 나노입자 분말을 얻을수 있다.
전기분해에 의한 주석 나노입자의 크기는 사용전압에 따라 미세하게 달라지는데, 본 발명의 주석 또는 다음에 설명되는 주석 합금의 나노입자는 DC 540V를 사용하였을 경우에 추출된 나노 입자 크기를 가진다. 전압이 낮아지면 더 미세 입자가 추출되고, 전압이 높아지면 더 큰 입자가 추출 된다. 입자 크기의 변화는 수나노 범위 이내이다.
상기와 같은 주석 나노입자 분말은 주석 외에 은, 구리, 니켈, 납으로 이루어진 일군에서 또는 이들의 조합으로 선택된 하나 또는 둘 이상의 금속 성분을 더 함유 할 수 있다. 주석 대신 주석 외에 은,구리,니켈,납으로 이루어진 일군에서 또는 이들의 조합으로 선택된 하나 또는 둘 이상의 금속으로 제조된 전극판을 전기분해 하여, 주석 합금을 나노입자화 할 수 있다. 얻어진 주석합금의 나노입자는 순수한 주석을 전기분해한 것과 유사한 입자 크기를 가지며 주석 합금에 사용된 금속의 양과 종류에 따라 표면 용융 온도가 80℃에서 130℃ 수준으로 나타나 주석 나노입자와 유사한 효과를 기대할수 있다.
[주석 나노입자 제조]
전술한 바와 같은 도 3의 전기분해장치에서, 전해액으로는 순수 100ℓ에 염화나트륨을 100g을 희석하여 용해시킨 염화나트륨 수용액을 사용하고, 길이 40㎝ 폭 3㎝ 두께 1㎝의 주석 전극판을 사용하였다. 2개의 주석 전극판에 DC 540V를 인가하였을 때, 초기에는 수 암페어의 전류가 흐르고 약 10분 뒤 전해조 내의 전해액, 즉 염화나트륨 수용액의 온도가 오르면서 10A의 전류가 흘렀고, 30분 뒤 염화나트륨 수용액 온도가 98℃ 수준으로 격렬하게 끓으면서 증발하기 시작했다. 염화나트륨 수용액 온도 35℃에서 45A의 전류가 오르락 내리락하며 흘렀고, 이때부터 순수를 자동으로 급수하는 펌프를 가동하여 물이 증발하며 낮아진 수위를 일정 수준으로 유지 시켰다.
이렇게 12시간이 경과한 후에 전해조에 침전된 주석 나노입자 약 100g을 수거하여 순수로 세척하고, 냉동 동결건조시킨 후 분쇄하여 주석 나노 입자를 제조하였다.
[주석-은-구리 합금(Sn96.5-Ag3-Cu0.5)의 나노입자 제조]
전술한 실시예 1과 같은 전기분해장치와 동일한 염화나트륨 수용액 그리고 동일한 크기의 주석-은-구리 합금으로 된 주석합금 전극판을 사용하여 동일한 전압을 인가하였다. 전기분해 초기에는 수 암페어의 전류가 흐르고 약 10분 뒤 염화나트륨 수용액 온도가 오르면서 10A의 전류가 흘렀고, 30분 뒤 전해조 내의 전해액 염화나트륨 수용액 온도가 98℃ 수준으로 격렬하게 끓으면서 증발하기 시작했다. 이때 35℃에서 45A의 전류가 오르락 내리락하며 흘렀다. 이때부터 순수를 자동으로 급수하는 펌프를 가동하여 물이 증발하며 낮아진 수위를 일정 수준으로 유지 시켰다.
이렇게 12시간이 경과한 후에 전기분해조에 침전된 주석합금(Sn96.5-Ag3-Cu0.5) 나노입자 약 100g을 수거하여 세척하고 냉동 동결건조시킨 후 분쇄하여 주석합금(Sn96.5-Ag3-Cu0.5) 나노입자를 제조하였다.
[주석 나노입자의 전자현미경 분석]
도 4는 전술한 실시예 1에서 얻어진 주석 나노입자의 전자현미경 사진으로, 대구광역시 소재 「대구?경북 나노부품 실용화센터」에 의뢰하여 촬영한 것이다. 이 전자현미경 사진을 통해 분석한 결과, 초기 입자의 95% 이상이 4?8㎚ 수준으로 그 크기가 매우 균일함을 확인할 수 있었다.
[주석나노입자의 DSC 분석]
도 5는 전술한 실시예 1에서 얻어진 주석 나노 입자의 DSC 분석 결과이며, 서울과학기술대 교수 이종현에 의해 분석된 것이다. 초기 출발 온도는 상온인 24℃였으며, 300℃까지 승온하였고, 승온 속도는 10℃/분이었다. 분석 결과, 86.07℃에서 상변화가 일어남을 확인할 수 있었다. 이는 주석 나노 입자의 표면에서 상변화(용융)가 일어남을 의미하는 것이다.
[주석합금(Sn96.5-Ag3-Cu0.5) 나노입자의 DSC 분석]
도 6은 전술한 실시예 2에서 얻어진 주석 외에 은, 구리, 니켈, 납으로 이루어진 일군에서 또는 이들의 조합으로 선택된 하나 또는 둘 이상의 금속의 나노 입자중 가장 일반적으로 사용되는 주석-구리-은(Sn96.5-Ag3-Cu0.5) 합금의 나노입자 DSC 분석 결과이며, 서울과학기술대 교수 이종현에 의해 분석된 것이다. 초기 출발 온도는 상온인 32℃ 였으며, 300℃까지 승온 하였고, 승온 속도는 10℃/분이었다. 분석 결과, 92.04℃에서 상변화가 일어남을 확인할 수 있었다. 이는 주석 합금(Sn96.5-Ag3-Cu0.5) 나노 입자의 표면에서 상변화(용융)가 일어남을 의미한다.
본 발명의 기술제품의 파급효과를 예측해 보면 다음과 같다.
[기술적 측면에서의 파급효과]
① 미래 소재로 각광받고 있는 나노 금속 입자의 대량 생산 및 내산화 억제에 대한 양산화 기술을 개발함으로써 관련 연구의 저변을 넓히고, 새로운 특성과 적용분야를 개척할 수 있다.
② 가격과 특성이 동시에 양호한 솔더 조성이 제시되지 않고 있는 온도 영역인 100℃ 초반과 100℃ 후반 영역에 적용 가능한 무연 솔더 소재가 제시됨으로써 200℃ 후반을 제외한 100℃ 초반 내지 300℃ 초반까지의 완벽한 솔더 라인업이 구축될 수 있다.
③ 현재까지 선보이지 않은 솔더 잉크의 개발에 의해 현재 상용화 공정 기술로 박차를 가하고 있는 잉크젯(ink-jet) 배선 기술에 적용 가능한 재료 라인업이 한층 강화되는 한편, 현재 양산이 진행되고 있는 SOP(solder on pad) 기술이나 곧 상용화될 것으로 보이는 TSV(through silicon via) 기술의 가장 효과적인 접속 소재로서 적용이 가능하다.
[경제적 산업적 측면에서의 파급효과]
① 솔더 조성에 대한 특허 경쟁이 완료되면서 관련 산업이 솔더 재료의 가공 기술로 급격히 재편되고 있다. 따라서 나노 입자 솔더 재료의 저가격, 대량 양산 기술의 조기 개발은 이윤이 큰 소재 사업으로 자리매김 할 것으로 예상된다.
② 나노 솔더 입자의 저융점 형성 거동은 에너지 효율 향상 및 탄소 배출 절감으로 공정 비용의 절감에 이바지한다. 특히 최근의 솔더링 공정이 지속적으로 오븐을 가열하여 사용하는 reflow 공정 중심으로 진행되고 있어 약 80℃의 공정 온도 감소는 공정 비용의 절감에 매우 효과적으로 작용하게 된다.
③ 미세 pitch 솔더링 뿐만 아니라, 100℃ 초반 내지 100℃ 후반의 저온 무연 솔더링을 구현할 수 있는 재료 기반을 갖추게 됨으로써 열적으로 취약한 저가 고분자 소재 기반의 미래 전기전자제품 제조에 요구되는 핵심 금속 interconnection 기술을 확보할 수 있다. 이는 에너지 효율 향상 및 탄소 배출 절감에 이바지하는 동시에 미래 대중화 전자제품의 제조원가 경쟁력으로 자리잡게 되는 것이다.
④ 저온 무연 솔더링과 미세 pitch 대응을 동시에 구현할 수 있는 저가격 솔더 페이스트 및 솔더 잉크 관련 사업화가 가능하다.
1: 파워서플라이
2, 3: 주석(또는 주석합금) 전극판
4: 전해액(염화나트륨 수용액)
5: 전해조

Claims (3)

  1. 주석으로서 1?20㎚의 입자 크기를 가지며, DSC로 측정되는 표면 용융 온도가 80℃ 내지 130℃의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 주석 나노입자.
  2. 주석과 이 주석 외의 은, 구리, 납, 니켓 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나를 포함하는 주석 합금으로서 1?20㎚의 입자 크기를 가지며, DSC로 측정되는 표면 용융 온도가 80℃ 내지 130℃의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 주석합금 나노입자.
  3. 주석 또는 이 주석 외의 은, 구리, 납, 니켓 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나를 포함하는 주석 합금으로 된 주석 전극판 또는 주석합금 전극판을 전극으로 사용하고, 염화나트륨 수용액 내에서 전기분해하여 1?20㎚ 크기의 주석 또는 주석 합금의 나노입자를 제조 하는 것을 특징으로 하는 주석 또는 주석합금의 나노입자 제조방법.
KR1020110002482A 2011-01-10 2011-01-10 낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법 KR20120080987A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110002482A KR20120080987A (ko) 2011-01-10 2011-01-10 낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법
PCT/KR2012/000223 WO2012096489A2 (ko) 2011-01-10 2012-01-10 낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110002482A KR20120080987A (ko) 2011-01-10 2011-01-10 낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120080987A true KR20120080987A (ko) 2012-07-18

Family

ID=46507557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110002482A KR20120080987A (ko) 2011-01-10 2011-01-10 낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20120080987A (ko)
WO (1) WO2012096489A2 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101239238B1 (ko) * 2012-08-27 2013-03-06 아이에스피(주) 주석계 나노 입자가 첨가된 은 복합 잉크의 제조 방법과 그에 의한 은 복합 잉크 및 그 소결 방법과 은 복합 잉크의 소결체
CN105714333A (zh) * 2016-04-12 2016-06-29 珠海格力电器股份有限公司 一种从废旧线路板上回收焊锡的方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3074649B1 (ja) * 1999-02-23 2000-08-07 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレ−ション 無鉛半田粉末、無鉛半田ペースト、およびそれらの製造方法
KR101146410B1 (ko) * 2006-07-27 2012-05-17 주식회사 엘지화학 은, 구리, 및 주석을 포함하는 합금 나노입자 및 그제조방법
KR101007326B1 (ko) * 2008-08-11 2011-01-13 삼성전기주식회사 주석-구리-은 합금나노입자, 이의 제조 방법 및 상기 합금나노입자를 이용한 잉크 또는 페이스트
KR20100086682A (ko) * 2009-01-23 2010-08-02 한국생산기술연구원 탄소나노튜브 복합 솔더페이스트 제조방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101239238B1 (ko) * 2012-08-27 2013-03-06 아이에스피(주) 주석계 나노 입자가 첨가된 은 복합 잉크의 제조 방법과 그에 의한 은 복합 잉크 및 그 소결 방법과 은 복합 잉크의 소결체
CN105714333A (zh) * 2016-04-12 2016-06-29 珠海格力电器股份有限公司 一种从废旧线路板上回收焊锡的方法
CN105714333B (zh) * 2016-04-12 2018-08-03 珠海格力电器股份有限公司 一种从废旧线路板上回收焊锡的方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012096489A2 (ko) 2012-07-19
WO2012096489A3 (ko) 2012-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102922177B (zh) 纳米金属间化合物焊膏及其制备方法
CN104889595B (zh) 一种氧化石墨烯/纳米银复合钎焊材料及其制备方法
CN101801589A (zh) 车载电子电路用In掺入无铅焊料
Kanlayasiri et al. Property alterations of Sn-0.6 Cu-0.05 Ni-Ge lead-free solder by Ag, Bi, in and Sb addition
Yoo et al. Influence of electrochemical properties on electrochemical migration of SnPb and SnBi solders
CN103132113B (zh) 一种弱碱性锡基无铅钎料复合镀液及其应用
US20180056448A1 (en) Liquid dispersion of metal nanoparticles for solder paste, method for producing the liquid dispersion, solder paste, method for producing the solder paste
CN109848611A (zh) 一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法
CN102312097B (zh) 一种从铜阳极泥分银渣制取巴氏合金的方法
US20120286218A1 (en) Low cost alternatives to conductive silver-based inks
KR20120080987A (ko) 낮은 용융 온도를 가지는 주석/주석합금 나노입자 및 그 제조방법
CN108339832A (zh) 废旧硅太阳电池的回收方法
JP5188999B2 (ja) 金属フィラー、及びはんだペースト
WO2012102578A9 (ko) 낮은 용융 온도를 가지는 아연 나노입자 및 그 제조방법
CN101787545A (zh) 一种电解锰阳极板
Huang et al. Effect of deposition potential on electrodeposition of Sn-Ag-Cu ternary alloy solderable coating in deep eutectic solvent
CN116690031A (zh) 一种低共熔溶剂中电沉积制备Sn-Ag-Cu三元合金焊料的方法
CN107639339A (zh) 镁合金板材与铜合金板材焊接的方法
CN103540978A (zh) 一种碱性无氰电镀Ag-Ni合金的方法
Huang et al. Research on Bi contents addition into Sn–Cu-based lead-free solder alloy
KR20120082533A (ko) 낮은 용융 온도를 가지는 납 나노입자 및 그 제조방법
JP2007046087A (ja) 金属ボール
CN205188464U (zh) 过饱和钎料镀覆增材装置
JP5724088B2 (ja) 金属フィラー及びこれを含む鉛フリーはんだ
CN112894195A (zh) 一种钎焊用低银无铅钎料合金及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right