KR20150079857A - 소결 분말 - Google Patents

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Abstract

10 마이크론 미만의 평균 최장 직경을 지니는 미립자를 포함하는 소결 분말로서, 미립자를 형성하는 입자의 일부 또는 전부가 캡핑제로 부분적으로 또는 전체적으로 코팅된 금속을 포함하는, 소결 분말이 본원에 제공된다.

Description

소결 분말{SINTERING POWDER}
본 발명은 소결 분말, 그러한 소결 분말을 포함하는 소결 페이스트 및 필름, 및 이를 사용하여 형성된 소결된 접합부(sintered joint)에 관한 것이다.
소결된 접합부는 납땜 접합부(soldered joint)에 대한 대체물을 제공한다. 소결된 접합부를 형성시키는 전형적인 방법은 금속 분말을 흔히 압분체(powder compact)의 형태로 접합될 두 개의 작업물 사이에 놓은 후, 금속 분말을 소결시킴을 포함한다. 생성된 금속 원자의 원자 확산은 두 개의 작업물 사이에 결합을 형성시킨다.
금속 나노분말은 전자제품 산업에서 소결된 접합부를 형성시키는데 사용되고 있으며, 무연 납땜에 대한 유용한 대체물로서 고려된다. 나노물질과 그에 상응하는 대량 물질(bulk material) 사이의 상이한 거동은 체적에 대한 표면 비율(surface-to-volume ratio)을 더 높게 지니는 나노물질로 인한 것으로 사료된다.
은 나노입자를 함유하는 소결 분말이 알려져 있다. 은 나노입자의 원자 확산에 의해 형성된 소결된 접합부는 대량 물질의 용융 온도보다 상당히 낮은 온도에서 가공될 수 있고, 또한 고온 적용에 사용될 수 있다. 잠재적인 이점, 예컨대, 고온 안정성, 높은 전기 및 열 전도성, 및 우수한 기계적 특성에 의해서 그러한 소결 분말은 다이 부착 적용에서 유망한 후보물질이 되었다. 그러나, 그러한 소결 분말의 소결 온도는 대부분의 전자제품 적용에서 효과적으로 사용하기에는 여전히 너무 높다.
소결 온도는 소결 동안 외부 압력을 가함으로써 저하될 수 있다. 은 페이스트의 가압식 저온 소결은 다이-부착 방법으로서 땜납 리플로우(solder reflow)에 대한 가능한 대안인 것으로 밝혀졌다. 고압의 적용은 소결 온도를 상당히 낮추는 것으로 밝혀졌고, 다이 부착에 요망되는 특성이 비교적 더 빠른 속도로 달성되어 소결된 접합부의 형성을 수분 내에 야기할 수 있다. 그러나, 큰 외부 압력으로 인해서 공정의 자동화가 어렵다. 게다가, 큰 외부 압력의 적용은 작업물에 손상을 유발할 수 있다.
다양한 적용에 땜납 페이스트를 디스펜싱(dispensing)하는 것이 알려져 있지만, 주로 웨이브 땜납(wave solder) 또는 스크린 인쇄(screen printing)는 가능하지 않은 경우의 대안이다. 땜납 페이스트는 인쇄 회로 기판, 집적 회로 패키지, 및 전기 부품 연결재 상의 다양한 표면 실장 적용에 디스펜싱될 수 있다. 땜납 페이스트에 대한 전형적인 문제점으로는 드립핑(dripping), 점 생략(skipped dot), 및 일관성 없는 디스펜싱(inconsistent dispensing)이 포함된다. 연납 및 경납이 다이 부착 및 디스펜싱을 위해 전자제품 산업에서 전형적으로 사용된다. 연납은 열 사이클링 조건하에 피로 파괴(fatigue failure)되기 쉽다. 다른 한 편으로, 경납 및 유리 기질 복합재는 더 높은 접합 온도에서 장치가 가동되는 것을 가능하게 하는데 사용되지만, 이들의 더 높은 탄성 모듈 및 가공 온도가 장치에서 높은 기계적 응력을 발생시킬 수 있으며, 이러한 물질들은 또한 비교적 낮은 열 및 전기 전도도를 지닌다.
본 발명은 선행 기술과 연관된 문제점들 중 적어도 일부를 다루거나, 이에 대한 상업적으로 허용가능한 대안적인 해결책을 제공하고자 한다.
본 발명은 10 마이크론 미만의 평균 최장 직경을 지니는 미립자를 포함하는 소결 분말로서, 미립자를 형성하는 입자의 적어도 일부가 캡핑제(capping agent)로 적어도 부분적으로 코팅된 금속을 포함하는 소결 분말을 제공한다.
본원에 규정된 바와 같은 각각의 양태 또는 구체예는 명백히 달리 나타내지 않는 한, 어떠한 다른 양태(들) 또는 구체예(들)와 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 나타난 어떠한 특징들은 바람직하거나 유리한 것으로 나타난 어떠한 다른 특징과 조합될 수 있다.
본원에 사용되는 용어 "소결 분말"은 소결된 접합부를 형성시킬 수 있는 분말을 포함할 수 있다. 소결된 접합부는 접합될 두 개의 작업물 사이에 놓여진 금속 입자의 원자 확산에 의해 형성된다. 용어 "소결 분말"은 미립자를 포함할 수 있다. 소결 분말은 규칙적인 모양의 입자(예를 들어, 구체) 또는 불규칙한 모양의 입자(예를 들어, 위스커(whisker), 플레이트(plate), 로드(rod) 또는 플레이크(flake))를 포함할 수 있다.
본원에 사용되는 용어 "캡핑제"는, 금속 입자의 표면 상에 존재 시, 금속 입자의 응집을 저하시키고, 분말 생산 동안 입자 크기 제어를 가능하게 하며, 입자의 표면 산화 또는 다른 오염을 저하시키는 화학종을 포함할 수 있다.
본 발명자들은, 놀랍게도, 본원에 개시된 바와 같은 소결 분말이 단지 매우 낮은 압력의 적용으로, 전형적으로 실질적으로 압력이 없이 저온에서 소결될 수 있음을 발견하였다. 그 결과, 그러한 소결 분말을 사용하여 작업물 사이에 소결된 접합부를 형성시키는 것은 작업물에 대한 손상을 감소시키면서 발생될 수 있다. 또한, 높은 압력을 가할 필요가 없기 때문에, 소결된 접합부의 형성이 간단해지며, 보다 용이하게 자동화될 수 있다.
유리하게는, 캡핑제의 사용은 미립자를 구성하는 입자의 응집을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 그러한 응집은 바람직하지 않은데, 그 이유는 응집이 소결 분말의 소결 온도를 증가시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라서, 캡핑제의 사용은 더 낮은 온도에서 작업물들 사이에 소결된 접합부의 형성을 가능하게 하고, 그에 따라서, 높은 소결 온도에 노출시킴으로써 초래되는 작업물에 대한 손상이 줄어드는 것을 도울 수 있다. 또한, 캡핑제의 사용은 예를 들어, 공기에 대한 금속의 노출에 의해 초래되는 손상과 같은 금속의 열화를 막는 것을 도울 수 있다.
미립자는 10마이크론 미만의 평균 최장 직경을 지닌다. 전형적으로, 미립자를 형성하는 입자의 대부분은 10 마이크론 미만의 최장 직경을 지니고, 더욱 전형적으로, 미립자를 형성하는 입자들 모두는 실질적으로 10 마이크론 미만의 최장 직경을 지닌다. 미립자를 형성하는 입자가 구형인 경우, 최장 직경은 구체의 직경일 것이다. 미립자를 형성하는 입자가 불규칙적인 모양인 경우, 최장 직경은 입자의 최장 치수일 것이다.
미립자는 10 마이크론 미만의 평균 최장 직경을 지니므로, 미립자를 형성하는 입자는 체적에 대한 표면 비율(high surface-to-volume ratio)을 높게 나타낸다. 체적에 대한 표면 비율은 높은 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 이것이 소결 분말의 소결 온도를 감소시키는 작용을 할 수 있기 때문이다. 본원에 언급되는 평균 최장 직경은 x-선 회절을 이용하여 셰러의 식(Scherrer's formula)을 사용함으로써 계산될 수 있다.
본원에 기재된 소결 분말에서, 미립자를 형성하는 입자의 적어도 일부는 캡핑제로 적어도 부분적으로 코팅되는 금속을 포함한다. 전형적으로, 미립자를 형성하는 입자의 대부분은 캡핑제로 적어도 부분적으로 코팅된 금속을 포함하고, 더욱 전형적으로, 미립자를 형성하는 실질적으로 모든 입자는 캡핑제로 적어도 부분적으로 코팅된 금속을 포함한다. 전형적으로, 금속은 캡핑제로 실질적으로 코팅되고, 더욱 전형적으로, 캡핑제로 완전히 코팅된다. 금속 입자 상의 캡핑제의 피복율을 증가시키는 것은 금속 입자의 응집을 추가로 감소시키고, 그에 따라서, 소결 온도를 추가로 감소시키는 것을 도울 수 있다.
미립자를 형성하는 입자의 적어도 일부는 금속을 포함한다. 입자는 모두 동일한 금속을 포함할 수 있다. 대안적으로, 입자의 일부는 상이한 금속을 포함할 수 있다. 또한, 개별 입자들이 둘 이상의 상이한 금속을 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "금속"은 합금을 포함할 수 있다. 이에 따라서, 입자는 하나 이상의 금속의 하나 이상의 합금을 포함할 수 있다.
소결 과정 동안, 금속을 가열하거나 캡핑제를 화학적으로 분해하는 것은 금속 원자와 캡핑제 사이의 분자 결합을 파괴한다. 그 후에, 금속 입자는 소결되기 시작한다.
캡핑제는 무기 및/또는 유기일 수 있다. 유기 캡핑제의 예는 폴리머 및 리간드를 포함한다. 바람직하게는, 캡핑제는 아민 및/또는 카복실레이트 작용기를 포함한다. 그러한 캡핑제는 금속 입자들과 약한 결합을 형성할 수 있다. 이에 따라서, 결합을 파괴하는데 필요한 온도가 감소될 수 있고, 이는 소결 온도를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 아민 작용기를 포함하는 캡핑제는 이와 관련하여 특히 바람직하다.
바람직하게는, 캡핑제는 직쇄 알킬아민(C6 내지 C18) 또는 분지쇄 지방족 알킬아민을 포함한다. 한 가지 바람직한 예는 옥틸아민이다. 옥틸아민은 금속 입자들과 특히 약한 결합을 형성한다. 또한, 옥틸아민은 금속 입자의 응집을 감소시키는데 특히 효과적이다.
바람직하게는, 미립자는 1 내지 100nm, 더욱 바람직하게는 5 내지 75 nm, 더욱 더 바람직하게는 5 내지 65nm의 평균 최장 직경을 지닌다. 그러한 평균 최장 직경은 체적에 대한 표면 비율을 높게 제공하는데 특히 효과적이다. 1nm보다 작은 평균 최장 직경을 지니는 미립자는 취급이 어려울 수 있으며, 또한 열화되기 더 쉬울 수 있다.
미립자는 100nm 내지 10 마이크론, 바람직하게는 600nm 내지 1마이크론의 평균 최장 직경을 지닐 수 있다. 입자 크기가 클수록 캡핑제가 덜 필요하거나, 전형적으로 실질적으로 캡핑제가 필요하지 않을 수 있다. 이에 따라서, 생성된 접합부에서 잔여 유기물의 감소로 인해, 저항이 훨씬 더 낮아진다. 본 발명의 한 가지 양태에서, 미립자는 100nm 내지 10마이크론, 바람직하게는 600nm 내지 1마이크론의 평균 최장 직경을 지니며, 캡핑제를 함유하지 않는다.
미립자가 상기 명시된 범위 내의 평균 최장 직경을 지니는 경우, 전형적으로 미립자를 형성하는 입자의 대부분은 상기 범위 내의 최장 직경을 지니고, 더욱 전형적으로 실질적으로 미립자를 형성하는 입자 모두가 상기 범위 내의 최장 직경을 지닌다.
미립자는 전형적으로 불균일한 입자 크기를 나타낸다. 예를 들어, 10%의 가장 큰 입자의 평균 최장 직경과 10%의 가장 작은 입자의 평균 최장 직경 간의 차이는 20nm 초과, 전형적으로 30nm 초과, 더욱 더 전형적으로 60nm 초과, 추가로 더욱 더 전형적으로 60 내지 150nm일 수 있다. 불균일한 입자 크기는 아마도 입자들 사이의 큰 접점으로 인해서 소결 분말의 소결 온도를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 또한, 그러한 불균일한 크기는 패킹 분율(packing fraction)의 증가를 도울 수 있다.
금속은 바람직하게는 은 또는 이의 합금을 포함한다. 은은 탁월한 전기 및 열 전도도를 지니고, 그에 따라서, 높은 전기 및/또는 열 전도도를 지니는 소결된 접합부를 형성시킬 수 있다. 이에 따라서, 은 금속의 사용에 의해서 소결 분말은 전자제품 적용, 예컨대, 다이 부착 및 마이크로전자 패키징에 사용하기에 특히 적합해진다. 대안적으로, 금속은 예를 들어, 구리 및 금과 같은 다른 금속을 포함할 수 있다.
소결 분말은 바람직하게는 최대 5wt%의 캡핑제, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 3wt%의 캡핑제, 더욱 더 바람직하게는 약 1wt%의 캡핑제를 포함한다. 소결 분말이 5wt% 이상의 캡핑제를 포함하는 경우, 소결시키기 전에 캡핑제를 용융시키는데 더 높은 온도가 필요할 수 있다. 소결 분말이 0.1wt% 미만의 캡핑제를 포함하는 경우, 캡핑제는 금속의 표면을 충분히 덮을 수 없다. 이는 입자 응집의 증가를 초래할 수 있고, 그에 따라서, 소결 온도를 증가시킬 수 있다.
미립자는 바람직하게는 1 내지 100nm의 최장 직경을 지니는 제 1 유형의 입자 및 100nm 내지 50마이크론 초과의 최장 직경을 지니는 제 2 유형의 입자를 포함한다. 더 큰 직경을 지니는 제 2 유형의 입자의 존재에 의해서 미립자를 형성하는 입자의 접점이 증가된다. 이는 보다 우수한 소결, 및 또한 분말의 개선된 형태를 야기할 수 있다. 이에 따라서, 그러한 분말을 사용하여 형성된 접합부의 열사이클링 특성이 개선된다. 또한, 더 큰 제 2 유형의 입자는 전형적으로 캡핑제를 필요로 하지 않는다. 이에 따라서, 소결 분말 중의 캡핑제의 총량이 감소될 수 있고, 이에 의해서 어떠한 형성된 접합부에서 잔여 유기물의 존재가 최소화된다. 그 결과, 열전도도 및 고온 특성, 예컨대, 열사이클링이 개선된다.
제 1 유형의 입자는 바람직하게는 5 내지 75nm의 직경을 지니고/거나 제 2 유형의 입자는 100nm 내지 20마이크론, 더욱 바람직하게는 600nm 내지 1마이크론 초과의 직경을 지닌다.
미립자는 바람직하게는 81 내지 99wt%의 제 1 유형의 입자 및 1 내지 19wt%의 제 2 유형의 입자, 더욱 바람직하게는 85 내지 95wt%의 제 1 유형의 입자 및 5 내지 15wt%의 제 2 유형의 입자를 포함한다. 그러한 범위는 개선된 열전도도 및 열사이클링 특성, 및 낮은 소결 온도의 조합을 제공하기에 특히 적합하다. 바람직한 구체예에서, 미립자는 약 90wt%의 제 1 유형의 입자 및 약 10wt%의 제 2 유형의 입자를 포함한다.
특히 바람직한 구체예에서, 소결 분말은 1 내지 100nm의 평균 최장 직경을 지니는 미립자를 포함하고, 미립자를 형성하는 입자의 적어도 일부는 직쇄 또는 분지쇄 지방족 아민, 바람직하게는 옥틸아민으로 적어도 부분적으로 코팅된 은을 포함한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 본원에 기재된 바와 같은 소결 분말을 사용하여 형성된 소결된 접합부를 제공한다. 그러한 소결된 접합부는 특히 높은 강도 및/또는 특히 높은 전기 및 열 전도도를 나타낼 수 있다. 게다가, 소결된 접합부는 열 충격 후에 매우 적은 전단 강도 변화를 나타낼 수 있고, 전형적으로 실질적으로 전단 강도의 변화가 없을 수 있다.
추가의 양태에서, 본 발명은
본원에 기재된 바와 같은 소결 분말;
바인더(binder);
용매; 및
임의로, 레올로지 개질제 및/또는 활성화제 및/또는 계면활성제
를 포함하는 소결 페이스트를 제공한다.
페이스트는 인쇄가능하고/거나 디스펜싱가능하고/거나 분사가능하고/거나 핀 전사가능(pin transferable)할 수 있다. 페이스트는 디스펜싱에 특히 바람직한 점도 및 유동 특성을 지닐 수 있는데, 이는 페이스트가 땜납에 대한 일대일 대체물로서 사용될 수 있음을 의미한다.
바인더 및/또는 용매는 전형적으로 이들이 소결 분말의 표적으로 하는 소결 온도 미만의 온도에서 페이스트로부터 제거될 수 있도록(예를 들어, 증발 및/또는 번 아웃(burn out)) 선택된다. 이는 금속 입자의 거의 완전한 소결을 촉진시키는 것을 도울 수 있다. 유기 물질이 소결 동안 접합부에 남아 있는 경우, 금속 입자의 불충분한 소결이 발생할 수 있다. 이는 약간 소결된 접합부를 초래할 수 있다.
바인더는 취급이 용이하고 요망되는 소결된 접합부의 위치에 정확하게 배치되도록 페이스트를 함께 결합시키는 작용을 할 수 있다. 적합한 바인더의 예에는 하이드록시프로필메틸셀룰로오스, 트리아세틴 및 폴리비닐 아세테이트가 포함되지만, 이로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 바인더는 에폭시-기반 수지를 포함한다. 에폭시-기반 수지는, 페이스트가 취급이 용이하고 요망되는 소결된 접합부의 위치에 정확하게 배치되도록 페이스트를 함께 결합시키는데 특히 효과적일 수 있다. 더욱이, 에폭시 수지의 사용은 소결 전에 보다 강한 접합부의 형성을 야기할 수 있는데, 이는 소결 전에 접할될 작업물을 함께 고정시킬 필요가 없음을 의미한다. 에폭시 수지의 사용은 캡핑제가 아민 작용기를 포함하는 경우에 특히 유리하다. 이러한 경우에, 아민은 가교된 구조물을 형성시키는 경화제(hardener)로서 작용한다. 이는 소결 전에 특히 강한 접합부를 생성시킬 수 있다.
용매는 바람직하게는 모노테르펜 알콜 및/또는 글리콜 및/또는 글리콜 에테르, 바람직하게는 테르피네올 및/또는 트리에틸렌 글리콜을 포함한다. 모노테르펜 알콜 및/또는 글리콜은 페이스트 내에 금속 입자를 분산시켜 집단 응집 및/또는 덩어리가 감소된 유기 성분들의 기질에 금속 입자의 균일한 분포를 야기하는데 특히 효과적일 수 있다. 모노테르펜 알콜 및/또는 글리콜의 사용은 소결 페이스트의 유동력 및 인쇄력을 증가시키는 작용을 할 수 있다.
레올로지 개질제는 페이스트의 점도를 제어하기 위해 첨가될 수 있다. 적합한 레올로지 개질제의 예에는 Thixcin R 및 Crayvallac Super가 포함되지만, 이로 제한되지 않는다.
활성화제는 인쇄될 표면으로부터 존재할 수 있는 어떠한 금속 산화물을 제거하고/거나 소결 분말에 존재할 수 있는 어떠한 산화물을 제거하기 위해 첨가될 수 있다. 예를 들어, 아디프산, 석신산 및 글루타르산 중 하나 이상과 같이 아릴 또는 알킬 카복실 산이 활성화제로서 사용될 수 있다.
계면활성제는 소결 페이스트에서 소결 분말을 분산시키는 것을 돕기 위해 소결 페이스트에 첨가될 수 있다. 적합한 계면활성제의 예에는 Disperbyk 163 및 TritonX 100이 포함되지만, 이로 제한되지 않는다.
소결 페이스트는 바람직하게는
1 내지 15wt%의 바인더; 및/또는
1 내지 15wt%의 용매; 및/또는
최대 1wt%의 레올로지 개질제; 및/또는
최대 1wt%의 활성화제; 및/또는
최대 6wt%의 계면활성제를 포함한다.
이러한 범위 내의 바인더 및/또는 용매 함유물은 특히 요망되는 유동력 및 인쇄력을 소결 페이스트에 제공하는 것을 도울 수 있다. 바람직하게는, 소결 페이스트는 5 내지 8wt%의 바인더를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 소결 페이스트는 약 6.5wt%의 바인더를 포함한다. 바람직하게는, 소결 페이스트는 5 내지 8wt%의 용매를 포함한다. 한 가지 구체예에서, 소결 페이스트는 약 6.5wt%의 용매를 포함한다. 소결 페이스트는 적어도 0.1wt%의 레올로지 개질제 및/또는 적어도 0.1wt%의 활성화제 및/또는 적어도 0.1wt%의 계면활성제를 포함할 수 있다.
추가의 양태에서, 본 발명은
본원에 개시된 바와 같은 소결 분말;
유기은 화합물;
용매; 및
임의로, 활성화제 및/또는 레올로지 개질제 및/또는 계면활성제
를 포함하는 소결 페이스트를 제공한다.
소결 동안, 유기은 화합물은 금속 은을 파괴할 수 있는데, 이는 소결된 접합부의 열 전도도를 증가시킬 수 있다. 또한, 유기은 화합물의 존재에 의해 접합부 계면에서 페이스트의 습윤이 증가된다. 유기은 화합물은 실버 옥살레이트, 실버 락테이트, 실버 시트레이트, 실버 퍼옥사이드, 실버 네오데카노에이트, 실버 석시네이트 및 실버 스테아레이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 유기은 화합물은 생략될 수 있다.
소결 페이스트는 바람직하게는 예를 들어, 스테아르산, 네오데카노산 및 라우르산과 같은 하나 이상의 지방산을 추가로 포함한다. 지방산의 존재는 페이스트를 함께 결합시키는 것을 돕는다. 다시 말해서, 지방산의 존재는 별개의 바인더, 예컨대, 상기 논의된 에폭시 기반 수지 바인더에 대한 필요성을 없앤다. 이에 따라서, 페이스트에서 유기물의 총량은 더 적어져서 더 강한 최종 접합부가 생성된다.
소결 페이스트는 바람직하게는 퍼옥사이드를 추가로 포함한다. 적합한 퍼옥사이드의 예에는 하이드로젠 퍼옥사이드, 3차-부틸 하이드로퍼옥사이드 및 3차-부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트가 포함되지만, 이로 제한되지 않는다. 퍼옥사이드는 산소를 페이스트로 도입하는데, 이는 다이 부착 방법에서 다이 영역 아래로의 페이스트의 소결을 도울 수 있다. 산소는 또한 예를 들어, 질소 분위기와 같은 불활성 분위기 하에 금속 입자의 소결을 가능하게 할 수 있다. 소결 페이스트는 바람직하게는 최대 3wt.%의 하이드로젠 퍼옥사이드, 바람직하게는 0.5 내지 2wt.%의 하이드로젠 퍼옥사이드, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 1.8wt.%의 하이드로젠 퍼옥사이드를 포함한다. 레올로지 및 은 침전을 제어하기 위해 액체 퍼옥사이드가 바람직하다.
소결 페이스트는 예를 들어, 폴리아미드와 같은 필름 형성제를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 소결 페이스트는 실질적으로 수지를 함유하지 않고, 더욱 바람직하게는 수지를 전혀 함유하지 않는다. 수지의 존재에 의해 은의 열 및 전기 전도도가 감소될 수 있다. 용매는 프로필렌 카보네이트를 포함할 수 있다.
소결 페이스트는 바람직하게는
1 내지 15wt%의 용매; 및/또는
최대 50wt%의 유기은 화합물, 바람직하게는 1 내지 25wt%, 더욱 바람직하게는 2 내지 10wt%, 더욱 더 바람직하게는 3 내지 9wt%의 유기은 화합물; 및/또는
최대 1wt%의 레올로지 개질제; 및/또는
최대 1wt%의 활성화제; 및/또는
최대 6wt%의 계면활성제를 포함한다.
소결 페이스트는 적어도 0.1wt%의 레올로지 개질제 및/또는 적어도 0.1wt%의 활성화제 및/또는 적어도 0.1 wt%의 계면활성제를 포함할 수 있다.
추가의 양태에서, 본 발명은 본원에 기재된 바와 같은 소결 분말 및 바인더를 포함하는 소결 필름을 제공한다. 이러한 필름은 웨이퍼 수준, 다이 수준, 패키지/기재 수준. 및/또는 모듈 수준으로 적용될 수 있다. 그러한 필름은 예를 들어, 본원에 기재된 바와 같은 소결 페이스트를 폴리에스테르 시트 상에 인쇄하고, 페이스트를 가열하여 용매를 적어도 부분적으로 제거하고, 필름을 형성시키고, 이후 폴리에스테르 시트로부터 필름을 제거함으로써 얻어질 수 있다. 본원에 기재된 바와 같은 필름은 약간의 승온에서 필름 상에 다이를 간단히 프레싱함으로써 다이 상에 전사될 수 있기 때문에 특히 유리하다. 전사된 필름은 특정 상황에서 유리하게 제공되는 대안적인 적용 방법이다.
추가의 양태에서, 본 발명은 다이 부착(예, 칩(chip)-대-보드(board), 칩-대-기판, 칩-대-히트 싱크(heat sink), 칩-대-픽스처(fixture)), 웨이퍼-대-웨이퍼 결합(예, 칩-대-히트 싱크), 반사층 인쇄, 허메틱 실링(hermetic sealing) 및 니어-허메틱 실링(near-hermetic sealing)(예, 패키지 및 주위 밀봉), 연결선의 생산(예, 회로, 패드), 반도체 장치 및 기판에서의 비아 충전, 플립-칩 및 웨이퍼 범핑(wafer bumping)으로부터 선택된 방법에서 본원에 기재된 바와 같은 소결 분말 또는 본원에 기재된 바와 같은 소결 페이스트 또는 필름의 용도를 제공한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 소결된 접합부를 제조하는 방법으로서,
두 개의 접합될 작업물 부근에 본원에 기재된 바와 같은 소결 분말 또는 본원에 기재된 바와 같은 소결 페이스트 또는 필름을 제공하는 단계; 및
금속을 적어도 부분적으로 소결시키기 위해서 소결 분말 또는 소결 페이스트 또는 필름을 가열하는 단계
를 포함하는 방법을 제공한다.
유리하게는, 가열하는 단계는 대기압에서 수행될 수 있다. 소결 분말 또는 소결 페이스트 또는 필름은 저압(전형적으로 약 175 내지 250℃의 온도에서 0.1 내지 60초 동안 1-5MPa) 하에서 작업물 부근에 위치될 수 있다.
가열하는 단계는 바람직하게는 적어도 140℃, 더욱 바람직하게는 150 내지 350℃, 더욱 더 바람직하게는 160 내지 300℃의 온도에서 수행된다. 140℃ 보다 낮은 온도는 소결 분말에서 입자의 충분한 소결을 야기할 수 없고/거나 증발 및/또는 번 아웃에 의해 유기물의 충분한 제거를 야기할 수 없다. 350℃보다 높은 온도는 작업물에 손상을 초래할 수 있다.
추가의 양태에서, 본 발명은 본원에 기재된 바와 같은 소결 분말을 제조하는 방법으로서,
금속 염 용액을 제공하는 단계;
금속 염 용액을 캡핑제와 접촉시키는 단계; 및
캡핑제로 적어도 부분적으로 코팅된 금속 입자를 침전시키는 단계
를 포함하는 방법을 제공한다.
침전된 금속 입자는 예를 들어, 여과에 의해 용매로부터 회수될 수 있다. 금속 염 용액의 예는 금속 니트레이트 용액이다.
침전시키는 단계는 환원제를 사용하여 수행될 수 있다. 환원제는 금속 입자의 침전을 유발하는데 특히 효과적이다. 특히 적합한 환원제는 예를 들어, 하이드라진(예, 하이드라진 하이드레이트) 및 소듐 보로하이드라이드를 포함한다.
과량의 캅핑제는 예를 들어, 메탄올 또는 아세톤과 같은 극성 용매를 사용하여 세척될 수 있다.
본 발명은 이제 하기 비제한적인 도면에 대하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 소결 분말의 TEM 현미경 사진을 보여주는 것이다.
도 2는 본 발명의 소결 분말의 입자 크기의 히스토그램을 보여주는 것이다.
도 3은 본 발명의 소결 분말의 분말 X-선 회절 패턴을 보여주는 것이다.
도 4는 본 발명의 소결 분말의 서모그램을 보여주는 것이다.
도 5는 본 발명의 소결 분말의 시차 주사 열량계(differential scanning calorimetry: DSC) 분석의 결과를 보여주는 것이다.
도 6은 본 발명의 인쇄된 소결 페이스트의 토폴로지를 보여주는 것이다. 페이스트는 80 내지 90μm의 높이를 지닌다. 접힌 부분이 없고 기복이 없는 평평한 침착물이 있다.
도 7은 본 발명의 소결 페이스트를 사용하여 Si 다이 및 기판 사이에서 형성된 접합부의 단면을 보여주는 것이다. 이미지는 다이뿐만 아니라 기판의 금속층에 대한 소결된 페이스트의 우수한 접착을 나타낸다.
도 8은 필름의 형태와 함께 본 발명의 습식 및 독립된 건식 필름을 보여주는 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 디스펜싱된 페이스트의 토폴로지에 대한 Keyance 현미경 이미지를 보여주는 것이다: 도트(좌측 편), 패턴(우측 편).
도 10은 본 발명에 따른 디스펜싱된 페이스트의 Koh Young 이미지를 보여주는 것이다: 디스펜싱된 도트의 전형적인 이미지(좌측 편), 공간 측정(우측 편).
본 발명은 이제 하기 비제한적인 실시예에 대하여 기술될 것이다.
실시예 1 - 소결 분말의 제조
소결 분말을 단일 단계 반응으로 제조하였다. 실버 니트레이트를 에틸렌 글리콜에 첨가하고, 용액이 투명해질 때까지 0 내지 5℃에서 교반함으로써 실버 니트레이트의 3M 에틸렌 글리콜 용액을 제조하였다. 그 후에, 50% 톨루엔과 50% 에탄올의 혼합물을 첨가함으로써 용액을 0.3M로 만들었다. 실버 니트레이트 용액(0.3M, 3.5리터)을 그 후에 옥틸 아민의 톨루엔 용액(3.5kg, 27.07몰)에 첨가하였고, 이는 실온에서 옥틸아민을 톨루엔에 첨가함으로써 제조하였다. 그 후에, N,N-디메틸 포름아미드에 용해된 262.5g(0.998 M, 5.24몰)의 80% 하이드라진 하이드레이트를 즉시 첨가하였다. 반응 혼합물을 350rpm의 속도로 45분 동안 교반한 후, 수분 동안 침전되게 하였다. 그 후에, 무색 상층액을 펌핑시키고, 탱크의 바닥에 침전된 은 나노입자를 부흐너 깔때기(Buchner funnel)에 옮기고, 메탄올로 세척하여 과량의 옥틸 아민을 제거하였다. 마지막으로, 분말을 아세톤으로 세척하고, 실온에서 진공하에 건조시켰다. 반응의 수율은 약 98%였다.
분말의 TEM 현미경 사진을 얻었고, 이는 도 1에 도시되어 있다. 현미경 사진은 5 내지 60nm 범위의 크기의 불균일한 은 나노입자를 나타낸다. 또한, 현미경 사진은 매우 작은 입자가 보다 큰 알갱이 주위에 분포되어 있는 것을 나타내는 것으로 보인다. 입도 분포는 도 2에 나타나 있고, 이봉(bimodal) 분포인 것으로 보인다.
도 3은 분말의 분말 X-선 회절 패턴을 보여주는 것이고, 면심입방 구조를 나타내고 있다. 셰러 식을 이용하여 평균 입도가 약 25nm인 것으로 계산되었다. 이러한 입도를 입도 분석기(Microtrac Nanotrac Ultra NPA 253)의 사용에 의해 확인하였는데, 약 20nm의 D50을 나타냈다.
분말을 열무게 분석(thermogravimetric analysis: TGA)에 주어지게 하였고, 상응하는 서모그램은 도 4에 나타나 있다. 결과는 분말이 약 1wt%의 캡핑제, 즉, 옥틸아민을 포함함을 나타낸다.
분말의 소결 온도를 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 분석하였고, 그 결과는 도 5에 나타나 있다. 플롯은 36.7J/g의 비열과 195.2℃의 소결 온도를 나타낸다.
실시예 2 - 소결 페이스트의 제조
3g의 에폭시 수지를 40g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 이를 오비탈 믹서(orbital mixer)에서 1000rpm으로 혼합하였다. 혼합물에 3g의 용매 혼합물(1.5g의 테르피네올 및 1.5g의 트리에틸렌 글리콜)을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm으로 혼합하였다. 혼합한 후, 3롤 밀(three roll mill)에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 제공하였다. 페이스트의 조성은 표 1에 나타나 있다.
Figure pct00001
표 1: 페이스트의 조성
페이스트의 점착력, 점도 및 열 전도도를 측정하였고, 그 결과는 표 2에 나타나 있다. 일본 공업 규격(Japanese Industrial Standard: JIS)을 이용하여 레스카 점착력 시험기 태크 (II)(Rhesca tackiness tester (II))로 점착력을 측정하였다. 페이스트를 현미경 유리 면 상에서 3개의 원형 개구부의 10mil 스텐실을 사용하여 인쇄하였다. 프로브의 함침 속도는 120mm/min였고, 600mm/min의 시험 속도를 0.2초의 프레스 시간(press time)으로 사용하였다. 브룩필드 DVIII 울트라 프로그래밍가능한 레오미터(Brookfield DVIII ultra programmable rheometer)(Spindle CP51)를 사용하여 페이스트의 점도를 측정하였다. 네취 LFA 447 나노플래쉬(Netzsch LFA 447 Nanoflash)를 사용하여 열 전도도를 측정하였다. 열 전도도(K)를 하기 식을 사용하여 계산하였다:
K = αρ cp
상기 식에서, α는 열 확산율(m2/s)이고, ρ는 물질의 밀도(kg/m3)이고, cp는 비열 용량(J/kg-K)이다. 실시예 3, 4, 12 및 26에 대한 점착력, 점도 및 열 전도도를 유사한 방식으로 측정하였다.
Figure pct00002
표 2: 페이스트의 특성
실시예 3
4g의 에폭시 수지를 40g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 이를 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 이후, 4g의 테르피네올을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm으로 계속 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00003
표 3: 페이스트의 조성
Figure pct00004
표 4: 페이스트의 특성
실시예 4
8g의 에폭시 수지 및 6.67g의 테르피네올을 균일한 용액이 얻어지도록 철저히 혼합한 후, 이를 40g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 이를 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합물에 4g의 테르피네올을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00005
표 5: 페이스트의 조성
Figure pct00006
표 6: 페이스트의 특성
실시예 5
2.5g의 에폭시 수지, 3.4g의 용매 혼합물(1.7g의 테르피네올 및 1.7g의 트리에틸렌 글리콜) 및 0.1g의 cryvallac super를 균일한 용액이 얻어지도록 철저히 혼합한 후, 이를 40g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 이를 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00007
표 7: 페이스트의 조성
실시예 6
2.7g의 에폭시 수지, 3g의 용매 혼합물(1.5g의 테르피네올 및 1.5g의 트리에틸렌 글리콜) 및 0.3g의 석신산을 균일한 용액이 얻어지도록 철저히 혼합한 후, 이를 40g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 이를 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00008
표 8: 페이스트의 조성
실시예 7
2.6g의 에폭시 수지, 3g의 용매 혼합물(1.5g의 테르피네올 및 1.5g의 트리에틸렌 글리콜), 0.3g의 석신산 및 0.1g의 cryvallac super를 철저히 혼합하고, 40g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합을 수행하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00009
표 9: 페이스트의 조성
실시예 8
40g의 실시예 1의 분말, 2.88g의 에폭시 수지 및 0.25g의 Disperbyk163를 오비탈 믹서에서 1000rpm으로 혼합하였다. 그 후에, 2.88g의 용매 혼합물(프로필렌 글리콜, 메틸 디골 및 테르피네올)을 첨가하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00010
표 10: 페이스트의 조성
실시예 9
40g의 실시예 1의 분말, 2.88g의 에폭시 수지 및 0.25g의 TritonX 100을 오비탈 믹서에서 1000rpm으로 혼합하였다. 그 후에, 2.88g의 용매 혼합물(프로필렌 글리콜, 메틸 디골 및 테르피네올)을 첨가하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00011
표 11: 페이스트의 조성
실시예 10
40g의 실시예 1의 분말, 2.88g의 에폭시 수지 및 0.25g의 Disperbyk163를 오비탈 믹서에서 1000rpm으로 혼합하였다. 그 후에, 2.88g의 용매 혼합물을 첨가하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00012
표 12: 페이스트의 조성
실시예 11
40g의 실시예 1의 분말, 2.93g의 에폭시 수지, 0.25g의 Disperbyk163 및 0.125g의 하이드록시프로필메틸셀룰로오스를 오비탈 믹서에서 1000rpm으로 혼합하였다. 그 후에, 3.7g의 용매 혼합물(테르피네올과 트리아세틴)을 첨가하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00013
표 13: 페이스트의 조성
실시예 12
40g의 실시예 1의 분말, 2.35g의 에폭시 수지, 0.46g의 Disperbyk163 및 0.46g의 폴리비닐 아세테이트를 오비탈 믹서에서 1000rpm으로 혼합하였다. 그 후에, 3.72g의 용매 혼합물(프로필렌 글리콜, 메틸 디골 및 테르피네올)을 첨가하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00014
표 14: 페이스트의 조성
페이스트의 특성은 표 14에 기재되어 있다.
Figure pct00015
표 15: 페이스트의 특성(4탐침법을 이용하여 측정된 체적 저항률)
페이스트의 안정성을 관찰하기 위해서 페이스트의 점착력 및 점도를 규칙적인 간격으로 측정하였고, 그 결과는 표 15에 기재되어 있다. 결과는 페이스트가 실온 및 압력에서 25일 동안 안정함을 나타낸다.
Figure pct00016
표 16: 시간에 따른 점도/점착력
실시예 13
6g의 에폭시 수지를 30g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 5g의 테르피네올을 첨가하였다. 혼합물을 이후 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00017
표 17: 페이스트의 조성
실시예 14
4.9g의 에폭시 수지를 30g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 2g의 테르피네올 및 2g의 트리에틸렌 글리콜을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00018
표 18: 페이스트의 조성
실시예 15
6g의 에폭시 수지를 30g의 실시예 1의 분말에 첨가하였다. 그 후에, 3g의 테르피네올 및 3g의 트리에틸렌 글리콜을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00019
표 19: 페이스트의 조성
실시예 16 - 페이스트 인쇄
7mm*7mm의 구멍 크기를 지니는 3min 스텐실로 Au/Ni 피니쉬를 지니는 직접 결합 구리(direct bond copper: DBC) 상에 실시예 8의 페이스트를 인쇄하였다. 인쇄된 표면은 기복을 지니지 않는 완전히 평평한 것으로 관찰되었다. 인쇄된 층의 두께는 약 75μm였다.
인쇄된 층을 160℃에서 90분 동안 필름을 가열함으로써 박스 오븐에서 소결시켰다. SEM은 우수한 패킹 분율을 지니는 은 나노입자의 네킹(necking)을 나타냈다.
실시예 17 - 필름의 제조
실시예 2의 페이스트를 실리콘 코팅된 폴리에스테르 시트 상에 인쇄하였다. 그 후에, 이를 핫플레이트/박스 오븐에서 130℃로 30분 동안 가열하였다. 생성된 필름을 시트로부터 떼어내고, 독립적인 필름으로서 사용하였다. 도 8은 습윤 상태에서 인쇄된 대로의 필름, 및 또한 폴리에스테르 시트로부터 떼어낸 후 독립적인 건식 필름으로서의 필름을 보여주는 것이다. 폴리에스테르 시트로부터 떼어낸 후 필름에 균열은 발견되지 않았다. 건조된 필름의 두께는 72μm였다.
그 후에, 은 필름을 실리콘 고무 상에 놓았다. 3mm*3mm의 다이를 다이 본더(die bonder)의 도움으로 130℃에서 잠시 2MPa의 압력을 가함으로써 필름 상에 스탬핑시켰다.
실시예 18 - 페이스트 디스펜싱
실시예 15의 페이스트를 노드슨 오거 밸브(Nordson Auger Valve)를 사용하여 디스펜싱하였다. 하기는 디스펜싱에 대한 설정 파라미터였다.
니들 크기: 22게이지
압력: 1바
디스펜싱 유형: 포인트 및 패턴
디스펜싱 시간: 0.15초
Keyance 현미경을 사용하여 디스펜싱된 패턴의 토폴리지를 검사하였다(도 9 참조). 모든 디스펜싱된 도트 및 패턴은 각각 동일한 직경(~520 마이크론) 및 길이(2.3mm)인 것으로 보였다. 그 후에, 디스펜싱된 패턴의 체적을 Koh Young 장치를 사용하여 검사하였는데(도 10 참조), 이는 일관된 디스펜싱 침착물 및 높이를 나타냈다(~ 63.6 마이크론 내지 67.2 마이크론).
실시예 19
5.55g의 테르피네올을 1.48g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00020
표 20: 페이스트의 조성
실시예 20
1.39g의 테르피네올, 2.08g의 프로필렌 글리콜, 2.08g의 메틸 디골을 1.48g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00021
표 21: 페이스트의 조성
실시예 21
0.925g의 테르피네올, 1.39g의 프로필렌 글리콜, 1.39g의 메틸 디골을 3.33g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00022
표 22: 페이스트의 조성
실시예 22
0.9g의 테르피네올, 1.35g의 프로필렌 글리콜, 1.35g의 메틸 디골을 7.2g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 이러한 혼합물에 25.2g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00023
표 23: 페이스트의 조성
실시예 23
0.074g의 라우르산을 2.59g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 여기에 1.85g의 테르피네올, 2.22g의 프로필렌 카보네이트, 0.296g의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00024
표 24: 페이스트의 조성
실시예 24
0.074g의 라우르산을 3.33g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 여기에 1.85g의 테르피네올, 1.48g의 프로필렌 카보네이트, 0.296g의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00025
표 25: 페이스트의 조성
실시예 25
0.074g의 라우르산을 2.96g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 여기에 2.03g의 테르피네올, 1.67g의 프로필렌 카보네이트, 0.296g의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00026
표 26: 페이스트의 조성
실시예 26
0.074g의 라우르산을 2.96g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 여기에 2.58g의 테르피네올, 1.11g의 프로필렌 카보네이트, 0.296g의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00027
표 27: 페이스트의 조성
페이스트의 특성은 하기 표에 기재되어 있다.
Figure pct00028
표 28: 페이스트의 특성
이러한 실시예의 페이스트는 우수한 인쇄 특징을 나타낸다. 페이스트를 사용한 다이 부착된 물질의 단면은 탁월한 패킹 분율을 나타냈고, 접합 강도는 약 20MPa였다.
실시예 27
0.212g의 라우르산을 3.59g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 여기에 5.89g의 테르피네올, 4.85g의 프로필렌 카보네이트, 0.859g의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00029
표 29: 페이스트의 조성
실시예 28
0.174g의 라우르산을 4.61g의 실버 옥살레이트와 혼합하였다. 여기에 4.86g의 테르피네올, 4g의 프로필렌 카보네이트, 0.708g의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00030
표 30: 페이스트의 조성
실시예 29
0.074g의 라우르산을 2.96g의 실버 락테이트와 혼합하였다. 여기에 2.58g의 테르피네올, 1.11g의 프로필렌 카보네이트, 0.296의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 30g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00031
표 31: 페이스트의 조성
실시예 30
0.074g의 라우르산을 7.4g의 실버 락테이트와 혼합하였다. 여기에 2.59g의 테르피네올, 1.11g의 프로필렌 카보네이트, 0.296의 하이드로젠 퍼옥사이드를 첨가하고, 혼합하였다. 이러한 혼합물에 25.55g의 실시예 1의 분말을 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
Figure pct00032
표 32: 페이스트의 조성
실시예 31
85-90%의 실시예 1의 분말 및 0 내지 1%의 지방산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병 B에서, 0 내지 3%의 프로필렌 카보네이트, 3 내지 8%의 테르피네올, 3 내지 8%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 2%의 유기 과산화물을 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 32
80-85%의 실시예 1의 분말, 0 내지 5%의 은 화합물 및 0 내지 1%의 지방산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병 B에서, 0 내지 3%의 프로필렌 카보네이트, 3 내지 8%의 테르피네올, 7 내지 10%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 2%의 유기 과산화물을 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 33
85 - 90%의 실시예 1의 분말, 0 내지 5%의 은 화합물 및 0 내지 1%의 지방산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병 B에서 0 내지 3%의 프로필렌 카보네이트, 3 내지 8%의 테르피네올, 3 내지 8%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 2%의 유기 과산화물을 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 34
75 - 80%의 실시예 1의 분말, 0 내지 5%의 은 화합물 및 0 내지 1%의 지방산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병 B에서 0 내지 3%의 프로필렌 카보네이트, 3 내지 8%의 테르피네올, 6 내지 12%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 5%의 유기 과산화물을 병 B에서 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 34
80 - 85%의 실시예 1의 분말, 5 내지 10%의 은 화합물 및 0 내지 1%의 지방산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병 B에서 0 내지 5%의 프로필렌 카보네이트, 0 내지 5%의 테르피네올, 3 내지 7%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 2%의 유기 과산화물을 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 35
0.3M AgNO3 용액을 수성 매질에서 제조하였다. AgNO3의 수용액에 환원제를 적가하였다. 용액을 실온에서 1시간 동안 교반하였다. 환원제가 첨가되자 은은 침전되기 시작했고, 상청액은 완전히 무색이 되었다. 그 후에, 용액 혼합물을 부흐너 깔때기를 사용하여 여과하였다. 이후, 과량의 은 염 및 환원제가 제거되도록 얻어진 마이크론의 은 분말을 물로 세척하였다. 이후, 물의 완전한 제거가 보장되도록 아세톤으로 마지막 세척을 수행하였다.
그 후에, 얻어진 분말을 SEM로 특성화하였는데, 이는 약 600nm 내지 1 마이크론의 입도를 나타냈다.
실시예 36
80 - 85%의 실시예 1과 실시예 35의 분말 혼합물(약 90wt%의 실시예 1, 약 10wt%의 실시예 35), 5 내지 10%의 실버 락테이트 및 0 내지 1%의 라우르산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병 B에서 0 내지 5%의 프로필렌 카보네이트, 0 내지 5%의 테르피네올, 3 내지 7%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 2%의 유기 과산화물을 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 37
85 - 90%의 실시예 35의 분말, 0 내지 5%의 실버 락테이트 및 0 내지 1%의 라우르산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병에서 0 내지 3%의 프로필렌 카보네이트, 3 내지 8%의 테르피네올, 3 내지 8%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 2%의 유기 과산화물을 병 B에서 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 38
80 - 85%의 실시예 35의 분말, 5 내지 10%의 실버 락테이트 및 0 내지 1%의 라우르산을 병 A에서 혼합하였다. 또 다른 병에서 0 내지 5%의 프로필렌 카보네이트, 0 내지 5%의 테르피네올, 3 내지 7%의 트리에틸렌 글리콜 및 0 내지 2%의 유기 과산화물을 병 B에서 혼합하였다. 병 A로부터의 혼합물을 병 B에 첨가하고, 오비탈 믹서에서 1000rpm로 혼합하였다. 혼합한 후, 혼합물을 3롤 밀에서 수 분간 분쇄하여 균일한 페이스트를 얻었다.
실시예 39 - 페이스트 인쇄
인쇄 화질:
3mm*3mm의 구멍 크기를 지니는 3min 스텐실로 Au/Ni 피니쉬를 지니는 직접 결합 구리(DBC) 상에 실시예 31의 페이스트를 인쇄하였다. 인쇄된 표면은 기복을 지니지 않는 완전히 평평한 것으로 관찰되었다. 인쇄된 층의 두께는 약 75μm였다.
다이 배치:
금 금속화된 실리콘 다이를 다이 본더를 사용하여 인쇄된 패턴 상에 배치하였다. 하기 그래프에 보이는 바와 같이 Koh Young 8030에 의해 균일한 인쇄 침착물이 확인되었다. 그 후에, 비히클을 상이한 온도 프로파일에서의 소결을 위해 박스 오븐에서 유지시켰다.
온도 프로파일:
제어된 Z 높이를 사용하여 다이 본더의 도움으로 금 코팅으로 금속화된 실리콘 다이를 배치하고, 박스 오븐에서 180℃, 200℃, 225℃ 및 250℃로 소결시켰다. 225℃ 이후에 가열되는 때에 접합 강도는 감소되는 것으로 밝혀졌다.
이러한 실시예에서, 200℃가 최적화 소결 온도인 것으로 여겨졌는데, 그 이유는 260℃에서의 고온 다이 전단이 약 50%의 하락을 나타냈기 때문이다.
소결된 층의 단면:
상기 다이 부착된 물질의 단면은 계면 둘 모두에서(다이면 뿐만 아니라 기판 면 상에서) 은 나노입자의 우수한 확산을 나타냈다. SEM는 매우 우수한 네킹 현상과 함께 매우 우수한 패킹 분율을 나타냈다.
디스펜싱 토폴리지:
상기 실시예의 페이스트를 또한 노드슨 EFD 디스펜싱 기기를 사용하여 디스펜싱하였다. 나노실버 페이스트를 리드 프레임 상에 0.8바의 압력 및 40mm/sec의 속도로 디스펜싱하였다.
다이 배치:
금 금속화된 실리콘 다이를 다이 본더를 사용하여 인쇄된 패턴 상에 위치시켰다. 전반적으로 균일한 디스펜싱이 관찰되었다. 비히클을 박스 오븐에서 유지시켰다. 얻어진 평균 다이 전단은 100% 패드 범위로 약 20-25 MPa였다. 260℃에서 전단을 수행하는 때에 약 20%의 열화가 보였다.
소결된 층의 단면:
상기 다이 부착된 물질의 단면은 계면 둘 모두에서(다이면 뿐만 아니라 기판 면 상에서) 은 나노입자의 우수한 확산을 나타냈다. SEM는 약 20마이크론의 결합 선 두께를 나타냈다.
인지될 바와 같이, 본원에 개시된 방법, 분말, 페이스트 및 필름은 선행 기술에 비해 다수의 이점과 결부된다. 특히, 이러한 페이스트로 인쇄하는 경우에, 슬럼프 현상(slump phenomena)이 없고, 브릿징(bridging)이 없고, 인쇄 침착물에서 버블(bubble)이 없고, 흡출(bleed-out)이 없으며, 구멍 막힘이 없다. 더욱이, 접힌 부분과 기복이 없는 평평한 침착물로 80 - 90 마이크로미터의 페이스트 높이를 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 바인더(예, 수지)를 포함하는 페이스트의 이점은 하기를 포함한다:
더 낮은 압력의 소결;
표준 SMT 라인에서의 가공력;
평평하고 균일한 표면 토폴로지;
> 20MPa의 평균 다이 전단 강도;
계면 파괴 방식 아님;
실온 안정성 = 한달;
열 사이클링: 최대 1500회의 사이클의 허용가능한 접합 강도(-40C 내지 +125C, 10 min 드웰);
니들 및 제트식 디스펜싱가능; 및
필름 형성 요인.
상기 언급된 이점에 더하여, 유기은 화합물을 함유한 페이스트는 하기 열거된 몇몇 추가의 이점을 지닌다:
높은 다이 전단 강도(25 내지 45MPa);
높은 열 전도도(> 200W/ mK);
핀 전사가능; 및
우수한 높은 열적 특성.
소결 분말, 페이스트 및 필름이 이제 예로서 하기 비제한적인 적용 A-H를 참조로 하여 추가로 기술될 것이다:
A. 다양한 기판, 예컨대, DBC(직접 결합 구리), DPC(직접 플레이트 구리), MCPCB(금속 코어 PCB), FR4, 구리 납-프레임, 가요성 PCB 및 기판, 구리 및 알루미늄 히트-싱크, 픽스처 등 상의 반도체 다이의 부착(플립 칩 또는 와이어 결합). 적용에는 다양한 화합물의 반도체 재료로부터 제조된 LED 다이(예를 들어, 수평 및 수직형 박막 또는 플립 칩 종류의 발광 다이오드), 실리콘으로 제조된 파워 다이, 파워 모듈 및 디스크리트(discrete)에 사용되는 실리콘 카바이드 및 갈륨 니트라이드의 고농도 광기전력 화합물의 반도체 전지(예, 다중-접합 전지), 모든 유형의 MEMS(마이크로-전기기계 센서) 장치, 반도체 및 적층형 다이, 기판에 대한 열전 재료의 부재 부착, 뿐만 아니라 피에조-전기 부재의 적층 부착, 및 오실레이터 그리스탈 및 광학 및 그 밖이 센서 장치 부착이 포함된다. 그러한 반도체 또는 다른 다이 부재의 부착은 기판 상의 인쇄, 이어서, 다이 본더 또는 픽 앤드 플레이스 머신(pick and place machine)을 통한 다이 배치, 및 리플로우 오븐 벨트 오븐 또는 박스 오븐에서의 소결에 의해서 달성될 수 있다. 그러한 반도체 및 다이 부재의 부착은 또한 상기 개략된 바와 같은 페이스트 디스펜싱, 이어서 다이 배치 및 소결, 또는 상기 재료로부터 제조된 필름의 다이 뒷면 상의 필름 전사 및 라미네이션 수행, 이어서, 다이 배치 및 기판 상의 점착, 이어서 소결을 통해 달성될 수 있다. 플립 칩 다이는 기판 상에 범프(bump)를 인쇄하고, 다이를 배치하고, 이어서 소결시킴으로써 조립될 수 있다. 저온 소결, 및 규칙적인 짧은 무연 리플로우 프로파일로의 소결은 높은 CTE 부조화 적층뿐만 아니라 감온성 재료 적층의 조립을 가능하게 한다. 그러한 적용에서 본원에 개시된 바와 같은 소결 분말의 주요 이점은 기존의 표준 설치된 기기(예컨대, 프린터, 다이 본더 및 리플로우/벨트 오븐)를 사용하면서 짧은 사이클 시간으로 처리량이 향상된다는 것이다.
B. 예를 들어, DBC(직접 결합 구리), DPC(직접 플레이트 구리), MCPCB(금속 코어 PCB), FR4, 가요성 PCB 및 기판, 구리 및 알루미늄 히트-싱크, 픽스처 등과 같은 다양한 기판 상의 다양한 유형의 반도체 패키지의 부착(예를 들어, 바닥 종료 성분, 예컨대, LGA, QFN, QFP). 적용에는 다양한 유형의 LED 패키지(예를 들어, 세라믹 서브마운트 LED, 리드프레임 구조를 지니는 SMD LED 등), 파워 모듈, 및 디스크리트, 모든 유형의 MEMS(마이크로-전기기계 센서) 패키지, 반도체 및 적층형 다이 패키지, 기판에 대한 열전 재료 부재의 부착, 뿐만 아니라, 피에조-전기 부재의 적층 부착, 및 오실레이터 크리스탈 및 광학 및 다른 센서 장치 부착이 포함된다. 그러한 반도체 또는 다른 패키지의 부착은 기판 상의 인쇄, 이어서, Z 높이 조절 및 압력 용량에 의한 표준 픽 앤드 플레이스 머신을 통한 패키지 배치 및 리플로우 벨트 오븐 또는 박스 오븐에서의 소결에 의해 달성될 수 있다. 저온 소결, 및 규칙적인 짧은 무연 리플로우 프로파일로의 소결은 높은 CTE 부조화 적층뿐만 아니라 감온성 재료 적층의 조립을 가능하게 한다. 그러한 적용에서 본원에 개시된 바와 같은 소결 분말의 주요 이점은 기존의 표준 설치된 기기(예컨대, 프린터, 다이 본더 및 리플로우/벨트 오븐)를 사용하면서 짧은 사이클 시간으로 처리량이 향상된다는 것이다.
C. 개별적인 그리고 플립칩 연결재와 함께 연결선(회로, 패드 등)의 생산. 예를 들어, 연결선에 대한 적용은 LED 보드 및 조명기구가 포함되며, 연결선은 다양한 인쇄(예, 스텐실 인쇄) 또는 디스펜싱 또는 분사 기술에 의해 적용될 수 있다. LED 적용의 경우에, 그러한 연결재는 장치로 그리고 장치로부터 전자를 운반하고 장치 외부로 열을 운반하는 전기 전도체와 열 전도체 둘 모두로서 작용할 수 있다. 추가로, 그러한 연결선은 플립 칩 또는 와이어 결합 장치를 부착하기 위한 연결재와 동일한 단계로 직접적으로 적용될 수 있다. 그러한 연결재의 또 다른 예는 태양 전지(실리콘 기반 또는 박막 기반)이고, 여기서 그리드 패턴의 연결재가 발생된 전자를 수집하고, 또한 하나의 전지를 또 다른 전지에 연결하는데 사용될 수 있다. 그러한 적용의 또 다른 예는 OLED 장치이고, 여기서 그러한 연결선의 그리드는 투명한 전도성 필름의 전기 전도성을 향상시키는데 사용될 수 있다.
D. 인쇄가능한 페이스트와 필름 둘 모두를 기반으로 한 웨이퍼-대-웨이퍼 결합 층. 결합 층이 결합 후에 매우 높은 온도 특성을 나타내는 저온(250℃ 미만)에서의 웨이퍼-대-웨이퍼 결합에 대한 필요성이 크다. LED 웨이퍼 결합의 경우에, 이는 예를 들어, 박막 플립 칩 또는 수직형 박막 또는 절단된 역피라미드 LED의 맥락에서 달성될 수 있으며, 여기서 CTE 부조화 및 그에 따라서 응력 및 결함 발생이 최소화되면서 장치의 광 출력 및 전기 효율을 향상시키기 위한 다양한 진보된 물질로 고온 후속 가공을 가능하게 할 수 있다. 추가로, 결합 층의 높은 온도 및 높은 열 및 전기 전도도는 다른 이점들 중에서 장치의 우수한 열 전달, 고온 작동 및 우수한 전류 확산을 가능하게 한다. 그러한 웨이퍼 결합은 웨이퍼의 뒷면 상의 상기 재료의 필름의 라미네이션, 이어서, 표준 웨이퍼 본더 또는 프레스에서 온도 및 압력 처리에 의해 달성될 수 있다. 공정을 수행하는 또 다른 수단은 웨이퍼 뒷면 상에 페이스트의 등각 층을 인쇄하고, 이어서, 표준 웨이퍼 본더 또는 프레스로 온도 및 압력 조건 하에 건조시키고 결합시킴을 포함한다. 그러한 웨이퍼 결합을 위한 적용에는 파워 반도체 웨이퍼, 실리콘 관통 비아(Through Silicon Via: TSV) 적용, 적층형 다이 적용, MEMS, 열전 재료 웨이퍼, 피에조-전기 재료, 고농도 광기전력 및 다른 적용이 포함된다. 저온 소결은 높은 CTE 부조화 적층뿐만 아니라 감온성 재료 적층의 조립을 가능하게 한다. 그러한 적용에서 본원에 개시된 바와 같은 소결 분말의 주요 이점은 기존의 표준 설치된 기기(예컨대, 프린터/라미네이터, 웨이퍼 본더 및 리플로우/벨트 오븐)를 사용하면서 짧은 사이클 시간으로 처리량이 향상된다는 것이다.
E. 인쇄가능한 페이스트와 필름 둘 모두를 기반으로 한 웨이퍼 뒷면 라미네이션. 특정 적용에서, 건조 및 다이싱(dicing) 전에 페이스트 또는 필름 형태의 본원에 개시된 바와 같은 땜납 분말로 반도체 웨이퍼의 뒷면을 라미네이션할 필요가 있다. 그러한 방법은 다이싱 테이프 상에 봉입하거나 다이싱하기 전에 웨이퍼에 다이 부착 재료를 적용하여 사전-라미네이션된 Supernova N 다이 부착 재료로 다이 본더에 이동될 수 있게 하는 편리한 방식을 제공할 수 있다. 그러한 방법에 대한 적용에는 수평형 및 수직형 LED 장치, 전력 전자제품에서 사용되는 반도체 다이(파워 모듈, 및 디스크리트), 모든 유형의 MEMS(마이크로-전자기계 센서) 패키지, 반도체 및 적층형 다이 패키지 및 다른 적용, 열전 재료, 피에조-전기 부재의 적층 부착, 및 다른 적용, 예컨대, 오실레이터 크리스탈 및 광학 및 다른 센서 장치 부착이 포함될 수 있다.
F. LED 및 광학 적용을 위한 반사층 인쇄. 상기 재료는 LED 및 다른 광학 시스템의 광 출력 향상 및 그에 따라서, 발광 효율 향상을 제공하기 위하여, 기판, 예컨대, DBC(직접 결합 구리), DPC(직접 플레이트 구리), MCPCB(금속 코어 PCB), FR4, 가요성 PCB 및 기판, 구리 및 알루미늄 히트-싱크, 픽스처 등 상에 반사층을 인쇄하는데 사용될 수 있다. 그러한 반사층은 상기 재료의 스텐실 또는 스크린 인쇄, 분사 또는 디스펜싱 또는 필름 라미네이션을 통해 형성될 수 있다. 그러한 적용에서 본원에 개시된 바와 같은 소결 분말의 주요 이점은 기존의 표준 설치된 기기(예컨대, 프린터/라미네이터, 웨이퍼 본더 및 리플로우/벨트 오븐)를 사용하면서 짧은 사이클 시간으로 처리량이 향상된다는 것이다.
G. 포장물을 위한 허메틱 및 니어-허메틱 실링, LED, MEMS, 광 센서 및 오실레이터 크리스탈, OLED 및 PV 적용을 위한 주위 밀봉 등 및 일반적인 반도체 포장. 수분 침투로부터 장치를 보호하기 위하여 LED, OLED, MEMS 및 박막 PV 포장물의 허메틱 실링에 대한 필요성이 크다. 상기 재료는 적절한 적용 및 소결로 허메틱 또는 니어-허메틱 실링 거동을 나타낼 수 있다. 상기 재료는 웨이퍼 본딩으로 웨이퍼 수준으로, 또는 필름 라미네이션 및 본딩, 페이스트 분사/디스펜싱 이어서 뚜껑 또는 유리 또는 라미네이트 커버 부착 및 소결을 통한 패키징 공정의 다양한 스테이지의 제작 공정으로 상기 장치에 적용될 수 있다. 저온 소결 및 규칙적인 짧은 무연 리플로우 프로파일로의 소결은 높은 CTE 부조화 적층뿐만 아니라 감온성 재료 적층의 조립을 가능하게 한다.
H. ACF 대체물. 상기 재료의 소정 배열의 범프가 스텐실 인쇄, 범프 전사, 또는 고속 분사 디스펜싱을 통해 기판으로 전달될 수 있다. 그러한 배열은 분명한 높은 정도의 정렬 없이 장치를 조립하는 전기 접점으로서 작용하는데 사용될 수 있다. 저온 소결 및 규칙적인 짧은 무연 리플로우 프로파일을 지니는 소결은 그러한 적용을 가능하게 한다. 그러한 적용에서 본원에 개시된 바와 같은 소결 분말의 주요 이점은 기존의 표준 설치된 기기(예컨대, 프린터/라미네이터, 웨이퍼 본더 및 리플로우/벨트 오븐)를 사용하면서 짧은 사이클 시간으로 처리량이 향상된다는 것이다.
전술된 상세한 설명은 설명 및 예시를 통해 제공되었고, 첨부된 특허청구범위를 한정하도록 의도되지 않는다. 본원에 예시되어 있는 본 발명의 바람직한 구체예의 다수 변형들은 당업자에게 명백하게 될 것이고, 첨부된 특허청구범위 및 이들의 균등물의 범위 내에 존재할 것이다.

Claims (28)

10 마이크론 미만의 평균 최장 직경을 지니는 미립자를 포함하는 소결 분말로서, 미립자를 형성하는 입자의 일부 또는 전부가 캡핑제(capping agent)로 부분적으로 또는 전체적으로 코팅된 금속을 포함하는, 소결 분말.
제 1항에 있어서, 캡핑제가 아민 및/또는 카복실레이트 작용기를 포함하는, 소결 분말.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 캡핑제가 직쇄 또는 분지쇄 지방족 아민, 바람직하게는 옥틸아민을 포함하는, 소결 분말.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속이 은 또는 이의 합금을 포함하는, 소결 분말.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 최대 5 wt%의 캡핑제, 바람직하게는 0.1 내지 3wt%의 캡핑제, 더욱 바람직하게는 약 1wt%의 캡핑제를 포함하는, 소결 분말.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자가 1 내지 100nm의 최장 직경을 지니는 제 1 유형의 입자 및 100nm 내지 50 마이크론 초과의 최장 직경을 지니는 제 2 유형의 입자를 포함하는, 소결 분말.
제 6항에 있어서, 제 1 유형의 입자가 5 내지 75nm의 직경을 지니고/거나 제 2 유형의 입자가 100nm 내지 20 마이크론, 바람직하게는 600nm 내지 1 마이크론 초과의 직경을 지니는, 소결 분말.
제 6항 또는 제 7항에 있어서, 미립자가 81 내지 99wt%의 제 1 유형의 입자 및 1 내지 19wt%의 제 2 유형의 입자, 바람직하게는 85 내지 95wt%의 제 1 유형의 입자 및 5 내지 15wt%의 제 2 유형의 입자를 포함하는, 소결 분말.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자가 1 내지 100nm, 바람직하게는 5 내지 75nm의 평균 최장 직경을 지니는, 소결 분말.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자가 100nm 내지 10 마이크론, 바람직하게는 600nm 내지 1 마이크론의 평균 최장 직경을 지니는, 소결 분말.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 소결 분말을 사용하여 형성된, 소결된 접합부(sintered joint).
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 소결 분말;
바인더(binder);
용매; 및
임의로, 활성화제 및/또는 레올로지 개질제 및/또는 계면활성제
를 포함하는, 소결 페이스트.
제 10항에 있어서, 바인더가 에폭시-기반 수지를 포함하는, 소결 페이스트.
제 12항 또는 제 13항에 있어서, 용매가 모노테르펜 알콜 및/또는 글리콜 및/또는 글리콜 에테르, 바람직하게는 테르피네올 및/또는 트리에틸렌 글리콜을 포함하는, 소결 페이스트.
제 12항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
1 내지 15wt%의 바인더; 및/또는
1 내지 15wt%의 용매; 및/또는
최대 1wt%의 레올로지 개질제; 및/또는
최대 1wt%의 활성화제; 및/또는
최대 6wt%의 계면활성제
를 포함하는, 소결 페이스트.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 소결 분말;
유기은 화합물;
용매; 및
임의로, 활성화제 및/또는 레올로지 개질제 및/또는 계면활성제
를 포함하는, 소결 페이스트.
제 16항에 있어서, 유기은 화합물이 실버 옥살레이트, 실버 락테이트, 실버 석시네이트, 실버 네오데카노에이트, 실버 시트레이트 및 실버 스테아레이트 중 하나 이상을 포함하는, 소결 페이스트.
제 16항 또는 제 17항에 있어서, 지방산, 바람직하게는 라우르산, 스테아르산 및/또는 시트르산을 추가로 포함하는, 소결 페이스트.
제 16항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 퍼옥사이드, 바람직하게는 하이드로젠 퍼옥사이드를 추가로 포함하는, 소결 페이스트.
제 16항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 페이스트가 실질적으로 수지를 함유하지 않는, 소결 페이스트.
제 16항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 페이스트가 핀 전사가능하고/거나 200W/mK 초과의 열 전도도를 나타내고/거나 25 내지 45MPa의 다이 전단 강도를 제공할 수 있는, 소결 페이스트.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 소결 분말 및 바인더를 포함하는, 소결 필름.
다이 부착, 웨이퍼-대-웨이퍼 결합, 반사층 인쇄, 허메틱 실링(hermetic sealing) 및 니어-허메틱 실링(near-hermetic sealing), 배킹층 상에 필름으로 형성된 소결 분말과 바인더를 포함하는 필름의 소결, 디스펜싱(dispensing) 및 배선의 생산으로부터 선택된 방법에서, 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 소결 분말 또는 제 12항 내지 제 21항 중 어느 한 항의 소결 페이스트 또는 제 22항의 소결 필름의 용도.
소결된 접합부를 제조하는 방법으로서,
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 소결 분말 또는 제 12항 내지 제 21항 중 어느 한 항의 소결 페이스트 또는 제 22항의 소결 필름을 접합될 둘 이상의 작업물 부근에 제공하는 단계; 및
금속을 부분적으로 또는 전체적으로 소결시키기 위하여 소결 분말 또는 소결 페이스트 또는 소결 필름을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
제 24항에 있어서, 가열이 140℃ 이상, 바람직하게는 150℃ 내지 300℃의 온도에서 수행되는 방법.
제 1항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 기재된 소결 분말을 제조하는 방법으로서,
금속 염 용액을 제공하는 단계;
금속 염 용액을 캡핑제와 접촉시키는 단계; 및
캡핑제로 부분적으로 또는 전체적으로 코팅된 금속 입자를 침전시키는 단계
를 포함하는 방법.
제 26항에 있어서, 침전시키는 단계가 환원제를 사용하여 수행되는 방법.
제 27항에 있어서, 환원제가 하이드라진 및/또는 소듐 보로하이드라이드를 포함하는 방법.
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