KR20170084544A - 솔더 페이스트 조성물 및 이를 포함하는 전기장치 - Google Patents

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김석현
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김태민
배진태
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Abstract

본 발명은 솔더 분말 및 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트 조성물로서, 상기 솔더 분말은 입자 크기 분포가 2μm 내지 11μm인 솔더 분말이고, 상기 플럭스는 베이스 수지, 용제 및 첨가제를 포함하며, 상기 베이스 수지는 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin), 말레산 수지(Maleic Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)로 구성되는 군에서 선택되는 2종 이상의 수지를 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공하여, 우수한 물성을 가지면서도 작업성이 우수한 솔더 페이스트 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴, 전기 장치를 제공한다.

Description

솔더 페이스트 조성물 및 이를 포함하는 전기장치{Solder paste and the manufacturing method thereof and the electric device comprising thereof}
본 발명은 솔더 페이스트 조성물 및 이를 포함하는 전기장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파인 피치 전도성 패턴 및 범프 형성이 가능한 솔더 페이스트 조성물과 이를 포함하는 전기장치에 관한 것이다.
전도성 조성물은 인쇄 회로 기판 위에 전도 회로를 형성하는 경우, 액정 표시 장치(LCD), 플라즈마 표시 패널(PDP) 등에서 전극이나 집적 회로(IC) 칩을 형성하는 경우, 발광 다이오드(LED) 등 반도체 장치에서 소자와 전극을 접착시키는 경우, 태양 전지에서 전극을 형성하는 경우 등 다양한 전자 장치의 배선 또는 전극을 형성하기 위해 널리 사용되고 있다.
이러한 전도성 조성물은 주로 금(Au), 은(Ag), 카본(C) 등의 솔더 분말에 베이스 수지, 유기용제 및 첨가제 등을 첨가하여 혼합되어 제조된다. 그러나 종래의 전도성 조성물은 주로 경도가 높은 회로기판이나, 휘어지는 정도의 유연성을 가진 유연성기판(Flexible) 등에 인쇄되어 주로 전기를 인가하는 전자제품의 미세 패턴을 형성하는데 사용되었다.
파인 피치의 미세 패턴을 형성하기 위해서는 솔더 분말의 미세화가 필수적으로 수반되는데, 미세 분말의 경우 비표면적이 크기 때문에 산화가 발생하기가 매우 쉬워 리플로우 후 접착력이 저하되는 문제점이 있다.
1. 한국공개특허 제10-2015-0083097호 (2015.07.16)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 우수한 물성을 가지면서도 작업성이 우수한 솔더 페이스트 조성물 및 이를 포함하는 전기장치를 제공하는 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 솔더 분말 및 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트 조성물로서, 상기 솔더 분말은 입자 크기 분포가 2μm 내지 11μm인 전도성 입자를 포함하고, 상기 플럭스는 베이스 수지, 용제 및 첨가제를 포함하며, 상기 베이스 수지는 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin), 말레산 수지(Maleic Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)로 구성되는 군에서 선택되는 2종 이상의 수지를 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 베이스 수지로서 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 말레산 수지(Maleic Resin)가 포함되는 경우, 상기 플럭스 100 중량부에 대하여 상기 수소첨가 수지를 10 내지 20 중량부로, 상기 말레산 수지를 20 내지 40 중량부로 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 베이스 수지로서 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)가 포함되는 경우, 상기 플럭스 100 중량부에 대하여 상기 수소첨가 수지를 5 내지 10 중량부로, 상기 아크릴 수지(Acrylic Resin)를 35 내지 45 중량부로 포함되는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 수소첨가 수지는 펜타에리트리톨(Pentaerythritol), 카보네이트(Carbonate), 에스터(Ester), 아비에틱 엑시드(Abietic acid), 액상화 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 수지를 포함하고,
상기 말레산 수지는 중합로진, 무수말레익 로진, 말레산 수소첨화 로진, 에스테르화 말레산 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 수지를 포함하고,
상기 아크릴 수지는 아크릴 액상화 수지, 아크릴산 수소첨화 수지, 아크릴산 에스테르 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 수지를 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 용제는 2종 이상의 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)을 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 첨가제는 Si계 화합물, 수소 첨가 왁스(Hydrogenated Wax) 및 아민계 화합물로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 플럭스 100 중량부에 대하여, 상기 베이스 수지는 40 내지 60 중량부로, 상기 용제는 30 내지 50 중량부로, 상기 첨가제는 10 내지 30 중량부로 포함되는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 솔더 분말은, Ag, Cu, Ni, Bi, Zn, In 및 Pb로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, 잔부의 Sn을 포함하는 합금 분말인 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 솔더 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 상기 플럭스를 10 내지 15 중량부로 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 첨가제는 산화방지제, 경화제 및 분산제로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 상기 솔더 페이스트 조성물을 상온에서 72시간 방치 후 점도를 측정하여 얻은 점도 변화율이 15% 이하인 솔더 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 제2항 또는 제3항의 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 전도성 범프로서, 상기 전도성 범프는 피치(pitch) 150μm 이하로 형성되고, 상기 전도성 범프는 리플로우(Reflow) 후 보이드(void) 면적이 5% 이하인 전도성 패턴을 제공한다.
또한 본 발명은 금속 패드(metal pad)를 포함하거나, 금속 패드 및 상기 금속 패드 상에 형성되는 UBM(Under Bump metallurgy)를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB); 및 상기 금속 패드 상에 형성되는 제2항 또는 제3항의 솔더 페이스트 조성물로 형성된 전도성 범프;를 포함하는 전기장치를 제공한다.
본 발명에 따른 솔더 페이스트 조성물은 기재에 접착력이 강하게 인쇄되어 보이드 특성이 우수하고, 연속 인쇄 시 점도 변화율이 15% 이내이며 범프 높이도 우수하게 유지되어 칙소성이 우수하며, 리플로우 공정 후 형성된 전도성 범프 주위 잔여물의 세척성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 범프(인쇄 후)를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 범프(리플로우 후)를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 제조예의 전도성 범프의 형상을 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
<솔더 페이스트 조성물>
본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물은 솔더 분말 및 플럭스(Flux)를 포함하며, 플럭스(Flux)는 베이스 수지, 용제 및 첨가제를 포함한다.
1. 솔더 분말
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물에 포함되는 솔더 분말은 인쇄된 솔더 페이스트 조성물의 리플로우(Reflow) 후에 얻어지는 소성체가 전도성을 갖게 하기 위하여 포함된다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물에 포함되는 솔더 분말은 입자 크기 분포가 2μm 내지 11μm인 전기 전도성을 갖는 입자를 포함한다. 입자 크기 분포가 2μm 내지 11μm인 솔더 분말을 포함함으로써 피치(pitch)가 150μm 이하이고, 크기가 70μm 이하인 범프(Bump)를 형성할 수 있다.
본 명세서에서 분말의 입자 크기 분포(Particle Size Distribution)는 솔더 분말의 JEDEC 표준 J-STD 005에 의해 측정된 입자 크기가 2μm 내지 11μm 범위 내이며, 11μm를 초과하거나 2μm 미만의 입자 크기를 갖는 솔더 분말이 각각 1 wt% 미만인 것을 의미한다.
입자가 차지하는 분포율이 50%가 되는 지점에서의 입자직경(D50)으로는 6μm 내지 7μm이며, 각 입자가 완전한 구형이 아닌 경우 입자직경은 가장 긴 선분의 길이와 가장 짧은 선분의 길이의 평균값으로 정의한다.
솔더 분말은 Ag, Cu, Ni, Bi, Zn, In 및 Pb로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, 잔부의 Sn을 포함하는 합금 분말을 포함한다. 솔더 합금 분말은 다른 분말에 비해 녹는점이 낮아 (120℃~300℃) 경화 시 활성하여 분말 형태가 아닌 금속 형태를 유지하며, 기판 패드 등의 부착력을 증가 시킨다.
구체적으로 솔더 합금 분말로는 Sn-Ag계 합금, Sn-Ag-Cu계 합금, Sn-Ag-Cu-Ni계 합금, Sn-Cu계 합금, Sn-Bi계 합금, Sn-Zn계 합금, Sn-In계 합금 및 Sn-Pb계 합금 등이 사용될 수 있다.
더욱 구체적으로 Sn-1.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu, Sn-2.5Ag-0.5Cu, Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-0.3Ag-0.7Cu, Sn-4.0Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, Sn-2.8Ag-20In, Sn-0.4Ag-57.6Bi, Sn-58Bi, Sn-9Zn, Sn-8Zn-3Bi, Sn-3.5Ag-3Bi, Sn-57Bi-0.1Ag, Sn-52In 합금 등이 사용될 수 있다.
바람직하게는 Sn-Ag-Cu(SAC)계 합금이 사용된다. 이 경우 다른 솔더 합금보다 젖음성 및 기계적 특성 등 모든 특성이 우수하다. 더욱 바람직하게는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 합금 분말을 사용하는 것이 좋다.
솔더 분말의 용융점은 120℃ ~ 300℃일 수 있으며, 보다 바람직하게는 138℃ ~ 250℃일 수 있다. 138℃ 미만에서는 경도, 취성 증가 및 Zn, Bi 등의 과다 함유로 인한 산화 증가에 따른 활성력 저하가 발생할 가능성이 있고, 250℃ 초과에서는 솔더 합금 분말을 활성시키기 위한 열이나 활성제가 과다하게 필요하기 때문에 기재의 변형을 줄 가능성이 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 분말은 요구되는 물성 및 공정의 특성에 따라 2종 이상의 솔더 합금을 혼합하여 사용할 수 있으며, 다른 종류의 금속 분말을 더 포함할 수 있다.
솔더 분말의 입자 크기 분포는 2μm 내지 11μm일 수 있고, 보다 바람직하게는 5μm 내지 10μm일 수 있다. 솔더 분말의 입자 크기 분포가 2μm 미만인 경우 산화가 빨리 진행되어 용융에 문제가 발생될 수 있고, 분산이 용이 하지 않아 분산 공정 및 분산제가 추가로 투입되고, 점도 상승으로 인한 인쇄성이 저하된다. 솔더 분말의 입자 크기 분포가 11μm 초과하는 경우 베이스 수지와의 침강현상이 발생하여 보관성에 문제가 있고, 미세 패턴 적용이 힘들어 제한된 공정에서만 사용이 가능하다. 이 때 입자직경은 인쇄하고자 하는 인쇄패턴의 피치와 밀접한 관련이 있는데 피치가 작아질수록 작은 입자를 요구 한다. 분말 입자가 크면 피치대비 분말이 들어 갈수 있는 면적이 줄어, 미 충진 현상으로 불량이 발생하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 솔더 분말은 85 내지 90 중량부로 포함되고, 플럭스는 10 내지 15 중량부로 포함된다. 플럭스가 10 중량부 미만으로 포함되는 경우 페이스트의 인쇄 특성 및 보관 안정성이 저하될 수 있고, 15 중량부 초과하여 포함되는 경우 페이스트 인쇄 후의 범프 형상의 문제 및 작업성의 문제가 있다. 바람직하게는 플럭스가 11 내지 12 중량부로 포함되는 것이 좋다.
이하, 플럭스에 포함되는 각 성분에 대하여 구체적으로 설명한다.
2. 베이스 수지
본 발명의 일실시예에 따른 베이스 수지는 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin), 말레산 수지(Maleic Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)로 구성되는 군에서 선택되는 2종 이상의 수지를 포함하여, 접합체와의 부착성을 우수하게 하는 효과를 기초로, 솔더 분말에 코팅제 역할을 하여 산화 방지 효과를 갖도록 한다. 또한, 내열성을 부여하여 장시간 열 노출에도 안정적인 전기 인가가 되도록 하며, 기타 내충격성, 내수성 등을 보강하는 효과를 갖도록 한다.
바람직하게는 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 말레산 수지(Maleic Resin)를 포함하거나 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)를 포함하는 베이스 수지를 사용하는 것이 좋다.
수소첨가 수지(Hydrogenated Resin)는 펜타에리트리톨(Pentaerythritol), 카보네이트(Carbonate), 에스터(Ester), 아비에틱 엑시드(Abietic acid), 액상화 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 수지가 사용될 수 있다. 예를 들면, Wood rosin(PINOVA Staybelite Resin), Modified gum rosin polyol ester(KOMOTAC KS2090W), Hydrocarbon resin(Regalite R1010) 등이 사용될 수 있다.
말레산 수지(Maleic Resin)로는 중합로진, 무수말레익 로진, 말레산 수소첨화 로진, 에스테르화 말레산 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 수지 또는 둘 이상의 수지가 사용될 수 있다. 또한 산가(Acid Value, A.V.)가 180 내지 230인 말레산 수지를 사용하는 것이 좋다. 예를 들면, DX-140, DX-200, DX-250, DX-260, DX-280, DX-290 등(LATON)이 사용될 수 있다.
아크릴 수지(Acrylic Resin)로는 아크릴 액상화 수지, 아크릴산 수소첨화 수지, 아크릴산 에스테르 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 수지 또는 둘 이상의 수지가 사용될 수 있다. 예를 들면, KE-604, KE-610, KR-120, KR-85, KR-614 등을 사용할 수 있다.
베이스 수지는 플럭스 100 중량부에 대하여 40 내지 60 중량부로 포함된다. 베이스 수지가 40 중량부 미만으로 포함되는 경우 페이스트의 층 분리 현상이 발생하는 문제점이 있고, 60 중량부를 초과하여 포함되는 경우 페이스트 제조 시 혼합이 잘 되지 않는 문제점이 있다. 또한 베이스 수지는 용제 100 중량부에 대하여 80 내지 120 중량부로 포함된다. 바람직하게는 90 내지 110 중량부로 포함된다.
본 발명의 일실시예에 따른 베이스 수지로서 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 말레산 수지(Maleic Resin)가 포함되는 경우, 플럭스 100 중량부에 대하여 수소첨가 수지를 10 내지 20 중량부로, 말레산 수지를 20 내지 40 중량부로 포함한다. 수소첨가 수지가 10 중량부 미만으로 포함되는 경우 페이스트에서 범프 형상 유지나 인쇄성에 문제점이 있고, 20 중량부 초과하여 포함되는 경우 인쇄 작업시 점도가 상승하는 문제점이 있다. 말레산 수지를 20 중량부 미만으로 포함하는 경우 Paste Mixing과 유동성 문제점이 있고, 40 중량부 초과하여 포함하는 경우 칙소 하락과 제조 작업성 문제점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 베이스 수지로서 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)가 포함되는 경우, 플럭스 100 중량부에 대하여 수소첨가 수지를 5 내지 10 중량부로, 아크릴 수지(Acrylic Resin)를 35 내지 45 중량부로 포함한다. 아크릴 수지를 35 중량부 미만으로 포함하는 경우 페이스트 유동성 문제점이 있고, 45 중량부 초과하여 포함하는 경우 칙소성이 하락하여 인쇄 작업성 문제점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 베이스 수지로서 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin), 말레산 수지(Maleic Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)를 포함하는 경우, 베이스 수지 100 중량부에 대하여 수소첨가 수지는 10 내지 25 중량부로, 말레산 수지는 55 내지 70 중량부로, 아크릴 수지는 10 내지 25 중량부로 포함되는 것이 좋다.
수소첨가 수지가 10 중량부 미만으로 포함되는 경우 페이스트에서 범프 형상 유지나 인쇄성에 문제점이 있고, 25 중량부 초과하여 포함되는 경우 인쇄 작업시 점도가 상승하는 문제점이 있다. 바람직하게는 15 내지 20 중량부로 포함되는 것이 좋다.
말레산 수지가 55 중량부 미만으로 포함되는 경우 Paste Mixing과 유동성 문제점이 있고, 70 중량부 초과하여 포함되는 경우 칙소 하락과 제조 작업성 문제점이 있다. 바람직하게는 60 내지 65 중량부로 포함되는 것이 좋다.
아크릴 수지가 10 중량부 미만으로 포함되는 경우 페이스트 유동성 문제점이 있고, 25 중량부 초과하여 포함되는 경우 칙소성이 하락하여 인쇄 작업성 문제점이 있다. 바람직하게는 15 내지 20 중량부로 포함되는 것이 좋다.
3. 용제
본 발명의 일실시예에 따른 용제는 2종 이상의 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)을 포함한다. 예를 들어, 헥사에틸렌글리콜(Hexa Ethylene Glycol, HEG), 부틸디글리콜(Butyl Di Glycol, BDG), 트리에틸렌글리콜(Tri Ethylene Glycol, TEG), 부틸트리글리콜(Butyl Di Glycol, BTG), 메틸트리글리콜(Methyl Tri Glycol, MTG)로 구성되는 군에서 선택되는 2종 이상을 포함한다. 특히, TEG, HEG, BTG 와 같은 높은 비점을 갖는 용제를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 페이스트 제조과정 시 용제의 용해력이 뛰어나고 휘발성이 적어 보관안정성 및 제품의 작업성에 장점을 가진다.
바람직하게는 BTG와 HEG를 1 대 2 또는 1 대 1 비율로 혼합하여 사용하는 것이 좋다.
용제는 전체 플럭스 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부로 포함된다. 바람직하게는 35 내지 45 중량부로 포함되는 것이 좋다.
4. 첨가제
본 발명의 일실시예에 따른 첨가제는 Si계 화합물, 수소 첨가 왁스(Hydrogenated Wax) 및 아민계 화합물로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함한다. 첨가제는 전체 플럭스 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함된다. 10 중량부 미만인 경우 페이스트의 분산성 및 유동성 문제점이 있고, 30 중량부 초과하는 경우 고형분 함량의 증가로 인한 페이스트 혼합이 잘 되지 않는 문제점이 있다. 또는 첨가제는 용제 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부로 포함된다.
Si계 화합물은 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물에 포함되어 페이스트와 기판의 금속 패드(PAD)와의 보다 나은 금속간 화합물(IMC) 층 형성을 가져와 보이드(Void) 감소 및 범프(Bump) 탈락이 감소하는 효과를 갖도록 한다.
Si계 화합물로는 Trans-Cyclohexanediolisobutyl, Aminopropylisobutyl, Epoxycyclohexyl, Trisilanol Phenyl, Trisilanol Isobutyl 및 Si로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는 TriSilanol Phenyl을 사용하는 것이 좋다.
Si계 화합물은 첨가제 100 중량부에 대하여 0 내지 2 중량부로 포함된다. 2 중량부 초과하여 포함되는 경우 페이스트 유동성 변동에 문제점이 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 1 중량부로 포함되는 것이 좋다.
수소 첨가 왁스(Hydrogenated Wax)는 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물에 포함되어 페이스트의 인쇄성 및 범프형상 유지 효과를 갖도록 한다.
수소 첨가 왁스로는 카나우바 왁스, 비즈 왁스, 소이 왁스, 수첨 캐스트 왁스, 폴리 아마이드 왁스로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는 수첨 캐스트 왁스를 사용하는 것이 좋다.
수소 첨가 왁스는 첨가제 100 중량부에 대하여 35 내지 55 중량부로 포함된다. 35 중량부 미만으로 포함되는 경우 인쇄 후 범프 무너짐에 대한 문제점이 있고, 55 중량부 초과하여 포함되는 경우 점도 안정성 및 인쇄시 마스크에 빠지지 못하는 문제점이 있다. 바람직하게는 40 내지 50 중량부로 포함된다.
아민계 화합물은 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물에 포함되어 계면 윤활 분산 및 플럭스 pH 조절 효과(부식방지)를 갖도록 한다.
아민계 화합물로는 트리에탄올아민, 디에틸아민, 테트라아민, 디메틸아민 으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는 트리에탄올아민을 사용하는 것이 좋다.
아민계 화합물은 첨가제 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부로 포함된다. 30 중량부 미만으로 포함되는 경우 페이스트 윤활 효과가 떨어지며 pH가 올라가는 문제점이 있고, 50 중량부 초과하여 포함되는 경우 페이스트의 층분리 현상 및 범프 무너짐에 대한 문제점이 있다. 바람직하게는 35 내지 45 중량부로 포함된다.
본 발명의 일실시예에 따른 첨가제는 활성제, 분산제 등을 더 포함할 수 있다.
활성제는 조성물의 제조 및 사용 시 솔더 분말이 열을 받아 활성을 일으켜 범프가 산화되는 것을 방지하기 위해서 포함된다. 활성제의 기능은 전도성 금속 분말과 플럭스 혼합 후 페이스트로 만들어져 가열공정 시 범프 형성 및 범프 탈락 방지시키며 산화방지를 위해 기판의 산화막을 제거시키는 기능을 한다. 활성제로는 아디프산, 프로피온산, 숙신산, 팔미르산, 미리스틱산, 올레인산 등을 사용할 수 있다. 이 때, 활성제는 2가지 이상을 사용하는 것도 가능하다.
활성제는 제1 활성제 및 제2 활성제를 포함할 수 있으며, 제1 활성제로는 아디프산, 프로피온산, 석신산 등이 사용되고, 제2 활성제로는 팔미르산, 미리스틱산, 올레인산 등이 사용될 수 있다. 제1 활성제는 솔더 분말을 에칭하는 역할을 하여 베이스 수지의 분말표면 코팅성을 높여주며 활성력을 높여 솔더 분말이 적정온도에서 잘 용융되도록 한다. 제2 활성제는 에칭 및 활성력이 부족하지만 제1 활성제의 과도한 에칭 및 활성으로 나빠질 수 있는 페이스트의 보관안정성 및 작업성을 완화시키는 역할을 수행한다.
활성제는 첨가제 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다. 1 중량부 미만이면 활성력이 부족하여 솔더 분말 에칭 및 용융에 문제가 될 수 있고, 5 중량부를 초과하면 과도한 활성에 의해 기포 및 내부 보이드가 발생하여 분화구성 현상이 발생할 수 있다. 바람직하게는 2 내지 4 중량부로 포함되는 것이 좋다. 이 때, 제1 활성제는 및 제2 활성제는 1 대 1 비율로 포함되는 것이 바람직하다.
분산제로는 Disperbyk-180, byk-378, OT-100, OT-70 등을 사용할 수 있다. 분산제를 포함함으로서 물리적으로 완벽히 분산되지 않은 부분을 화학적으로 분산시킴으로 페스이트의 슬립성을 높여주며, 기포안정성, 표면장력 및 점도 저하의 효과가 있다.
분산제는 첨가제 100 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부로 포함될 수 있다. 5 중량부 미만이면 페이스트 인쇄 작업 시 균일하지 못하게 빠짐성을 보여질때가 있고, 25 중량부 초과하면 점도가 낮아져 인쇄 시 흐름 현상이 발생하는 문제점이 있다. 바람직하게는 10 내지 20 중량부로 포함되는 것이 좋다.
<솔더 페이스트 조성물의 제조>
본 발명의 다른 측면에 따른 솔더 페이스트 조성물은 베이스 수지에 용제 및 첨가제를 넣고 열을 가하여 합성반응을 시킨 후 보관한 다음 여기에 솔더 분말을 넣고, 혼합하여 제조된다. 페이스트 혼합은 1단계로 이루어지며 1차로 플래니터리 믹서(Planetary Mixer)로 교반 분산을 한다.
본 발명의 일실시예에 따라 제조된 솔더 페이스트 조성물은 상온에서 72시간 방치 후 점도를 측정하여 얻은 점도 변화율이 15% 이하인 우수한 특성을 갖는다.
<전도성 범프의 형성>
본 발명의 다른 측면에 따른 전기 장치는 금속 패드(metal pad)를 포함하거나, 금속 패드 및 상기 금속 패드 상에 형성되는 UBM(Under Bump metallurgy)를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 금속 패드 상에 형성되는 본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물로 형성된 전도성 범프를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 조성물로 형성된 전도성 범프는 피치(pitch) 150μm 이하로 형성되고, 리플로우(Reflow) 후 보이드(void) 면적이 5% 이하인 우수한 특성을 갖는다.
<실시예 및 비교예- 솔더 페이스트 조성물의 제조>
(1) 실시예 1 내지 7의 솔더 페이스트 조성물의 제조
KS2090W 16g 및 DX-250 27g을 포함하는 베이스 수지 43g에 BTG 20g 및 HEG 20g을 포함하는 용제, Trisilanolphenyl 0.1g, 수첨 캐스트 왁스 7g, 트리에탄올아민 6g, 숙신산 1.9g 및 OT-100 2g을 넣고 반응기에서 열을 가해 합성시킨 후 냉각 공정을 거친 다음 냉장 보관을 하여 1일간 숙성 시켜 플럭스를 제조하였다. 여기에 입자 크기 분포가 2 내지 11㎛인 SAC305 분말을 88.5(분말) : 11.5(플럭스) 비율로 넣고, Planetary Mixer로 교반 분산을 진행 하여 솔더 페이스트 조성물을 제조하였다.
또한, 실시예 2 내지 실시예 7은 실시예 1과 기본적으로 동일한 공정으로 제조하되, 솔더 분말, 베이스 수지, 첨가제를 표 1 내지 표 4와 같은 조성으로 제조하였다.
솔더 분말 플럭스 플럭스(g)
종류 함량(g) 베이스 수지(g) 용제(g) 첨가제(g)
실시예1 SAC305 770 43 40 17 100
(11.5%)
실시예2 SAC1205 900 45 37 18 100
(10.0%)
실시예3 SAC105 567 40 40 20 100
(15.0%)
실시예4 SAC305 770 46 38 16 100
(11.5%)
실시예5 SAC305 770 50 35 15 100
(11.5%)
실시예6 SAC305 770 43 45 12 100
(11.5%)
실시예 7 SAC305 770 43 45 12 100
(11.5%)
수첨 수지 말레산 수지 아크릴 수지
종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g)
실시예1 KS2090W+
Staybelite		 16 DX-250 27 - -
실시예2 KS2090W+
Staybelite		 11 DX-260 34 - -
실시예3 R1010 20 DX-140 20 - -
실시예4 KS2090W 8 - - KE-604 38
실시예5 Staybelite 5 - - KE-120 45
실시예6 KS2090W 20 - - KE-610 23
실시예 7 KS2090W 8 DX-250 27 KE-610 8
용제 1 용제 2 용제 3
종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g)
실시예1 BTG 20 HEG 20 - -
실시예2 BDG 18 HEG 19 - -
실시예3 BTG 15 HEG 18 TEG 7
실시예4 BTG 18 HEG 20 - -
실시예5 BTG 15 HEG 20 - -
실시예6 BTG 12 HEG 22 TEG 11
실시예 7 BTG 25 HEG 20 - -
첨가제 1 첨가제 2 첨가제 3 첨가제 4 첨가제 5
종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g)
실시예1 TriSilanol
Phenyl		 0.1 수첨
캐스트
왁스		 7.5 트리에탄올아민 5 숙신산 1.9 OT-100 2.5
실시예2 TriSilanol
Phenyl		 1 수첨
캐스트
왁스		 6 트리에탄올아민 6.5 숙신산+팔미르산 2 OT-100 2.5
실시예3 TriSilanol
Phenyl		 0.5 수첨
캐스트
왁스		 8 트리에탄올아민 7 숙신산 2.2 OT-100 2.3
실시예4 TriSilanol
Phenyl		 0.1 수첨
캐스트왁스		 6.9 트리에탄올아민 6 숙신산 1 OT-100 2
실시예5 Trisilanol Isobutyl 0.1 수첨
캐스트
왁스		 6 테트라아민 5.5 아디프산 1.7 byk-378 1.7
실시예6 Epoxycyclohexyl 0.1 카나우바 왁스 5 디메틸아민 4 프로피온산 1.5 OT-70 1.4
실시예7 TriSilanol
Phenyl		 0.1 수첨
캐스트
왁스		 5 트리에탄올아민 4 숙신산 1.5 OT-100 1.4
(2) 비교예 1 내지 3의 솔더 페이스트 조성물의 제조
비교예 1 내지 3은 실시예와 대비하기 위한 비교 솔더 페이스트 조성물로서 표 5 내지 표 8과 같이 제조하였다.
솔더 분말 플럭스 플럭스(g)
종류 함량(g) 수지(g) 용제(g) 첨가제(g)
비교예1 SAC305 770 50 46 4 100
(11.5%)
비교예2 SAC305 770 50 45 5 100
(11.5%)
비교예3 SAC305 900 36 50 14 100
(10.0%)
수지 1 수지 2 수지 3
종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g)
비교예1 DX-100 40 KE-311 10 - -
비교예2 중합로진 50 - - - -
비교예3 AROMATIC POLYAMINE 36 - - - -
용제 1 용제 2 용제 3
종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g)
비교예1 PGME 46 - - - -
비교예2 IPA 45 - - - -
비교예3 BTG 25 HEG 25 - -
첨가제 1 첨가제 2 첨가제 3
종류 함량(g) 종류 함량(g) 종류 함량(g)
비교예1 헵탄산 4 - - - -
비교예2 숙신산 3 아닐린 하이드로클로라이드 2 - -
비교예3 프로피온산+팔미르산 7 카나우바왁스 2 byk-378 5
<제조예 및 비교 제조예-전도성 범프 형성>
(1) 제조예 1 내지 7
전술한 실시예 1~7에 따른 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 절연코팅처리 된 강철기재에 메탈마스크를 체결한 후 두께 0.15mm로 인쇄하여 전도성 패턴을 형성하고, 단자필름을 접합한 후 온풍건조로에서 180℃에서 40분 동안 경화(리플로우)시켜 제조예 1~7의 전도성 패턴을 형성하였다.
도 1 및 도 2에 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 제조예 1의 전도성 범프의 인쇄 후 사진 및 리플로우 후 사진을 나타내었다.
도 3 내지 도 8에 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 제조예 1 내지 6의 전도성 범프의 형상을 나타내었으며, 표 9에 범프 높이, 너비 및 높이/너비 비율을 나타내었다.
(2) 비교 제조예 1 내지 3 전도성 범프의 형성
전술한 비교예 1~3들에 따른 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 절연코팅처리 된 강철기재에 메탈마스크를 체결한 후 두께 0.15mm로 인쇄하여 발열용 전도성 패턴을 형성하고, 단자필름을 접합한 후 온풍건조로에서 180℃에서 40분 동안 경화시켜 전도성 패턴을 인쇄하여 비교 제조예 1~3의 전도성 범프를 형성하였다. 표 9에 범프 높이, 너비 및 높이/너비 비율을 나타내었다.
Height(μm) Width(μm) H/W(%)
제조예1 54.263 102.150 53.1
제조예2 33.333 101.251 32.9
제조예3 34.340 101.618 33.8
제조예4 53.175 101.250 52.5
제조예5 41.573 101.618 40.9
제조예6 32.177 100.721 31.9
제조예7 43.561 101.034 43.1
비교 제조예1 32.645 112.004 29.1
비교 제조예2 28.964 116.197 24.9
비교 제조예3 31.556 115.232 27.4
<솔더 페이스트 조성물 및 전도성 범프의 평가>
(1) Q-Time 평가(인쇄 후 대기시간에 따른 페이스트 표면 마름성 평가)
실시예 및 비교예에 따라 제조된 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 인쇄한 후 공정대기 시, 점도를 6시간 마다 측정하고, 점도 변화율을 산출하여, 점도 변화율이 15%를 초과하는 시간을 Q-Time(hrs)으로서 측정하였다. 점도 변화율은 PCU-205 장치에 의해 측정하였다. 실험결과를 표 10에 나타내었다.
(2) 점도 변화율 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 솔더 페이스트 조성물을 상온에서 72시간 방치 후 점도를 측정하여 점도 변화율(%)을 산출하였다. 점도 측정은 Malcom PCU-205 장치에 의해 측정하였다. 실험결과를 표 10에 나타내었다.
(3) 점착성(Tackiness) 평가
제조예 및 비교 제조예에 따라 형성된 전도성 범프에 대하여 Tackiness test기(Malcom TK-1)를 통하여 점착력을 측정하였으며, 실험결과를 표 10에 나타내었다.
Q-Time(hrs) 점도 변화율(%) 점착력(gf)
실시예1 78 10 110
실시예2 72 14 107
실시예3 72 15 100
실시예4 78 10 110
실시예5 72 15 98
실시예6 72 15 102
실시예7 72 13 102
비교예1 60 18 108
비교예2 60 19 120
비교예3 54 24 101
(3) 보이드(Void) 평가
제조예 및 비교 제조예에 따라 형성된 전도성 범프에 대하여 JEOL제의 JSM-7000를 사용하여 현미경 사진을 찍고, 리플로우 전 인쇄된 면적을 100%로 하였을 때의 리플로우 후 발생한 공극 면적의 비율을 보이드(%)로서 측정하였다. 실험결과를 표 11에 나타내었다.
보이드(%)
제조예1 1.99
제조예2 4.85
제조예3 5.00
제조예4 1.86
제조예5 4.37
제조예6 4.95
제조예7 4.28
비교 제조예1 6.38
비교 제조예2 5.36
비교 제조예3 5.47
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 솔더 분말 및 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트 조성물로서,
    상기 솔더 분말은 입자 크기 분포가 2μm 내지 11μm인 전도성 입자를 포함하고,
    상기 플럭스는 베이스 수지, 용제 및 첨가제를 포함하며,
    상기 베이스 수지는 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin), 말레산 수지(Maleic Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)로 구성되는 군에서 선택되는 2종 이상의 수지를 포함하는 솔더 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 수지로서 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 말레산 수지(Maleic Resin)가 포함되는 경우, 상기 플럭스 100 중량부에 대하여 상기 수소첨가 수지를 10 내지 20 중량부로, 상기 말레산 수지를 20 내지 40 중량부로 포함하는 솔더 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 수지로서 수소첨가 수지(Hydrogenated Resin) 및 아크릴 수지(Acrylic Resin)가 포함되는 경우, 상기 플럭스 100 중량부에 대하여 상기 수소첨가 수지를 5 내지 10 중량부로, 상기 아크릴 수지(Acrylic Resin)를 35 내지 45 중량부로 포함되는 솔더 페이스트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소첨가 수지는 펜타에리트리톨(Pentaerythritol), 카보네이트(Carbonate), 에스터(Ester), 아비에틱 엑시드(Abietic acid), 액상화 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 수지를 포함하고,
    상기 말레산 수지는 중합로진, 무수말레익 로진, 말레산 수소첨화 로진, 에스테르화 말레산 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 수지를 포함하고,
    상기 아크릴 수지는 아크릴 액상화 수지, 아크릴산 수소첨화 수지, 아크릴산 에스테르 수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 수지를 포함하는 솔더 페이스트 조성물.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 용제는 2종 이상의 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)을 포함하는 솔더 페이스트 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 첨가제는 Si계 화합물, 수소 첨가 왁스(Hydrogenated Wax) 및 아민계 화합물로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 솔더 페이스트 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플럭스 100 중량부에 대하여,
    상기 베이스 수지는 40 내지 60 중량부로,
    상기 용제는 30 내지 50 중량부로,
    상기 첨가제는 10 내지 30 중량부로 포함되는 솔더 페이스트 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 솔더 분말은,
    Ag, Cu, Ni, Bi, Zn, In 및 Pb로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, 잔부의 Sn을 포함하는 합금 분말인 솔더 페이스트 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 솔더 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 상기 플럭스를 10 내지 15 중량부로 포함하는 솔더 페이스트 조성물.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 첨가제는 산화방지제, 경화제 및 분산제로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는 솔더 페이스트 조성물.
  11. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 솔더 페이스트 조성물을 상온에서 72시간 방치 후 점도를 측정하여 얻은 점도 변화율이 15% 이하인 솔더 페이스트 조성물.
  12. 제2항 또는 제3항의 솔더 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 전도성 범프로서,
    상기 전도성 범프는 피치(pitch) 150μm 이하로 형성되고,
    상기 전도성 범프는 리플로우(Reflow) 후 보이드(void) 면적이 5% 이하인 전도성 패턴.
  13. 금속 패드(metal pad)를 포함하거나, 금속 패드 및 상기 금속 패드 상에 형성되는 UBM(Under Bump metallurgy)를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB); 및
    상기 금속 패드 상에 형성되는 제2항 또는 제3항의 솔더 페이스트 조성물로 형성된 전도성 범프;를 포함하는 전기장치.
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