KR20190113941A - 금속 도전층의 마감 방법 - Google Patents

금속 도전층의 마감 방법 Download PDF

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샨탈 파퀘
아놀드 제이. 켈
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내션얼 리서치 카운슬 오브 캐나다
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Abstract

전도성 금속 층(예를 들면, 구리 금속의 층)의 마감 방법은 전도성 금속 층 상에 분자 실버 잉크를 코팅하는 단계 및 상기 실버 잉크를 분해하여 전도성 금속 층 상의 실버 금속의 납땜가능한 코팅을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 분자 실버 잉크는 실버 카복실레이트, 담체 및 중합체 결합제를 포함한다. 상기 방법은 척층 방법으로 전도성 금속 층 상에 실버 금속 마감재의 비용-효율적인 형성을 가능하게 하고, 이는 모두 도전성 금속 층을 산화 및 추가 부식으로부터 보호하고, 납과 무연 납땜과의 납땜을 가능하게 한다.

Description

금속 도전층의 마감 방법
본 출원은 금속 도전층의 마감 방법, 특히 인쇄 회로에서 사용하기 위한 납땜가능한 금속을 포함하는 금속 도전층의 마감 방법, 및 금속 도전층의 특히 인쇄 회로의 생성에서의 납땜 방법에 관한 것이다.
인쇄 회로 기판(PCB)의 상부 및 하부 측면에 위치하는 구리 층은 빠르게 산화되고, 표면 상에 생성된 CuO/CuO2 산화물은 구리 패드 상의 남땜의 습윤 작용을 억제한다. 이러한 현상은 허용가능하고 신뢰할 수 있는 남땜 연결부위의 생산이 불가능하기 때문에, 구리 남땜 층이 전자 부품 어셈블리에 적합하지 않도록 만든다. 따라서, 구리를 PCB에 사용하기 위해서는 표면 마감이 요구된다. 표면 마감은 2가지 필수 기능을 가진다: 첫째, 산화으로부터 노출된 구리의 보호; 및 둘째, 인쇄 회로 기판에 부품을 어샘블리(남땜)하는 경우 납땜가능한 표면의 제공. 여러 PCB 표면 마감들이 존재하며, 가격, 가용성, 보관 수명, 신뢰성 및 어샘블리 처리가 다양하다. 각각의 마감은 자신의 장점 및 제한점을 가지며, 대부분의 경우 인쇄 회로 기판 설계, 응용 분야(의료용, 군용, 항공우주, 산업 또는 기타 등등), 환경 노출 및 어샘플리 처리는 상기 애플리케이션에 가장 적합한 표면 마감을 나타낼 것이다.
예를 들면, PCB의 구리 상부 및 하부 남땜 층은 침지 주석 또는 침지 실버 처리를 이용하여 산화로부터 보호될 수 있다. 실버 침지는 특히 우수한 성능 및 우수한 표면 마감을 제공하는 공정이다. 실버 침지 공정에서, 실버 금속은 산화 및 부식으로부터 납땜 및 보호될것이 요구되는 구리 표면 상에 선택적으로 증착된다. 실버 침지는 대략 8 내지 15 ㎛의 두께인 구리 상에 부드럽고 균일한 증착물을 산출시킨다. 미세 피치 IC, 높은 I/O BGA 및 매우 작은 전자 부품과 같은 고밀도 회로를 납땜하기 위해서는 평평한 토포그래피를 갖는 표면 마감이 절대적으로 요구된다. 또한, 침지 실버 표면 마감은 PCB 저장 조건에 따라 6 개월 내지 12 개월 동안 PCB 보관 수명이 가능하도록 한다.
실제 실버 침지 표면 마감재는 실버 이온 또는 실버 염 용액을 이용하여 노출된 구리 표면 상에 전자 증착 또는 무전해 도금된다. 제조 관점에서, 이러한 공정은 실버 염 농도, 용액의 pH에 매우 민감하고, 증착 속도 및 표면 마감 품질을 유지하기 위한 자동화된 공정 제어 및 측정을 요구한다. 침지 실버 공정 단계들은 교반된 산성 용액의 탱크에서 기판을 도금하고, 그 다음 생성된 PCB의 초음파 처리 및 세정을 수행한다. 양호한 남땜 접합부를 형성하는데 해로운 황 오염이 이러한 단계 동안 발생할 수 있다. 실제 프로세스에 내재된 또 다른 문제는 그것이 많은 양의 물을 사용하고, 독성 폐기물을 발생시키고, 프로세스 유출물을 처리하기 위한 물 오염제거 설비가 요구된다는 것이다. 마지막으로, 이러한 시설에서 작업하는 종업자들은 그들의 안전을 위해 보호 장비를 착용해야만 한다.
상기 모두를 고려하면, 전도성 금속 층을 보호하고 납과 무연 납땜을 이용하여 납땜을 가능하게 하는 실버 표면 마감의 형성을 가능하게 하는 적층 방법에 대한 필요성이 존재한다. 이러한 적층 공정은 실버를 이용하여 납땜가능한 금속을 마감하는 비용 효율적인 방법이다.
일 양태에서, 전도성 금속 층의 마감 방법이 제공되고, 상기 방법은: 전도성 금속 층 상에 분자 실버 잉크를 코팅하는 단계; 및 상기 실버 잉크를 분해하여 전도성 금속 층 상에 실버 금속의 납땜가능한 코팅을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 분자 실버 잉크는 실버 카복실레이트, 담체 및 중합체 결합제를 포함한다.
다른 양태에서, 전도성 금속 층의 납땜 방법을 제공하고, 상기 방법은 전도성 금속 층 상에 분자 실버 잉크를 코팅하는 단계; 상기 실버 잉크를 분해하여 전도성 금속 층 상에 실버 금속의 남땜가능한 코팅을 형성하는 단계, 및 상기 전도성 금속 층 상에 코팅된 남땜가능한 실버 금속을 납땜하여 실버 금속과 납땜 접합을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 분자 실버 잉크는 실버 카복실레이트, 담체 및 중합체 결합제를 포함한다.
다른 양태에서, 기판의 표면의 적어도 일부분 상에 증착된 전도성 금속 층을 포함하는 적층 물질이 제공되고, 상기 전도성 금속층은 실버 카르복실레이트, 담채 및 중합체 결합제를 포함하는 분자 잉크로 적어도 부분적으로 코팅되고, 상기 중합체 결합제는 중합체 결합제가 담채와 양립하도록 유도하는 기능기를 갖는 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르 이미드 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함한다.
다른 양태에서, 분자 잉크 내의 결합제로서 히드록실- 및/또는 카복실-말단 폴리에스테르의 용도가 제공된다.
상기 방법은 적층 방법으로 전도성 금속 층 상에 실버 금속 마감재의 형성을 가능하게 하고, 이는 모두 도전성 금속 층을 보호하고, 납과 무연 납땜과의 납땜을 가능하게 한다. 상기 방법은 비용-효율적이다.
추가의 특징이 다음의 상세한 설명의 과정에 기재되거나 명백해질 것이다. 본 명세서에 기재된 각각의 특징은 임의의 하나 이상의 기재된 다른 특징과 임의의 조합으로 사용 될 수 있고, 각각의 특징은 당업자에게 명백한것을 제외하고는 다른 특징의 존재에 반드시 의존하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
명확한 이해를 위해, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 구체예를 상세히 설명할 것이다:
도 1A는 납땜이 도포된 실버-코팅된 구리 표면의 개략도(좌측) 및 광학 이미지(우측)를 나타낸다. 상기 실버 코팅은 구리 표면 상에 분자 실버 잉크를 인쇄한 후 소결하여 형성되었다. 상기 실버는 안정적고 강한 남땜 접합부의 형성을 가능하게 한다.
도 1B는 납땜이 베어(bare) 구리 표면의 개략도(좌측)및 광학 이미지(우측)를 나타낸다. 상기 남땜은 구리 표면을 적절하게 습윤시키지 않음으로써, IPC A-610에 따라 허용 가능한 납땜 결합부가 형성되었다.
도 2A는 실버 마감 납땜을 이용한 납땜과 구리 포일 사이의 금속간 층을 보여주는 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 2B 및 2C는 납땜, 금속간 층 및 구리 호일의 층을 따른 원자 조성의 EDS 분석을 이용한 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
마감, 또는 마감되어 납땜될 전도성 금속 층은 임의의 물리적 형태, 예를 들면 시트(예를 들면, 포일, 플레이트), 와이어, 구(예를 들면, 볼 베어링) 등과 같은 프리-스탠딩 구조 및 기판의 적어도 일부분 상에 증착된 얇은 시트, 트레이스, 필러 등과 같은 기판 상에 증착된 구조일 수 있다. 인쇄 회로 보드(PCB) 또는 다른 전자 구조물의 제조에 있어서, 전도성 금속 층은 종종 트레이스 형태로 적절한 기판 상에 증착될 수 있다. 전도성 금속 층은 납땜가능한 금속, 예를 들면 구리, 금, 주석, 팔라듐, 알루미늄 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 상기 공정은 구리 또는 구리 합금에 특히 유용하다.
적합한 기판은 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)(예를 들면, Melinex ™), 폴리올레핀(예를 들면, 실리카-충전된 폴리올레핀(Teslin™)), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리스티렌, 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드(예를 들면, Kapton™), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 실리콘 멤브레인, 울, 실크, 면, 아마, 황마, 모드, 대나무, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴, 아라미드, 스판덱스, 폴리락티드, 종이, 유리, 금속, 유전 코팅 등을 포함한다.
기판 상의 전도성 금속 층의 증착은 임의의 적합한 방법, 예를 들면 전기증착(예를 들면, 전기도금), 분자 잉크의 증착 및 소결에 의해 달성될 수 있다. 강성 및 연성 회로는 주로 필요한 트레이스 및 패턴을 생성하기 위하여 에칭 이후에 접착 및 가열을 사용하여 표면 상에 적층된 순수 금속 호일을 사용하여 제조된다.
전도성 금속 층이 강성 또는 연성 기판 상에 증착되거나 적층될 때, 기판의 표면의 적어도 일부분 상에 납땜가능한 금속의 층을 포함하는 적층 물질이 생산될 수 있다. 상기 전도성 금속 층은 IPC A-610 표준이 부식을 방지하기 위하여 강성 또는 연성 회로 상에 구리가 노출되지 않을 것을 요구하기 때문에, 바람직하기는 상기 분자 실버 잉크로 완전히 코팅된다.
상기 잉크는 임의의 적합한 방법, 예를 들면 인쇄 방법으로 전도성 금속 층 상에 코팅된다. 상기 인쇄 방법은, 예를 들면 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 잉크젯 인쇄, 플렉소그래피 인쇄, 그라비어 인쇄, 오프-세트 인쇄, 스탬프 인쇄, 에어브러싱, 에어로졸 인쇄, 타이프세팅, 또는 임의의 다른 방법을 포함할 수 있다. 스크린 인쇄 또는 스텐실과 같은 적층 방법이 특히 유용하다는 장점이 있다. 적층 코팅 방법은 예를 들면 인쇄 회로 기판 상의 적층 제조 기술의 사용을 가능하게 한다.
상기 전도성 금속 층을 상기 분자 실버 잉크로 코팅한 이후에, 상기 전도성 금속 층 상의 잉크는 전도성 금속 층의 마감을 위하여 건조되고 분해되어 전도성 금속 층 상에 실버 금속 층을 형성할 수 있다. 전도성 금속 층 상의 실버 카르복실레이트의 건조 및 분해는 전도성 금속 층 상에 전도성 납땜가능한 실버 금속 코팅을 형성한다. 건조 및 분해는 임의의 적합한 기술에 의해 달성될 수 있으며, 여기서 상기 기술 및 조건은 기판의 유형 및 실버 카르복실레이트의 유형에 의해 안내된다. 예를 들면, 잉크의 건조 및 실버 카르복실레이트의 분해는 가열 및/또는 광자 소결에 의해 달성될 수 있다.
하나의 기술에서, 상기 기판의 가열은 실버 카복실레이트 코팅을 건조 및 소결하여 금속 실버를 형성한다. 상기 가열은 더 긴 시간 동안 비교적 높은 온도 범위에서 수행될 수 있다는 장점이 있다. 가열은 약 150 ℃ 이상, 또는 165 ℃ 이상, 또는 175 ℃ 이상, 또는 180 ℃ 이상, 또는 185 ℃ 이상, 또는 200 ℃ 이상, 또는 220 ℃ 이상, 또는 230 ℃ 이상, 또는 234 ℃의 온도에서 수행되면서도, 보다 우수한 기계적 특성을 갖는 비교적 고전도성 실버 코팅을 생성할 수 잇다. 일 구현예에서, 상기 온도는 약 200 ℃ 내지 약 250 ℃의 범위이다. 가열은 바람직하게는 약 1 내지 180분의 시간 동안 수행된다, 예를 들면, 5 내지 120 분, 또는 5 내지 60 분 동안 수행될 수 있다. 가열은 온도 및 시간 사이의 충분한 균형을 이루어 잉크를 소결하여 남땜가능한 전도성 실버 코팅을 형성한다. 잉크의 개선된 열적 안정성은 장시간 동안, 예를 들어 1 시간 이상 가열하는 것을 가능하게 한다. 가열 장치의 유형은 또한 소결에 필요한 온도 및 시간에 영향을 미친다. 소결은 산화 분위기(예를 들면, 공기) 또는 불활성 분위기(예를 들면, 질소 및/또는 아르곤 가스) 하에서 기판으로 수행될 수 있다.
다른 기술에서, 광자 소결 시스템은 빛의 광대역 스펙트럼을 전달하는 고강도 램프(예를 들면, 펄스형 제논 램프)를 특징으로 할 수 있다. 상기 램프는 트레이스에 약 5 내지 30 J/cm2의 에너지를 전달할 수 있다. 펄스 폭은 바람직하기는 약 0.58-1.5 ms의 범위이다. 광자 소결은 주변 조건(예를 들면, 공기) 하에서 수행될 수 있다. 광자 소결은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 기판이 사용될 때 특히 적합하다
전도성 금속 트레이스가 전기적으로 분리되거나 또는 다른 구성요소가 추가될 수 있는 기판 상에, 트레이스 및 전자 부품 사이의 상호접속부는 납땜가능한 표면 마무리 및 납땜을 이용하여 제조될 수 있다. 납땜은 실버 잉크가 실버 필름으로 소결된 후에 수행된다. 상기 분자 실버 잉크는 상기 전도성 금속 층에 대한 우수한 접착력을 가지며, 상기 납땜이 적용되는 온도 보다 높은 온도를 견딜 수 있는 중합체 결합제로 제형화되는 장점이 있다. 그 결과, 분자 실버 잉크는 납땜 연결부위의 적절한 형성에 바람직한, 매끄러운 전기 전도성 실버 트레이스를 생성할 수 있다. 강한 땜납 연결부위를 생성하는 능력은 인쇄 회로 기판 상에 적층 제조 기술을 사용할 때 특히 유용하다. 분자 실버 잉크는 강한 납땜 배선을 생성하는 실버 마감을 제공한다. 납땜 부품은 수용가능한 전단 강도를 나타내고, 인쇄된 트레이스 및 특징들의 접착력은 납땜 공정에 의해 영향을 받지 않는다. 무연 납땜 공정 및 전도성 금속 표면에 인쇄된 분자 잉크를 사용하여 생성된 배선의 전도성은 전단력 장치를 이용하여 측정하였을 때, 후자는 전도성 에폭시를 이용하여 제조된 배선보다 훨씬 우수한 전단력 결과를 나타내었다. 분자 잉크 및 무연 납땜을 이용하여 만들어진 배선의 전도성은 전기-증착, 또는 도금, 및 동일한 납땜 공정에 의해 생성된 표면 마감을 이용하여 제조된 배선의 전도성과 유사하였다.
인쇄 회로 기판에 부품을 부착하기 위한 납땜 기술은 일반적으로 당해 분야에 공지되어 있고, 납땜, 납땜 아이언, 플럭스, 남땜 심지 및 플럭스 제거기와 같은 도구를 이용한다. 납-기반 땜납(예를 들면, 주석/납 납땜(예를 들면, 60Sn/40Pb 또는 63Sn/37Pb)), 무연 납땜(예를 들면, SAC305 (96,5Sn/3Ag/0,5Cu))가 일반적으로 바람직하다. 무연 납땜은 주석, 구리, 은, 비스무트, 인듐, 아연, 안티몬 및 다른 금속의 트레이스를 함유할 수 있다. 납땜은 전형적으로 약 90 ℃ 내지 450 ℃, 예를 들면 약 200 ℃ 내지 약 300 ℃의 온도에서 용융된다. 전자 납땜의 경우, 로진 납땜이 산 코어 남땜 대신 사용된다. 사용되는 납땜 공정의 온도는 바람직하게는 260 ℃를 초과하지 않으며, 그 이유는 상기 온도가 전자 배선 산업이 따르는 IPC 표준들에서 무연 인쇄 회로 보드 및 부품에 대해 권장된 최대 온도이기 때문이다.
마감된 기판, 또는 완성되고 납땜된 기판은 전자 디바이스, 예를 들면 전기 회로(예를 들면, 인쇄 회로 기판(PCB)), 전도성 버스 바(예를 들면,광 전지), 센서(예를 들면, 터치 센서, 웨어러블 센서), 안테나(예를 들면, RFID 안테나), 박막 트랜지스터, 다이오드, 스마트 패키징(예를 들면, 스마트 약물 패키징), 장비 및/또는 차량 내의 정합성 인서트, 및 저 패스 필터, 주파수 선택성 표면, 트랜지스터 및 고온에 견딜 수 있는 정합형 표면 상의 안테나를 포함하는 다층 회로 및 MIM 디바이스에 통합될 수 있다.
상기 분자 실버 잉크는 실버 카복실레이트, 용매, 및 중합체 결합제를 포함한다.
실버 카복실레이트는 실버 이온 및 카복실산 모이어티를 함유하는 유기기를 포함한다. 상기 카복실레이트는 바람직하기는 1 내지 20개의 탄소 원자, 더욱 바람직하기는 6 내지 15개의 탄소 원자, 더욱더 바람직하기는 8 내지 12개의 탄소 원자, 예를 들면 10개의 탄소 원자를 포함한다. 상기 카복실레이트는 바람직하기는 알카노에이트이다. 상기 실버 카복실레이트는 바람직하기는 알카노인산의 실버 염이다. 바람직한 실버 카복실레이트의 몇몇 비-제한적 예로는 실버 에틸헥사노이에트, 실버 네오데카노에이트, 실버 벤조에이트, 실버 페닐아세테이트, 실버 이소부틸일아세테이트, 실버 벤조일아세테이트, 실버 옥살레이트, 실버 피발레이트 및 그들의 유도체 및 그들의 혼합물이 있다. 실버 네오데카노에이트가 특히 바람직하다. 하나 또는 그 이상의 실버 카복실레이트가 잉크 내에 존재할 수 있다. 상기 실버 카복실레이트는 바람직하기는 잉크 내에 분산된다. 바람직하기는, 상기 잉크는 금속 실버 물질의 프레이트 또는 그밖의 입자를 함유하지 않는다.
상기 실버 카복실레이트는 바람직하기는 잉크의 전체 중량을 기준으로 잉크 내에 약 19 wt% 이상의 실버 로딩을 제공하기 위한 양으로 존재한다. 더욱 바람직하기는 약 23 wt% 이상, 또는 약 24 wt% 이상, 또는 약 25 wt% 이상, 또는 약 27 wt% 이상, 또는 약 31 wt% 이상, 또는 약 32 wt% 이상의 실버 로딩량을 제공한다. 상기 실버 카복실레이트가 실버 네오데카노에이트인 경우, 상기 실버 네오데카노에이트는 바람직하기는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 50 wt% 이상, 또는 약 60 wt% 이상, 또는 약 65 wt%이상, 또는 약 70 wt% 이상 또는 약 80 wt% 이상의 양으로 잉크 내에 존재할 수 있다.
상기 담체는 바람직하기는 실버 염 또는 중합체 결합제 중 하나 또는 둘 다와 양립할 수 있다. 상기 담체는 바람직하기는 실버 염 또는 중합체 결합제 둘 다와 양립할 수 있다. 상기 실버 염 및/또는 중합체 결합제는 바람직하게는 가용성, 예를 들면 담체에서 가용성이다. 상기 담체는 바람직하기는 용매이다. 상기 용매는 바람직하기는 유기 용매, 더욱 바람직하기는 비-방향족 유기 용매이다. 비-방향족 유기 용매는 예를 들면, 테르펜(예를 들면, 테르펜 알코올), 글리콜, 에테르(예를 들면, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르), 알코올(예를 들면, 메틸시클로헥사놀, 옥타놀, 헵타놀), 카르비톨(예를 들면, 2-(2-에톡시에톡시)에탄올) 또는 그들의 혼합물을 포함한다. 상기 용매는 바람직하기는 테르펜, 더욱 바람직하기는 테르펜 알코올을 포함한다. 테르펜 알코올은 모노테르펜 알코올, 세스퀴테르펜 알코올 등을 포함할 수 있다. 예를 들면 테르피네올, 게라니올 등과 같은 모노테르펜 알코올이 바람직하다. 예를 들면, α-테르피네올, β-테르피네올, γ-테르피네올, 및 테르피넬-4-올과 같은 테르피네올이 특히 바람직하다. α-테르피네올이 특별히 바람직하다.
상기 담체는 잉크의 전체 중량을 기준으로 임의의 적합한 양, 바람직하기는 약 1 wt% 내지 약 50 wt%의 양으로 잉크 내에 존재할 수 있다. 더욱 바람직하기는 약 5 wt% 내지 약 50 wt%, 또는 약 10 wt% 내지 약 40 wt%의 양으로 존재한다.
상기 중합체 결합제는 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르 이미드, 폴리에테르(예를 들면, 에틸 셀룰로오스) 또는 그들의 혼합물 포함한다. 일 구현예에서, 상기 중합체 결합제는 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르 이미드 또는 그들의 혼합물을 포함한다. 상기 중합체 결합제는 중합체 결합제가 담체와 양립가능하게 유도하는 기능기를 가질 수 있다. 바람직하기는, 상기 중합체 결합제는 가용성, 예를 들면 담체에서 가용성이다. 따라서, 담체 내의 중합체 결합제 혼합물은 상당한 상 분리를 야기하지 않는다. 상기 중합체 결합제가 담체와 양립가능하게 유도하는 기능기는 바람직하기는 수소 결합, 예를 들면 하나 또는 그 이상의 히드록실, 카복실, 아미노 및 설포닐기에 관여할 수 있는 극성기이다. 바람직하기는, 상기 중합체 결합제는 말단 히드록실 및/또는 카복실기를 포함한다. 일 구현예에서, 상기 중합체 결합제는 바람직하기는 상기 폴리에스테르가 용매와 양립가능하게 유도하는 기능기를 갖는 폴리에스테르를 포함한다. 더욱 바람직하기는, 상기 중합체 결합제는 히드록실- 및/또는 카복실-말단 폴리에스테르이다.
상기 중합체 결합제는 잉크의 전체 중량을 기준으로 임의의 적합한 양, 바람직하기는 약 0.1 wt% 내지 약 5 wt%의 양으로 잉크 내에 존재할 수 있다. 더욱 바람직하기는 약 0.5 wt% 내지 약 3 wt%, 또는 약 1 wt% 내지 약 2 wt%의 양으로 존재한다.
일 구현예에서, 상기 분자 잉크는 실버 카복실레이트, 담체, 및 히드록실- 및/또는 카복실- 말단 폴리에스테르로 이루어진다.
실시예:
실시예 1: 폴리에스테르 결합제를 갖는 실버 네오데카노에이트 잉크
실버 네오데카노에이트(AgND)-기반 잉크(I1)를 하기의 표 1에 기술된 바와 같이 배합하였다. 상기 잉크들은 모든 성분들을 조합하여 제조하고, 용액이 균질해질 때까지 플러드 믹서에서 혼합하였다.
잉크 성분 Ink I1
실버 네오데카노에이트(wt%) 60
Rokrapol™ 7075 (wt%) 1.6
테르페니올 (wt%) 38.4
도 1A 및 도 1B를 참조하면, 실버 잉크의 층을 Rokrapol™ HPP-ST의 시트(1) 상에 증착된 35 ㎛의 두께의 구리 호일(3)의 제1부분으로 스텐실하였다. 상기 스텐실된 트레이스를 하기의 표 2에 나타낸 가열 프로그램을 사용하여 15분 동안 230℃(샘플 온도)에서 변화하는 리플로우 온도(T)에서 질소 하에 열적 소결하고 구리 호일(3) 상에 실버의 층(4)을 생성하였다. 상기 온도는 Kapton™ 기판에 부착된 열전대에 의해 측정된 것이다.
영역 전방 시간, sec
예비-가열 1 100oC 300
예비-가열 2 130oC 300
담그기 160oC 300
리플로우 230oC 2700
냉각 60oC 300
남땜 페이스트(5)를 층(4)에 도포하고(도 1A) 구리 호일(3)(도 1B)에 직접 도포하였다. 무연, 무-클린 및 할로겐-프리 남땜 페이스트(Loctite™ GC10 SAC305T4 885V 52U)를 5 mil 두께의 스텐실을 사용하여 구리 코팅 필름에 도포하였다. 상기 납땜을 하기의 표 3에 기술된 온도 프로그램을 사용하여 리플로우하였다. 상기 온도는 Kapton™ 기판에 부착된 열전대에 의해 측정된 것이다.
영역 온도 시간, sec
예비-가열 50oC 40
담그기 150oC 140
리플로우 230oC 90
냉각 30oC 60
도 1A의 광학 이미지(우측)에서 알 수 있는 바와 같이, 실버 코팅은 안정적이고 강한 남땜 결합부의 형성을 가능하게한다. 반면, 도 1B에 도시된 광학 이미지에서 알 수 있는 바와 같이, 남땜은 구리 표면을 적절하게 습윤시키지 않음으로써, IPC A-610 표준에 따라 허용불가능한 납땜 접합을 초래한다. 표면 마감으로서 실버 분자 잉크를 사용하는 이러한 이점은 실버 마감재를 함유하는 구리 호일에 비해 구리 호일에서의 납땜 접촉각의 차이에서도 또한 반영된다. 하기의 표 4에 강조된 바와 같이, 납땜 접촉각은 실버 마감이 구리 포일(13°대 24°)상에 존재할 때 상당히 낮았다. 또한, 구리 포일(표 4)상에 실버 마감이 존재할 때 납땜 형상 유지 또한 더욱 우수하였다. 하기의 표 4는 구리 호일 및 실버 마감재를 이용한 구리 호일 상의 납땜의 접촉각 및 형상 유지를 나타낸다.
잉크 접촉 각 형상 유지
구리 호일 대조 (no Ag) 28 괜찮음
실버 마감재를 이용한 구리 호일 13 우수함
실시예 2: 실버 마감된 구리 호일 상의 납땜 연결부의 특징
실버 분자 잉크의 4 μm 표면 마감을 Kapton 상의 구리 호일의 35μm 층 상에 인쇄하였다. 그 다음, 납땜(SAC305)를 생성된 실버 마감재의 표면에 침착시키고, 전술한 바와 같이 리플로우 오븐에서 처리하였다. 리플로우 이후에 구리 호일과 납땜 사이에 금속간(intermetallic)이 형성된다는 것은 강한 시각적 증거를 나타낸다(도 2A). SAC 305의 원소 조성은 96.5% Sn(주석), 3.0% Ag(실버) 및 0.5% Cu(구리)이고, 생성된 납땜 연결부의 일부는 SAC305(i,ii,iii 및 iv)와 유사한 원소 조성을 갖는다. 또한, 도 2B 및 2C에 강조된 바와 같이 금속간 층이 형성된다는 것이 입증되었고, 여기서 상기 SAC 305 납땜으로부터의 주석은 EDS 분석 후 구리 호일에서의 주석의 존재에 의해 입증되는 바와 같이 구리 포일(v,vi 및 vii)로 확산된다. 또한, 납땜 층에서 구리(viii, ix, x) 및 실버(xi 및 xii)의 상대적인 비율이 SAC(305) 자체 보다 더 높은데, 이는 금속간(intermetallic)이 형성되었음을 입증한다. 구리 층으로의 Sn 및 납땜으로의 Cu/Ag의 확산은 납땜 및 구리 포일 사이의 강한 결합의 형성을 용이하게 하는 데 도움이 되고, 따라서 회로 및 전자 부품 사이의 강한 결합이 부착될 수 있다.
실시예 3: 에틸 셀룰로오스 결합제를 이용한 실버 네오데카노에이트 잉크
테이프에 적층된 감압성 접착제로 코팅된 구리 호일을 폴리이미드 필름(DuPont, Kapton™)상에 놓았다. 그 다음, 구리 호일을 이소프로판올로 세정하였다. 52.1 wt% (g/g)실버 네오데카노에이트, 4.2 wt% (g/g) 에틸 셀룰로오스, 12 중량 wt% (g/g) 옥탄올 및 35.9 wt% (g/g) 디에틸벤젠을 포함하는 잉크를 구리의 상부에 인쇄하였다. 샘플을 250 ℃에서 15 분 동안 소결시켰다. 상기 실버-코팅된 구리에 무연 Multicore Loctite™ 점착성 플럭스 페이스트를 도포하였다. 실버-코팅된 구리 상에 발광 다이오드(LED)를 배치하고, 무연 상단을 400 내지 425 ℃에서 가열하여 납땜 와이어를 230 ℃의 최소한의 납땜 온도에서 환류되도록 하는 SAC305 코어 납땜 와이어를 사용하여 3초 동안 납땜하였다. 상기 단계 동안 상기 기판 및 성분들의 최대 온도는 각각 260 ℃ 및 250 ℃이다. 상기 영역을 이소프로필 알코올로 세정하였다. LED는 3V를 인가하여 시험하였다. 상호연결은 전단 테스트(IEC 62137-2)로 시험하고 IPC-A-610 Class 2를 사용하여 검사하였다. 전단 결합 시험은 10 lbs의 결합 강도를 나타내었다.
새로운 특징은 본 명세서의 검토 시 당업자에게 명백해질 것이다. 그러나, 청구 범위는 구체예에 의해 제안되어서는 안되며, 청구 범위 및 명세서 전체의 표현과 일치하는 가장 넓은 해석이 주어져야 하는 것을 이해해야 한다

Claims (22)

  1. 전도성 금속 층의 마감 방법으로, 상기 방법은:
    전도성 금속 층 상에 분자 실버 잉크를 코팅하는 단계; 및
    상기 실버 잉크를 분해하여 전도성 금속 층 상에 실버 금속의 납땜가능한 코팅을 형성하는 단계를 포함하고,
    여기서 상기 분자 실버 잉크는 실버 카복실레이트, 담체 및 중합체 결합제를 포함하는 것인, 방법.
  2. 전도성 금속 층의 납땜 방법으로, 상기 방법은:
    전도성 금속 층 상에 분자 실버 잉크를 코팅하는 단계;
    상기 실버 잉크를 분해하여 전도성 금속 층 상에 실버 금속의 남땜가능한 코팅을 형성하는 단계, 및
    상기 전도성 금속 층 상에 코팅된 남땜가능한 실버 금속을 납땜하여 실버 금속과 납땜 접합을 형성하는 단계를 포함하고,
    여기서 상기 분자 실버 잉크는 실버 카복실레이트, 담체 및 중합체 결합제를 포함하는 것인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전도성 금속 층은 구리, 금, 주석, 팔라듐, 알루미늄 또는 이들의 합금을 포함하는 것인, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체 결합제는 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르 이미드, 폴리에테르 또는 그들의 임의의 혼합물을 포함하는 것인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체 결합제는 중합체 결합제가 담체와 양립하도록 유도하는 기능기를 포함하는 것인, 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체 결합제는 히드록실- 및/또는 카복실-말단 폴리에스테르를 포함하는 것인, 분자 잉크.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실버 카복실레이트는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 19 wt% 이상의 잉크 내 실버 로딩을 제공하는 양으로 잉크 내에 존재하는 것인, 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실버카복실레이트는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 24 wt% 이상의 잉크 내 실버 로딩을 제공하는 양으로 잉크 내에 존재하는 것인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실버 카복실레이트는 실버 네오데카노에이트를 포함하는 것인, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 네오데카노에이트는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 60 wt% 이상의 양으로 잉크 내에 존재하는 것인, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 네오데카노에이트는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 80 wt% 이상의 양으로 잉크 내에 존재하는 것인, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체 결합제는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 0.1 wt% 내지 약 5 wt%의 양으로 잉크 내에 존재하는 것인, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 담체는 유기 용매를 포함하는 것인, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 용매는 α-테르피네올을 포함하는 것인, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 담체는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 1 wt% 내지 약 50 wt%의 양으로 잉크 내에 존재하는 것인, 방법.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 담체는 잉크의 전체 중량을 기준으로 약 10 wt% 내지 약 40 wt%의 양으로 잉크 내에 존재하는 것인, 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 금속 층은 기판 상에 증착되는 것인, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리올레핀, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 열가소성 폴리우레탄, 실리콘 멤브레인, 울, 실크, 면, 아마, 황마, 모드, 대나무, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴, 아라미드, 스판덱스, 폴리락티드, 종이, 유리, 금속 또는 유전 코팅을 포함하는 것인, 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 금속 층 상에 분자 실버 잉크의 코팅은 인쇄를 포함하는 것인, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 인쇄는 스크린 인쇄 또는 스텐실을 포함하는 것인, 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분자 실버 잉크의 분해는 분자 실버 잉크의 소결을 포함하는 것인, 방법.
  22. 기판의 표면의 적어도 일 부분에 증착된 전도성 금속 층을 포함하는 적층 재료로, 상기 전도성 금속 층은 실버 카복실레이트, 담체, 및 중합체 결합제를 포함하는 분자 잉크로 적어도 부분적으로 코팅되고, 상기 중합체 결합제는 중합체 결합제가 담체와 양립하도록 유도하는 기능기를 갖는 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르 이미드 또는 그들의 임의의 혼합물을 포함하는 것인, 적층 재료.

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