KR20200001219A - 접착성능이 우수한 솔더 페이스트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에폭시계 수지, 경화제, 환원제, 계면활성제, 촉매제, 저융점 솔더, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 및 디하이드록시 페닐알라닌을 포함하는 솔더 페이스트 조성물에 관한 것으로서, 기존에는 마이크로 LED를 반도체 기판의 패드(Pad)에 결합하기 위해 많은 시간이 소요되던 것에 반해, 상기 조성물의 이용을 통해 마이크로 LED와 반도체 기판의 패드를 단시간에 적합한 조건으로 결합할 수 있는 장점이 있다.

Description

접착성능이 우수한 솔더 페이스트 조성물 {Composition for solder paste having excellent adhesive property}
본 발명은 접착성능이 우수한 솔더 페이스트 조성물에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 마이크로 LED와 반도체 기판의 패드(Pad)의 결합에 적합한 솔더 페이스트 조성물에 관한 것이다.
최근 전자 기기의 소형화 및 고기능화에 따라 반도체 등의 고밀도화가 요구되어 왔으며, 이에 따라 솔더링 공정은 필수적인 접합 기술이 되었으며, 이는 마이크로 LED와 반도체 기판의 결합을 위해서도 요구되는 공정이다.
납땜이라고도 알려져 있는 솔더링 공정은 450℃ 이하의 온도에서 2개의 이종 재료 사이에 저융점의 금속을 용융시켜 접합하는 방식이며, 최근 솔더링 공정은 솔더볼(solder ball) 또는 솔더 범프(solder bump)를 사용하는 방향으로 발전하고 있다. 솔더볼은 칩과 기판 간의 전기 및 기계적 연결을 하는 땜납 부속품으로, 최종 칩과 회로 기판 사이의 전기적 신호 전달을 가능하게 하는 작은 구슬 형태의 초정밀 납땜 재료를 칭하는 것이다.
솔더링 공정 수행 시 접합하고자 하는 전극 등의 금속부재의 표면에 산화막이 형성되어 있으면 접합용 용융금속이 순수금속을 적시지 못하게 방해하여 접합이 이루어지지 않는다. 이를 방지하기 위하여 통상의 접합 작업에서는 플럭스(flux)를 사용하고 있다. 플럭스는 땜납 표면의 산화층을 파괴하고, 접합도중에 금속 표면이 대기와 접촉하여 산화층이 생성되는 것을 방지함으로써 결합이 쉽게 이루어지도록 한다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 저전력 소비와 친환경적이라는 측면에서 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, 조명장치나 LCD 표시장치의 백라이트용으로 뿐만 아니라, 디스플레이 장치에도 널리 적용되고 있다. LED는 전기 에너지를 빛으로 변환시키는 고체 소자의 일종으로서, 기본적으로, 두 개의 도핑층, 즉 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하여, 두 개의 도핑층 사이에 전압이 인가되면, 전자와 정공이 활성층으로 주입된 후, 활성층 내에서 재결합되어 빛이 발생되는 원리를 이용하고 있다. LED는 비교적 낮은 전압으로 구동이 가능하면서도 높은 에너지 효율로 인해 발열이 낮은 특징이 있다. LED는 다양한 타입으로 제조될 수 있는데, 이러한 여러 가지 타입들 중 특히, 하나의 반도체 기판 상에 복수 개의 마이크로 LED를 형성한 타입이 있다. 이와 같이, 복수 개의 마이크로 LED를 형성하여 디스플레이 장치를 제조함에 있어서 종래에는 기계적 반복 공정을 통해 이를 종횡축으로 배열하는 방법을 이용하였다.
다만, 이러한 방법을 통해서는 마이크로 LED의 배열에 많은 시간이 소요되기 때문에, 본 발명의 발명자들은 마이크로 LED를 제조할 때, 이를 배열하려는 반도체 기판의 Pad의 위치를 기준으로 거울상으로 마이크로 LED를 배치한 후 이를 Pad 위에 접착시킨 후 솔더링을 수행하는 방법을 개발하였다.
그러나 이 경우에도 반도체 기판의 Pad에 마이크로 LED가 잘 접착되지 않을 수 있다는 단점이 발생할 수 있고, 이 경우 마이크로 LED와 반도체 기판에서의 솔더링을 통한 접촉부 형성 또한 어려울 수 있다.
따라서 이러한 마이크로 LED 전극과 반도체 기판의 Pad의 접착과정이 원활하게 수행될 수 있게 하면서도 향후 솔더볼을 이용한 솔더링 과정을 통해 형성될 수 있는 마이크로 LED와 반도체 기판의 접촉부의 부식을 억제할 수 효과가 있는 접착성능 및 플럭스 기능이 우수한 솔더 페이스트 조성물이 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1732965호 (발명의 명칭 : 고방열 LED용 전도성 접착제 무용제형 실버 페이스트, 출원인 : 주식회사 에프피, 등록일 : 2017년04월27일) 대한민국 등록특허 제10-1826950호 (발명의 명칭 : 솔더 페이스트를 통해 접착된 발광 다이오드를 갖는 발광 다이오드 모듈 및 발광 다이오드, 출원인 : 서울바이오시스 주식회사, 등록일 : 2018년02월01일)
본 발명의 목적은 마이크로 LED와 반도체 기판의 패드(pad)의 결합에 적합한 솔더 페이스트 조성물을 제공하는 데에 있다.
본 발명은 에폭시계 수지, 경화제, 환원제, 계면활성제, 촉매제, 저융점 솔더, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 및 디하이드록시 페닐알라닌을 포함하는 솔더 페이스트 조성물에 관한 것으로서, 상기 조성물은 점도가 20,000 ~ 40,000 cps인 것일 수 있다.
상기 조성물에는 칙소제 또는 희석제가 더 포함될 수 있다.
상기 에폭시계 수지는 2관능성 에폭시(DGEBA:DiGlycidylEther of Bisphenol of A), 3관능성 에폭시(TGAP:Tri-Glycidyl p-Aminophenol) 및 4관능성 에폭시(TGDDM:TetraGlycidyl Diamine Diphenyl Methane)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 경화제는 아민 계열(amine family) 물질 및 안하이드라이드 계열(anhydride family)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 경화제는 에폭시계 수지 대비 0.3 ~ 0.5 당량비로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 환원제는 글루타르산(glutaric acid), 말레산(malic acid), 아젤라인산(azelaic acid), 아비에트산(abietic acid), 아디프산(adipic acid), 아스코르빈산(ascorbic acid), 아크릴산(acrylic acid) 및 시트르산(citric acid)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 불소계 계면활성제, 퍼플루오로알킬폴리옥시에틸렌에탄올, 플루오르화 알킬 에스테르, 퍼플루오로알칼아민 옥사이드, 불소 함유 오가노실록산 시스템 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 촉매제는 벤질 디메틸 아민(BDMA:Benzyl DiMethly Amine), BF3-모노 에틸 아민(BF3-MEA:BF3-Mono Ethyl Amine), 트리스(디메틸아미노메틸)페놀(DMP-30:tris(dimethylaminomethyl)phenol), 디메틸벤즈안트라센(DMBA:DiMethylBenzAnthracene) 및 메틸이미다졸(MI:MethylImidazole)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 저융점 솔더는 Sn-In 계열 물질, Sn-Bi 계열 물질, Sn-Ag 계열 물질, In-Ag 계열 물질, Sn-Bi-Ag 계열 물질, Sn-Bi-Pb 계열 물질 및 Sn-Ag-Cu 계열 물질로 이루어진 군 중에서 1종 이상 포함될 수 있다.
상기 솔더 페이스트 조성물에 함유되는 환원제, 계면활성제 및 촉매제는 경화제 100 중량부 기준으로 환원제 20 ~ 25 중량부, 계면활성제 20 ~ 25 중량부, 촉매제 10 ~ 15 중량부, 저융점 솔더 20 ~ 50 중량부, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 5~10 중량부 및 디하이드록시 페닐알라닌 10~20 중량부가 포함되는 것이 바람직하다. 또한 상기 조성물에 경화제 100 중량부 대비 희석제 50 ~ 60 중량부가 더 포함되거나 칙소제 5 ~ 15 중량부가 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 (A단계) 경화제와 에폭시계 수지를 혼합하여 반응시키는 단계;
(B단계) 촉매제, 저융점 솔더, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트, 디하이드록시 페닐알라닌을 첨가하고 혼합하는 단계;
(C단계) 환원제를 첨가하고 혼합하는 단계; 및,
(D단계) 계면활성제를 첨가하고 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 A단계에서 경화제에 희석제와 칙소제가 더 첨가될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명에서는,
(제1단계) 상기 솔더 페이스트 조성물(30)을 반도체 기판(10)의 패드(3)에 바르는 단계;
(제2단계) 마이크로 LED가 점착된 시트(20)를 마이크로 LED의 전극이 반도체 기판의 패드 상부 조성물에 맞닿도록 접착시키는 단계; 및,
(제3단계) 상기 조성물에 90~200℃의 열을 가하여 솔더 페이스트 조성물 내의 저융점 솔더(4)가 마이크로 LED의 전극과 반도체 기판의 패드 주위로 응집 및 용융되어 마이크로 LED와 반도체 기판을 연결하는 접촉부(200)를 형성하면서, 상기 접촉부 외부로 코팅층(100)이 형성되는 단계;
를 포함하는 반도체 기판에서의 마이크로 LED의 배열 및 솔더링 방법을 제공할 수 있다.
상기 제2단계와 제3단계 사이, 또는, 제3단계 이후에 마이크로 LED가 점착된 시트를 제거할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에서 요구되는 솔더 페이스트 조성물의 점도는 20,000~40,000 cps가 적절한데, 점도가 20,000 이하로 낮으면 흐름성이 높아서 접촉부(200)를 형성하면서, 상기 접촉부 외부로 코팅층(100)이 형성될 때 상기 접촉부 외부를 코팅층이 균일하게 감싸 주지 못하며, 점도가 40,000 이상으로 높으면 실제 공정에서 빠짐성이 좋지 않아서 균일한 양이 기판에 형성되지 못할 수 있고, 외부 충격시 상기 코팅층에 균열이 생성될 수 있다.
본 발명의 솔더 페이스트 조성물에 포함되는 에폭시계 수지로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 2관능성 에폭시(DGEBA:DiGlycidylEther of Bisphenol of A), 3관능성 에폭시(TGAP:Tri-Glycidyl p-Aminophenol) 및 4관능성 에폭시(TGDDM:TetraGlycidyl Diamine Diphenyl Methane)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 경화제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 아민 계열(amine family) 물질 및 안하이드라이드 계열(anhydride family)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 아민 계열 물질은 메타-페닐렌디아민(MPDA:Meta-PhenyleneDiAmine), 디아미노 디페닐 메탄(DDM:Diamino Diphenyl Methane) 및 디아미노디페닐 설폰(DDS:DiaminoDiphenyl Sulfone)로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하며, 상기 안하이드라이드 계열 물질은 2-메틸-4-니트로아닐린(MNA:2-Methyl-4-NitroAniline), 도데세닐 숙신 안하이드라이드(DDSA:DoDecenly Succinic Anhydride), 말레익 안하이드라이드(MA:Maleic Anhydride), 숙신 안하이드라이드(SA:Succinic Anhydride), 메틸테트라하이드로프탈릭 안하이드라이드(MTHPA:MethylTetraHydroPhthalic Anhydride), 헥사하이드로프탈릭안하이드라이드(HHPA:HexaHydro Phthalic Anhydride), 테트라하이드로프탈릭 안하이드라이드(THPA:Tetrahydrophthalic Anhydride) 및 피로멜리틱 안하이드라이드(PMDA:PyroMellitic DiAnhydride)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 경화제는 에폭시계 수지 대비 0.3 ~ 0.5 당량비로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 경화제가 에폭시계 수지 대비 0.3 당량비 미만이면 에폭시계 수지의 경화가 원활하지 않으며, 0.5 당량비를 초과하면 에폭시계 수지가 경화된 후 고온고습에 견딜 수 있는 특성이 저하되어 바람직하지 않다.
상기 환원제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 글루타르산(glutaric acid), 말레산(malic acid), 아젤라인산(azelaic acid), 아비에트산(abietic acid), 아디프산(adipic acid), 아스코르빈산(ascorbic acid), 아크릴산(acrylic acid) 및 시트르산(citric acid)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 환원제는 경화제 100 중량부 대비 20 ~ 25 중량부가 포함되는 것이 바람직하다. 상기 환원제가 경화제 100 중량부 대비 20 중량부 미만이거나, 25 중량부를 초과하면, 마이크로 LED의 전극과 반도체 기판의 Pad의 표면에 산화가 진행되어 바람직하지 않다.
상기 계면활성제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 비이온성 계면활성제, 불소계 계면활성제, 퍼플루오로알킬폴리옥시에틸렌에탄올, 플루오르화 알킬 에스테르, 퍼플루오로알칼아민 옥사이드, 불소 함유 오가노실록산 시스템 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 계면활성제는 솔더 페이스트 조성물의 접착성을 향상시키며, 솔더 페이스트 조성물의 계면 장력을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 계면활성제는 경화제 100 중량부 대비 20 ~ 25 중량부가 포함되는 것이 바람직하다. 상기 계면활성제가 경화제 100 중량부 대비 20 중량부 미만이면 솔더 페이스트 조성물의 접착성이 낮아질 수 있고, 25 중량부를 초과하면 솔더 페이스트 조성물의 흐름성이 높아져 마이크로 LED의 전극과 반도체 기판의 Pad 주위를 균일하게 감싸 주지 못해 바람직하지 않다.
본 발명에서 요구되는 솔더 페이스트 조성물의 점도의 제어는 조성물에 첨가되는 계면활성제의 함량뿐만 아니라, 계면활성제를 혼합하는 공정제어도 중요하다. 요구하는 접착성을 달성하기 위해서 계면활성제 첨가 전의 조성물을 25 ~ 50 rpm의 속도로 교반하면서 계면활성제를 20 ~ 40 g/min의 속도로 적가하여 혼합 조성물을 제조하는 것을 특징으로 한다. 상기 교반 속도 또는 적가 속도가 너무 느리거나 빠르면 본 발명에서 요구되는 조성물의 점도 및 접착성을 달성할 수 없는 문제가 발생한다.
상기 촉매제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 벤질 디메틸 아민(BDMA:Benzyl DiMethly Amine), BF3-모노 에틸 아민(BF3-MEA:BF3-Mono Ethyl Amine), 트리스(디메틸아미노메틸)페놀(DMP-30:tris(dimethylaminomethyl)phenol), 디메틸벤즈안트라센(DMBA:DiMethylBenzAnthracene) 및 메틸이미다졸(MI:MethylImidazole)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 촉매제는 경화제 100 중량부 대비 10 ~ 15 중량부가 포함되는 것이 바람직하다. 상기 촉매제가 경화제 100 중량부 대비 10 중량부 미만이거나 15 중량부를 초과하면, 가열 공정을 통해 마이크로 LED와 반도체 기판의 Pad 상에 접촉부 또는 상기 접촉부 외부의 코팅층이 형성될 때에 기포가 형성될 수 있어 바람직하지 않다.
상기 저융점 솔더는 경화제 100 중량부 대비 20 ~ 50 중량부가 포함될 수 있다. 상기 저융점 솔더가 경화제 100 중량부 대비 20 중량부 미만이거나 50 중량부를 초과하면, 마이크로 LED와 반도체 사이의 전극을 통한 전류, 전하 등의 흐름이 원활하지 않을 수 있다.
상기 저융점 솔더는 Sn, Bi, In, Ag, Pb 및/또는 Cu를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 저융점 솔더는 58Sn/42Bi, 60Sn/40Bi, 52In/48Sn, 97In/3Ag, 57Bi/42Sn/1Ag, 58Bi/42Sn, 52Bi/32Pb/16Sn, 96.5Sn/3Ag/0.5Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 및/또는 Sn 과 같은 조성비로 이루어질 수 있다. 상기 저융점 솔더의 입자 크기는 적용되는 도전 패턴의 크기(e.g. pitch)에 따라 선택될 수 있으며, 상기 도전 패턴의 크기가 증가할수록 큰 입자 크기의 저융점 솔더가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 저융점 솔더의 입자 크기는 약 5nm 내지 100μm 의 범위에서 선택될 수 있다.
본 발명의 솔더 페이스트 조성물에는 경화제 100 중량부 대비 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 5~10 중량부 및 디하이드록시 페닐알라닌 10~20 중량부가 포함될 수 있다. 상기 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 및 디하이드록시 페닐알라닌은 접착효율향상제로서, 상기 접착효율향상제가 각각 필요조건 미만으로 포함되면 점착제를 통해 시트에 붙어있던 마이크로 LED가 반도체 기판의 Pad 상부로 결착이 되지 않고 그대로 시트에 붙어있는 현상이 발생할 수 있다. 그러나 상기 접착효율향상제가 각각 필요조건을 초과하여 포함된다 하여도 접착효율이 더 증대되지는 않기에 제조 비용의 증가 등의 면에서 바람직하지는 않다. 또한 아이소보르닐(메트)아크릴레이트와 디하이드록시 페닐알라닌은 서로 대체 사용되지 않으며 각각의 특성상 솔더 페이스트 조성물에 반드시 포함되어야만 한다.
본 발명의 솔더 페이스트 조성물의 제조 시 칙소제 또는 희석제를 더 포함할 수 있다. 상기 칙소제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 수소 첨가 캐스터 왁스(hydrogenated castor wax), 카나우바 왁스(carnauba wax), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 폴리글리콜(polyglycols), 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol), 아크릴레이트 올리고머(acrylate oligomer), 글리세라이드(glycerides), 시메티콘(simethicone), 트리부틸 포스페이트(tributyl phosphate) 및 실리카계 화합물(Silica compounds)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 또한 상기 희석제로서 사용될 수 있는 것들은 특별히 제한되지는 않으나, 브롬화 디페닐에테르(BDE:Brominated Diphenyl Ethers)와 같은 유기용매가 사용되는 것이 바람직하다. 상기 희석제는 경화제 100 중량부 대비 50 ~ 60 중량부가 포함될 수 있고, 칙소제는 경화제 100 중량부 대비 5 ~ 15 중량부가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 조성물은 커플링제, 도막 평활제 및 소포제로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 커플링제, 도막 평활제 또는 소포제 또한 각각 경화제 100 중량부 대비 1 ~ 15 중량부가 포함될 수 있다.
또한 유동개질제, 증점제 등과 같은 보조 첨가제를 더 포함할 수 있는데, 상기 유동개질제 또는 증점제는 공지된 것이라면 그 종류가 제한되지 않으며, 예를 들어 아크릴레이트 고분자 화합물, 변성 셀룰로오스 등이 있다. 또한 본 발명의 솔더 페이스트 조성물은 CNT-Cu(Carbon Nano Tube-Copper)를 더 포함할 수도 있다. 상기 유동개질제, 증점제, CNT-Cu도 각각 경화제 100 중량부 대비 1 ~ 15 중량부가 포함될 수 있다.
본 발명의 솔더 페이스트 조성물은 가열을 통해 적절한 온도에서 응집 및 용융되어 마이크로 LED의 전극과 반도체 기판의 Pad를 연결하면서 이들을 전체적으로 감싸는 접촉부가 형성되게 하며, 저융점 솔더를 제외한 조성물 또한 상기 접촉부 외부 또는 상부로 결집되면서 코팅층을 형성할 수 있다. 이러한 접촉부 형성을 통해 마이크로 LED와 반도체 기판이 연결되어 전류가 흐를 수 있게 되고, 이러한 코팅층 형성 과정을 통해 본 발명의 조성물이 반도체 기판 위의 Pad와 마이크로 LED 전극 주위를 감싸며 충격이나 부식 등에 저항성을 가지게 된다. 이 때의 모든 가열 공정은 대기 중에서 행해도 좋고 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 기체 분위기 중에서 행해도 좋다. 한편, 상기 가열 단계는 에폭시가 가경화 단계를 거침으로서 최소한의 유동성을 가지는 온도 적정 범위인 90~200℃에서 수행될 수 있다. 이를 초과할 경우, 코팅과정이 진행되기 전에 경화가 더 빨리 진행되어 코팅층 형성이 잘 되지 않으며 기포(void)가 발생하거나 자연스러운 코팅 과정이 진행되지 못할 수 있다.
상기 마이크로 LED가 점착된 시트는 그 소재가 유연한 특징을 나타내면서도 점착성 조성물이 코팅되어 마이크로 LED를 점착할 수 있는 소재라면 어떤 것이라도 상관없으며, 바람직하게는 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 또는 이들의 혼합소재인 것을 사용할 수 있다. 또한 그 두께는 0.05~1 cm인 것이 바람직하다.
본 발명은 에폭시계 수지, 경화제, 환원제, 계면활성제, 촉매제, 저융점 솔더, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 및 디하이드록시 페닐알라닌을 포함하는 솔더 페이스트 조성물에 관한 것으로서, 기존에는 마이크로 LED 전극을 반도체 기판의 패드(Pad)에 결합하기 위해 많은 시간이 소요되던 것에 반해, 상기 조성물의 이용을 통해 마이크로 LED와 반도체 기판의 패드를 단시간에 적합한 조건으로 결합할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 조성물을 이용하여 시트 상에 점착된 마이크로 LED를 반도체 기판의 패드 위로 결합시키는 과정의 일 예를 나타내는 도면으로서, 이 과정 중 PET 시트를 제거하는 시점만 달리하여 보여주고 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.
<실시예 1~3 및 비교예 1~9. 솔더 페이스트 조성물의 제조>
솔더 페이스트 조성물을 제조하기 위해 에폭시계 수지로는 2관능성 에폭시 수지(DGEBA:DiGlycidylEther of Bisphenol of A), 경화제로는 디아미노디페닐 설폰(DDS:DiaminoDiphenyl Sulfone), 환원제로는 말레산, 계면활성제로는 플로라드 FC-4430(스미모토쓰리엠(주)제), 촉매제로는 BF3-모노 에틸 아민(BF3-MEA:BF3-Mono Ethyl Amine), 칙소제로는 시메티콘, 희석제로는 브롬화 디페닐 에테르(BDE:Brominated Diphenyl Ethers)를 사용하였고, 저융점 솔더로는 58Sn/42Bi의 조성비를 갖는 것을 사용하였다. 이 외 아이소보르닐(메트)아크릴레이트와 디하이드록시 페닐알라닌을 준비하였다.
실시예 1
경화제인 디아미노디페닐 설폰 100g을 희석제인 브롬화 디페닐 에테르 60g과 칙소제인 시메티콘 10g에 첨가하고 상기 디아미노디페닐 설폰이 모두 용해될 때까지 130℃에서 20분간 혼합하였다. 이렇게 제조된 용액에 2관능성 에폭시 수지를 첨가하고 균일하게 혼합되도록 상온인 25℃에서 20분간 혼합하였다. 이 때 에폭시계 수지 대비 경화제가 0.4 당량비로 포함되게 하였다. 2관능성 에폭시 수지가 포함된 혼합물에 상온에서 촉매제인 BF3-모노 에틸 아민 10g, 저융점 솔더 30g, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 5g, 디하이드록시 페닐알라닌 15g을 첨가하고 5분간 혼합하였다. 이후, 상기 촉매제를 포함하는 혼합물에 환원제인 말레산 20g을 첨가하여 5분간 혼합한 후, 말레산이 첨가된 혼합물을 30 rpm의 속도로 교반하면서 계면활성제인 플로라드 FC-4430 20g을 30 g/min의 속도로 적가하여 최종적으로 본 발명의 솔더 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 2 및 3과 비교예 1 내지 11
실시예 1과 동일한 방법으로 솔더 페이스트 조성물을 제조하되, 각 구성성분의 중량, 계면활성제 적가속도와 교반속도는 표 1을 참고하여 첨가하였다.
조건 에폭시계 수지
대비
경화제의 당량비		 경화제 (g) 환원제 (g) 계면활성제 (g) 촉매제 (g) 희석제 (g) 칙소제
(g)		 저융점
솔더 (g)		 아이소보르닐
(메트)
아크릴레이트
(g)		 디하이
드록시
페닐
알라닌
(g)		 교반속도
(rpm)		 계면
활성제
적가
속도
(g/min)
실시예 1 0.4 100 20 20 10 60 10 30 5 15 30 30
실시예 2 0.4 100 25 20 10 55 10 30 10 10 30 30
실시예 3 0.4 100 20 25 15 50 10 30 7 13 30 30
비교예 1 0.4 100 30 30 10 40 10 30 5 15 30 30
비교예 2 0.4 100 25 25 25 35 10 30 5 15 30 30
비교예 3 0.2 100 20 20 10 60 10 30 5 15 30 30
비교예 4 0.6 100 20 20 10 60 10 30 5 15 30 30
비교예 5 0.4 100 10 15 5 80 10 30 5 15 30 30
비교예 6 0.4 100 20 0 10 80 0 30 5 15 30 30
비교예 7 0.4 100 25 20 0 75 10 30 15 5 30 30
비교예 8 0.4 100 0 50 0 60 10 30 20 0 30 30
비교예 9 0.4 100 0 20 10 60 20 30 0 20 30 30
비교예 10 0.4 100 20 20 10 60 10 30 5 15 10 10
비교예 11 0.4 100 20 20 10 60 10 30 5 15 60 50
<실험예 1. 접착성능 비교>
솔더 페이스트 조성물의 접착성능을 비교하기에 앞서, 우선 마이크로 LED를 PET 재질의 시트에 붙이는 작업이 필요하여, 이 시트 위에 마이크로 LED를 점착하기 위한 점착제를 제조하였다. 이를 위해, 중량평균분자량 150만의 아크릴산에스테르공중합체(아크릴산부틸단위 84중량%, 아크릴산메틸단위 15중량%, 아크릴산 2-하이드록시에틸단위 1중량%) 100중량부, 이소포론디이소시아네이트계 2작용성 어덕트체[미쯔비시화학사 제조, 상품명: NY-T-35C, 중량평균분자량 3000] 0.5중량부 및 실란커플링제(3-글리시독시프로필트리메톡시실란) 0.2중량부를, 톨루엔 200중량부에 첨가해서 점착제를 조제하였다. 한편 본 발명에서는 이와 같이 점착제를 직접 제조하여 사용하였지만, 시중에서 판매하는 점착성이 있는 각종 조성물을 이용하여 마이크로 LED를 점착하여도 무방하다.
이 후의 과정을 도 1을 참고하여 설명하면, 이렇게 제조된 점착제를 PET 재질의 시트(20)의 일면에 바른 후 점착제가 도포된 면에 마이크로 LED(1)의 전극(2)이 위를 향하도록 하여 배치하였다(14세트 준비). 이 때 도 1 및 도 2에서 점착제가 상기 시트에 매우 얇게 도포되기 때문에 도면 상에는 점착제가 도포된 상태를 표기하지는 않았다. 마이크로 LED의 배치 방향은 반도체 기판 위 Pad에 배치될 위치와 거울 상이 되게 하였다.
Pad(3)가 배열된 반도체 기판(10)을 14개 준비하여 실시예 1~3 및 비교예 1~11의 솔더 페이스트 조성물(30)을 각각 바르고 PET 시트에 배열된 마이크로 LED 전극을 Pad의 위치에 맞게 조성물 상부에 접착하였다(도 1의 두 번째 단계). 조성물을 통해 마이크로 LED와 Pad가 잘 결착되면 PET 시트만을 제거하여(도 1의 세 번째 단계, 이 단계는 도 2에서처럼 마지막 단계에서 수행해도 무방함) 반도체 기판의 Pad 위에 마이크로 LED가 결착된 상태로 남게 하였다.
이 후 150℃의 열을 5분간 가하여 솔더 페이스트 조성물이 응집력으로 인해 Pad와 마이크로 LED를 전체적으로 감싸 코팅되게 하였는데, 특히 상기 솔더 페이스트 조성물 내에 있는 저융점 솔더볼이 조성물보다 더 큰 응집력으로 인해 마이크로 LED의 전극 주위 및 Pad 주위로 응집되면서 용융되어 상기 마이크로 LED의 전극 및 Pad를 코팅하면서 이들을 전기적으로 연결할 수 있는 접촉부가 형성되게 하였다(도 1의 네 번째 단계). 이 과정에서의 열처리 전의 조성물이 갖는 Pad 상부의 솔더 페이스트 조성물(3)과 마이크로 LED의 전극과의 접착성, 열처리 이후의 접촉부(200) 형성, 이 접촉부 주위로 형성되는 코팅층(100)의 상태를 각 확인방법을 통해 하기 표 2에 나타내었다.
마이크로 LED 전극에 대한 솔더 페이스트 조성물의 접착성은 마이크로 LED가 점착성 조성물과 결합된 힘보다 강해야 하는데, 마이크로 LED가 여전히 점착제를 통해 시트에 결합되어(남아있을) 있을 경우 접착 성능이 있는 솔더 페이스트 조성물로서 기능하기에 충분하지 않음을 나타낸다. 따라서 점착제를 바른 시트에 남아있는 마이크로 LED가 있을 경우 각 조성물을 불량으로 인식하였다.
또한, 반도체 기판과 마이크로 LED가 잘 결합된 것 중에서 이후 열처리를 통해 형성된 접촉부를 통해 전류가 잘 통하는지를 확인하여 접촉부 형성 정도를 체크하였다. 이 때, 접착능에 의해 반도체로 이동된 모든 마이크로 LED에서 전류의 흐름이 좋아야만 양호하다고 표기하였다.
접촉부 상부 또는 외부로의 코팅층 형성이 잘 되지 않아도 마이크로 LED 표면에 산화가 진행되어 마이크로 LED의 수명을 단축시키기 때문에, 반도체 상으로 이동된 모든 코팅층에 기포가 형성되어 있는지 또는 조성물이 빈틈없이 마이크로 LED의 전극 및 반도체 기판의 Pad의 외부를 잘 감싸고 있는지를 육안으로 살펴 확인하였다. 이 역시 대상 반도체에서 코팅층이 형성된 모든 것에서 1개라도 양호하지 않은 것은 불량으로 체크하였다.
조건 시트 제거 후 Pad 상부의 조성물에 결착되지 않고 점착 시트 상에 남아있는 마이크로 LED의 개수 비율 (%) 접촉부 형성 정도
(전류의 흐름)		 접촉부 상부 또는
외부로의 코팅층
형성 정도
실시예 1 0 (양호) 양호 양호
실시예 2 0 (양호) 양호 양호
실시예 3 0 (양호) 양호 양호
비교예 1 12 (불량) 불량 양호
비교예 2 4 (불량) 양호 불량
비교예 3 25 (불량) 양호 양호
비교예 4 0 (양호) 불량 불량
비교예 5 12 (불량) 양호 불량
비교예 6 15 (불량) 불량 불량
비교예 7 17 (불량) 양호 양호
비교예 8 1 (불량) 불량 양호
비교예 9 5 (불량) 양호 양호
비교예 10 0 (양호) 양호 불량
비교예 11 0 (양호) 불량 불량
그 결과 실시예 1~3의 모든 조성물은 접착성과 접촉부 형성, 상기 접촉부 주의의 코팅층 형성 상태가 매우 우수한 것으로 확인된다.
반면, 비교예 1~11 조성물의 경우 마이크로 LED가 Pad에 접착되지 못하고 PET에 점착된 상태로 남아있는 것들이 많이 발생하여 접착 기능이 있는 솔더 페이스트 조성물로서 이용하기에 적절하지 않은 것들이 있었고, 접착이 잘 된다 하더라도 이후의 열처리 과정 후의 접촉부 형성이 잘 되지 않아 전류의 흐름이 좋지 않았다. 이 외 상기 접촉부 주변에 형성되는 코팅층이 잘 형성되지 않거나 기포가 형성되어 마이크로 LED가 반도체 상에서 제대로 기능할 수 없음을 보여주었다.
한편, 상기 실시예 1~3의 조성물의 점도는 20,000 ~ 40,000 cps인 것으로 확인되었으나 점착 시트상에 남아있는 마이크로 LED가 확인된 비교예의 조성물 중 일부는 점도가 20,000 미만이거나 40,000cps인 것이 확인되어 마이크로 LED의 접착 효율이 좋지 않은 것으로 보여졌다.
1 : 마이크로 LED
2 : 마이크로 LED의 전극
3 : Pad
4 : 저융점 솔더
10 : 반도체 기판
20 : 시트
30 : 솔더 페이스트 조성물
100 : (접촉부 외부의) 코팅층
200 : 접촉부

Claims (11)

  1. 에폭시계 수지, 경화제, 환원제, 계면활성제, 촉매제, 저융점 솔더, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트 및 디하이드록시 페닐알라닌을 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 점도가 20,000 ~ 40,000 cps인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조성물에는 칙소제 또는 희석제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시계 수지는 2관능성 수지(DGEBA:DiGlycidylEther of Bisphenol of A), 3관능성 에폭시(TGAP:Tri-Glycidyl p-Aminophenol) 및 4관능성 에폭시(TGDDM:TetraGlycidyl Diamine Diphenyl Methane)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 아민 계열(amine family) 물질 및 안하이드라이드 계열(anhydride family)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 환원제는 글루타르산(glutaric acid), 말레산(malic acid), 아젤라인산(azelaic acid), 아비에트산(abietic acid), 아디프산(adipic acid), 아스코르빈산(ascorbic acid), 아크릴산(acrylic acid) 및 시트르산(citric acid)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 불소계 계면활성제, 퍼플루오로알킬폴리옥시에틸렌에탄올, 플루오르화 알킬 에스테르, 퍼플루오로알칼아민 옥사이드, 불소 함유 오가노실록산 시스템 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매제는 벤질 디메틸 아민(BDMA:Benzyl DiMethly Amine), BF3-모노 에틸 아민(BF3-MEA:BF3-Mono Ethyl Amine), 트리스(디메틸아미노메틸)페놀(DMP-30:tris(dimethylaminomethyl)phenol), 디메틸벤즈안트라센(DMBA:DiMethylBenzAnthracene) 및 메틸이미다졸(MI:MethylImidazole)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 저융점 솔더는 Sn-In 계열 물질, Sn-Bi 계열 물질, Sn-Ag 계열 물질, In-Ag 계열 물질, Sn-Bi-Ag 계열 물질, Sn-Bi-Pb 계열 물질 및 Sn-Ag-Cu 계열 물질로 이루어진 군 중에서 1종 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트 조성물.
  10. (A단계) 경화제와 에폭시계 수지를 혼합하여 반응시키는 단계;
    (B단계) 촉매제, 저융점 솔더, 아이소보르닐(메트)아크릴레이트, 디하이드록시 페닐알라닌을 첨가하고 혼합하는 단계;
    (C단계) 환원제를 첨가하고 혼합하는 단계; 및,
    (D단계) 계면활성제를 첨가하고 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항의 솔더 페이스트 조성물의 제조방법.
  11. (제1단계) 제1항의 솔더 페이스트 조성물(30)을 반도체 기판(10)의 패드(3)에 바르는 단계;
    (제2단계) 마이크로 LED가 점착된 시트(20)를 마이크로 LED의 전극이 반도체 기판의 패드 상부 조성물에 맞닿도록 접착시키는 단계; 및,
    (제3단계) 상기 조성물에 90~200℃의 열을 가하여 솔더 페이스트 조성물 내의 저융점 솔더(4)가 마이크로 LED의 전극과 반도체 기판의 패드 주위로 응집 및 용융되어 마이크로 LED와 반도체 기판을 연결하는 접촉부(200)를 형성하면서, 상기 접촉부 외부로 코팅층(100)이 형성되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판에서의 마이크로 LED의 배열 및 솔더링 방법.
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