KR800001624B1 - 전자 기기용 비전도성 기층상의 후막도체 - Google Patents

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Description

전자 기기용 비전도성 기층상의 후막도체

제1도는 본 발명의 전도성 페이스트에 첨가한 보론 분말의 양을 변화시킨 효과를 나타낸 그래프이고,

제2도는 비금속-보론 페이스트에 글래스 프릿을 첨가한 효과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 전자 응용을 위한 전자 기기용 비전도성 기층상의 후막도체(thick film conductor)에 관한 것이다. 이 분야의 일반적인 참고문헌은 반노스트란드 레인홀드 캄파니(Van Nostrand Reinhold Company)의 ''후막 미시적 전자공학(Thick Film Microelectronics)''(1971)이다. 후막들은 보통 비전도성 기층(sub-strate), 대표적으로는 96% 알루미나, 상에 분말금속(Powdered metal)으로부터 제조한 페이스트(Paste) 또는 잉크를 스크리인 인쇄(screen printing)한 다음에 전색제(vehicle) 성분들을 휘발시키기 위해 건조시키고 이어서 이 성분들을 소결하거나 또는 용융하기 위해 연소시켜 필름을 기층에 접합하여 형성된다. 연소는 전형적으로 전색제를 산화시키고 분해 생성물들을 제거하기 위해 기류를 통과시키는 벨트로(belt furnace) 중에서 행한다. 종래 이러한 도체들은 귀금속, 특히 금, 은, 백금 및 팔라듐으로 제조했다. 단일 유닛에 사용한 금속의 양은 많지 않으므로, 귀금속의 고가는 이들의 유익한 물성들로 상쇄되었다. 그러나, 귀금속의 값이 상승할 때에, 비금속(base metal)으로 만든 후막을 사용할 필요성이 증대되는데, 그 이유는 값을 줄일 수 있기 때문이다. 근래에 구리 및 니켈과 같은 비금속을 함유하는 도체 페이스트가 시중에 소개되고 있다. 이와같은 페이스트는 전자제품(1973년 3월, 제162페이지) 및 회로제조(1972년 11월, 제48페이지)와 같은 기술간행물에 언급되어 있다. 종래에 사용할 수 있는 페이스트는 특별히 불활성이거나 또는 환원성 분위기, 대표적으로 수소 중에서 연소하는 것을 요구했다. 이와같은 연소의 추가비용 및 어려움은 공기나 또는 특히 대기 중에 함유된 산소 중에서 연소될 수 있는 비금속 도체 페이스트를 개발하게 했다.

본 발명은 이 필요에 적합하다.

후막도체는 광범위한 실시예에서, 공기 존재하에 연소로 산화되어 실질적으로 비전도성이 되는 비금속 분말, 전기의 비금속 분말의 산화를 방지하는데 충분한 보론(boron) 분말 및 전색제를 함유한다. 다른 실시예에서 페이스트는 또한 유리프릿(glassfrit)를 함유할 수 있다. 사용한 비금속 및 보론입자들은 일반적으로 스크리인 인쇄를 만족스럽게 하기 위해 입도 325메시 이하이다. 사용시에, 유리 프릿 입자들은 최대로 325메시만큼 클 수 있지만 섭-미크론 범위 내가 바람직하다.

달리 공기 중에서 연소로 산화될 수 있는 다수의 금속을 본 발명의 방법에 의해 도전성 필름으로 사용할 수 있는데, 특히 니켈, 코발트 및 구리의 도체가 만들어진다. 채택된 실시예에서, 페이스트는 50~80 건조중량%의 니켈분말, 5~20 건조중량%의 보론분말 및 15건조중량%까지의 유리프릿과 적당한 점도를 주기에 충분한 양의 전색제를 함유한다.

공기 중에서 연소하는 비금속 도체의 형성공정에서, 상기와 같은 페이스트를 소기의 비율로 혼합한 다음 인쇄공업(graphicsindustry)에서 사용할 수 있는 브러싱, 침지 또는 기타의 방법을 사용할 수도 있지만 스크리인 인쇄에 의해 비전도성 기층상에 가한다. 그후, 페이스트를 고온에서 건조시켜 전색제 중의 휘발성 성분을 증발시킨다. 그 다음에, 건조된 페이스트를 공기 중에서 연소시켜 성분들을 용융 또는 소결시켜 필름을 기층에 접합시키고, 한편 보론은 금속의 산화를 방지하고 그의 전도성을 보존한다. 생성되는 필름은 양호하게 접합되며 전기적으로 전도성을 갖고, 전자응용에 사용하기에 적합하게 된다.

비전도성 기층상에 만족스런 비금속 도체를 형성하기 위해 해결되어야만 하는 2개의 주요 문제가 있다. 첫째는, 전자응용에 필수적인 도체와 기층 사이에 강력한 접합을 얻는 것이고, 둘째는 산화에 의한 비금속의 전도성의 상실을 피하는 것이다. 공기 중에서 연소시킬 때에, 많은 비금속은 급속하게 산화되어 그들의 전도성을 파괴한다. 예를들면, 비록 니켈은 양호한 전도성을 갖지만, 종래에는 수소와 같은 환원가스나 불활성 가스 중에서 연소시키지 않고 비전도성 기층상에 도체로서 그것을 가할 수 없었다. 본 발명자는 분말로 된 보론을 비금속 분말에 첨가함으로써 비금속이 산화되는 경향을 방지하고, 페이스트를 공기 중에서 연소시킬 수 있음을 발견했다. 그러나, 보론 조성의 범위가 중요함을 또한 발견했다. 만약 너무 소량을 사용한다면, 즉 4%(건조중량) 이하를 사용하면, 니켈은 산화되어 전도성이 전자응용에는 적합하지 않을 것이다. 한편, 너무 과량을 사용하면, 즉 약 50%(건조중량) 이상을 사용하면 보론은 페이스트 표면으로 이동하여 절연체로 작용하며, 생성되는 후막은 전기도체로 사용할 수 없게 된다.

종래에 보론이 산화를 방지하기 위해 종종 사용되어 왔지만, 대표적으로 이것은 절연 특성이 요망되고 해롭지 않는 것에 사용되어 왔었다. 이와같은 용도는 미국특허 제2,886,476호에 기재되어 있으며, 여기에서 보론은 탄소와 혼합되어 탄소 저항기를 형성한다. 다른 응용이 미국특허 제3,622,523호에 기재되어 있으며, 여기에서 보론은 귀금속 및 전색제와 결합하여 바나듐의 산화물을 환원시키고, 과전압 파동(surge)을 느낄 때에 반도체로부터 도체로 변형됨으로써 과부하 보호를 하는 필름을 생산하는데 사용되었다.

다음은 채택된 비금속, 니켈이 주과제이다. 다른 비금속도 공기 중에서 연소하는 비금속 도체 페이스트에 성공적으로 사용될 수 있는데, 특히 코발트 및 구리가 사용될 수 있다.

페이스트의 보론 함량을 증가시키면 제1도에 나타낸 바와 같이 필름의 전도성을 증가시키게 된다. 전자 공업에서 사용하는 전도성의 표준 측정인 시이트 저항을 프린팅된 필름의 연소에 사용한 온도에 대해서 표시(plotting)했다. 이와같은 페이스트용 보론 함량의 범위는 특정 보론 농도에 대해서 각각 커어 군으로 나타난다. 보론 함량의 범위는 목적하는 시이트 저항에 좌우되어 사용될 수 있음이 명백하다. 스퀘어당 약 1오옴 이하의 값이 후막 도체에 대해 대표적이다. 5~20% 보론(건조중량)의 범위가 적합하지만, 4~50%의 보다 넓은 범위가 어떤 유익한 효과를 가져옴을 발견했다. 전술한 바와 같이, 보다 높은 농도에서 보론은 필름을 덮고, 유용한 전도성이 상실된다. 4% 이하에서, 시이트 저항은 전자 응용에 대해서 정상적으로 허용되는 것(1오옴/스퀘어 이상)보다 높다. 전기한 바와 같이, 5% 보론의 사용은 바람직한 특성을 덜 나타내는데, 그 이유는 스퀘어당 오옴 단위로 시이트 저항이 높은 보론 함량 페이스트로 만든 필름중에서 행할 때 같이 연소 온도의 증가에 따라 균일하게 감소하지 않기 때문이다. 실제로, 5% 카아본 커어버는 저항이 최저점에 도달된 후 증가함을 나타낸다.

제1도는 또한 보론을 단독으로 첨가했을 때에, 전도성이 연소온도의 증가와 더불어 증가함을 나타낸다. 그리하여 선택된 시이트 저항을 달성하기 위해 보론 함량 및 발화 온도 사이에 변경이 가능하다. 예를 들면, 0.1오옴/스퀘어 시이트 저항은 20% 보론 페이스트를 700℃에서, 10% 보론 페이스트를 800℃에서 또는 8% 보론 페이스트를 900℃에서 연소하여 얻을 수 있다. 이 효과는 연소능력에 의해 제한되는 시판용 후막 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

제2도에서, 시이트 저항을 발화 온도에 대해서 표시하였으나, 5% 보론 페이스트만을 나타냈다. 제1도에 나타낸 바와 같이, 니켈이 산화되려는 경향을 극복하기 위해 보론만을 사용할 수 있지만, 제2도에 표시한 데이타로부터 비교적 소량의 유리프릿의 부가가 시이트 저항을 저하시키고 발화온도에 대한 시이트 저항의 커어브를 곧게 하는데 바람직한 효과를 가짐이 명백하다. 유리 프릿 단독은 보론을 사용하지 않을 때에 니켈을 보호하지 않을 것이다. 필름을 약하게 접착되고 시이트 저항은 극히 높다. 유리 프릿 부가에 의한 이 커어브를 곧게 함은 다양한 온도에서 소정의 조성물을 연소할 때에 생성되는 저항의 변화를 적게 하고, 전자부품의 상업적 제조에 극히 실용적인 이점을 주는데 바람직하다. 일반적으로 15%(건조중량)까지의 유리 프릿이 적합하지만, 그러나 이것은 바람직하지 않은 효과, 예를들면 유리에 내재하는 전기 저항에 기인한 시이트 저항의 증가와 같은 것이 관찰되기 전에 20% 프릿으로 신장할 수 있다.

제1도 및 2도에 표시한 데이타에서, 사용된 니켈 분말은 2.9~3.6미크론 사이의 입도를 가졌다. 그의 표면적은 약 0.54㎡/g이었다. 그의 부피 밀도는 분말을 침전시키기 위해 10㏄ 샘플로 1,000회 채취(tapping)한 후 1.6g/㏄됨이 측정되었다. 325메시(44미크론)까지의 입도를 갖는 분말을 필름을 스크리인 인쇄할 수 있는 능력에 의해 제한되어 사용할 수 있다. 완료된 페이스트 중의 니켈 함량은 50~80%(건조중량)이 적합하지만, 40% 정도의 적은 것도 제조된 후막의 시이트 저항이 너무 높기(약 1오옴/스퀘어) 전에 사용될 수 있다.

제1도 및 2도에 표시한 페이스트 중에 사용된 보론 분말은 니켈 분말의 것과 유사한 입도를 가졌다. 그의 표면적은 약 9.57㎡/g이었다. 그의 부피밀도(채취된)는 약 0.65g/㏄이었다. 일반적으로, 결정형 보론도 사용될 수 있지만 무정형 보론이 적합하다. 시판형 A(90~92% 순도) 또는 형 B(95~97% 순도)가 사용되며 만족스러움을 발견했다. 형 B는 제1도 및 2도에 나타낸 시험에 사용되었다.

사용한 유리 프릿은 섭 미크론 크기 범위 내가 적합하지만 325메시까지의 큰 크기도 사용될 수 있다. 350~700℃ 범위에서 용융하는 보론 실리케이트 글래스(납이 있거나 또는 납없이)와 같은 저융점 프릿이 만족스러움이 발견되었다. 칼슘, 스트론튬, 바륨, 아연, 리튬, 나트륨 및 칼륨산화물을 함유하는 산화물중 적어도 1개 이상의 산화물을 함유하는 유리 프릿을 또한 사용할 수 있다. 제1도 및 2도에 나타낸 시험용으로 인화점 380℃ 및 열팽창 계수 104×10^-7/C를 갖는 리드보로실리케이트가 사용되었다.

니켈 전도성 페이스트를 제조하기 위해 사용한 유기 전색제는 소정의 페이스트 조성 범위 내에서 중요함이 발견되지 않았다. 작은 입자들을 분산시킬 수 있는 유기 전색제를 사용할 수 있다. 대표적으로 이들은 예를들면 에틸셀룰로오스와 같은 농축제와 테르핀올, 파인오일, 에스테르류, 알코올류, 케톤류, 아세톤 또는 기타 유기용매와 같은 액체 운반체로 구성된다. 임의로, 안정제 및 습윤제를 또한 사용할 수 있다. 전색제는 스크리인 인쇄용으로 사용할 때에 10% 정도로 적게 사용할 수 있지만, 완료된 페이스트 중량 15~40%까지 통상 사용된다. 전색제의 양은 사용하고자 하는 응용기술에 의해 요구될 때에 완료된 페이스트의 점도를 조정하기 위해 변화될 수 있다. 보다 많은 양의 용매들이 솔질기술(brushing techniques)과 함께 전형적으로 사용될 수 있다. 설명용으로, 약 250포아즈의 점도를 갖는 무거운 페이스트를 스크리인 인쇄용으로 전형적으로 사용할 수 있으며, 한편, 약 20포아즈의 점도를 갖는 얇은 페이스트를 침지 또는 솔질 기술용으로 전형적으로 사용할 수 있다.

페이스트는 니켈, 보론 및 유리 프릿(필요에 따라)의 분말들을 기계적 혼합기로 유기 전색제와 혼합하여 제조한다. 그 다음에, 이 혼합물을 페이스트가 균일해질 때까지 종래의 3분 로울러 밀로 로울밀했다. 제조된 페이스트는 대표적으로 약 250±50포아즈의 점도를 가지며, 서얼리페란티 원추형 점도계(Shirley-Ferranti cone-type viscometer)에 의해 측정했을 때에 평방 센티 미터당 약 10,000다인의 값을 갖는다.

페이스트는 스크리인 인쇄에 의해 비 전도성 기층상에 대표적으로 사용되며, 이 비 전도성 기층은 전자 응용에 대해서 전형적으로 96% 알루미나를 사용한다. 본 발명에 의한 페이스트의 실험실 시험용으로 200메시의 스테인레스강 스크리인이 사용된다. 스크리이닝 후, 생성되는 필름을 100℃에서 약 15분 동안 공기 중에서 건조시켜 페이스트 중의 휘발성 물질을 제거한다. 그 다음에, 건조시킨 필름을 600~1000℃의 온도 범위에서 통상으로 약 45분 동안 머플로(muffle furnace) 또는 벨트 로에서 연소시킨다. 종래의 방법에 의해, 로를 통해 공기를 통과시켜 전색제를 산화시키고 필름을 오염시키는 유기 조성물을 제거한다.

생성되는 니켈 도체 후막의 전기적 성능을 제1도 및 2도에 명백히 나타냈다. 생성되는 필름은 만족스런 전기 전도성(즉, 저 시이트 저항)을 나타낼 뿐만 아니라 이들은 기층에 지극히 양호하게 접합한다. 리벳을 도체에 접합하여 필름이 기층으로부터 벗겨질 때까지 잡아당기는 전형적인 인장시험을 사용하여 평방인치당 3000파운드 이상의 인장강도를 얻었다. 비록 접착이 연소온도 및 시간, 기층 재료, 사용한 플럭스 등과 같은 공정 조건에 따라 좌우되지만, 일반적으로 개량된 접착은 연소온도를 증가시키고 유리 프릿 함량을 증가시킴으로서 얻어진다.

본 발명의 페이스트로부터 형성된 니켈 도체의 또 다른 바람직한 특성은 접합 조작 중 거르기(leaching)에 대한 이들의 저항이다. 이와같은 침출은 납땜조(solder bath)의 온도에서 합금되려는 경향이 있는 귀금속 도체에서 문제가 되고 있다. 그러나, 니켈은 이와같은 거르기에 대해 저항이 높다. 또한, 생성되는 미켈 도체는 다른 전자 성분들에 용이하게 접합되어 부착될 수 있음을 발견했는데, 이것은 전자 응용에 대해 상업적으로 중요함이 명백하다.

상기한 서술은 적합한 비금속, 즉 니켈에 관한 것이지만, 공기 중에서 연소 달리 산화되는 기타의 비금속, 즉 구리 및 코발트를 유사한 방법으로 사용할 수 있다. 다음의 실시예들은 비금속 전도성 후막을 형성하는 구리 및 코발트의 용도를 설명하는 것이다.

[실시예 1]

[코발트 도체 페이스트]

코발트 도체 페이스트를 코발트 분말(325메시 이하) 75중량%와 보론 분말(B형 95~97% 순도 및 섭-미크론 입도) 17.5중량%, 유리 프릿(리드 보론실리케이트 및 섭-미크론 입도) 7.5중량% 및 만족되게 스크리인 인쇄할 수 있는 페이스트를 제조하기에 충분한 전색제를 혼합하여 제조했다. 통과하는 공기에 노출시키며 벨트로에서 연소(10분 동안 피이크 온도 600℃)한 후, 생성된 필름의 시이트 저항은 스퀘어당 0.1~5오옴 사이였다.

[실시예 2]

[구리도체 페이스트]

구리도체 페이스트를 구리 분말(325메시 이하) 84중량%와 보론 분말(B형, 95~97% 순도 및 섭-미크론 입도) 6중량%, 글래스 프릿(리드 보로실리케이트 및 섭-미크론 입도) 10중량% 및 만족되게 스크리인 인쇄할 수 있는 페이스트를 제조하기에 충분한 전색제를 혼합하여 제조했다. 통과하는 공기에 노출하며 벨트 로에서 연소(10분 동안 피이크 온도 600℃)한 후 생성된 필름의 시이트 저항은 스퀘어당 1~10오옴 사이였다.

첨가해서 니켈-은 혼합물이 전자 도체로서 사용하기에 만족스런 시이트 저항을 후막에 주는 것을 발견했다.

전기한 채택된 실시예의 서술은 본 발명이 응용을 설명한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명은 다음에 기술되는 청구범위에 의해 한정된다.

Claims (1)

1. 비전도성 기층상의 비금속 후막 도체에 있어서, 약 1오옴/스퀘어 미만의 시이트 저항을 가지며, 니켈, 구리, 코발트 및 그 혼합물로 구성된 그루우프로부터 선택되며 공기 중에서 연소로 산화하여 실질적으로 전기적으로 비전도성이 되는 비금속과 보론의 합계에 대하여 건조 중량으로 40%와 80% 사이인 비금속분말, 비금속과 보론의 합계에 대하여 건조 중량으로 4%와 50% 사이인 보론 분말 및 비금속 보론 및 유리 프릿의 합계에 대하여 건조 중량으로 약 20%까지인 유리 프릿으로 형성되고, 적당한 전색제로 혼합된 상기 비금속 분말, 보론 및 유리 프릿의 325메시 미만의 입자인 분말로 구성된 페이스트를 공기 중에서 연소함으로써 형성되는 비금속 후막도체.

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