KR970004545B1 - 금 전도체 조성물 - Google Patents

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존 네브 윌리엄
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이. 아이. 듀우판 드 네모아 앤드 캄파니
미리암 디. 메코너헤이
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Abstract

요약없음

Description

금 전도체 조성물
본 발명은 후막 전도체 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하기로는 본 발명은 세라믹 기판에 양호한 접착력을 제공하는 금 전도체 조성물에 관한 것이다.
마이크로전자 장치 패키지의 오늘날의 추세는 전자 가능성의 고밀도 및 고속으로 작동하는 기능성이 요구되는 고성능 적용쪽으로 기울고 있다. 신뢰할 수 있게 작동하고 이들 고성능 적용의 요건을 만족시키는 전자장치 패키지를 제조하는 것은 마이크로전자 장치 업계가 당명한 과제이다. 이러한 패키지를 제조하는데 있어서 특히 어려운 일면은 핀, 납 또는 힛 싱크(heat sink)와 같은 금속화된 부품과 세라믹 기판 사이의 다층 패키지 내에서 접합 또는 결합시키는 것이다. 이들 접합 또는 결합은 고성능 적용에 있어서 부딪히는 변화되는 극심한 조건 하에 신뢰할만한 성능을 보장하는데 필요한 기계적 내구성, 전기 전도성 및 열 분산성을 가져야한다. 또한, 세라믹 기판에 금속화된 부품을 접합시키는 공정 또는 방법은 가능한한 단가가 낮고 단순해야 한다.
오늘날 다층 전자 장치 패키지에 있어서 세라믹 기판에 금속화된 부품을 부착시키는 여러가지 방법이 있다. 사용된 부착 방법은 조립되는 다층 패키지의 유형에 좌우된다. 알루미나 기재 유전층(dielectric layers)및 텅스텐 또는 몰리브덴 금속화에 사용하는 고온 공소성(cofired)시스템에 대해서는 부착하는데 경납땜법이 사용된다. 이 경납땜은 수소-질소 분위기 중에서 약 840℃의 온도로 행한다. 이 방법은 양호한 결합력을 제공하며, 후속 공정에 있어서 더 넓은 온도 허용 범위(latitude)를 제공한다.
저온 후막 또는 공소성 유전성 시트(sheet)시스템은 유리 및 알루미나 기재 유전체(dielectrics) 및 금, 은 또는 구리 금속화물을 사용한다. 경납땜은, 소성 온도 및 경납땜 온도가 동일해야 하기 때문에 저온 시스템에서는 성공하지 못하였었다. 이는 경납땜 조작을 하는 동안에 이 경납땜질이 금속화물과 세라믹 사이에 예형된 결합을 공격하여 이 기판으로부터 금속화물을 분리시키는 경우가 야기된다. 이 전기 전도성이 파괴됨으로써 패키지는 쓸모없게 된다. 이들 저온 시스템을 위한 경납땜 대신에 사용되는 통상적인 부착 방법의 예로서는 납땜(soldering), 와이어본딩(wirebonding) 및 용접(welding), 예를 들면 열 압축 및 병렬 갭 용접(parallelgap welding)이 있다.
각각의 부착 방법을 포함하는 상기 두 시스템이 현재 사용되고 있다. 그러나, 이들 시스템은 고성능 적용에 있어서는 몇 가지 단점이 있다. 고온 공소성 패키지에 있어서, 텅스텐 및 몰리브덴으로 형성된 금속화물의 전기 전도성은 고성능 적용에 요구되는 만큼은 높지 않다. 저온 패키지에 있어서, 금, 은 또는 구리 금속화 층의 전도성은 양호하지만, 결합력은 전형적으로 경납땜에 의해 얻은 것들보다 낮고, 고성능 적용에 요구되는 만큼은 높지 않다. 또한 납땜 접합의 일체성은 약간의 후속 공정 조작 도중에 상실될 수 있다.
따라서 금속화된부품의 고전도성 및 양호한 결합력을 갖는 패키지를 얻기 위해 저온 다층 패키지에 금속화된 부품을 경납땜하는 공정의 필요성이 존재하고 있다. 이와 같은 경납땜 공정이 개발되어 왔으며, 본 발명과 동시에 출원된 본 출원인이 양도한 미합중국 특허출원(양수인 서류 정리 번호PE-0180)에 기재되어 있다. 그러나, 많은 표준 금 전도체 조성물은 이와 같은 경납땜 공정에 사용될 경우 다른 금속 전도체 조성물처럼 양호하게 접착하지 않는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명의 목적은 금속화된 부품을 저온 다층 세라믹 패키지에 경납땜하여 결합력을 개선시키고 패키지의 일체성을 가져오도록 하는 공정에 사용될 수 있는 금 전도체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 무기 고체의 총 중량을 기준으로,
(a) 입자의 90 중량% 이상이 2이하의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 금 금속 미분입자 75내지 95중량%;
(b) 카드뮴 보로실리케이트 유리 미분 입자 0.5 내지 10 중량%;
(c) CuO, ZnO, MgO, CoO, NiO, FeO, MnO 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 스피넬 형성2가 금속 산화물 미분 입자 0.1내지 5 중량%;
(d) 팔라듐, 백금 및 로듐으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 미분 입자 0.1내지 1.0 중량%; 및 (e) 상기 (a) 내지 (d)의 모든 미분 입자가 분산되어 있는 유기 매질로 이루어지는 금 전도체 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 또 다른 면으로는 유기매질, 및 유리 및 금속을 소결시키는 액상의 휘발을 실시하기 위한 전도체 조성물의 가열에 의해 얻는 금 금속화물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 금 전도체 조성물의 패턴의 스크린 인쇄 및 이 인쇄된 기판의 소성에 의해 형성되는 유기 매질, 및 유리 및 금속을 소결시키는 액상의 휘발을 실시하기 위한 기판상에 부착된 전도성 패턴을 갖는 비전도성 세라믹 기판으로 이루어지는 전도성 요소에 관한 것이다.
A. 금
본 발명의 실시에 사용할 수 있는 금 분말은 단일 분산성, 즉, 균질해야 하며, 모든 입자는 동일한 형태이어야 한다. 이 금 분말은 구형, 즉 종횡비가 2 이하인 입자가 바람직하다. 이 금 입자의 크기는 본 발명의 기술 효과의 견지에서 크게 중요하지는 않다. 그러나, 금 입자는 일반적으로 이들이 사용되는 스크린 인쇄법 및 소성 조건에 적합한 크기이어야 한다. 일반적으로 입자 크기는 분포 곡선의 50%점에서 약 0.4내지 약 5㎛의 범위이어야 하며, 입자의 90%가 10㎛미만이어야 한다. 바람직하기로는 입자의 크기는 분포 곡선의 50%점에서 약 0.5내지 약 2㎛의 범위이어야 하며, 입자의 90%가 6㎛미만이어야 한다. 이 금 분말은 혼합기 중에서 짧은시간 동안, 예를 들면 1내지 5분동안 적당한 전단기 하에 혼합시킴으로써 성취될 수 있는 바와 같이, 이 금분말 전체에 골고루 분포되어 있는 시아노구아니딘과 같은 습윤제 극소량을 포함할 수 있다.
일반적으로, 이 금 분말은 무기 고체의 총 중량을 기준으로 금 전도체 조성물의 75내지 95%를 구성한다. 이 금 분말은 전도체 조성물의 80내지 88%를 구성하는 것이 바람직하고, 82내지 85%를 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
B. 유리
본 발명의 금 전도체 조성물의 유리 성분은 소성 온도에서 저 연화점 및 저점도를 갖는 카드뮴 보로실리케이드 유리이다. 적절한 접착력을 갖기 위해서는 유리 중에 카드뮴 성분이 실재해야 한다. 일반적으로, 유리의 40 중량% 이상은 CdO로서 존재해야 한다. PbO함량은 유리의 0.005 중량% 미만이 바람직하다. 또한, 다른 쉽게 환원되는 금속 산화물은 피해야 한다.
여기에 사용한 용어 "저 연화점 유리(low-softening point glass)"은 섬유 신장법(the fiber elongation method : ASTM-C338-57)에 의해 측정한 연화점이 850℃미만, 바람직하기로는 600℃미만인 유리를 의미한다. 본 발명에 사용되는 유리도역시 무기 입자를 소결하는 액상의 휘발을 돕는 소성 온도에서 점도가 낮다. 소성온도에서 비점도(比粘度)가 6미만인 유리가 바람직하다.
특히 바람직한 유리는 다음 조성, 즉 CdO 68.8%; B2O318.6%; SiO29.5%; Al2O33.1%를 갖는 것이다. 유리 원료의 입자 크기는 중요하지 않지만, 일반적으로 분포 곡선 상의 50%점에서 5㎛미만이어야 한다. 이 유리 원료는 무기물의 총 중량을 기준으로 0.5내지 10 중량%, 바람직하기로는 1 내지 3 중량%, 가장 바람직하기로는 1.5내지 2.5중량%를 구성한다. 이 유리는 통상적인 유리 제조 기술에 의해 제조된다.
C. 금속 산화물
본 발명은 실시하기에 적합한 금속 산화물(MeO)은 조성물이 소성되는 경우
Al2O3와 반응하여 스피넬 구조(MeAl2O4)를 형성할 수 있는 물질이다. 적합한 무기 산화물로서는 CuO, ZnO, MgO, CoO, NiO, FeO, MnO 및 이들의 혼합물이 있다. 소성 조건 하에 분해하여 대응하는 금속 산화물을 형성하는 카르보네이트 및 옥실레이트와 같은 금속 산화물의 전구체는 비교 가능한 효능으로 사용될 수 있다.
이 금속 산화물 또는 전구체 입자의 크기는 일반적으로 본 발명의 조성물이 사용되는 스크린 인쇄법에 적합한 크기이어야 한다. 따라서, 이 입자 크기는 금에서와 동일한 범위, 즉, 분포 곡선 상의 50% 점에서 약 0.5내지 5㎛ 범위이어야 하며 입자의 90%가 10㎛미만이어야 한다.
일반적으로 금속 산화물은 무기물 총 중량을 기준으로 약 0.1내지 약 5중량%, 바람직하기로는 약 0.1내지 3 중량%, 가장 바람직하기로는 0.1 내지 1 중량%를 구성한다.
D. 추가금속
본 발명의 금 전도체 조성물 중의 추가 금속은 팔라듐, 백금 및 로듐으로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 팔라듐이 바람직하다. 이 금속 입자는 대략 구형인 것이 바람직하다. 이 입자의 크기는 스크린 인쇄와 같은 도포 방법에 의해 재언급되며, 분포 곡선 상의 50%점에서 약 0.1 내지 10㎛의 범위이어야 한다. 이 추가 금속은 무기물의 총 중량을 기준으로 약 0.1내지 약 1중량%를 구성한다.
E. 유기매질
본 발명의 금 전도체 조성물 중에 사용되는 유기매질은 일반적으로 용매 중의 수지 분산액 또는 용액을 함유하는 통상적인 금 전도체 조성물에 사용되는 임의의 물질일 수 있다. 적합한 수지로서는 에틸 셀룰로오스, 폴리부틸 메타크릴레이트, 폴리-α-메틸 스티렌 또는 폴리(에틸렌 비닐 아세테이트)가 있다. 바람직한 수지는 에틸 셀룰로오스이다. 적합한 용매는 수지와 물리적으로 상용성 이어야 하고, 생성되는 용액 또는 분산액은 금 전도체 조성물의 다른 성분에 대하여 화학적으로 불활성이어야 한다. 다양한 유기 액체 중의 임의의 1종이 유기 수지용 담체로서 사용될 수 있다. 적합한 유기 액체로서는 지방족 알코올(예, 1-데칸올), 이들 알코올의 에스테르(예, 아세테이트 또는 프로피오네이트), 글리콜 에테르(예, 디부틸 카르비톨), 테르핀(예, 파인유 또는 테르핀올) 및 디알킬 프탈레이트(예, 디부틸 프탈레이트 또는 디메틸 프탈레이트)가 있다. 또 이 용액 또는 분산액은 후막제, 안정제, 틱소트로프제(thixotropes), 습윤제 등의 다른 첨가제를 임의로 함유할 수 있다. 유기 액체 중의 수지 및 다른 첨가제의 양은 목적하는 인쇄 특징을 얻기 위해 조절될 수 있다는 것을 당업계의 숙련자는 인지할 수 있을 것이다. 일반적으로, 유기 액체 중의 수지 농도는 2 내지 20 중량%, 바람직하기로는 10 내지 15 중량%이어야 한다. 따라서, 유기매질 중의 유기 액체의 농도는 98 내지 80 중량%가 된다. 본 발명의 전도체 조성물 중의 무기 고체에 대한 유기 매질의 비율은 상당히 변화될 수 있으며, 분산액을 도포시키는 방법 및 사용되는 유기 매질의 종류에 좌우된다. 양호한 피복을 얻기 위해서는 일반적으로 이 분산액은 상보적으로 60 내지 90%의 무기 고체 및 40 내지10%의 유기 매질을 함유할 수 있다.
제형 및 도포
본 발명의 조성물을 제조하는데 있어서, 무기 고체를 유기 매질과 혼합하고 3롤 밀(three-roll mill)과 같은 적합한 장치로서 분산시켜 현탁액을 제조한 결과, 4초-1의 전단 속도에서 약 100내지 400파스칼초 범위의 점도를 갖는 금 조성물을 얻었다.
이어서, 이 조성물을 스크린 인쇄 공정에 의해 알루미나 또는 유전성 시이트와 같은 기판에 약 10내지 80㎛, 바람직하기로는 10 내지 70㎛, 가장 바람직하기로는 10 내지 50㎛의 습윤 두께로 도포시킨다. 이후 인쇄된 패턴을 약 80내지 150℃에서 약 5 내지 15분 동안 건조시킨다. 약 300 내지 600℃에서, 최고 약 800 내지 950℃의 온도 범위에서 약 5내지 15분 동안 지속적으로 유기물질을 소성시킬 수 있는 온도 프로파일로 벨트 컨베이어로(爐) (a belt conveyor furnace)내에서 소성시킨 후, 과잉 소결, 중간 온도에서의 바람직하지 못한 화학 반응 또는 고속 냉각으로 인한 기판의 파열을 방지하기 위해 냉각 주기를 조절하는 것이 바람직하다. 전체 소성 공정은 약 1시간, 즉, 소성 온도에 이르기까지 20내지 25분, 소성 온도에서 약10분 및 냉각되는 온도에서 약 20내지 25분에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다. 금 금속화물의 소성된 두께는 약 4내지 25㎛ 범위일 수 있다.
경납땜 공정
저온 공소성된 세라믹 기판에 금속화된 부품을 부착하기 위한 경납땜 공정은
1. 세라믹 기판 상에 제1금 전도체 조성물을 도포시키는 단계;
2. 상기제1전도체 조성물을 건조시키는 단계;
3. 제1전도체 조성물을 소성시켜 유기 매질, 액상 유동액을 휘발시키고, 무기 재료를 소결시켜 제1금속화 층을 제조하는 단계;
4. 제1금속화 층이 제2전도체 조성물에 의해 덮히도록 상기 제1금속화 층 상에 제2금 전도체 조성물을 도포시키는 단계;
5. 제2전도체 조성물을 건조시키는 단계;
6. 제2전도체 조성물을 소성시켜 유기 매질, 액상 유동액을 휘발시키고, 무기재료를 소결시켜 제2금속화 층을 형성시키는 단계;
7. 핀, 납, 창틀 또는 힛 싱크와 같은 금속화된 부품의 1종 이상 및 경납땜 조성물을 제2금속화물 상에 위치시킴으로써 조립품을 제조하는 단계; 및
8. 이 경납땜 조성물이 금속화된 부품 및 제2금속화 층 사이를 접합시키기에 충분할 정도의 온도로 이 조립품을 가열하는 단계로 이루어진다.
이 경납땜 공정용 기판은 당 업계에서 통상적인 임의의 공지된 세라믹 기재기판일 수 있다. 마이크로전자 회로에 사용되는 통상적인 세라믹 기판의 예로서는 알루미나, 베릴리아(beryllia), 하프니아(hafnia), 질화물, 탄화물등이 있다. 또한, 경납땜 공정용으로 적합한 기판으로서는 유리-세라믹 기판 및 질화 알루미늄, 탄화 규소, 질화 규소 및 질화 붕소와 같은 개량시킨 세라믹이 있다. 본 공정용의 바람직한 기판으로는 96% Al2O3으로 이루어진 알루미나 기판이 있다. 가장 바람직한 기판은 델라웨어주 월밍톤 소재 이. 아이. 듀우판 드 네모아사 제품인 Green Tape(TM)과 같은 유리-세라믹 테잎을 들 수 있다.
이 제1금속화 층은 본 발명의 금 전도체 조성물을 사용하여 제조된다. 이 전도체 조성물은 스크린 인쇄법에 의해 약 10내지 80㎛, 바람직하기로는 10내지 70㎛, 가장 바람직하기로는 10내지 50㎛의 습윤 두께로 기판상에 도포된다. 이후 인쇄된 패턴을 약 80내지 150℃에서 약 5내지 15분 동안 건조시킨다. 약 300내지 600℃에서, 최고 약 800내지 950℃의 온도 범위에서 약 5내지 15분 동안 지속적으로 유기 물질을 소성시킬 수 있는 온도 프로파일로 벨트 컨베이어 로 내에서 소성시킨 후, 과잉소결, 중간 온도에서의 바람직하지 못한 화학 반응 또는 고속 냉각으로 인한 기판의 파열을 방지하기 위해 냉각 주기를 조절하는 것이 바람직하다. 전체 소성 공정은 약 1시간, 즉 소성 온도에 이르기까지 20내지 25분, 소성 온도에서 약 10분 및 냉각 온도에서 약 20내지 25분에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다. 금 금속화물이 소성되는 두께는 약 4내지 25㎛의 범위일 수 있다.
제2의 금속화 층은 유사한 후말 기술, 바람직하기로는 스크린 인쇄법을 사용하여 제2전도체 조성물을 제1금속화 층에 도포시킴으로써 제조된다. 이 단계에서는 이러한 방법을 사용하여 금속화된 부품이 부착되는 제1금속화 층의 노출 부위를 완전히 피복하거나 또는 덮을 수 있을 정도로 제2전도체 조성물을 도포시키는 것이 중요하다. 이 단계는 제1금속화 층 상의 제2금속화 층의 정확한 스크린 정합(registration)또는 제1금속화 층에 사용된 패드의 크기에 비하여 약간 더 큰(약5%) 패턴(예, 패드 크기)의 제2스크린을 제2의 금속화 층에 사용함으로써 수행된다. 이는 제1금속화 층을 덮고 세라믹 기판과 제1금속화물의 접촉면을 보호하기위해 수회 연속 인쇄, 건조, 소성 단계가 요구됨을 의미한다. 제2금속화 층(들)을 건조시키는 단계는 상기 제1금속화 층을 건조시키기 위해 상기한 바와 동일하다. 제2금속화 층을 소성시키는 방법은 이 제2금속화 층의 목적하는 소성 두께를 조정하기 위해 조건이 변화될 수 있다는 점을 제외하고는 제1금속화 층에 기재한바와 유사하며, 이는 당업계의 숙련자들이 이해할 수 있을 것이다. 이 제2금속화 층의 소성 두께는 5내지 100㎛이다. 이 두께는 사용되는 경납땜 합금의 형태 및 용융 온도에 좌우된다. 경납땜 합금의 용융 온도가 높을수록 제2층의 두께는 더 두꺼워진다. 경납땜 온도가 약 550℃인 경우, 제2금속화 층의 두께는 약 10내지 30㎛이다. 경납땜 온도가 약 760℃인 경우, 이 제2층의 두께는 약 30내지 80㎛이다.
이 제2금속화 층을 형성하는 제2전도체 조성물은 유기 매질 중에 분산된 미분된 금 분말로 이루어져 있다. 제2전도체 조성물 중의 금 입자는 소성 단계에서 이들 자신 및, 제1 및 제1금속화 층 사이의 경계면에 위치하는 제1금속화 층의 금속 입자로 소결된다. 제2전도체 조성물 중의 유기 매질의 기능은 제1전도체조성물에서의 유기 매질의 기능과 동일하다. 여기서, 이 유기 매질은 당업계에서 통상적인 것으로 역시 제1전도체 조성물용으로 기재한 유기 매질과 동일하거나 또는 다른 조성물을 가질 수 있다. 무기 결합체는 이 제2금속화 층에 사용하지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 이 무기 결합제는 고체의 최고 10중량%의 소량으로도 성공적으로 사용될 수 있다.
제1 및 제2금속화 층의 분리된 소성 단계를 단일의 소성 단계로 조합하는 것도 가능하다. 소성 단계를 조합시키기에 앞서, 제1전도체 조성물을 도포하여 건조시킨 후 제2전도체 조성물을 정합이 되게 도포하여 건조시킨다. 두 층의 소성단계는 상기 각각의 층의 소성 단계와 유사하다.
세라믹 기판에 부착하는데 유용한 금속화된 부품의 예로서는 핀, 납 및 힛싱크가 있다. 이들 부품은 이들이 다른 전자 장치 패키지 사이의 내부 접속제로서 작용하거나 또는 힛싱크의 경우에, 불필요한 열의 흡수 또는 발산을 위해서 금속화된다. 본 공정에 사용할 수 있는 적합한 금속화된 부품은 구리, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 은, 금, 철, 흑연 또는 합금 또는 클래드 또는 그들의 혼합물로부터 제형될수 있다. 유리-세라믹 기판과 함께 사용할 수 있는 바람직한 부품으로서 핀 및 납재료에 대해서는 코바(Kovar), Alloy 42 Alloy 46과 같은 철 및 니켈 합금이 있고, 구리/텅스텐, 구리/몰리브덴, 구리/몰리브덴/구리 및 구리/인바아/구리가 힛싱크 및 스프레더(spreaders)로서 사용될 수 있다. 이들 재료는 이들의 열팽창계수(TCE)가 세라믹 기판의 열팽창계수와 양립할 수 있기 때문에 사용될 수 있다. 이 양립할 수 있는 TCE는 경납땜 공정 동안에 잔류 열이 생성하는 스트레스를 최소화할 수 있다. 또한, 이들 금속화된 부품은 로 경납땜 후에 이들의 기계적 보존성(풀림을 감지할 수 없음)을 유지할 수 있다. 이 금속화된 부품은 니켈만으로 판금되거나 또는 필요한 경우 추가로 금, 구리 또는 은으로 판금될 수 있다.
제2금속화 층 및 금속화된 부품에 적합한 통상적인 경납땜 충전 금속 조성물이 본 공정에 사용되는데 적합하다. 금 금속화물과 함께 사용할 수 있는 적합한 경납땜 조성물은 82Au/18In이며, 여기서 수치는 중량%이다. 이 경납땜 조성물은 페이스트 또는 예형된 상태일 수 있다. 이 경납땜 페이스트는 스크린 인쇄, 등사인쇄 또는 자동 인쇄술을 이용하여 도포된다. 또한 이 경납땜물은 패드 또는 부품상에 도포될 수 있으며 경납땜 접합공정에 앞서 미리 유동될 수 있다. 경납땜에 의해 접합될 수 있는 부품은 통상적으로 보조 고정구를 사용함으로써 전 경납땜 회로에서 고정된 위치가 유지되도록 조립된다. 연강, 코바(Kovar), 기계 세라믹, 용암 및 흑연과 같은 물질이 종종 보조 고정구로서 사용된다. 특히 바람직한 고정구 재료는 흑연이다. 고정구 재료는 재료의 성질, 예를 들면, 사용한 경납땜 방법에 관련하는 내열성, 사용되는 경납땜 온도 및 분위기, 조립되는 물질 및 최종 패키지를 위한 치수 요건에 의해 선택된다. 접합되는 표면은 고정구에 의해 적절히 위치됨으로써 경납땜 충전 금속이 접합부를 충전하고 최대 특성을 얻을 수 있도록 실온 및 경납땜 온도에서 접합 간극을 보존한다. 페이스트 또는 예형된 경납땜 화합물은 이 경납땜 화합물은 이 경납땜 화합물이 접합부를 충전할 수 있는 방법으로 금속화된 부품 및 제2금속화 층 사이에 위치하거나 또는 금속화된 부품 상에 위치할 수 있다. 예를들면, 예형된 경납땜 화합물은 경납땜 부위에서 핀 부품의 축(shaft)에 의해 보호될 수 있다.
세라믹 기판의 금속화 층에 금속화된 부품을 경납땜하는 공정은 조립품이 고정된 경납땜 로 내에서 이루어진다. 이 조립품은 경납땜로 내에서 이 경납땜 충전금속 화합물이 습윤되어 접합물을 형성하기에 충분한 시간 및 온도로 점진적으로 가열된다. 피크 온도는 일반적으로 경납땜 충전 그속의 융점보다 더 높은 20내지 80℃이다. 이 고정된 조립품은 피크 온도에서 매우 단시간 동안, 보통 약 1분에 걸쳐 가열된 후 점차로 냉각된다. 경납때에 적합한 로는 배치(batch) 및 벨트 콘베이어(IR또는 머플)가 있다. 바람직하기로는 벨트 콘베이어로를 사용하는 것이다. Au/In 경납땜에 있어서, 로 중에 감압 분위기가 이용된다. 일반적으로 이 분위기는 수소 및 질소의 혼합물이다.
시판하기 위해서는 인스트론(Instron)시험에 의해 측정한 이 금속화된 부품의 인장 강도가 15파운드 이상이어야 한다. 이 인장 강도는 20파운드를 초과하는 것이 바람직하다.
실시예
I. 재료
금 : 구형 금 분말, D50입자 크기 0.7 내지 1.7㎛
팔라듐 : 팔라듐 분말, 표면적 6.1 내지 9.6m2/g
산화구리 : CuO분말, 표면적 1.3내지 3.2m2/g
유리 : D50입자 크기 2.5 내지 3.5㎛
원료1=B2O3(18.6%), CdO(68.8%), SiO2(9.5%) Al2O3(3.1%)
원료2=CaO(4.0%), BaO(0.9%), ZnO(27.6%), SiO2(21.7%), B2O3(26.7%), NaO(8.7%), PbO(0.7%), Al2O3(5.7%), ZrO2(4.0%)
원료3=MgO(2.1%), BaO(36.3%), NiO(4.6%), SiO2(16.5%), B2O3(37.5%), ZrO2(3.0%)
원료4=PbO(83.0%), PbF2(4.9%), SiO2(1.1%), B2O3(11.0%)
기판 : 이. 아이. 듀오판 드 네모아 앤드 캄파니가 시판하는 유리-세라믹 테잎(Green Tape(TM) (851AT형)
II. 시험 방법
(a) 당 업계의 공지된 방법을 사용하여 10개 층의 테잎 기판 및 통상적인 금 페이스트로 다층 구조를 제작하였다. 이 다층 테잎 기판은 공소성 후 4.470×4.470cm(1.760×1.760 인치)로 절삭된다.
(b) 제1금속화 층에 대응하는 주어진 조성물을 이용한 금 페이스트를 885AMI프린터(뉴저지주 노쓰 브랜치 소재, AMI Inc. 사 제조)를 사용하여 (a)에서 성형한 소성시킨 패키지 몸체의 외표면층 상에 1타하여 45㎛의 습윤 두께로 인쇄하여 10내지 15㎛의 소성 두께를 얻었다. 인쇄된 페이스를 금속화된 부품이 부착된 지점에 위치시켰다. 그린 테잎 상의 페이스트를 블루 엠 코포레이션(Blue M Co, 펜실바니아주 맬버른 소재)사 제품인 블루 엠 오븐 내에서 대기중에 150℃의 온도로 15내지 30분 동안 건조시켰다. 이 페이스트를 린드버그 로(일리노이주 시카고, 린드버그)내에서 대기 중에 약 1시간의 주기로, 즉, 소성 온도까지 약 20내지 25분동안 가열하고, 850℃에서 약 10분동안 소성시키고, 남은 주기 동안 냉각 조절하는 식으로 소성시켰다.
(c) 금 편상 분말 88중량% 및 유기 매질 12중량%로 이루어진 제2전도체 조성물을 상기 단계(b)에서 기재한 885AMI프린터를 사용하여 제1전도체 금속화층 상에 40내지 50㎛의 습윤 두께로 인쇄시켰다. 이 단계에서는 제2금속화 층용으로 제1층의 패드 크기에 비하여 좀 더 큰 크기(약 5%)의 제2스크린을 사용함으로써, 결합하는 패드의 양 측면을 포함하여 최초의 금속화 층을 완전히 덮는 방식으로 인쇄한다. 이 제2전도체 조성물을 인쇄 및 건조의 두 단계로 인쇄하여 약 25㎛의 목적하는 소성 두께를 얻었다. 상기 단계(b)에서와 유사하게, 제2전도체 조성물을 불루 엠 오븐 중에서 건조시켰다.
(d) 이 페이스트를 린드버그 로 내에서 대기 중에 약 1시간의 주기로, 즉, 소성온도에 이르기까지 약 20내지 25분 동안 가열하고, 850℃에서 10분동안 소성시키고 남은 주기 동안 냉각 조절하는 식으로 소성시켰다.
(e) 아스트로 프레시젼 인크, (Astro Precision Inc., 코넥티커트주 베이빌 소재)사제품인 코바(Kovar)핀을 니켈 50 마이크로인치 및 수트로닉스 캄파니(Sutronics Company, 노쓰 캐롤라이나주 랠리 소재)사 제품의 금 50 마이크로인치로 판금하였다.
(f) 패키지 부품은 소성시킬 금속화 층 상의 적절한 위치에 세라믹 기판과 금속화 층, 경납땜 예형물 및 판금된 핀을 연속하여 고정시키는 흑연 고정구 중에 배치시켰다. 이 경납땜 예형물은 82Au/18In으로 제조하였으며 어드번스드 머티리얼 테크놀로지 쿠포레이션(Advanced Material Technoligy Corp., 뉴욕주 오리스카니 소재)사가 시판하고 있다. 이 경납땜 예형물은 와셔(washer)형으로서, 핀의 머리부에 놓인 연장하는 핀의 축상에 위치시켰다. 이 핀의 머리부를 제2금속화 층 상에 위치시키고 흑연 고정구에 의해 고정시켰다.
(g) 왓킨스-죤스 로(Watkins-Johnson Furnace, 캘리포니아주 스코트 밸리 소재, Watkins-Johnson 제품)내에서 580℃의 피크 온도에서 1시간의 프로파일로 2분 동안 수소 3.7% 및 질소 분위기 96.3%를 사용하여 경납땜하였다. 이 부분을 충분히 냉각시킨 후, 흑연 고정구를 분해하여 배치시킨 패키지를 제거하였다.
세라믹 기판에 부착되거나 접합된 핀의 강도는 인스트론 머신(Instron machine, 매사추세츠주 캔톤 소재, Instrom Corp. 사 제품)상에서 12mm/분의 크로스헤드(crosshead)속도로 시험하였다. 이 수치는 10회 시험치의 평균값이다.
실시예 1-4
이들 실시예는 기판으로서 그린 세라믹 테잎을 사용한 경우에 본 발명의 금페이스트로서 얻을 수 있는 개선된 접착력을 예시하였다. 실시예 1에서는 본 발명의 금 페이스트를 사용한 반면 실시예2-4는 그 비교예이다. 이들 조성물 및 그 결과를 아래 표1에 나타냈다.
[표 1]
Figure kpo00001
실시예 5-7
이들 실시예는 알루미나 기판 상에 본 발명의 금 페이스트를 사용하는 경우(실시예 5)의 접착력이 다른 페이스트(비교예 6및 7)의 접착력만큼 양호함을 예시한다.
Figure kpo00002

Claims (6)

  1. 무기 고체의 총 중량을 기준으로, (a)입자의 90중량% 이상이 2이하의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 금 금속 미분 입자 75 내지 95 중량%; (b) 카드뮴 보로실리테이트 유리 미분 입자 0.5내지 10 중량%; (c) CuO, ZnO, MgO, CoO, NiO, FeO, MnO 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 스피넬 형성2가 금속 산화물 미분 입자 0.1내지 5 중량%; (d) 팔라듐, 백금 및 로듐으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 미분 입자 0.1 내지 1.0 중량%; 및 (e) 상기 (a) 내지 (d)의 모든 미분 입자가 분산되어 있는 유기 매질로 이루어짐을 특징으로하는 금 전도체 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 유기 매질이 에틸 셀룰로오스, 폴리부틸 메타크릴레이트, 폴리-α-메틸 스티렌 또는 폴리(에틸렌 비닐 아세테이트)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 수지 2내지 20 중량%; 및 지방족 알코올, 이들 알코올의 에스테르, 글리콜 에테르, 테르핀 및 디알킬 프탈레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 유기액체 98내지 80중량%로 이루어짐을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 금 금속 80내지 88중량%로 이루어짐을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 카드뮴 보로실리케이트 유리가 CdO 68.8 중량%, B2O318.6 중량%, SiO29.5 중량% 및 Al2O33.1 중량%로 이루어짐을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 스피넬 형성 2가 금속 산화물 0.1내지 1중량%로 이루어짐을 특징으로 하는 조성물.
  6. (a) 제1항 기재 금 전도체 조성물을 건조시키고,
    (b) 이 건조된 조성물을 800내지 950℃범위의 온도에서 소성시키는 것으로 이루어지는 방법에 의해 형성된 금 금속화물(gold metallization).
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