1. 서 론

LED(light emitting diode) 패키지에 있어, 인쇄회로기 판(printed circuit board: PCB)은 단자를 전기적으로 연 결시키며, LED 칩에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 기능을 수행하여야 한다. 특히, 고출력(high power) LED 의 경우 많은 부분의 에너지를 열로 방출하는 문제가 있 어, 최근 고출력 LED 용으로 양극 산화된 알루미늄 기 판(anodized aluminum substrate)을 기반으로 한 패키지 형성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.^1-3)

양극산화 알루미늄 기판은 열 방출 특성이 매우 우수 한 알루미늄을 기반으로 그 위에 양극산화(anodization) 를 통해 다공성 알루미나(Al₂O₃)를 형성한다.^3-6) 따라서, LED 패키지 시 방열판(heat sink)으로 알루미늄을 덧붙 이는 방식이 널리 이용되고 있다. 양극산화 알루미늄 기 판에 LED를 패키지(package) 할 수 있다면 알루미늄 자 체를 기반으로 할 뿐만 아니라 알루미늄과 다공성 알루 미나 사이에 접착제가 없는 일체형으로서, 열 방출 특 성에 큰 기여를 할 것으로 기대하고 있다.

고출력 LED 용 인쇄회로기판을 형성하기 위해서는, 절 연체인 양극산화된 알루미늄 기판 위에 전기적 신호를 전달 할 수 있도록 세라믹 절연기판 표면에 도체 패턴 을 형성하여야 한다. 도체 패턴 형성을 위해 세라믹 절 연기판 위에 은 페이스트(Ag paste)를 인쇄한 후, 그 위 에 무전해 도금으로 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 등의 금 속을 도금하는 방식이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

금속을 도금하기 전, 세라믹 절연기판 위에 인쇄된 도 체 페이스트의 상태가 회로의 선폭, 회로의 성능에 크 게 영향을 준다. 최근 전자제품들의 소형화 및 정량화 추세에 따라, 고성능의 고출력용 인쇄회로기판의 개발에 있어 도체 페이스트 인쇄를 통한 배선 선폭의 조절, 균 일성, 정밀도 부분에서 아직도 해결해야 할 부분이 많 이 있다.

오래 전부터 전자디바이스 및 디스플레이의 제조 공법 으로 스크린 인쇄기술이 많이 이용되어져 왔으며, 태양 전지나 연료전지 분야에서도 스크린(screen) 인쇄기술의 이용이 주목되고 있다.^7-9) 스크린 인쇄기술이 전기, 전자 등의 산업에서 오랫동안 활발하게 이용되고 있는 이유 는 다른 공법에 비해 제작공정이 간단하고 생산비용이 저렴하며, 대면적 인쇄가 가능하고, 재료 이용 효율이 높 기 때문이다.^10-13)

스크린 인쇄는 기본적으로 전도성 잉크 또는 전도성 페 이스트가 스크린 판의 오프닝을 통과하여 기판 위에 인 쇄가 된다. 전도성 페이스트는 인쇄와 건조 등의 패터 닝 공정을 통해 전도성을 가질 수 있게 만들어진 물질 로, 전도성 고분자들을 유동성을 가진 고분자의 바인더 와 혼합하는 방식으로 제조된다. 전도성 페이스트의 구 성물질 중 70~80 %를 전도성 필러가 차지하는데 전도 성 필러로 가장 많이 사용되는 Ag는 Au나 Pt등과 비 슷한 고유저항 값을 가지면서도 가격이 비교적 싼 편이 며, 사용하기가 용이하고 금속 자체로도 안정되어 있기 때문에 보존 안정성도 좋아 필러로 많이 쓰인다.^10,14-15) 하지만, 페이스트가 스크린 인쇄되고 완전히 건조되어 기 판 위에 패턴을 형성하기 전에 기판 표면에서 확산되어 번지기 때문에 패턴이 변화할 가능성이 매우 높아 이를 개선하는 연구가 필요하다.

본 연구에서는 양극 산화 알루미늄 기판 위에 스크린 인쇄 된 Ag 페이스트의 확산, 번져나간 부분 만을 제 거하고, 양극산화 알루미늄 기판에는 손상을 주지 않도 록 중성의 에칭 용액을 사용하였으며, 인쇄된 Ag 페이 스트의 표면 상태 및 패턴 선폭에 에칭 공정이 미치는 영향을 분석하여 인쇄 패턴의 정밀도를 개선하는 것을 목적으로 하였다.

2. 실험 방법

기판은 알루미늄을 기반으로 그 위에 양극산화를 통해 다공성 알루미나 층이 형성된 것을 사용하였다. 이러한 양극산화 다공성 알루미나 층 위에 스크린 인쇄기(screen printer, LSP-8060S, Line system, Korea)를 이용해 Ag 전극 패턴을 형성하였다. Ag 페이스트를 이용한 스크린 인쇄 조건으로 인쇄 속도는 100 mm/sec 였고, 압력은 6 kgf/cm² 였다. Ag paste 인쇄 후, 이 기판은 200 °C에 서 30분간 후속 열처리 되었다.

열처리 후, 기판 내 Ag 페이스트가 확산, 번져나간 부 분 만을 제거하기 위하여 시판하는 스크린 인쇄용 세정 제(Hoimyung Marugeo Co., Ltd; pH 7)를 60 °C에서 담금 시간(dipping time)을 조절하여 에칭하였다. 이렇게 처리된 Ag전극(페이스트) 위에만 선택적으로 Ni 도금 박 막이 형성되도록 팔라듐(Palladium: Pd) 촉매용액(pH = 6.9)을 이용하여 65 °C에서 30분간 기판을 촉매 처리해 주었고, 니켈 도금용액(pH = 6.5)을 이용하여 65 °C에서 30분간 도금을 하였다. 양극산화 알루미늄 기판의 경우 에칭(etching)이나 도금(plating) 시 사용되는 용액의 pH 가 강산 또는 강염기성인 경우 손상을 입게 되기 때문 에 모든 공정은 중성근처에서 이루어지도록 하였다.¹⁶⁾

표면처리 된 Ag 페이스트 전극 패턴과 이 Ag 페이 스트 패턴 위에만 선택적으로 성장된 Ni 도금층에 대한 패턴 형상변화를 분석하기 위해 에폭시(epoxy resin)로 시 료를 지지한 후 연마기(polisher)를 이용하여 경면가공하 고 단면을 광학현미경(Optical Microscopy, ECLIPSE LV150N, Nikon, Japan)과 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM, S-4800, Hitachi, Japan)을 이용하여 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1은 실험에 사용된 양극산화 다공성 알루미나 층 위에, 50~100 μm 선폭을 갖도록 제작된 마스크를 이용 하여 스크린 인쇄된 Ag 페이스트 패턴을 보여주고 있 다. Fig. 1(a)의 디지털 카메라 이미지를 보면, 50 μm ~ 100 μm 선폭을 갖는 패턴이 균일하게 인쇄되어 있는 것 처럼 보인다. 인쇄된 Ag 페이스트 패턴들의 선폭을 보 다 명확하게 측정하기 위하여 FE-SEM을 이용하여 측정 한 결과(Fig. 1(b)), 인쇄된 모든 패턴은 설계된 이상적 선폭(ideal line width)보다 넓게 인쇄가 되었다는 것을 알 수 있었다. 50, 60, 70, 80, 90, 100 μm 패턴들은 각 각 평균 59.5, 72.1, 89.8, 99.6, 107.1, 120 μm의 선폭 을 갖는 패턴으로 인쇄되어 있는 것을 확인하였다.

Fig. 1

(a) Digital Camera and (b) FE-SEM images for screen printed Ag paste pattern.

스크린 인쇄된 Ag 페이스트 패턴 위에 무전해 Ni도 금층이 형성된 단면 이미지를 Fig. 2에서 보여주고 있 다. Fig. 2에서 보이는 바와 같이 무전해 방식으로 Ni 층이 선택적으로 Ag 페이스트 패턴 위에만 잘 형성 되 어 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 인쇄된 Ag 페이 스트 패턴 위에 무전해 도금으로 전도층을 형성하였을 때, Fig. 2에서 볼 수 있는 것처럼, 양쪽 끝 모퉁이 부 분에 Ni이 보다 더 도금(over plating)되어, Ag 페이스 트 위에 도금된 Ni 선폭은 Ag 페이스트의 선폭보다 더 넓어지게 된다. 따라서 Fig. 2에서 처럼 약 3.5 μm 두께 의 Ni 도금층을 Ag 페이스트 위에 형성하였을 때, Ni 선폭은 Ag 페이스트의 선폭 대비 7 μm 이상 증가하였 다. 결과적으로, 스크린 인쇄된 Ag 페이스트 패턴은 설 계된 이상적인 선폭보다 넓게 인쇄가 되며, 설계보다 넓 게 인쇄된 이 Ag 페이스트 패턴 위에 Ni이 무전해 도 금되면 도금된 Ni 선폭은 Ag 페이스트의 선폭 대비 증 가하였다. 일반적으로 스크린 인쇄방식으로 Ag 페이스트 를 인쇄하였을 때, Ag 페이스트가 스크린 판의 오프닝 을 통과하여 기판에 끼워진 상태에서 번져지거나 기판 표면에서 인쇄된 페이스트가 굳어지기 전에 확산되어 번 지게 된다. 이렇게 번져나간 Ag 페이스트가 패턴의 선 폭을 넓히게 되고, 또한 번져나간 Ag 페이스트 위에 까 지 Ni이 도금됨에 따라 패턴의 선폭이 더욱 더 넓어지 게 되는 것이다.

Fig. 2

FE-SEM cross-sectional image for electroless Ni plated film on screen printed Ag paste 90 μm pattern.

이러한 패턴의 선폭 증가 현상을 줄이기 위하여 세정 제 용액을 사용하여 인쇄된 Ag 페이스트를 에칭하였다. 스크린 인쇄용 세정제는 시중에서 구입이 용이한 용액 을 사용하였다. Ag 페이스트가 인쇄된 시료는 60분 동 안 중성의 스크린 인쇄용 세정용액에 담가 에칭하였다.

Fig. 3의 FE-SEM 이미지에서 보이는 바와 같이 인쇄 된 패턴들의 선폭이 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또 한 인쇄된 Ag paste 패턴들 사이로 보이는 양극산화 알 루미늄(anodized Al) 기판은 전혀 손상이 없었음을 확인 할 수 있었다.

Fig. 3

FE-SEM images of screen printed Ag paste patterns with line-width 50 μm ~ 100 μm; (a) No etching and (b) after etching for 60 min.

에칭 전·후의 선폭을 측정하여 이상적인 선폭과 비 교해 보았다. Fig. 4의 그래프에서 볼 수 있는 것처럼, 에칭처리 되지 않은 인쇄된 패턴(Fig. 4의 No etching) 은 이상적인 선폭에 비해 약 20 % 정도 더 넓게 인쇄 가 되었다. 이렇게 스크린 인쇄된 패턴의 선폭이 설계 선폭 대비 넓게 인쇄가 되는 것은 Ag 페이스트가 스크 린과 기판 사이에서 확산되었기 때문인 것으로 판단되 었다. 이 인쇄된 Ag 페이스트 패턴에 대해 60분 동안 Ag 페이스트 세정제에 담가 에칭을 하였을 때, 비록 이 상적 선폭보다는 아직 넓기는 하지만 에칭된 모든 패턴 의 선폭이 일정량 감소하는 것을 볼 수 있다. 에칭 전 패턴에 비해 에칭 후, 약 10 % 정도 Ag 페이스트 선폭 이 감소하였다.

Fig. 4

Line-width of screen printed Ag paste patterns for before and after etching.

에칭 전·후의 인쇄된 Ag 페이스트 패턴들 위에 Ni 을 무전해 도금한 후 패턴들의 변화를 광학현미경을 이 용하여 관찰하였다(Fig. 5). Fig. 5에서 보이는 바와 같 이, 에칭 시간이 증가함에 따라 Ni 도금된 패턴들의 선 폭이 감소하는 것을 볼 수 있다. 에칭하지 않은 시료(Fig. 5(a))의 패턴들에서는 패턴 가장자리에 얇게 번진 듯 하 게 Ni 도금층이 형성되었다. Fig. 5(b)의 30분 에칭한 패 턴들에 대해, Ni 도금된 패턴의 가장자리가 선명해졌으 며, 기판에 Ag 페이스트가 번졌던 흔적이 보였다. 바로 이부분이 주로 에칭되어진 부분인 것으로 판단된다. 에 칭 60분 후에(Fig. 5(c)), Fig. 5(b)와 마찬가지로 패턴 가장자리에 Ag 페이스트가 번졌던 흔적이 보였으며 패 턴 위에만 Ni 도금층이 형성되어 패턴의 가장자리가 더 욱 선명하게 보였다.

Fig. 5

Optical microscopy images of electroless plated Ni film on screen printed Ag paste patterns(line-width 60 μm, 80 μm, and 100 μm); (a) No etching, (b) after etching for 30 min and (c) after etching for 60 min.

Fig. 6는 에칭하지 않은 Ag 페이스트 패턴 위에 Ni을 무전해 도금한 패턴에 대한 FE-SEM 단면 이미지이다. 이상적으로는 Ni 도금 박막이 패턴된 Ag 페이스트 위 에만 형성이 되어야 한다. 그러나 Fig. 6(a)의 FE-SEM 이미지에서 보면, Ni 도금층은 Ag 페이스트 끝 부분에 서 도금된 Ni 박막 두께만큼 Ag 페이스트 패턴 보다 더 넓게 도금되었다. 또한 Ni 도금층 끝 부분에 비록 얇은 막이기는 하지만 꼬리(tail) 형태로 Ni 도금 박막이 형성 되었다. 그리고 Ni 도금층이 Ag 페이스트 패턴 위에 두 껍게 형성되면서, 인쇄된 Ag 페이스트 패턴이 양극산화 알루미나 기판에서 떨어져서 박리되는 것이 관측되었다 (Fig. 6(b)).

Fig. 6

FE-SEM cross-sectional image for electroless Ni plated film on screen printed Ag paste patterns without etching process; (a) Ni tail and Ni over plating (b) peeling of Ni plated pattern.

결과적으로, Ni의 over plating과 Ni의 tail의 형성이 Fig. 5(a)에서 보였던 것처럼 기판 위에 Ag 페이스트 또 는 Ni 도금층이 얇게 번진 것으로 추정된다. 그리고 Fig. 6(b) 에서 보이는 박리현상은 인쇄하는 과정에서 Ag 페 이스트의 번짐 현상으로 비교적 얇게 인쇄된 모퉁이(가 장자리) 부분에 대해, Ni 도금 층이 두껍게 형성됨에 따 라 응력(stress)을 받아 약한 부분인 모퉁이 부분이 들려 올라감으로써 이러한 박리 현상이 발생된 것으로 추정 된다.

에칭된 Ag 페이스트 패턴 위에 Ni을 무전해 도금 방 식을 이용하여 선택 도금한 후 패턴의 변화를 FE-SEM 을 이용하여 관찰하였다(Fig. 7). Fig. 7(a)와 7(b)에서 보 면, 에칭 후에 Ag 페이스트의 tail이 보이기는 하지만, 이 Ag 페이스트 tail 에는 Ni이 도금되지 않고, Ag 페 이스트 패턴 안쪽으로 Ni이 무전해 도금 되는 것을 확 인할 수 있다. Fig. 5(b)와 5(c)에서 Ni 도금된 패턴 가 장자리에 Ag 페이스트가 에칭된 흔적들이 보였는데, 결 과적으로 이 부분은 Ni이 도금되지 않은 에칭된 Ag 페 이스트 부분이라는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 에칭 후에 패턴에 Ni이 over plating되지도 않았고, Ni 도금 층이 tail을 형성하지도 않았다는 것이다. Ag 페이스트 가 에칭에 의해 제거된 부분에는 부도체인 양극산화막 표면이 들어나면서, 금속 위에만 선택 도금 되도록 도 와주는 Pd 촉매용액이 이 부도체 부분에 작용기를 형성 하지 못함으로써, Ni이 over plating이나 tail을 형성하지 않은 것으로 추정된다. Fig. 3과 4에서도 확인한 것처럼 에칭을 통해 인쇄된 Ag 페이스트 패턴의 선폭이 줄어 들었고, 이 줄어든 선폭보다 폭이 좁게 Ni 도금층이 형 성되는 것을 확인할 수 있었다

Fig. 7

FE-SEM cross-sectional image for electroless Ni plated film on screen printed Ag paste patterns after etching for 60 mins; (a) left corner and (b) right corner.

4. 결 론

고출력 LED 용 인쇄회로기판을 형성하기 위해서, 다 공성 양극 산화 알루미늄 기판 위에 스크린 인쇄된 Ag 페이스트를 사용하여 전극 패턴을 형성하였다. 스크린 인 쇄법을 이용한 Ag 페이스트 패턴 형성 방식은 다른 공 법에 비해 제작공정이 간단하고 생산비용이 저렴하며 대 면적 인쇄가 가능하고, 재료 이용 효율이 매우 높다. 그 러나 다공성 양극 산화 알루미늄 기판 위에 인쇄된 Ag 페이스트의 상태가 회로의 선폭에 크게 영향을 준다. 본 연구에서는 에칭 공정이 인쇄된 Ag 페이스트의 표면 상 태 및 패턴 선폭에 미치는 영향을 분석하였다.