KR100285089B1 - 니켈 42합금을 이용한 금속상 저온 동시소성 세라믹 기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 니켈 42 합금을 이용한 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판에 관한 것으로, 종래의 세라믹 기판에 하부에 동시 적층되는 금속베이스는 Kovar가 사용되는데 그 내부 성분이 29 wt% Ni, 17 wt% Co, 54 wt% Fe로 이루어져 있는데, 이 성분 중 Co(코발트)의 가격이 고가이므로 원재료비의 부담이 있었다.

본 발명은 LTCC-M 기판에서 금속베이스를 Kovar 대신 열 팽창계수 측면에서 Si(α=4×10^-6/⁰C)에 유사한 Ni 42합금을 사용함으로서 모듈제작에 따른 플립 칩 본딩작업에 유리하고 가격적인 측면에서 Kovar에 비하여 1/3수준이므로 경제적으로 우수하다. 그러므로 LTCC-M 공정에 따라 금속베이스에 의하여 모듈이 기계적으로 수축하는 것으로 방지함으로 사용 유효 면적이 늘고 수율이 높아지는 효과가 있다.

Description

니켈 42 합금을 이용한 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판

본 발명은 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판(Low Temperature Cofired Ceramic on Metal : LTCC-M)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LTCC-M의 구성소자 중 금속베이스의 성분을 규소(Si)와 열 팽창계수가 비슷한 Ni 42 합금을 이용함으로서 수율 및 생산성을 높일 수 있도록 한 니켈 42 합금을 이용한 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판에 관한 것이다.

일반적으로 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판(Low Temperature Cofired Ceramic on Metal : LTCC-M)에 사용되는 세라믹 기판의 재료의 구성은 충전제로 사용되는 세라믹과 글래스 시스템 혹은 충전제와 글래스-세라믹 시스템이 혼합된 형태이다.

이와같이 혼합된 형태인 세라믹 기판은 원하는 유전률과 팽창계수의 조절을 위하여 성분 비율이 결정되어 지며 보통 충전제(filler)/글래스 시스템 보다는 충전제/글래스-세라믹 시스템의 경우가 기계적 강도가 우수하여 일반적으로 많이 사용된다.

즉, 충전제/글래스-세라믹 시스템의 조성인 글래스-세라믹과 충전제 분말에 접합제(binder) 및 가소제(plasticizer) 그리고 용매(solvent)를 혼합하여 닥터-블레드(doctor-blade)방법으로 건조 두께가 100-200 ㎛ 정도의 그린쉬트를 생성 할 수 있다.

여기서 이와 같은 그린쉬트와 준비된 금속베이스를 기초로 하여 LTCC-M의 제작 공정을 첨부된 도 1을 참고로 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 그린쉬트를 모듈 회로도에 따라 각각의 층에 비아(Via)구멍(6)을 펀칭 한 후 바이어 구멍(6)을 스크린 프린팅 방법에 의해 공간을 채운다. 그리고 이 그린쉬트 위에 레지스터, 콘덕터(4), 캐패시터, 인덕터등의 수동소자를 프린팅 한 후 각각의 층을 적층(lamination)작업에 의하여 적층 시킨 후 금속베이스(1)와 동시 소성 시킨다.

즉, 이와 같은 저온 동시 소성 세라믹 기판 기술을 근간으로 금속베이스(1)를

글래스-세라믹(3)을 함께 동시 소성하는데, 그 이유는 세라믹 기판 자체만의 소성시에는 수축에 의한 기판의 변형 문제로 수율이 떨어지는 현상이 있어 이를 방지하기 위함이다.

여기서 동시소성에 사용되는 금속베이스(1)의 재료로는 Cu/SUS/Cu, Cu/Invar/Cu, Invar 및 Kovar등이 재료가 사용되고 있으며 저온 동시 소성 세라믹 기판에 금속베이스(1)를 동시 소성함으로서 실리콘 칩(5)이 직접 접착도 가능하고 특히, 실리콘 칩을 모듈위에 직접 실장하기 위해서는 그 실리콘의 팽창계수(α=4×10^-6/⁰C)와 유사한 Kovar를 사용하고 있다.

그러나 금속베이스로 사용되는 Kovar는 그 내부 성분이 29 wt% Ni, 17 wt% Co, 54 wt% Fe로 이루어져 있는데, 이 성분 중 Co(코발트)의 가격이 고가이므로 원재료비의 부담이 있었다. 이러한 이유로 금속베이스를 저가의 Cu/SUS/Cu, Cu/Invar/Cu를 사용하기도 하지만 이 Cu/SUS/Cu, Cu/Invar/Cu는 Si와 팽창계수 차이 심하여 실리콘 칩을 페키징 상태인 아닌 bare 칩 상태로 모듈에 직접 실장 시키는 경우 실장 후 냉각하여 솔더부분, 칩 및 모듈 자체에서 받고 있는 잔류응력의 영향에 의하여 신뢰성이 현저히 떨어지며 그에 따라 수명 또한 짧아지는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 이와 같은 종래 LTCC-M에서 금속베이스의 문제점을 해결하기위해 안출된 것으로 LTCC-M의 구성소자 중 금속베이스의 성분을 실리콘(Si)과 팽창계수가 비슷한 Ni 42 합금을 이용함으로서 수율 및 생산성을 높일 수 있도록 한 니켈42 합금을 이용한 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판을 제공함에 그 목적이 있다.

한편, 이와같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 금속베이스를 전처리하고, 그린쉬트를 적층한 후 금속베이스에 동시 소성하는 LTCC-M 모듈제작에 있어서, 상기 금속베이스의 재료를 실리콘(Si)과 팽창계수가 비슷한 Ni 42 합금을 사용하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 금속베이스의 두께는 0.25 - 2.0mm이고 그 금속베이스의 표면은 Ni strip 혹은 Ni/Cu strip을 이용하여 글레딩(cladding)작업 또는 도금작업에 의하여 Ni 혹은 Ni/Cu층이 생성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속베이스에 생성된 Ni 혹은 Ni/Cu층의 두께는 각각 10-50㎛이고 상기 금속베이스인 Ni 42 합금에 Ni 혹은 Ni/Cu foil을 diffusion 본딩방법으로 800-1000^oC에서 30-180분간 유지시간에 10-50MPa 의 압력을 가하여 접합시키는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 금속상 저온 동시소성 세라믹 기판의 단면도.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판용 금속 베이스의 준비과정을 보여주는 도면.

도 3a 내지 도3e는 LTCC-M 기판용 제작공정에서 본 발명에 따른 그린 쉬트의 준비하는 과정을 설명하는 도면.

도 4는 LTCC-M 기판용 제작공정에서 준비된 그린 테이프에 본 발명의 금속베이스를 적층한 도면.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

100 : 금속베이스 106 : 금속산화물

108 : 접합층 110 : 소성접합층

112 : 접착제 130 : 베이스 판

200 : 그린쉬트 202 : 바이어

204 : 인쇄패턴 210 : 적층테이프

300 : LTCC-M 기판

이하, 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 Ni 42 합금을 이용한 LTCC-M 모듈제작을 공정 순서에 따라 크게 금속베이스를 이용하여 베이스 판을 준비하는 과정과 그린쉬트를 이용하여 적층테이프를 준비하는 과정 및 이 준비된 베이스판 과 적층테이프를 기초로 하여 실질적인 LTCC-M 기판을 제작하는 과정으로 이루어진다.

여기서 베이스 판(130)을 준비하는 과정은 도 2a 내지 도 2f에 도시된 바와같이 먼저 재질이 Ni 42 합금인 금속베이스(100)를 원하는 사이즈로 절삭하여 준비한다. 이때, 그 금속베이스(100)의 두께는 0.25 내지 2.0mm의 두께를 갖도록 한다. 그리고 이 준비된 금속베이스(100)에 재질이 Ni 또는 Ni/Cu층(105)을 도금작업, 클레딩(cladding), diffusion 본딩방법을 이용하여 형성시킨다.

여기서 diffusion 본딩방법에 의한 Ni 또는 Cu/Ni층 형성방법은 10 내지 50 ㎛ 두께의 박막을 지그에 배열시킨 후 불활성 개스 분위기 또는 진공중의 분위기에서 800 내지 1000^oC에서 30분 내지 90분동안 10 내지 50MPa의 압력을 가함으로서 형성된다.

즉, 이와같이 금속베이스(100)에 Ni 또는 Cu/Ni층 형성을 3가지 방법의 택일으로 형성하고, 표면에 열처리에 의하여 금속산화물(106)을 형성시킨다. 이 금속산화물(106)의 표면에 유약을 인쇄하여 접합층(108)을 형성한다. 그 후 이 접합층(108)을 소성(燒成)하여 소성접합층(110)을 형성한다. 그리고 이 금속산화물(106)의 표면에 형성된 소성접합층(110)에 결합제(binder) 및 용제( solvent)로 구성된 접착제(112)를 접착함으로서 최종적으로 베이스 판(130)의 준비과정은 완료된다.

다음에는 그린쉬트를 이용한 적층테이프(210)를 준비하는 과정은 도 3a내지 도 3e에 도시된 바와같이 먼저 결정화유리, 비 결정유리 및 충전재를 예비 혼합 후에 이 혼합된 물질에 결합제(binder), 가소제(plasticizer) 및 용제(solvent)를 혼합하여 공지된 doctor-blade 방법으로 건조 두께가 100 내지 200 ㎛ 정도의 그린쉬트(200)를 생성한다.

이후 이 그린쉬트(200)에 최종 모듈 내부에 다층회로를 구성하고자 층간 회로를 연결할 수 있는 비아(202)를 펀처(puncher)를 통해 형성한다. 그리고 각층의 알맞은 회로를 스크린 인쇄기를 이용하여 페이스트로 인쇄함으로서 도 11에 도시된 바와가 같이 원하는 수 만큼의 다수의 회로패턴(204)을 형성된 그린쉬트(200) 가 형성한다.

그리고 상기 다수의 회로가 인쇄된 그린쉬트(200)를 건조시킨 후 도 12에 도시된 바와 같이 각각의 층을 이루는 그린쉬트(200)를 적층(lamination)하여, 하나의 성형체인 적층테이프(210)를 형성하게 된다.

다음에는 상기 준비된 베이스 판(130) 및 적층 테이프(210)를 기초로 하여 최종적인 LTCC-M기판(300)을 제작하는 공정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 준비된 베이스판(130)위에 적층테이프(210)를 올려 놓고 다시 가압하여 동시 적층(Co-Lamination) 및 동시 소성(Co-firing)에 의해 성형한다. 여기서 베이스판(130)을 적층테이프(210)와 동시 적층하는 이유는 적증테이프(210)가 소성시 x-y방향 수축에 의해 기판이 변형됨을 방지함이다. 그러므로 이와 같은 동시소성이 끝나면 도 13에 도시된 바와 같이 다수의 모듈이 형성되어 있는 LTCC-M 기판(300)이 완성된다. 또한, 이 LTCC-M 기판(300)에는 상부도체 및 오버글래즈를 인쇄하는 등의 작업이 추가되며, 그 밖의 표면 실장부품의 납땜, 베어 IC 또는 플립 칩의 결합 및 모듈 치수 절삭등을 거쳐 LTCC-M 모듈은 완성된다.

한편,이와같은 LTCC-M 기판(300)에 실리콘 칩은 와이어 본딩( wire-bonding) 혹은 플립 쉽 본딩(filp ship-bonding) 형태로 실장하는데, 이때 와이어 본딩을 사용하는 경우 실리콘(Si) 칩을 엑포시 혹은 납땜을 이용하여 모듈 표면에 접착하고 열처리를 하게 된다. 이때 금속베이스는 Ni 42 합금이므로 실리콘 칩을 페키징 상태가 아닌 베어 칩 상태로 모듈에 실장함에 있어 잔류응력에 따른 영향은 최소화 된다.

이상 설명에서와 같이 본 발명은 LTCC-M 기판에서 금속베이스를 Kovar 대신 열 팽창계수 측면에서 Si(α=4×10^-6/⁰C)에 유사한 Ni 42합금을 사용함으로서 모듈제작에 따른 플립 칩 본딩작업에 유리하고 가격적인 측면에서 Kovar에 비하여 1/3수준이므로 경제적으로 우수하다. 그러므로 LTCC-M 공정에 따라 금속베이스에 의하여 모듈이 기계적으로 수축하는 것으로 방지함으로 사용 유효 면적이 늘고 수율이 높아지는 효과가 있다.

또한, 실리콘 칩을 페키징 상태인 아닌 bare 칩 상태로 모듈에 직접 실장시키는 경우 실장 후 냉각하여 솔더부분, 칩 및 모듈 자체에서 받고 있는 잔류응력의 영향을 최소화하여 제품의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 베이스 판(130)의 준비과정과 그린쉬트를 이용한 적층테이프(210)의 준비과정 후에 이 베이스판에 적층된 적층테이프를 동시 적층시킨 후에 동시소성을 통해 LTCC-M 기판(300)을 형성하고, 이 LTCC-M 기판(300)에 상부도체 및 오버글래즈를 인쇄 그밖의 표면 실장부품의 납땜등을 통한 LTCC-M 모듈을 제작에 있어서,

   상기 베이스판(130)의 준비과정에서 금속베이스(100)의 재료를 실리콘(Si)과 열 팽창계수가 비슷한 Ni 42합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 니켈42 합금을 이용한 금속상 저온 동시 소성 세라믹 기판.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속베이스(100)인 Ni 42합금은 0.25 내지 2.0mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 니켈42 합금을 이용한 금속상 저온 동시소성 세라믹 기판.
3. 제 1항에 있어서, 상기 금속베이스(100)인 Ni 42합금의 표면을 Ni strip 혹은 Ni/Cu strip을 이용하여 글레딩(Cladding)작업 또는 도금작업에 의하여 Ni 혹은 Ni/Cu층이 생성되는 것을 특징으로 하는 니켈42 합금을 이용한 금속상 저온 동시소성 세라믹 기판.
4. 제 1항에 있어서, 상기 금속베이스(100)인 Ni 42 합금에 Ni 혹은 Ni/Cu 박막 을 diffusion 본딩 방법으로 800-1000^oC에서 30-180분간 유지시간에 10-50MPa 의 압력을 가하여 접합시키는 것을 특징으로 하는 니켈42 합금을 이용한 금속상 저온 동시소성 세라믹 기판.
5. 제 3항에 있어서, 금속베이스(100)인 Ni 42합금의 표면에 생성되는 Ni 혹은 Ni/Cu층의 두께는 10 내지 50 ㎛로 하는 것을 특징으로 하는 니켈42 합금을 이용한 금속상 저온 동시소성 세라믹 기판.