KR100323703B1 - 마이크로 수동 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
마이크로 수동 소자 및 그 제조방법Info
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Abstract
스크린 프린팅(screen printing)을 이용한 마이크로 수동 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 스크린 프린팅으로 강자성층, 페리자성체층을 순차적으로 형성하고 열처리하며, 그 위에 스크린 프린팅으로 도전선을 형성한 후, 도전선을 감싸도록 도전선 위에 스크린 프린팅으로 페리자성체, 강자성층상에 순차적으로 형성한 다음, 열처리하여 제작한다. 이와 같이, 스크린 프린팅법을 이용하여 마이크로 수동 소자를 제작하므로 공정이 간단하고 대량생산 및 집적화가 가능하므로 제품의 값이 싸다. 또한, 강자성체와 페리자성체가 도전선을 감싸는 구조로 형성하여 자성 물질의 투자율을 증가시키므로 마이크로 수동 소자의 특성을 향상시킨다.
Description
본 발명은 스크린 프린팅(screen printing)을 이용한 마이크로 수동 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 멀티칩 모듈들(Multichip modules), 파워 컨버터들(power converters), 일반적인 콘수머 일렉트릭 시스템들(consumer electronic systems) 등에 사용되고 있는 수동소자로는 저항(resistor), 커패시터(capacitor), 인덕터(inductor), 트랜스포머(transformer) 등이 있다.
최근, 집적회로 기술(IC technology)의 발달로 IC칩은 잘 개발되어 있지만, 수동 소자는 여전히 디스크릿(discrete) 혹은 벌크(bulk) 소자들이 사용되고 있기 때문에 제품들의 소비자 가격은 그 제품 안에 있는 값싼 IC 칩들에 비해 매우 비싸다.
제품의 가격이 비싼 주된 원인은 수동 소자들을 IC칩들과 연결하는 어셈블리(assembly)와 패키징(packaging) 때문이다.
또한, 이들 수동 소자들은 어떤 시스템 안에서 많은 공간을 차지하기 때문에 패키징 밀도(packaging density)가 좋지 않을 뿐만 아니라 로우 프로파일(low profile)을 갖는 시스템들(systems)을 만드는 것이 무척 어려웠다.
하지만, 지금은 기술이 많이 발전하여 이들 수동 소자들이 IC칩들과 거의 비슷한 공정으로 제작되므로 패키징 밀도가 향상되고 있는 추세이다.
특히, 저항과 커패시터들은 많은 연구가 활성화되어 집적화된 소자들이 제품에 사용되고 있다.
그러나, 문제는 인덕터들과 트랜스포머들이다.
사실상 가볍고, 패키징 밀도가 높고, 낮은 프로파일을 가지며, 값싼 전기적 시스템(electronic system)들을 만드는데 가장 큰 장애물은 이들 자성 수동소자들이다.
따라서, 이들 자성수동소자들을 집적화 하려는 노력이 많이 행해지고 있고, 집적화된 인덕터들이나 트랜스포머들이 연구차원에서 개발되고 있지만 아직 상품화하지는 못하고 있다.
왜냐하면, 이들 인덕터들이나 트랜스포머들이 좋은 성능을 갖기 위해서는 3차원(3-D)구조로 이루어져야 하기 때문에 공정이 무척 복잡하고 어렵다.
종래의 마이크로 수동 소자에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
종래의 인덕터나 트랜스포머와 같은 자성수동소자들은 공정이 복잡하여 집적화가 어렵고 공정가가 비싸다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 스크린 프린팅법을 이용하여 대량생산 및 집적화가 가능한 마이크로 수동 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 강자성체 및 페리자성체를 이용하여 성능이 우수한 마이크로 수동 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 마이크로 수동 소자(인덕터와 트랜스포머)를 보여주는 사시도
도 3은 도 1의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 도전선 모양을 보여주는 도면
도 5a 내지 5e는 본 발명에 따른 마이크로 수동 소자의 제조공정을 보여주는 공정단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 제 1 강자성층
3 : 제 1 페리자성층 또는 절연층 4 : 도전선
5 : 제 2 페리자성층 또는 절연층 6 : 제 2 강자성층
본 발명에 따른 마이크로 수동 소자는 기판상에 형성되는 제 1 강자성층과, 제 1 강자성층의 소정 영역에 형성되고 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 1 물질층과, 제 1 물질층상에 소정 형상으로 형성되는 도전선과, 도전선을 포함한 제 1 물질층상에 형성되고 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 2 물질층과, 제 2 물질층을 포함한 제 1 강자성층상에 형성되는 제 2 강자성층이 마련된다.
여기서, 제 1, 제 2 강자성층은 높은 투자율을 가지며, 제 1, 제 2 물질층의 페리자성층은 높은 저항성을 갖는다.
그리고, 도전선은 나선형이나 미안더(meander)형이며, 구리, 금, 은, 니켈 중 어느 하나로 형성되고, 단일선이거나 복수선으로 형성된다.
본 발명의 마이크로 수동 소자 제조방법은 기판상에 제 1 강자성층을 형성하는 단계와, 제 1 강자성층의 소정 영역에 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 1 물질층을 형성하는 단계와, 제 1 물질층상에 소정 형상으로 도전선을 형성하는 단계와, 도전선을 포함한 제 1 물질층상에 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 2 물질층을 형성하는 단계와, 제 2 물질층을 포함한 제 1 강자성층상에 제 2 강자성층을 형성하는 단계가 마련된다.
여기서, 제 1, 제 2 강자성층 및 제 1, 제 2 물질층은 스크린 프린팅법으로 형성하고, 이들의 솔벤트 제거를 위해 형성 후, 각각 약 200℃ 온도로 열처리한다.
이와 같은 마이크로 수동 소자의 구조와 제조방법을 이용하면, 값이 싸고 대량생산 및 집적화가 가능하며 성능이 우수한 마이크로 수동 소자를 제작할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 마이크로 수동 소자를 보여주는 사시도이고, 도 3은 도 1의 단면도이다.
여기서, 도 1은 스크린 프린트된 인덕터(screen-printed inductor)의 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는 스크린 프린트된 트랜스포머(screen-printed transformer)의 구조를 보여주는 도면이다.
이때, 인덕터나 트랜스포머의 도전선들(conductor lines)은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 나선형(spiral type)이나 미안더형(meander type)으로 만들어진다.
이들 인덕터와 트랜스포머의 구조는 거의 동일하지만 단지 트랜스포머들은 제 1 도전선(primary conductor line)과 제 2 도전선(secondary conductor line)을 가지고 있다는 것이 차이점이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 자성 물질(magnetic materials)의 투자율(permeability)을 증가시킴으로써, 인덕터와 트랜스포머의 특성을 향상시키는 구조이다.
즉, 높은 전도성을 갖는 도전선들을 저항이 큰 페리자성체(ferrimagnetic materials)의 페이스트(pastes)나 혼합물(composites)로 감싸거나 또는 얇은 절연체로 감싼 다음, 높은 투자율을 갖는 강자성체(ferromagnetic materials)의 페이스트나 혼합물로 감싸는 구조이다.
여기서, 페리자성체는 높은 저항을 갖는 반면에 낮은 투자율을 가지므로 높은 투자율을 갖는 강자성체를 메인 자성 코어 물질(main magnetic core materials)로 사용한다.
그리고, 강자성체는 전도성이 높으므로 페리자성체 또는 절연체가 도전선과 자성 코어로 사용되는 강자성체가 도통되는 것을 막아주는 역할을 한다.
본 발명은 3차원(3-D)구조의 자성수동소자들을 스크린 프린터(screen printer)로 쉽게 양산할 뿐만 아니라, 약 200℃ 정도의 낮은 온도를 이용하기 때문에 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)는 물론이고, 크기가 큰 프린팅 와이어링 보드(Printing Wiring Board) 기판, 프린티드 서킷 보드(Printed Circuit Board) 기판, 유리 기판 등 아주 값싼 기판 위에 대량으로 값싸게 제작할 수 있다.
본 발명의 제조공정을 통해 그 구조를 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 5a 내지 5e는 본 발명에 따른 마이크로 수동 소자의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 먼저 도 5a에 도시된 바와 같이 PWB나 PCB와 같이 값 싼 기판(1) 위에 높은 투자율을 갖는 강자성체의 페이스트나 혼합물을 스크린 프린팅하여 제 1 강자성층(2)을 형성한다.
여기서, 제 1 강자성층(2)은 파우더(powder) 형태의 강자성 물질에 에폭시나 폴리머 물질과 같은 유기 바인더(organic binder)를 섞어 만든다.
이렇게 만드는 이유는 파우더의 밀도가 증가하여 재료의 특성이 좋아지기 때문이다.
그리고, 약 200℃ 이상의 온도에서 가열하여 제 1 강자성층(2)의 솔벤트(solvent)들을 제거한다.
이어, 도 5b에 도시된 바와 같이 솔벤트가 제거된 제 1 강자성체(2)의 일부 위에 높은 저항을 갖는 페리자성체의 페이스트나 혼합물을 스크린 프린팅하여 제 1 페리자성층(3)을 형성한다.
여기서, 제 1 페리자성층(3) 이외에 스크린 프린팅 혹은 리소그래피(lithography)된 절연층을 형성할 수도 있다.
절연층은 얇은 절연체로서, 포토디파이너블(photodefinable)한 에폭시(epoxy)나 폴리머 물질(polymer materials)을 리소그래피(lithography)하여 증착하던지 혹은 넌포토디파이너블(nonphotodefinable)한 에폭시나 폴리머 물질을 스크린 프린팅하여 증착한다.
또한, 제 1 페리자성층(3)은 파우더(powder) 형태의 페리자성 물질에 에폭시나 폴리머 물질과 같은 유기 바인더(organic binder)를 섞어 만든다.
예를 들면, NiZn 페라이트(ferrite), MnZn 페라이트, CuNiZn 페라이트 등이다.
그리고, 약 200℃ 이상의 온도에서 가열하여 제 1 페리자성층(3)의 솔벤트(solvent)들을 제거한다.
다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이 제 1 페리자성층(3) 위에 높은 전도성을 갖는 전도 페이스트나 혼합물을 스크린 프린팅하거나 또는 비전기 도금(electroless plating)하여 도전선(4)을 형성한다.
여기서, 도전선(4)은 비전기 도금된 구리, 금, 은, 니켈 등을 사용하는데, 비전기 도금을 하는 경우에는 진공(vacuum) 장비를 사용하지 않고 도전선을 형성할수 있어 제품의 가격을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 도전선(4)은 나선형이나 미안더(meander)형으로 형성될 수 있으며, 인덕터 경우에는 단일선을 형성하고 트랜스포머인 경우에는 쌍으로 이루어진 복수선으로 형성한다.
이어, 도 5d에 도시된 바와 같이 도전선(4)을 포함한 제 1 페리자성층(3) 전면에 상기와 동일한 방법으로 제 2 페리자성층(5)을 형성하고, 열처리한다.
그리고, 도 5e에 도시된 바와 같이 제 2 페리자성층(5)을 포함한 제 1 강자성층 전면에 제 2 강자성층(6)을 형성하고 열처리하여 인덕터 및 트랜스포머를 제작한다.
본 발명은 강자성층과 페리자성층이 도전선을 감싸고 있기 때문에 EMII 쉴딩(shielding) 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 마이크로 수동 소자 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
스크린 프린팅법을 이용하여 마이크로 수동 소자를 제작하므로 공정이 간단하고 대량생산 및 집적화가 가능하므로 제품의 값이 싸다.
또한, 강자성체와 페리자성체가 도전선을 감싸는 구조로 형성하여 자성 물질의 투자율을 증가시킴으로써, 마이크로 수동 소자의 특성을 향상시킨다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (10)
- 기판상에 형성되는 제 1 강자성층;상기 제 1 강자성층의 소정 영역에 형성되고, 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 1 물질층;상기 제 1 물질층상에 소정 형상으로 형성되는 도전선;상기 도전선을 포함한 제 1 물질층상에 형성되고, 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 2 물질층;상기 제 2 물질층을 포함한 제 1 강자성층상에 형성되는 제 2 강자성층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 강자성층은 상기 제 1, 제 2 물질층보다 높은 투자율과 낮은 저항성을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도전선은 나선형이나 미안더(meander)형인 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도전선은 단일선이거나 복수선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자.
- 기판상에 제 1 강자성층을 형성하는 제 1 단계;상기 제 1 강자성층의 소정 영역에 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 1 물질층을 형성하는 제 2 단계;상기 제 1 물질층상에 소정 형상으로 도전선을 형성하는 제 3 단계;상기 도전선을 포함한 제 1 물질층상에 페리자성체, 절연체 중 어느 한 물질로 이루어진 제 2 물질층을 형성하는 제 4 단계;상기 제 2 물질층을 포함한 제 1 강자성층상에 제 2 강자성층을 형성하는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 강자성층 및 제 1, 제 2 물질층은 스크린 프린팅법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 4, 제 5 단계 이후에 각각 200℃ 이상의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 도전선은 스크린 프린팅법이나 비전기 도금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 절연체는 스크린 프린팅법이나 리소그래피 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 강자성체는 파우더 형태의 강자성 물질에 에폭시나 폴리머가 섞인 혼합물질이고, 상기 페리자성체는 파우더 형태의 페리자성 물질에 에폭시나 폴리머가 섞인 혼합물질인 것을 특징으로 하는 마이크로 수동 소자 제조방법.
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