KR100493888B1 - 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름 - Google Patents
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Abstract
내장형 커패시터에 사용되는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 관하여 개시한다. 본 발명은, 세라믹 분말과 폴리머 레진과 솔벤트와 분산제와 잠재성 열경화제가 혼합, 건조됨으로써 마련되는 25 ㎛ 이하 두께의 B-스테이지 상태인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 높은 유전율을 가지며 넓은 면적에 걸쳐 전기적, 유전적 특성이 균일하고, 우수한 상온 보관성과 유연성을 가지며, 테이프 케스팅 방법을 이용해 제작함으로써, 필름형성 시 원료의 손실이 없으며 공정이 용이하고 간단하여 생산비용의 절감 및 생산성이 향상된다. 따라서, 이와 같은 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 이용하면 커패시턴스의 공차가 적은 고유전율의 내장형 커패시터를 넓은 면적의 기판에 간단하고 용이하게 제조할 수 있으며, 표면실장 커패시터를 대체하여 패키지의 크기와 무게를 줄일 수 있으며, 짧아진 접속 길이로 인한 전기적 성능의 향상과, 솔더 조인트를 사용하지 않음으로써 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 관한 것으로, 특히 내장형 커패시터에 사용되는 얇은 두께(25 ㎛ 이하), B-Stage 상태의 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 관한 것이다.
최근 들어 전자제품의 경박단소화와 전기적 고성능화를 위하여 수동소자에 대한 관심이 날로 증가하고 있는데, 이것은 수동소자가 능동소자에 비해 많이 사용되고 있기 때문이다. 휴대용 이동통신 기기의 경우 능동소자에 비하여 수동소자가 약 20배 이상 사용되고 있다고 한다. 이 수많은 수동소자들이 현재는 대부분의 경우 개별형 부품(Discrete Component) 형태로 기판의 표면에 실장되고 있어 기판의 많은 면적을 차지하고 있다. 뿐만 아니라 고주파에서 소자간의 접속거리가 길어 인덕턴스(Inductance) 성분을 유발시켜 전기적인 성능을 저하시키며, 납땜을 통한 접속 수가 많아짐에 따라 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
내장형 수동소자(Integral passive 또는 Embedded passive) 기술이란 기존의 개별형 수동소자들을 기판의 표면으로부터 제거하여 다층구조 기판의 한 층에 형성하여 집적시키는 것을 말한다. 이렇게 함으로써 수동소자가 차지하고 있는 면적을 줄여 칩의 밀도를 높일 수 있으며, 소자간의 접속길이를 짧게 함으로 인덕턴스 성분이 감소하여 전기적 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, 납땜을 통한 접속을 줄임으로 기계적 신뢰성을 향상시킨다.
커패시터(Capacitor)는 전체 수동소자의 40% 이상을 차지하고 있으며, 회로 상에서 디커플링(Decoupling) 커패시터 또는 바이패스(By-Pass) 커패시터와 같이 그 역할이 중요하기 때문에, 수동소자 중에서도 커패시터에 특히 많은 관심이 집중되고 있다.
내장형 커패시터 (Embedded Capacitor) 재료의 후보 중의 하나인 폴리머/세라믹 복합체는 폴리머의 우수한 가공성과 세라믹의 높은 유전상수를 결합한 것이다. 공정온도가 200℃이하로 낮고, 비용이 적게 들면서도 비교적 우수한 성능의 커패시터를 형성할 수 있으며 특히, 에폭시/세라믹 복합체의 경우 현재 많이 사용되고 있는 플라스틱 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB) 또는 인쇄 배선 기판(Printed Wiring Board, PWB)과의 상호적합성을 가지고 있어 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
그런데 내장형 커패시터의 유전체(Dielectric)로 사용되기 위한 재료의 중요한 요구 조건은 단위면적 당 높은 커패시턴스를 위한 고 유전상수(Dielectric Constant)와 ±5% 이내의 낮은 공차(公差, Tolerance)이다. 전자와 관련해서는 그 동안 많은 연구가 있어 왔으며 많은 발전이 있었으나, 후자는 두께에 관한 것으로 이와 관련해서는 아직까지 별 다른 대안이 없는 상황이다. 예를 들어, 현재 커패시터 형성 공정으로 많이 이용되고 있는 방법으로는 스핀 코팅(Spin Coating)과 스크린 프린팅(Screen Printing) 방법이 있는데, 스핀코팅의 경우 넓은 면적에 걸쳐 균일한 두께의 필름 형성이 어렵고 재료의 낭비가 심하며, 스크린 프린팅 방법으로는 지오메트리(Geometry)의 조절이 어렵고 얇은 두께의 필름을 형성하기 어렵다는 문제를 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 유전율을 가지며 넓은 면적에 걸쳐 유전적, 전기적 특성이 균일하고, 넓은 면적의 기판에 용이하게 커패시터를 제조할 수 있는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름은: 폴리머/세라믹 복합체를 이용하여 마련되는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 있어서, 상기 폴리머 세라믹 복합체는: (a) 세라믹 분말과, (b) 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 접착력과 기계적 특성을 부여하기 위한 열경화성 수지 및 상기 폴리머/세라믹 복합체를 이형 필름 위에 도포할 수 있도록 코팅성을 부여하고 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 유연성을 부여하는 열가소성 수지로 이루어지는 폴리머 레진과, (c) 솔벤트와, (d) 분산제와, (e) 잠재성 열경화제가 혼합되어 이루어지며,상기 폴리머 세라믹 복합체는 테이프 케스팅 방법으로 필름 형태로 상기 이형 필름 상에 도포되고, 경화가 진행되지 않는 B-스테이지로 건조되어 두께가 25㎛ 이하로 마련되는 것을 특징으로 한다.
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첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 설명하기 위한 개략도이고, 도 1b는 도 1a에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 제조하기 위한 테이프 케스팅 방법을 나타내는 개략도이며, 도 1c는 도 1a에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 이용한 내장형 커패시터를 형성하는 공정을 나타내는 개략도들이고, 도 1d는 도 1a에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 이용하여 기판에 제작된 내장형 커패시터를 나타낸 개략도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)은 25㎛ 두께 이하의 B-스테이지(Stage) 상태로서, 세라믹 분말, 폴리머 레진, 솔벤트, 분산제, 및 경화제가 혼합, 건조됨으로써 마련된다. 이 때, 세라믹 분말과 폴리머 레진의 부피 비는 세라믹 분말이 20∼85 vol%가 되도록 한다.
폴리머 레진은 후술하는 제조 공정에 의하여 이형 필름 위에 도포할 수 있어야 하며 취급의 용이성을 위해 경화되기 전에는 유연성을 지니고 있어야 하므로 폴리머의 종류 및 분자량과 점도를 적절히 조절하는 것이 필요하다. 이를 위하여 본 발명에서는 열가소성 수지와 열경화성 수지를 혼합하여 사용하였다. 열가소성 수지로는 방향족 폴리에스터, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리아크릴레이트, 폴리불화비닐리덴 또는 페녹시 레진 등이 사용되며, 열경화성 수지로는 에폭시, 폴리이미드, 또는 불포화 폴리에스터 등이 사용된다. 폴리에스터는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 사용된다. 열가소성 수지는 이형 필름 위에 도포할 수 있는 코팅성을 부여하고 필름의 유연성을 부여하는 역할을 한다. 따라서, 제조되어진 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)은 우수한 유연성을 나타낸다. 열경화성 수지는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)의 경화 후의 접착력과 기계적 특성을 위한 것이다. 열가소성 수지와 열경화성 수지 중에서 어느 한쪽이 필요 이상으로 많을 경우 경화 전과 경화 후의 요구되는 특성을 만족시키지 못할 수도 있으므로 적절한 비율의 혼합이 중요하다. 따라서, 전체 폴리머 레진에 대하여 열가소성 수지가 30~70% 함유되도록 한다.
세라믹 분말은 유전율이 4이상인 BaTiO3, PMN-PT(Pb(Mg,Nb)O-PbTiO), BST((Ba,Sr)TiO3), 및 PZT((Pb,Zr)TiO3) 등으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진다. 이 때, 분말들의 직경은 10nm∼10㎛이며 반드시 동일해야 하는 것은 아니다. 따라서, 종래의 폴리머/세라믹 복합체의 유전율은 약 4 정도였지만, 본 발명 폴리머/세라믹 복합체의 경우에는 종래보다 높은 유전율을 나타낸다.
솔벤트로는 톨루엔(C7H8, toluene)과 메틸에틸케톤(CH3COC2H
6, methyl-ethyl-ketone, MEK) 등이 혼합되어 사용된다.
투입되는 분산제의 양은 세라믹 분말의 종류와 양에 따라 달라지며, 분산제와 솔벤트의 양을 변화시켜 적절한 점도가 유지되도록 조절할 수 있다. 분산제로는 인산계 에스테르(Phophate ester) 또는 피시-오일(Fish oil) 등이 사용된다.
경화제로는 디시안디아마이드(dicyandiamide;DICY) 또는 폴리머가 코팅된 이미다졸(imidazol) 계열 등의 잠재성 열경화제가 사용된다. 잠재성 열경화제는 상온에서는 폴리머 레진의 경화를 진행시키지 않고 온도를 올려야만 경화가 진행되게 되므로, 제조되어진 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)은 우수한 상온 보관성을 가진다. 잠재성이 아닌 일반 열경화제를 이용할 경우 후술하는 폴리머/세라믹 복합체의 도포 과정에서 심한 점도 변화가 발생할 수 있으며, 결국 두께의 균일도에 나쁜 영향을 주게 되어 공차가 증가하고, 상온보관성이 저하되게 된다.
도 1b를 참조하여, 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, 상술한 세라믹 분말과 분산제를 솔벤트에 투입하고 볼밀(Ball Mill) 또는 쉐이커(Shaker)를 이용하여 투입된 입자들의 혼합 및 분산을 도모한 다음, 적절한 시간이 경과한 후에 상술한 폴리머 레진과 경화제를 투입하여 혼합 및 분산시킴으로써 폴리머/세라믹 복합체 슬러리를 마련한다.
다음에, 도 1b와 같이 폴리머/세라믹 복합체 슬러리(100')를 별도로 마련한 이형 필름(40) 또는 금속 호일 상에 테이프 케스팅(Tape Casting) 방법으로 도포한다. 테이프 케스팅을 이용하면 스타일러스(stylus)(블레이드라고도 함.)의 높이를 조절하여 줌으로써 이형 필름(40) 또는 금속 호일 상의 넓은 면적에 폴리머/세라믹 복합체 슬러리(100')를 원하는 두께로 균일하게 도포할 수 있다. 따라서, 제조된 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름의 두께의 오차를 줄임으로써 이를 이용하여 제작된 내장형 커패시터의 커패시턴스의 균일도를 높이고 공차를 줄일 수 있다.
이어서, 테이프 케스터(Tape Caster)를 이용하여 이형 필름(40) 또는 금속 호일 상에 얇게 도포된 폴리머/세라믹 복합체 슬러리(100')를 적절한 온도에서 건조하면 이형 필름(40) 또는 금속 호일 상에 위치되는 B-스테이지 상태의 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)을 얻게 된다. 여기서, B-스테이지 상태는 어느 정도 온도를 올려 솔벤트가 제거되었지만, 경화는 진행되지 않은 상태를 말한다.
이렇게 제조된 B-스테이지 상태의 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름은 이형 필름을 제거함으로 유전체 필름을 용이하게 얻을 수 있다. 그리고, 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 동과 같은 금속 호일에 도포한 경우에는 금속 호일은 바로 유전체전극으로 사용할 수 있다. 유전체로 사용할 때는 펀칭과 같은 공정으로 필름을 원하는 크기와 모양으로 가공하여 PCB기판 위에 전사하여 원하는 면적에만 국부적으로 유전체를 제조할 수도 있다.
계속해서, 도 1c 및 도 1d를 참조하여 본 발명의 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 이용한 커패시터 제조방법에 관하여 설명한다.
기판(10)에 미리 형성되어진 하부금속층(20) 상에 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)을 올려놓고 적당한 열과 압력을 가하여 하부금속층에 가압착을 한 후 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)만이 남겨지도록 이형 필름(40)을 제거한다. 이 때에는 폴리머의 경화가 일어나지 않는 범위의 열과 압력을 가해야만 한다. 그리고, 동과 같은 상부금속층(30)을 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100) 상에 접착시킨다. 한편, 동과 같은 금속 호일 상에 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름이 형성된 경우에는 하부금속층(20)과 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름(100)이 대면하도록 위치시키고, 가압착 한 후 폴리머의 경화가 일어날 수 있는 열과 압력을 가하여 완전한 접착이 이루어지도록 한다. 이 때, 동과 같은 금속 호일은 상부금속층(30) 역할을 수행하게 된다.
이렇게 함으로써 도 1d와 같은 금속(20)/유전체(100)/금속(30) 구조의 커패시터를 플라스틱 기판(10)의 한 층에 형성 할 수 있으며, 커패시터의 크기 및 모양은 상부 금속층을 에칭(etching)함으로써 가능하다. 다층 구조상의 커패시터의 전기적 연결은 비아를 통해 이루어지며 커패시터가 최대의 성능을 발휘하기 위해서는 칩과 최대한 가까이에 커패시터를 위치하도록 하여 기생성분에 의한 손실을 줄이는 것이 중요하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름은, 넓은 면적에 걸쳐 높은 유전율을 가지며 전기적, 유전적 특성이 균일하고, 우수한 상온 보관성과 유연성을 가진다.
또한, 테이프 케스팅 방법을 이용해 제작함으로써, 필름형성 시 원료의 손실이 없으며 공정이 용이하고 간단하여 생산비용의 절감 및 생산성이 향상된다.
따라서, 이와 같은 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 이용하면 커패시턴스의 공차가 적은 고유전율의 내장형 커패시터를 넓은 면적의 기판에 간단하고 용이하게 제조할 수 있다.
나아가, 표면실장 커패시터를 대체하여 패키지의 크기와 무게를 줄일 수 있으며, 짧아진 접속 길이로 인한 전기적 성능의 향상과, 솔더 조인트를 사용하지 않음으로써 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시 예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
도 1a는 본 발명의 실시 예에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 설명하기 위한 개략도;
도 1b는 도 1a에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 제조하기 위한 테이프 케스팅 방법을 나타내는 개략도;
도 1c는 도 1a에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 이용한 내장형 커패시터를 형성하는 공정을 나타내는 개략도들; 및
도 1d는 도 1a에 따른 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름을 이용하여 기판에 제작된 내장형 커패시터를 나타낸 개략도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
100 : 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름
100' : 슬러리 상태의 폴리머/세라믹 복합체
10 : 기판 20 : 하부금속층
30 : 상부금속층 40 : 이형 필름 또는 금속 필름
Claims (8)
- 폴리머/세라믹 복합체를 이용하여 마련되는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 있어서,상기 폴리머 세라믹 복합체는: (a) 세라믹 분말과, (b) 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 접착력과 기계적 특성을 부여하기 위한 열경화성 수지 및 상기 폴리머/세라믹 복합체를 이형 필름 위에 도포할 수 있도록 코팅성을 부여하고 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름에 유연성을 부여하는 열가소성 수지로 이루어지는 폴리머 레진과, (c) 솔벤트와, (d) 분산제와, (e) 잠재성 열경화제가 혼합되어 이루어지며,상기 폴리머 세라믹 복합체는 테이프 케스팅 방법으로 필름 형태로 상기 이형 필름 상에 도포되고, 경화가 진행되지 않는 B-스테이지로 건조되어 두께가 25㎛ 이하로 마련되는 것을 특징으로 하는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 방향족 폴리에스터, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리아크릴레이트, 폴리불화비닐리덴 또는 페녹시 레진으로 이루어지고, 열경화성 수지는 에폭시, 폴리이미드, 또는 불포화 폴리에스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름.
- 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 열경화성 수지와 상기 열가소성 수지의 혼합 비율은, 상기 열가소성 수지가 30~70% 함유되도록 혼합되는 것을 특징으로 하는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름.
- 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 분말은 10nm∼10㎛의 직경을 가지며 유전율이 4이상인 BaTiO3, PMN-PT, BST, 및 PZT으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름.
- 제 1항에 있어서, 상기 잠재성 열경화제는 디시안디아마이드 또는 폴리머가 코팅된 이미다졸계열인 것을 특징으로 하는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름.
- 제 1항에 있어서, 상기 솔벤트는 톨루엔과 메틸에틸케톤이 혼합된 것인 것을 특징으로 하는 폴리머/세라믹 복합체 커패시터 필름.
- 삭제
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