KR100643933B1

KR100643933B1 - 배선기판 및 배선기판 제조방법

Info

Publication number: KR100643933B1
Application number: KR1020050031321A
Authority: KR
Inventors: 이귀종; 맹덕영
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-11-10
Also published as: KR20060109064A

Abstract

배선기판 및 배선기판 제조방법이 개시된다. 감광저항체층을 기재에 형성하는 단계와, 감광저항체층의 일부를 제거하여 기재상에 배선을 형성하고자 하는 부분이 노출되도록 도랑을 형성하는 단계와, 잉크젯 인쇄를 통하여 도랑에 도전성잉크를 충진하는 단계를 포함하는 배선기판 제조방법 및 이로부터 제조되는 배선기판은 도금 또는 에칭을 이용할 필요 없이 어스펙트비가 1 이상인 미세배선을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 도전성이 우수하고 신뢰성이 높은 배선기판을 제공할 수 있다.

감광저항체, 어스펙트비, 도전성잉크, 잉크젯 인쇄

Description

배선기판 및 배선기판 제조방법{Printed Circuit Board and Manufacturing Method Thereof}

도 1은 다층구조의 배선기판에서 배선의 RC 지연을 나타내기 위한 개략도.

도 2는 액적이 기재의 피인쇄면상에 토출되어 퍼진 상태를 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 배선기판 제조방법의 흐름도.

도 4는 기재의 일면에 감광저항체층이 형성된 상태를 나타낸 단면도.

도 5는 기재상에 배선을 형성하고자 하는 부분이 노출되도록 감광저항체의 일부를 제거하여 도랑을 형성한 상태를 나타낸 단면도.

도 6은 도랑에 도전성잉크를 충진하여 배선을 형성한 상태를 나타낸 단면도.

도 7은 감광저항체층의 나머지 부분을 제거한 상태를 나타낸 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11: 기재 13: 감광저항체

15: 도랑 17: 도전성잉크

19: 배선

본 발명은 배선기판 및 배선기판 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 어스펙트비를 가진 미세배선을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 도전성 및 신뢰성이 우수하고 제작비용과 제작시간을 절감할 수 있는 배선기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 전자기기가 급속히 소형화, 고성능화, 다기능화됨에 따라 반도체 소자 등 전자부품을 실장하기 위한 배선기판에 있어서도 고밀도화와 고신뢰성이 요구되고 있다. 특히 반도체나 CPU와 같은 고밀도 직접회로를 실장하는 배선기판은, 배선 자체의 폭 및 배선간의 간격이 수십 마이크로미터 이하로 극히 미세할 뿐만 아니라, 높은 전류값 및 고주파수를 사용하기 때문에 높은 어스펙트비(aspect ratio)를 가진 배선이 필요하다. 어스펙트비는 배선의 폭에 대한 두께의 비율로서, 도 1에서는 T/W로 나타난다.

도 1은 다층구조의 배선기판에서 배선의 RC 지연을 나타내기 위한 개략도이다. 모든 도체는 서로 떨어져 있더라도 그 사이에는 전기장에 의한 정전결합(capacitive coupling)이 항상 존재하여, 이는 마치 커패시터로 연결된 것처럼 보이게 된다. 다층기판의 상부층(1)과 하부층(5) 사이도 서로 전기적으로 떨어져 있다고 하더라도 이는 직류에 대해 개방회로(open circuit)일 뿐 실제로는 그 사이에 커패시터가 연결되어있는 것과 같다. 따라서, 배선기판 내의 각각의 배선(31) 상호간, 배선(31)과 상부층(1)과 하부층(5) 사이에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 커패시터가 연결되어 있는 것으로 생각할 수 있다. 각각의 배선(31)을 통해 전달되는 데이터 신호는 아래의 수학식1에 의한 RC지연(RC delay)에 의해 지연된다.

상기 수학식 1에서,

R: 배선의 전체 저항(Resistance)

L: 배선의 길이

P: 배선간의 간격

T: 배선의 두께

C: 배선의 전체 용량(Capacitance)

ρ: 배선의 비저항(specific resistance)

k: 비유전상수(specific dielectric constant)

ε ₀ : 진공의 유전상수

상기 수학식1에서 알 수 있는 바와 같이, 배선의 두께 T값이 커질수록 RC지연이 줄어드는 것을 알 수 있다. 따라서, 배선기판의 RC 지연을 줄이기 위해서는 배선의 어스펙트비를 증가시킬 필요가 있음을 알 수 있다. 한편으로, 절연체의 비 유전상수 값이 낮을 수록 RC지연이 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 배선기판의 RC지연을 줄이기 위해서는 저유전체가 필요함을 알 수 있다.

배선기판을 제작하기 위해, 종래에는 동박이 코팅된 기판(Copper Clad Laminate, CCL)에 감광성수지를 도포한 후 노광, 현상 및 에칭 과정을 거쳐 구리배선을 형성하는 방법(Subtractive method)이 사용되었다. 그리고, 기판의 표면에 감광성수지를 도포한 후 노광, 현상 및 도금 과정을 거쳐 구리배선을 형성하는 방법(Semi-additive method)도 사용되고 있다. 또한, 최근에는 도전성잉크를 기재(substrate)에 직접 인쇄함으로써 배선을 형성하는 방법(Additive method)이 사용되고 있다. 잉크젯 인쇄는 에칭을 위한 마스크를 사용할 필요가 없고, 배선의 폭 및 배선간의 간격이 작은 패턴(pattern)의 경우에도 정확하게 인쇄할 수 있을 뿐만 아니라 작업성이 좋다는 장점을 갖고 있따.

그러나 잉크젯 인쇄를 이용한 배선기판의 제작은 다음과 같은 문제점을 유발한다. 잉크젯 프린터의 헤드(head)에서 토출된 도전성잉크 액적(droplet)은 피인쇄면에서 퍼지게 된다. 액적의 퍼짐은 헤드에서 액적의 발사속도, 피인쇄면의 표면조도(surface roughness) 및 피인쇄면-액적 사이의 표면에너지(surface energy) 차이 등에 의해 결정된다. 일반적으로 액적의 퍼짐은 액적의 반지름의 2~3배 정도에 해당하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 액적이 피인쇄면에서 퍼짐으로써 형성되는 두께는 초기 액적 반지름의 1/9 ~ 1/4정도이며, 건조 후 두께는 더욱 더 감소하게 된다.

도 2는 액적(7)이 기재(9)에 토출되어 퍼진 상태를 나타낸 개략도이다. 도 2 에서 지름이 12.4㎛인 1 picoliter(

ℓ)의 액적(7)을 기재(9)에 분사하면 형성되는 배선의 두께는 약 1.5㎛이고 배선의 폭은 약 30㎛가 된다. 따라서, 액적(7)의 1회 분사로 인해 생성되는 배선의 어스펙트비는 0.05이다.

어스펙트비가 0.05와 같이 현저히 낮게되면, 위에서 살펴본 바와 같이 RC 지연이 상당히 커지기 때문에 종래에는 같은 자리에 수십 회 정도 액적을 토출함으로써 배선의 두께를 증가시켰다. 그러나 액적을 같은 자리에 토출하게 되면, 피인쇄면에서의 액적이 흐르게 되어(flooding), 배선 두께의 증가보다는 배선의 폭이 증가한다. 그리고 동일한 자리에 액적을 수십 번 토출해야하기 때문에 작업시간 및 작업비용이 증가하는 문제점이 있다. 이와 같이 액적이 흐르는 현상을 막기 위해서, 연속적으로 같은 자리에 토출하지 않고 교대로 토출하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이와 같은 방법 역시 1이상의 어스펙트비를 갖는 배선을 형성하는 것에는 많은 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로,

본 발명의 목적은 어스펙트비가 1 이상인 미세배선을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 도전성이 우수하고 신뢰성이 높은 배선기판 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 도금 또는 에칭 등을 이용할 필요가 없는 배선기판 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 제작시간 및 제작비용을 절감할 수 있는 배선기판 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 실시예에 의해 구현된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 감광저항체층을 기재에 적층하는 단계와, 감광저항체층의 일부를 제거하여 기재상에 배선을 형성하고자 하는 부분이 노출되도록 도랑을 형성하는 단계와, 잉크젯 인쇄를 통하여 도랑에 도전성잉크를 충진하는 단계를 포함하는 배선기판 제조방법이 제공된다. 배선기판 제조방법은 도전성잉크의 충진 후 잔존하는 감광저항체층을 필요에 따라 제거하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

도랑 및 배선의 어스펙트비는 1 이상으로 하여 RC 지연을 줄이는 것이 바람직하다. 그리고, 감광저항체층은 유전율이 낮은 불소수지계(Polytetrafluoroethylene, PTFE), CE계(Cyanate-Ester), PPO계(PolyPhenyleneOxide), 탄화수소계, 액정수지계(Liquid Crystalline Polymer), PI계(Polyimide), BT계(Bismaleic Triazine), Keblar계 중에서 선택된 하나 또는 이들의 조합으로 형성함으로써, RC 지연을 더욱 감소시키는 것이 바람직하다. 또한, 도전성잉크는 50℃ ~ 300℃의 온도조건에서 건조함으로써 도전성잉크의 휘발을 원활히 할 수 있을 뿐만 아니라 치밀한 배선구조를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 배선기판은, 기재와, 기재의 일면에 적 층된 감광저항체층과, 감광저항체층의 일부를 제거하여 기재상에 배선을 형성하고자 하는 부분이 노출된 도랑과, 도랑에 잉크젯 인쇄에 의해 충진된 도전성잉크로 이루어진 배선을 포함한다.

도랑 및 배선의 어스펙트비는 1 이상으로 하여, RC 지연을 줄이는 것이 바람직하다. 또한, 감광저항체층은 유전율이 낮은 불소수지계(Polytetrafluoroethylene, PTFE), CE계(Cyanate-Ester), PPO계(PolyPhenyleneOxide), 탄화수소계, 액정수지계(Liquid Crystalline Polymer), PI계(Polyimide), BT계(Bismaleic Triazine), Keblar계 중에서 선택된 하나 또는 이들의 조합으로 형성하여 RC 지연을 더욱 감소시키는 것이 바람직하다. 그리고, 도전성잉크는 50℃ ~ 300℃의 온도조건에서 건조하여 작업시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 치밀한 구조를 갖는 배선을 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 배선기판 및 배선기판의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 배선기판 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 배선기판 제조방법은 감광저항체층을 기재에 적층하는 단계(S1)와, 상기 감광저항체층의 일부를 제거하여 도랑을 형성하는 단계(S3)와, 잉크젯 인쇄를 이용하여 상기 도랑을 충진하는 단계(S5)와, 상기 도전성잉크의 충진 후 잔존하는 감광저항체층을 선택적으로 제거하는 단계 (S7)를 포함한다.

도 4는 배선(미도시)이 형성되는 기재(11)의 일면에 감광저항체층(13)이 적층된 상태를 나타낸 단면도이다.

상기 기재(11)는 상기 감광저항체층(13) 및 배선(미도시)을 지지하는 층이다. 상기 기재(11)의 내부에는 도체층이 추가로 형성될 수도 있다. 그리고, 상기 기재(11)는 유기재료, 세라믹(ceramic)재료 및 유기재료와 세라믹재료의 복합재료 등으로 형성할 수도 있다. 상기 감광저항체층(13)은 상기 기재(11)의 일면 또는 양면 전부에 적층될 수도 있지만, 일부에만 적층될 수도 있다.

상기 감광저항체층(13)은 감광저항체(photoresist)를 상기 기재(11)의 일면 또는 타면 적층함으로써 형성된다. 감광저항체는 광 또는 전자빔 등의 조사에 의해 현상 용매에 대한 용해성이 변화하는 내식각성 피막재료이다. 상기 감광저항체층(13)은 액상형의 감광저항체를 상기 기재(11)의 적어도 일면에 적층하거나, 드라이 필름(dry film)형의 감광저항체를 이용하여 상기 기재(11)의 일면 또는 타면에 적층함으로써 형성된다. 감광저항체는 또한 반응형태에 따라서 용해억제형 감광저항체, 화학증폭형 감광저항체 및 체인절단형 감광저항체가 사용될 수 있다.

용해억제형 감광저항체(Dissolution Inhibition Photo Resist)는 감광작용을 하는 PAC(Photo Active Photo Compound)와 물리적 이미지를 형성하는 폴리머 2성분계로 구성되며, 점도조절을 위한 용매(solvent) 및 색소가 추가된다. 화학증폭형 감광저항체(Chemically Amplified Photo Resist)는 감광작용에 의해 산을 발생하는 PAG(Photo Acid Generator)와 물리적 이미지를 형성하는 폴리머로 구성된다. 재료 의 구성에 따라 2성분계 및 3성분계로 분류된다. 체인절단형 감광저항체(Chain Scission Resist)는 노광시 고분자의 폴리머가 에너지를 흡수하여 폴리머의 체인이 절단되는 작은 분자량(molecular weight)을 갖게 됨으로써 쉽게 용해되는 성질을 갖는다. 1성분계로는 마스크 제작시 사용되는 전자빔용 감광저항체가 대표적인 예이다. 0.2㎛ 이하의 고해상도를 갖는 도랑을 형성하기 위해서는 고감도 화학증폭형 감광저항체를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 감광저항체층(13)은 유전율이 낮은 불소수지계(Polytetrafluoroethylene, PTFE), CE계(Cyanate-Ester), PPO계(PolyPhenyleneOxide), 탄화수소계, 액정수지계(Liquid Crystalline Polymer), PI계(Polyimide), BT계(Bismaleic Triazine), Keblar계 중에서 선택된 하나 또는 이들의 조합으로 형성함으로써 RC 지연을 감소시키는 것이 바람직하다.

도 5는 상기 기재(11)상에 배선을 형성하고자 하는 부분이 노출되도록 상기 감광저항체층(13)의 일부를 제거하여 도랑(15)을 형성한 상태를 나타낸 단면도이다. 상기 기재(11)상에 형성하고자하는 미세회로가 형성된 마스크(미도시)를 이용하여 상기 감광저항체층(13)에 대해 노광 및 현상을 실시한다. 이로 인해, 배선을 형성하고자 하는 부분에 적층된 상기 감광저항체층(13)이 제거됨으로써 도랑(15)이 형성된다.

상기 감광저항체층(13)에 노광(exposure)을 실시하면, 감광저항체의 산반응성 고분자 또는 화학물이 직접적으로 반응하지 않고 노광된 부분의 PAG에서 산이 발생되어 잠상(latent image)만이 생긴다. 그리고 노광 후 가열(post-exposure bake: PEB)과정에 의해 노광단계에서 발생한 산이 산반응성 물질에 촉매로서 작용하여 화학반응이 증폭되고 용해도에 있어서 현저한 차이를 가져오게 한다. 즉, 노광에 의해 감광저항체에 산촉매가 삼차원적으로 분포되어 잠상이 형성되고, 100℃ 정도의 노광 후 가열 과정에서 열에 의한 산촉매반응이 일어나고, 노광부분과 비노광부분의 감광저항체 영역에 큰 용해도 변화를 가져와 감광도의 대폭적인 향상이 이루어진다. 이후 식각과정에서 감광저항체의 용해도에 따른 패턴전사를 통해, 배선을 형성하고자 하는 부분에 해당하는 상기 감광저항체층(11)을 제거함으로써 상기 도랑(15)이 형성된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 상기 도랑(15)의 폭(b)대 높이(a)의 비율 즉 어스펙트비(aspect ratio) a/b는 1 이상인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 도랑(15)에 충진되는 도전성잉크로부터 형성되는 배선도 1 이상의 어스펙트비를 가질 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도랑(15)에 도전성잉크(17)를 충진하여 배선(19)을 형성한 상태를 나타낸 단면도이다. 상기 도랑(15)에는 잉크젯 인쇄에 의해 도전성잉크(17)가 충진되며, 상기 도전성잉크(17)가 건조됨으로써 1 이상의 어스펙트비를 갖는 배선(19)이 형성되는 것이다. 상기 도전성잉크(17)는 잉크젯 프린터의 프린터헤드(H)로부터 토출된다.

상기 도전성잉크(17)는 도전성필러를 바인더(binder)에 분산한 것으로 인쇄 후의 경화막이 도전성을 나타내는 잉크를 의미한다. 도전성잉크는 경화조건에 따라서 고온소성타입(후막 페이스트)과 저온 경화건조타입(수지형)으로 구분된다. 도전 성필러는 금속(은, 금, 백금, 필라듐, 구리 및 니켈), 금속산화물(산화루테늄), 무정형 카본분말, 그레파이트 및 카본 섬유 등이 있다. 그리고 후막 페이스트는 금속, 금속산화물을 도체성분으로 한다. 또한, 수지형 페이스트에서는 고도전성에서 신뢰성이 필요한 분야에서는 은을 많이 사용하여, 엄격한 특성이 필요한 분야에서는 카본을 많이 사용한다. 바인더는 도전성필러를 기재에 밀착시키는 동시에 도전입자의 쇄상을 연결하여 도전성을 갖게 함과 동시에 도전도막의 물리화학적인 안정성을 부여한다.

상기 도전성잉크(17)는 잉크젯 인쇄(ink-jet printing)에 의해 상기 도랑(15)에 충진된다. 잉크젯 인쇄는 배선의 폭 및 배선간의 간격이 미세한 경우에도 용이하게 도전성잉크를 충진할 수 있을 뿐만 아니라, 작업성도 우수한 장점이 있다. 잉크젯 프린터는 도전성잉크의 미세한 액적을 상기 도랑(15)에 토출한다. 토출되는 액적의 평균지름은, 예를 들면 10 ~ 20㎛의 범위에서 설정할 수 있다. 분사되는 액적의 평균지름은 프린터 헤드(printer head)의 성능에 따라 결정된다. 프린터 헤드는 도전성잉크를 가열하고 분사하는 서멀(thermal) 방식 또는 압전소자를 이용하여 도전성잉크를 분사하는 피에조(piezo) 방식을 필요에 따라 선택하여 사용할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 도랑(15)에 잉크젯 인쇄에 의해 충진되는 도전성잉크(17)는 건조되어 배선(19)을 형성한다. 이때 약 50℃ ~ 300℃의 온도조건에서 건조하면, 도전성잉크의 액체의 휘발을 원활하게 할 수 있고 치밀한 구조를 갖는 배선(19)을 형성할 수 있다. 상기 배선(19)은 어스펙트비가 1 이상이기 때문 에, 배선기판의 RC 지연을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전도성 및 신뢰성이 우수하다.

도 7은 상기 도랑(15)에 도전성잉크(17)를 충진하여 배선(19)을 형성한 후, 잔존하는 상기 감광저항체층(13)을 필요에 따라 제거한 상태를 나타낸 단면도이다. 상기 배선(19)을 둘러싸는 감광저항체층(13)은 상기 배선(19) 사이에 개재되어 각각의 배선(19) 사이를 절연하는 역할을 한다. 또한, 잔존하는 상기 감광저항체층(15)은 상기 배선(19)을 지지하는 역할도 하게 된다. 그러나, 상기 감광저항층(13)의 표면이 오염되거나 배선기판의 설계조건에 따라 잔존하는 감광저항체층의 일부 또는 전부를 제거할 수도 있다.

본 발명의 기술 사상이 상술한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상술한 실시예는 그 설명을 위한 것이지 그 제한을 위한 것이 아니며, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은 어스펙트비가 1이상인 미세배선을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 도전성이 우수하고 신뢰성이 높은 배선기판 및 배선기판 제조방법을 제공할 수 있는 효과를 구비한다.

본 발명은 또한 도금 또는 에칭 등을 이용할 필요가 없는 배선기판 및 배선기판 제조방법을 제공할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명은 배선의 제작시간 및 제작비용을 절감할 수 있는 배선기판 및 배선기판 제조방법을 제공할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

Claims

감광저항체층을 기재에 적층하는 단계와;

상기 감광저항체층의 일부를 제거하여 상기 기재 상에 배선을 형성하고자 하는 부분이 노출되도록 도랑을 형성하는 단계와;

잉크젯 인쇄를 통하여 상기 도랑에 도전성잉크를 충진하는 단계;를 포함하는 배선기판 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 배선기판 제조방법은 상기 도전성잉크의 충진 후 잔존하는 감광저항체층을 제거하는 단계를 더 포함하는 배선기판 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 도랑 및 상기 배선의 어스펙트비는 1 이상인 배선기판 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 감광저항체층은 유전율이 낮은 불소수지계(Polytetrafluoroethylene, PTFE), CE계(Cyanate-Ester), PPO계(PolyPhenyleneOxide), 탄화수소계, 액정수지계(Liquid Crystalline Polymer), PI계(Polyimide), BT계(Bismaleic Triazine), Keblar계 중에서 선택된 하나 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 배선기판 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 도전성잉크는 50℃ ~ 300℃의 온도조건에서 건조되는 배선기판 제조방법.
기재와;

상기 기재의 일면에 적층된 감광저항체층과;

상기 기재 상에 배선을 형성하고자 하는 부분이 노출되도록 상기 감광저항체층의 일부를 제거하여 형성된 도랑과;

상기 도랑에 잉크젯 인쇄에 의해 충진된 도전성잉크로 이루어진 배선을 포함하는 배선기판.
제 6 항에 있어서,

상기 도랑 및 상기 배선의 어스펙트비는 1 이상인 배선기판.
제 6 항에 있어서,

상기 감광저항체층은 유전율이 낮은 불소수지계(Polytetrafluoroethylene, PTFE), CE계(Cyanate-Ester), PPO계(PolyPhenyleneOxide), 탄화수소계, 액정수지계(Liquid Crystalline Polymer), PI계(Polyimide), BT계(Bismaleic Triazine), Keblar계 중에서 선택된 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 배선기판.
제 6 항에 있어서,

상기 도전성잉크는 50℃ ~ 300℃의 온도조건에서 건조된 배선기판.