KR100710459B1

KR100710459B1 - 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹쉬트의 제조 방법 및, 이것을 이용한 전자세라믹스 모듈

Info

Publication number: KR100710459B1
Application number: KR1020060018244A
Authority: KR
Inventors: 신효순; 여동훈; 김종희
Original assignee: 요업기술원
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-04-24

Abstract

본 발명은 전자세라믹스 부품의 소재로 사용되는 저온동시소성세라믹의 제조 방법에 관한 것으로; 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)의 사이에 한 층 또는 그 이상의 글래스층(300)을 개재한 상태에서, 830∼900℃로 20∼40분간 소결하여 상기 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)에 상기 글래스층(300)을 함침시켜, LTCC소재의 xy방향 소결 수축이 거의 발생하지 않아 모듈화과정에서 내부 회로 단선 등과 같은 불량사고가 방지될 뿐만 아니라 이종소재의 접합시 글래스층의 확산에 의해 각 소재의 특성이 변화하지 않고 일정하게 유지되어 이종소재의 접합에 따른 근본적인 문제점이 해결되는 효과가 있는 것이다.

LTCC 소재, 무수축, 이종소재접합, 상면금속산화물층. 하면금속산화물층, 글래스층 함침

Description

희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법 및, 이것을 이용한 전자세라믹스 모듈 {Method for preparating the low temperature cofired ceramic layer havig glass layer, and Electrical module using low temperature cofired ceramic}

도 1은 종래 기술에 따른 이종소재의 소결특성을 도시한 그래프,

도 2는 종래 기술에 따른 이종소재의 접합불량을 도시한 유형도,

도 3은 본 발명에 따른 저온동시소성세라막의 제조과정을 도시한 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 저온동시소성세라믹의 적용상태를 도시한 예시도,

도 5는 본 발명에 따른 도 5의 접합구조를 도시한 전자현미경 사진이다.

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 상면금속산화물층 200 : 하면금속산화물층

300 : 글래스층

본 발명은 전자세라믹스 부품의 소재로 사용되는 저온동시소성세라믹의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 금속파우더층의 사이에 희생글래스층을 개재하여 xy방향의 수축을 최소화시킴은 물론 이종소재접합에 따른 용이성을 제공시킬 있도록 된 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법 및, 이것을 이용한 전자세라믹스 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 전자세라믹스 부품은 모듈화 공정을 통하여 집적도를 높이기 위한 방향으로 진전되고 있으며, 이 과정에서 후막 적층 공정을 가능하게 하는 저온동시소성세라믹소재(Low Temperature Cofired Ceramic, 이하 "LTCC 소재"라 함)의 개발과 이를 이용한 공정 및 LTCC소재를 이용한 집적도의 향상 및 모듈의 통합화 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한, 모듈내의 부품 집적도를 높이기 위한 방향으로는 후막 적층수의 증가를 통한 보다 많은 수동소자(passive)를 하나로 내장(embeded)하여 모듈화하는 수동형 회로기술(passive integration)이 제안되어 있으며, 이와 더불어 수동회로 중의 하나인 커패시터(capacitor)를 얼마나 제한된 면적에 많이 내장할 수 있는가 하는 문제가 중요 기술적 요소가 된다.

특히, 커패시터의 경우 그 사용 용도에 따라 용량대가 다양하게 분포하고 있어서 높은 용량의 커패시터를 내장할 수 있다는 것은 보다 좁은 면적에 보다 많은 커패시터를 구현할 수 있다는 것을 의미할 뿐만 아니라 그동안 용량의 부족으로 인하여 내장할 수 없었던 커패시터를 추가로 내장할 수 있다는 것을 의미하므로 매우 중요한 기술 경쟁력이 될 수 있다.

또한, 디커플링 커패시터는 용량이 큰 커패시터이므로 기존의 기판 소재를 이용하여 내장할 경우 용량의 한계가 있어서 적용 불가능한 상태이며, 이로 인해 커패시터 내장용으로 유전율이 높은 새로운 소재를 한 층 혹은 수 층을 삽입하고자 하는 것이 이종접합기술의 근본 요구사항이다.

그러나, 전자세라믹스 부품으로 사용되는 LTCC 소재는 소성 수축의 과정에서 약 10% 이상의 선수축을 나타내어 복잡한 내부 회로의 단선 등의 불량이 다발하고 있을 뿐만 아니라 생산 공정에서 적용 가능한 작업규모의 확대가 불가능하여 생산단가를 지속적으로 낮출 수 없는 단점이 있다.

이로 인해, 전자세라믹스 부품의 모듈이나 시스템의 제조과정에서 전기적 특성을 만족해 줄 수 있는 다른 대안이 제시되지 않고 있는 현실에서 LTCC 소재를 균일하게 수축시키는 방법이나 소성과정에서 두께방향으로만 수축시키는 소위 "무수축공정"의 연구가 필수적으로 요구되는 것이다.

그런데, 도 1에서와 같이, LTCC기판 내에 이종소재를 삽입하여 동시 소성하는 공정은 "수축개시온도"의 차이에 따라 초기수축이 시작되는 시점 및 최종 "절대수축율"의 차이가 발생하므로, 이종소재의 소결시 두 소재가 소결이 진행되는 과정이 정확히 일치할 수 없게 되는 것이다.

이로 인해, 이종소재의 소결과정에서 수축율의 차이로 인하여 도 2a에서와 같이 단차가 발생하거나 도 2b에서와 같이 휨이 발생하거나 도 2c에서와 같이 크랙 등과 같은 결함이 발생하므로, 이종소재가 소결의 진행과정에서 정확이 일치할 수 없다는 근본적이 문제점이 수반되는 것이다.

이는, 이종소재의 소결 과정에서 두 소재 사이의 충분한 결합을 실현하기 위한 방법으로서 이종의 재료가 가지는 소결 수축에 따른 문제점과 이종 소재의 상호 확산에 따른 각 소재의 특성 변화의 문제점을 해결하지 못한 것이기 때문이며, 이러한 문제점들로 인하여 근본적인 이종접합의 해결 및 양산의 적용 사례는 아직 보고되지 않는 실정이다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 금속파우더층의 사이에 글래스층을 개재하여 xy방향의 수축을 최소화시킴은 물론 이종소재접합에 따른 용이성을 제공시킬 수 있도록 된 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법 및, 이것을 이용한 전자세라믹스 모듈을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 저온동시소성세라믹은, 상면금속산화물층과 하면금속산화물층의 사이에 한 층 또는 그 이상의 희생글래스층을 개재한 상태에서, 830∼900℃로 20∼40분간 소결하여 상기 상면금속산화물층과 하면금속산화물층에 상기 희생글래스층을 함침시키는 방법에 의해 제조된다.

상기한 목적을 달성하기 위한 전자세라믹스 모듈은, 상기한 방법에 의해 제 조되는 쉬트를 한 층 또는 그 이상의 층으로 적층한 상태에서, 830∼900℃로 20∼40분간 소결하여 상기 상면금속산화물층들과 상기 하면금속산화물층들의 사이에 각각의 희생글래스층을 함침시키는 방법에 의해 제조된다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 저온동시소성세라막의 제조과정을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 저온동시소성세라믹의 적용상태를 도시한 예시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 도 5의 접합구조를 도시한 전자현미경 사진으로서, 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)의 사이에 한 층 또는 그 이상의 글래스층(300)을 개재한 상태에서, 830∼900℃로 20∼40분간 소결하여 상기 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)에 상기 글래스층(300)을 함침시킨다.

그리고, 상기한 방법에 의해 적층구조를 갖는 쉬트를 한 층 또는 그 이상의 층으로 탑재한 상태에서, 830∼900℃로 20∼40분간 소결하여 상기 상면 및 하면금속산화물층들의 사이에 각각의 글래스층(300)을 함침시킨다.

한편, 상면금속산화물층(100)은, 금속파우더를 쉬트형태로 가공하여 사용함이 바람직하며, 그 재질로는 알루미나 파우더, BaTiO3 파우더, PZT소재, BMT소재 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물을 사용함이 바람직하다.

그리고, 하면금속산화물층(200)은, 금속파우더를 쉬트형태로 가공하여 사용함이 바람직하며, 그 재질로는 알루미나 파우더, BaTiO3 파우더, PZT소재, BMT소재 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물을 사용함이 바람직하다.

그리고, 글래스층(300)은, 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)의 사이에 개재되어 소결과정에서 용해되는 것으로서, 상기 상면금속산화물층(100) 또는 하면금속산화물층(200) 대비 70∼110％의 비율로 형성함이 바람직하다.

그리고, 쉬트의 소결온도로서 830∼900℃ 특히 850℃ 정도가 바람직하며, 소결시간으로서 20∼40분 특히 30분 정도가 바람직하지만, 이에 한정하지 않고 소결온도와 소결시간을 적당히 조절함이 바람직하다.

그리고, 글래스층(300)은, 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)의 내부에 개재된 것으로서, 소결과정을 거치면서 용해되어 상면금속산화물층(100) 또는 하면금속산화물층(200)으로 흡수되어 없어지는 층이다.

또한, 글래스층(300)은, 그 주성분이 비정질의 붕규산염 유리(Borosilicate Glass), 연붕규산염 유리(Lead Borosilicate Glass), 알칼리 혹은 알칼리 토금속을 포함한 붕규산염 유리 중 하나이며, 그 밖에도 금속층(100,200)에 용이하게 함침되어 접착성을 유지한다면 어떠한 유리성분도 가능하다.

한편, 도 3에서와 같이, 상/하면금속산화물층(100,200)은 파우더 형태로서 수축될 수 없는 구조여서 액상 형태의 글래스층(300)이 양쪽 금속층을 함침해 가는 방법으로 치밀화되는 것임을 알 수 있다.

이때, LTCC 쉬트에서 무수축 층을 구성하는 상/하면금속산화물층(100,200)의 소결은 전혀 이루어지지 않은 상태이고, 이 금속층(100,200)에 존재하는 기공에 글래스층(300)이 채워지는 형태로 치밀화되는 것이다.

특히, 도 3에서 LTCC 쉬트의 소성작업이 완료되는 경우 글래스층(300)이 사 라진 형태를 확인할 수 있으며, 이러한 원리에서 알 수 있듯이 파우더만으로 이루어진 층에서 파우더 간의 소결이 이루어지지 않는 것은 수축이 없음을 의미하는 것으로 수축의 원인을 제거할 수 있게 된 것이다.

더욱이, 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)은 성형 쉬트 상태에서는 일반적인 쉬트와 구별되지 않고 소결이 진행되는 과정에서도 형상의 큰 변화가 없으므로, 쉬트의 표면에 내외부 전극을 형성하는 과정이 용이함은 물론 거의 0%에 가까운 xy방향의 무수축을 이룰 수 있는 것이다.

한편, 도 4는 LTCC소재를 다수층 적층하는 적층화공정을 적용한 모듈화 작업에서는 각 소재를 3층구조를 만들어 적층소재의 조성 변화나 확산의 문제를 근본적으로 해결하기 위한 수단으로 제시한 것이다.

물론, 도 4에서와 같은 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)의 배치는 단순한 한가지의 예에 불과한 것으로 이에 한정하지는 않고 다양한 금속층의 배치구조가 모두 본원발명의 권리범위에 포함됨은 당연하다.

또한, 도 5의 전자현미경 사진에서와 같이, 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)의 조성이 서로 다른 파우더로 구성된 층이라고 가정하더라도 상/하면금속산화물층(100,200)이 전혀 수축되지 않으므로, 이종접합에서 두 층간의 휨이나 벗겨짐 등의 결함을 방지할 수 있는 것임을 알 수 있다.

[실시예 1]

먼저, 알루미나 파우더를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형하고 상용의 글래스(glass)를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형한 다음, 알루미나층/글래스층/글 래스층/알루미나층의 적층 구조를 만든 후, 이들을 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC 소재를 제조하였다.

그 결과, LTCC 소재는 알루미나층에 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 39% 정도 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

[실시예 2]

먼저, 알루미나 파우더와 BaTiO3 파우더를 이용하여 각각 30㎛ 두께의 쉬트를 성형하고 상용의 글래스를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형한 다음, 알루미나층/글래스층/글래스층/BaTiO3의 적층 구조를 만든 후, 이들을 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC 소재를 제조하였다.

그 결과, LTCC 소재는 알루미나층 또는 BaTiO3층에 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 38% 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

[실시예 3]

먼저, 알루미나 파우더를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형하고 상용의 글래스를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형한 다음, 알루미나층/글래스층/글래스층/알루미나층/알루미나층/글래스층/글래스층/알루미나층의 적층구조를 만든 후, 이들을 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC 소재를 제조하였다.

그 결과, LTCC 소재는 다수개의 알루미나층에 각각의 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 39% 정도 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었고, 각 무수축 조합들에서 층간의 구분은 전혀 발생하지 않아서 다층의 소결이 가능함을 확인하였다.

[실시예 4]

먼저, 알루미나 파우더와 BaTiO3 파우더를 이용하여 각각 30㎛ 두께의 쉬트를 성형하고 상용의 글래스를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형한 다음, 알루미나층/글래스층/글래스층/알루미나층/BaTiO3층/글래스층/글래스층/BaTiO3층의 적층구조를 만든 후, 이들을 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC 소재를 제조하였다.

그 결과, 상기한 과정에 의해 제조된 LTCC 소재는 다수개의 알루미나층과 BaTiO3층에 각각의 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 38% 정도 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

그리고, 도 5에서와 같이 각 무수축 조합들에서 층간의 구분은 전혀 발생하지 않아서 3층 구조에서도 충분히 상호 적층 소결이 가능함을 확인하였으며, 이들 소재는 휨 현상이 발생하지 않았다.

[실시예 5]

먼저, 알루미나 파우더를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형하고 상용의 글래스를 이용하여 20㎛, 23㎛, 27㎛, 30㎛, 33㎛ 두께의 쉬트를 성형한 다음, 알루미나층/글래스층/글래스층/알루미나층의 적층구조를 만든 후, 이들을 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC 소재를 제조하였다.

그 결과, LTCC 소재는 알루미나층에 각각의 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 42%, 42%, 40%, 39%, 38% 정도 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

[실시예 6]

먼저, 알루미나 파우더를 이용하여 30㎛ 두께의 쉬트를 성형하고 상용의 글래스로서 비정질의 붕규산염 유리, 연붕규산염 유리, 알칼리 혹은 알칼리 토금속을 포함한 붕규산염 유리를 30㎛ 두께의 쉬트를 성형한 다음, 알루미나층/글래스층/글래스층/알루미나층의 적층구조를 만든 후, 이들을 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC 소재를 제조하였다.

그 결과, LTCC 소재는 알루미나층에 각각의 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 38∼40% 정도 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

[실시예 7]

먼저, 주조장치를 이용하여 알루미나층/글래스층/알루미나층의 적층구조를 만든 후 각각 25㎛/30㎛/25㎛ 두께로 연속 성형하여 무수축 쉬트를 제조한 후, 이를 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC소재를 제조하였다.

그 결과, LTCC 소재는 알루미나층에 각각의 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 42% 정도 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

[실시예 8]

먼저, 실시예 1 내지 7에서 사용한 알루미나 파우더 또는 BaTiO3 파우더를 대신하여 PZT소재 또는 BM 소재를 20㎛, 23㎛, 27㎛, 30㎛, 33㎛ 두께의 쉬트로 성형한 다음, 상기한 실시예들과 동일한 방법으로 다양한 형태의 적층구조를 만든 후, 이들을 850℃에서 30분간 소결하여 LTCC 소재를 제조하였다.

그 결과, LTCC 소재는 PZT 소재 또는 BMT 소재에 글래스층이 용해되면서 함침되어 xy방향의 소결 수축이 전혀 일어나지 않았으며, 단지 z축의 수축이 42% 정도 발생하여 무수축 쉬트의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법 및, 이것을 이용한 전자세라믹스 모듈에 의하면, 상/하면금속산화물층의 사이에 개재된 글래스층을 소결공정을 거쳐 함침시킴으로써, LTCC소재의 xy방향 소결 수축이 거의 발생하지 않아 모듈화의 과정에서 내부 회로 단선 등과 같은 불량사고가 방지될 뿐만 아니라 글래스층의 확산에 의해 각 소재의 특성이 변화하지 않고 일정하게 유지되어 이종소재의 접합에 따른 근본적인 문제점이 해결되는 효과가 있다.

Claims

상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)의 사이에 한 층 또는 그 이상의 글래스층(300)을 내재한 상태에서, 830∼900℃로 20∼40분간 소결하여 상기 상면금속산화물층(100)과 하면금속산화물층(200)에 상기 글래스층(300)을 함침시킨 것을 특징으로 하는 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 상/하면금속산화물층(100,200)은,

그 재질이 알루미나 파우더, BaTiO3 파우더, PZT 소재, BMT 소재 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 글래스층(300)은,

그 두께가 상기 상면금속산화물층(100) 또는 하면금속산화물층(200) 대비 70∼110％의 두께 비율인 것을 특징으로 하는 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 글래스층(300)은,

그 주성분이 비정질의 붕규산염 유리, 연붕규산염 유리, 알칼리 혹은 알칼리 토금속을 포함한 붕규산염 유리 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 희생글래스층을 포함하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트의 제조 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 의한 저온동시소성세라믹 쉬트 및;

상기 저온동시소성세라믹 쉬트와 같은 적층구조를 갖는 쉬트를 다수층 적층한 상태에서, 830∼900℃로 20∼40분간 소결하여 상기 상면금속산화물층(100)들과 하면금속산화물층(200)들의 사이에 각각의 글래스층(300)을 함침시킨 모듈;

로 이루어진 것을 특징으로 하는 무수축 저온동시소성세라믹 쉬트를 이용한 전자세라믹스 모듈.