KR100744930B1 - Ｌｔｃｃ 모듈의 제조 방법 - Google Patents

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이태수
박윤휘
이택정
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은, LTCC 기판 바닥면에 외부 기판과의 접속을 위한 금속 패드층을 LGA 타입으로 형성하는 단계; 상기 금속 패드층 하면에 솔더층을 형성하는 단계; 상기 솔더층 형성 단계 후에, 상기 솔더층이 형성된 결과물을 개별 모듈로 절단하는 단계; 및 상기 개별 모듈로 절단하는 단계 후에, 상기 절단된 개별 모듈을 외부 기판에 실장하는 단계를 포함하고, 상기 개별 모듈을 외부 기판에 실장하는 단계는, 상기 외부 기판의 실장면에 외부 기판용 솔더를 형성하는 단계와, 상기 개별 모듈의 상기 솔더층과 상기 외부 기판용 솔더를 가열하여 접착하는 단계를 포함하는 LTCC 모듈의 제조방법을 제공한다.
LTCC, 저온 동시소성 세라믹, 접착 강도, 솔더

Description

ＬＴＣＣ 모듈의 제조 방법{Method for Manufacturing LTCC Module}
도 1은 종래의 LTCC 모듈의 저면도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LTCC 모듈의 저면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LTCC 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 LTCC 모듈의 단면도이다.
도 5 내지 도 9은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LTCC 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10의 (a)와 (b)는 각각 비교예 및 실시예에 따른 LTCC 모듈의 바닥면을 나타내는 사진이다.
도 11은 비교예 및 실시예에 따른 LTCC 모듈에 대한 낙하 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200: LTCC 모듈 101: LTCC 기판
103: 제1 금속층 104: Ni 도금층
105: Au 도금층 107: 표면 실장부
109: 솔더층 110: 금속 패드층
본 발명은 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic; 저온 동시소성 세라믹) 모듈에 관한 것으로, 특히 외부 기판에 실장시 우수한 부착력과 신뢰성을 나타내는 패드부를 구비한 LTCC 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 개인용 휴대 단말기 등의 이동통신 기기는, 급속히 소형화, 경량화 및 고주파화되고 있다. 이에 따라, 통신 기기에 사용되는 회로 모듈은 새로운 소형 경량화 및 고성능화가 요구되고 있다. 특히, 최근에는 LTCC(저온 동시소성 세라믹 기판) 기판을 이용한 LTCC 모듈이 제안되고 있다. LTCC 기판을 이용하면, 스루홀(through hloe) 또는 비아홀(via hole)로써 배선을 구성할 수 있고 이러한 스루홀 배선에 의해 외부 단자 또는 표면 실장 부품(SMD)용 단자로의 전류 경로를 용이하게 형성시킬 수 있다. 또한, LTCC 모듈은 LGA(Land Grid Array) 타입의 패키지 방식을 채용함으로써, 다수의 입출력 전극을 모듈 바닥면에 수용할 수 있다.
LGA 타입의 LTCC 모듈은 기판 하면에 어레이 형태로 배열된 패드부를 포함한다. 이 패드부는, LTCC 기판 하면에 형성된 Cu 계열의 등의 금속 패드층으로 형성된다. 금속 패드층은 Au 또는 Ni/Au 도금 등의 방법으로 금속 마감(metal finish) 처리된다.
도 1은 종래의 LTCC 모듈을 나타내는 저면도 및 단면도이다. 특히, 도 1은 개개의 모듈로 다이싱(dicing) 하기 전의 상태(모듈 집합체)를 나타낸다. 도 1의(a)와 (b)를 참조하면, LTCC 모듈(10)은 LTCC 기판(11)과 그 바닥면에 형성된 금속 패드층(20)을 포함한다. LTCC 기판(11) 위에는 집적회로 칩 또는 기타 다른 소자를 포함하는 표면 실장부(17)가 형성되어 있다. 상기 표면 실장부(17)는 예컨대, 적절한 몰딩 수지에 의해 봉지될 수 있다.
금속 패드층(20)은 LTCC 모듈(10)을 외부 기판에 연결하기 위한 전극 패드부를 구성한다. 도시된 바와 같이, 금속 패드층(20)은 Cu 또는 Ag계열의 제1 금속층(13)과 그 하면에 형성된 Au 도금층(15)으로 이루어진다. Au 도금층(15) 대신에 Ni/Au 도금층(Ni층 하면에 Au층이 위치함)이 사용될 수 있다. 이와 같이 전극 패드의 금속 마감재(metal finish material)는 Au 도금층 또는 Ni/Au 도금층로 형성된다. 전극 패드부 형성 후, LTCC 모듈(10)은 개별 모듈로 절단(dicing)되고 마더-보드(mother-board) 등의 외부 기판(미도시)에 실장된다. LTCC 모듈의 실장시, 외부 기판의 해당 부위에 가열된 납땜이 도포되고, 이 납땜을 이용하여 LTCC 모듈(10)의 금속 패드층(20)은 외부 기판에 부착된다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 LTCC 모듈(10)의 금속 패드층(20)은 외부 기판에 납땜(soldering)시 안정적인 부착력을 제공하지 못한다. 즉, LTCC 모듈의 세라믹 재료와 외부 기판(통상적으로 유기 PCB로 이루어짐)간의 열팽창 계수 등의 열적 특성의 부정합으로 인해 우수한 납땜 특성을 기대하기 어렵다. LTCC 모듈과 외부 기판 간의 낮은 접착 강도는 예컨대, 낙하 테스트를 통해 확인할 수 있다. 특히 개별 LTCC 모듈의 크기가 클 경우, 납땜의 불안정성은 더욱 커지게 된다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은, 패드부와 외부 기판과의 접착 신뢰성을 높일 수 있는 LTCC 모듈의 제조 방법을 제공하는 것이다.
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상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, LTCC 기판 바닥면에 외부 기판과의 접속을 위한 금속 패드층을 LGA 타입으로 형성하는 단계; 상기 금속 패드층 하면에 솔더층을 형성하는 단계; 상기 솔더층 형성 단계 후에, 상기 솔더층이 형성된 결과물을 개별 모듈로 절단하는 단계; 및 상기 개별 모듈로 절단하는 단계 후에, 상기 절단된 개별 모듈을 외부 기판에 실장하는 단계를 포함하고, 상기 개별 모듈을 외부 기판에 실장하는 단계는, 상기 외부 기판의 실장면에 외부 기판용 솔더를 형성하는 단계와, 상기 개별 모듈의 상기 솔더층과 상기 외부 기판용 솔더를 가열하여 접착하는 단계를 포함하는 LTCC 모듈의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 금속 패드층을 형성하는 단계는, 상기 LTCC 기판 바닥면에 Cu 또는 Ag 등을 포함하는 제1 금속층을 형성하는 단계와; 상기 제1 금속층 하면에 Au 도금층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 제1 금속층은 Cu 또는 Ag를 포함하는 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속 패드층을 형성하는 단계는, 상기 제1 금속층 형성 단계와 상기 Au 도금층 형성 단계 사이에 상기 제1 금속층 하면에 Ni 도금층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 LTCC 모듈의 제조 방법은 상기 금속 패드층 형성 단계와 상기 솔더층 형성 단계 사이에 상기 LTCC 기판 상면에 표면 실장부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 표면 실장부는, 상기 LTCC 기판 상면에 하나 이상의 소자를 탑재하고 상기 소자를 몰딩 수지로 봉지함으로써 형성될 수 있다.
상기 LTCC 모듈의 상기 솔더층과 상기 외부 기판용 솔더는 동일 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, LTCC 모듈의 바닥면에 솔더층이 전극 패드의 금속 마감재로서 미리 형성되어 있다. 즉, LTCC 패드부 자체가 솔더 성분을 갖고 있다. 이러한 솔더층을 갖는 패드부를 사용하면, LTCC 모듈을 외부 기판의 실장면에 납땜할 경우 우수한 충격 및 낙하 신뢰성을 갖게된다. 즉, LTCC 모듈의 패드부에 형성된 솔더층과 외부 기판의 실장면에 도포된 솔더가 가열되어 서로 부착됨으로써, 우수한 접착 강도를 나타내고 이에 따라 제품의 신뢰성이 크게 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LTCC 모듈의 저면도 및 단면도를 나타낸다. 특히, 도 2 및 도 3의 LTCC 모듈(100)은 개별 모듈로 절단(dicing)하기 전의 상태(모듈 집합체)를 나타낸다.
도 2 및 도 3을 참조하면, LTCC 모듈(100)은 LTCC 기판(101)과 그 기판(101)의 바닥면에 형성된 패드부(109, 110)을 포함한다. LTCC 기판(101)의 상면에는 표면 실장부(SMD; 107)가 배치되어 있다. 이 표면 실장부(107)는 LTCC 기판(101) 상면에 탑재된 하나 이상의 소자(집적회로 칩, 저항, 커패시터, 칩 인덕터 등 표면 실장형 능동 또는 수동 소자)를 포함한다. 이 소자는 외부 환경이나 충격으로부터 보호받을 수 있도록 몰딩 수지로 봉지될 수 있다.
패드부(109, 110)는 LTCC 모듈(100)을 외부 기판(예컨대, 유기 PCB로 된 마더-보드 등)에 실장하기 위한 전극 단자 역할을 할 수 있다. 특히 패드부(109, 110)는, (전극 단자가 기판 바닥면에 어레이 형태로 배치되어 있는) LGA(Land Grid Array) 타입의 전극 단자를 형성한다. 이러한 LGA 타입의 패드부는, 다수의 전극 단자를 작은 면적에 수용하기에 적합하고 보다 작은 인덕턴스를 나타낸다.
패드부(109, 110)는 LTCC 기판(101)의 바닥면에 형성된 금속 패드층(110)과, 금속 패드층(110) 하면에 형성된 솔더층(109)을 포함한다. 상기 금속 패드층(110)은 Cu 또는 Ag 계열의 제1 금속층(103)과 이 제1 금속층(103)의 하면에 형성된 제2 금속층으로서 Au층(105)을 포함한다. 종래에는 솔더층(109) 없이 상기 Au층(105)이 직접 외부 기판의 실장면에 도포된 솔더와 접촉되지만, 본 발명에서는 Au 도금층(105) 하면에 별도의 금속 마감재로서 솔더층(109)이 형성된다. 이 Au층(105)은 제1 금속층(103) 형성후, 무전해 도금 등의 도금 공정에 의해 제1 금속층(103) 하면에 형성될 수 있다.
상기 솔더층(109)은 예컨대, Pb-Sn 또는 Ag-Sn 등으로 이루어질 수 있다. 솔더층(109)은 LTCC 기판(101)의 패드부의 일 요소로 존재한다. 나중에 개별 LTCC 모듈을 마더 보드 등의 외부 기판에 실장할 때 상기 솔더층(109)은 가열되고, 가열된 솔더층(109)은 외부 기판의 실장면에 마련된 솔더(바람직하게는 상기 솔더층(109)과는 동일 물질임)와 융착 또는 접착된다. 이로써, LTCC 모듈과 외부 기판 간에 안정적인 접착 신뢰성 또는 접착 강도를 얻게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 LTCC 모듈(200)의 단면도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 이 실시예는, 금속 패드층(110')이 제1 금속층(103)과 Au 도금층(105) 사이에 Ni 도금층(104)을 더 포함한다는 점을 제외하고는 상기한 도 3의 실시형태와 마찬가지이다. 이러한 Ni/Au 도금층(104, 105)은 제1 금속층(103) 하면에 형성된 제2 금속층으로서, 제1 금속층(103)을 보호하는 데에 더 효과적일 수 있다. 도시된 바와 같이, 이 실시형태에서도 LTCC 모듈(200)의 패드부는 일 요소로서 최하부에 솔더층(109)을 구비하고 있다.
이하, LTCC 모듈의 제조 공정(외부 기판으로의 실장 단계 포함)을 설명한다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LTCC 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, 도 5를 참조하면, LTCC 기판(101) 하면에 전극 패드용 제1 금속층(103)을 형성한다. 이 제1 금속층(103)은 예를 들어, 세라믹 기판(소성 하기 전의 기판) 하면에 Ag 또는 Cu를 포함한 금속 페이스트를 도포하고, 그 후 이를 소성 처리함으로써 형성될 수 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 금속층(103) 하면에 Au 무전해 도금 공정을 실시한다. 이에 따라 제1 금속층(103) 하면에는 제2 금속층으로서 Au 도금층(105)이 형성된다. 다른 방안으로서, Au 무전해 도금 대신에 Ni/Au 무전해 도금을 실시할 수 있으며, 이에 따르면 제1 금속층(103)에 하면에 제2 금속층으로서 Ni/Au 도금층이 순차적으로 형성된다(도 4 참조).
그 후, 도 7에 도시된 바와 같이, LTCC 기판(101) 상면에 필요한 전자 소자를 실장하기 위한 패키징 공정을 실시한다. 이 패키징 공정에 의해, LTCC 기판(101) 상면에는 표면 실장부(107)가 배치된다. 이 패키징 공정에서, 상기 LTCC 기판(101) 상면에는 하나 이상의 소자(집적회로 칩, 저항, 칩 인덕터 등)가 탑재되고, 이 소자는 몰딩 수지로 봉지될 수 있다. 도시되어 있지 않지만, LTCC 기판(101) 내부에는 단자 전극과 소자를 연결하기 위한 비아홀(via hole)이 형성될 수 있으며, 필요한 전자 소자는 기판(101)의 내부에 내장될 수도 있다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, Au 도금층(105) 하면에 솔더층(109)을 형성한다. 솔더층(109)은 Pb-Sn 등의 유연 솔더 재료 또는 Ag-Sn 등의 무연(Pb-free) 솔더 재료로 형성될 수 있다. 이 솔더층(109)은 LTCC 모듈 패드부의 일 요소를 이루며, 나중에 외부 기판에 실장될 때 가열될 수 있다. 그 후, 집합 상태의 LTCC 모듈을 개별 모듈로 절단, 즉 다이싱한다. 도 9에서 A 라인은 절단선을 나타낸다. 이에 따라, 각각의 개별적인 단위 LTCC 모듈을 얻게 된다. 개별 LTCC 모듈의 패드부는, 다수의 전극 단자가 모듈 바닥면에 어레이 형태로 배열된 LGA 타입의 전극 패드를 형성한다.
다음으로, 개별 LTCC 모듈(100')을 마더-보드 등의 외부 기판(150)에 부착, 실장한다(도 9 참조). 예를 들어, 개별 LTCC 모듈(100')의 바닥면에 형성된 솔더층(109)과 동일한 물질로 이루어진 솔더(120)를 외부 기판(150)의 실장면에 도포하 고, 이 외부 기판용 솔더(120)와 상기 솔더층(109)을 서로 접촉 및 가열시킬 수 있다. 이에 따라, 개별 LTCC 모듈(100')은 외부 기판(150)의 실장면에 안정적으로 견고하게 부착된다. 즉, 개별 LTCC 모듈(100')의 바닥면에 형성된 솔더층(109)과 외부 기판(150)의 실장면에 도포된 솔더(120)는 서로 유사한(또는 동일한) 열적 특성을 나타냄으로써, 개별 LTCC 모듈(100')과 외부 기판(150) 간의 접착 강도 및 신뢰성은 크게 향상된다.
(실시예)
본 발명자들은 본 발명에 따른 LTCC 모듈 및 그 제조 방법이 종래에 비하여 현저히 향상된 접착 신뢰성을 확인하기 위해, 낙하 신뢰성 테스트(간단히, 낙하 테스트라고도 함)를 실시하였다. 이 신뢰성 테스트에 사용된 LTCC 모듈 샘플은 도 10에 도시되어 있다. 도 10의 (a)에 도시된 샘플은 비교예의 샘플에 해당하는 것으로, 종래와 같이, 전극 패드는 순차적으로 형성된 Cu 금속층과 Ni/Au 도금층을 포함한다(도 1의 (b) 참조). 도 10의 (b)에 도시된 샘플은 실시예의 샘플에 해당하는 것으로, 전극 패드는 순차적으로 형성된 Cu 금속층과, Ni/Au 도금층과 솔더층을 포함한다(도 3 참조). 즉, 비교예의 전극 패드는 금속 마감재(metal finish)로서 Ni/Au 도금층을 사용했지만, 실시예의 전극 패드는 금속 마감재로서 솔더층을 사용하였다. 이와 같이 서로 다른 금속 마감재를 갖는 비교예 및 실시예의 샘플은 유기 PCB 기판에 접착 실장된 후, 낙하 테스트를 받았다.
모든 샘플은 LGA 타입의 LTCC 모듈이고 그 크기는 5mm×5mm 이다. 실시예 및 비교예의 Ni/Au 도금층은 무전해 도금으로 형성하였다. 실시예의 샘플에 형성된 솔더층은 Pb-Sn을 주성분을 갖고 있다. 상기 낙하 테스트에서는 총 45회의 낙하 실험을 실시하였다. 이 낙하 테스트 결과는 아래의 표 1 및 도 11의 그래프에 나타난 바와 같다. 도 11의 그래프에서 가로축은 낙하 횟수(number of drop count)를 나타내고, 세로축은 합격된(파손되지 않은) 샘플의 수율(passed sample yield)을 나타낸다. 또한, 아래 표 1에서 파손시 낙하횟수(fracture count)는 파손될 때까지 실시한 낙하 실시 횟수를 나타낸다.
샘플 샘플 크기 전극 패드 타입 전극 패드의 금속 마감재 파손시 낙하횟수(fracture count) 판정
비교예 5mm×5mm LGA 무전해 Ni/Au 5 이하 실패
실시예 5mm×5mm LGA 솔더층 45 초과 합격
표 1 및 도 11에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 샘플들은 외부 기판과의 우수한 접착 신뢰성을 나타냄에 반하여, 비교예의 샘플들은 낮은 접착 신뢰성을 나타낸다. 즉, 대부분의 비교예 샘플들은 5회까지 낙하시키면 모두 파손된다. 그러나, 실시예의 샘플들은 45회까지도 합격 수율 100%를 나타내면서 하나도 파손되지 않았다(즉, 외부 기판으로부터 떨어져 나가지 않았다).
이와 같이, 전극 패드의 금속 마감재로서 솔더층을 무전해 Ni/Au 도금층 상에 미리 형성함으로써, 현저히 향상된 접착 신뢰성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 이와 같이 패드부의 접착 강도의 우수성을 인하여, 본 발명의 LTCC 모듈 및 그 제조 방법은 10mm×10mm 이상의 크기를 갖는 LTCC 모듈에 대해서도 높은 납땜 신뢰성을 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전극 패드부에 미리 솔더층을 형성함으로써, LTCC 모듈과 외부 기판, 특히 유기 PCB 기판 간의 솔더링 특성이 크게 개선된다. 이에 따라, LTCC 모듈과 외부 기판 간의 접착 강도가 향상되고 우수한 낙하 또는 충격 신뢰성을 얻게 된다. 또한, 10mm×10mm 이상의 큰 크기를 갖는 LTCC 모듈에도 용이하게 적용되어 우수한 납땜 신뢰성을 제공할 수 있게 된다.

Claims (17)

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  9. LTCC 기판 바닥면에 외부 기판과의 접속을 위한 금속 패드층을 LGA 타입으로 형성하는 단계;
    상기 금속 패드층 하면에 솔더층을 형성하는 단계;
    상기 솔더층 형성 단계 후에, 상기 솔더층이 형성된 결과물을 개별 모듈로 절단하는 단계; 및
    상기 개별 모듈로 절단하는 단계 후에, 상기 절단된 개별 모듈을 외부 기판에 실장하는 단계를 포함하고,
    상기 개별 모듈을 외부 기판에 실장하는 단계는, 상기 외부 기판의 실장면에 외부 기판용 솔더를 형성하는 단계와, 상기 개별 모듈의 상기 솔더층과 상기 외부 기판용 솔더를 가열하여 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 모듈 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 패드층을 형성하는 단계는,
    상기 LTCC 기판 바닥면에 제1 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 금속층 하면에 Au 도금층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 모듈 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 Cu 또는 Ag를 포함하는 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 LTCC 모듈 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 금속 패드층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 금속층 형성 단계와 상기 Au 도금층 형성 단계 사이에, 상기 제1 금속층 하면에 Ni 도금층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 모듈 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 금속 패드층 형성 단계와 상기 솔더층 형성 단계 사이에 상기 LTCC 기판 상면에 표면 실장부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 모듈 제조 방법.
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  17. 제9항에 있어서,
    상기 LTCC 모듈의 상기 솔더층과 상기 외부 기판용 솔더는 동일 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 LTCC 모듈 제조 방법.
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