KR100752019B1

KR100752019B1 - 인쇄회로기판용 절연재

Info

Publication number: KR100752019B1
Application number: KR1020060095758A
Authority: KR
Inventors: 김진철; 오준록; 김태경; 윤상준; 이화영
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-08-28
Also published as: US20080081177A1; JP2008091908A; CN101155470A; US7618553B2

Abstract

본 발명은 인쇄회로기판용 절연재에 관한 것으로서, 액정 폴리에스테르 수지와 세라믹 분말을 포함하며, -55∼125℃의 온도범위에서 측정된 TCC(Temperature Coefficient of Capacitance)가 -300 내지 +300ppm/℃이고, 유전율이 5 내지 40인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 절연재는 유전 특성이 우수하며, 온도변화에 따른 유전율 변화가 작아 고주파 회로에 적용시 우수한 신뢰성을 나타낸다.

인쇄회로기판, 절연재, 유전율, 온도변화, 유전특성

Description

인쇄회로기판용 절연재 {Insulating material for printed circuit board}

도 1은 일반적인 에폭시의 온도에 따른 유전율 변화를 나타낸 그래프이다.

도 2는 기능성 폴리머(BCB)의 온도에 따른 유전율 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 기능성 폴리머(LCP)의 온도에 따른 유전율 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4는 마이크로스트립의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 CTLA의 LaAlO₃ 함량에 따른 TCC 특성을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 필러의 화학조성 및 첨가량에 따른 유전율 변화를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 x=0.2인 CTLA, LCP 및 이들의 복합재료의 TCC 특성을 나타낸 그래프이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 절연층

20 : 전극층

30 : 신호선

본 발명은 인쇄회로기판용 절연재에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명은 액정 폴리에스테르 수지와 세라믹 분말을 포함하여 유전 특성이 우수하고 온도변화에 따른 유전율 변화가 작아 고주파 회로에 적용시 우수한 신뢰성을 나타내는 인쇄회로기판용 절연재에 관한 것이다.

전자기기의 고속화, 대용량화에 따라 인쇄회로기판의 선로를 따라 전송되는 신호의 주파수가 높아지고 있으며, 높은 주파수의 신호 반사 등의 손실없이 전송하기 위해서는 입력단과 출력단의 임피던스(impedance)를 매칭(matching)하는 것이 매우 중요하다.

동작 주파수가 고주파화, 특히 GHz(Giga Hertz)됨에 따라 신호선과 접지(GND: Ground) 사이에서 신호의 거의 모든 에너지 성분이 교류필드 형태를 이루며 진행됨에 따라 신호선과 접지 사이의 절연재료(기판 유전체)의 높이나 유전율이 정확히 일정해야 임피던스의 차이에 따른 신호의 반사 등의 손실을 최소화할 수 있으며, 나아가 신호의 무결성을 확보할 수 있다.

이와 관련하여, 인쇄회로기판의 절연재료로 주로 사용되는 FR-4와 같은 에폭시 수지의 경우, 도 1에 나타낸 바와 같이 온도의 변화에 따른 유전율 값이 크게 변화하여 25℃에서의 유전율 대비 -55℃에서 -91897ppm을 가지며 125℃에서는 81712ppm을 갖는다. 이로부터 계산된 TCC(Temperature Coefficient of Capacitance)는 960ppm/℃ 이상의 값을 나타낸다. 이러한 에폭시 수지의 온도에 따른 큰 폭의 유전율 변화는 임피던스 매칭을 고려한 고주파 신호의 전송을 위한 인쇄회로기판의 회로설계에 있어 제한사항이 된다. 전자기기의 주변환경, 특히 온도에 따라 유전율의 값이 변하게 되고, 이로 인해 매칭된 신호선의 임피던스가 변하게 되어 신호 반사 등의 손실이 발생되게 된다.

이러한 고주파 신호의 전송시 신호선의 임피던스 미스매치에 의한 문제점을 해결하기 위하여, 최근 대학, 연구소 및 일부 선진 기판업체를 중심으로 온도의 변화에 따라 안정적인 유전율을 갖는, 즉, TCC(Temperature Coefficient of Capacitance)가 낮은 인쇄회로기판용 절연재료의 개발이 활발하게 진행되고 있다.

현재까지 고주파 신호의 전송을 위한 절연재료의 개발동향은 전송속도의 향상을 위해 낮은 유전율을 가지면서, 신호의 손실을 최소화하기 위해 유전정접이 낮은 재료의 개발이 활발히 진행되어 왔다. 이러한 고주파 신호의 전송을 위한 절연재료의 개발방향은 기존 에폭시 수지 대비 유전율이 낮으면서 유전정접이 낮은 수지의 개발과 고주파 세라믹 필러의 분산/첨가를 통한 유전특성의 향상으로의 방향으로 진행되어 왔다.

전자의 경우 기존 에폭시에 PPE(Polyphenylene Ether)를 첨가하거나 에폭시 구조를 상호침입망목(Interpenetrating Network) 구조를 형성하는 방법으로 연구가 이뤄져 왔다. 그러나, 에폭시에 PPE를 첨가하는 경우에는 PPE가 열가소성 수지이므로 프리프레징(prepreging)이 어렵고, 적절한 용매의 선택이 어려운 단점이 있으며, 상호침입망목 구조 및 고주파 세라믹 필러의 첨가를 통한 방법 또한 TCC를 충분히 낮추는 데에는 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 전기적 특성, 특히 유전특성이 우수한 LCP(Liquid Crystal Polymer) 또는 BCB(Divinyl-siloxane-bis-benzocyclobutene) 등의 기능성 폴리머들을 인쇄회로기판에 활용하기 위한 노력이 계속되어져 왔다.

BCB의 경우 낮은 유전정접을 가지며 도 2에 나타낸 바와 같이 안정적인 TCC 특성을 가지고 있지만, 높은 가격과 경화시 크랙(crack)이 잘 발생되는 단점이 있고 필름화가 용이하지 않아 상용화가 힘들며, LCP의 경우 유전율과 유전정접 등 유전 특성은 우수하지만, 도 3에 나타낸 바와 같이 TCC가 고온(125℃)에서 약 900ppm/℃로 높아서 고주파 회로에 사용하기는 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 액정 폴리에스테르 수지에 고주파용 세라믹 필러를 분산시켜 유전 특성이 우수하고 온도변화에 따른 유전율 변화가 작은 인쇄회로기판용 절연재를 얻을 수 있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 일 측면은 고주파 회로에 대응할 수 있는 인쇄회로기판용 절연재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 기존 에폭시 수지 및 엔지니어링 폴리머 대비 유전정접이 낮으면서 온도변화에 따른 유전율의 변화가 작은 인쇄회로기판용 절연재를 재공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 일 구체예에 따르면,

액정 폴리에스테르 수지와 세라믹 분말을 포함하며,

-55∼125℃의 온도범위에서 측정된 TCC(Temperature Coefficient of Capacitance)가 -300 내지 +300ppm/℃이고, 유전율이 5 내지 40인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판용 절연재가 제공된다.

상기 절연재는 바람직하게는 0.01 이하의 유전정접을 갖는다.

상기 세라믹 분말은 바람직하게는 (1-x)(CaTiO₃)·x(LaAlO₃) (단, x=0.001∼0.5)의 화학조성을 갖는다.

상기 절연재 중 세라믹 분말의 함유량은 10 내지 50부피%인 것이 바람직하다.

상기 세라믹 분말의 평균 입경은 0.1 내지 5㎛인 것이 바람직하다.

상기 액정 폴리에스테르 수지는 바람직하게는 방향족 액정 폴리에스테르 수지이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

고주파 신호를 제대로 전송하기 위해서 다층기판에서는 신호선과 접지의 관계를 명확하게 고정하여 설계의 용이성을 확보할 수 있는 마이크로스트립 구조를 이용해 회로를 설계한다. 마이크로스트립은 도 4에 나타낸 바와 같이 아래 면 전체에 접지를 위한 전극(20)을 형성하고, 중간 절연체(유전체)(10)의 높이(h)와 유전율(ε_r)을 명확하게 정의한 후, 그 높이/유전율에 따라 윗면에 신호선(30)을 배치하면서 회로를 구성하는 기판의 구조이다. 마이크로스트립 구조의 기판에서 임피던스를 매칭하기 위해서는 신호선(30)의 폭(W)과 높이(t) 외에 중간 절연체(10)의 높이(h)와 유전율(ε_r)이 명확하게 정의되어야 한다.

본 발명은 상술한 고주파 회로 설계시 중간 절연체(유전체)로 사용가능한 인쇄회로기판용 절연재료에 관한 것으로서, 유전율, 유전정접 등의 유전 특성이 우수하고 온도변화에 따른 유전율의 변화가 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 구체예에 따르면, 액정 폴리에스테르 수지에 고주파용 세라믹 필러를 분산시키는 방법을 통해서 본 발명에서 목적하는 유전특성을 갖는 절연재를 얻는다.

상기 절연재는 -55∼125℃의 온도범위에서 -300∼+300ppm/℃, 바람직하게는 -30∼+280ppm/℃의 TCC를 나타내며, 5 내지 40, 바람직하게는 5∼15의 유전율을 갖 는다.

상기 절연재는 또한 약 0.01 이하, 바람직하게는 0.005 내지 0.008의 유전정접을 가짐으로써 기존 에폭시 수지 및 엔지니어링 폴리머 대비 좀 더 낮은 유전정접을 나타낸다.

본 발명에서는 액정 폴리에스테르가 온도가 높아짐에 따라 유전율이 커지는 +TCC 특성을(도 3 참조), 유전정접이 낮으면서도 -TCC 특성을 갖는 세라믹 분말의 분산을 통해 TCC 특성을 개선하는 것을 목적으로 세라믹 분말을 사용한다.

이러한 목적을 만족시키기 위하여 본 발명에서 사용되는 세라믹 분말은 바람직하게는 CTLA계 분말로서, (1-x)(CaTiO₃)·x(LaAlO₃)의 화학조성을 가지며, 여기서 x가 0.001∼0.5, 바람직하게는 0.15∼0.35인 것이 목적하는 유전 특성 발현 면에서 적합하다.

상기 절연재 중 세라믹 분말의 함유량은 구체적인 사용 목적에 따라 적절히 조절될 수 있으나, 바람직하게는 10 내지 50부피%, 좀 더 바람직하게는 22 내지 37부피%인 것이 좋다.

한편, 상기 세라믹 분말의 평균 입경은 특별히 한정되는 것은 아니나 0.1 내지 5㎛인 것이 분산성 향상 및 작업 측면에서 바람직하다.

이하 하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

제조예 1

(1-x)(CaTiO₃)·x(LaAlO₃)의 화학조성을 갖는 CTLA계 필러로서, x가 각각 0.01, 0.1 및 0.2인 분말을 다음과 같은 공정을 통해 준비하였다.

먼저, 출발물질로 99.9% 이상의 고순도 CaCO₃와 TiO₂, La₂O₃, Al₂O₃를 사용하였으며, 각각의 원료를 (Ca_1-x, La_x)(Ti_1-x, Al_x)O₃ (x=0.01, 0.1, 0.2)의 조성에 맞게 칭량하여 슬러리 탱크에 투입하고 고속 용해기(Dissolver)를 이용하여 습식혼합하였다. 이때 원료분말과 물의 비는 중량비로 2:1이었으며, 혼합효과와 분산성을 향상시키기 위하여 분산제를 0.5중량% 첨가하였다.

원료의 투입은 La₂O₃의 수화를 줄이기 위하여 먼저 CaCO₃, TiO₂, Al₂O₃를 투입하여 4시간 프리-믹싱한 후 La₂O₃를 첨가하여 비드 밀(Beads Mill)을 이용하여 순환방법으로 혼합 및 분쇄하고, 입도가 1.5㎛ 이하일때 1패스(pass)하여 스프레이 건조기(Spray Dryer)로 건조하였다.

스프레이 건조된 분말을 1250℃에서 4시간 동안 하소하여 (Ca,La)(Ti,Al)O₃ 고용체로 합성하였다. 합성된 분말은 필러로 사용하기에 적합하도록 비드 밀을 이용하여 분쇄하였다. 분쇄조건은 고용분 대비 용매인 물을 2:1의 비로 슬러리의 농도를 조절하였으며, 분산제는 처음에는 중량비로 0.5중량% 첨가하여 분쇄하다가 입자가 분쇄되면서 슬러리의 점도가 증가하여 1중량% 추가로 첨가하였다.

분쇄 중 1시간 간격으로 입도분포를 측정하여 평균입도가 1㎛ 이하까지 분쇄되면 순환을 멈추고 1패스하여 최종입도를 0.9㎛ 이하로 조절한 후 스프레이 건조기로 건조하여 필러를 제조하였다.

이렇게 준비된 필러의 전기적 특성을 평가하기 위하여 분쇄된 분말에 PVA 결합제 등 유기물을 2∼3중량% 첨가하여 과립분말로 제조하여 내경 15mm의 원주형 금속 몰드를 사용하여 1ton/㎠의 압력으로 성형하였다. 성형한 시편의 유기물을 650℃에서 1시간 열처리하여 제거하고, 1450℃에서 3시간 소결하였다. 소결한 시편의 유전율과 Q값을 하키-콜맨(Hakki-Colemann)법을 사용하여 네트워크 분석기(Network Analyzer)(HP8510A)로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

(1-x)(CaTiO₃)·x(LaAlO₃)	유전율(Er)	Q×f₀ ¹⁾
x=0.01	170	10,000
x=0.1	90	15,000
x=0.2	60	20,000

¹⁾ Q는 Quality factor의 약자로서 유전정접의 역수이며, f₀는 주파수를 나타냄

한편, 각각의 소결시편에 대해 TCC를 측정한 결과를 도 5에 나타내었다.

실시예 1

고주파용 절연 필름을 만들기 위해서, 먼저 방향족 액정 폴리에스테르(Aromatic Liquid Crystal Polyester)와 테트라플루오로페놀(Tetra Fluoro Phenol)을 5:95 중량비로 칭량하여 120℃로 가열하면서 교반기를 이용하여 완전히 용해시킨 다음, 제조예 1에서 얻어진 3종의 CTLA의 분말(x=0.01, 0.1, 0.2)을 20, 30, 40 부피%로 각각 첨가하고, 약 1중량% 이하의 분산제를 첨가하여 볼 밀 또는 비스코 밀(Visco Mill)을 이용하여 분산시켜 슬러리를 제조하였다. 슬러리 내의 기포를 탈포시킨 후, 이를 테이프 캐스팅(Tape Casting)기를 이용하여 동박 위에 성형 및 건조시켜 30㎛ 두께의 필름을 형성하여 RCC(Resin Coated Copper)를 제작하였다.

상기 RCC 필름의 유전특성 측정을 위해서 고온 V-프레스를 이용하여 RCC와 동박을 최고온도 300℃로 적층하여 절연 필름 양면에 전극을 형성하였다.

각 필러의 첨가량에 따른 유전율 값은 도 6에 나타낸 바와 같으며, 첨가량이 30부피%인 RCC의 1GHz에서의 손실값은 하기 표 2에 나타낸 바와 같다. 이렇게 측정된 값은 분말의 화학조성에 의한 차이보다는 분산정도에 따라 유의차를 보이지만, 모두 0.01 이하로 낮은 값을 보인다.

CTLA 고용비(x)	0.01	0.1	0.2
유전정접 (Dissipation Factor)	0.005	0.008	0.006

한편, 실시예 1에서 사용된 방향족 폴리에스테르 수지(LCP), x=0.2인 CTLA계 필러 분말, 그리고 상술한 바에 따라 제작된 RCC의 TCC 값을 측정 진동 전압(oscillation voltage) 1Vrms, 주파수 1MHz인 조건하에서 각각 측정하여 도 7에 나타내었다.

도 7을 참조하면, LCP의 TCC는 -55∼125℃의 온도범위에서 -260∼+800ppm/℃의 범위이지만 CTLA 필러를 첨가하면 같은 측정조건하에서 -26∼+260 ppm/℃의 범위로 줄어듬을 알 수 있다. 이와 같이, 수지와 반대방향 부호의 매우 큰 TCC를 갖는 필러를 이용하여 TCC 범위를 기존의 캐패시터가 가지고 있는 범위로 좁히는 것이 가능하다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 인쇄회로기판용 절연재는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 절연재는 기존 인쇄회로기판용 절연재료 대비 온도변화에 따른 유전율의 변화가 작아, 임피던스 매칭이 중요한 회로에서 절연층으로서 활용할 수 있다. 이 경우, 기존 재료를 이용하여 인쇄회로기판을 제작한 경우에 비해 온도변화에 따른 유전율의 변화로 말미암은 임피던스 매칭을 최소 화하고 이로부터 발생하는 신호의 손실을 줄일 수 있다. 또한, 기판 내에 필터(filter) 등의 고주파 부품를 구현하고자 할 때 온도에 따른 밴드의 변화폭을 감소시켜 SMT되는 수동 소자를 대체하는 것도 가능하게 한다.

뿐만 아니라, 현재 인쇄회로기판 상에 임피던스 매칭을 목적으로 실장되던 C특성 캐패시터를 내장하기 위한 재료로 활용할 경우 기존 캐패시터를 실장할 때 대비 기생인덕턴스(Parasitic Inductance)를 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims

액정 폴리에스테르 수지와 세라믹 분말을 포함하며,

-55∼125℃의 온도범위에서 측정된 TCC(Temperature Coefficient of Capacitance)가 -300 내지 +300ppm/℃이고, 유전율이 5 내지 40인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판용 절연재.
제1항에 있어서, 상기 절연재는 0.01 이하의 유전정접을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판용 절연재.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 분말이 (1-x)(CaTiO₃)·x(LaAlO₃) (단, x=0.001∼0.5)의 화학조성을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판용 절연재.
제1항에 있어서, 상기 절연재 중 세라믹 분말의 함유량은 10 내지 50부피%인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판용 절연재.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 분말의 평균 입경은 0.1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판용 절연재.
제1항에 있어서, 상기 액정 폴리에스테르 수지는 방향족 액정 폴리에스테르 수지인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판용 절연재.