KR101004942B1 - 다층 세라믹 기판 제조방법 - Google Patents

Abstract

다층 세라믹 기판 제조방법은, 복수의 저온소성용 그린시트가 적층된 미소결 다층 세라믹 기판을 마련하는 단계와, 상기 미소결 다층 세라믹 기판의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 난소결성 구속용 그린 시트를 배치하는 단계와, 상기 난소결성 구속층이 배치된 상태에서 상기 미소결 다층 세라믹 기판을 소성하는 단계와, 상기 소성된 다층 세라믹 기판으로부터 산성용액에 침지시키는 단계와, 상기 난소결성 구속층이 제거되도록 상기 난소결성 구속층와 상기 산성용액의 접촉을 활성화하는 단계를 포함한다.

Description

다층 세라믹 기판 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF MULTI-LAYER CERAMIC SUBSTRATE}

본 발명은 다층 세라믹 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 무수축공정을 위한 난소결성 구속층을 효과적으로 제거하여 기판 품질을 향상시킬 수 있는 다층 세라믹 기판 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유리-세라믹을 이용한 다층 세라믹 기판은 3차원 구조의 층간 회로 구현이 가능하므로, 공동(cavity)의 형성 및 다양한 기능의 소자 내장과 같이 높은 설계 유연성을 가질 수 있다.

이로 인해, 소형화, 고기능화 되는 고주파 부품 시장에서 다층 세라믹 기판의 활용도는 점차 높아지고 있다. 초기의 다층 세라믹 기판은 세라믹 그린시트에 도전성 전극으로 회로 패턴 및 비아를 형성하고, 설계에 따라 원하는 두께로 정렬 적층한 후 소성하여 제조되었다. 이 과정에서 세라믹 기판은 약 35~50% 정도 부피가 수축된다. 특히, 횡방향으로, 즉 가로 및 세로 길이가 각각 약 12~30%의 수축이 일어난다. 이러한 횡방향 수축은 균일하게 제어하기 어려우므로, 제작 차수별로는 물론이고 동일 제작 차수 내에서도 0.5% 정도의 치수 오차가 발생한다.

다층 세라믹 기판의 구조가 복합화, 정밀화되면서 내부 패턴 및 비아 구조의 설계 마진이 점차 감소하므로, 다층 세라믹 기판의 횡방향 수축을 억제하는 무수축 소성 공정이 요구되고 있다.

이를 위해서, 다층 세라믹 기판의 일면 또는 양면에 세라믹 기판 재료의 소성 온도에서는 소성되지 않는 알루미나 또는 바륨티타네이트와 같은 난소결성 소재의 구속층을 접합하여 소성시에 x-y방향 수축을 억제하는 방법이 주로 사용되고 있다. 이러한 난소결성 소재의 구속층은 소성 후에 샌드페이퍼, 폴리싱공정과 같은 기계적 처리를 이용하거나, 물과 알콜을 매체로 하는 초음파 기기를 사용하여 제거된다.

하지만, 난소결성 소재의 구속층이 청결하게 제거되지 않은 경우에는 후속 패턴공정이 문제가 발생될 수 있다.

특히, 구속층의 제거된 후에도 구속층의 구성물질과 화학적 반응에 의해 접합면에 발생된 구속반응층은 통상적인 방법으로 잘 제거되지 않아 도금불량을 야기하고, 이는 SMT 등의 공정에서 고착강도의 저하를 유발하는 등 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 소성 후에 무수축 소성공정에 사용되는 구속층을 물론, 구속반응층을 잔류 분진없이 완전히 제거하여 추후 도금성 및 고착강도 특성 등을 개선한 다층 세라믹 기판 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은

복수의 저온소성용 그린시트가 적층된 미소결 다층 세라믹 기판을 마련하는 단계와, 상기 미소결 다층 세라믹 기판의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 난소결성 구속용 그린 시트를 배치하는 단계와, 상기 난소결성 구속층이 배치된 상태에서 상기 미소결 다층 세라믹 기판을 소성하는 단계와, 상기 소성된 다층 세라믹 기판으로부터 산성용액에 침지시키는 단계와, 상기 난소결성 구속층이 제거되도록 상기 난소결성 구속층와 상기 산성용액의 접촉을 활성화하는 단계를 포함하는 다층 세라믹 기판 제조방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 난소결성 구속층은, 그래파이트 분말 또는 그래파이트 분말을 주재로 하여 실리콘 카바이드 분말 및 PBN(pyrolic boron nitrite)을 첨가된 혼합분말을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게, MoS₂ 분말이 더 함유될 수있다.

바람직하게, 상기 산성용액은, 질산, 불산 또는 그 혼합물을 물과 알콜과 같은 중성용매에 혼합하여 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 활성화시키는 단계는, 버블발생기를 이용하여 실행될 수 있다. 이 경우에, 상기 산성용액은 상기 버블 발생기가 장착된 욕조에 수용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래의 표면 연마와 같은 기계적 처리공정의 미구속층 제거 문제와 오랫 공정시간를 해결하고 단시간에 구속층을 효과적으로 제거할 수 있다. 특히, 물 또는 알콜만을 이용하는 종래의 방식에서 야기되는 도금번짐 및 미도금과 같은 도금 불량 문제를 해결하여 미세패턴 형성시의 우수한 도금성을 보장할 수 있다. 이와 같이 우수한 도금성을 가지므로, 고착강도 특성이 크게 향상될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보 다 상세히 설명하기로 한다.

도1a 내지 도1e는 본 발명에 따른 다층 세라믹 기판 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 공정별 단면도이다.

우선, 도1a와 같이, 복수의 저온소성용 세라믹 그린시트(11a-11e)가 적층된 미소결 다층 세라믹 기판(11')을 마련한다.

상기 세라믹 그린시트(11a-11e)는 저온소성이 가능한 소결용 유리-세라믹 분말과 유기 바인더와 같은 유기물을 포함하여 적절한 공지공정을 통해 제조될 수 있다. 상기 각 그린시트(11a-11e)에는 층간회로구성에 필요한 전극패턴(12)과 도전성 비아홀(14)이 형성되고, 복수의 그린시트(11a-11e)를 적층하여 도1a와 같은 미소결 다층 세라믹 기판(11')을 마련할 수 있다.

이어, 도1b와 같이, 상기 미소결 다층 세라믹 기판(11')의 상면 및 하면에 난소결성 구속층(15)을 배치한다.

일반적으로, 구속층(15)은 세라믹 기판(11')의 상면 및 하면 중 일 면에 한하여 제공될 수 있으나, 효과적인 수축억제를 위해서 본 실시형태와 같이 양면에 배치하는 것이 바람직하다.

상기 구속층(15)은 무기분말(15a)과 유기바인더(15b)를 포함한다. 상기 구속 층의 무기분말은, 종래에 주로 사용된 알루미나(Al₂O₃) 또는 바륨티타네이트(BaTiO₃)를 사용하지 않고, 그래파이트(graphite) 분말 또는 그래파이트 분말을 주재로 하여 실리콘 카바이드 분말 및 PBN(pyrolic boron nitrite)을 첨가된 혼합분말을 사용할 수 있다. 이러한 난소결성 무기분말은 본 발명에서 제시한 제거조건(도1d)에서 용이하게 제거가능하면서도 세라믹 기판과 밀착되어 충분한 구속력을 보장할 수 있다. 보다 바람직하게, MoS₂ 분말을 더 첨가하여 구속력 증진과 함께 소성개시온도를 추가적으로 조절할 수 있다.

다음으로, 상기 난소결성 구속층이 상하면에 배치된 상태에서 미소결 다층 세라믹 기판(11')을 소성하여 도1c와 같이 원하는 소성된 다층 세라믹 기판(11)을 얻는다.

소성된 다층 세라믹 기판(11)은 두께방향으로 수축이 발생되지만, 면방향, 즉 수평방향으로는 구속층(15)에 의해 수축이 억제될 수 있다. 이와 같이, 다층 세라믹 기판(11)의 면방향 수축은 구속층(15a)의 난소결성 분말에 의한 많은 접촉점에서 높은 결합력이 보장하여 수축억제효과를 제공할 수 있다.

도1d와 같이, 상기 소성된 다층 세라믹 기판(11)으로부터 상기 난소결성 구속층(15)을 제거하기 위해서, 소성된 다층 세라믹 기판(11)을 산성용액(22)에 침지시킨다.

본 공정은, 욕조(20)에 상기 산성용액이 수용하고, 구속층(15)이 양면에 형성된 다층 세라믹 기판(11)을 그 산성용액에 침지시키는 방식으로 진행될 수 있다. 상기 산성용액은 질산, 불산 또는 그 혼합물을 물과 알콜과 같은 중성용매에 혼합하여 제조될 수 있다. 이어, 상기 구속층(15)이 보다 용이하게 제거되도록 상기 구속층(15)와 상기 산성용액(22)의 접촉을 활성화시킨다. 여기서, "접촉을 활성화시킨다"는 의미는 정적인 상태에서 자연적인 접촉상태가 아니라, 구속층의 표면에 산성용액과의 마찰이 활발해지도록 기계적 진동을 유발하는 상태를 의미한다.

이러한 진동유발장치로서 고가의 초음파장치도 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 간소하고 저렴한 버블발생기(25)가 바람직하게 이용될 수 있다.이러한 버블 발생기(25)는 욕조(20)의 적정위치에 장착되어 버블(B)을 발생시키고, 이를 통해서 상기 구속층(15)의 표면에 대한 상기 산성용액(22)의 접촉이 활성화시킬 수 있다.

결과적으로, 이러한 산성용액과 버블장치를 이용하여 구속층을 용이하게 제거할 수 있다. 도1e와 같이 잔류 분진없이 완전하게 제거된 표면상태를 갖는 다층 세라믹 기판을 제공할 수 있다. 특히, 이러한 구속층 조성 및 구속층의 제거방법은 소성시에 구속층과 세라믹 기판의 계면에서 발생되는 구속반응층까지 완전하게 제거하여 후속 도금공정에서 우수한 도금성을 확보할 수 있다.

이와 관련하여는 아래의 실시예를 통해서 보다 상세히 설명하기로 한다.

(실시예)

본 발명의 조건에 해당하는 구속층으로서 그래파이트 분말와 함께 실리콘 카바이드 분말 및 PBN(pyrolic boron nitrite)을 첨가된 혼합분말을 약 65wt%를 갖도록 마련하고, 아크릴계 바인더를 15wt%, 분산제를 0.5wt% 첨가하고 톨루엔과 에탄올의 혼합용매를 첨가한 후에, 볼밀을 이용하여 분산시켰다. 이렇게 얻은 슬러리를 필터로 거른 후 탈포하고, 닥터 블레이드법을 이용하여 100㎛ 두께의 구속층을 성형하였다.

미소결 다층 세라믹 기판을 마련하고, 그 상하면에 상기 구속층을 배치하고, 적정한 압력을 적용하여 압착시켰다. 이어 850 ~ 870℃범위에서 30~60분간 소성을 진행하고, 그 소성된 세라믹 기판의 양면에 형성된 구속층 제거를 위해, 10wt% 질산, 45wt% 불산을 중성용매인 물에 혼합하여 구속층 제거용 산성용액을 마련하여 O₃(오존) 버블 발생기가 장착된 욕조에 제공하고, 상기 소성 기판을 상기 욕조이 산성용액에 침지시킨 상태에서 마찰을 활발해지도록 버블을 발생시키면서 구속층을 제거하였다.

(비교예1 및 2)

비교 실험을 위하여, 비교예 1 및 2는 구속층으로서 알루미나(Al₂O₃)분말을 약 65wt%를 갖도록 마련하고, 아크릴계 바인더를 15wt%, 분산제를 0.5wt% 첨가하고 톨루엔과 에탄올의 혼합용매를 첨가한 후에, 볼밀을 이용하여 분산시켰다. 이렇게 얻은 슬러리를 필터로 거른 후 탈포하고, 닥터 블레이드법을 이용하여 100㎛ 두께의 구속층을 성형하였다.

이어, 실시예와 유사하게, 미소결 다층 세라믹 기판을 마련하고, 상기한 구속층을 각 양면에 배치하고, 압착시켰다. 이어 850 ~ 870℃범위에서 30~60분간 소성을 진행하고, 그 소성된 세라믹 기판의 양면에 형성된 구속층 제거를 위해서 초음파 장비를 이용하되, 매체로는 비교예1에서는 물을 이용하고, 비교예2에서는 알코올을 이용하였다.

도2a 내지 도2c는 상기한 결과물에 대한 표면을 광학현미경으로 촬영한 결과이다.

본 발명의 실시예에 따른 경우에는 도2a에 나타난 바와 같이, 분진이 거의 완전하게 제거되어 회로패턴이 선명하게 들어난 상태를 확인할 수 있다. 이에 반해, 비교예1 및 2에 의해 구속층이 제거된 다층 세라믹 기판의 표면은 도2b 및 도2c에 나타난 바와 같이, 넓은 영역에 걸쳐 구속층이 제거되지 않고, 부분적으로 구속층 잔유물이 남아 있는 것을 확인할 수 있다.

그 후에 실시예 및 비교예1 및 2에 대한 다층 세라믹 기판의 회로패턴에 대한 도금공정을 실시하였다. 비교예1 및 제2와 같이 잔유물이 남아 있는 경우에는 추가적으로 그 잔유물이 제거될 때까지 장시간 걸쳐서 제거공정을 적용한 후에, 도금 공정을 적용하였다.

본 발명의 실시예에 따른 경우에는 도3a에 나타난 바와 같이, 도체패턴에 따라 선명하게 도금된 상태를 확인할 수 있다. 이에 반해, 비교예1 및 2에 의해 다층 세라믹 기판의 도금층은 도2b 및 도2c에 나타난 바와 같이, 부분적으로 도금된 부분이 퍼지거나 도금되지 않은 상태가 관찰되었다.

이와 같이 구속층을 제거하여 도금 퍼짐 및 미도금과 같은 도금 불량이 야기되는 이유는 구속반응층이 완전히 제거되지 않았기 때문이다. 하지만, 도3a와 같이 본 발명에 따른 조건으로 구속층을 마련하고 제거하는 경우에는 구속반응층까지 완전하게 제거되어 우수한 도금성을 확보할 수 있었다.

이러한 도금상태의 차이는 SMT 공정시에 고착강도의 차이로 유발된다. 아래의 표1은 실시예와 비교예1 및 2에 따라 제조된 각각 12개의 샘플에 대한 고착강도의 측정결과를 나타낸다.

샘플	실시예	비교예1	비교예2
1	37.1	15.5	20.3
2	39.6	12.0	21.0
3	35.2	12.0	19.4
4	37.7	13.3	23.4
5	33.6	15.6	19.4
6	41.7	18.1	20.1
7	36.9	13.3	28.7
8	40.4	15.2	21.9
9	34.2	13.8	20.6
10	36.7	17.1	23.5
11	36.8	13.5	21.0
12	37.5	14.7	18.3
평균고착강도	37.3	14.5	21.5
표준편차	2.39	1.89	2.75

표1에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예와 같이 산성용액 사용하여 구속층을 제거하는 경우에, 물을 사용하는 경우(비교예1)보다 2.5배, 알콜을 사용하는 경우(비교예2)보다 1.7배 우수한 고착강도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 고착강도 향상은 낙하신뢰성, 열충격과 같은 신뢰성면에서도 향상된 효과 뿐만 아니라, 실제 양산시 양산 수율 개선을 통한 원가 절감에 효과도 기대할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 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 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.

도1a 내지 도1e는 본 발명에 따른 다층 세라믹 회로기판 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 공정별 단면도이다.

도2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다층 세라믹 회로기판에서 구속층이 제거된 표면을 촬영한 광학현미경 사진이다.

도2b 및 도2c는 비교예에 따라 제조된 다층 세라믹 회로기판에서 구속층이 제거된 표면을 촬영한 광학현미경 사진이다.

도3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다층 세라믹 회로기판의 외부도체패턴에 도금층을 형성한 상태를 촬영한 광학현미경 사진이다.

도3b 및 도3c는 비교예에 따라 제조된 다층 세라믹 회로기판의 외부도체패턴에 도금층을 형성한 상태를 촬영한 광학현미경 사진이다.

Claims (6)

1. 복수의 저온소성용 그린시트가 적층된 미소결 다층 세라믹 기판을 마련하는 단계;

   그래파이트 분말을 주재로 하고, 실리콘 카바이드 분말 및 PBN(pyrolic boron nitrite)이 첨가된 난소결성 구속용 그린 시트를 상기 미소결 다층 세라믹 기판의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 배치하는 단계;

   상기 난소결성 구속층이 배치된 상태에서 상기 미소결 다층 세라믹 기판을 소성하는 단계;

   상기 소성된 다층 세라믹 기판을 산성용액에 침지시키는 단계; 및

   상기 난소결성 구속층이 제거되도록 상기 난소결성 구속층과 상기 산성용액의 접촉을 활성화하는 단계를 포함하는 다층 세라믹 기판 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 난소결성 구속층은 MoS₂ 분말이 더 함유된 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 산성용액은, 질산, 불산 또는 그 혼합물을 중성용매에 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 활성화하는 단계는 버블발생기를 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 산성용액은 상기 버블 발생기가 장착된 욕조에 수용되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판 제조방법.

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