KR101025937B1 - 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법 - Google Patents

무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 미소결된 제1 세라믹 적층체의 일면에 제1 구속층을 형성하는 단계; 미소결된 제2 세라믹 적층체의 일면에 제2 구속층을 형성하는 단계; 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체 및 제2 구속층에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면상에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하여 접합하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면 중 상기 개구부에 의해 노출된 바닥면상에 에어로졸 증착법에 의한 박막 구속층을 형성하는 단계; 및 상기 미소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함함으로써, 캐비티의 칩실장 영역의 평탄도를 확보할 수 있어 다층 세라믹 기판의 치수 정밀도 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
에어로졸 증착법, 무수축, 구속층

Description

무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법{Manufacturing method of non-shrinking multi-layer ceramic substrate}
본 발명은 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캐비티의 칩실장 영역의 평탄도가 확보된 다층 세라믹 기판을 무수축 공정으로 제조함으로써 보다 신뢰성이 향상된 다층 세라믹 기판을 제조할 수 있는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전자부품영역에 있어서 점차 소형화 추세가 강화, 지속됨에 따라 전자부품의 정밀화, 미세 패턴화, 및 박막화를 통한 소형모듈 및 기판이 개발되고 있다. 그러나, 통상 사용되는 인쇄회로기판(Printed circuit board, PCB)을 소형화된 전자부품에 이용한 경우, 사이즈의 소형화, 고주파 영역에서의 신호손실 및 고온고습시의 신뢰성 저하와 같은 단점이 발생하였다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 PCB 기판이 아닌, 세라믹 및 글래스를 이용한 기판이 사용되고 있다. 세라믹-글래스를 이용한 다층 세라믹 기판은 3차원 구조의 회로 구현 및 캐비티(cavity)의 형성이 가능하므로, 높은 설계 유연성을 가지며 다양한 기능의 소자를 내장할 수 있다.
다층 세라믹 기판은 세라믹 그린시트에 도전성 전극으로 회로 패턴 및 비아(via)를 형성하고, 설계에 따라 원하는 두께로 정렬 적층한 후 소성하여 제작된다. 이 과정에서 세라믹 기판에서는 약 35~50% 정도의 부피 수축이 발생하며, 이 중 횡방향으로 가로 및 세로 각각 약 12~17%의 수축이 일어난다. 이러한 횡방향 수축은 균일하게 제어하기 어려워, 제작 차수별로는 물론이고 동일 제작 차수 내에서도 0.5% 정도의 치수 오차가 발생하게 된다.
다층 세라믹 기판의 구조가 복합화, 정밀화되면서 내부 패턴 및 비아 구조의 설계 마진이 점차 줄어들고 있기 때문에, 이러한 정도의 치수 오차는 고정밀, 고기능 제품의 제작에 중요한 장애가 된다. 이에 따라, 근래에는 다층 세라믹 기판의 횡방향 수축을 억제하는 무수축 소성 공정이 수행되고 있다. 무수축 소성공정으로는 먼저, 세라믹 기판의 한쪽 또는 양쪽 면에 세라믹 기판 재료의 소성 온도에서는 소성되지 않는 소재로 구성된 구속층을 접합한 후에 소성하여 기판의 x-y방향 수축을 억제하는 방법과 소성시 기판에 큰 하중을 가하면서 소성하여 기판의 횡방향 수축을 억제하는 방법, 또는 이 두 가지 방법을 병행하는 방법 등이 제안되고 있다.
이 때, 무수축 공정이 필요한 경우라 하여도, 실장될 칩을 위하여 기판 내부에 캐비티가 형성된 경우에는 캐비티가 형성된 기판의 상면에 구속층을 형성하는 면에서나 하중적용을 위한 로더(loader)의 제작상의 문제점을 고려하면 기존 무수축 공정을 적용하기가 매우 어려운 경우가 있다. 따라서, 캐비티를 갖는 다층 세라믹 기판의 제작시 무수축 공정에 의한 치수 정밀도를 얻는데 어려움이 있다.
즉, 캐비티가 존재함에 따라 표면 형상 때문에 전면에 구속층을 접합하는 것이 용이하지 않으며, 정밀한 가공을 통하여 캐비티에 맞는 구속층을 접합한다 하더라도 소성 후 구속층 제거 공정에서 완전하게 구속층을 제거하는 것 또한 어려워 칩실장을 위한 영역에 평탄도를 확보하는 것이 어려울 수 있다. 또한 하중을 이용한 무수축 소성을 위해서는 캐비티의 형상에 맞는 정밀한 치수의 로더를 따로 제작해야 하는데, 정밀한 가공의 어려움 이외에도 제품의 형상 및 치수에 따라 로더 또한 매번 제작해야 하는 어려움이 따른다.
따라서, 칩실장용 캐비티를 갖는 다층 세라믹 기판을 보다 용이한 방법으로 무수축 공정을 이용하여 제작할 수 있는 제조방법이 요청되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고밀도의 박막을 형성할 수 있는 에어로졸 증착법을 이용하여 난소결성 구속층을 형성하여 캐비티의 칩실장영역의 평탄도를 확보함으로써 치수 정밀도가 우수한 무수축 다층 세라믹 기판을 제조할 수 있는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 미소결된 제1 세라믹 적층체의 일면에 제1 구속층을 형성하는 단계; 미소결된 제2 세라믹 적층체의 일면에 제2 구속층을 형성하는 단계;
상기 미소결된 제2 세라믹 적층체 및 제2 구속층에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면상에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하여 접합하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면 중 상기 개구부에 의해 노출된 바닥면상에 에어로졸 증착법에 의한 박막 구속층을 형성하는 단계; 및 상기 미소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함한다.
이때, 소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체로부터 상기 제1 및 제 구속층과 상 기 박막 구속층의 결과물을 제거하는 단계;를 더 포함하며, 상기 소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체로부터 상기 제1 및 제2 구속층과 상기 박막 구속층의 결과물을 제거하는 단계는, 래핑, 샌드 블러스팅, 수세 및 고압 분무 중 어느 하나에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 및 제2 구속층과 상기 박막 구속층은 상기 미소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체의 소결온도보다 높은 소결온도를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 박막 구속층을 형성하는 단계는, 에어로졸 증착법을 이용해 난소결성 분말을 분사하여 상기 바닥면에 상기 난소결성 분말만으로 이루어진 치밀한 박막을 증착하는 것에 의해 수행되며, 상기 박막 구속층의 두께는 1 ~ 50㎛일 수 있으며, 바람직하게는 상기 박막 구속층의 두께는 3 ~ 10 ㎛일 수 있다.
또한, 상기 난소결성 분말은 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 난소결성 분말의 평균 입경은 0.1 ~ 5 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는 0.1 ~ 1 ㎛이다.
또한, 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면상에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하여 접합하는 단계 이전에, 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체를 30Mpa 이상의 압력으로 압착하는 단계;를 더 포함하며, 상기 개구부를 형성하는 단계는, 펀칭(Punching)방법에 의해 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 미소결된 제1 세라믹 적층체의 일면에 제1 구속층을 형성하는 단계; 미소결된 제2 세라믹 적층체의 일면에 제2 구속층을 형성하는 단계; 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체 및 제2 구속층에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 단계; 미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계; 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하는 단계; 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면 중 상기 개구부에 의해 노출된 바닥면상에 에어로졸 증착법을 이용해 난소결성 분말로 이루어진 박막 구속층을 형성하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면에 상기 박막 구속층이 형성된 상기 미소결된 제2 및 제3 세라믹 적층체를 적층하는 단계; 및 상기 미소결된 제1 내지 제3 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계는, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면에 상기 난소결성 분말의 충돌에 의한 변형을 방지하기 위해, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 타면에 지지기판을 접합하는 단계;를 더 포함하며, 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면에 상기 박막 구속층이 형성된 상기 미소결된 제2 및 제3 세라믹 적층체를 적층하는 단계 이전에, 상기 지지기판을 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계는, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체를 30Mpa 이상의 압력으로 압착하는 단계;를 더 포함하며, 소결된 세라믹 적층체들로부터 상기 구속층들의 결과물을 제거하는 단계;를 더 포함하며, 상기 소결된 세라믹 적층체들로부터 상기 구속층들의 결과물을 제거하는 단계 는, 래핑, 샌드 블러스팅, 수세 및 고압 분무 중 어느 하나에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 및 제2 구속층과 상기 박막 구속층은 상기 미소결된 제1 내지 제3 세라믹 적층체의 소결온도보다 높은 소결온도를 가지며, 상기 박막 구속층의 두께는 1 ~ 50㎛일 수 있으며, 바람직하게는, 3 ~ 10 ㎛이다.
또한, 상기 난소결성 분말은 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 난소결성 분말의 평균 입경은 0.1 ~ 5 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는, 0.1 ~ 1 ㎛이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기판의 형상에 상관없이 원하는 부위에 에어로졸 증착법으로 난소결성 고상 분말을 기판에 강하게 부착시켜 구속층을 형성하여 무수축 소성이 가능함으로써, 캐비티의 칩실장 영역의 평탄도를 확보할 수 있어 다층 세라믹 기판의 치수 정밀도 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
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 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 명세서에 첨부된 도면의 구성요소들은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소되어 도시되어 있을 수 있음이 고려되어야 한다.
본 발명에 이용되는 에어로졸 증착법은 미세한 고상 분말을 기판에 분사하여 고상 분말과 기판 간의 충돌 에너지에 의해 기판 상에 치밀한 고밀도의 박막을 형성하는 방법이다.
구체적인 에어로졸 증착법을 설명하면, 운송 가스가 고상 분말이 담긴 에어로졸 챔버로 유입되고 에어로졸 챔버 내에 부유하는 미세한 고상 분말을 운송 가스에 실어서 진공 상태의 증착실 내에 있는 기판으로 노즐을 통하여 분사한다. 분사된 미세한 고상 분말과 기판 간의 충돌 에너지에 의해 기판 상에 고밀도의 막이 형성된다.
이러한 에어로졸 증착법은 막 형성 속도가 기존 박막 프로세스보다 월등히 빠른 분당 수 ㎛ 에 달하므로 서브 마이크론 두께에서 수십 마이크론 두께까지 막 형성 두께를 용이하게 조절할 수 있어 충분한 양산성을 갖추고 있으며, 특히, 분사된 입자의 속도가 초당 수백 미터에 이르는 고속으로서, 미세한 고상 분말이 그에 해당하는 운동에너지를 가지고 기판과 충돌하게 되므로 기판과 막의 접점에서 매우 강한 결합을 형성할 수 있다. 특히, 기판의 형태와 성막 위치에 구애받지 않고 원하는 위치에 고르게 막을 형성할 수 있다.
즉, 에어로졸 증착법은 저온동시소성 기판과 강하게 결합할 수 있는 박막 구 속층 형성 프로세스로 적합하며, 특히, 요철 구조인 캐비티 구조의 바닥면에 박막 구속층을 용이하게 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명은 캐비티의 칩실장영역에 박막 구속층을 형성하기 위해, 에어로졸 증착법을 이용하여 소성 전에 이미 기공이 거의 없이 바인더나 용매를 사용하지 않고 난소결성 고상 분말만으로 이루어진 치밀한 상태의 박막 구속층을 형성한다. 이 박막 구속층은 소성시 부피 수축이 거의 없는 자체적으로 무수축 소성에 가까운 거동을 통해 캐비티 바닥면의 주면 방향의 수축을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 미소결된 제1 세라믹 적층체의 일면에 제1 구속층을 형성하는 단계; 미소결된 제2 세라믹 적층체의 일면에 제2 구속층을 형성하는 단계;
상기 미소결된 제2 세라믹 적층체 및 제2 구속층에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면상에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하여 접합하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면 중 상기 개구부에 의해 노출된 바닥면상에 에어로졸 증착법에 의한 박막 구속층을 형성하는 단계; 및 상기 미소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판을 제조하기 위한 제조 방법을 설명하는 공정별 단면도이다.
도 1a에는 제1 세라믹 적층체(110) 및 제2 세라믹 적층체(130)가 도시되어 있다. 여기서, 본 발명에 따른 무수축 다층 세라믹 기판 제조 방법에서는 세라믹 적층체를 먼저 준비한다.
제1 세라믹 적층체(110)를 제조하기 위하여, 먼저, 유리-세라믹 분말에 소정의 수지, 분산제 및 혼합용매를 첨가하여 세라믹 그린 시트를 제조한다. 이때, 분산제를 소정량 첨가함으로써 유리-세라믹 분말을 분산시킬 수 있다. 그리고, 수지로는 아크릴계 수지가 사용될 수 있으며, 혼합용매로는 톨루엔과 에탄올이 사용될 수 있다.
이러한 혼합액은 볼밀을 이용한 분산, 슬러리화, 여과 및 탈포 공정 등을 거치고, 닥터 블레이드법을 이용해 원하는 두께의 세라믹 그린 시트로 성형될 수 있다. 세라믹 그린 시트를 일정 크기로 재단한 후, 원하는 비아 홀 및 전극 패턴과 같은 인쇄회로패턴(111)을 형성하고, 이들을 압착, 적층함으로써 제1 세라믹 적층체(110)를 제조한다. 그런 다음, 제1 세라믹 적층체(110)의 일면에 구속층(120)을 접합하여 다층 세라믹 기판의 하부를 제작한다.
그리고, 제2 세라믹 적층체(130)를 제조하기 위하여, 제1 세라믹 적층체(110)와 동일하게 성형된 세라믹 그린 시트를 일정 크기로 재단한 후, 이를 압착, 적층함으로써 제2 세라믹 적층체(130)가 제조된다.
이렇게 제조된 제2 세라믹 적층체(130)의 일면에 구속층(140)을 접합하여 다층 세라믹 기판의 캐비티부를 제작한다. 그런 다음, 제2 세라믹 적층체 및 구속층(140)에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부(150)를 형성한다. 개구부는 예 를 들면, 펀칭(punching) 방법에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 세라믹 적층체(110, 130)의 접합에 의해 형성되는 캐비티의 바닥면에 에어로졸 증착법을 이용하여 박막 구속층을 형성하기 전에, 제1 세라믹 적층체(110)의 일면에 분사된 난소결성 분말과 세라믹 적층체의 충돌시 발생하는 세라믹 적층체의 변형을 방지하기 위해, 분사된 난소결성 분말과 직접 충돌하는 제1 세라믹 적층체(110)에 미리 50Mpa 이상의 압력으로 프레스를 실시하여 단단하게 한다.
그런 다음, 프레스를 실시한 제1 세라믹 적층체(110)의 일면에 제2 세라믹 적층체(130)를 적층하여 캐비티를 형성한다.
여기서, 구속층(120, 140)은 소성시 기판의 수축 제어를 위하여 형성되는 층으로, 기판의 소성온도에서 소결되지 않는 분말을 포함하며, 용매 및 결합제가 함께 혼합되어 시트 형태로 형성된다. 이러한 구속층(120, 140)은 제1 및 제2 세라믹 적층체(110, 130)의 최외곽층에 접합되어, 소성 중 제1 및 제2 세라믹 적층체(110, 130)가 주면 방향으로 수축되는 것을 방지한다.
도 1b에는 제1 및 제2 세라믹 적층체(110, 130)가 접합되어 형성된 캐비티(160)의 바닥면, 즉, 칩실장영역에 박막 구속층(180)을 형성하는 공정이 도시되어 있다.
도1b에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 세라믹 적층체(110, 130)가 접합되어 형성된 캐비티(160)의 바닥면, 즉, 제1 세라믹 적층체(110)의 일면 중 개구부에 의해 노출된 영역에 에어로졸 증착법에 의하여 난소결성 분말(170)가 분사되어 치밀 한 상태의 박막 구속층(180)을 증착한다.
이때, 박막 구속층(180)이 증착되는 두께는 1 ~ 50㎛ 이며, 바람직하게는, 3 ~ 10 ㎛이다. 그리고, 난소결성 분말(170)은 통상적인 저온동시소성 세라믹(LTCC)의 소성 온도인 900 ℃ 이하에서 소결되지 않는 분말로서, 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나일 수 있으며, 난소결성 분말(170)의 평균 입경은 0.1 ~ 5 ㎛이며, 바람직하게는, 0.1 ~ 1 ㎛ 이다.
도 1c에는 제1 및 제2 세라믹 적층체(110, 130)가 접합되어 형성된 캐비티(160)의 바닥면, 즉, 칩실장영역에 박막 구속층(180)의 증착이 완료된 상태가 도시되어 있다.
한편, 제1 세라믹 적층체(110)의 하면에 구속층(120)을 접합하기 전에, 분사된 난소결성 분말과 세라믹 적층체의 충돌시 발생하는 세라믹 적층체의 변형을 방지하기 위한 지지기판(미도시)을 접합한다. 여기서, 지지기판(150)은 기소성된 세라믹 기판이거나 금속 기판일 수 있다. 지지기판이 접합된 제1 세라믹 적층체(110)를 제2 세라믹 적층체(130)와 접합하고, 이에 의해 형성된 캐지티의 칩실장역역에 에어로졸 증착법에 의하여 분사된 난소결성 분말의 박막 구속층(180)을 형성한다. 그런 다음, 지지기판을 제1 세라믹 적층체(110)로부터 제거하고, 무수축 소성을 위한 구속층(120)을 접합할 수도 있다.
도 1c와 같이 에어로졸 증착법에 의하여 캐비티(160)의 칩실장영역에 박막 구속층(180)의 형성이 완료된 제1 및 제2 세라믹 적층체(110, 130)를 무수축 소성 한다.
도 1d에서는 도 1c에서 소성된 제1 세라믹 적층체(110) 및 제2 세라믹 적층체(130)로부터 구속층(120, 140) 및 박막 구속층(180)의 결과물을 각각 제거한 상태를 도시하고 있다. 구속층(120, 140) 및 박막 구속층(180)의 결과물은 래핑, 샌드 페이퍼를 이용한 샌드 블러스팅, 수세, 초음파를 이용한 분쇄 및 고압 분무 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
이와 같이, 소성된 제1 세라믹 적층체(110) 및 제2 세라믹 적층체(130)로부터 구속층(120, 140) 및 박막 구속층(180)의 결과물을 각각 제거하여 무수축 다층 세라믹 기판(200)이 제조된다.
도 2에서는 본 발명의 일실시 형태에 따라 제조된 무수축 다층 세라믹 기판의 칩실장용 캐비티에 칩을 실장하여 완성한 패키지를 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 무수축 다층 세라믹 기판(200)에는 인쇄회로패턴(210)이 형성되어 있다. 캐비티 내에는 칩(220)이 다이 본딩(Die Bonding) 방법으로 실장되고, 와이어(230)를 통해 무수축 다층 세라믹 기판(200)에 형성된 전극들과 각각 와이어 본딩(Wire Bonding)된다.
칩(220)이 실장되면 보호를 위하여 캐비티는 무수축 다층 세라믹 기판(200)의 상면에 안착되는 밀봉용 커버부재인 리드(240)에 의해서 밀봉 처리되어 칩이 실장된 무수축 다층 세라믹 기판(200)의 패키지를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 미소결된 제1 세라믹 적층체의 일면에 제1 구속층을 형성하는 단계; 미소결된 제2 세라믹 적층체의 일면에 제2 구속층을 형성하는 단계; 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체 및 제2 구속층에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 단계; 미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계; 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하는 단계; 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면 중 상기 개구부에 의해 노출된 바닥면상에 에어로졸 증착법을 이용해 난소결성 분말로 이루어진 박막 구속층을 형성하는 단계; 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면에 상기 박막 구속층이 형성된 상기 미소결된 제2 및 제3 세라믹 적층체를 적층하는 단계; 및 상기 미소결된 제1 내지 제3 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계는, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면에 상기 난소결성 분말의 충돌에 의한 변형을 방지하기 위해, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 타면에 지지기판을 접합하는 단계;를 더 포함하며, 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면에 상기 박막 구속층이 형성된 상기 미소결된 제2 및 제3 세라믹 적층체를 적층하는 단계 이전에, 상기 지지기판을 제거하는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판을 제조하기 위한 제조 방법을 설명하는 공정별 단면도이다. 여기서, 제1 및 제2 세라믹 적층체는 도 1a 내지 도 1d의 제1 및 제2 세라믹 적층체와 동일하므로, 동일한 설명은 생략하기로 한다.
도 3a에는 제1 세라믹 적층체(310)가 도시되어 있다. 여기서, 본 발명에 따른 무수축 다층 세라믹 기판 제조 방법에서는 세라믹 적층체를 먼저 준비한다.
제1 세라믹 적층체(310)는 세라믹 그린 시트들에 원하는 비아 홀 및 전극 패턴과 같은 인쇄회로패턴(311)을 형성하고, 이들을 압착, 적층함으로써 제조된다. 이와 같이 제조된 제1 세라믹 적층체(310)의 하면에 구속층(320)을 접합한다.
도 3b에는 제2 세라믹 적층체(330) 및 제3 세라믹 적층체(360)가 도시되어 있다. 제2 세라믹 적층체(330)는 세라믹 그린 시트들을 압착, 적층하여 제조된다. 그런 다음, 제2 세라믹 적층체(330)의 일면에 구속층(340)을 접합하고, 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부(350)를 형성한다. 이때, 개구부(350)는 펀치 등을 이용한 펀칭 방법에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 제3 세라믹 적층체(360)를 제조하기 위하여, 세라믹 그린 시트들에 원하는 비아 홀 및 전극 패턴과 같은 인쇄회로패턴(361)을 형성하고, 이들을 압착, 적층하여 제조된다.
이와 같이 제조된 미소결 상태의 제3 세라믹 적층체(360)의 일면에 제2 세라믹 적층체(330)를 적층하여 접합함으로써 캐비티를 형성한다.
그리고, 캐비티의 바닥면에 에어로졸 증착법에 의한 박막 구속층을 형성하기 전에, 제3 세라믹 적층체(360)의 타면, 즉, 제2 세라믹 적층체(330)가 접합되는 일면과 대향되는 면에, 에어로졸 증착법에 의하여 분사된 난소결성 분말과 세라믹 적 층체의 충돌시 발생하는 세라믹 적층체의 변형을 방지하기 위한 지지기판(370)을 접합한다. 여기서, 지지기판(370)은 기소성된 세라믹 기판이거나 금속 기판일 수 있다. 또는, 분사된 난소결성 분말과 직접 충돌하는 제3 세라믹 적층체(360)를 단단하게 하기 위해서 미리 50Mpa 이상의 압력으로 프레스를 실시한 후 제2 세라믹 적층체(330)와 접합할 수도 있다.
도 3c에는 제2 및 제3 세라믹 적층체(330, 360)가 접합되어 형성된 캐비티(380)의 칩실장영역에 박막 구속층(390)을 형성하는 공정이 도시되어 있다.
제2 및 제3 세라믹 적층체(330, 360)가 접합되어 형성된 캐비티(380)의 바닥면, 즉, 제3 세라믹 적층체(360)의 일면 중 개구부에 의해 노출된 영역에 에어로졸 증착법에 의하여 분사된 난소결성 분말을 증착하여 치밀한 상태의 박막 구속층(390)을 형성한다.
이때, 박막 구속층(390)이 증착되는 두께는 1 ~ 50㎛ 이며, 바람직하게는, 3 ~ 10 ㎛ 인 것이 좋다. 그리고, 난소결성 분말은 통상적인 저온동시소성 세라믹(LTCC)의 소성 온도인 900 ℃ 이하에서 소결되지 않는 분말로서, 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나일 수 있으며, 난소결성 분말의 평균 입경은 0.1 ~ 5 ㎛이며, 바람직하게는, 0.1 ~ 1 ㎛ 인 것이 좋다.
도 3d에는 제1 세라믹 적층체(310)와 제2 및 제3 세라믹 적층체(330, 360)가 접합된 상태가 도시되어 있다.
제2 및 제3 세라믹 적층체(330, 360)가 접합되어 형성된 캐비티(380)의 바닥 면, 즉, 칩실장영역에 박막 구속층(390)의 증착이 완료되면, 제3 세라믹 적층체(360)의 하면에 부착된 지지기판(370)을 제거하고, 제1 세라믹 적층체(310)를 접합한다. 이와같이 적층된 적층체를 무수축 소성한다.
도 3e에서는 도 3d에서 소성된 제1 세라믹 적층체(310) 내지 제3 세라믹 적층체(360)로부터 구속층(320, 370) 및 박막 구속층(390)의 결과물을 각각 제거한 무수축 다층 세라믹 기판(400)을 도시하고 있다.
도 4에서는 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 제조된 무수축 다층 세라믹 기판의 칩실장용 캐비티에 칩을 실장하여 완성한 패키지를 도시한 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 무수축 다층 세라믹 기판(400)에는 인쇄회로패턴(410)이 형성되어 있다. 캐비티 내에는 칩(420)이 다이 본딩(Die Bonding) 방법으로 실장되고, 와이어(430)를 통해 무수축 다층 세라믹 기판(400)에 형성된 전극들과 각각 와이어 본딩(Wire Bonding)된다.
칩(420)이 실장되면 보호를 위하여 캐비티는 무수축 다층 세라믹 기판(400)의 상면에 안착되는 밀봉용 커버부재인 리드(440)에 의해서 밀봉 처리되어 칩이 실장된 무수축 다층 세라믹 기판(400)의 패키지를 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라 제조된 무수축 다층 세라믹 기판의 칩실장용 캐비티에 칩을 실장하여 완성한 패키지를 도시한 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 무수축 다층 세라믹 기판(500)에는 계단 형상의 캐비티가 형성되어 있으며, 또한, 인쇄회로패턴(510)이 형성되어 있다. 여기서, 계단형상의 캐비티를 형성하기 위하여 2개의 세라믹 적층체를 사용하며, 각의 세라믹 적층체에 개구부를 형성한 후 적층함으로써 캐비티를 형성하며, 이후 캐비티 내부에 박막 구속층을 형성하는 과정은 도 1 또는 도 3과 동일하므로, 동일한 설명은 생략한다.
그리고, 캐비티 내에는 칩(520)이 실장되고, 와이어(530)를 통해 무수축 다층 세라믹 기판(500)에 형성된 전극들과 각각 와이어 본딩되어 있다.
칩(520)을 보호를 위한 밀봉용 커버부재인 리드(540)가 무수축 다층 세라믹 기판(500)의 상면에 안착되어 밀봉 처리되므로써 무수축 다층 세라믹 기판(500)의 패키지를 형성할 수 있다.
아래와 같이, 본 발명의 조건에 해당하는 에어로졸 증착법에 의하여 분사된 난소결성 분말을 증착하여 캐비티의 바닥면, 즉, 칩실장역역에 박막 구속층을 형성한 후, 소성공정을 실시하여 무수축 다층 세라믹 기판을 제조하였다.
[패키지 하부의 제작]
유리-세라믹 분말 100%에 대하여 아크릴계 바인더를 15wt%, 분산제를 0.5wt% 첨가하고 톨루엔과 에탄올의 혼합용매를 첨가한 후 볼밀을 이용하여 분산시켰다. 이렇게 얻은 슬러리를 필터로 거른 후 탈포하고, 닥터 블레이드법을 이용하여 50㎛ 두께의 그린시트를 성형하였다. 그린시트를 일정 크기로 재단하고소정의 전극 패턴 을 스크린 인쇄로 형성한 후 20층을 압착, 적층하였다. 무수축 소성을 위해서 패키지 하부의 하단에 200㎛ 두께의 가용성 구속층을 접합하여 패키지의 하부를 완성하였다.
[캐비티부의 제작]
먼저 캐비티 벽면을 제작하기 위해 그린시트를 적층하여 다층의 적층체를 만들고 무수축 소성을 위하여 200㎛ 두께의 가용성 구속층을 적층체의 최상부에 접합시킨 후, 적층체의 중앙 부위를 소정 크기로 펀칭하여 캐비티를 이루게 되는 개구부를 형성하였다. 캐비티 바닥면을 제작하기 위해 그린시트를 목표 두께로 적층한 후 에어로졸 증착법에 의하여 분사된 입자와의 충돌에 견딜 수 있도록 50Mpa의압력으로 프레스를 실시하였다. 캐비티 바닥면과 벽멱을 접합하여 다층 세라믹 기판의 캐비티부를 제작하였다.
[에어로졸 증착을 이용한 박막 구속층 형성]
캐비티부의 캐비티 부분에 에어로졸 증착법을 이용하여 난소결성 분말을증착하였다. 난소결성 분말로는 평균 입경 0.6㎛인 알루미나(Al2O3)를 사용하였다. 에어로졸 챔버 내의 분말을 5 liter/min 유속의 운송 가스를 사용하여 증착실 내로 공급하였으며, 5×0.5㎟ 크기의 직사각형 형태의 노즐을 통과하여 분말이 빠른 속도로 캐비티 부분에 충돌하면서 알루미나 막이 증착되었다. 증착실에 연결된 진공펌프에 의해 증착 공정 중에 에어로졸 챔버와 증착실은 각각 600 Torr, 1 Torr 이 하의 진공으로 유지되었다. 운송 가스로는 산소가스가 사용되었으며, 기판과 노즐간 거리는 5 mm였다. 증착시 기판에 부착된 XY 스테이지(stage)를 작동시킴으로써 목표 면적의 막 형성이 가능하였다. 증착 시간은 30분이며, 약 10 ㎛ 두께의 막이 형성되었다.
[소성 및 패키지 완성]
제작된 각 부분, 패키지 하부와 캐비티부를열압착에 의해 일체화한 후 소성 프로파일에 따라 870℃에서 1시간 동안 열처리하여 치밀화시켰다. 소성후 기판 상부와 하부의 가용성 구속층을 제거하고 캐비티 바닥면의 박막 구속층을 제거하였다. 그런 다음, 캐비티의 칩실장영역에 칩을 실장한 후 리드로 밀봉하여 패키지를 완성하였다.
결과적으로, 캐비티 구조를 갖는 다층 세라믹 기판의 무수축 소성이 어려운 것은, 기판 상부의 요철 구조 때문에 구속층을 전면에 접합하고 압착하기 어렵고, 칩실잘영역의 표면조도 및 휘어짐을 제어하여 평탄도를 확보하기가 어렵기 때문이다. 따라서, 본 발명에 의하면, 기판의 형상에 상관없이 캐비티에 의한 요철 구조를 갖는 기판에도 원하는 부위에 에어로졸 증착법으로 박막 구속층을 형성할 수 있으며, 에어로졸 증착법으로 난소결성 고상 분말을 강하게 부착시킴으로써 10㎛이하의 박막 구속층으로도 소성 과정에서 기판이 주면 방향으로 수축하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 따라 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 따라 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 자에게 자명할 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판을 제조하기 위한 제조 방법을 설명하는 공정별 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 제조된 무수축 다층 세라믹 기판의 칩실장용 캐비티에 칩을 실장하여 완성된 패키지를 도시한 도면,
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판을 제조하기 위한 제조 방법을 설명하는 공정별 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 제조된 무수축 다층 세라믹 기판의 칩실장용 캐비티에 칩을 실장하여 완성된 패키지를 도시한 도면, 그리고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라 제조된 무수축 다층 세라믹 기판의 칩실장용 캐비티에 칩을 실장하여 완성된 패키지를 도시한 도면이다.

Claims (24)

  1. 미소결된 제1 세라믹 적층체의 일면에 제1 구속층을 형성하는 단계;
    미소결된 제2 세라믹 적층체의 일면에 제2 구속층을 형성하는 단계;
    상기 미소결된 제2 세라믹 적층체 및 제2 구속층에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 단계;
    상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면상에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하여 접합하는 단계;
    상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면 중 상기 개구부에 의해 노출된 캐비티의 바닥면에 에어로졸 증착법에 의한 박막 구속층을 형성하는 단계; 및
    상기 미소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체로부터 상기 제1 및 제 구속층과 상기 박막 구속층의 결과물을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체로부터 상기 제1 및 제2 구속층과 상 기 박막 구속층의 결과물을 제거하는 단계는, 래핑, 샌드 블러스팅, 수세 및 고압 분무 중 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 구속층과 상기 박막 구속층은 상기 미소결된 제1 및 제2 세라믹 적층체의 소결온도보다 높은 소결온도를 갖는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 박막 구속층을 형성하는 단계는, 에어로졸 증착법을 이용해 난소결성 분말을 분사하여 상기 바닥면에 상기 난소결성 분말만으로 이루어진 치밀한 박막을 증착하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 박막 구속층의 두께는 1 ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 박막 구속층의 두께는 3 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 난소결성 분말은 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 난소결성 분말의 평균 입경은 0.1 ~ 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 난소결성 분말의 평균 입경은 0.1 ~ 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면상에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하여 접합하는 단계 이전에, 상기 미소결된 제1 세라믹 적층체를 30Mpa 이상의 압력으로 압착하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 개구부를 형성하는 단계는, 펀칭(Punching)방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  13. 미소결된 제1 세라믹 적층체의 일면에 제1 구속층을 형성하는 단계;
    미소결된 제2 세라믹 적층체의 일면에 제2 구속층을 형성하는 단계;
    상기 미소결된 제2 세라믹 적층체 및 제2 구속층에 칩실장용 캐비티를 형성하기 위한 개구부를 형성하는 단계;
    미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계;
    상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면에 상기 미소결된 제2 세라믹 적층체를 적층하는 단계;
    상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면 중 상기 개구부에 의해 노출된 캐비티의 바닥면에 에어로졸 증착법을 이용해 난소결성 분말로 이루어진 박막 구속층을 형성하는 단계;
    상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면에 상기 박막 구속층이 형성된 상기 미소결된 제2 및 제3 세라믹 적층체를 적층하는 단계;
    상기 미소결된 제1 내지 제3 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계는, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 일면에 상기 난소결성 분말의 충돌에 의한 변형을 방지하기 위해, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체의 타면에 지지기판을 접합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 미소결된 제1 세라믹 적층체의 타면에 상기 박막 구속층이 형성된 상기 미소결된 제2 및 제3 세라믹 적층체를 적층하는 단계 이전에, 상기 지지기판을 제거하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 미소결된 제3 세라믹 적층체를 형성하는 단계는, 상기 미소결된 제3 세라믹 적층체를 30Mpa 이상의 압력으로 압착하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    소결된 세라믹 적층체들로부터 상기 구속층들의 결과물을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 소결된 세라믹 적층체들로부터 상기 구속층들의 결과물을 제거하는 단계는, 래핑, 샌드 블러스팅, 수세 및 고압 분무 중 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 구속층과 상기 박막 구속층은 상기 미소결된 제1 내지 제3 세라믹 적층체의 소결온도보다 높은 소결온도를 갖는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 박막 구속층의 두께는 1 ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 박막 구속층의 두께는 3 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 난소결성 분말은 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 난소결성 분말의 평균 입경은 0.1 ~ 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 난소결성 분말의 평균 입경은 0.1 ~ 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
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