KR101059922B1

KR101059922B1 - 전자디바이스용 고유전율 복합유전체

Info

Publication number: KR101059922B1
Application number: KR1020080073731A
Authority: KR
Inventors: 전명표; 조정호; 남중희; 김병익
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2011-08-29
Also published as: KR20100012373A

Abstract

본 발명은 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체, 폴리페닐렌에테르(PPE) 및 에폭시 수지에 ZST(Zn0.8Sn0.2TiO4), BNT(BaNd2Ti4O12) ,TiO2, CaTiO3, SrTiO3, BaO-Nd2O3-TiO2, CaO-MgO-TiO2, ZnO-SnO-TiO2 및 이들에 BiO, SiO2, CuO, BN 및 Li2O로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 첨가된 고주파 유전체 세라믹 분말을 분산시켜 제조되는 복합 유전체를 제공한다. 이와 같은 본 발명은 높은 유전율과 낮은 유전손실을 갖는 복합유전체 소재 및 제조기술로써 전자기기의 소형화, 경량화 및 고성능화에 기여할 수 있으며, 특히, 콘덴서, 안테나, 임베디드 기판 등의 응용에 적합하다. 또한, 액상의 레진을 사용함으로써 고주파 유전체 세라믹의 분산이 용이하고, 제조 공정이 간단하다.

임베디드 기판, 콘덴서, 안테나, 복합 유전체

Description

전자디바이스용 고유전율 복합유전체{Dielectric substance having high permittivity for electronic device}

본 발명은 복합 유전체에 관한 것으로서, 상세하게는 고주파 유전체 세라믹 분말을 고분자 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB), 에폭시 등에 분산시켜 유전율이 높고, 유전 손실이 작은 특성을 갖는 복합 유전체에 관한 것이다.

최근 들어, 통신 정보의 급증에 따라 통신기의 소형화, 경량화 및 고속화가 강력히 요구되고 있다. 특히, 디지털 휴대전화 등의 휴대형 단말이나 자동차 전화에 의한 이동 통신 및 위성통신의 분야에서는 사용되는 전파의 주파수대역은 고주파 대역이 되고 있다.

사용되는 통신 기기의 급속한 발전에 따라 프레임 및 기판, 전자소자의 소형 고밀도 실장화가 꾀해지고 있다. 그러나, 고주파 대역에 대응한 통신 기기의 소형화, 경량화를 보다 더 추진하기 위해서는 통신 기기에 사용되는 기판 등의 재료는 고주파대에서 고주파 전송 특성이 뛰어난(유전손실이 작은) 것이어야 한다.

여기서, 유전손실은 주파수와 기판의 유전율 ε과 유전 탄젠트(이하 tanδ라고 한다)의 곱에 비례한다. 따라서, 유전손실을 작게 하기 위해서는 기판의 tanδ 를 작게 해야 한다. 또한, 유전율 ε이 클수록 기판의 소형화가 가능하다.

이상으로부터 고주파 대역에서 사용되는 소형의 통신기기, 전자기기, 정보기기에 이용하는 회로 기판에는 유전율 ε이 높고 tanδ가 작은 재료 특성이 요구되고 있다.

이러한 회로 기판의 재료로는 무기재료로서 유전체 세라믹 재료, 유기재료로서 불소 수지 등이 이용되고 있다. 그런데, 유전체 세라믹 재료로 되는 기판은 유전율 ε, tanδ의 특성은 우수하지만 치수 정밀도, 가공성에 난점이 있어 일그러짐이나 균열이 생기기 쉬운 문제점이 있었다. 한편, 수지 등의 유기 재료로 이루어지는 기판은 성형성 및 가공성이 뛰어나고 tanδ도 작은 이점은 있지만, 유전율 ε이 작은 문제가 있었다.

이 때문에, 최근 양자의 이점을 가지는 기판을 얻기 위해 유기 재료와 무기 재료의 복합체로서 수지 재료에 유전체 세라믹 재료를 혼합하여 이루어지는 복합 소재가 제안되고 있다(예를 들면 일본국 특허 제 2617639호 공보 등 참조).

이러한 복합 소재의 일예로서 일본국 특개평 9-31006호 공보에는 특정구조의 폴리비닐벤질에테르 화합물의 경화물을 이용하는 것이 제안되었으나, 고주파 대역에서 고유전율 달성이 불충분하며, 가연성 재료이므로 다층기판과 전자부품 등에 응용시 안전성의 문제가 지적되고 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하여 콘덴서, 안테나, 임베디드 기판 등의 응용 가능하도록 높은 유전율과 낮은 유전손실을 달성할 수 있도록 하면서 제조가 간단한 복합 유전체를 제공하는 것을 기는 복합 유전체를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 세라믹 분말이 고분자 수지에 분산된 복합유전체로써, 고분자 수지로는 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체, 폴리페닐렌에테르(PPE) 및 에폭시 수지로부터 얻어지며, 세라믹 분말은 고주파 유전체 세라믹 분말이다.

상기 고주파 유전체 세라믹 분말로는 ZST(Zn0.8Sn0.2TiO4), BNT(BaNd2Ti4O12) ,TiO2, CaTiO3, SrTiO3, BaO-Nd2O3-TiO2, CaO-MgO-TiO2, ZnO-SnO-TiO2 및 이들에 BiO, SiO2, CuO, BN 및 Li2O로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 첨가된 세라믹의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 고주파 유전체 세라믹 분말의 함량이 고분자와 세라믹 분말의 함량을 100으로 하였을 때 10~60용량%인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 복합 유전체는 1MHz에서 비유전율이 3 ~ 50이며, tanδ가 0을 초과하며 0.01 이하이다.

본 발명은 높은 유전율과 낮은 유전손실을 갖는 복합유전체 소재 및 제조기술로써 전자기기의 소형화, 경량화 및 고성능화에 기여할 수 있으며, 특히, 콘덴서, 안테나, 임베디드 기판 등의 응용에 적합하다. 또한, 액상의 레진을 사용함으로써 고주파 유전체 세라믹의 분산이 용이하고, 제조 공정이 간단하다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 세라믹 분말이 고분자 수지에 분산된 복합유전체로써, 고분자 수지로는 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체, 폴리페닐렌에테르(PPE) 및 에폭시 수지로부터 얻어지며, 세라믹 분말은 고주파 유전체 세라믹 분말이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 복합 유전체는 1MHz에서 비유전율이 3 ~ 50이며, tanδ가 0을 초과하며 0.01 이하의 성능을 갖는다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 하며, 본 발명의 보호범위는 실시예에 의해 제한되는 것은 아니며, 특허청구범위의 기재 내용과 그 균등 범위까지가 보호범위이다.

<실시예 1>

BNT(BaNd2Ti4O12)를 세라믹필러 사용한 복합기판소재의 합성을 위해서는 우선 BNT분말 합성을 위하여 BaCO3, Nd2O3, TiO2를 용매로 에탄올을 사용하여 볼밀로 24시간 동안 혼합 및 분쇄한 후에, 80℃에서 24시간 건조하였다. 건조된 혼합분말을 승온/하강속도를 5℃/min으로 하여 1270℃에서 3시간 유지함으로써 BNT합성분말을 얻는다.

도 1는 하소된 BNT분말의 XRD 회절 패턴 및 JCPDS 데이터와의 매칭 결과를 보여준다. BNT는 XRD 매칭 결과로 볼 때 텅스텐 브론즈 구조를 가지고 있음을 알 수 있다.

BNT분말과 BCB 레진으로 구성된 복합기판소재의 샘플 제작은 후막 성형으로 하였다. 복합기판소재의 조성은 다음과 같다.

복합기판소재 조성(vol%): BNT/BCB = 10/90, 20/80, 30/70, 40/60

BNT와 BCB의 혼합은 콘디션닝 믹서를 사용하였고, 혼합 조건은 1500rpm으로 5분간 실시 후, 기포 제거를 위해 1000rpm으로 3분간 실시하였다. 이후 BNT, BCB 혼합물을 동판 전극 위에 후막 성형 하였다. 상부 전극은 In/Ga전극을 사용하여 지름 약 5mm정도로 형성하였다. 이렇게 제작된 샘플의 유전 특성은 1MHz에서 LCR meter로 측정하였고, 측정된 결과를 표 1에 나타내었다.

시 료	BNT (vol.%)	BCB (vol.%)	유전상수, 25℃ (1MHz)	tanδ (1MHz)
1	-	100	2.5	0.00030
2	10	90	7.1	0.00030
3	20	80	13.9	0.00032
4	30	70	21.3	0.00035
5	40	60	27.2	0.00036
6	100	-	90	0.00046

상기 표 1을 보면 본 발명에 따른 시료에서 유전율은 향상되고, 유전 손실은 감소 되는 것을 알 수 있습니다.

또한 상기 시료 3에 대하여 SEM 사진을 작성하여 도 2로 나타냈으며, 도 2를 보면 BCB 레진과 BNT 필러로 구성됨을 볼 수 있다. 도 2에서 도면 부호 1은 BCB 레진, 2는 BNT 필러를 의미한다.

그리고 상술한 제조 과정을 도 3을 나타냈는데, 도 3은 BNT-BCB 복합 유전체에 대한 개략적인 제조 공정도이다.

도 3을 통하여 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.

우선 BNT(BaNd2Ti4O12) 합성을 위하여 BaCO3, Nd2O3, TiO2 를 용매로 에탄올을 사용하여 볼밀로 24시간 동안 혼합 및 분쇄한 후에, 80℃에서 24시간 건조한다. 건조된 혼합분말을 승온/하강속도를 5℃/min으로 하여 1240℃에서 3시간 유지함으로써 BNT합성분말을 얻는다.

BNT와 BCB의 혼합은 콘디션닝 믹서를 사용하고, 혼합 조건은 1500rpm으로 5분간 실시 후, 기포 제거를 위해 1000rpm으로 3분간 실시한다. 이후 BNT, BCB 혼합물을 동판 전극 위에 후막성형 한다. 상부 전극은 In/Ga전극을 사용하여 지름 약 5mm정도로 형성하였다. 이렇게 제작된 샘플의 유전 특성은 1MHz에서 LCR meter로 측정한다.

<실시예 2>

ZST(Zn0.8Sn0.2TiO4)를 세라믹필러 사용한 복합기판소재의 합성을 위해서는 우선 ZST분말 합성을 위하여 ZrO2, SnO2, TiO2를 용매로 에탄올을 사용하여 볼밀로 24시간 동안 혼합 및 분쇄한 후에, 80℃에서 24시간 건조하였다. 건조된 혼합분말을 승온/하강속도를 5℃/min으로 하여 1240℃에서 3시간 유지함으로써 ZST 합성분말을 얻는다.

도4는 하소된 ZST분말의 XRD 회절 패턴 및 JCPDS 데이터와의 매칭 결과를 보여준다. ZST의 상합성이 잘 되었음을 알 수 있다.

ZST분말과 BCB 레진으로 구성된 복합기판소재의 샘플 제작은 후막 성형으로 하였다. 복합기판소재의 조성은 하기와 같다.

복합기판소재 조성(vol%): ZST/BCB = 10/90, 20/80, 30/70, 40/60

ZST와 BCB의 혼합은 콘디션닝 믹서를 사용하였고, 혼합 조건은 1500rpm으로 5분간 실시 후, 기포 제거를 위해 1000rpm으로 3분간 실시하였다. 이후 ZST, BCB 혼합물을 동판 전극 위에 후막 성형 하였다. 상부 전극은 In/Ga전극을 사용하여 지름 약 5mm정도로 형성하였다. 이렇게 제작된 샘플의 유전 특성은 1MHz에서 LCR meter로 측정하였고, 측정된 결과를 표 2에 나타내었다.

시 료	ZST (vol.%)	BCB (vol.%)	유전상수, 25℃ (1MHz)	tanδ (1MHz)
1	0	100	2.5	0.00030
2	10	90	4.6	0.00026
3	20	80	7.2	0.00023
4	30	70	10.3	0.00021
5	40	60	13.7	0.00018
6	100	0	38	0.00010

상기 표 2를 보면 본 발명에 따른 시료에서 유전율은 향상되고, 유전 손실은 감소 되는 것을 알 수 있습니다.

<실시예 3>

Epoxy/BNT 적용 실험에서 샘플 제작은 우선 합성된 BNT 분말과 에폭시(Bisphenol-A)의 함량에 따라 유발을 사용하여 혼합하였다. 이렇게 혼합된 분말을 가열 프레스를 사용하여 성형하였다. 성형조건은 160℃에서 700psi의 압력으로 10분간 유지시켜 제작하였다. 제작된 시편은 다시 가열 프레스를 사용하여 Cu전극을 시편의 양면에 압착하였고, 전극의 압착조건으로 120℃에서500psi로 2분 동안 압착하였다. 도 5는 상/하부에 Cu전극이 부착된 BNT-에폭시 복합유전체 샘플을 보여준다.

이렇게 제작된 시편의 유전특성은 1MHz에서 LCR meter를 사용하여 측정하였으며, 결과는 표 3에 나타내었다.

시 료	BNT (vol.%)	Bisphenol-A (vol.%)	유전상수, 25℃ (1MHz)	tanδ (1MHz)
1	-	100	4.9	0.011
2	10	90	5.0	0.011
3	20	80	6.8	0.009
4	30	70	7.6	0.008
5	40	60	9.7	0.006
6	100	-	90	0.00046

상기 표 3를 보면 본 발명에 따른 시료에서 유전율은 향상되고, 유전 손실은 감소 되는 것을 알 수 있습니다.

상기 실시예에서 제조된 BNT와 에폭시 수지로 이루어진 복합 유전체 샘플을 도면으로 도시하여 도 5로 나타내었으며, 도면 부호 3a는 상부전극(Cu), 3b는 하부전극(Cu), 4는 BNT-에폭시 복합 유전체를 의미한다.

도면 1은 BNT(BaNd2Ti4O12) 합성 분말의 XRD 회절 패턴이다.

도 2는 BNT(BaNd2Ti4O12)와 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체로 이루어진 복합 유전체의 표면 SEM 사진이다.

도 3은 BNT(BaNd2Ti4O12)와 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체로 이루어진 복합 유전체에 대한 개략적인 제조 공정도이다.

도면 4는 ZST(Zn0.8Sn0.2TiO4) 합성 분말의 XRD 회절 패턴이다.

도면 5은 BNT(BaNd2Ti4O12)와 에폭시 수지로 이루어진 복합 유전체 샘플이다.

<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>

1: BCB 레진 2: 세라믹 분말(BNT)

3a: 상부전극(Cu) 3b: 하부전극(Cu)

4: BNT-에폭시 복합 유전체

Claims

벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체에 고주파 유전체 세라믹 분말 BNT(BaNd2Ti4O12)를 상기 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체의 함량을 100으로 하였을 때 10 ~ 60용량%를 분산시켜 1MHz에서 비유전율이 3 ~ 50이며, tanδ(유전체 손실각)가 0을 초과하며 0.01이하인 것을 특징으로 하는 복합 유전체.
벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체에 고주파 유전체 세라믹 분말 ZST(Zn0.8Sn0.2TiO4)를 상기 벤조시클로부텐 (Benzocyclobutene: BCB) 중합체의 함량을 100으로 하였을 때 10 ~ 60용량%를 분산시켜 1MHz에서 비유전율이 3 ~ 50이며, tanδ(유전체 손실각)가 0을 초과하며 0.01이하인 것을 특징으로 하는 복합 유전체.
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