KR101085642B1

KR101085642B1 - 세라믹 기판의 제조방법

Info

Publication number: KR101085642B1
Application number: KR1020090064962A
Authority: KR
Inventors: 유원희; 장병규; 김용석
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-11-22
Also published as: KR20110007439A; US20110011631A1; JP2011023691A

Abstract

본 발명은 세라믹 기판 및 세라믹 기판의 제조방법에 관한 것으로, 세라믹 기판은 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재의 적어도 일 면상에서 그 내부 및 외부 소정 깊이로 형성된 전극 패턴, 및 상기 전극 패턴 내부에 충진된 전극재료를 포함하고, 세라믹 기판의 제조방법은 세라믹 기재의 적어도 일 면상에 제1 전극재료를 도포하는 공정, 상기 도포된 제1 전극재료를 가압하여 표층내장 전극패턴을 형성하는 공정, 상기 표층내장 전극패턴이 형성된 세라믹 기재를 1차 소성하는 공정, 상기 표층내장 전극패턴 상에 제2 전극재료를 도포하는 공정, 및 상기 제2 전극재료가 도포된 세라믹 기재를 2차 소성하는 공정을 포함한다.

세라믹 기판, 전극 패턴, 전극재료, 소성

Description

세라믹 기판의 제조방법{Method of Manufacturing Ceramic Substrate}

본 발명은 세라믹 기판의 제조방법에 관한 것으로, 동일한 위치에 2차로 전극패턴을 형성하고 2차로 소성하는 공정으로 세라믹 기판을 형성함으로써 물리적/화학적 결합에 의하여 전극과 세라믹 기판의 고착강도를 향상시키는 세라믹 기판의 제조방법에 관한 것이다.

최근 전자부품 영역에 있어서, 소형화 추세가 강화, 지속됨에 따라 전자부품의 정밀화, 미세 패턴화 및 박막화를 통한 소형 모듈 및 기판이 개발되고 있다. 그러나, 통상 사용되는 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)을 소형화된 전자부품에 이용하는 경우 사이즈의 소형화, 고주파 영역에서의 신호 손실 및 고온 고습시의 신뢰성 저하와 같은 단점이 발생하는 문제가 있었다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 세라믹 기판이 사용되고 있다. 세라믹 기판의 주성분은 저온 동시 소성이 가능한 글래스(glass)가 다량 포함된 세라믹 조성물이다.

다층구조로 많이 사용되고 있는 저온동시소성세라믹(LTCC: Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술은 800℃ 내지 1000℃ 범위의 비교적 저온에서 세라믹과 금속의 동시소성 방법을 이용하여 기판을 형성하는 기술이다.

LTCC 기판은 녹는점이 낮은 글래스와 세라믹을 혼합하여 적당한 유전율을 갖는 그린시트를 형성하고, 그 위에 도전성 페이스트를 인쇄하여 캐패시터, 레지스터 또는 인덕터와 같은 수동 소자들을 패턴으로 인쇄한 후, 각각의 시트를 적층하여 기판을 형성하게 된다.

세라믹 기판은 세라믹에 바인더 기타 첨가제를 혼합하여 시트 형상으로 형성된 세라믹 그린 시트에 내부전극 및 각 층간의 패턴 연결을 위한 비아를 형성하여 이를 적층한 적층체를 형성하고 그 표면에 외부 기판이나 부품과의 전기적 연결을 위한 외부전극을 형성하고 이를 소성하여 제조하거나, 세라믹 그린 시트 상에 내부전극 및 도전성 비아를 형성하고 이를 소성한 후에 외부전극을 별도로 형성하여 2차 소성을 진행하여 세라믹 기판을 얻을 수 있다.

LTCC 기판 표면에는 외부소자를 실장하기 위하여 솔더 페이스트를 인쇄한 후, 고용량의 칩캐패시터, 칩인덕터, 칩저항 및 표면탄성파(SAW: Surface Acoustic Wave) 필터와 같은 소자를 실장하게 되어 기능복합화를 유도하고 있다.

그러나, 최근 LTCC 모듈의 소형화 추세에 따라 기판의 표면에 실장할 수 있는 소자의 개수 및 면적에 있어서 한계에 도달하게 되었다. 소자간 간격의 감소로 인하여 소자의 표면실장시 접착을 위한 솔더 페이스트의 퍼짐에 의해 실장되는 부품 간에 원하지 않는 전기적 도통이 일어나는 불량이 발생하고, LTCC 기판 내부의 비아를 통하여 내장소자가 외부의 습기에 영향을 받는 문제점이 발생하고 있다.

도 1은 종래의 세라믹 기판의 제조방법의 흐름도를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 세라믹 기판의 제조방법은 소성된 세라믹 기판을 제공하는 단계(11), 상기 소성된 세라믹 기판의 표층부에 외부 전극을 인쇄하는 단계(12) 및 외부 전극이 형성된 세라믹 기판을 소성하는 단계(13)를 포함한다.

즉, 종래의 세라믹 기판의 제조방법은 소성된 세라믹 기판 표층부에 전극을 인쇄한 후 전극이 형성된 세라믹 기판을 다시 소성하는 공정을 거쳐 세라믹 기판의 외부 전극을 형성한다.

이러한 방법은 850℃ 정도의 온도에서 소성된 세라믹 기판(11) 상에 전극을 인쇄한 후(12) 다시 800℃ 정도의 온도에서 2차 소성하는 공정(13)을 거치게 되지만, 세라믹 기판관 외부 전극이 각각 별도로 소성되기 때문에 세라믹 기판과 외부 전극의 고착강도 향상에 한계가 있다.

특히, 세라믹 기판 외부 전극의 고착강도 향상은 SMT 및 패키징(packaging) 공정의 신뢰성 향상을 위한 필수 조건이므로 고신뢰성을 요구하는 패키징 조건 적용에 어려움이 있다.

본 발명은 표층내장 전극패턴이 형성된 세라믹 기판을 1차 소성하고 동일한 위치에 2차로 전극패턴을 형성하여 전극패턴이 형성된 세라믹 기판을 2차로 소성하는 공정으로 외부 전극을 형성함으로써 물리적/화학적 결합에 의하여 전극과 세라믹 기판의 고착강도를 향상시키는 세라믹 기판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 한 특징에 따르면, 세라믹 기재의 적어도 일 면상에 제1 전극재료를 도포하는 공정, 상기 도포된 제1 전극재료를 가압하여 표층내장 전극패턴을 형성하는 공정, 상기 표층내장 전극패턴이 형성된 세라믹 기재를 1차 소성하는 공정, 상기 표층내장 전극패턴 상에 제2 전극재료를 도포하는 공정, 및 상기 제2 전극재료가 도포된 세라믹 기재를 2차 소성하는 공정을 포함한다.

삭제

또한, 본 발명에 따른 세라믹 기판의 제조방법의 상기 표층내장 전극패턴 상에 제2 전극재료를 도포하는 공정은 상기 표층내장 전극패턴과 상기 제2 전극재료가 도포되는 패턴이 일대일로 매칭되거나, 상기 제2 전극재료가 도포되는 패턴이 상기 표층내장 전극패턴보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 세라믹 기판의 제조방법의 상기 세라믹 기재는 SiO₂, MgO, CaCO₃ 및 알루미나 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 또는 제2 전극재료는 Ag, Cu 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 세라믹 기판의 제조방법의 상기 제1 전극재료 및 제2 전극재료는 동일한 물질로 형성되는 것이 바람직하다.

삭제

또한, 본 발명에 따른 세라믹 기판의 제조방법은 상기 1차 소성 공정 또는 2차 소성 공정에서 상기 세라믹 기재와 접하는 제1 전극재료 사이에 화학적 결합이 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예에서는 2차 전극패턴 형성 및 2차 소성과정을 거치면서 전극과 세라믹 기재 사이의 물리적, 화학적 결합을 형성함으로써 종래의 세라믹 기판 의 외부 전극 고착강도의 한계를 극복하여 세라믹 기판 표층부의 외부 전극 고착강도가 향상되는 효과가 있다.

또한, 세라믹 기판 표층부에 원형, 사각 패턴 등의 다양한 형태의 패턴 적용이 가능하며, 고신뢰성 패키징 공정의 안정성을 확보할 수 있는 우수한 효과가 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판 및 세라믹 기판의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 제조방법의 흐름도를 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 제조방법은 세라믹 기재의 적어도 일 면상에 제1 전극재료를 도포하는 공정(21), 상기 도 포된 제1 전극재료를 가압하여 표층내장 전극패턴을 형성하는 공정(22), 상기 표층내장 전극패턴이 형성된 세라믹 기재를 1차 소성하는 공정(23), 상기 표층내장 전극패턴 상에 제2 전극재료를 도포하는 공정(24), 및 상기 제2 전극재료가 도포된 세라믹 기재를 2차 소성하는 공정(25)을 포함한다.

세라믹 기재(A)의 적어도 일 면상에 제1 전극재료(B)를 도포하는 공정(21)은 세라믹 기재(A)의 표층부에 랜드 패턴(land pattern)의 제1 전극재료(B)를 대략 1~2㎛의 두께로 도포한다.

세라믹 기재(A)는 SiO₂, MgO, CaCO₃ 및 알루미나 중 적어도 하나를 포함하는 물질 또는 이들의 화합물로 형성될 수 있고, 제1 전극재료(B)는 Ag, Cu 중 적어도 하나의 물질 또는 이들의 화합물로 형성될 수 있다.

도포된 제1 전극재료(B)가 가압되어 세라믹 기재(A)의 표층내장 전극패턴(B)을 형성하는 공정(22)은 세라믹 기재(A)가 소성되지 않은 상태이므로 프레스(press) 기기 등을 사용하여 물리적으로 압력을 가하여 형성할 수 있다.

표층내장 전극패턴이 형성되면 표층내장 전극패턴(B)이 형성된 세라믹 기재(A)를 1차 소성하여(23), 소성 후 표층내장 전극패턴(B)이 형성된 세라믹 기재(A)는 일정한 형태로 고형화된다. 1차 소성 공정에 의하여 제1 전극재료(B)와 세라믹 기재(A)의 접촉면에서 1차 화학적 결합이 발생하며 고착되게 된다.

1차 소성이 끝나면 표층내장 전극패턴(B) 상에 제2 전극재료(C)를 도포하고(24), 제2 전극재료(C)가 도포된 세라믹 기재(A)를 2차 소성하여(25) 세라믹 기판을 제조할 수 있다.

제2 전극재료(C)는 Ag, Cu 중 적어도 하나의 물질 또는 이들의 화합물을 포함할 수 있으며, 제2 전극재료(C)는 제1 전극재료(B)와 동일한 재료로 구성되는 것이 바람직하다.

표층내장 전극패턴(B) 상에 제2 전극재료(C)를 도포하는 공정(24)은 표층내장 전극패턴(B)과 제2 전극재료(C)가 도포되는 패턴이 일대일로 매칭되거나, 제2 전극재료(C)가 도포되는 패턴이 표층내장 전극패턴(B)보다 크게 형성할 수 있다.

또한, 제2 전극재료(C)가 도포되는 패턴의 반경은 100~150㎛로 형성될 수 있고, 형성된 전극 패턴은 두께가 1 마이크로미터 이상 4 마이크로미터 미만으로 형성되는 것이 바람직하다.

일반적으로 2차 소성 공정의 소성 온도에서 제1 전극재료(B)와 제2 전극재료(C)가 화학적 결합될 수 있다.

즉, 제1 전극재료를 가압하는 공정에서 물리적 결합이 발생하고, 1차 소성 공정에 의하여 제1 전극재료(B)와 세라믹 기재(A)의 접촉면에서 1차 화학적 결합이 발생하며, 2차 소성 공정에 의하여 제2 전극재료(C)와 제1 전극재료(B) 사이에서 각각 2차 화학적 결합이 발생된다.

따라서, 2차 소성을 마친 외부 전극패턴(D)은 상기의 물리적, 화학적 결합에 의하여 고착강도가 향상된다.

소성된 세라믹 기재 표층에 외부 전극을 형성하는 종래의 방법과 비교할 때, 본 발명에 따른 실시 예에 의한 세라믹 기판 제조방법은 세라믹 기재와 제1 전극재료 사이 및 제1 전극재료와 제2 전극재료 사이에 각각 화학적 결합을 배가시키므로 고착강도를 향상시킬 수 있다.
일반적으로 세라믹 기판 전극에 와이어본딩, 솔더링 등의 연결을 위한 Ni/Au 도금피막을 형성하는 것과 마찬가지로 본 발명의 실시예에 따라 제조된 세라믹 기판의 전극재료 상에 와이어본딩, 솔더링 등과의 연결 접합성을 향상시키기 위한, 예컨대, Ni/Au 도금피막이 형성될 수 있음은 자명하다.

삭제

도 3은 종래의 세라믹 기판과 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 외부 전극의 고착강도 실험데이터이고, 도 4는 종래의 세라믹 기판과 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 외부 전극 고착강도 파괴 형상을 비교한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 고착강도는 단위 면적당 외부 전극을 파괴하는데 필요함 힘으로 나타낼 수 있다.

종래의 세라믹 기판의 고착강도는 평균 27.3 N/㎟이고, 최소 고착강도 및 최 대 고착강도는 각각 12.9 N/㎟, 38.8 N/㎟인 반면, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 고착강도는 평균 51.7 N/㎟이고, 최고 고착강도 및 최대 고착강도는 각각 41.3 N/㎟, 60.9 N/㎟이다.

본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 고착강도는 종래의 세라믹 기판의 고창강도와 비교할 때, 평균 고착강도는 2배 정도 향상되었으며, 최소/최대 고착 강도도 각각 1.5~3배 정도 향상된 것을 알 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 세라믹 기판과 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 외부 전극 고착강도 파괴 형상을 비교할 때, 종래의 세라믹 기판의 경우 전극패턴의 일부만이 파괴(a)되는 반면, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 경우 전극패턴 전체가 파괴(b)되는 형상으로 나타난다.

본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 외부 전극을 파괴하기 위해서는 종래의 세라믹 기판의 외부 전극을 파괴하는 경우보다 더 큰 힘이 필요하며, 이는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 외부 전극의 고착강도가 종래의 세라믹 기판의 외부 전극의 고착강도와 비교할 때 1.5배 이상 향상된 것을 나타낸다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 3은 종래의 세라믹 기판과 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 외부 전극의 고착강도 실험데이터이다.

도 4는 종래의 세라믹 기판과 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 기판의 외부 전극 고착강도 파괴 형상을 비교한 도면이다.

Claims

삭제
삭제
삭제
세라믹 기재의 적어도 일 면상에 제1 전극재료를 도포하는 공정;

상기 도포된 제1 전극재료를 가압하여 표층내장 전극패턴을 형성하는 공정;

상기 표층내장 전극패턴이 형성된 세라믹 기재를 1차 소성하는 공정;

상기 표층내장 전극패턴 상에 제2 전극재료를 도포하는 공정; 및

상기 제2 전극재료가 도포된 세라믹 기재를 2차 소성하는 공정;을 포함하고,

상기 표층내장 전극패턴 상에 제2 전극재료를 도포하는 공정은,

상기 표층내장 전극패턴과 상기 제2 전극재료가 도포되는 패턴이 일대일로 매칭되거나, 상기 제2 전극재료가 도포되는 패턴이 상기 표층내장 전극패턴보다 크게 형성되고,

상기 제1 전극재료 및 제2 전극재료는 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판의 제조방법.
삭제
제4항에 있어서,

상기 세라믹 기재는 SiO₂, MgO, CaCO₃ 및 알루미나 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극재료는 Ag, Cu 중 적어도 하나를 포함하는 세라믹 기판의 제조방법.
삭제
삭제
제4항에 있어서,

상기 1차 소성 공정 및 2차 소성 공정을 통하여 상기 세라믹 기재와 접하는 제1 전극재료 사이 및 상기 제1 전극재료와 제2 전극재료 사이에 화학적 결합이 형성되는 세라믹 기판의 제조방법.