KR101141499B1

KR101141499B1 - 세라믹기판용 유리 조성물

Info

Publication number: KR101141499B1
Application number: KR1020090095990A
Authority: KR
Inventors: 조용수
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2012-05-08
Also published as: KR20110038823A

Abstract

본 발명에 따라서 5~15 mol%의 MgO, 15~35 mol%의 Nd2O3, 50~70 mol%의 B2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물이 제공된다. 이러한 유리 조성물은 종래의 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물과 달리 내식성 및 기계적 강도를 동시에 크게 향상시킬 수 있고, 실시예에 따라서는 유전율, 품질 계수와 같은 전기적 특성도 향상시킬 수 있다.

Description

세라믹기판용 유리 조성물{GLASS COMPOSITION FOR LTCC CERAMIC SUBSTRATE}

본 발명은 세라믹 기판용 유리 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유전특성, 절연특성 및 화학적 안정성 등과 같이 세라믹 기판의 성질을 향상시킬 수 있는 세라믹 기판용 유리 조성물에 관한 것이다.

세라믹 기판에 사용되는 재료로서 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)라는 것이 있다. 이는 저온 동시 소성 세라믹스를 지칭하는 것으로서, 1000℃ 이하의 저온에서 금속 전극과 세라믹 기판을 동시에 소성하여 제조되는 소자이다. 일반적으로, LTCC는 고주파 통신용 세라믹 기판에 주로 사용되고 있다.

한편, LTCC와 비교하여 비교적 고온에서 소성되는 HTCC(High Temperature Co-fired Ceramics)라는 것이 있는데, 이는 LTCC와 비교하여 여러 가지 문제점을 가지고 있다.

구체적으로, 종래의 일부 제조과정 중에 적용되었던 고온 소성 방법(1400℃ 이상)은 고융점을 갖는 세라믹 물질을 고온에서 소성하여야 하기 때문에, 제조 특 성상 전극으로 사용되는 금속으로서 고융점을 갖는 금속, 예컨대 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등을 사용해야 하는데, 이들 금속은 고가라는 점 외에도 소자 내에서 적지 않은 전송 손실을 유발하는 단점을 갖고 있다.

한편, LTCC 기판에서 유리 계열 혹은 유리 계열 물질을 포함한 세라믹 물질을 사용하는 경우, 저융점을 갖는 유리 성분으로 인해 저온에서도 세라믹의 치밀한 소성이 가능하다. 상기 유리 성분은 기지체(Matrix)로 작용하고, 상기 세라믹 성분은 뼈대(Filler)로 작용하여, 내부 기공이 거의 없는 미세 구조의 소자를 제조할 수 있다.

한편, 세라믹의 저온 소성이 가능하면 금속의 저온 소성도 가능해야 하므로, 상기 금속의 소성 과정에서 백금, 팔라듐에 비해 저융점을 갖는 금속 재질을 사용할 수 있다. 또한, 저온 소성이 가능한 금속 재질 중 은(Ag), 구리(Cu)와 같은 전송 특성이 우수한 재질을 선정함으로써 결과적으로 소자 내에서의 전송 손실을 줄이는 계기가 될 수 있다.

상기한 바와 같은 금속과 세라믹 재질을 선택함으로써, HTCC 공정에서의 소성 온도보다 낮은 약 1000℃ 정도에서 금속을 도포한 기판들을 동시 소성 방법으로 제조할 수 있으며, 이러한 공정을 거쳐 최종적으로 완성된 소자는 고주파에서도 양호한 특성을 나타낸다.

또한, 상기한 LTCC 방법을 이용하면 박막 다층 회로 기판이 가능하다. 특히 인덕터(Inductor)와 같이 규모가 큰 소자를 구현할 때 유리하다. 그 밖에도 콘덴서(Condenser) 등 일반 적층형 단위 소자를 제조하거나 칩 필터와 같은 수동 소자를 기판 내부에 구현할 수도 있다.

한편, LTCC용 세라믹 기판 유리 조성물을 구성하는 원재료 성분은 LTCC의 전기적 특성, 기계적 특성, 화학적 특성 등에 영향을 준다. 예컨대, 유리 조성물의 성분 중 알루미나(Al2O3)가 많아지면, LTCC의 유전율이 증가하여 유전 특성이 좋아지나 소정 범위를 벗어나 알루미나를 첨가하면 기계적 강도가 약해지는 문제점이 발생한다. 특히 LTCC는 유리 성분이 많이 함유되어 있어, 산이나 염기성 화학 용액에 대해 취약한 성질을 나타내고 있어, 제조 공정 상에 높은 문제점을 가지고 있다. 이와 같이 기존의 LTCC용 세라믹 기판 유리 조성물은 내식성, 기계적 강도 등의 성질과 관련하여 어느 하나의 성질이 개선되면, 다른 하나의 성질이 악화되는 문제점이 노출되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 LTCC 세라믹 기판의 화학적 내식성을 향상시킬 수 있는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 LTCC 세라믹 기판의 화학적 내식성은 물론 기계적 강도를 개선할 수 있는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따라서 유리 조성물 전체 중량에 대해서 5~15 mol%의 MgO, 15~25 mol%의 Nd2O3, 50~60 mol%의 B2O3, 5~15 mol%의 ZnO 및 15~20 mol%의 La2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물이 제공된다.

바람직하게는, 상기 ZnO는 5 mol%의 함량으로 포함된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 La2O3는 15 mol%의 함량으로 포함된다.

본 발명에 따라 제공되는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물은 본 발명에 따라 구성된 특정 산화물의 함량 범위를 조절하여, 내식성 및 기계적 강도를 크게 개선 할 수 있다.

이하에서는 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, LTCC 세라믹 기판과 관련하여 당업계에서 이미 널리 알려진 구성에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성 조성물을 이용한 LTCC 세라믹 기판 제조 공정의 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 본 발명에 따른 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물을 준비하기 위하여, 공업용으로 사용되는 순도를 갖는 원재료들을 사용하였으며 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화아연(ZnO), 산화란탄늄(La₂O₃), 산화 네오듐(Nd₂O₃), 산화붕소(B₂O₃) 등을 도 2에 나타낸 것과 같은 다양한 배합비로 조성한 후 상기 측량된 원재료들을 볼밀(Ball mill)등을 이용하여 2시간 이상 건식 혼합하였다. 상기 혼합된 성분들을 1300℃ 이상의 고온에서 용융하여 유리상태로 상변환 시킨 다음 급냉한 후, 상기 유리 상태 물질을 볼밀을 이용하여 분쇄함으로써 분말형태로 제조하였다.

상기 분말에 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물에 통상적으로 포함되는 알루미나(Al₂O₃) 분말을 상기 유리 조성물 전체 중량에 대하여 30-70 중량부로 균일하게 혼합하여 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물을 제조하였다. 이때, 도 1의 공정에 따라 제조된 LTCC 세라믹 기판용 유리 분말 조성물을 닥터 블레이드(Doctor blade) 방법을 이용하여 그린시트 형상으로 제조하기 위하여 상기 조성물에 분산제 (Dispersant agent), 바인더(Binder), 가소제 (Plastisizer)를 첨가하고 볼밀을 이용하여 습식 혼합한 후 닥터 블레이드 장치를 이용하여 테이프 캐스팅(Tape casting)하여 그린시트를 성형하였다.

상기 그린시트 성형체를 롤 절단기(Roll cutter)를 이용하여 절단한 후, 상기 절단된 그린시트 성형체를 적층(Stacking)(압착)하고 다시 칩(Chip)의 크기로 절단한 후, 소성로 내에서 850℃로 소성하였다. 상기 소성시킨 칩에 전극을 형성하기 위하여, 칩의 양면에 전극용 은(Ag) 페이스트를 도포하고 다시 600℃로 소성하여 샘플을 제작하였다.

시료의 유전율(Permittivity, εr)과 품질계수(Quality factor)의 측정은 회로망분석기(Network analyzer, HP8720ES, Agilent Technology)를 사용하여 10-20기가 헤르츠 대역에서 측정하였고, 기계적 강도(Mechanical Bending Strength)는 만능시험기(Universal Test Machine, 3340 model, Instron)를 이용하여 한국공업규격 KSL-1591 규격에 따라 8mm x 5mm x 1mm 시편을 제작하여 3점 꺾임강도 측정방법을 적용하여 측정하였고, 화학적 내식성 테스트는 20 부피분율 HCl 산성용액에 30시간 침지한 후 세정, 건조하여 무게감량을 측정하여 나타내었다.

상기한 바와 같이, LTCC 세라믹 기판을 제조함에 있어서 그 제조에 사용되는 원료들의 함량비를 다향하게 변형하여 상기한 실험들을 수행하였다. 도 2에는 본 발명에 따라 포함시킨 각 성분들의 함량 범위 및 그에 따른 각종 성질들의 결과가 도시되어 있다.

도시한 바와 같이, 유리 조성물 전체 중량에 대해 산화마그네슘(MgO)이 5~15 mol%, 산화네오듐(Nd2O3)이 15~35 mol% 및 산화붕소(B2O3)가 50~70 mol% 포함되는 경우, 다른 배합비에 비해 내식성이 현저히 개선되는 것을 알 수 있다(실시예 1 내지 6). 특히, 산화마그네슘(MgO)이 15 mol%, 산화네오듐(Nd2O3)이 15 mol% 및 산화붕소(B2O3)가 70 mol%로 함유되는 경우 NTCC 세라믹 기판의 내식성이 가장 좋게 나타났다(실시예 1). 이 실시예 1의 경우, 기계적 강도가 200 MPa 이상으로 고강도 특성도 나타낸다. 한편, 산화마그네슘이 전혀 포함되지 않는 경우 내식성은 다른 실시예에 비해 현저히 떨어지는 것으로 나타났다(실시예 9 내지 18 참조). 또한, 산화마그네슘이 15 mol%를 초과하게 되면, 품질계수가 떨어진다(실시예 19 참조). 즉 점차적으로 소결체의 조직이 다공질 구조로 바뀌게 되어, 치밀한 구조를 나타내지 못하게 되고, 유전특성도 떨어진다. 또한 너무 많은 양의 산화마그네슘 을 첨가하게 되면, 내식성에도 악영향을 미치는 것으로 보인다. 따라서, 본 발명에서는 산화마그네슘은 유리 조성물 전체 중량에 대해 5~15 mol%, 바람직하게는 15 mol%의 함량으로 포함된다.

한편, 산화마그네슘의 함량이 줄어들고 또 산화네오듐의 함량이 증가함에 따라 내식성은 점차 감소하는 것을 알 수 있으며, 산화붕소 역시 그 함량이 줄어듬에 따라 일정정도 내식성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다(실시예 4 내지 6 참조). 구체적으로, 산화네오듐의 경우, 35 mol%를 초과하여 첨가하게 되면, 기계적 강도 및 내식성이 떨어지고(실시예 19 참조), 15 mol%보다 적은 양으로 첨가하면, 품질계수가 떨어지는 것으로 확인되었다. 또한, 산화붕소의 경우, 70 mol%를 초과하여 첨가하게 되면, 기계적 강도 및 내식성이 감소하고 50 mol%보다 적은 양으로 첨가하게 되면, 품질계수가 낮아진다(실시예 19 및 20 참조). 따라서, 본 발명에서는 산화네오늄의 경우 15~35 mol%, 산화붕소의 경우 50~70 mol%의 함량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

한편, 실시예 8 및 9를 보면, ZnO, La2O3가 주로 함유된 조성에서는 1000 이상의 높은 품질 계수 값을 얻을 수가 있었다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 ZnO, La2O3을 포함하는 것, 바람직하게는 5 mol% 내지 15 mol%, 더욱 바람직하게는 15 mol%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 한편, 본 발명자는 도 2에 도시한 것과 같이, 산화칼슘도 일정 범위 내에서 추가로 첨가하여 보았는데, CaO가 포 함된 조성물의 경우, MgO가 첨가된 조성물보다 치밀한 구조를 보이지만, 품질계수 및 내식성에 좋지 않은 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.

이와 같이 본 발명자가 실험한 바에 따르면, LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물에 5~15 mol%의 MgO, 15~35 mol%의 Nd2O3, 50~70 mol%의 B2O3를 포함시키면, 세라믹 기판의 내식성 및 기계적 강도가 크게 향상되고, 실시예에 따라서 ZnO, La2O3를 소정 범위 내에서 함유시키면 전기적 특성이나 품질 계수가 향상된다는 것을 찾아내었다. 즉 본 발명에 따른 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물은 종래의 기판과는 달리 산이나 염기성 화학용액에 대해 안정적인 특성을 갖고 있으며 기계적 특성도 크게 개선할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물을 제조하는 과정을 보여주는 흐름도이다.

도 2는 본 발명에 따라 구성한 여러 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물에 대해 실시한 실험 결과를 보여주는 표이다.

Claims

유리 조성물 전체 중량에 대해서 5~15 mol%의 MgO, 15~25 mol%의 Nd2O3, 50~60 mol%의 B2O3, 5~15 mol%의 ZnO 및 15~20 mol%의 La2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 ZnO는 5 mol%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 La2O3는 15 mol%의 함량으로 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC 세라믹 기판용 유리 조성물.