KR101874393B1 - 저유전율 회로기판 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반 회로기판에 사용되는 프리프레그(PREPREG), 즉 FR-4 자재를 일정 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공을 하여 상대적으로 높은 유전율을 지닌 유리 섬유질(glass fiber)을 타공하여 제거함으로써 기공성 파이프(porous pipe)를 제작하는데 기술요지가 있다. 이어서, 타공된 프리프레그를 적층하여 라미네이트 하는 공정 단계에서, 기공성 파이프 속으로 레진이 녹아 흘러들어가 충진하도록 함으로써, 유전체의 유효 유전율(effective dielectric constant)을 낮추는 기술을 제공한다.

Description

저유전율 회로기판 및 제조방법{LOW-k CIRCUIT BOARD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 저유전율 회로기판 및 제조방법에 관한 것으로서, 특히 고밀도, 고기능, 초박판 회로기판 및 제조방법에 관한 것이다.

최근 들어 스마트폰을 비롯한 각종 전자기기의 고기능화 및 박판화 현상이 대두되고 있으며, 이러한 전자기기에 적용되는 회로기판 역시 고밀도화와 박판화가 요구되고 있다.

그런데, 전자기학 및 고주파회로 이론상 평행한 스트립 라인 사이의 유전체 두께가 얇아지면 임피던스 정합(Impedance Matching)을 위하여 회로 라인의 선폭(width)이 좁아져야 한다.

도1a는 상대유전율이 4.5인 유전체를 사용할 경우의 디자인 룰에 따른 회로선폭 40 마이크로미터 스트립 라인을 나타낸 도면이고, 도1b는 상대유전율이 4.5인 유전체를 그대로 사용하면서 유전체의 두께를 50 마이크로미터(㎛)에서 40 마이크로미터(㎛)로 줄이고자 할 경우, 새로운 디자인 룰에 따라 스트립 라인의 회로 선폭을 25 마이크로미터(㎛)로 축소하여야 함을 보여주는 도면이다.

도1a를 참조하면, 상대유전률(relative dielectric constant)이 4.5인 물질을 사용해서 절연층 두께를 50 마이크로미터(㎛)로 한 스트립 라인의 경우, 동박 회로의 선폭을 40 마이크로미터(㎛) 정도로 유지하여야 50 오옴(Ω) 임피던스 정합을 달성할 수 있다.

그런데, 만일 박판화 추세에 맞추어서 유전체 절연층의 두께를 40 마이크로미터(㎛) 수준으로 줄여 박판화하고자 할 경우에, 도1b에 도시한 바와 같이, 여전히 50 오옴(Ω) 임피던스 매칭을 달성하기 위해서는 이론적으로 동박 회로의 선폭을 25 마이크로미터(㎛) 정도로 좁혀야 한다.

그러나, 인쇄회로기판 업계의 현실상, 회로 선폭을 40 마이크로미터(㎛)에서 25 마이크로미터(㎛)로 줄이기 위해서는, 새로운 디자인 룰에 따라 회로설계를 다시 하여야 하고, 미세선폭을 구현하기 위한 이미지 전사 장비 등 생산설비를 바꾸어야 하는 등 상당한 기술개발과 설비투자가 요구된다.

따라서 회로 선폭을 줄이는 것보다는 다른 방법을 찾을 수 있다면 찾아 보는 편이 경제적 측면에서 유리하다. 과다한 설비투자 없이 과거와 동일한 디자인 룰(design rule)을 적용해서 회로를 구현하기 위해서는, 저유전율 유전체(low-k dielectric)를 사용하는 것이 필요하다.

그런데, 만일 상대유전율 3.5인 물질로 스트립 라인을 제작할 수 있다면, 회로 선폭을 그대로 40 마이크로미터(㎛)로 유지하면서도 50 오옴(Ω) 임피던스 매칭을 달성할 수 있다. 도1c는 상대유전율이 3.5인 유전체를 사용할 경우에는, 유전체 두께를 40 마이크로미터(㎛)로 줄인 경우에도 스트립 라인의 선폭을 40 마이크로미터(㎛)로 유지해도 됨을 보여주는 도면이다.

결론적으로, 유전체의 두께를 줄여 박판화 추세에 맞추면서도 디자인 룰(즉, 스트립 라인의 회로선폭)을 그대로 유지해서 가져갈 수 있는 기술을 채용하는 것이 바람직한데, 이를 위해 인쇄회로기판 업계에서는 저유전체 개발에 심혈을 기울이고 있다.

그러나, 현재까지 당업계에 알려지거나 시험된 저유전율 자재들은 FR-4 또는 프리프레그와 같은 종래의 일반 PCB 자재에 비해 가격이 고가이고, 신뢰성 문제로 인하여 쉽게 양산에 적용되는데 어려움이 있다.

도2는 차세대 회로기판의 절연재(유전체)로 사용될 수 있는 다양한 절연물질의 상대 유전율을 나타낸 도면이다. 도2를 참조하면, PPO 또는 PP, PE 같은 물질들은 저유전율을 보이고 있으나 열가소성 수지이므로, 열경화성이 요구되는 회로기판의 절연재로 사용하기에 적합하지 않다. 한편, 열경화성 수지인 에폭시 또는 폴리이미드는 유전율이 상대적으로 높은 문제점이 있다.

1. 대한민국 특허공개 제10-2007-0087792호. 2. 대한민국 특허공개 제10-2010-0025970호.

본 발명의 목적은 저유전체 회로기판 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일반 회로기판에 사용되는 프리프레그(PREPREG), 즉 FR-4 자재를 일정 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공을 하여 상대적으로 높은 유전율을 지닌 유리 섬유질(glass fiber)을 타공하여 제거함으로써 기공성 파이프(porous pipe)를 제작하는데 기술요지가 있다. 이어서, 타공된 프리프레그를 적층하여 라미네이트 하는 공정 단계에서, 기공성 파이프 속으로 레진이 녹아 흘러들어가 충진하도록 함으로써, 유전체의 유효 유전율(effective dielectric constant)을 낮추는 기술을 제공한다.

본 발명에 따른 유전체 제조기술은 프리프레그 전제에 대해 타공을 함으로써 전체 유전율을 떨어뜨릴 수도 있고, 고주파회로부만을 타공하여 기공성 파이프를 제작하고 나머지 베이스밴드 회로부위는 그대로 사용하는 방식을 채용할 수도 있다.

본 발명은 새로운 유전물질을 합성하거나 제작하는 대신에, 기존의 프리프레그(PREPREG), 또는 FR-4 자재를 적층 전에 일정 크기와 간격의 어레이 형태로 타공하여 기공성 파이프를 형성함으로써 레진에 비해 상대적으로 유전율이 높은 유리섬유질을 부분적으로 제거함으로써 전체 유전율을 낮추는 효과가 있다.

도1a는 상대유전율이 4.5인 유전체를 사용할 경우의 디자인 룰에 따른 회로선폭 40 마이크로미터 스트립 라인을 나타낸 도면.
도1b는 상대유전율이 4.5인 유전체를 그대로 사용하면서 유전체의 두께를 50 마이크로미터(㎛)에서 40 마이크로미터(㎛)로 줄이고자 할 경우, 새로운 디자인 룰에 따라 스트립 라인의 회로 선폭을 25 마이크로미터(㎛)로 축소하여야 함을 보여주는 도면.
도1c는 상대유전율이 3.5인 유전체를 사용할 경우에는, 유전체 두께를 40 마이크로미터(㎛)로 줄인 경우에도 스트립 라인의 선폭을 40 마이크로미터(㎛)로 유지해도 됨을 보여주는 도면.
도2는 차세대 회로기판의 절연재(유전체)로 사용될 수 있는 다양한 절연물질의 상대 유전율을 나타낸 도면.
도3은 종래기술에 따라 당업계에서 흔히 사용되는 FR-4를 비롯한 PCB 절연층을 구성하는 재료의 구성을 나타낸 도면.
도4a는 본 발명의 제1 실시예에 따라, 프리프레그 전체 면에 대해 일정 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공을 한 모습을 나타낸 도면.
도4b는 본 발명의 제2 실시예에 따라, 프리프레그 일부 영역에 대해 일정 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공을 한 모습을 나타낸 도면.
도5a와 도5b는 각각 일반 인쇄회로기판과 연경성 회로기판(Rigid-Flex PCB)에 본 발명에 따른 기술을 적용한 실시예를 나타낸 도면.

본 발명은 절연층을 가운데로 해서 양면에 동박 회로가 형성된 회로기판에 있어서, 상기 절연층은 유리질 섬유에 레진이 함침된 재질로서, 상기 절연층은 일정한 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공 처리되어 기공성 파이프(porous pipe)가 형성되고, 상기 기공성 파이프 속에는 레진이 충진된 것을 특징으로 하는 회로기판을 제공한다.

본 발명은 회로기판을 제작하는 방법에 있어서, 유리질 섬유에 레진이 함침된 재질의 자재에 대해 일정한 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공하여 기공성 파이프(porous pipe)를 형성하는 단계 및 상기 유리질 섬유에 레진이 함침된 재질의 자재를 하나 또는 복수 개를 적층해서 라미네이트 함으로써, 상기 기공성 파이프로 레진이 흘러들어가 충진하는 단계를 포함하는 회로기판 제조방법을 제공한다..

이하, 첨부도면 도3 내지 도5를 참조하여 본 발명에 따른 저유전체 회로기판 및 제조방법을 상세히 설명한다.

도3은 종래기술에 따라 당업계에서 흔히 사용되는 FR-4를 비롯한 PCB 절연층을 구성하는 재료의 구성을 나타낸 도면이다. 도3을 참조하면, 당업계에 일반적으로 사용되는 절연체, 즉 프리프레그(PREPREG)는 상대유전율 4 ~ 6 정도를 지니는 유리 섬유질(glass fabric)을 에폭시 레진(epoxy resin)에 함침해서 제작하는데, 에폭시 레진의 상대 유전율은 3.5 ~ 4.0 정도 수준이다.

따라서, 레진에 함침되는 유리 섬유질의 양이 많을수록 기계적 강도는 증가하지만 상대유전율이 높아지는 경향을 보인다. 본 발명은 이점에 착안을 해서 고주파회로와 같이 저유전율이 요구되는 부위에 대해서는, 일정 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공을 하여 상대적으로 높은 유전율을 지닌 유리 섬유질(glass fiber)을 타공하여 제거함으로써 기공성 파이프(porous pipe)를 제작하는데 기술요지가 있다.

도4a는 본 발명의 제1 실시예에 따라, 프리프레그 전체 면에 대해 일정 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공을 한 모습을 나타낸 도면이다. 높은 유전율을 지닌 유리 섬유질(glass fiber)을 타공하여 제거함으로써, 도면의 위에서 아래 방향으로 기공성 파이프(porous pipe)를 제작한다.

도4b는 본 발명의 제2 실시예에 따라, 프리프레그 일부 영역에 대해 일정 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공을 한 모습을 나타낸 도면이다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 저유전율이 요구되는 고주파회로 부위에 대해서는 기공성 파이프를 타공하여 제작하고, 저유전율이 요구되지 않는 베이스밴드 회로부, 예를 들어 로직회로 부위는 타공을 하지 않는다.

도5a와 도5b는 각각 일반 인쇄회로기판과 연경성 회로기판(Rigid-Flex PCB)에 본 발명에 따른 기술을 적용한 실시예를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따라 타공된 프리프레그를 적층하고 가열 가압하여 라미네이트 공정을 진행하면, 상층 및 하층에서 레진이 흘러나와 기공성 파이프 속을 충진하게 되며, 결국 유효 유전율을 낮추는 효과가 발생한다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개선하였다. 본 발명의 특허청구범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술 될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용될 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 진화, 치환 및 변경이 가능하다.

본 발명은 새로운 유전물질을 합성하거나 제작하는 대신에, 기존의 프리프레그(PREPREG), 또는 FR-4 자재를 적층 전에 일정 크기와 간격의 어레이 형태로 타공하여 기공성 파이프를 형성함으로써 레진에 비해 상대적으로 유전율이 높은 유리섬유질을 부분적으로 제거함으로써 전체 유전율을 낮추는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 절연층을 가운데로 해서 양면에 동박 회로가 형성된 회로기판에 있어서,
   상기 절연층은 제1 절연층을 제2 절연층 위 또는 아래에 적층하여 라미네이트 한 형태로서,
   제1 절연층은 레진 재질이고,
   상기 제2 절연층은 유리질 섬유를 레진이 함침한 재질로서,
   상기 제2 절연층은 일정한 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공 처리되어 기공성 파이프(porous pipe)가 형성한 형태로서, 상기 제2 절연층의 기공성 파이프 속에는 적층 라미네이트 과정 중에 상기 제1 절연층으로부터 유입된 레진이 충진된 것을 특징으로 하는 회로기판.
2. 회로기판을 제작하는 방법에 있어서,
   (a) 레진 재질의 제1 절연층을 준비하는 단계;
   (b) 유리질 섬유를 레진에 함침한 재질의 제2 절연층을 일정한 크기와 간격의 어레이(array) 형태로 타공하여 기공성 파이프(porous pipe)를 형성하는 단계 및
   (c) 상기 제2 절연층 위 또는 아래에 상기 제1 절연층을 적층하고 라미네이트 함으로써, 상기 기공성 파이프 속으로 레진이 흘러들어가 충진하는 단계
   를 포함하는 회로기판 제조방법.

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