KR102145067B1

KR102145067B1 - 저유전율 및 저손실 특성을 갖는 연성회로기판용 적층체

Info

Publication number: KR102145067B1
Application number: KR1020200026812A
Authority: KR
Inventors: 오세충; 강정안; 심성기; 임용묵; 최지숙
Original assignee: 유한회사 한국 타코닉
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2020-08-18
Also published as: TW202134054A; WO2021177704A1

Abstract

본 발명은 연성회로기판용 적층체에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연성회로기판용 적층체는, 사불화에틸렌(tetrafluoroethylene, TFE) 단량체로 구성된 불소수지에 15 이하의 유전상수(Dk)를 갖는 무기필러가 유전체 전체 함량 기준 45 내지 75 중량%로 혼합되어 유전상수 3.0 이하, 신호손실계수(Df) 0.002 이하의 특성을 갖는 유전체와, 상기 유전체의 양면에 적층된 동박을 포함한다.

Description

저유전율 및 저손실 특성을 갖는 연성회로기판용 적층체{LAMINATE FOR FLEXIBLE PRINTED CIRCUIT BOARD HAVING LOW DIELECTRIC CONSTANT AND LOW-LOSS PROPERTIES}

본 발명은 저유전율 및 저손실 특성을 갖는 연성회로기판용 적층체에 관한 것이다.

5G 이동통신 시대의 개막과 더불어 모바일 기기에서의 데이터 대용량화 및 고속 전송 실현에 대한 요구에 부합할 수 있는 저유전율 및 저손실의 특성을 가지면서 동시에 모바일 기기의 공간 제약을 극복할 수 있는 굴곡 유연성(bending flexibility)이 우수한 연성회로기판이 필요해지고 있다.

이에 대한 해결책으로서 기존의 연성회로기판에서 사용되는 폴리이미드(polyimide, PI)의 유전상수와 신호손실계수를 낮추기 위하여 다양한 개발이 이루어지고 있으나 PI 기반의 유전체는 주파수 10GHz에서 3.0 이하의 유전상수(Dk) 및 0.005 이하의 신호손실계수(Df)를 구현하기 어렵다는 한계가 있고 여전히 흡습율이 다른 소재보다 높다는 문제점을 갖고 있다.

또 다른 대안으로서 PI 기반 유전체보다는 상대적으로 낮은 유전상수(Dk 2.9)와 신호손실계수(Df 0.002)를 보이는 액정 폴리머(liquid crystalline polymer, LCP)가 적용되고 있지만 특히 신호 손실을 줄이는 데 유리한 표면조도가 낮은 동박(copper foil)을 적층하는 경우 동박과의 박리 강도가 저하되고 다층 구조의 회로기판 가공이 어렵다는 문제점이 있다.

한편 무선통신용 기판으로 사용되고 있는 종래의 불소수지 기반의 적층체에서는 직조된 유리섬유가 보강재로 사용되는데 이는 X-Y축 열팽창계수 및 이와 관련된 치수 안정성 측면에서는 유리하지만 Z축 열팽창계수가 증가하고 굴곡탄성율이 높아짐으로써 연성회로기판에서 요구되는 굴곡 유연성을 만족시킬 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 고주파에서 낮은 유전상수와 신호손실계수를 가지면서도 연성회로기판에서 요구되는 굴곡 유연성을 구현할 수 있는 유전체와 유전체 양면으로 동박이 라미네이트되어 있는 적층체를 제공하기 위한 것이다.

본 명세서에서는 사불화에틸렌 단량체로 구성된 불소수지에 15 이하의 유전상수를 갖는 무기필러가 유전체 전체 함량 기준 45 내지 75 wt%로 혼합되어 Dk 3.0 이하, Df 0.002 이하의 특성을 갖는 유전체와 유전체 양면으로 동박이 라미네이트된 적층체가 제공된다.

일반적으로 사불화에틸렌 단량체로 구성된 불소수지는 기본적으로 낮은 유전상수(Dk 2.1)와 신호손실계수(Df 0.0002)를 갖고 있지만 단독으로 사용되는 경우 열팽창계수가 크고 회로기판 가공공정에서 요구되는 치수 안정성이 떨어지는 문제점을 갖고 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로서 상기 불소수지에 Dk 15 이하의 무기필러를 유전체 전체 함량 기준 45 내지 75 wt%로 혼합하여 유전체 내에 무기필러가 균일하게 분포하게 함으로써 불소수지가 갖고 있는 고주파에서의 저유전율과 저손실 특성을 일정 수준으로 유지하면서 낮은 열팽창계수 및 치수 안정성을 확보하여 연성회로기판 가공이 가능한 적층체를 구현할 수 있다.

상기 무기필러의 함량이 45 wt% 미만일 경우 연성회로기판 가공에 필요한 낮은 열팽창계수 및 치수 안정성을 확보하기 어렵고 무기필러의 함량이 75 wt%를 초과할 경우 유전체 제조공정에서 수율이 저하되는 문제와 더불어 유전체의 굴곡 탄성율이 높아짐으로써 연성회로기판에서의 굴곡 유연성이 저하되는 문제가 있다. 연성회로기판에서의 굴곡 유연성이 저하되는 것은 궁극적으로 유전체 내에 크랙(crack)을 유발하게 되어 신호손실이 커지는 문제를 초래할 수 있다.

상기 무기필러는 각형, 판형 또는 불규칙한 형태보다는 구형의 형태를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 구형이라는 것은 각진 형태를 제외한 동그란(round) 형태를 의미한다. 계란형, 타원형 등이 본 명세서에서 사용되는 구형이라는 용어의 범주에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 특히, 무기필러의 입자 크기가 쌍봉(bi-modal) 또는 삼봉(tri-modal)의 분포도를 갖는 것이 불소수지 내에서의 무기필러의 충진율을 최적화하기에 적합하다. 이를 위하여 무기필러의 입자 크기가 쌍봉(bi-modal) 또는 삼봉(tri-modal)의 분포도를 갖는 무기필러 1종을 사용하거나 무기필러의 평균입경이 서로 다른 무기필러 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 무기필러의 입자 크기가 동일하거나 분포곡선의 폭이 좁을 경우 불소수지 내에 충진율울 높이기가 어렵고 이로 인하여 유전체의 열팽창계수를 낮추거나 연성회로기판에서의 치수 안정성을 구현하기가 어렵다.

상기 무기필러의 최대 입자 크기는 구현하고자 하는 유전체의 두께보다 작은 것이 바람직하며 무기필러의 최대 입자 크기가 유전체 두께를 기준으로 70 내지 90%인 것이 바람직하다. 무기필러의 최대 입자 크기가 유전체 두께보다 크거나 유전체 두께를 기준으로 90%를 초과하는 경우 라미네이트된 동박 표면으로 미세한 굴곡이 형성되어 신호 전달을 지연시킴으로써 Df가 커지는 문제가 있다.

유전체와 유전체 양면으로 라미네이트된 동박 간의 박리 강도(peel strength)를 높이고 유전체의 굴곡탄성율(flexural modulus)을 낮추기 위하여 유전체 전체 함량 기준 2 내지 20 wt%의 불소수지 분말(fluoropolymer powder)를 첨가할 수 있으며 상기 불소수지 분말은 TFE(tetrafluoroethylene) 단량체와 HFP(hexafluoropropylene), PPVE(perfluoropropylvinyl ether), MVE(perfluoromethylvinyl ether) 중에서 선택된 1종의 단량체로 이루어진 공중합체 화합물로 평균입경 기준으로 3 내지 20㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.

상기 불소수지 분말의 함량이 2% 미만일 경우 유전체와 유전체 양면으로 라미네이트된 동박 간의 박리 강도를 개선하는 효과가 미미하고 유전체의 굴곡탄성율을 낮추는 효과가 크지 않다. 반면 불소수지 분말의 함량을 20% 초과하여 사용하게 될 경우 유전체와 유전체 양면으로 라미네이트된 동박 간의 박리 강도는 증가하는 경향을 보이지만 유전체의 열팽창계수가 커지는 문제가 있다.

유전체의 두께는 연성 회로기판에서의 굴곡 유연성을 확보하기 위하여 10 내지 175㎛ 범위인 것이 좋고, 보다 바람직하게는 25 내지 150㎛ 두께의 유전체가 모바일 기기 용도에서와 같이 기기 내 협소한 공간에 장착하는 안테나, FPC 형태의 동축케이블 등에 적합할 수 있다.

상기 유전체는 TFE 단량체로 구성된 불소수지 내에 무기필러 및 불소수지 분말을 균일하게 분포시키기 위하여 필름 캐스팅(film casting) 제조공정으로 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 적층체는 본드 플라이(bond ply) 또는 커버레이(coverlay) 등과 함께 사용된 다층 구조의 연성회로기판으로도 구현이 가능하다.

본 발명에 따르면, 고주파에서 낮은 유전상수와 신호손실계수를 가지면서도 연성회로기판에서 요구되는 굴곡 유연성을 구현할 수 있는 유전체와 유전체 양면으로 동박이 라미네이트되어 있는 적층체가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연성회로기판용 적층체의 구조를 도시하는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 바람직한 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 유전체 매트릭스(matrix)로 사불화에틸엔 단량체로 구성된 불소수지가 사용된다. 상기 사불화에틸렌 단량체로 구성된 불소수지는 40 내지 70 wt%의 고형분이 물 또는 용제 내에 분산된 디스퍼젼(dispersion)을 포함할 수 있다.

무기필러는 유전체의 유전상수와 신호손실계수를 낮추기 위하여 Dk 15 이하의 것이 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. Dk 15 이하의 특성을 갖는 무기필러로서 Al₂O₃(aluminum oxide), AlN(aluminum nitride), SiC(silicon carbide), SiO₂(silicon oxide), Si₃N₄(silicon nitride), ZrO₂(zirconium dioxide), BN(boron nitride), BeO(beryllium oxide), ZnO(zinc oxide), MgO(magnesium oxide), glass bubble 중에서 적어도 1종 이상이 포함될 수 있다.

상기 무기필러는 사불화에틸렌 단량체로 구성된 불소수지를 포함하는 유전체의 열팽창계수를 낮추고 연성회로기판 제조공정에서의 치수 안정성을 확보하기 위하여 유전체의 유전체 전체 함량 기준으로 45 내지 75 wt%로 혼합되어 사용될 수 있다. 이때 무기필러가 불소수지 내에 균일하게 분산되고 충진율을 최적화하기 위하여 각형, 판형 또는 불규칙한 형태의 입자보다는 구형의 입자를 포함할 수 있다. 무기필러가 구형의 형태를 갖는 것이 연성회로기판에서 휨이나 굴곡이 발생하는 경우 유전체 내부에서의 크랙 발생을 감소시키는 효과를 보이기 때문에 궁극적으로 연성회로기판에서의 굴곡 유연성을 확보함에 있어서 유리할 수 있다.

상기 무기필러는 평균입경이 서로 다른 2종 이상이 혼합된 상태로 사용되는 것이 바람직하다. 상대적으로 직경이 큰 무기필러 입자들 사이에 형성된 영역으로 더 작은 직경의 무기필러 입자들이 위치함으로써 다양한 직경을 갖는 무기필러가 불소수지 매트릭스 내에 균일하면서 동시에 높은 충진율을 달성할 수 있다.

무기필러의 최대 입자 크기는 구현하고자 하는 유전체의 두께보다 작은 것이 바람직하며 유전체 두께를 기준으로 70 내지 90% 범위 내인 것을 포함할 수 있다. 예를 들어 유전체 두께를 50㎛로 설정할 경우 무기필러의 최대 입자 크기는 35 내지 45㎛인 것을 사용하고 이때 무기필러는 평균입경이 0.5 내지 5㎛, 10 내지 20㎛, 25 내지 35㎛인 것을 혼합하여 사용할 수 있다. 만일 무기필러의 최대 입자 크기가 구현하고자 하는 유전체의 두께보다 큰 것이 포함된다면, 이러한 무기필러 입자가 유전체의 표면 밖으로 나오게 되고, 유전체 표면의 불균일성을 초래한다. 유전체의 표면이 불균일하면, 동박과의 접착력이 떨어질 수 있을뿐만 아니라 동박의 신호 손실이 증가될 수 있다.

유전체와 유전체 양면으로 라미네이트된 동박 간의 박리 강도를 높이면서 동시에 유전체의 굴곡 탄성율을 낮추기 위하여 유전체 전체 함량 기준으로 2 내지 20 wt%의 불소수지 분말(fluoropolymer powder)을 첨가할 수 있다. 상기 불소수지 분말은 TFE 단량체와 HFP, PPVE, MVE 중에서 선택된 1종의 단량체로 이루어진 공중합체 화합물이며 평균입경은 3 내지 20㎛인 것을 포함할 수 있다. 상기 HFP, PPVE, MVE 중에서 선택된 1종의 단량체의 mol%는 특별히 제한을 갖고 있지 않지만 1 내지 5 mol%의 불소수지 분말을 사용하는 것이 내열성 측면에서 적합할 수 있다.

상기 불소수지 분말은 함량이 증가할수록 유전체와 유전체 양면으로 라미네이트된 동박 간의 박리 강도를 개선하는 효과와 더불어 유전체의 굴곡 탄성율을 낮추는, 즉 굴곡 유연성을 향상시키는 효과를 달성하는데 기여한다. 이러한 효과를 구현하기 위해서는 유전체 전체 함량 기준으로 불소수지 분말 2% 이상을 첨가할 수 있다. 반면 불소수지 분말의 함량이 20%를 초과하면 유전체의 열팽창계수가 증가하는 경향을 보이는 문제를 초래할 수 있다. 불소수지 분말의 함량이 증가할수록 유전체 내에서의 무기필러의 함량이 상대적으로 감소할 수 밖에 없기 때문에 유전체의 열팽창계수가 증가하는 것으로 볼 수 있다.

유전체는 필름 캐스팅 제조공정으로 제조할 수 있으며 유전체의 두께는 연성회로기판의 굴곡 유연성을 확보하기 위하여 10 내지 175㎛일 수 있고, 바람직하게는 25 내지 150㎛일 수 있다.

상기 유전체는 두께 50㎛인 경우 주파수 10GHz에서 Dk 2.5 내지 2.8, Df 0.001~0.002의 유전 특성을 가질 수 있다. 유전체의 유전 특성을 측정하는 방법은 IPC-TM 650 2.5.5.5.1 규격을 따른다.

상기 유전체는 두께 50㎛인 경우 온도 범위 50~150℃에서 X-Y축 열팽창계수는 10 내지 20ppm/℃, Z축 열팽창계수는 20 내지 40ppm/℃일 수 있다. 열팽창계수를 측정하는 방법은 IPC-TM 650 2.4.41 규격을 따른다.

두께 50㎛의 유전체 양면으로 1/2oz SVLP(Rz 1.2㎛) 동박이 고온, 고압의 조건 하에서 열압착 라미네이트된 적층체의 경우 유전체와 유전체 양면으로 라미네이트된 동박 간의 박리 강도는 4 내지 7lb/in(파운드/인치)일 수 있다. 유전체와 유전체 양면으로 라미네이트된 동박 간의 박리 강도를 측정하는 방법은 IPC-TM 650 2.4.8 규격을 따른다.

하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위하여 제공된다.

유전체는 실시예 및 비교예 모두에서 다음과 같은 동일한 제조공정 순서로 진행되어 얻어진다.

수계 또는 용제에 TFE 단량체로 구성된 불소수지가 분산된 디스퍼젼(Dispersion)에 무기필러, 불소수지 분말 및 계면활성제 등의 첨가제를 표 1과 같은 조성으로 첨가한 후 혼합 믹서에서 고르게 분산시켰다.

실시예 1 및 비교예 1에서는 동일하게 무기필러의 최대 입자크기(Dmax)가 45㎛이면서 평균입경(D50)이 각각 3㎛, 15㎛ 및 25㎛의 분포도를 갖는 구형의 SiO₂ 3종이 혼합된 것을 사용하되 유전체 전체 함량을 기준으로 무기필러의 함량을 달리 하였다.

비교예 2에서는 무기필러로 평균입경(D50) 25㎛, 최대 입자크기(Dmax) 55㎛의 각형의 SiO₂ 1종을 사용하였다.

상기 혼합 믹서에서 고르게 분산된 혼합물을 폴리이미드(PI) 또는 박막의 금속 코일 지지체에 코팅하고 소성하는 단계를 1회 이상 진행하여 50㎛ 두께의 코팅층를 얻었다.

상기 코팅층을 폴리이미드 또는 박막의 금속 코일 지지체에서 분리함으로써 두께 50 ㎛의 유전체를 얻었다.

상기 필름캐스팅 방식으로 얻어진 유전체와 유전체 양면으로 1/2oz SVLP(Rz 1.2㎛) 동박을 고온, 고압의 조건 하에서 열압착하여 적층체를 얻었다.

실시예 및 비교예에 따라 얻어진 각각의 유전체 및 이를 적용한 적층제에 대하여 유전 특성(Dk, Df @10GHz), 열팽창계수, 박리 강도(peel strength)의 물성 평가를 진행하였으며 그 결과는 표 2에 정리하였다.

(함량 wt%)

	실시예 1	비교예 1	비교예 2
PTFE	30	53	30
무기필러 SiO₂ 3종 혼합물(D50 3, 15, 25㎛ / Dmax 45㎛) SiO₂ 1종 (D50 25㎛ / Dmax 55㎛)	62	40	62
불소수지 분말	5	5	5
첨가제	3	2	3

(단위 : ppm/℃, lb/in)

	실시예 1	비교예 1	비교예 2
유전상수(Dk)	2.6	2.5	2.6
신호손실계수(Df)	0.0012	0.0011	0.003
열팽창계수 X-Y 축 Z 축	14 26	35 66	17 31
박리 강도	5.4	5.9	4.5

실험결과, 실시예 1의 경우 주파수 10GHz에서 저유전율 및 저손실 특성을 보이며 온도 범위 50~150℃에서 낮은 열팽창계수를 보였다. 또한 상대적으로 낮은 표면조도를 갖는 1/2oz SVLP 동박과의 박리 강도도 우수한 특성을 보였다. 반면에 실시예 1과 비교하여 상대적으로 무기필러의 함량을 낮춘 비교예 1의 경우 낮은 Dk 및 Df 특성과 박리 강도는 우수한 특성을 보였으나 열팽창계수가 커지는 경향을 보임으로써 치수안정성이 떨어지는 문제점이 있었다. 최대 입자크기가 유전체의 두께를 상회하면서 각형인 무기필러가 적용된 비교예 2의 경우 Dk는 2.6 수준을 보였으나 유전체 두께를 상회하는 입자들에 의하여 라미네이트된 동박 표면으로 미세한 굴곡이 형성되는 것이 관찰되었으며, 따라서 Df가 급격히 상승하는 문제점이 있었다. 박리강도 역시 구형이 사용된 실시예와 비교하여 떨어지는 경향을 보였다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

사불화에틸렌(tetrafluoroethylene, TFE) 단량체로 구성된 불소수지 매트릭스에 15 이하의 유전상수(Dk)를 갖는 무기필러가 유전체 전체 함량 기준 45 내지 75 중량%로 혼합되어 유전상수 3.0 이하, 신호손실계수(Df) 0.002 이하의 특성을 갖는 유전체와,
상기 유전체의 양면에 적층된 동박을 포함하고,
상기 동박은 상기 유전체 상에 가열 압착에 의하여 적층되고,
상기 유전체는 동박의 신호 손실 증가를 막도록 균일한 표면을 가지고, 이를 위하여 상기 무기필러의 최대 입자 크기가 제한되고,
상기 사불화에틸렌 단량체로 구성된 불소수지 매트릭스에 상기 무기필러에 더하여 불소수지 분말이 추가적으로 포함되는,
연성회로기판용 적층체.
제1항에 있어서,
상기 무기필러는 유전체의 굴곡 유연성을 향상시키도록 구형만으로 이루어지고,
충진율을 높여 유전체의 치수 안정성을 향상시키도록 평균 입경이 서로 다른 2종 이상이 혼합되어 사용되는,
연성회로기판용 적층체.
제2항에 있어서, 무기필러의 최대 입자 크기가 유전체의 두께를 기준으로 70 내지 90%인, 연성회로기판용 적층체.
제3항에 있어서, 유전체와 유전체 양면으로 적층된 동박 간의 박리 강도를 높이고 유전체의 굴곡 유연성을 향상시키도록 유전체 전체 함량 기준 2 내지 20 중량%의 불소수지 분말을 포함하는, 연성회로기판용 적층체.
제4항에 있어서 불소수지 분말은 사불화에틸렌 단량체와 HFP(hexafluoropropylene), PPVE(perfluoropropylvinyl ether), MVE(perfluoromethylvinyl ether) 중에서 선택된 1종의 단량체로 이루어진 공중합체 화합물이고, 그 평균입경(D50)은 3 내지 20㎛인, 연성회로기판용 적층체.
제5항에 있어서 유전체의 두께는 10 내지 175㎛인 연성회로기판용 적층체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 적층체를 전기 신호 전송 회로로 포함하는 연성회로기판.