KR20030052461A

KR20030052461A - Ｌｔｃｃ용 저유전율 세라믹 조성물

Info

Publication number: KR20030052461A
Application number: KR1020010082431A
Authority: KR
Inventors: 김경용; 박일환
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-06-27
Also published as: KR100444359B1

Abstract

본 발명은 하기 화학식 1의 조성을 갖는 LTCC용 저유전율 세라믹 조성물에 관한 것이다.

y[xA - (1-x)B] - (1-y)C

상기 식에서,

A는 BaWO₄이고,

B는 Mg₂SiO₄이며,

C는 SiO₂60∼90 중량%, B₂O₃15∼30 중량%, K₂O1∼10 중량%로 이루어진 보로실리케이트 유리이고,

x는 0.5 ≤x ≤0.9를 충족시키는 값이며,

y는 0.4 ≤y ≤0.8을 충족시키는 값이다.

본 발명에 따른 조성물을 LTCC용 기판 재료로 사용하여, 종래의 LTCC용 기판 재료와 비교하여 유전율이 낮고 품질계수가 우수한 기판 재료를 얻을 수 있다.

Description

ＬＴＣＣ용 저유전율 세라믹 조성물 {Ceramic Material with Low-Dielectric Constant for LTCC}

본 발명은 기판 재료로서 많이 사용되는 저온 소성 LTCC 조성물, 보다 상세하게는 유전율이 낮고 품질계수가 우수한 저온 소성 LTCC 조성물에 관한 것이다.

종래로부터 저온 소성 LTCC 조성물은 기판 재료로서 많이 사용되고 있기 때문에, 저온에서 은전극과의 동시 소성을 위해서는 800∼900℃에서 소성 가능하고, 유전율은 10이하로 낮으며 품질 계수(전기적 손실의 역수)가 높은 특성이 요구되고 있다.

상기 요구에 따라 낮은 유전율 및 우수한 전기적 특성을 얻기 위하여 알루미나를 주조성으로 하고, 저온 소성이 가능해지도록 유리를 첨가하여 900℃이하에서 소성가능한 재료들이 연구되고 있다. 이같이 알루미나에 유리를 첨가하여 기판 재료로서 사용할 경우, 알루미나 자체 조성에 비하여 전기적 특성은 낮으나 소결온도를 절반 이하로 낮출 수 있다는 장점이 있었다. 그러나 알루미나의 높은 소결온도(1600℃이상)로 인해 과량의 유리(40∼80 중량%)가 첨가되기 때문에 이같이 제조된 기판은 품질계수가 낮은 문제를 가지고 있다.

한편, 한국 세라믹 학회지에는 (1-x) BaWO₄- x Mg₂SiO₄(x=0.1∼0.9)의 조성을 갖는 세라믹스는 유전율 ε_r이 10 이하, 구체적으로 6.37∼8.21로 낮으며, 품질계수 Q×f₀가 15000 ∼ 99422이며, 공진 주파수의 온도계수 τ_f가 -73.9∼-48.9 ppm/℃의 고주파 유전특성을 갖는 것으로 기재되어 있다 (표제 「BaWO₄-Mg₂SiO₄세라믹스의 CaTiO₃첨가에 따른 고주파 유전 특성」, 한국 세라믹 학회 Vol 38. No.3, 2001년 3월, pp. 280∼286, 저자 박일환).

본 발명자들은 기존의 알루미나-유리 시스템에서 알루미나를 BaWO₄-Mg₂SiO₄로 대체함으로써 기존의 알루미나-유리 시스템에서 나타나는 문제점, 즉 과량의 유리 첨가로 인해 기판의 품질계수가 낮아지는 문제점을 해결할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 과량의 유리를 첨가하지 않아도 저온(900℃ 이하)에서 소결 가능하며, 품질계수가 우수하고, 유전율이 낮은 LTCC용 저유전율 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에서 세라믹 조성물의 조성 변화와 소결온도에 따른 유전율의 변화를 나타내는 그래프.

도 2는 본 발명에서 세라믹 조성물의 조성 변화의 소결온도에 따른 Q×f₀의 변화를 나타내는 그래프.

상기와 같은 본 발명의 목적은 하기 화학식 1의 조성을 갖는 저유전율 세라믹 조성물을 제공함으로써 달성된다.

<화학식 1>

y[xA - (1-x)B] - (1-y)C

상기 식에서,

A는 BaWO₄이고,

B는 Mg₂SiO₄이며,

x는 0.5 ≤x ≤0.9를 충족시키는 값이며,

y는 0.4 ≤y ≤0.8을 충족시키는 값이다.

본 발명의 저유전율 세라믹 조성물은 기존 알루미나 - 유리 시스템에서 알루미나를 BaWO₄-Mg₂SiO₄로 대체한 것으로서, BaWO₄는 알루미나와 비교하여 품질계수는 유사하지만 소결온도가 상대적으로 낮아(1100-1200℃) 저온소결에 유리하며, Mg₂SiO₄는 상기 BaWO₄에 첨가됨으로써 유전율을 더 낮아지게 하는 효과를 나타낸다.

즉, 상기 특성에 의해 주성분인 BaWO₄-Mg₂SiO₄이 낮은 소결온도를 가지므로, 유리 첨가량을 20 중량% 정도까지 낮추어도 저온에서 은전극과 동시 소성이 가능한 기판 재료를 얻을 수 있다. 따라서 기존의 알루미나-유리 시스템에 비해 과량의 유리를 첨가하지 않아도 저온(900℃ 이하)에서 소결 가능하며, 품질계수가 우수하고, 유전율이 낮은 기판 재료를 제조할 수 있었다.

상기와 같은 본 발명의 세라믹 조성물은 유전율 ε_r이 3.63 내지 6.27이고, 품질계수 Q×f₀(GHz)가 4666 ∼ 12191이며, 공진 주파수의 온도계수 τ_f가 -46∼-17 ppm/℃로서, LTCC 용 저유전율 세라믹스가 요구되는 기판 재료에 적합하게 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 고주파용 LTCC 조성물은 출발물질로서 예를 들어 BaCO₃, WO₃, MgO, SiO₂및 보로실리케이트 유리를 사용하여 제조할 수 있다. 구체적으로 설명하면, BaCO₃와 WO₃를 몰비 1:1로 혼합하고 MgO와 SiO₂를 몰비 2:1로 혼합하여 제조한 BaWO₄와 Mg₂SiO₄분말을 각각 대기중에서 예를 들어 700℃와 1100℃에서 3시간씩 하소하여 합성한다. 보로실리케이트 유리는 SiO₂60∼90 중량%, B₂O₃15∼30 중량%, K₂O1∼10 중량%의 조성을 갖는다. 합성 분말은 잘 분쇄한 후, 예를 들어 직경 14 mm의 원판형 시편으로 가압 성형하여 대기 중에서 예를 들어 800∼900℃의 온도에서 2시간 동안 소결시켜 제조할 수 있다. 이때, 소결후 시편의 수축율은 12∼20% 정도이다. 소결 시편의 유전율, Q×f₀값 및 공진주파수의 온도계수 등의 유전특성은 유전체 공진기법으로 측정할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 실시예를 들어서 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

BaWO₄는 순도 99.9%의 BaCO₃와 WO₃를 몰비 1:1로 혼합하고, 혼합 분말은 대기 중에서 700℃의 온도에서 3시간 정도 하소한 후, 분쇄함으로써 제조할 수 있다.

Mg₂SiO₄는 순도 99.9%의 MgO와 SiO₂를 몰비 2:1로 혼합하고, 혼합 분말은 대기중에서 1100℃의 온도에서 3시간 정도 하소한 후, 분쇄함으로써 제조할 수 있다.

유리는 SiO₂-B₂O₃-K₂O계의 보로실리케이트 유리로서, 조성 범위는 SiO₂60∼90 중량%, B₂O₃15∼30 중량%, K₂O1∼10 중량%이다. 본 실시예에서는 아사히 글라스 (Asahi Glass)에서 시판되는 ASF-103H를 사용하여 실험하였다.

BaWO₄, MgSiO₄및 유리를 표 1에 나타낸 조성비로 혼합하였다.

혼합한 분말을 잘 분쇄한 후 직경 14 mm의 원판형 시편으로 가압 성형하여 대기 중에서 800∼900℃의 온도에서 2시간 동안 소결시켰다. 소결후 시편은 12∼20% 정도 수축되었다.

소결 시편의 양면을 연마지 (#2000 까지)로 잘 연마한 후, 유전체 공진기법으로 유전율, Q×f₀값 및 공진주파수의 온도계수를 측정하였다. 이때, 측정 주파수는 11∼14 GHz이고, 측정온도 범위는 -25∼85℃였다. 각 시편의 조성과 소결 온도에 따른 마이크로파 유전특성을 표 1에 나타내었다.

y[xA - (1-x)B] - (1-y)C 복합체 (식 중, A는 BaWO₄이고, B는 Mg₂SiO₄이며, C는 SiO₂-B₂O₃-K₂O계의 보로실리케이트 유리인 ASF-103H 유리임)의 고주파 유전특성

조성	ε_r	Q ×f_o	τ_f	소결온도
x(몰)	ε_r	Q ×f_o	τ_f	소결온도	y(중량)
0.9	0.8	5.32	12073	-46	800℃
0.9	0.8	6.27	12191	-46	850℃
0.9	0.8	6.26	11661	-45	900℃
0.9	0.7	5.62	11004	-43	800℃
0.9	0.7	5.60	10361	-44	850℃
0.9	0.7	5.57	11017	-45	900℃
0.9	0.6	5.21	9236	-34	800℃
0.9	0.6	4.84	8984	-36	850℃
0.9	0.6	4.53	8779	-36	900℃
0.9	0.5	4.78	8880	-28	800℃
0.9	0.5	4.41	8391	-30	850℃
0.9	0.5	4.32	8278	-30	900℃
0.9	0.4	4.40	8629	-23	800℃
0.9	0.4	4.17	8567	-23	850℃
0.9	0.4	4.09	5982	-25	900℃
0.7	0.8	4.84	8237	-43	800℃
0.7	0.8	4.85	8492	-41	850℃
0.7	0.8	4.94	8936	-42	900℃
0.7	0.7	4.14	8071	-37	800℃
0.7	0.7	4.62	8118	-35	850℃
0.7	0.7	5.51	8484	-35	900℃
0.7	0.6	4.59	8820	-31	800℃
0.7	0.6	5.01	9018	-30	850℃
0.7	0.6	4.90	9230	-30	900℃
0.7	0.5	4.83	9342	-25	800℃
0.7	0.5	4.76	9046	-26	850℃
0.7	0.5	4.44	6389	-29	900℃
0.7	0.4	4.69	9158	-22	800℃
0.7	0.4	4.56	8827	-20	850℃
0.7	0.4	4.22	7103	-22	900℃
0.5	0.8	3.63	4733	-35	800℃
0.5	0.8	3.88	4666	-36	850℃
0.5	0.8	4.05	5381	-35	900℃
0.5	0.7	4.08	5683	-25	800℃
0.5	0.7	4.27	5717	-21	850℃
0.5	0.7	4.43	6188	-22	900℃
0.5	0.6	4.62	5809	-20	800℃
0.5	0.6	4.65	5837	-18	850℃
0.5	0.6	4.81	6218	-18	900℃
0.5	0.5	4.57	5062	-17	800℃
0.5	0.5	4.96	6926	-20	850℃
0.5	0.5	4.95	6950	-18	900℃
0.5	0.4	4.83	6833	-18	800℃
0.5	0.4	4.88	7331	-17	850℃
0.5	0.4	4.92	7512	-17	900℃

본 발명의 LTCC용 저유전율 세라믹 조성물은 900℃ 이하의 저온에서 소성이 가능하며, 유전율이 낮고 품질계수가 우수한 조성물임을 표 1로부터 확인할 수 있었다.

본 발명에 따르면, 기존의 알루미나-유리 시스템에서 알루미나를 BaWO₄-Mg₂SiO₄로 대체함으로써 과량의 유리를 첨가하지 않아도 저온에서 소결 가능하며, 품질계수가 우수하고, 유전율이 낮은 LTCC용 저유전율 세라믹 조성물을 얻을 수 있다. 이에 따라, 종래 전량 수입에 의존하던 LTCC용 재료를 일부 수입 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

하기 화학식 1의 조성을 갖는 LTCC용 저유전율 세라믹 조성물.

<화학식 1>

y[xA - (1-x)B] - (1-y)C

상기 식에서,

A는 BaWO₄이고,

B는 Mg₂SiO₄이며,

C는 SiO₂60∼90 중량%, B₂O₃15∼30 중량%, K₂O1∼10 중량%로 이루어진 보로실리케이트 유리이고,

x는 0.5 ≤x ≤0.9를 충족시키는 값이며,

y는 0.4 ≤y ≤0.8을 충족시키는 값이다.