KR20040053574A - 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름 - Google Patents
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Abstract
고유전상수를 갖기 위해 세라믹 함량을 증가시키더라도 접착력의 열화를 가져오지 않는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름에 관해 개시한다. 본 발명의 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름은: 세라믹 분말, 폴리머 및 경화제로 이루어진 주 유전층과; 상기 주 유전층의 양면에 형성되며, 세라믹 분말, 폴리머 및 경화제로 이루어진 접착층을 구비하며, 상기 접착층 중의 세라믹 분말의 함유율이 상기 주 유전층 중의 세라믹 분말의 함유율보다 낮은 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름에 관한 것으로, 특히, 고유전상수를 갖기 위해 세라믹 함량을 증가시키더라도 접착력의 열화를 가져오지 않는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름에 관한 것이다.
최근 들어 전자제품의 경박단소화와 전기적 고성능화를 위하여 수동소자에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 그 이유는 전자제품에 사용되는 수동소자의 수가 능동소자의 수에 비해 훨씬 더 많기 때문인데, 예를 들어 휴대용 이동통신 기기의 경우 능동소자의 개수에 대한 수동소자의 개수의 비가 20을 넘고 있다고 한다. 이와 같이 많은 수의 수동소자들이 현재는 대부분 개별형 부품(discrete component)의 형태로 기판의 표면에 실장되고 있어서 기판의 많은 면적을 차지할 뿐만 아니라 특히 고주파를 사용하는 전자제품의 경우 소자 간의 접속거리가 길어서 인덕턴스(inductance) 성분을 유발시킴으로써 전기적 성능을 저하시킨다. 또한, 납땜을 통해 접속해야 하는 수가 많아짐에 따라 제품의 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
내장형 수동(integral passive 또는 embedded passive) 소자 기술이란 기존의 개별형 수동소자들을 기판의 표면으로부터 제거하여 다층구조 기판의 한 층에 형성하여 집적시켜 주는 것을 말한다. 이렇게 하면, 수동소자가 차지하고 있는 면적을 줄여서 칩의 밀도를 높일 수 있으며, 소자 간의 접속길이를 짧게 함에 따른 기생 인덕턴스 성분의 감소로 인한 전기적 성능의 향상을 얻을 수 있다. 또한, 납땜을 통한 접속을 줄임으로써 기계적 신뢰성의 향상도 얻을 수 있다.
이러한 수동소자들 중에서도 커패시터(capacitor)에 대한 관심이 큰데, 이는 수동소자 중에서도 커패시터가 40% 이상을 차지할 뿐만 아니라 회로 사에서 디커플링(decoupling) 커패시터나 바이패스(by-pass) 커패시터는 중요한 역할을 하기 때문이다.
한편, 내장형 커패시터의 후보 재료 중의 하나인 폴리머/세라믹 복합체는 폴리머의 우수한 가공성과 세라믹의 높은 유전상수를 결합한 것이다. 이러한 재료를 사용하면, 200℃ 이하의 공정온도에서 비용이 적게 들면서도 비교적 우수한 성능의 커패시터를 형성할 수 있는데, 특히 에폭시/세라믹 복합체의 경우 현재 많이 사용되고 있는 플라스틱 인쇄회로기판과의 상호 적합성을 가지고 있어 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
폴리머/세라믹 복합 내장형 커패시터 필름은 균일한 유전특성을 가지며 가공성, 상온 보관성, 접착성이 우수할 뿐만 아니라 생산성과 경제성 또한 우수한 내장형 커패시터 재료이다.
도 1에 종래기술에 따른 내장형 커패시터 유전체용 폴리머/세라믹 복합 커패시터 필름의 일 예의 개략적 단면을 나타내었다. 도 1을 참조하면, 폴리머/세라믹 복합 커패시터 필름(100)은, 세라믹 분말로서 서로 다른 크기를 가지는 고유전율의 BaTiO3(barium titanate) 분말(110, 112)을, 폴리머로서 에폭시(130)를 각각 이용하고 있다. 이와 같은 폴리머/세라믹 복합 커패시터 필름의 유전상수를 증가시키기 위해서는 고유전율을 갖는 세라믹 분말의 함유율을 증가시켜야 하는데, 이렇게 할경우 물리적인 특성 상 필름의 접착력이 약해져 사용할 수 없게 되는 문제점이 발생한다. 예를 들어서, 종래의 폴리머/세라믹 복합 커패시터 필름에서 세라믹 분말의 함유율이 50% 이상일 경우에 높은 유전상수는 달성할 수 있지만 접착력이 매우 약해져서 실제 제품에 적용할 수 없었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 내부의 세라믹 분말 함유율이 높아서 높은 유전상수를 달성하더라도 접착력의 저하를 가져오지 않는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름을 제공하는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 내장형 커패시터 유전체용 폴리머/세라믹 복합 필름의 개략적 단면도;
도 2는 폴리머/세라믹 복합 필름 내의 세라믹 분말의 함량에 따른 내장형 커패시터 유전체의 유전상수 변화를 나타낸 그래프;
도 3은 폴리머/세라믹 복합 커패시터 필름 내의 세라믹 분말의 함량에 따른 접착력의 변화를 나타낸 그래프;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3층 구조 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름의 구조도; 및
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3층 구조 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름의 접착력을 나타낸 그래프이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름은: 세라믹 분말, 폴리머 및 경화제로 이루어진 주 유전층과; 상기 주 유전층의 양면에 형성되며, 세라믹 분말, 폴리머 및 경화제로 이루어진 접착층을 구비하며, 상기 접착층 중의 세라믹 분말의 함유율이 상기 주 유전층 중의 세라믹 분말의 함유율보다 낮은 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름의 두께는 1∼100㎛인 것이 바람직하다.
상기 세라믹 분말은, BaTiO3, PMN-PT(lead magnesium niobate-leadtitanate), BST(barium strontium titanate) 및 PZT(lead zirconium titanate)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 세라믹 분말이 10㎚∼10㎛의 직경을 갖는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 이형체 필름에 코팅하기 알맞은 분자량과 점도를 갖도록, 상기 폴리머는 에폭시, 폴리이미드, BCB(benzocyclo butane), 폴리아크릴레이트로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경화제가 잠재성 경화제로서, 특히 폴리머 캡슐로 코팅된 이미다졸, 또는 DICY(dicyandiamide)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 내장형 커패시터 유전체의 유전 상수를 증가시키기 위해, 크기가 서로 다른 2종 이상의 세라믹 분말을 상기 주 유전층 내에 함유시켜도 좋다.
더욱이, 상기 주 유전층에 2종 이상의 세라믹 분말을 함유시키고, 상기 주 유전층을 상기 세라믹 분말의 종류에 따라 2층 이상으로 형성하여도 좋다.
상기 접착층을 상기 주 유전층의 양면에 롤 코팅(roll coating) 방식에 의해 형성할 수도 있고, 상기 접착층과 상기 주 유전층을 별개로 만든 후, 라미네이션에 의해 상기 접착층을 상기 주 유전층의 양면에 형성할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 이론적 기초로 작용하는 폴리머/세라믹 복합 필름의 유전상수 및 접착력에 대해 설명한다.
평판 커패시터에서 유전체의 유전상수가 높을수록 단위면적 당 높은 커패시턴스를 얻을 수 있다. 따라서, 폴리머/세라믹 복합 내장형 커패시터 필름이 높은유전상수를 나타내기 위해서는 높은 유전상수를 갖는 세라믹 분말의 함량을 증가시켜야 한다.
도 2는 폴리머/세라믹 복합 필름 내의 세라믹 분말의 함량에 따른 내장형 커패시터 유전체의 유전상수 변화를 나타낸 그래프이다. 폴리머로는 에폭시를, 세라믹으로는 BaTiO3를 채용하였다. 도 2에서 사각형으로 표시된 것은, 평균입경이 0.9㎛인 한 종류의 BaTiO3분말을 이용한 BaTiO3단종 내장형 커패시터 필름(unimodal embedded capacitor film; unimodal ECF)을 나타내며, 원형으로 표시된 것은 평균입경이 각각 0.9㎛ 및 0.06㎛인 두 종류의 BaTiO3분말을 이용한 BaTiO3이종 내장형 커패시터 필름(bimodal ECF)을 나타낸다. 도 2를 참조하면, BaTiO3단종 내장형 커패시터 필름의 경우 BaTiO3분말의 함유량이 60vol%인 때에 유전상수는 최대값인 약 60을 나타내었으며, 그 이상으로 분말을 함유시키면 오히려 유전상수가 감소되는 것을 알 수 있다. 그 이유는, BaTiO3분말의 함유량이 60vol%인 때에 분말의 최대 충진(maximum packing)이 이루어지며, 그 이상의 분말 함유량은 최대 충진을 깨뜨리고 빈 공간(void)을 유발하기 때문인 것으로 이해되고 있다. 그러나, 크기 차이가 많이 나는 두 가지 종류의 분말을 이용한 BaTiO3이종 내장형 커패시터 필름의 경우, 큰 분말 입자 사이의 빈 공간을 작은 분말 입자가 채움으로써 단일 입자를 사용한 경우에 비해 더 많은 분말을 넣어 유전상수를 높일 수 있다. 도 2를 보면, BaTiO3이종 내장형 커패시터 필름의 경우 BaTiO3분말의 함유량을 75vol%까지 높일수 있으며, 이 때에 약 90까지의 유전상수도 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 3은 폴리머/세라믹 복합 커패시터 필름 내의 세라믹 분말의 함량에 따른 접착력(90도 peel strength)의 변화를 나타낸 그래프이다. 접착력의 테스트 방법으로는, 동박이 입혀진 인쇄회로기판(PCB) 위에 내장형 커패시터 필름을 가압착하여 붙이고 그 위에 동 호일(Cu foil)을 승온상태에서 라미네이션(lamination)하여 붙여서 제작된 동 호일/내장형 커패시터 필름(ECF)/인쇄회로기판 동(PCB Cu) 구조의 시편을 90도 필 테스트(peel test)하는 방식을 택하였다. 여기에 사용된 구리 호일의 양면의 거칠기가 다른 것을 이용함으로써 접착력의 차이를 비교하였다. 통상적으로 내장형 커패시터가 인쇄회로기판에 적용되기 위해서는 최소한 0.8kgf/㎝ 이상의 접착력이 요구되는 것으로 알려져 있다.
도 3을 참조하면, 한 종류의 BaTiO3분말을 이용한 단종 폴리머/세라믹 복합 내장형 커패시터 필름의 접착력은 BaTiO3분말의 함량이 늘어남에 따라 감소하며, BaTiO3분말의 함량이 65vol%에 이르면 접착력이 완전히 없어짐을 알 수 있다. 한편, 입경이 서로 다른 두 종류의 BaTiO3분말을 이용한 이종 폴리머/세라믹 복합 내장형 커패시터 필름의 경우, BaTiO3분말의 함량이 75vol%에 이를 때 접착력이 0은 아니었으나 매우 작아 실제 인쇄회로기판에 사용할 수 없을 것으로 보여진다. 이와 같이, 폴리머/세라믹 내장형 커패시터의 유전상수를 높이기 위해서는 분말의 함량을 높여야 하지만 접착력의 감소 문제 때문에 이에 대한 개선이 필요함을 알 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3층 구조 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름(200)의 구조도이다. 도 4를 참조하면, 3층 구조의 중앙에는, 평균입경이 각각 0.9㎛ 및 0.06㎛인 두 종류의 BaTiO3분말(110 및 112), 에폭시(130) 및 경화제(미도시)로 이루어진 주 유전층(210)이 위치한다. 그리고, 주 유전층(210)의 양면에는, 평균입경이 0.9㎛인 한 종류의 BaTiO3분말(110), 에폭시(130) 및 경화제(미도시)로 이루어진 상부 접착층(220a) 및 하부 접착층(220b)이 롤 코팅방식에 의해 형성된다. 이러한 구조에 의해, BaTiO3분말의 함유량이 하부 접착층/주 유전층/상부 접착층에 대해 30vol%/75vol%/30vol%인 3층 구조 유전체(200)를 얻었다. 즉, 주 유전층(210) 내의 BaTiO3분말 함유율이 상부 및 하부 접착층(220a 및 220b) 내의 BaTiO3분말 함유율보다 높도록 BaTiO3분말을 함유시켰다. 이렇게 하면, 실제 사용시, 동 호일(Cu foil) 또는 인쇄회로기판의 동과 접촉하는 부분은 BaTiO3분말 함유율이 비교적 낮은 상부 또는 하부 접착층(220a 또는 220b)이 되어서 이 층에 의해 접착력이 결정되게 된다. 따라서, 주 유전층(210)을 단독으로 사용한 경우보다 높은 접착력을 나타낼 수 있다.
상기 실시예의 3층 구조 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름(200)에 대해 접착력 테스트를 실시한 결과, BaTiO3분말 함유율이 30vol%인 단층 구조 유전체와 동일한 접착력을 나타냄을 확인하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
일반적으로 유전상수가 큰 필름에 유전상수가 작은 필름이 추가되는 경우 전체 필름의 유전상수는 전체 두께에 대한 접착층, 즉 저분말 함량 필름 두께의 비에 반비례한다. 따라서, 유전상수의 감소를 최소화하기 위해서는 접착층의 유전상수를 높이고 두께는 작게 하여야 한다. 접착력만 고려한다면 분말이 포함되어 있지 않는 필름을 접착층으로 사용하는 것이 가장 좋겠지만, 이 경우 유전상수의 감소가 심하므로 어느 정도 접착력을 갖고 약간의 세라믹 분말을 포함하는 얇은 필름을 사용하는 것이 좋다.
두께 10㎛의 세라믹 분말이 75vol%인 이종 필름의 유전상수는 93이지만, 50vol%(1㎛)/75vol%(8㎛)/50vol%(1㎛)의 구조로 만들어진 3층 필름의 유전상수는 약 70이 된다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
따라서, 본 실시예에서는 세라믹 분말의 재질로 BaTiO3를 사용하였으나, 유전상수값이 4 이상인 것이라면, 그 외에도 PMN-PT, BST, 또는 PZT를 사용할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 폴리머로서 에폭시를 사용하였으나, 이형체 필름에코팅하기 알맞은 분자량과 점도를 갖는다면, 그 외에도 폴리이미드, BCB, 또는 폴리아크릴레이트를 사용할 수도 있다.
그리고, 경화제에 대해서는 구체적으로 언급하지 않았으나, 잠재성 경화제이면 무방하며, 그 예로서 폴리머 캡슐로 코팅된 이미다졸, 또는 DICY를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹 분말의 함량이 50vol% 이상이며 유전상수가 50 이상인 고 접착 신뢰성을 갖는 폴리머/세라믹 복합 필름을 이용한 내장형 커패시터 유전체를 제작할 수 있다.
또한, 폴리머/세라믹 복합 필름을 이용하여 내장형 커패시터 유전체를 제작하게 되므로, 표면 실장 개별형 커패시터를 대체하여 패키지의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 또한, 짧아진 접속 길이로 인해 전기적 성능이 향상되며, 납땜을 통한 접속이 줄어들어서 기계적 신뢰성이 향상한다.
Claims (11)
- 세라믹 분말, 폴리머 및 경화제로 이루어진 주 유전층과;상기 주 유전층의 양면에 형성되며, 세라믹 분말, 폴리머 및 경화제로 이루어진 접착층;을 구비하며, 상기 접착층 중의 세라믹 분말의 함유율이 상기 주 유전층 중의 세라믹 분말의 함유율보다 낮은 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항에 있어서, 상기 복합 유전체 필름의 두께가 1∼100㎛인 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항에 있어서, 상기 세라믹 분말이, BaTiO3, PMN-PT, BST 및 PZT로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제3항에 있어서, 상기 세라믹 분말이 10㎚∼10㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항에 있어서, 이형체 필름에 코팅하기 알맞은 분자량과 점도를 갖도록, 상기 폴리머가 에폭시, 폴리이미드, BCB, 폴리아크릴레이트로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항에 있어서, 상기 경화제가 잠재성 경화제인 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제6항에 있어서, 상기 잠재성 경화제가 폴리머 캡슐로 코팅된 이미다졸, 또는 DICY로 이루어진 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항에 있어서, 상기 내장형 커패시터 유전체의 유전 상수를 증가시키기 위해, 크기가 서로 다른 2종 이상의 세라믹 분말을 상기 주 유전층 내에 함유시킨 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 주 유전층에 함유된 세라믹 분말이 2종 이상이며, 상기 주 유전층이 상기 세라믹 분말의 종류에 따라 2층 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항에 있어서, 상기 접착층이 상기 주 유전층의 양면에 롤 코팅방식에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
- 제1항에 있어서, 상기 접착층이 상기 주 유전층과 별도로 만들어진 후, 라미네이션에 의해 상기 주 유전층의 양면에 형성된 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 다층 폴리머/세라믹 복합 유전체 필름.
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2002
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