KR20050019214A - 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트 및 이를이용한 커패시터 제조방법 - Google Patents

내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트 및 이를이용한 커패시터 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트는 유기용매와; 상기 유기용매에 분산된 입경이 20㎛ 이하인 세라믹 분말과, 폴리머와, 경화제를 포함하여 이루어지는 고유전율의 유전체를 제조할 수 있다. 그리고, 페이스트를 스크린 프린팅으로 도포하여 유전체층을 형성하고 유전체층을 평탄화시킴으로써, 원하는 부분에 국부적으로 20㎛ 이하의 두께를 갖는 폴리머/세라믹 복합 유전체층을 형성할 수 있으므로 원하지 않는 부분에 커패시터가 형성됨으로써 발생하는 전기적 기생성분을 줄일 수 있고, 커패시턴스의 오차를 줄일 수 있다.

Description

내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트 및 이를 이용한 커패시터 제조방법{Polymer/ceramic composite paste for embedded capacitor and method for fabricating capacitor using the same}
본 발명은 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트 및 이를 이용한 커패시터 제조방법에 관한 것으로, 특히 고유전상수를 갖으며 스크린 프린팅이 가능한 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트 및 스크린 프린팅을 이용한 커패시터 제조방법에 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, 전기적 성능을 저하시키며, 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 함으로써, 수동소자가 차지하고 있는 면적을 줄여서 칩의 밀도를 높일 수 있으며, 소자간의 접속길이를 짧게 함에 따른 기생 인덕턴스 성분의 감소로 인한 전기적 성능의 향상을 얻을 수 있다.
이러한 수동소자들 중에서도 커패시터(capacitor)에 대한 관심이 큰데, 이는 수동소자 중에서도 커패시터가 40% 이상을 차지할 뿐만 아니라 회로 상에서 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 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)과의 상호 적합성을 가지고 있어 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
종래의 일반적인 내장형 커패시터는, 기판 위에 하부전극을 위한 도전체 영역을 패턴하고, 하부전극의 전면(全面)에 유전체층을 형성한 후, 유전체층 상에 상부전극을 위한 도전체 영역을 패턴함으로써 형성된다. 그러나 이러한 방법은 상부전극과 하부전극의 정렬(alignment) 문제가 발생할 수 있으며, 상부전극 및 하부전극에 의해 유전체층의 두께가 균일하게 형성되지 않는다는 단점이 있다. 또한, 회로 기판의 커패시터 영역외의 영역에 고유전율의 유전체층이 형성되면 신호전송시 전기적 기생성분이 발생하므로 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 커패시터의 유전체층을 균일한 두께로 원하는 영역에만 형성시킬 수 있는 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트 및 이를 이용한 내장형 커패시터의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트는: 유기용매와; 상기 유기용매에 분산된 입경이 20㎛ 이하인 세라믹 분말과, 폴리머와, 경화제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 유기용매에는 분산제, 소포제, 커플링제 및/또는 점도를 낮추기 위한 별도의 유기용매가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 내장형 커패시터의 제조방법은: 상술한 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트와 하부전극층이 증착된 기판을 마련하는 단계와; 상기 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 상기 하부전극층 상에 스크린 프린팅 방법으로 도포하는 단계와; 도포된 상기 폴리머/세라믹 복합 페이스트에 가열 및 가압하여 상기 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 경화시키면서 평탄화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트의 구조도이고, 도 2a 내지 도 2d는 도 1에 따른 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 이용한 커페시터 제조방법을 설명하기 위한 개략도들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트(100)는 기본적으로 유기용매, 유기용매에 분산된 입경이 20㎛ 이하인 고유전율 세라믹 분말(111, 112), 폴리머(113) 및 경화제로 이루어진다.
세라믹 분말(111, 112)로는 입경이 10nm ∼ 10㎛이며 유전율이 4이상인, BaTiO3(barium titanate), PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate), BST(barium strontium titanate) 또는 PZT(lead zirconium titanate)이 사용된다. 이 때, 고유전율의 세라믹 분말의 함량이 많을수록 제조된 페이스트의 유전상수는 증가하므로 가능한 한 많은 양을 넣는 것이 좋으나, 물리적인 한계 때문에 최대로 넣을 수 있는 세라믹 분말의 양은 최대 90 vol% 정도이다. 도 1에는 입경이 다른 두 종류의 세라믹 분말이 분산되어 있다.
폴리머(120)로는 열경화성 수지와 열가소성 수지가 모두 사용될 수 있지만, 열적인 안정성을 고려할 때 에폭시, 폴리이미드(polyimide), BCB(Benzocyclo butane), 폴리아크릴레이트(poly acrylate) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 열경화성 수지를 기본으로 사용하고 필요에 따라 열가소성 수지를 첨가할 수 있다.
경화제로는 DICY(dicyandiamide) 또는 폴리머 캡슐로 코팅된 이미다졸(imidazole)과 같은 상온에서 경화가 일어나지 않는 잠재성 경화가 사용된다. 이것은 일반 경화제를 사용하면 상온에서 경화가 진행되어 시간에 따라 점도가 변하므로 작업성이 나빠지고 보관성도 떨어지기 때문이다.
상술한 바와 같이 구성된 페이스트의 점도 및 칙소성(thixotropy)과 같은 여러 가지 유변학적(rheology) 특성을 위하여, 분말들의 분산을 좋게 하는 분산제, 페이스트 재료 내부의 기포를 제거하는 소포제, 세라믹 분말과 폴리머간의 계면특성을 개선시키는 커플링제 또는 점도를 낮추기 위해 첨가되는 별도의 유기용매를 더 페이스트에 포함시킬 수 있다. 이 때, 상술한 분산제, 소포제, 커플링제 및 별도의 유기용매의 총양은 요구되는 유변학적 특성에 따라 0.01wt%∼50wt% 정도이다.
이어서, 상술한 폴리머/세라믹 복합 페이스트의 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, 세라믹 분말(111, 112)을 분산제와 함께 유기용매에 넣어 분산시켜 현탁액(suspension)을 만든다. 이때, 필요에 따라 커플링제, 소포제 등의 첨가제를 넣을 수 있으며, 사용되는 유기용매의 양을 적절히 조절하여 페이스트의 점도를 조절할 수 있다. 세라믹 분말의 분산을 돕기 위하여 초음파 분쇄기, 각종 볼 밀 및 혼합기를 사용한다.
다음에, 상기의 혼탁액에 폴리머(120)와 경화제를 넣고 볼밀이나 믹서를 이용하여 혼합함으로써 페이스트(100)를 제조한다.
상술한 고유전율의 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 사용하면 내장형 커패시터의 유전체를 제작할 수 있으므로, 표면 실장 개별형 커패시터를 대체하여 패키지의 크기와 무게를 줄일 수 있고, 짧아진 접속 길이로 인해 전기적 성능이 향상되며, 납땜을 통한 접속이 줄어들어서 기계적 신뢰성이 향상한다.
계속해서 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 상술한 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 이용한 내장형 커패시터 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, 하부전극층(20)이 형성된 기판(10)과 상술한 폴리머/세라믹 복합 페이스트(100)를 각각 마련한다.
다음에, 도 2a와 같이 유전체층과 같은 형상으로 구멍이 패터닝된 마스크를 하부전극층(20) 상에 위치시키고, 마스크 상면의 일측에 페이스트(100)를 떨어뜨린 후 스크린 프린팅 방법, 즉 스퀴지(squeegee)로 페이스트(100)를 밀어서 마스크의 구멍을 통하여 하부전극층(20)에 페이스트(100)가 도포되도록 한다. 마스크를 제거하면 마스크의 패턴과 동일한 형상의 페이스트(100)가 하부전극층(20) 상에 형성된다. 이 때, 사용되는 마스크로는 실크 마스크 또는 메탈 마스크가 사용될 수 있다. 유전체층(30)은 페이스트(100)를 고화(固化)시킴으로써 이루어진다. 형성된 유전체층(30)의 두께는 페이스트(100)의 고형분의 함량과 마스크의 두께에 의해 결정되는데 높은 커패시턴스를 얻기 위해서는 가능한 두께가 20㎛ 이하로 작아야 하므로, 마스크의 두께는 25∼100㎛정도가 적당하다. 본 발명의 실시예에서는 스크린 프린팅 방법으로 도포함으로써 원하는 부분에 국부적으로 20㎛ 이하의 두께를 갖는 폴리머/세라믹 복합 유전체층(30)을 형성할 수 있다. 따라서, 원하지 않는 부분에 커패시터가 형성됨으로써 발생하는 전기적 기생성분을 줄일 수 있다.
한편, 스크린 프린팅 방법으로 도포되어 형성된 유전체층(30)의 형상을 보면, 도 2b와 같이, 가장자리에서 두께가 심하게 두꺼워지는 문제가 발생한다. 특히, 실크 마스크를 사용하는 경우에는 그 정도가 훨씬 심하다. 따라서, 본 발명에서는 페이스트(100)의 유변학적 특성을 적절히 조절하여 유동성과 평탄성을 얻거나, 도포된 페이스트(100)에 가열 및 가압하여 도포된 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 평탄화시켜 준다. 일 예로, 적절한 온도가 되도록 열을 가하여 페이스트(100)의 유기용매를 제거하고, 더 높은 온도, 예컨대 180∼200℃가 되도록 열을 가하여 폴리머(120)를 경화시킬 때 50psi∼200psi의 압력을 가하면 도 2c와 같이 평탄화된 유전체층(30)을 얻을 수 있다.
이어서, 폴리머/세라믹 복합재료로 이루어진 유전체층(30) 상에 상부전극층(40)을 형성하면 도 2d와 같은 커패시터가 제조된다.
상술한 본 발명에 따른 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 사용하면 고유전율의 내장형 커패시터의 유전체를 제작할 수 있으므로, 표면 실장 개별형 커패시터를 대체하여 패키지의 크기와 무게를 줄일 수 있고, 짧아진 접속 길이로 인해 전기적 성능이 향상되며, 납땜을 통한 접속이 줄어들어서 기계적 신뢰성이 향상한다.
또한 본 발명에 따른 커패시터 제조방법에 의하면, 상술한 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 스크린 프린팅 방법으로 도포함으로써 원하는 부분에 국부적으로 20㎛ 이하의 두께를 갖는 폴리머/세라믹 복합 유전체층을 형성할 수 있으므로 원하지 않는 부분에 커패시터가 형성됨으로써 발생하는 전기적 기생성분을 줄일 수 있고, 경화시키면서 가압하여 평탄화된 유전체층을 얻을 수 있으므로 커패시턴의 오차를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트의 구조도; 및
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 따른 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 이용한 커페시터 제조방법을 설명하기 위한 개략도들이다.

Claims (6)

  1. 유기용매와;
    상기 유기용매에 분산된 입경이 20㎛ 이하인 세라믹 분말과, 폴리머와, 경화제를 포함하여 이루어지는 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 세라믹 분말은, 입경이 10nm ∼ 10㎛이며 유전율이 4이상인, BaTiO3, PMN-PT, BST 및 PZT로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 폴리머는 에폭시, 폴리이미드, BCB, 폴리아크릴레이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 경화제는 DICY 또는 폴리머 캡슐로 코팅된 이미다졸로 이루어진 잠재성 경화제인 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트.
  5. 제1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기용매에는 분산제, 소포제, 커플링제 및/또는 점도를 낮추기 위한 별도의 유기용매가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트.
  6. 제5 항에 따른 내장형 커패시터용 폴리머/세라믹 복합 페이스트와 하부전극층이 증착된 기판을 마련하는 단계와;
    상기 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 상기 하부전극층 상에 스크린 프린팅 방법으로 도포하는 단계와;
    도포된 상기 폴리머/세라믹 복합 페이스트에 가열 및 가압하여 상기 폴리머/세라믹 복합 페이스트를 경화시키면서 평탄화시키는 단계를 포함하는 내장형 커패시터의 제조방법.
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