KR20050116672A - Method for sintering of ltcc - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법을 개시한다. The present invention discloses a method for sintering a low temperature cofired ceramic substrate.
본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법은 배선 패턴이 인쇄된 그린 시트를 유기물이 제거되도록 가열하고 냉각하는 단계; 상온에서 마이크로웨이브에 반응하여 발열하며 그린 시트보다 유전손실 계수가 큰 조성물로 된 판상의 서셉터를 마이크로웨이브 캐비티 내에 구비하는 단계; 상기 그린 시트를 서셉터의 상면에 구비하는 단계; 상기 서셉터를 열원으로 하여 그린 시트에 열폭주를 유도시켜 소결이 시작되도록 마이크로웨이브를 방출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. The sintering method of the low temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention comprises the steps of heating and cooling the green sheet printed wiring pattern to remove the organic matter; Providing a plate-shaped susceptor in a microwave cavity, wherein the plate-like susceptor is exothermic to the microwave at room temperature and has a dielectric loss coefficient greater than that of the green sheet; Providing the green sheet on an upper surface of a susceptor; Inducing thermal runaway in the green sheet by using the susceptor as a heat source and emitting microwaves to start sintering; Characterized in that it comprises a.
상기와 같은 방법에 의한 저온동시소성 세라믹 기판의 소결은 소결 공정 시간을 단축하여 생산성을 향상시키며, 이에 따라 소결된 저온동시소성 세라믹 기판은 수축률 감소와 균일한 수축에 의해 양호한 배선 패턴을 갖기 때문에 전기적 특성이 우수한 기판의 제조가 가능한 이점이 있다. The sintering of the low temperature co-fired ceramic substrate by the above method shortens the sintering process time and improves the productivity. As a result, the sintered low temperature co-fired ceramic substrate has a good wiring pattern due to shrinkage reduction and uniform shrinkage. There is an advantage that it is possible to manufacture a substrate having excellent characteristics.
Description
본 발명은 저온동시소성 세라믹(Low Temperature Cofired Ceramic: LTCC) 기판의 소결 방법에 관한 것으로, 특히 마이크로웨이브와 열원을 사용하는 하이브리드 가열 방식을 이용하여 저온동시소성 세라믹 기판을 소결하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for sintering a low temperature cofired ceramic (LTCC) substrate, and more particularly, to a method for sintering a low temperature cofired ceramic substrate using a hybrid heating method using a microwave and a heat source.
최근 정보 통신 분야의 비약적인 발전에 따라, 정보 통신용 부품이 소형화, 경량화, 저가격화, 고기능화 되는 추세에 맞추어, 기판의 배선밀도를 높임과 동시에 개별 부품 또는 모듈의 크기를 줄이는 것이 절실히 요구되고 있다. 이를 실현하기 위한 수단으로서 우수한 배선밀도와 양호한 전기적 특성을 갖는 저온동시소성 세라믹 기술이 활발히 연구되고 있다.In recent years, with the rapid development of the information and communication field, it is urgently required to increase the wiring density of the board and reduce the size of individual components or modules in accordance with the trend of miniaturization, light weight, low cost, and high functionality of the information communication components. As a means for realizing this, low temperature co-fired ceramic technology having excellent wiring density and good electrical characteristics has been actively studied.
저온동시소성 세라믹은 알루미나(Al2O3) 등을 주성분으로 하고 유리계 재료를 첨가한 것으로 1000℃ 이하의 온도에서 소결이 가능하다. 이러한 저온동시소성 세라믹을 이용한 기판은 소성되지 않은 상태의 세라믹과 유기물이 혼합된 세라믹 슬러리를 시트 형상으로 성형한 세라믹 그린 시트(Green Sheet)에 은(Ag), 구리(Cu) 등의 전기적 특성이 우수한 금속을 주원료로 한 도전성 페이스트를 인쇄하여 적층한 후 소결함으로써 형성된다.Low temperature co-fired ceramics contain alumina (Al 2 O 3 ) as a main component and glass-based materials are added, and sintering is possible at a temperature of 1000 ° C. or lower. The substrate using the low temperature co-fired ceramic has electrical characteristics such as silver (Ag) and copper (Cu) in a ceramic green sheet formed into a sheet shape of a ceramic slurry mixed with ceramics and organic materials that are not fired. It is formed by printing, laminating, and sintering a conductive paste containing a superior metal as a main raw material.
종래에는 저온동시소성 세라믹 기판의 소결시, 발열체나 가스로를 이용하는 방법을 주로 이용하였으며, 이는 분위기 가열에 의한 일체적인 가열 방식으로 밀폐된 소결로에 그린 시트 적층체를 넣고 열복사 또는 열대류에 의해 열을 간접적으로 세라믹에 전달하여 장시간 소결하는 방법이다. Conventionally, a method using a heating element or a gas furnace is mainly used for sintering a low temperature co-fired ceramic substrate, and the green sheet laminate is placed in a sealed sintering furnace by an integral heating method by ambient heating, and is heated by heat radiation or tropical flow. It is a method of indirectly transferring to the ceramic and sintering for a long time.
상기와 같은 방법에 의하면, 외부 열원에서부터 전달된 열로 인해서 소결하고자 하는 세라믹 적층체의 외부에서부터 가열이 진행되어 내부로 열이 전달되므로 적층체의 불규칙한 수축으로 인해 인쇄된 금속 배선 패턴에 변형을 초래하게 된다. According to the above method, heat is transferred from the outside of the ceramic laminate to be sintered due to heat transferred from an external heat source, and heat is transferred to the inside, thereby causing deformation in the printed metal wiring pattern due to irregular shrinkage of the laminate. do.
또한, 예를 들어 세라믹 기판이 알루미나를 주성분으로 한 저온동시소성 세라믹의 조성물인 경우, 외부에서 내부로 열이 전달되게 되면, 용융점이 높은 알루미나에 비해 용융점이 상대적으로 낮은 유리질이 먼저 용융되면서 외부에서 먼저 녹은 유리질이 세라믹 내부로 침투해 들어가면서 내부의 공극을 채우게 되는데, 이러한 경로를 통한 기판의 수축으로 인해 배선 패턴의 예상 설계치가 크게 벗어나게 되기 때문에 정확한 배선을 구현하여 정밀한 부품을 제조하는데에는 난점이 있다. In addition, for example, when the ceramic substrate is a composition of a low temperature co-fired ceramic mainly composed of alumina, when heat is transferred from the outside to the inside, the glass material having a relatively low melting point compared to alumina having a high melting point first melts from the outside. The molten glass material penetrates into the ceramic and fills the pores inside, and the shrinkage of the substrate through such a path greatly deviates from the expected design value of the wiring pattern, which makes it difficult to manufacture accurate components by implementing accurate wiring. .
그 뿐만 아니라, 낮은 온도의 소성이나 급속 소성을 하여 전체적으로 균일하게 수축이 이루어지지 않는 경우에는 세라믹 기판 내부에 공극 내지 갭이 형성되거나 균열이 발생되어 회로 패턴이 조밀하지 못하고 기판의 강도가 약해지게 된다. In addition, in the case where low temperature firing or rapid firing does not uniformly shrink overall, voids or gaps are formed or cracks are generated in the ceramic substrate, so that the circuit pattern is not dense and the strength of the substrate is weakened. .
상기와 같은 문제점들은 저온동시소성 세라믹 기판으로는 전기 통신 기기의 경박단소화 경향에 맞추어 미세 패턴이 형성된 기판을 제작할 수 없게 하는 문제점을 야기시킨다. Such problems cause a problem that the low-temperature co-fired ceramic substrate cannot produce a substrate on which a fine pattern is formed in accordance with the tendency of light and short reduction of a telecommunication device.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 상온에서 마이크로웨이브에 반응하는 서셉터를 사용하고 이를 열원으로 하여 저온동시소성 세라믹을 가열함으로써 저온동시소성 세라믹이 마이크로웨이브에 반응하는 온도에 다다르면 마이크로웨이브에 의해 자체 발열이 유도되어 소결이 완성되는 것으로, 얇은 층을 순서대로 소결하여 배선 형성의 안정성을 갖는 저온동시소성 세라믹 기판을 얻을 수 있고 공정 시간이 단축되며 에너지 소비를 줄일 수 있는 소결 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention for solving the above problems, by using a susceptor reacting to the microwave at room temperature and using the same as a heat source to heat the low-temperature co-fired ceramic to reach the temperature at which the low-temperature co-fired ceramic reacts to the microwave The self-heating is induced to complete the sintering process. By sintering thin layers in order, a low temperature cofired ceramic substrate having stability of wiring formation can be obtained, and the sintering method can be shortened and the energy consumption can be reduced. It aims to do it.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바람직한 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법은 배선 패턴이 인쇄된 그린 시트를 유기물을 제거하고 냉각하는 단계; 상온에서 마이크로웨이브에 반응하여 발열하며 그린 시트보다 유전손실 계수가 큰 조성물로 된 판상의 서셉터를 마이크로웨이브 캐비티 내에 구비하는 단계; 상기 그린 시트를 서셉터의 상면에 구비하는 단계; 마이크로웨이브를 방출하여 상기 서셉터를 열원으로 하는 그린 시트에 열폭주를 유도시켜 소결을 완성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to an exemplary embodiment of the present invention, there is provided a method of sintering a low-temperature cofired ceramic substrate, the method including: removing and cooling an organic material on a green sheet printed with a wiring pattern; Providing a plate-shaped susceptor in a microwave cavity, wherein the plate-like susceptor is exothermic to the microwave at room temperature and has a dielectric loss coefficient greater than that of the green sheet; Providing the green sheet on an upper surface of a susceptor; Releasing microwaves to induce thermal runaway in a green sheet using the susceptor as a heat source to complete sintering; Characterized in that it comprises a.
본 발명의 바람직한 다른 특징은 상기 유기물이 제거되는 그린 시트가 다층의 그린 시트 적층체인 것에 있다.Another desirable feature of the present invention is that the green sheet from which the organic material is removed is a multilayer green sheet laminate.
본 발명의 바람직한 또다른 특징은 상기 서셉터에 그린 시트를 간격을 두고 배치하는 것에 있다. Another desirable feature of the present invention is to arrange the green sheets at intervals between the susceptors.
본 발명의 바람직한 또다른 특징은 상기 유기물이 300~400℃의 온도에서 1~3시간 가열하여 제거되는 것에 있다. Another desirable feature of the present invention is that the organic material is removed by heating for 1 to 3 hours at a temperature of 300 ~ 400 ℃.
본 발명의 바람직한 또다른 특징은 승온과 등온 가열 시간을 포함하여 30~50분 동안 마이크로웨이브를 방출하여 소결하는 것으로 최대 가열 온도가 500℃~900℃의 범위 내인 것에 있다. Another desirable feature of the present invention is to sinter by releasing microwaves for 30 to 50 minutes, including elevated temperature and isothermal heating times, wherein the maximum heating temperature is in the range of 500 ° C to 900 ° C.
이하 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법의 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, an embodiment of a method for sintering a low temperature cofired ceramic substrate according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 과정의 일실시예를 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법을 설명하기 위한 마이크로웨이브 발생 장치의 일실시예를 나타낸 개략도이다. 1 is a flow chart showing an embodiment of a sintering method of a low temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention, Figure 2 is a view showing an embodiment of a sintering process of a low-temperature cofired ceramic substrate according to the present invention. Figure 3 is a schematic diagram showing an embodiment of a microwave generating apparatus for explaining a sintering method of a low-temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법은 다음과 같다. As shown, the sintering method of the low temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention is as follows.
첫째, 그린 시트에 금속 배선 패턴을 인쇄하는 단계(S10)로서, 상기 그린 시트는 소성되지 않은 상태의 세라믹과 유기물이 혼합된 플렉시블한 테입 상태의 것이다. 상기 그린 시트 상면에 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 등 전기저항이 작은 금속으로 배선 패턴을 인쇄하여 전극이 형성된 그린 시트(10n+1)를 제조한다.First, as a step (S10) of printing a metal wiring pattern on the green sheet, the green sheet is in a flexible tape state in which the ceramic and the organic material of the unbaked state are mixed. The green sheet 10 n + 1 having the electrodes is manufactured by printing a wiring pattern with a metal having a small electric resistance such as silver (Ag), gold (Au), and copper (Cu) on the upper surface of the green sheet.
둘째, 상기 단계(S10)에 이어서 배선 패턴이 형성된 그린 시트를 적층하는 단계(S20)로서, 배선 패턴(11)이 인쇄되어 전극이 형성된 그린 시트(10n+1)를 다층으로 적층하여 그린 시트 적층체(10)를 형성하는 단계이다. 이때 적층체(10)의 두께는 기판의 사양에 따라 결정되는 것으로 다양하게 형성될 수 있다. 한편, 그린 시트를 적층하는 본 단계(S20)를 거치지 않고, 배선 패턴(11)이 형성된 단일의 그린 시트(10n+1)를 상기 배선 패턴 형성 단계에서 후술되는 다음의 유기물 제거 및 냉각 단계로 바로 진행하여 소결할 수도 있다.Second, as a step (S20) of laminating the green sheet on which the wiring pattern is formed following the step (S10), the green sheet by laminating the green sheet (10 n + 1 ) on which the wiring pattern 11 is printed to form electrodes in a multilayer manner It is a step of forming the laminated body 10. In this case, the thickness of the laminate 10 may be variously determined according to the specification of the substrate. On the other hand, without going through the present step (S20) of stacking the green sheet, the single green sheet (10 n + 1 ) formed with the wiring pattern 11 to the next organic material removal and cooling step described later in the wiring pattern forming step It can also proceed immediately and sinter.
셋째, 상기 단계(S20)에 이어서 다음으로 배선 패턴이 형성된 그린 시트 적층체(또는 그린 시트 단일층)의 유기물을 제거하고 냉각하는 단계(S30)이다. 이 단계는 배선 패턴(11)이 형성된 그린 시트 적층체(10)의 그린 시트와 전극에는 일반적으로 유기물이 포함되어 있으므로 소결전에 이 유기물을 제거하는 공정이다. 유기물 제거 공정은 통상 330℃ 안팎의 온도에서 그린 시트 적층체를 가열함으로써 서서히 행해지는데, 본 발명에서는 유기물 제거를 위해 종래의 소결을 시행하는 전기로에서 300~400℃의 온도로 1~3시간 동안 가열하거나, 마이크로웨이브 캐비티 내에서 자체 온도 제어를 통해 가열하여 제거하는 것을 제안하고 있다. Third, after the step S20, the organic material of the green sheet stack (or the green sheet single layer) having the wiring pattern is next removed and cooled (S30). This step is a process of removing this organic material before sintering since the organic material is generally contained in the green sheet and electrode of the green sheet laminated body 10 in which the wiring pattern 11 was formed. The organic material removal process is usually carried out slowly by heating the green sheet laminate at a temperature of about 330 ° C., and in the present invention, it is heated for 1 to 3 hours at a temperature of 300 to 400 ° C. in an electric furnace which performs conventional sintering to remove organic material. Or, it is proposed to remove by heating in the microwave cavity through its own temperature control.
넷째, 상기 단계(S30)에 의해 냉각된 그린 시트 적층체를 서셉터에 구비하는 단계(S40)이다. 상기의 유기물을 제거하고 냉각하는 단계(S30)를 통해 유기물이 제거된 복수개의 그린 시트 적층체(10)는 마이크로웨이브 캐비티(1) 내에 구비된 서셉터(20, susceptor) 상면에 등간격으로 배치된다. 이 때 그린 시트 적층체는 서셉터와 직접 접촉하게 배치되나, 지지 수단에 의해 실질적으로 접촉 상태가 되도록 서셉터와 간격을 두고 구비되는 것도 가능하다. Fourth, it is a step (S40) to provide the susceptor with the green sheet laminate cooled by the step (S30). The plurality of green sheet stacks 10 in which the organic material is removed through the step of removing and cooling the organic material are disposed at equal intervals on the upper surface of the susceptor 20 provided in the microwave cavity 1. do. At this time, the green sheet laminate is disposed in direct contact with the susceptor, but may be provided at intervals from the susceptor such that the green sheet laminate is substantially in contact with the susceptor.
상기 단계(S40)에서 사용되는 서셉터(20)는 그린 시트 적층체(10)보다 유전손실 계수 또는 유전율이 더 큰 물질과 열전도율이 높은 물질을 혼합하여 조성된 조성물로 제조된 것으로서, 그린 시트 적층체와의 접촉시 화학적·물리적 반응에 의해 그린 시트 적층체에 변형을 주는 것을 방지하기 위해 그린 시트 적층체의 조성물과는 상이한 조성물로 구성된 유전체이다. 따라서, 소결하고자 하는 그린 시트보다 먼저 상온에서 마이크로웨이브를 흡수하여 발열할 수 있는 유전 손실 계수가 큰 성분을 포함하여 본 발명에서와 같은 작용을 할 수 있는 것으로 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 알고 있는 공지의 유전체 서셉터도 본 발명에서 제안하는 서셉터로서 적용이 가능하다. The susceptor 20 used in the step S40 is made of a composition formed by mixing a material having a higher dielectric loss coefficient or dielectric constant and a material having higher thermal conductivity than the green sheet laminate 10, and green sheet lamination. It is a dielectric composed of a composition different from the composition of the green sheet laminate in order to prevent deformation of the green sheet laminate by chemical and physical reactions upon contact with the sieve. Therefore, it is possible to absorb the microwaves at room temperature prior to the green sheet to be sintered, so as to include the components having a large dielectric loss coefficient, which can function as in the present invention, without departing from the gist of the present invention. Known dielectric susceptors known to those skilled in the art can be applied as a susceptor proposed by the present invention.
그 일례로 탄화규소(SiC)와 알루미나(Al2O3)가 혼합 조성된 유전체가 서셉터로서 사용될 수 있다. 상기 탄화규소의 함유율은 30~80 중량%가 바람직하며, 서셉터 내의 탄화규소의 함유는 서셉터가 상온에서 마이크로웨이브와 반응하는 것을 촉진하는 역할을 하게 된다. 상기 알루미나 대신 열전도율이 높은 알루미늄나이트라이트(AlN)를 포함하는 서셉터도 가능하다. 그리고, 상기 서셉터의 크기 및 두께는 상면에 배치되는 그린 시트에 따라 선택적으로 다양하게 설정되어 변형될 수 있다.For example, a dielectric in which silicon carbide (SiC) and alumina (Al 2 O 3 ) are mixed may be used as the susceptor. The content of silicon carbide is preferably 30 to 80% by weight, and the content of silicon carbide in the susceptor serves to promote the susceptor to react with the microwave at room temperature. Instead of the alumina, a susceptor including aluminum nitride (AlN) having high thermal conductivity is also possible. In addition, the size and thickness of the susceptor may be selectively changed and varied according to the green sheet disposed on the upper surface.
공지의 ~를 이용하여 선택적으로 동작될 수 있다. 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 당업자가 알고 있는 다른 기계적 시스템을 사용하여 ~할 수 있다. It can be selectively operated using the known ~. It is possible to use other mechanical systems known to those skilled in the art without departing from the gist of the present invention.
다섯째, 상기 단계(S40)에서 서셉터에 배치된 그린 시트 적층체에 마이크로웨이브를 방출시켜 소결을 완성하는 단계(S50)이다. 그린 시트 적층체가 마이크로웨이브 발생 장치를 구비한 캐비티 내의 서셉터에 배치 완성되면, 캐비티를 작동시켜 마이크로웨이브를 캐비티 내로 방출시켜 그린 시트 적층체의 소결을 완성한다.Fifth, in the step (S40) is a step (S50) to complete the sintering by emitting a microwave to the green sheet stack disposed on the susceptor. When the green sheet laminate is placed and finished in a susceptor in a cavity having a microwave generating device, the cavity is operated to release microwaves into the cavity to complete the sintering of the green sheet laminate.
상기 마이크로웨이브 캐비티(1)의 일실시예가 도 3에 도시되어 있다. 이를 참조하면, 마이크로웨이브 캐비티(1)는 2.45GHz의 주파수를 갖는 마이크로웨이브를 방출하는 장치이다. 그러나, 마이크로웨이브의 주파수는 가시광선부터 적외선 주파수까지인 1～106 ㎓범위로서, 본 발명에서의 소결을 위한 마이크로웨이브의 주파수는 2.45GHz에 한정되지 않고 상기 주파수 범위내에서 가변될 수 있는 것이다.One embodiment of the microwave cavity 1 is shown in FIG. 3. Referring to this, the microwave cavity 1 is a device for emitting microwaves having a frequency of 2.45 GHz. However, the frequency of the microwave is in the range of 1 to 10 6 kHz ranging from visible light to infrared frequency, and the frequency of the microwave for sintering in the present invention is not limited to 2.45 GHz and can be varied within the frequency range. .
상기 마이크로웨이브 캐비티(1)의 외벽은 고온 내화벽돌(30)로 이루어져 있으며, 그 내부는 세라믹 단열재(40)로 밀폐되어 있다. 밀폐 공간의 측부와 하부에는 서셉터(20)가 구비되어 있으며, 온도 감지기(50)로 열전대(thermocouple)가 구비되어 있다. The outer wall of the microwave cavity 1 is made of a high temperature refractory brick 30, the inside is sealed with a ceramic heat insulating material (40). The susceptor 20 is provided on the side and the bottom of the sealed space, and the thermocouple is provided as the temperature sensor 50.
한편, 상기 도면에 예시된 캐비티는 본 발명의 일실시예의 개략도일 뿐으로, 마이크로웨이브를 방출하고 복수개의 그린 시트 적층체를 배치시킬 수 있는 서셉터가 구비될 수 있는 마이크로웨이브 발생 장치로서 본 발명에 따른 소결 방법이 실시될 수 있는 다른 기계적 시스템 구성도 본 발명의 실시를 위해 적용될 수 있을 것이다. On the other hand, the cavity illustrated in the drawings is only a schematic diagram of one embodiment of the present invention, in the present invention as a microwave generating device which can be provided with a susceptor capable of emitting a microwave and arrange a plurality of green sheet stacks Other mechanical system configurations in which the sintering method according to the invention may be implemented may also be applied for the practice of the present invention.
한편, 상기 단계(S50)에서 마이크로웨이브의 방출에 의해 그린 시트 적층체(10)가 소결되는 원리를 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, looking at the principle of sintering the green sheet laminate 10 by the emission of the microwave in the step (S50) as follows.
알려진 바에 의하면, 마이크로웨이브는 자체 발열이라고 하는 단시간내에 물체를 내부에서부터 가열시킬 수 있는 장점을 갖고 있으며, 고유의 유전 특성을 갖는 각 유전체의 유전손실은 온도 변화에 따라 변하게 된다. It is known that microwaves have the advantage of heating an object from within within a short time called self-heating, and the dielectric loss of each dielectric with its own dielectric properties changes with temperature.
이를 본 발명에 적용하면, 서셉터(20)와 그린 시트 적층체(10) 등의 각 유전체는 유전 특성에 따라 특정 온도에서 마이크로웨이브를 흡수하여 자체 발열을 시작하고, 일단 자체 발열이 시작된 유전체는 온도가 급상승하는 현상인 열폭주(thermal run-away)를 일으키게 된다. Applying this to the present invention, each dielectric such as susceptor 20 and the green sheet laminate 10 and the like absorbs microwaves at a specific temperature in accordance with the dielectric properties to start self-heating, once the self-heating dielectric It causes thermal run-away, a phenomenon in which the temperature is soaring.
따라서, 유기물이 제거된 상온의 유전체인 그린 시트 적층체(10)는 일정 온도까지 가열이 선행되어야 마이크로웨이브를 흡수할 수 있으며, 반면 상온에서 마이크로웨이브를 흡수하는 성분을 함유하고 있는 서셉터(20)는 그린 시트 적층체보다 먼저 가열되어 그린 시트 적층체의 열원으로서 그린 시트를 일정 온도까지 가열시키는 역할을 하게 된다. Therefore, the green sheet laminate 10, which is a dielectric at room temperature, in which organic matter is removed, may absorb microwaves by heating up to a predetermined temperature, while a susceptor 20 containing a component that absorbs microwaves at room temperature may be used. ) Is heated before the green sheet laminate to serve to heat the green sheet to a predetermined temperature as a heat source of the green sheet laminate.
즉, 그린 시트 적층체를 상온에서 마이크로웨이브를 흡수하는 서셉터의 상면에 접촉시키고 마이크로웨이브를 방출시키면, 유전손실 계수가 상대적으로 더 큰 서셉터가 마이크로웨이브를 흡수하여 열을 발생시키게 되고, 이렇게 먼저 가열된 서셉터는 열원이 되어 그린 시트 적층체의 하부면인 서셉터와의 접촉면을 가열하게 된다. That is, when the green sheet laminate is brought into contact with the upper surface of the susceptor that absorbs microwaves at room temperature and the microwaves are released, the susceptor having a relatively higher dielectric loss factor absorbs the microwaves and generates heat. First, the heated susceptor becomes a heat source to heat the contact surface with the susceptor, which is the lower surface of the green sheet stack.
가열된 그린 시트 적층체의 하부면은 마이크로웨이브에 반응할 수 있는 온도에 이르게 되고 마이크로웨이브를 흡수하여 자체 발열을 시작하고 온도는 급상승하게 된다. The lower surface of the heated green sheet laminate reaches a temperature capable of reacting to the microwaves, absorbs the microwaves, starts self-heating, and the temperature rises sharply.
온도가 급상승된 하부면은 다시 그와 인접한 상부면의 열원이 되어 그 상부면을 가열하게 되고, 가열된 상부면은 마이크로웨이브에 의해 자체발열을 시작하면서 역시 온도가 급상승하게 된다. The lower surface of which the temperature rises again becomes a heat source of the upper surface adjacent thereto to heat the upper surface, and the heated upper surface also starts to heat itself by microwaves, and the temperature also increases rapidly.
이러한 온도 구배에 따른 열폭주가 순차적으로 서셉터 측으로부터 그린 시트 적층체의 상부까지 유도 진행되어 그린 시트 적층체 내의 얇은 층이 순차적으로 소결되어, 하부면에서부터 상부면으로 이어지는 일방향 소결이 이루어지게 된다. The thermal runaway according to the temperature gradient is sequentially guided from the susceptor side to the upper part of the green sheet stack, so that the thin layers in the green sheet stack are sequentially sintered, thereby achieving one-way sintering from the lower surface to the upper surface. .
본원 발명에서는 이와 같이 서셉터에 의한 가열과 마이크로웨이브에 의한 가열에 의해 소결이 이루어지고 있어, 이를 하이브리드 가열이라고 명칭한다. In this invention, sintering is performed by the heating by a susceptor and the heating by a microwave like this, and this is called hybrid heating.
이 때, 소결 온도는 도 4에 도시된 그래프로 설명된다. 도 4는 캐비티 내에 방출되는 마이크로웨이브 방출 시간을 달리하여 반복적으로 그린 시트 적층체를 마이크로웨이브 캐비티 내에서 소결시킨 경우 그린 시트와 그 상면에 형성된 배선 패턴과의 관계를 설명하는 그래프이다. At this time, the sintering temperature is explained by the graph shown in FIG. 4 is a graph illustrating the relationship between the green sheet and the wiring pattern formed on the upper surface when the green sheet laminate is repeatedly sintered in the microwave cavity by varying the microwave emission time emitted in the cavity.
그래프에서 보이는 바와 같이 총 소결 시간은 캐비티 내부의 온도가 일정 시점까지 단계적으로 상승되는 승온 가열 시간과 최대 상승된 온도가 일정하게 유지되는 등온 가열 시간을 포함한다. As shown in the graph, the total sintering time includes an elevated heating time at which the temperature inside the cavity is gradually raised to a certain point and an isothermal heating time at which the maximum elevated temperature is kept constant.
이 때 그린 시트 적층체와 그린 시트 적층체의 상면에 인쇄된 배선의 열팽창계수를 고려하여 대략 양자의 열팽창률이 동일한 시점을 산출하여 승온 시킨 경우(b 영역)에는 그린 시트와 그 상면에 인쇄된 배선 패턴의 분리가 일어나지 않으나, 양자의 열팽창률이 동일한 시점에 훨씬 앞서 급격하게 승온(a 영역)시키거나 양자의 열팽창률이 동일한 시점보다 긴 시점까지 완만하게 승온(c 영역)시키는 경우에는 그린 시트와 그 상면에 인쇄된 배선 패턴의 분리가 발생한다. At this time, considering the thermal expansion coefficient of the wiring printed on the upper surface of the green sheet laminate and the green sheet laminate, when the temperature of the thermal expansion coefficients is calculated and the temperature is about the same (area b), the green sheet and the upper surface of the green sheet laminate are printed. The separation of the wiring pattern does not occur, but when the thermal expansion rate of both is rapidly increased (a region) much earlier than the same time point, or when the thermal expansion rate is gradually increased to a time point longer than the same time point (c area), the green sheet And separation of the wiring pattern printed on the upper surface thereof.
따라서, 본 발명에서는 소결을 위해 온도 상승에 소요되는 시간을 대략 30분~40분으로 제안하며, 마이크로웨이브가 방출되어 상승된 최대 온도에서 대략 10분 동안 추가로 마이크로웨이브 방출을 유지하여 소결을 완성한다. 즉, 소결은 승온과 등온 가열 시간을 모두 포함하여 약 40분~50분이다. 여기서, 최대 상승 온도는 그린 시트에 인쇄된 금속의 용융점을 고려하여 대략 500℃ 내지 900℃의 범위가 바람직하다. Therefore, in the present invention, the time required for the temperature rise for sintering is proposed as about 30 minutes to 40 minutes, and the microwave is released to maintain the microwave emission for about 10 minutes at the elevated maximum temperature to complete the sintering. do. That is, sintering is about 40 minutes-50 minutes including both temperature rising and isothermal heating time. Here, the maximum elevated temperature is preferably in the range of approximately 500 ° C. to 900 ° C. in consideration of the melting point of the metal printed on the green sheet.
본 발명에서의 마이크로웨이브의 작용 및 열팽창에 관한 기술은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 인지할 수 있는 공지의 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하였다. Since the technology related to the action and thermal expansion of the microwave in the present invention is well known to those skilled in the art, a detailed description thereof is omitted.
이하에서 본 발명의 소결 방법에 따른 작용을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operation according to the sintering method of the present invention will be described.
배선 패턴(11)이 인쇄되어 전극이 형성된 단일의 그린 시트(10n+1) 또는 그린 시트 적층체(10)는 330℃ 안팎의 온도에서 가열되어 함유하고 있는 유기물이 제거된다.The single green sheet 10 n + 1 or green sheet laminate 10 in which the wiring pattern 11 is printed and the electrode is formed is heated at a temperature of about 330 ° C. to remove organic substances therein.
유기물이 제거된 그린 시트 또는 그린 시트 적층체(10)는 상온까지 냉각되고, 냉각 후 마이크로웨이브를 방출하는 마이크로웨이브 캐비티 내의 서셉터(20)의 상면에 등간격으로 배치된다. The green sheet or the green sheet laminate 10 from which the organic matter is removed is cooled to room temperature and disposed at equal intervals on the upper surface of the susceptor 20 in the microwave cavity that emits microwaves after cooling.
마이크로웨이브를 캐비티 내부로 방출하게 되면, 먼저 그린 시트 적층체(10)보다 유전 손실 계수가 큰 서셉터(20)가 마이크로웨이브를 흡수하여 발열하고, 상면에 접촉되어 있는 그린 시트(10n+1) 또는 그린 시트 적층체(10)의 하부면은 서셉터(20)의 열을 전달받고 일정 온도까지 상승된다. 여기서 온도가 상승된 그린 시트 또는 그린 시트 적층체(10)의 하부면은 마이크로웨이브를 흡수하여 열폭주를 일으키고, 이 때 발생된 열은 다시 인접한 상부층으로 전달된다.When the microwave is released into the cavity, first, the susceptor 20 having a larger dielectric loss factor than the green sheet stack 10 absorbs the microwaves and generates heat, and the green sheet 10 n + 1 in contact with the upper surface. ) Or the lower surface of the green sheet laminate 10 receives heat from the susceptor 20 and rises to a predetermined temperature. Here, the lower surface of the green sheet or the green sheet laminate 10 in which the temperature is raised absorbs microwaves to cause thermal runaway, and the generated heat is transferred back to the adjacent upper layer.
즉, 상온에서 마이크로웨이브에 의해 가열된 서셉터(20)를 열원으로 하여 서셉터의 상면에 접촉되어 있는 그린 시트 또는 그린 시트 적층체(10)의 하부에서 상부까지 열폭주가 이어지면서 일방향으로의 소결이 완성된다.That is, the thermal runaway from the lower part to the upper part of the green sheet or the green sheet laminate 10 which is in contact with the upper surface of the susceptor using the susceptor 20 heated by the microwave at room temperature as a heat source is carried out in one direction. Sintering is completed.
이하, 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법의 일실시예에 의한 소결체와 종래의 전기로에서 소결된 소결체의 결과를 도면을 참조하여 설명하겠다.Hereinafter, the results of the sintered compact according to an embodiment of the method for sintering a low temperature cofired ceramic substrate according to the present invention and the sintered compact sintered in a conventional electric furnace will be described with reference to the drawings.
이 때 사용된 서셉터는 탄화규소(SiC)와 알루미나(Al2O3)가 각각 1:1의 비율로 구성된 탄화규소 세라믹을 사용하였고, 그린 시트는 알루미나를 주성분으로 하는 유리계 세라믹을 사용하였다.At this time, susceptor used was silicon carbide ceramics composed of silicon carbide (SiC) and alumina (Al 2 O 3 ) in a ratio of 1: 1, and glass-based ceramics using alumina as a main component. .
먼저, 그린 시트를 22층으로 적층하고, 최상층의 그린 시트에 은(Ag) 페이스트를 인쇄하여 크기가 21.5mm×21.5mm×1.35㎛인 저온동시소성 세라믹 기판의 시편을 제작하였다. First, the green sheet was laminated in 22 layers, and silver (Ag) paste was printed on the green sheet of the uppermost layer to prepare a specimen of a low temperature co-fired ceramic substrate having a size of 21.5 mm x 21.5 mm x 1.35 µm.
제작한 시편은 1)종래의 전기로에서 850℃의 온도까지 24시간 승온한 후, 850℃에서 10분간 유지시켜 소결한 대조군과, 2)종래의 전기로에서 2℃/min의 승온 속도로 330℃에서 2시간 동안 유지하여 유기물을 제거하고 상온으로 냉각한 후, 도 1의 마이크로웨이브 캐비티 내의 서셉터에 접촉시키고, 마이크로웨이브를 방출시켜 850℃의 온도까지 30분간 상승시킨 후 850℃에서 10분간 가열하여 소결한 실험군으로 대비된다. The fabricated specimens were 1) heated to 850 ° C. in a conventional electric furnace for 24 hours, and then sintered at 850 ° C. for 10 minutes, and 2) at 330 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min in a conventional electric furnace. After maintaining for 2 hours to remove the organics and cooled to room temperature, it was contacted to the susceptor in the microwave cavity of Figure 1, the microwave was released and raised to a temperature of 850 ℃ 30 minutes and then heated at 850 ℃ 10 minutes Contrast with sintered experimental group.
상기의 승온 시간은 전술한 바와 같이 그린 시트 적층체와 외부에 인쇄된 은 페이스트의 열팽창계수를 고려하여 온도 상승에 따른 열팽창률이 일치되는 시점을 산출하여 적용한 값이다. As described above, the temperature raising time is a value obtained by calculating the time point at which the thermal expansion coefficient coincides with a temperature rise in consideration of the thermal expansion coefficient of the green sheet laminate and the silver paste printed on the outside.
아래의 표 1은 종래의 전기로에 의한 소결 방법(대조군)과 본 발명에 의한 소결 방법(실험군)에 의해 행해진 시편의 소결 결과 나타난 소결체의 수축률과 밀도를 보여주는 표이다. Table 1 below is a table showing the shrinkage rate and density of the sintered body resulting from the sintering of the specimens performed by the conventional sintering method (control group) and the sintering method (test group) according to the present invention.
상기 표1에서 보여지는 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서셉터를 이용하여 소결을 행하는 경우에는 종래의 전기로에 의한 소결시와 비교하여 볼 때, 폭이나 길이 방향으로의 수축률에는 큰 차이가 없으나 두께 방향으로는 다소 큰 수축률을 갖음을 알 수 있다. 이로 인해 세라믹 기판 내부의 공극 등이 감소하여 소결 후 그 밀도값(3.26g/㎤)이 종래의 방법에 의한 밀도값(3.15g/㎤) 보다 커지게 되고 기판은 보다 치밀한 구조를 갖게 된다. As shown in Table 1, when sintering using the microwave susceptor according to the present invention, compared with the conventional sintering by the electric furnace, there is no significant difference in the shrinkage in the width or length direction, but the thickness It can be seen that the direction has a somewhat larger shrinkage. As a result, voids and the like in the ceramic substrate are reduced, so that the density value (3.26 g / cm 3) after sintering becomes larger than the density value (3.15 g / cm 3) by the conventional method, and the substrate has a more compact structure.
이는 그린 시트 적층체 내에서 자체 발열이 진행되는 동안 용융점이 낮은 유리질이 먼저 용융되면서 상대적으로 용융점이 높은 알루미나 입자는 유리질에 의한 젖음 현상으로 비교적 치밀하게 기판의 하부부터 공간을 채우게 되어 상대적으로 유리질이 상부 표면에 위치하기 때문이다. 이로 인해 최종적으로 열을 받는 상부의 배선은 안정된 형상을 유지할 수 있게 된다. This is because the glass material with low melting point is melted first during self-heating in the green sheet laminate, and the alumina particles with high melting point are filled with space from the lower part of the substrate due to the wetting caused by glass. This is because it is located on the upper surface. This makes it possible to maintain a stable shape of the upper wiring that is finally heated.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서셉터를 이용한 소결체와 종래의 전기로에 의한 소결체의 미세구조를 보여주는 도면이다. 각 도면의 (a)는 종래의 전기로에 의한 소성 방법에 의한 결과이며, (b)는 본 발명에 의한 마이크로웨이브 서셉터를 이용한 소성 방법에 의한 결과이다.5 to 7 is a view showing the microstructure of the sintered body using the microwave susceptor according to the present invention and the sintered body by a conventional electric furnace. (A) of each figure is the result by the baking method by the conventional electric furnace, (b) is the result by the baking method using the microwave susceptor which concerns on this invention.
도면을 비교하여 보면, 도 5(a)의 은(Ag) 표면이 층상이며 작은 입자 크기를 보이는 반면, 도 5(b)의 은(Ag) 표면은 편평하며 보다 큰 입자 크기를 보이고 있다. 또한, 도 6(b), 도 7(b)의 은(Ag) 패턴의 경계가 도 6(a), 도 7(a)의 은(Ag) 패턴 경계보다 깨끗하고 선명함을 알 수 있다. Comparing the drawings, the silver (Ag) surface of FIG. 5 (a) is layered and shows a small particle size, while the silver (Ag) surface of FIG. 5 (b) is flat and shows a larger particle size. In addition, it can be seen that the boundaries of the silver (Ag) patterns of FIGS. 6 (b) and 7 (b) are cleaner and clearer than the boundaries of the silver (Ag) patterns of FIGS. 6 (a) and 7 (a).
즉, 종래의 방법에 의한 전기로 소결의 경우보다 마이크로웨이브 서셉터를 이용하여 소결이 행해지는 경우 기판에 인쇄된 배선의 수축이 일정하며, 배선의 형상이 우수함을 알 수 있다. That is, when sintering is carried out using the microwave susceptor than in the case of the electric furnace sintering by the conventional method, it can be seen that the shrinkage of the wiring printed on the substrate is constant, and the shape of the wiring is excellent.
이러한 미세구조의 변화는 기판의 전기적 특성에 영향을 주게 되는데, 표 2는 이를 설명하는 전기저항값을 나타낸 표이다. Such a change in the microstructure affects the electrical characteristics of the substrate, and Table 2 is a table showing the electrical resistance values for explaining this.
표 2에서 나타나듯이, 마이크로웨이브 서셉터를 이용하여 소결된 기판의 저항값이 종래의 전기로에서 소결된 기판에 비해 저항값이 현저하게 작아졌음을 볼 수 있다. 즉, 소결이 완결된 후의 배선이 소결전과 비교하여 변화가 적고 선명한 형상을 유지할 경우 전기 저항값이 감소하여 전기적 특성이 우수한 기판이 형성됨을 알 수 있다. As shown in Table 2, it can be seen that the resistance value of the substrate sintered using the microwave susceptor is significantly smaller than the substrate sintered in the conventional electric furnace. That is, when the wiring after the sintering is completed is less changeable than before sintering and maintains a clear shape, it can be seen that the substrate having excellent electrical characteristics is formed by decreasing the electric resistance value.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서의 다양한 수정 및 변형이 가능함은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the embodiments described, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판을 소결하는 방법은, 상온에서도 마이크로웨이브에 반응하여 자체발열하는 서셉터를 열원으로 하여 서셉터에 접촉하고 있는 세라믹 기판인 인쇄층이 형성된 그린 시트 적층체를 가열하는 하이브리드 가열 방식에 의해 신속하게 소결시키고 있다. 따라서, 소결 시간을 단축시키고 에너지 소비를 줄일 수 있어 제조 단가의 절감과 제품 생산성을 크게 개선시킬 수 있게 된다. The method for sintering a low temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention is to heat a green sheet laminate having a printed layer, which is a ceramic substrate in contact with the susceptor, using a susceptor that self-heats in response to microwaves at room temperature as a heat source. It is sintered quickly by the hybrid heating method. Therefore, the sintering time can be shortened and the energy consumption can be reduced, thereby reducing the manufacturing cost and greatly improving the product productivity.
또한, 분위기 가열에 의해 그린 시트 적층체를 외부에서부터 내부로 소결하는 종래의 소결 방법과 달리, 마이크로웨이브에 의한 내부에서부터의 가열이 이루어지기 때문에 균일한 가열로 세라믹 기판 내부에 공극 내지 갭이 형성되지 않고 균열이 발생하지 않아 금속 배선 패턴의 변형을 최소화할 수 있다. 이는 동시에 기판의 강도를 강하게 한다.In addition, unlike conventional sintering methods in which the green sheet laminate is sintered from the outside to the inside by ambient heating, heating from the inside by microwaves is performed so that voids or gaps are not formed in the ceramic substrate by uniform heating. And no cracking occurs, thereby minimizing deformation of the metallization pattern. This at the same time strengthens the strength of the substrate.
또한, 그린 시트와 배선 패턴의 가열과 냉각에 의한 열팽창률을 고려하여 승온 가열 시간을 산출하여 가열하기 때문에 그린 시트와 배선 패턴의 수축률 차를 감소시킬 수 있어 배선이 그린 시트로부터 분리되거나 배선의 안정성을 해하는 문제점을 해소하여 설계 자유도를 높일 수 있어 정밀한 부품의 제조가 가능하게 되는 이점이 있다.In addition, since the heating time is calculated and heated in consideration of the thermal expansion rate caused by the heating and cooling of the green sheet and the wiring pattern, the shrinkage difference between the green sheet and the wiring pattern can be reduced, so that the wiring is separated from the green sheet or the stability of the wiring. Solving the problem to solve the problem to increase the degree of freedom of design has the advantage that it is possible to manufacture a precise part.
뿐만 아니라, 마이크로웨이브에 의해 먼저 가열된 서셉터를 열원으로 하여 그린 시트 적층체가 가열되기 때문에 열구배로 인한 자체발열 온도까지의 온도 상승이 순차적으로 일어나게 되어 그린 시트 적층체의 하부에서부터 상부로의 일방향 가열이 진행되어 소결이 이루어지게 된다. 따라서, 외부 배선의 가열로 인한 용융을 방지하여 보다 선명하고 상대적으로 큰 입자 크기를 갖으며 표면이 평탄한 배선 패턴을 형성시켜 경박단소화 경향에 맞추어 미세 패턴이 형성된 전기적 성질이 우수한 기판을 제조할 수 있게 된다. In addition, since the green sheet stack is heated using the susceptor first heated by the microwave as a heat source, a temperature rise up to the self-heating temperature due to the thermal gradient occurs sequentially so that one-way heating from the bottom of the green sheet stack to the top is performed. This proceeds to sintering. Therefore, it is possible to manufacture a substrate having excellent electrical properties in which fine patterns are formed in accordance with the tendency of light and short reduction by forming a wiring pattern having a clearer and relatively large particle size and a flat surface by preventing melting due to heating of external wiring. Will be.
도 1은 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법의 일실시예를 나타내는 순서도, 1 is a flow chart showing an embodiment of a sintering method of a low temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 과정의 일실시예를 나타내는 도면,2 is a view showing an embodiment of a sintering process of a low temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판의 소결 방법을 설명하기 위한 마이크로웨이브 발생 장치의 일실시예를 나타낸 개략도, Figure 3 is a schematic diagram showing an embodiment of a microwave generating apparatus for explaining a sintering method of a low-temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 저온동시소성 세라믹 기판 소결시 캐비티 내에 방출되는 마이크로웨이브 방출 시간을 보여주는 그래프,Figure 4 is a graph showing the microwave emission time is released in the cavity during sintering the low temperature co-fired ceramic substrate according to the present invention,
도 5 내지 도 7은 종래 기술에 의한 소결체와 본 발명의 일실시예에 따른 소결체의 배선 형태를 나타내는 도면이다.5 to 7 is a view showing the wiring form of the sintered body according to the prior art and the sintered body according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 마이크로웨이브 캐비티 10 : 배선 패턴이 인쇄된 그린 시트 적층체DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Microwave cavity 10: Green sheet laminated body in which wiring pattern was printed
11 : 배선 패턴 20 : 서셉터 11: wiring pattern 20: susceptor
30 : 고온 내화 벽돌 40 : 세라믹 단열재 30: high temperature fire brick 40: ceramic insulation
50 : 온도감지수단50: temperature sensing means
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