KR20080001353A - 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실유전체 기판 소재 - Google Patents

저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실유전체 기판 소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실 유전체 기판 소재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저 손실 유전체 기판 소재는, 기판 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시 수지 등으로 이루어지는 수지군으로부터 선택되는 기판 소재용 수지와 세라믹 파우더로 되는 기판 소재용 필러 조성물을 포함하여 되는 것이다.
본 발명에 따라서 LTCC 시장을 PCB를 이용한 유기 모듈 시장으로 전환시킬 수 있다.
유전체, 기판 소재, 소재용 필러, 수지

Description

저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실 유전체 기판 소재{Filler Composition and Material for Low Loss Dielectric Substrate}
도 1 은 본 발명에서의 저 손실 유전체 수지들의 유전상수(Dk) 및 손실계수(Df)의 분포도.
도 2 는 본 발명에서의 BCB 수지의 RCC 형태 샘플의 단면도.
도 3 은 본 발명에서의 BCB 수지의 건조 온도에 따른 Df 변화도.
도 4 는 본 발명에서의 BCB 수지에 혼합된 필러 종류별 Df 변화도.
도 5 는 본 발명에서의 BCB 소재의 필러 측정 개념도.
도 6 은 본 발명에서의 BCB 수지의 필러 결정상 분석 결과.
최근의 IT산업은 미래의 유비쿼터스 환경에서 사용되는 디지털 컨버젼스에 따른 고속 모바일 멀티미디어 서비스를 지향하고 있다. 이에 따라 각종 전자 부품들은 소형화 및 고주파화가 급진전되고 있으며, 회로의 시스템화 및 집적화도가 크게 증가하며 모듈의 소형화가 더욱 요구되고 있다. 그리하여, 반도체 산업에서의 시스템 온 칩(System On a Chip ; SOC) 및 시스템 인 패키지(System In a Package; SIP)기술, 전자 부품 산업에서의 복합 모듈화 기술, 그리고, 인쇄 회로 기판(PCB)산업에서의 임베디드 PCB기술 등이 결합되어 시스템 온 패키지(System On a Package;SOP)기술로 시스템의 고집적 모듈화가 이루어지고 있다.
여기에서, 여러 전자 부품들을 구성하는 소재의 전기적 특성이 중요해 지고 있다. 그리하여 최근에 고주파용 소재는 주로 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic)(이하 "LTCC"라 약칭함.)이라는 세라믹스가 널리 사용되고 있다. 이 LTCC 소재는 전기적 절연 특성이 우수할 뿐만 아니라 적층 공정을 이용한 회로 및 부품의 고집적화가 가능하고 또한 기판으로서의 기본 특성이 우수하여 패키지 등의 다양한 용도로 적용 가능하다.
한편, 이 LTCC 소재는 세라믹스 소재이므로 작업 사이즈가 작고 공정이 복잡한 한계를 가지고 있다. 그런데, 저 손실 유연체 소재 개발을 통하여 임베디드 로우 패스 필터를 구현할 수 있어서 모든 고주파(RF)모듈을 PCB기반으로 제조가 가능하며 매우 많은 매출액을 이루도록 크게 형성된 LTCC 시장을 PCB를 이용한 유기(Organic)모듈 시장으로 전환시킬 수 있다. 이 과정에서 가장 크게 문제가 될 수 있는 것이 소재 자체의 특성이다. 특히 PCB 소재는 에폭시 수지를 기본으로 하고 있기 때문에 손실이 큰 것이 가장 중요한 걸림돌이 되는 것이다.
그러나, 상기와 같은 손실이 낮은 PCB 소재로 개선하기 위한 연구들은 주로 수지의 관점에서 진행되어 왔을 따름이다.
저 손실 유전체 소재로는 현재는 세라믹스 소재가 사용되고 있으며, PCB 소재를 이용한 것은 아직 초기 단계에 머물고 있다. 저 손실 유전체 소재로 개발되고 있는 PCB 소재는 벤조시클로부텐(Benzocyclobutene ; BCB)수지를 이용한 것이 개발됐으나 매우 고가로서 반도체 공정에서 유전성 유기 코팅 용도로 사용되고 있을 뿐 저가의 기판 소재로 사용되기는 어려운 상황이다.
표 1 은 기판 소재별 특성을 비교한 표이다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이, LTCC 소재가 손실계수 및 상대적 전송 손실에 있어서 다른 소재들에 비해 월등하게 낮은 값을 가짐을 알 수 있다.
표 1. 기판 소재별 특성 비교
구 분 FR4 LTCC SiO2
유전상수 (Dielectric Constant) 4.5 @1MHz 5.9 @5GHz 3.8-4.3 @5GHz
손실계수 (Loss Tangent) 0.02 0.002 0.04
CTE 15-20*10-6/K 5.9*10-6/K 3-17*10-6/K
상대적 전송손실 @5GHz 0.042(×15) (+0.0392) 0.0028(×1) (+0) 0.08(×28) (+0.0772)
상대적 전송손실 @10GHz 0.084 (+0.0784) 0.0056 (+0) 0.16 (+0.1544)
출처 : 죠지아 Inst. Tech. PRC
일반적으로 신호 전송 손실은 기판 소재의 유전율(ε) 및 손실 계수(tanδ)(Dissipation Factor)(이하 "Df"라 약칭함.)에 비례한다. 따라서, 상기ε 및 Df 는 작을수록 좋은 것이다.
여기에서 저 손실 유전체 소재로서의 수지를 살펴보면, 앞서 소개한 BCB 타입 수지를 비롯하여 폴리 페닐렌 에테르(Poly Phenylene Ether ; PPE)타입 수지, 시아네이트(Cyanate)타입 수지 등이 있으며, 또한 신규 수지에 대한 연구 등이 진 행되고 있다. 이들 수지들의 유전율 상수와 손실계수(Df)들을 보면 도 1 에서와 같으며, BCB 타입 수지가 상대적으로 낮은 값을 보이고 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 BCB 소재의 하부 기판과 상부 기판 등의 소재 단면상의 EDX분석 결과가 표 2 와 같다. 여기에서 필러(Filler) SiO2 로 확인하였으며 상부 기판을 스펙트럼 1, 하부 기판을 스펙트럼 3 으로, 그리고 가운데 부분을 스펙트럼 2 로 나타내었다.
표 2. EDX분석 결과 : 필러 SiO2 로 확인
스펙트럼 C O Si Cu Total
1 23.23 51.72 25.05 - 100.00
2 29.80 45.70 24.50 - 100.00
3 22.65 - - 77.3 100.00
또한, 상기 BCB 소재의 압착 온도에 따른 유전율 및 Df값은, 압착 온도가 높을수록 유전율 및 Df값이 낮아지는 것을 알 수 있었다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, PCB용 저 손실 유전체 소재로서 개발된 BCB 소재는 수지의 우수한 특성으로 인하여 우수한 유전 특성을 나타내고 있지만 필러에 대한 특별한 고려는 되지 않은 것이며, 여기에서는 실리카 비정질이 필러로 사용된 것으로 판단되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 된 것으로서, 본 발명의 목적은 세라믹 파우더로 되는 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기판 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시 수지 등으로 이루어지는 수지군으로부터 선택되는 기판 소재용 수지 와 상기 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 포함하여 되는 저 손실 유전체 기판 소재를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물의 특징은, 세라믹 파우더로 되는 점에 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 저 손실 유전체 기판 소재의 특징은, 기판 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시 수지 등으로 이루어지는 수지군으로부터 선택되는 기판 소재용 수지와 상기 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 포함하여 되는 점에 있다.
이하에서 첨부 도면에 따라서 본 발명에 따른 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실 유전체 기판 소재에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2 는 수지 코팅 구리(Regin Coated Cupper ; RCC)형태로 만들어진 샘플의 단면도이다. 도에서 하부 기판은 Cu포일(Foil)을 사용하고, 그 위에 BCB 수지와 실리카(Silica) 비정질 필러를 혼합한 조성물을 캐스팅 방식으로 형성한 것이다.
한편, 상기 BCB 수지의 건조 온도에 따른 손실계수(Df)의 변화를 측정하였는 바, 표 3 과 같으며, 그 결과를 도 3 으로 나타내었다. 도 3 에서 알 수 있는 바와 같이, 건조 온도가 150℃까지 높아질수록 Df값이 크게 작아지지만 170℃를 경계로 하여 갑자기 매우 커지는 것을 알 수 있다.
표 3. BCB 수지의 건조 온도에 따른 Df값
예 100℃ 120℃ 150℃ 170℃ 200℃
1 0.00112 0.00103 0.00048 0.00084 0.00400
2 0.00124 0.00113 0.00086 0.00091 0.00397
3 0.00104 0.00074 0.00079 0.00073 0.00407
4 0.00141 0.00110 0.00073 0.00068 0.00379
5 0.00111 0.00100 0.00102 0.00079 0.00379
6 0.00098 0.00104 0.00060 0.00090 0.00398
평균값 0.00115 0.00101 0.00075 0.00081 0.00393
그런데, 상기와 같은 형상의 PCB소재에서 조성물에 포함된 필러의 종류에 따라 상대적인 손실 특성이 표 4 에서와 같이 변화되고 있음을 알게 되었는 바, 그 결과를 도 4 에 나타내었다. 특히, 도 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 손실 특성에 있어서 화학적인 조성의 차이가 거의 없는 Si-O 산화물계에서 비정질상과 쿼츠상 그리고 크리스토발라이트(Cristobalite)상 사이의 손실 특성에 큰 차이가 있음을 알 수 있다.
표 4. 필러 종류 별 Df값
비정질상 (SG-1200) 크리스탈 (쿼츠) 크리스토 발라이트 MgO CaO
0.0128 0.00384 0.00053 0.00293 0.00924
0.0137 0.00445 0.00058 0.00267 0.00922
0.0138 0.0045 0.00053 0.00225 0.00932
0.0136 0.00361 0.0006 0.00268 0.00942
0.0145 0.00408 0.00057 - 0.00914
0.01368 0.004096 0.000562 0.00262 0.009268
여기에서, 필러를 평가하는 방법에 있어서, 필러만의 측정 및 평가는 불가능하다. 그러므로, 그 절대값은 측정 불가하지만 전기적 특성을 상호 비교할 수 있는 방법이 필요하였으며, 도 5 에 이와 같은 측정 개념도를 표시하였다.
또한, 도 6 은 필러 결정상의 분석 결과를 나타내는 도면으로서, 여기에서 알 수 있는 바와 같이, 크리스토발라이트 상이 우수한 결과를 나타내고 있는 바, 저 손실 유전체 PCB 소재용 필러로서 적용 가능성이 가장 높다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허 청구 범위에 속한다 할 것이다.
이상에서 상세하게 밝힌 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 구하고, 기판 소재용 수지와 이 필러 조성물을 포함하는 저 손실 유전체 기판 소재를 형성하였기 때문에, 모든 고주파 모듈을 PCB 기반으로 제조가 가능하며 매우 많은 매출액을 이루고 있는 LTCC 시장을 PCB를 이용한 유기 모듈 시장으로 전환시킬 수 있는 것이다.

Claims (9)

  1. 세라믹 파우더로 되는 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 필러 조성물이,
    Si-O계 및 MgO계로 이루어지는 세라믹스 산화물 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 필러 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필러 조성물이 크리스탈(쿼츠)상인 것을 특징으로 하는 필러 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 필러 조성물이 크리스토발라이트 상인 것을 특징으로 하는 필러 조성물.
  5. 기판 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시수지 등으로 이루어지는 수지군 으로부터 선택되는 기판 소재용 수지와 제 1 항에 의한 필러 조성물을 포함하여 되는 저 손실 유전체 기판 소재.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 PCB 소재의 손실계수(Df)가 0.0005 이상이고 0.01이 하의 범위인 것을 특징으로 하는 저 손실 기판 소재.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 필러 조성물이,
    Si-O계 및 MgO계로 이루어지는 세라믹스 산화물 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 저 손실 유전체 기판 소재.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 필러 조성물이 크리스탈 상인 것을 특징으로 하는 저 손실 기판 소재.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 필러 조성물이 크리스토발라이트 상인 것을 특징으로 하는 저 손실 기판 소재.
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