KR20090059740A

KR20090059740A - 세라믹 기판의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 세라믹적층기판

Info

Publication number: KR20090059740A
Application number: KR1020070126756A
Authority: KR
Inventors: 최용석; 이종면; 박은태
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-11
Also published as: US20090148667A1; JP2009141366A

Abstract

본 발명은 세라믹 적층기판에 신뢰성 있는 캐비티를 형성하기 위한 것으로서, 캐비티가 형성된 상태에서 무수축 공법으로 세라믹 적층기판을 제조할 수 있도록 함과 동시에 캐비티가 변형되지 않고 무수축 공법으로 세라믹 적층기판을 제조할 수 있는 세라믹 적층기판의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 세라믹 적층기판을 제공하기 위한 것이다.

Description

세라믹 기판의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 세라믹 적층기판{CERAMIC CIRCUIT BOARD AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 세라믹 기판의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 세라믹 적층기판에 관한 것으로 더욱 상세하게는 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic: LTCC)에 관한 것이다.

일반적으로 세라믹 적층기판, 특히 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기판은 열적 특성이나 유전율 등 전기적인 특성의 우수성과 초소형화가 가능하면서도 복합적인 기능을 발휘할 수 있는 특징이 있어 여러 기술 분야에서 사용되고 있다.

저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기판은 대략 1000℃ 이하의 저온에서 소성되는데, 이와 같은 LTCC 공정은 대략 두께 40~80um의 유전체 sheet에 비아홀(Via Hole) 형성 및 필링(filling) 공정, 도체패턴인쇄공정, 라미네이션(Lamination) 공정, 소성(Co-firing) 공정 등을 통해 이루어진다.

슬리팅(Slitting) 공정은 롤 상태로 감겨있는 일정한 두께와 폭을 지닌 저온 소결용 유전체 후막필름을 일정한 크기로 전체 적층 수에 해당하는 만큼 잘라내어 그린시트(Green Sheet)를 준비하는 단계이다.

전처리(Preconditioning) 공정은 상기 그린시트를 대략 120℃ 정도의 온도에서 열처리를 하거나 질소분위기에서 소정 시간 유지시키는 등의 예비과정을 거치는 단계이다.

비아홀(Via Hole) 형성 및 필링 공정은 펀칭이나 레이저 등을 사용하여 그린시트에 적당한 크기의 비아홀(Via Hole)을 만들고 그 비아홀을 도체 페이스트로 채우는 단계이다. 이 채워진 도체 페이스트가 via 전극이 된다.

도체패턴인쇄공정은 도체 페이스트를 인쇄 등의 방법을 통해 원하는 회로 패턴으로 형성하는 단계이다.

라미네이션(Lamination) 공정은 각 그린시트들을 적층하여 소정의 열과 압력을 이용하여 서로 접착시켜 주는 단계이며, 무수축 LTCC 공정의 경우, 적층된 그린시트들의 외곽에 구속층을 적층시킨다.

그리고 소성(Co-fired) 공정은 라미네이션 공정을 거친 적층체들을 300~400℃의 온도에서 탈바인더를 거친 후 1000℃ 이하의 저온에서 소결시키는 공정이다.

소성 후에는 연마기(lapping machine)로 연마하거나 샌드 블라스트나 초음파 등을 이용하여 구속층을 제거함으로써 세라믹 적층기판을 얻을 수 있다.

상기한 바와 같은 세라믹 적층기판은 흔히 모듈(Module)화 되어 사용되는데, 이와 같이 모듈화될 때 각각을 구성하는 부품은 다양한 재료와 형상, 그리고 패턴을 가지고 있으므로 설계를 함에 있어서 고정밀도의 확보를 위해서는 높은 자유도가 보장되어야 한다.

즉 다양한 재료, 형상, 패턴 등을 가진 부품들을 내장하거나 배치하거나 각 종 내부 배선들과 자유롭게 연결하여 자유롭게 설계를 하기 위해서는 설계치에 일대일로 대응하는 위치정밀도와 부품의 위치와 크기를 임의로 변경할 수 있어야 한다. 즉 설계에 있어서 높은 자유도가 보장되어야 한다.

이러한 자유도를 보장하는 한 가지 기술이 캐비티 포메이션(Cavity Formation) 기술이다. 캐비티(Cavity)는 기판의 최외각에서 기판 내부로 들어간 상태로 형성되는 빈 공간을 말한다.

이와 같은 캐비티를 형성하면 중요한 배선을 단축할 수 있고, 단위부품의 기판 내 높이를 현실적으로 낮출 수 있어 소형화 내지 박형화에 유리하며, 모듈 설계 시 다양한 이종재료의 부품들을 결합하는 응용이 가능하게 된다.

한편, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기판은 복수개의 그린시트(LTCC Green sheet)가 적층되어 대략 800℃ ~ 1000℃ 정도의 저온 분위기에서 소성되어 제조되는데, 이와 같은 소성 과정에서 적층된 그린시트들이 수축하여 소결된 기판은 매우 수축된 상태가 된다.

이와 같은 문제점을 해결하고자 유전체 sheet의 최외각에 알루미나로 구성된 구속층을 적층시키는 무수축 공법이 사용되고 있는데, 소성 과정에서 적층된 그린시트들이 x, y축의 방향으로는 수축하지 않고 z축방향, 즉 두께방향으로만 수축을 유도하는 것이 그 요지이다.

그러나, 상기한 바와 같은 저온 동시 소성 세라믹 기판이 무수축 공법으로 소성되는 경우, 적층된 시트에 형성된 캐비티는 아무런 구속을 받지 않기 때문에 세라믹 기판의 소성이 용이하지 않을뿐더러 소성하는 과정에서 상기 캐비티가 변형 되어 기판의 설계를 제대로 할 수 없게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조방법은, 캐비티가 형성된 시트를 세라믹 적층체에 적층하는 단계, 상기 캐비티를 소정의 충진재로 채우는 단계, 그리고 상기 캐비티가 형성된 시트 및 세라믹 적층체에 구속체를 적층하여 소결하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 충진재는 상기 구속체와 실질적으로 동일하거나 그 보다 높은 소결온도를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충진재는 알루미나 슬러리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충진재로 채우는 단계 후에 상기 충진재를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소결 후에 상기 구속체와 함께 상기 충진재를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충진재로 채우는 단계는, 상기 캐비티와 동일한 위치에 관통공이 형성된 스크린을 상기 캐비티가 형성된 시트에 적층하는 단계와, 상기 관통공이 형성된 스크린 위에 상기 충진재로 인쇄하는 단계와, 상기 스크린을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조방법은, 캐비티가 형성된 시트를 세라믹 적층체에 적층하는 단계, 상기 캐비티에 제1구속체를 채우는 단계, 그리고 상기 캐비티가 형성된 시트 및 세라믹 적층체에 제2구속체를 적층하여 소결하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 소결 후에 상기 제1구속체 및 제2구속체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 상기한 바와 같은 제조방법에 의해 제조된 세라믹 적층기판을 포함한다.

본 발명에 따른 세라믹 기판의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 세라믹 적층기판은 캐비티가 형성된 상태에서도 무수축 공법에 의한 기판의 제조가 가능함은 물론 무수축 공법으로 세라믹 적층기판을 제조함에 있어 캐비티가 실질적으로 변형되지 않아 신뢰성 있는 기판의 제조가 가능하다는 특장점이 있다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 적층기판의 제조방법에 관하여 나타낸 개략도이다.

먼저 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조방법을 개략적으로 설명한다.

도 1의 (a)는 개별 세라믹 적층시트(1) 각각과 캐비티(3)가 형성된 시트(2)를 마련하는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1의 (b)는 상기 도 1의 (a) 단계에서 마련한 각 시트들(1,2)을 적층하는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1의 (c)는 상기 도 1의 (b) 단계에서 적층된 캐비티(3)가 형성된 시트(2)의 캐비티(3)에 충진재(20)를 채우는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1의 (d)는 상기 도 1의 (c) 단계에서 캐비티(3)에 채워진 충진재(20)를 건조하는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1의 (e)는 상기 도 1의 (d) 단계에서 건조과정을 거친 시트들의 외곽에 구속체(11)를 적층하여 소성하는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1의 (f)는 상기 도 1의 (e) 단계에서 소성된 세라믹 기판에서 구속체(11)와 함께 충진재(20)를 제거하는 단계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1의 (a)를 참조하여 해당 단계에 관하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조방법은 세라믹 적층시트(1)를 복수개 마련하는 것이다.

상기 세라믹 적층시트(1)는 최초에 롤 상태의 그린시트를 적당한 크기로 슬리팅(slitting) 하여 비아홀(Via Hole)을 형성하고 도체 페이스트로 상기 비아홀을 채워 전극(5)을 마련한 것이다.

그리고 소정의 유전체 시트에는 적당한 크기의 캐비티(3)를 마련하는데, 이러한 캐비티(3)는 펀칭(Punching) 등의 방법으로 형성한다.

이와 같은 캐비티(3)는 전극(5)을 마련하기 위한 비아홀(Via Hole)과는 구분되는데, 캐비티(3)는 기판 설계의 자유도를 높이기 위한 캐비티 포메이션(Cavity Formation)을 위한 것이다.

따라서 캐비티(3)의 크기는 기판 설계를 어떻게 할 것인가에 의해 좌우되며, 소정의 부품을 실장하기 위한 것이라면 그 부품이 충분히 실장될 수 있을 정도의 크기로 형성됨이 바람직할 것이다.

여기서 상기 캐비티가 형성된 시트(2)는 세라믹 적층시트(1)와 동일한 것일 수도 있고 어느 정도 다른 성분을 포함할 수도 있다. 그런데 상기 캐비티가 형성된 시트(2)는 세라믹 적층시트(1)와 동일하거나 적어도 비슷한 소결온도를 갖도록 함이 바람직하다.

세라믹 적층시트(1)는 통상 붕규산 유리와 알루미나를 주성분으로 하는 유리-세라믹스로 구성된다.

한편, 도 1의 (b)를 참조하여 해당 단계에 관하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 복수개의 각 세라믹 적층시트(1)들을 적층하고 그 상단에 캐비티(3)가 형성된 시트(2)를 적층하여 서로 접착이 되도록 소정의 압력으로 가압할 수 있다.

그런데 반드시 적층된 시트들을 가압하여야 하는 것은 아니고, 도 1의 (c) 단계, 즉 캐비티(3)에 충진재(20)를 채우고 난 후에 가압을 하는 것도 가능하다.

여기서 각 세라믹 적층시트(1)들이 적층된 상태 또는 각 세라믹 적층시트(1)들이 적층되어 소정의 압력으로 가압된 상태를 세라믹 적층체(10)라고 하기로 한다.

여기서 도 1의 (b)에서는 캐비티(3)가 형성된 시트(2)가 세라믹 적층체(10)의 상단에 적층된 것에 관하여 도시하고 있으나, 이에 한하지 않고 세라믹 적층체(10)의 하단에 적층되는 것도 가능하며, 세라믹 적층체(10)의 상단 및 하단에 모두 적층되는 것도 가능하다.

한편, 도 1의 (c)를 참조하여 해당 단계에 관하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 제조방법은 캐비티(3)에 충진재(20)를 채우는 단계를 포함한다.

도 1의 (c)에서는 캐비티(3)에 충진재(20)를 채우기 위해 스크린 인쇄를 하는 것에 관하여 도시하고 있는데, 반드시 이에 한하지 않고 스크린 없이 캐비티가 형성된 시트(2) 위에 직접적으로 충진재(20)를 채우는 것도 가능하다.

스크린(30)을 이용하여 인쇄에 의해 충진재(20)를 캐비티(3)에 채우는 경우, 캐비티(3)와 동일한 크기의 관통홀(32)이 형성된 스크린(30)을 캐비티(3)가 형성된 시트(2)에 정확하게 적층한 후에 인쇄부재(31)를 이용하여 충진재(20)를 스크린(30) 위에 인쇄한다.

이와 같이 스크린(30)을 사용하는 경우 캐비티(3)에만 충진재(20)를 충진할 수 있고 시트(2)의 다른 부분에 충진재(20)가 영향을 주지 않도록 할 수 있어 바람직하다.

스크린(30) 없이 시트(2) 위에 인쇄부재(31)를 이용하여 직접 충진재(20)를 인쇄하는 것도 가능한데, 이와 같은 방법은 캐비티(3) 뿐만 아니라 시트(2)의 다른 부분에도 충진재(20)의 잔여물이 남을 수 있다.

상기 충진재(20)는 알루미나 슬러리(Alumina Slurry)를 포함하는 것이 바람직한데, 알루미나 슬러리는 후술할 구속체와 그 성분이 대체로 동일하여 적층 시 구속체와 잘 결합하며, 소결 온도가 대체로 비슷하거나 동일하기 때문이다.

그리고 알루미나 슬러리와 같이 구속체와 대체로 동일한 성분의 충진재를 사용할 경우, 스크린(30) 없이 직접적으로 캐비티(3)에 충진재를 채움으로써 시트(2)에 충진재의 잔여물이 남아 있어도 도 1의 (e) 단계에서 비슷한 성분의 구속체가 적층되므로 기판의 제조에 큰 영향을 미치지는 않는다.

더 나아가 상기 충진재(20)를 구속체와 동일한 물질로 마련하는 것도 가능하다. 즉 제1구속체를 캐비티(3)에 채우고 도 1의 (e) 단계에서 제2구속체를 적층하도록 하는 것도 가능하다.

여기서 통상 구속체는 무기파우더와 유기바인더로 구성되고 무기파우더는 알루미나, 지르코니아 등과 같이 통상의 유리-세라믹스와는 그 소성온도가 크게 차이나는 무기재료를 사용한다.

한편, 도 1의 (d)를 참조하여 해당 단계에 관하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 캐비티(3)에 충진재(20)를 채운 후에는 상기 충진재(20)를 건조시키도록 함이 바람직하다.

그러나 반드시 건조과정을 수행하여야 하는 것은 아니고 충진재의 종류에 따라 건조가 불필요한 경우도 있을 수 있다.

만약 충진재(20)가 구속체(11)와 비슷하거나 동일한 물질인 경우에는 구속체(11)가 소정의 건조과정을 거친다면 상기 충진재(20)도 이와 비슷하게 건조되도록 함이 바람직하다.

한편, 도 1의 (e)를 참조하여 해당 단계에 관하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 1의 (c) 단계에서 캐비티(3)에 충진재(20)를 충진하거나, 충진재(20) 충진 후 건조한 후에는 구속체(11)를 적층한다.

그리고 바람직하게는 상기 구속체(11)를 적층한 다음 소정의 열과 압력으로 가압하여 세라믹 적층체(1)와 구속체(11), 그리고 캐비티가 형성된 시트(2)와 구속체(11)가 잘 결합할 수 있도록 하며, 이때 캐비티(3)에 충진된 충진재(20)도 상기 구속체(11)와 잘 결합할 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이 구속체(11)가 적층된 후에는 소성이 이루어지는데, 대략 1000℃ 이하의 저온에서 소성이 이루어지도록 함이 바람직하다.

이와 같이 소성이 이루어지면, 구속체(11)는 캐비티가 형성된 시트(2)를 구속하고, 캐비티(3)에 충진된 충진재(20)는 캐비티(3)를 구속하여, 무수축 소성이 이루어질 수 있게 된다.

따라서 세라믹 적층체(1)와 이에 적층된 시트(2)는 실질적으로 수축 없이(물론 실제로는 약간의 수축은 있다) 소결될 수 있고, 캐비티(3)는 실질적으로 변형 없이 그 공간을 유지할 수 있게 된다.

여기서 상기 구속체(11)는 기본적으로 세라믹 적층체(1) 보다 더 높은 온도에서 소결하는 물질로 이루어짐이 바람직하다. 왜냐하면 세라믹 적층체(1)와 함께 구속체(11)가 소결이 되면 그 자체가 하나의 기판이 되기 때문이다. 구속체(11)는 기판의 일부가 되도록 하기 위한 것이 아니라 세라믹 적층체가 수축하지 않고 소결될 수 있도록 구속하는 기능을 하는 것이다.

또한 충진재(20)도 상기 구속체(11)와 실질적으로 동일한 소결 특성, 즉 상기 구속체(11)와 실질적으로 동일한 온도에서 소결하는 특성을 갖거나 상기 구속체(11) 보다 더 높은 온도에서 소결하는 특성을 갖는 물질로 이루어짐이 바람직하다.

왜냐하면 상기 충진재(20)가 세라믹 적층체(1) 및 캐비티가 형성된 시트(20)와 동일한 소결온도를 갖는다면 기판의 일부가 되기 때문이다. 충진재(20)는 캐비티(3)를 채운 상태에서 그대로 소결되지 않는 것이 바람직하며 소결 후 제거되어야 하는 부분이다.

그리고 상기 캐비티가 형성된 시트(2)와 세라믹 적층체(1)는 같은 물질일 수도 있고 다른 물질일 수도 있지만, 세라믹 적층체(1)와 캐비티가 형성된 시트(2)는 동일한 물질이거나 적어도 매우 비슷한 물질로 이루어짐이 바람직하고, 또 동일하거나 비슷한 소결 온도를 갖는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 소성이 끝나면 충진재(20)와 구속체(11)는 소결되지 않고 증발되어 응결된 상태로 남게 된다. 이와 같은 상태의 구속체(11)와 충진재(20)는 샌드 블라스트(Sand Blast)나 연마, 또는 초음파 등을 이용하여 제거할 수 있다.

도 1의 (e) 단계에서 소성이 이루어지고 구속체와 충진재가 제거된 후에는 도 1의 (f)에 도시된 바와 같이 캐비티(3)가 형성된 세라믹 기판(S)이 완성된다.

즉 구속체는 캐비티가 형성된 시트(2)를 구속하고 충진재는 캐비티를 구속하여 소성할 때 거의 수축 없이 그리고 캐비티의 변형 없이 캐비티가 형성된 세라믹 기판을 제조할 수 있는 것이다.

도 1의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 적층기판의 제조방법의 개략적 흐름에 관하여 나타낸 도면이다.

Claims

캐비티가 형성된 시트를 세라믹 적층체에 적층하는 단계;

상기 캐비티를 소정의 충진재로 채우는 단계; 및

상기 캐비티가 형성된 시트 및 세라믹 적층체에 구속체를 적층하여 소결하는 단계를 포함하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 충진재는 상기 구속체와 실질적으로 동일하거나 그 보다 높은 소결온도를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 충진재는 알루미나 슬러리를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 충진재로 채우는 단계 후에 상기 충진재를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 소결 후에 상기 구속체와 함께 상기 충진재를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 충진재로 채우는 단계는,

상기 캐비티와 동일한 위치에 관통공이 형성된 스크린을 상기 캐비티가 형성된 시트에 적층하는 단계와,

상기 관통공이 형성된 스크린 위에 상기 충진재로 인쇄하는 단계와,

상기 스크린을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
캐비티가 형성된 시트를 세라믹 적층체에 적층하는 단계;

상기 캐비티에 제1구속체를 채우는 단계; 및

상기 캐비티가 형성된 시트 및 세라믹 적층체에 제2구속체를 적층하여 소결하는 단계를 포함하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 소결 후에 상기 제1구속체 및 제2구속체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층기판의 제조방법.
제1항 내지 제8항에 따른 제조방법에 의해 제조된 세라믹 적층기판.