KR20090066862A - 다층 세라믹 기판의 제조 방법 - Google Patents

다층 세라믹 기판의 제조 방법 Download PDF

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박은태
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Abstract

다층 세라믹 기판의 제조 방법이 개시된다. 본 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 글래스(glass) 성분이 함유된 세라믹 적층체를 제조하는 단계, 세라믹 적층체의 상/하부에 구속층을 적층하는 단계, 세라믹 적층체에 함유된 글래스 성분이 결정화되지 않는 제1온도 범위로 1차 소성하는 단계, 1차 소성이 완료되면 구속층을 제거하고 세라믹 적층체 상에 외부 전극을 형성하는 단계, 및, 외부 전극이 형성된 세라믹 적층체를 제1온도 범위보다 높은 제2온도 범위로 2차 소성하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 2차 소성시에 세라믹 적층체 상의 글래스 성분이 결정화되어, 세라믹 적층체와 외부전극의 고착 강도가 향상된다.
다층 세라믹, 세라믹 적층체, 외부전극, 소성, 온도, 결정화

Description

다층 세라믹 기판의 제조 방법 {Manufacturing method of multi-layer substrate}
본 발명은 다층 세라믹 기판 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 세라믹 적층체와 외부전극 간의 고착 강도를 향상시키기 위한 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전자부품영역에 있어서, 점차 소형화 추세가 강화, 지속됨에 따라 전자부품의 정밀화, 미세 패턴화 및 박막화를 통한 소형 모듈 및 기판이 개발되고 있다. 그러나, 통상 사용되는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)을 소형화된 전자부품에 이용한 경우, 사이즈의 소형화, 고주파 영역에서의 신호 손실 및 고온 고습시의 신뢰성 저하와 같은 단점이 발생하였다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 PCB 기판이 아닌, 세라믹을 이용한 기판이 사용되고 있다. 세라믹 기판의 주성분은 저온 동시 소성이 가능한 글래스(glass)가 다량 포함된 세라믹 조성물이다.
저온동시소성세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic, 다층 세라믹) 기판 을 제조하는 방법은 다양한데, 그 중 소성시 세라믹 기판이 수축하는지 여부에 따라 수축 공법 및 무수축 공법으로 분류할 수 있다. 구체적으로, 소성시 세라믹 기판이 수축되도록 하여 제조하는 방법이 수축공법이다. 하지만, 수축 공법은 세라믹 기판의 수축 정도가 전체적으로 균일하게 발생되는 것이 아니므로, 기판의 면 방향에 대해서 치수 변형이 일어난다. 이와 같은 세라믹 기판의 면 방향 수축은 기판 내에 포함된 인쇄 회로 패턴의 변형을 야기시켜 패턴 위치의 정밀도 저하 및 패턴의 단선 등과 같은 문제점을 발생한다. 따라서, 수축 공법으로 인한 문제점을 해결하기 위하여, 소성시 세라믹 기판의 면 방향 수축을 방지하기 위한 무수축 공법이 제안되고 있다.
무수축 공법이란, 세라믹 기판의 양면에 구속층을 형성하여 소성하는 방법이다. 이 경우, 구속층은 세라믹 기판이 소성되는 온도에서는 수축되지 않으면서 수축 제어가 용이한 물질이 이용될 수 있다. 이와 같은 구속층에 의해, 소성시 세라믹 기판의 면 방향 수축은 일어나지 않으며 두께 방향으로만 수축될 수 있게 된다.
한편, 소성을 통해 세라믹 기판이 수축되면, 구속층을 제거하여 외부전극을 형성하고, 세라믹 기판과 외부전극과의 고착을 위해 재소성한다. 이 경우, 세라믹 기판에 잔존하는 글래스 양에 따라 세라믹 기판과 외부전극의 고착 강도가 결정될 수 있다. 하지만, 소성시, 세라믹 기판에 포함된 글래스 성분이 결정화되어, 기판에 잔존하는 글래스 양이 현저하게 감소하게 된다. 이에 따라, 세라믹 기판에 외부전극을 형성한 후, 재소성하더라도 세라믹 기판과 외부전극의 고착 강도가 크게 떨어질 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 1차 소성시, 세라믹 적층체에 포함된 글래스 성분이 결정화되지 않도록 하여 글래스 성분을 잔존시킴으로써, 2차 소성시 세라믹 적층체와 외부전극의 고착 강도를 향상시킬 수 있는 다층 세라믹 기판의 제조 방법을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 글래스(glass) 성분이 함유된 세라믹 적층체를 제조하는 단계, 상기 세라믹 적층체의 상/하부에 구속층을 적층하는 단계, 상기 세라믹 적층체에 함유된 글래스 성분이 결정화되지 않는 제1온도 범위로 1차 소성하는 단계, 상기 1차 소성이 완료되면, 상기 구속층을 제거하고 상기 세라믹 적층체 상에 외부 전극을 형성하는 단계, 및, 상기 외부 전극이 형성된 세라믹 적층체를 상기 제1온도 범위보다 높은 제2온도 범위로 2차 소성하는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 제1온도 범위는 상기 1차 소성시 상기 세라믹 적층체가 90% 이상의 치밀도를 갖는 온도인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2온도 범위는 상기 글래스 성분이 결정화되는 온도인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 세라믹 적층체에 함유된 글래스 성분은 아노사이트(CaAl2Si2O8) 물질이 될 수 있다. 이 경우, 상기 제1온도 범위는 830℃~850℃ 범위가 될 수 있으며, 상기 제2온도 범위는 상기 제1온도 범위보다 30℃~100℃ 높은 온도 범위가 될 수 있다.
또한, 상기 제2온도 범위는 상기 외부 전극이 손상되지 않는 온도 범위인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 외부전극은 구리, 니켈, 텅스텐, 티타늄, 크롬, 바나듐, 망간 및 몰리브덴 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹 적층체 상에 외부전극을 형성하고 난 후에 세라믹 적층체의 글래스 성분이 결정화되도록 함으로써, 세라믹 적층체와 외부전극의 고착 강도를 향상시킬 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 보다 자세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 세라믹 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 수직 단면도이다. 도 1a를 참조하면, 복수의 그린시트(10a, 10b, 10c, 10d)를 적층하여 세라믹 적층체(10)를 형성한다. 구체적으로, 글래스 성분-세라믹 분말 100%에 대하여, 아크릴계 바인더를 15wt%, 분산제를 0.5wt% 첨가하고, 톨루엔과 에탄올의 혼합 용매를 첨가하여 슬러리를 제조한다. 이 슬러리를 도포하여 건조시킴으로써, 하나의 그린시트가 마련될 수 있다. 그리고, 그린시트의 소정 위치에 비아홀(11)을 형성하여 도체 페이스트를 충진하고, 내부전극(12)을 그린시트의 표면에 스크린 인쇄하여 내부 회로 패턴을 형성할 수 있다. 이와 같은 방법으로 제조된 복수의 그린시트(10a, 10b, 10c, 10d)를 적층하여, 도 1a에 도시된 것과 같은 세라믹 적층체(10)를 제조할 수 있다.
도 1b에 따르면, 도 1a에서 제조된 세라믹 적층체(10) 상에 구속층을 적층하여 1차 소성한다. 우선, 구속층(20a, 20b)을 제조한다. 이 경우, 구속층은 평균 입경 1.5㎛의 알루미나(Al2O3) 분말 100%에 대하여 아크릴계 바인더를 15wt%, 분산제를 0.5wt% 첨가하고, 톨루엔과 에탄올을 혼합한 혼합 용매를 첨가하여 슬러리를 제조한다. 그리고, 슬러리를 닥터 블레이드법을 이용하여 도포한 후, 100㎛ 두께의 구속층을 형성한다. 이와 같이 형성된 구속층(20a, 20b)을 세라믹 적층체(10)의 상부 및 하부에 적층하여 1차 소성한다.
1차 소성시, 제1온도 범위는 세라믹 적층체(10)를 구성하는 물질의 수축이 이루어지되, 글래스 성분이 결정화되지 않을 정도의 온도가 될 수 있다. 일 예로, 세라믹 적층체(10)에 포함된 글래스 성분이 아노사이트(Anorthite:CaAl2Si2O8)인 경우, 아노사이트가 결정화되지 않는 온도인 850℃ 이하에서 세라믹 적층체(10)를 1차 소성할 수 있다. 이 경우, 세라믹 적층체(10)의 수축을 고려하여 830℃ 이상의 소성 온도를 적용해야 하므로, 결과적으로, 1차 소성을 위한 제1온도 범위는 830℃~850℃의 범위 내에서 적용될 수 있다. 하지만, 제1온도 범위는 세라믹 적층체(10)의 소성 온도 및 글래스 성분의 결정화 온도에 따라 변경될 수 있다.
1차 소성 결과, 세라믹 적층체(10)는 수축되어 치밀화되나, 글래스 성분은 결정화되지 않고 세라믹 적층체(10) 내에 잔존하게 된다. 이 경우, 세라믹 적층 체(10)는 90% 이상의 치밀도를 갖는 것이 바람직하다.
도 1c를 참조하면, 세라믹 적층체를 2차 소성한다. 우선, 도 1b에 도시된 1차 소성이 완료되면, 세라믹 적층체(10) 상에서 구속층(20a, 20b)을 제거하고, 외부전극(30)을 형성한다. 그리고, 2차 소성을 위한 제2온도 범위로 외부전극(30)이 형성된 세라믹 적층체(10)를 소성한다. 이 경우, 제2온도 범위는 세라믹 적층체(10)에 포함된 글래스 성분이 결정화될 수 있을 정도의 온도로, 1차 소성을 위한 제1온도 범위보다 약 30℃~100℃정도 높은 온도를 적용할 수 있다. 본 실시예에서는, 글래스 성분인 아노사이트가 결정화될 수 있는 온도인 860℃~900℃의 온도가 제2온도 범위로 적용될 수 있다. 이에 따라, 세라믹 적층체(10)를 구성하는 아노사이트가 결정화되어 세라믹 적층체(10)와 외부전극(30)의 고착 강도를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 외부전극(30)으로는 구리, 니켈, 텅스텐, 티타늄, 크롬, 바나듐, 망간 및 몰리브덴 등이 이용될 수 있다. 이와 같은 금속들은 제2온도 범위에서 손상 및 변형되지 않는 금속들일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 소성시의 세라믹 적층체 치밀도를 나타낸 그래프이다. 도 1b에 도시된 바와 같이 구속층(20a, 20b)이 적층된 세라믹 적층체(10)를 1차 소성한다. 이 경우, 세라믹 적층체(10)를 소결시키기 위하여 제1온도 범위를 적용한다. 제1온도 범위는 세라믹 적층체(10)가 수축되어 치밀화되는 경우, A 지점과 같이 부피 변화(△V)에 따른 치밀도가 90% 이상이 되도록 하는 온도 T1이 될 수 있으며, 글래스 성분의 결정화가 일어나지 않는 온도가 될 수 있다. 또한, 제1온도 범위(T1)는 세라믹 적층체(10)를 구성하는 세라믹 분말의 소성 온도 및 글래스 성분의 결정화 온도에 따라 유동적으로 변경될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 이용하여 제조된 다층 세라믹 기판과 아래의 비교예를 이용하여 제조된 다층 세라믹 기판의 특성을 측정하였다.
[세라믹 기판 제조]
글래스 성분-세라믹 분말 100%에 대하여 아크릴계 바인더를 15wt%, 분산제를 0.5wt% 첨가하고, 톨루엔과 에탄올의 혼합용매를 첨가한 후 볼밀을 이용하여 분산시켰다. 이렇게 얻은 슬러리를 필더로 거른 후 탈포하고, 닥터 블레이드법을 이용하여 50㎛ 두께의 그린시트를 성형하였다. 이 그린시트를 일정 크기로 재단하고 소정의 전극 패턴을 스크린 인쇄로 형성한 후 14층을 압착 및 적층하여 일체화된 미소결 세라믹 적층체를 제작하였다
[ 구속층 제조]
평균 입경 1.5㎛의 알루미나 분말 100%에 대하여 아크릴계 바인더를 15wt%, 분산제를 0.5wt% 첨가하고, 톨루엔과 에탄올의 혼합용매를 첨가한 후 볼밀을 이용하여 분산시켰다. 이렇게 얻은 슬러리를 필터로 거른 후 탈포하고, 닥터 블레이드 법을 이용하여 100㎛ 두께의 그린시트를 성형하여 구속층을 제조하였다.
[1차 및 2차 소성]
<실시예>
구속층(20a, 20b)이 적층된 세라믹 적층체(10)를 탈바인더시키기 위하여 상온에서 450℃까지 분당 1℃ 속도로 승온한 후, 5시간 유지하였다. 이를 상온에서 분당 5℃ 속도로 승온하여 830℃에서 50분간 유지하여 1차 소성하였다. 1차 소성 완료 후, 구속층(20a, 20b)을 제거하고 도전성 페이스트를 세라믹 적층체(10) 상에 스크린 인쇄하여 외부전극(30)을 형성하였다. 그리고, 외부전극(30)이 형성된 세라믹 적층체(10)를 분당 5℃ 속도로 승온하여 870℃에서 50분간 유지하여 2차 소성하였다.
<비교예>
구속층(20a, 20b)이 적층된 세라믹 적층체(10)를 탈바인더시키기 위하여 상온에서 450℃까지 분당 1℃ 속도로 승온한 후, 5시간 유지하였다. 이를 상온에서 분당 5℃ 속도로 승온하여 870℃에서 50분간 유지하여 1차 소성하였다. 1차 소성 완료 후, 구속층(20a, 20b)을 제거하고 도전성 페이스트를 세라믹 적층체(10) 상에 스크린 인쇄하여 외부전극(30)을 형성하였다. 그리고, 외부전극(30)이 형성된 세라믹 적층체(10)를 분당 5℃ 속도로 승온하여 870℃에서 50분간 유지하여 2차 소성하였다.
<평가>
(1) 기판 사이즈 변화
실시예 및 비교예에 따라 제조된 다층 세라믹 기판의 사이즈를 측정하였다. 이들의 측정 데이터는 아래의 표에 나타나 있다.
2차 소성 후 가로 사이즈[%] 샘플 치수 변화[%]
실시예 -0.27 0.08
비교예 0.23 0.19
표 1을 참조하면, 1차 소성과 2차 소성시 소성 온도를 상이하게 적용한 실시예와 1차 소성과 2차 소성시 온도를 동일하게 적용한 비교예로 다층 세라믹 기판을 제조한 경우, 각 다층 세라믹 기판의 가로 사이즈 변화는 0.5% 정도로 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 또한, 각 다층 세라믹 기판은 샘플 치수 변화에 있어서도 그 변화율이 0.11% 정도로 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.
(2) 결정화도 변화
실시예 및 비교예에 따라 제조된 다층 세라믹 기판의 결정화도를 측정하였다.
도 3을 참조하면, 측정 그래프 상에서 제1결정화 그래프(3a)는 2차 소성시 글래스 성분이 결정화되는 실시예에 대한 결정화도를 나타낸다. 또한, 제2결정화 그래프(3b)는 1차 소성시 글래스 성분이 결정화되는 비교예에 대한 결정화도를 나타낸다. 제1 및 제2결정화 그래프(3a, 3b)를 비교하면, 세라믹 적층체(10)에 포함된 글래스 성분이 1차 또는 2차 소성시 결정화되더라도 다층 세라믹 기판의 결정화도에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.
(3) 세라믹 적층체와 외부전극의 고착 강도 변화
실시예 및 비교예에 따라 제조된 다층 세라믹 기판의 고착 강도를 측정하였다.
도 4를 참조하면, 측정 그래프 상에서 제1고착 강도 그래프(4a)는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 적층체(10)와 외부전극(30)의 고착 강도를 나타내며, 제2고착 강도 그래프(4b)는 비교예에 따른 세라믹 적층체(10)와 외부전극(30)의 고착 강도를 나타낸다. 제1 및 제2고착 강도 그래프(4a, 4b)를 비교하면, 1차 소성시 글래스 성분의 결정화가 일어나는 것보다, 세라믹 적층체(10)에 외부전극(30)이 형성되고 난 후에 결정화가 일어나는 것이 보다 좋은 고착 강도를 갖는 것을 알 수 있다.
표 1, 도 3 및 도 4에 나타난 것과 같이, 2차 소성 단계에서 세라믹 적층체(10)에 포함된 글래스 성분이 결정화되더라도, 다층 세라믹 기판의 사이즈 및 결정화도에 영향을 미치지 않고, 세라믹 적층체(10)와 외부전극(30)의 고착 강도를 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 세라믹 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 수직 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 소성시의 세라믹 기판 치밀도를 나타낸 그래프,
도 3 및 도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 다층 세라믹 기판의 특성을 측정한 결과 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10 : 세라믹 적층체 10a, 10b, 10c, 10d : 그린시트
11 : 비아홀 12 : 내부전극
20a, 20b : 구속층 30 : 외부전극

Claims (8)

  1. 글래스(glass) 성분이 함유된 세라믹 적층체를 제조하는 단계;
    상기 세라믹 적층체의 상/하부에 구속층을 적층하는 단계;
    상기 세라믹 적층체에 함유된 글래스 성분이 결정화되지 않는 제1온도 범위로 1차 소성하는 단계;
    상기 1차 소성이 완료되면, 상기 구속층을 제거하고 상기 세라믹 적층체 상에 외부 전극을 형성하는 단계; 및,
    상기 외부 전극이 형성된 세라믹 적층체를 상기 제1온도 범위보다 높은 제2온도 범위로 2차 소성하는 단계;를 포함하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1온도 범위는,
    상기 1차 소성시 상기 세라믹 적층체가 90% 이상의 치밀도를 갖는 온도인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2온도 범위는,
    상기 글래스 성분이 결정화되는 온도인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 적층체에 함유된 글래스 성분은 아노사이트(CaAl2Si2O8) 물질인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1온도 범위는, 830℃~850℃ 범위인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2온도 범위는,
    상기 제1온도 범위보다 30℃~100℃ 높은 온도 범위인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2온도 범위는, 상기 외부 전극이 손상되지 않는 온도 범위인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외부전극은,
    구리, 니켈, 텅스텐, 티타늄, 크롬, 바나듐, 망간 및 몰리브덴 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
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