KR20090088491A

KR20090088491A - 무수축용 페이스트 조성물 및 세라믹 구조체

Info

Publication number: KR20090088491A
Application number: KR1020080013784A
Authority: KR
Inventors: 유명재; 박종철
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-20

Abstract

본 발명의 무수축용 페이스트 조성물은 임계적 의의가 있는 최적의 함량 및 평균 입도로 구성되어 있어서, 세라믹 구조체를 제조함에 있어서 소결 공정 시 거의 0%에 가까운 무수축률을 제공하여 정밀 치수 제어 공정이 가능하고, 일반적인 인쇄 공정으로 도포가 가능하여 원하는 특정 부위만을 무수축 소결할 수도 있어 정밀한 세라믹 구조체 구현에 적합하다.

세라믹 구조체, 무수축

Description

무수축용 페이스트 조성물 및 세라믹 구조체{Non-shrinkage paste composition And Ceramic Structure}

본 발명은 무수축용 페이스트 조성물 및 세라믹 구조체에 관한 것이다.

저온 동시 소성 세라믹(LOW TEMPERATURE COFIRED CERAMIC)은 내열성, 내마모성 및 우수한 전기적 특성으로 인하여, 기존의 인쇄회로기판의 대체품, 특히 정보통신 관련 기판 및 부품에 주로 사용되는데, 예컨대, 이동통신 단말기 분야에 있어 인덕터(L), 캐패시터(C), 저항(R)의 복합화 고주파 부품으로서 사용되거나, 컴퓨터 분야에 있어서 반도체 IC칩과 같은 능동 소자와 캐패시터 또는 인덕터나 저항과 같은 수동소자를 복합화한 부품으로, 또는 단순한 반도체 IC 패키지로 사용되고 있으며, 점점 그 수요가 다양화되고 있고 늘어가고 있는 추세이다. 보다 구체적으로는 저온 동시 소성 세라믹은 PA(Power Amplifier) 모듈 기판, RF 다이오드 스위치, 필터, 칩 안테나, 각종 패키지 부품, 복합 디바이스 등 다양한 전자부품을 구성하기 위하여 널리 사용되고 있다.

또한, 저온 동시 소성 세라믹은 다층 세라믹 기판에 응용되는데, 다층 세라믹 기판에는 반도체칩 부품이나 그 외의 칩 부품 등이 실장되어 있으며, 이러한 부품들은 내부 도전막, 비아홀 도체, 외부 도전막 등과 같은 다양한 배선 도체들을 통하여 상호 전기적으로 연결되어 있다.

한편, 다층 세라믹 기판을 보다 다기능화, 고밀도화, 고성능화하기 위해서는 상술한 바와 같이 배선 도체를 고밀도로 배치하는 것이 필수적이다.

전술된 다층 세라믹 기판은 세라믹 분말과 유기 바인더로 된 슬러리를 형성하여 얻은 그린 시트에 구멍을 형성하고, 도전성 페이스트를 스크린 인쇄하여 이 그린 시트를 필요한 층수만큼 겹쳐서 가열 및 가압하고 적층하여 소결하는 그린 시트 적층법으로 제조된다. 이 방법은 그린 시트의 유연성이 풍부하여지고, 유기 용제를 흡수하기 쉬우므로 미세 패턴의 인쇄가 가능하다는 것, 그리고 수십 층에 이르는 다층화를 위해 필요한 표면 평활성과 기밀성이 우수하다는 장점이 있다.

그러나, 종래 기술에 있어서 일반적인 저온 동시 소성 세라믹 그린 시트를 활용하여 제품을 제작함에 있어서 소결 공정을 거쳐야만 최종 제품이 완성되고 소결 공정 시 통상 x,y 방향으로 약 13~17%의 수축이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 수축율을 제어하여 정밀한 치수 구현을 위하여 여러 가지 공정이 개발되었는데 그 중에서 무수축용 그린 시트를 활용하여 세라믹 그린 시트 적층물의 위와 아래에 적층하여 내부 제품의 x,y방향 무수축 소결을 유도하는 기술 또는 자체적 세라믹 그린 시트가 x,y 방향으로는 무수축인 조성물 및 이를 활용한 그린 시트가 활용되 어지고 있다.

그러나, 무수축용 그린 시트를 활용하는 경우에는 원하는 부위에만 도포하여 무수축 소결 제어가 어렵고 또한 페이스트에 비하여 정밀 치수 제어에 만족할만한 무수축률을 제공해주지 못하는 단점이 있다.

또한, 자체적으로 무수축이 가능한 조성물을 활용한 무수축용 그린 시트의 경우 기존의 세라믹 그린 시트에 비하여 시트의 두께 측면에 있어서 더 두꺼워서 작은 치수의 제품에 적용하는데에 한계점이 있다. 통상 자체 무수축용 그린 시트의 경우 무수축 효과를 위하여 3층 구조로 제작하여 내부층이 무수축 층으로 위와 아래 층의 무수축 소결을 유도하는데 이러한 구조 때문에 기존의 세라믹 그린 시트에 비하여 시트 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로,

본 발명은 세라믹 구조체를 제조함에 있어서, 소결 공정 시 거의 0%에 가까운 무수축률을 제공하여 정밀 치수 제어 공정이 가능한 무수축용 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 무수축용 페이스트 조성물을 이용하여 거의 수축되지 않아 정밀 치수가 보존되는 세라믹 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

80~97 중량%로 함유되며 소결 온도가 1000℃ 이상인 무기물 및 3~20 중량%의 유기물을 포함하여 이루어진 무수축용 페이스트 조성물을 제공한다.

또한, 상기 무기물은 알루미나(Al₂O₃)인 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물을 제공한다.

또한, 상기 무기물은 평균 입도가 0.01㎛ ~ 10㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물을 제공한다.

또한, 상기 무기물은 평균 입도가 0.5㎛ ~ 4㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물을 제공한다.

또한, 상기 유기물에는 바인더 및 용제가 포함된 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물을 제공한다.

또한, 상기 바인더는 셀룰로오즈계 및 (메타)아크릴계 수지 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한, 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포하여 이루어진 세라믹 구조체를 제공한다.

본 발명은 또한, 알루미나(Al₂O₃) 등의 소결 온도가 1000℃ 이상인 무기물 및 유기물을 포함하여 이루어진 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포하여 이루어진 세라믹 구조체로서, 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물의 평균 입도는, 무수축용 페이스트 조성물과 접하는 계면의 세라믹 구조체에 사용되는 세라믹 재료의 평균 입도보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체를 제공한다.

또한, 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물의 평균 입도와 상기 세라믹 구조체에 사용되는 세라믹 재료의 평균 입도의 차이는 0.01㎛ ~ 10㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포한 후에 소결시켜 제조된 세라믹 구조체로서, 무수축용 페이스트 조성물과 세라믹 구조체가 접하는 계면의 소결 후 수축률이 1% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체를 제공한다.

또한, 상기 수축률이 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 세라믹 구조체를 소결 후 무수축용 페이스트 조성물을 제거하여 제조된 세라믹 구조체를 제공한다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하기의 구체적 설명은 본 발명의 일례에 대한 설명으로서, 한정적, 단정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하지 않는다.

본 발명에 따른 무수축용 페이스트 조성물은 80~97 중량%로 함유되며 소결 온도가 1000℃ 이상인 무기물 및 3~20 중량%의 유기물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 무기물은 통상적인 저온 동시 소성 공정의 소결 온도인 850℃에서 950℃ 사이에서 소결이 되지 않는 것이라면 모두 사용될 수 있으며, 제한되지 않는다. 대략적으로 무수축용 페이스트로 작용하기 위한 무기물은 소결되어지는 세라믹 구조체보다도 100℃ 이상의 온도에서 소결되는 물질이면 충분히 그 효과가 발휘될 수 있으므로, 소결 온도가 1000℃ 이상인 무기물을 선택하는 것이 좋다.

바람직하기로는 가격이 저렴하면서 소결 온도가 1400℃ 이상으로서 비교적 높은 알루미나가 좋다. 상기 알루미나는 제한되지 않으나 98%이상의 순도를 가지는 것을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에서는 무수축용 페이스트 조성물에서 알루미나 등 무기물의 함량에 따른 무수축을 위한 최적 임계치를 발견하였다. 즉, 무기물의 함량이 페이스트 조성물 100 중량 대비 80~97 중량%를 차지하는 것이 좋다. 80 중량% 미만에서는 수축률이 현저하게 증가하였으며 이는 소결 과정에서 유기물이 제거되면서 수축률이 증가하는 것으로 판단되며, 97 중량%를 초과할 경우에는 인쇄 등의 도포 공정을 적용하기에 물성이 좋지 못한 단점이 있다. 이러한 결과는 후술할 실시예 및 비교예에서 입증된다.

본 발명은 또한, 알루미나 등 무기물 입자 입도의 크기에 따라 수축률의 변화가 현저함을 발명하였다. 제한되지 않으나 상기 무기물은 평균 입도가 0.01㎛ ~ 10㎛ 범위내인 것이 좋다. 특히, 상기 알루미나 등 무기물은 평균 입도가 0.5㎛ ~ 4㎛ 범위내인 것이 더욱 바람직하였다. 평균 입도가 0.5㎛ 미만에서는 페이스트 제조시에 도포가 일정하게 되는 분산성을 얻기가 어렵고, 단가가 다소 부담스러운 단점이 있으며, 평균 입도가 4㎛를 초과할 경우 수축률이 급격히 증가하는 문제점이 있다. 이러한 결과는 후술할 실시예 및 비교예에서 입증된다.

상기 유기물에는 바인더 및 용제가 사용될 수 있으며, 바인더 및 용제의 종류는 제한되지 않으며 일반적인 페이스트에 사용되는 바인더 및 용제를 선택할 수 있다. 보다 바람직하기로는 바인더로서 셀룰로오스계 수지 및 (메타)아크릴계 수지 중에서 적어도 하나 이상 선택하여 사용하는 것이 좋다.

용제로는 부틸 카비톨 아세테이트(Butyl carbitol acetate) 등의 아세테이트류, 테르핀올(Terpineol) 등의 알콜류, 톨루엔 등의 방향족 용제 등을 하나 또는 조합하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 유기물에는 기타 가소제 등의 첨가제가 더 포함될 수 있다.

무수축용 페이스트 조성물의 제조 방법은 제한되지 않으며 통상적인 페이스트의 혼합 방식을 활용하며 페이스트를 제조할 수 있다. 구성 성분의 혼합 방식은 제한되지 않으며, 3 roll 밀링 등을 통해 수행할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포하여 이루어진 세라믹 구조체를 제공한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 구조체로서, 세라믹 구조체에 무수축용 페이스트 조성물이 도포된 것을 도시하고 있다. 도면부호 10은 세라믹 구조체이며, 20은 무수축용 페이스트 조성물층이다. 세라믹 구조체의 구조는 도면에 도시된 것에 한정되지 않으며 다양할 수 있다. 도면에는 단층으로 구성되 어 있으나 여러 층이 적층된 다층 세라믹 구조체일 수도 있으며, 세라믹 그린시트, 특히 저온 동시 소성 다층 세라믹 그린 시트일 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 세라믹 구조체와 같이 미세하게 패턴되어 있는 경우 기존의 무수축용 그린 시트를 사용할 경우 미세 패턴 부분의 수축에 대한 방지가 어렵다.

상기의 무수축용 페이스트 조성물은 통상의 후막 공정의 방법으로 도포될 수 있으며 제한되지 않는다. 일례로, 바코팅, 롤코팅, 스핀코팅 등의 코팅법 또는 스크린 프린팅 등의 인쇄법을 이용할 수 있다.

페이스트 조성물이 도포되는 부위는 세라믹 구조체의 상면, 하면, 또는 그 양면일 수 있으며, 이외에도 무수축이 요구되는 부위에 특정되게 도포할 수도 있다. 일례로, 미세한 전극이 패터닝되어 있는 부위에 특정되게 도포하여 미세 전극의 치수를 정밀하게 보존할 수도 있다.

본 발명은 또한, 알루미나(Al₂O₃) 등 소결 온도가 1000℃ 이상인 무기물 및 유기물을 포함하여 이루어진 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포하여 이루어진 세라믹 구조체로서, 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물의 평균 입도는, 무수축용 페이스트 조성물과 접하는 계면의 세라믹 구조체에 사용되는 세라믹 재료의 평균 입도보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체를 제공한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 세라믹 구조체의 부분 확대 개념도로서, 도 1의 A 영역의 확대도이다. 도시된 바와 같이, 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물의 평균 입도는, 무수축용 페이스트 조성물과 접하는 계면의 세라믹 구조체에 사용되는 세라믹 재료의 평균 입도보다 작은 것을 특징으로 한다. 이러한 입도의 차이는 수축률에 있어서 매우 중요하게 작용한다. 후술할 비교예에 따르면 본 발명과 달리 세라믹 구조체의 세라믹 재료의 평균 입도가 오히려 큰 경우에는 수축률이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.

본 발명의 또 다른 일실시예의 경우, 도 3에 도시된 것처럼 무수축용 페이스트 조성물의 평균입도가 더 작도록 함으로써 세라믹 구조체의 세라믹 재료 입자들 사이에도 무수축용 페이스트 입자들이 조밀하게 위치함으로써 세라믹 구조체의 수축을 물리적으로 방지하게 된다.

무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물의 평균 입도와 상기 세라믹 구조체에 사용되는 세라믹 재료의 평균 입도의 차이는 제한되지 않으나 0.01㎛ ~ 10㎛ 범위내인 것이 좋다. 0.01㎛ 이상에서 무수축률이 현저히 우수하여지며, 10㎛ 이하에서 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물 입도가 적당하여 분산성이 좋고 단가에 부담이 되지 않는다. 일반적으로 사용되는 세라믹 구조체, 특히 세라믹 그린 시트의 평균 입도는 1㎛ ~ 10㎛ 범위이다.

본 발명은 또한, 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포한 후에 소결시켜 제조된 세라믹 구조체로서, 무수축용 페이스트 조성물과 세라믹 구조체가 접하는 계면의 소결 후 수축률이 1% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체를 제공한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 특징의 세라믹 구조체를 형성하여 저온 동시 소성 등의 소결 공정(소결 온도는 세라믹 구조체는 소결되면서 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물은 소결되지 않는 온도에서 수행한다)을 거치게 되면, 무수축용 페이스트 조성물층이 세라믹 구조체의 수축을 방지하게 되어 무수축용 페이스트 조성물과 세라믹 구조체가 접하는 계면의 소결 후 수축률이 1% 이하인 세라믹 구조체를 얻을 수 있게 된다.

특히, 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 등 무기물의 평균 입도가 2.5 ㎛ 이하이면서 알루미나의 함량이 95 중량% 인 최적의 조건에서는 수축률이 0.1% 이하, 즉 거의 무수축에 가까운 결과를 얻을 수 있게 된다.

그 후, 무수축용 페이스트 조성물을 제거하게 되면 최종적으로 소결된 세라믹 구조체를 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 무수축용 페이스트 조성물은 세라믹 구조체를 제조함에 있어서, 소결 공정 시 거의 0%에 가까운 무수축률을 제공하여 정밀 치수 제어 공정이 가능하고, 일반적인 인쇄 공정으로 도포가 가능하여 원하는 특정 부위만을 무수축 소결할 수도 있어 정밀한 구조체 구현에 적합하다.

이하 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1의 실시예에 기재된 바와 같은 평균 입도를 가지는 알루미나 분말과 혼합한 유기물의 혼합 중량비를 80~95: 20~5로 무수축용 페이스트 조성물을 제조하였다. 유기물인 바인더로는 셀룰로오즈와 아크릴 수지를 혼합하여 사용하였고, 용제는 부틸 카비톨 아세테이트와 테르핀올을 혼합하여 사용하였으며, 3 roll 밀링 방식으로 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.

제조된 페이스트 조성물을 세라믹 구조체의 상면과 하면에 일반적인 인쇄 공정으로 도포를 실시하였다. 세라믹 구조체는 그린 시트 적층체로서, 가로 세로10cm*10cm에 두께는 1.4mm이며, 세라믹 구조체의 세라믹 재료의 평균 입도는 3.0 ㎛이다. 그 후 880℃에서 소결 공정을 거쳐서 가로, 세로의 평균 수축률을 구하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

<표 1>

실시예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
0.5~1㎛ Al₂O₃					90	95
2~3㎛ Al₂O₃	80	85	90	95
유기물	20	15	10	5	10	5
수축률	0.7%	0.5%	0.2%	0.07%	0.15%	0.02%

[비교예]

표 1, 표 2에 나타낸 바와 같은 평균 입도, 함량의 차이점을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 실시하였고, 그 결과인 수축률을 표 2에 나타내었다.

<표 2>

비교예	비교예 1	비교예 2
4~5㎛ Al₂O₃	90	95
유기물	10	5
수축률	12%	1.5%

하기 표에 명시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 수축률을 1% 이하로 거의 무수축에 가까운 결과를 얻을 수 있으며, 특히 무수축용 페이스트 조성물의 알루미나 평균 입도가 2.5 ㎛ 이하이면서 알루미나의 함량이 95 중량% 인 최적의 조건에서는 수축률이 0.1% 이하, 즉 거의 무수축에 가까운 결과를 얻을 수 있게 된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 구조체,

도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 세라믹 구조체의 부분 확대 개념도로서, 도 1의 A 영역의 확대도이다.

** 도면의 주요 부호에 대한 설명 **

10: 세라믹 구조체

20: 무수축용 페이스트 조성물층

Claims

80~97 중량%로 함유되며 소결 온도가 1000℃ 이상인 무기물 및 3~20 중량%의 유기물을 포함하여 이루어진 무수축용 페이스트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 무기물은 알루미나(Al₂O₃)인 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 무기물은 평균 입도가 0.01㎛ ~ 10㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 무기물은 평균 입도가 0.5㎛ ~ 4㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 유기물에는 바인더 및 용제가 포함된 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물.
제5항에 있어서, 상기 바인더는 셀룰로오즈계 및 (메타)아크릴계 수지 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 무수축용 페이스트 조성물.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포하여 이루어진 세라믹 구조체.
소결 온도가 1000℃ 이상인 무기물 및 유기물을 포함하여 이루어진 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포하여 이루어진 세라믹 구조체로서,

무수축용 페이스트 조성물의 무기물 평균 입도는, 무수축용 페이스트 조성물과 접하는 계면의 세라믹 구조체에 사용되는 세라믹 재료의 평균 입도보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체.
제8항에 있어서, 무수축용 페이스트 조성물의 무기물 평균 입도와 상기 세라 믹 구조체에 사용되는 세라믹 재료의 평균 입도의 차이는 0.01㎛ ~ 10.0㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 무수축용 페이스트 조성물을 소결 전의 세라믹 구조체의 일정 영역에 도포한 후에 소결시켜 제조된 세라믹 구조체로서,

무수축용 페이스트 조성물과 세라믹 구조체가 접하는 계면의 소결 후 수축률이 1% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체.
제10항에 있어서, 상기 수축률이 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 구조체.
제10항의 세라믹 구조체에서, 소결 후 무수축용 페이스트 조성물을 제거하여 제조된 세라믹 구조체.