KR20100045333A - 미소결 다층 세라믹 기판 및 무수축 다층 세라믹 기판의 제조방법 - Google Patents

미소결 다층 세라믹 기판 및 무수축 다층 세라믹 기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미소결 다층 세라믹 기판 및 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 복수의 세라믹 그린 시트 중 일부 세라믹 그린 시트에 적어도 하나 이상의 비아 홀 및 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 비아 홀이 형성된 세라믹 그린 시트의 일면에 고분자 수지층을 접합하는 단계; 상기 고분자 수지층 중 상기 비아 홀에 의해 노출된 영역에 에어로졸 증착법을 이용하여 상기 비아 홀의 높이보다 낮은 높이로 비아 전극을 형성하는 단계; 상기 세라믹 그린 시트들을 적층하여 세라믹 적층체를 형성하는 단계; 상기 세라믹 적층체의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 수축억제용 그린 시트를 접합하여 미소결 다층 세라믹 기판을 형성하는 단계; 및 상기 미소결 다층 세라믹 기판을 소결하는 단계;를 포함함으로써, 소성 후 비아 전극의 수축이 거의 없어 비아 전극의 주면 방향의 수축으로 인한 비아홀 내의 기공 발생과 비아 전극 돌출 불량을 방지할 수 있다.
에어로졸 증착법, 비아

Description

미소결 다층 세라믹 기판 및 무수축 다층 세라믹 기판의 제조방법{Non-sintered multi-layer ceramic substrate and Manufacturing method of non-shrinking multi-layer ceramic substrate}
본 발명은 미소결 다층 세라믹 기판 및 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 무수축 공정으로 다층 세라믹 기판을 제조시 층간 회로를 연결하는 비아 전극의 돌출을 방지하고 비아 홀 주변의 기공 형성을 억제할 수 있는 미소결 다층 세라믹 기판 및 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유리-세라믹을 이용한 다층 세라믹 기판은 3차원 구조의 층간 회로 구현이 가능하므로, 높은 설계 유연성을 가지고 있다. 최근 소형화, 고기능화 되는 고주파 부품 시장에서 다층 세라믹 기판의 활용도는 점차 높아지고 있다. 이러한 요구에 따라 다층 세라믹 기판의 구조가 복합화, 정밀화되면서 내부 패턴 및 비아 구조의 설계 마진이 점차 감소함에 따라, 다층 세라믹 기판의 횡방향 수축을 억제하는 무수축 소성 공정이 요구되었다.
이를 위해서, 미소결 세라믹 적층체의 일면 또는 양면에 세라믹 기판 재료의 소성 온도에서는 소성되지 않는 난소결성 소재의 가용성 그린 시트를 접합하여 x-y 방향 수축을 억제하는 방법이 주로 사용되고 있다.
그러나, 이러한 무수축 공정 방법에 있어서, 복수 매의 세라믹 그린 시트(ceramic green sheet)를 적층하여 제조되는 다층 세라믹 기판에서는 각 층간 회로의 전기적 연결을 위해 다수의 비아 홀을 형성하고, 그 내부를 도전성 전극 물질로 충전하고 있다.
이때 비아 전극은 도전성 금속 분말, 유기 바인더 및 용매로 구성되기 때문에 소성 과정에서 그 부피가 수축하게 된다. 도전성 금속 분말은 세라믹에 비해 부피 수축이 크기 때문에 소성 전 상태에서 비아 홀에 도전성 전극 물질이 부피 상 100% 채워졌다고 해도, 소성 수축율 차이로 인해 비아 홀과 비아 전극이 분리되어 비아 홀 내부에 거대한 기공이 발생하게 된다.
특히, 무수축 소성에서는 미소결 세라믹 적층체에 대한 수축억제용 그린 시트의 수축 억제 효과가 낮아 주면 방향으로 수축하게 되고 그만큼 두께 방향의 수축은 덜 되게 된다. 그 결과, 소성 후 비아 전극의 높이가 비아 홀보다 높아져 외부로 돌출되면서 동시에 비아 홀 주변에 기공이 발생하게 된다.
이처럼 소성 후 발생되는 비아홀 주변의 기공을 방지하기 위해 그린 상태의 비아 홀의 부피를 넘는 과도한 양의 도전성 전극 물질로 비아 홀을 채우게 되면 적층 과정 또는 가압 과정 중에 비아 홀에 충전되지 못한 도전성 전극 물질이 비아 홀 입구 주변으로 번지게 되고, 이로 인해 기판의 층간 쇼트가 발생되거나 층의 박 리현상 등의 불량을 야기하여 제품의 수율이 떨어지게 된다.
도 1은 종래 방식에 따른 무수축 다층 세라믹 기판 제조시, 무수축 소성 후 발생하는 비아 전극의 결함 유형을 나타낸 단면도이다. 여기서, 미소결 다층 세라믹 기판은, 세라믹 그린 시트에 펀칭 등을 이용해 비아 홀을 형성하고 스크린 인쇄 등의 방법으로 도전성 전극 페이스트를 채워 넣은 후, 이러한 세라믹 그린 시트를 복수 개 적층한 후 열압착하여 제작될 수 있다. 이때 미소결 다층 세라믹 기판의 양면에 난소결성 분말로 이루어진 수축억제용 그린 시트를 접합하여 무수축 소성함으로써 다층 세라믹 기판이 제작된다.
여기서, 무수축 소성시, 세라믹 그린 시트에 비아 홀이 형성된 부분은 세라믹 그린 시트의 연속성이 끊어지고 수축억제용 그린 시트와 맞닿는 물질이 저온동시소성 세라믹 재료가 아닌, 도전성 전극 페이스트로 채워진 비아 전극이므로, 수축억제용 그린시트에 의한 구속력은 세라믹 그린 시트와 맞닿은 쪽보다 비아 전극이 채워진 비아 홀 및 그 주변에서 더 약해진다. 그 결과, 소성 후에는 주면 방향 수축 거동의 차이에 의해서 비아 홀 주변에 결함이 발생하게 된다.
따라서, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 비아 홀에 채워진 도전성 전극 페이스트는 바인더와 각종 용제의 부피가 50% 이상을 차지하고 있기 때문에, 소성 과정에서 바인더 및 각종 용제가 제거되어, 비아 전극은 소성 후에 세라믹 그린시트보다 더 많이 수축하게 되어 소성 후 비아 홀의 일부가 기공(A)으로 남게 된다. 이에 더불어, 비아 홀 내의 비아 전극이 수축억제용 그린시트에 의한 구속력을 강하게 받지 못하여 주면 방향으로 수축하기 때문에 비아 홀 내에 거대한 기공(A)이 발 생하게 된다. 동시에, 비아 전극이 주변 방향으로 수축한 만큼 두께 방향으로의 수축이 덜 되기 때문에 소성 후에 상대적으로 다층 세라믹 기판보다 두께가 두꺼워져서 기판 위로 비아 전극이 돌출(B)되는 불량이 발생한다.
그리고, 다른 유형으로는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 비아 홀 내에 비아 전극의 수축을 억제하는 난소결성 분말을 첨가하여 비아 전극의 부피 수축 자체를 억제함으로써 비아 전극의 수축에 의한 기공의 발생을 방지할 수 있으나, 난소결성 분말에 의해 비아 전극의 수축이 억제되기 때문에 도전성 전극 페이스트에 첨가된 유기 바인더 및 용매에 의해 비아 전극 자체가 치밀하지 못한 단점(C)이 있다.
그리고, 또 다른 유형으로는, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이, 비아 홀 내부에 기공이 발생하는 것을 개선하기 위해 도전성 전극 페이스트 내의 금속 분말 함량을 높혔으나, 금속 분말의 함량을 과도하게 높일 경우에는 유기 바인더의 함량이 지나치게 낮아져서 인쇄성이 저하되는 한계가 있다. 따라서, 비아 홀에 도전성 전극 페이스트가 덜 충진된 상태(D)로 소결되는 문제점이 있다.
상기한 종래 기술 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 목적은, 무수축 소성을 통한 다층 세라믹 기판의 제조시, 고밀도의 막을 형성할 수 있는 에어로졸 증착법을 이용하여 비아 홀 내부에 치밀한 비아 전극을 형성함으로써 무수축 소성 후 비아 전극의 수축에 의한 비아 홀 내부의 기공 형성을 방지하고 비아 전극의 돌출을 억제할 수 있는 구조의 미소결 다층 세라믹 기판 및 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일측면에 따른 미소결 다층 세라믹 기판은, 적어도 하나 이상의 비아 홀이 형성된 세라믹 그린 시트와, 상기 세라믹 그린 시트의 일면에 형성된 고분자 수지층과, 상기 고분자 수지층에 의해 지지되며 비아 홀 내부에 도전성 금속 분말로 형성된 비아 전극으로 이루어진 세라믹 적층체; 및 상기 세라믹 적층체의 일면 또는 양면에 배치된 수축억제용 그린 시트;를 포함하며, 상기 비아 전극은 상기 비아 홀의 높이보다 낮은 높이까지만 형성된다.
이때, 상기 비아 전극의 높이는 상기 세라믹 적층체의 수축 정도를 고려하여 비아 홀의 높이 대비 50 ~ 60%이며, 상기 도전성 금속 분말은 Ag, Cu, Ni, Au 및 AgPd 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고분자 수지층은 상기 세라믹 적층체가 소결되는 온도 이하에서 분해되어 제거되는 열가소성 고분자로 이루어지며, 상기 열가소성 고분자는 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride) 등의 비닐계 수지, 메틸 셀룰로우즈(Methyl cellulose), 에틸 셀룰로오즈(ethylcellulose), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(Hydroxyethyl cellulose) 등의 셀룰로우즈계 수지, 폴리아크릴 에스테르(pllyacrylate esters), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate:PMMA) 등의 아크릴계 수지로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 수지인 것이 바람직하다.
또한, 상기 수축억제용 그린 시트는 상기 세라믹 적층체가 소결되는 온도보다 높은 소결온도를 갖는 난소결성 분말로 구성되며, 상기 난소결성 분말은 알루미나(Al2O3), 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 복수의 세라믹 그린 시트 중 일부 세라믹 그린 시트에 적어도 하나 이상의 비아 홀 및 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 비아 홀이 형성된 세라믹 그린 시트의 일면에 고분자 수지층을 접합하는 단계; 상기 고분자 수지층 중 상기 비아 홀에 의해 노출된 영역에 에어로졸 증착법을 이용하여 상기 비아 홀의 높이보다 낮은 높이로 비아 전극을 형성하는 단계; 상기 세라믹 그린 시트들을 적층하여 세라믹 적층체를 형성 하는 단계; 상기 세라믹 적층체의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 수축억제용 그린 시트를 접합하여 미소결 다층 세라믹 기판을 형성하는 단계; 및 상기 미소결 다층 세라믹 기판을 소결하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 비아 전극을 형성하는 단계는, 에어로졸 증착법에 의한 도전성 금속 분말의 고속 분사를 통해 상기 도전성 금속 분말로만 이루어진 치밀한 비아 전극을 형성하는 단계이며, 상기 도전성 금속 분말은 Ag, Cu, Ni, Au 및 AgPd 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비아 전극층을 형성하는 단계는, 상기 도전성 분말을 분사하기 전에, 상기 고분자 수지층 중 상기 비아 홀에 의해 노출된 영역만 개방되도록 패턴 마스크를 배치시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 비아 전극의 높이는 상기 세라믹 그린 시트의 수축율에 의해 결정되며, 상기 비아 전극의 높이는 상기 세라믹 그린 시트의 수축율을 고려하여 소결된 세라믹 그린 시트에 해당하는 높이인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고분자 수지층은 상기 세라믹 그린 시트가 소결되는 온도 이하에서 분해되어 제거되는 열가소성 고분자로 이루어지며, 상기 열가소성 고분자는 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride) 등의 비닐계 수지, 메틸 셀룰로우즈(Methyl cellulose), 에틸 셀룰로오즈(ethylcellulose), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(Hydroxyethyl cellulose) 등의 셀룰로우즈계 수지, 폴리아크릴 에스테르(pllyacrylate esters), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate:PMMA) 등의 아크릴계 수지로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 수지인 것이 바람직하다.
또한, 소결된 다층 세라믹 기판으로부터 상기 수축억제용 그린 시트들의 결과물을 제거하는 단계;를 더 포함하며, 상기 소결된 다층 세라믹 기판으로부터 상기 수축억제용 그린 시트들의 결과물을 제거하는 단계는, 래핑, 샌드 블러스팅, 수세 및 고압 분무 중 어느 하나에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수축억제용 그린 시트는 상기 세라믹 적층체가 소결되는 온도보다 높은 소결온도를 가지는 난소결성 분말로 이루어지며, 상기 난소결성 분말이며, 상기 난소결성 분말은 알루미나(Al2O3), 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 무수축 소성시, 세라믹 그린 시트에 형성된 비아 홀 내부에 에어로졸 증착법을 이용해 난소결성 고상 분말을 치밀하게 충진시킴으로써, 소성 후 비아 전극의 수축이 거의 없어 비아 전극의 주면 방향의 수축으로 인한 비아홀 내의 기공 발생과 비아 전극 돌출 불량을 방지함으로써 비아 충진에서 야기되는 층간 쇼트 혹은 오픈 불량을 방지하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명에 이용되는 에어로졸 증착법은 미세한 고상 분말을 기판에 분사하여 고상 분말과 기판 간의 충돌 에너지에 의해 기판 상에 치밀한 고밀도의 박막을 형성하는 방법이다.
구체적인 에어로졸 증착법을 설명하면, 운송 가스가 고상 분말이 담긴 에어로졸 챔버로 유입되고 에어로졸 챔버 내에 부유하는 미세한 고상 분말을 운송 가스에 실어서 진공 상태의 증착실 내에 있는 기판으로 노즐을 통하여 분사한다. 분사된 미세한 고상 분말과 기판 간의 충돌 에너지에 의해 기판 상에 고밀도의 막이 형성된다.
이때, 에어로졸 증착법에 의하면, 막 형성 속도가 기존 박막 프로세스보다 월등히 빠른 분당 수 ㎛ 에 달하므로 서브 마이크론 두께에서 수십 마이크론 두께까지 막 형성 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
특히, 분사된 입자의 속도가 초당 수백 미터에 이르는 고속으로서, 미세한 고상 분말이 그에 해당하는 운동에너지를 가지고 기판과 충돌하게 되므로 기판과 막의 접점에서 매우 강한 결합을 형성할 수 있으며, 기판의 형태와 성막 위치에 구 애받지 않고 원하는 위치에 고르게 막을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 에어로졸 증착법을 이용하여 바인더나 용매를 사용하지 않고 도전성 금속 분말만으로 비아 홀 내부를 충진하여 비아 전극을 형성함으로써, 충진시 강한 충돌 에너지에 의해 소성 전에 이미 기공이 거의 없이 치밀한 상태의 비아 전극이 형성되어, 소성 시 부피 수축이 거의 없는 자체적으로 무수축 소성에 가까운 거동을 통해 소성 후에도 비아 홀에 완전하게 충진된 비아 전극을 형성할 수 있도록 한다. 이때, 본 발명은 다층 세라믹 기판의 수축율을 계산하여 비아 전극의 충진 높이를 결정하므로 소성 후에 기판 높이와 비아 전극의 높이가 동일하게 되어 비아 전극의 돌출에 의한 결함이 발생하지 않도록 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 미소결 다층 세라믹 기판은, 적어도 하나 이상의 비아 홀이 형성된 세라믹 그린 시트와, 상기 세라믹 그린 시트의 일면에 형성된 고분자 수지층과, 상기 고분자 수지층에 의해 지지되며 비아 홀 내부에 도전성 금속 분말로 형성된 비아 전극으로 이루어진 세라믹 적층체; 및 상기 세라믹 적층체의 일면 또는 양면에 배치된 수축억제용 그린 시트;를 포함하며, 상기 비아 전극은 상기 비아 홀의 높이보다 낮은 높이까지만 형성된다.
도 2는 본 발명의 일실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조공정 중 비아 홀이 형성된 미소결 다층 세라믹 기판을 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 미소결 다층 세라믹 기판은 비아 홀(203) 및 전극 패턴(미도시)이 형성된 세라믹 그린 시트(201)가 복수 매 적층되어 형성된 세라믹 적층체(210)와, 세라믹 적층체(210)의 무수축 소성을 위한 수축억제용 그린시트(230)로 구성된다. 그리고, 미소결 다층 세라믹 기판은 비아 홀(203)의 내부를 충진하고 있는 도전성 금속 분말(207)을 지지하는 고분자 수지층(205)을 세라믹 그린 시트(201) 사이에 구비한다.
여기서, 비아 홀(203)은 에어로졸 증착법에 의해 바인더나 용매를 사용하지 않고 도전성 금속 분말(207)만으로 채워진다. 그리고, 무수축 소성시, 기판은 주면 방향으로 거의 수축하지 않고, 두께 방향으로만 수축하기 때문에, 소성 후 기판의 두께는 소성 전 대비 약 40 내지 50% 정도 줄어들게 된다. 따라서, 도전성 금속 분말(207)은 기판과 함께 수축하는 비아 홀의 높이를 고려하여 소성 전 비아 홀의 전체 높이 대비 약 50 내지 60 % 만큼 비아 홀 내부에 채워지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법은, 복수의 세라믹 그린 시트 중 일부 세라믹 그린 시트에 적어도 하나 이상의 비아 홀 및 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 비아 홀이 형성된 세라믹 그린 시트의 일면에 고분자 수지층을 접합하는 단계; 상기 고분자 수지층 중 상기 비아 홀에 의해 노출된 영역에 에어로졸 증착법을 이용하여 상기 비아 홀의 높이보다 낮은 높이로 비아 전극을 형성하는 단계; 상기 세라믹 그린 시트들을 적층하여 세라믹 적층체를 형성하는 단계; 상기 세라믹 적층체의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 수축억제용 그린 시트를 접합하여 미소결 다층 세라믹 기판을 형성하는 단계; 및 상기 미소결 다층 세라믹 기판을 소결하는 단계;를 포함한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 복수 매의 세라믹 그린 시트(201)에 비아 홀(203) 및 전극 패턴(미도시)을 형성한다. 여기서, 세라믹 그린 시트(201)는 아래와 같은 제조 과정을 거쳐 제조된다. 먼저, 유리-세라믹 분말에 소정의 수지, 분산제 및 혼합용매를 첨가한다. 분산제를 소정량 첨가함으로써 유리-세라믹 분말을 분산시킬 수 있다. 그리고, 수지로는 아크릴계 수지가 사용될 수 있으며, 혼합용매로는 톨루엔과 에탄올이 사용될 수 있다.
이러한 혼합액은 볼밀을 이용한 분산, 슬러리화, 여과 및 탈포 공정 등을 거치고, 닥터 블레이드법을 이용해 원하는 두께의 세라믹 그린 시트로 성형된다. 세라믹 그린 시트를 일정 크기로 재단하고, 원하는 비아 홀 및 전극 패턴과 같은 인쇄회로패턴을 형성한다.
그런 다음, 비아 홀(203)이 형성된 세라믹 그린 시트(201)에 고분자 수지층(205)을 접합한다. 이 고분자 수지층(205)는 비아 홀(203) 내에 도전성 금속 분말(207)을 분사하여 충진시킬 수 있도록 도전성 금속 분말(207)을 지지하는 층이다.
이러한 고분자 수지층(205)은 열가소성 고분자를 용매에 녹인 용액을 캐리어 필름 위에 코팅하여 형성한다. 열가소성 고분자로는 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride) 등의 비닐계 수지, 메틸 셀룰로우즈(Methyl cellulose), 에틸 셀룰로오즈(ethylcellulose), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(Hydroxyethyl cellulose) 등의 셀룰로우즈계 수지, 폴리아크릴 에스테르(pllyacrylate esters), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate:PMMA) 등의 아크릴계 수지로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 수지가 될 수 있다. 그 밖에 수용성(Aqueous) 결합제 수지 또는 기타 세라믹 그린 시트로 이루어진 부품의 프로세싱에 사용 가능한 모든 상용 결합제 수지가 사용 가능하다.
그 다음으로, 고분자 수지층(205)이 접합된 세라믹 그린 시트(201)의 비아 홀(203) 내부에 에어로졸 증착법을 이용하여 도전성 금속 분말(207)을 충진한다. 이로써 고분자 수지층(205)에 의해 지지된 비아 전극이 형성된다. 이때, 비아 홀(203) 내부에 충진된 도전성 금속 분말(207)은 Ag, Cu, Ni, Au 및 AgPd 등을 포함하는 그룹 중 하나 일 수 있으며, 이에 한정되는 것이 아니라 통상적인 세라믹 패키지에 적용할 수 있는 금속이면 모두 가능하다.
여기서, 비아 홀(203) 내부에 충진되는 도전성 금속 분말(207)의 높이는 설계 및 증착 조건에 따라 자유롭게 제어될 수 있으며, 무수축 소성시 세라믹 기판의 두께가 40 내지 50 % 정도 감소하는 것을 고려하여 비아 홀(203) 전체 높이 대비 약 50 ~ 60% 가 바람직하다. 그리고, 무수축 소성 기판의 수축율은 사전 실험을 통해 정확히 측정될 수 있으며, 이에 따라 도전성 금속 분말의 비아 홀 충진 높이는 정밀하게 제어될 수 있다.
한편, 비아 홀 내부에 도전성 금속 분말을 충진시 비아 홀 이외의 부분에 도전성 금속 분말이 분사되는 것을 방지하도록 세라믹 그린 시트(201)상에 패턴 마스크(미도시)를 사용할 수도 있다.
따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 도전성 금속 분말(207)이 충진된 비아 홀(203)과 전극 패턴(미도시)이 형성된 세라믹 그린 시트(201)를 복수 매 적층한 후 가열 압착하여 세라믹 적층체(210)를 형성한다.
그런 다음, 도 5에 도시한 바와 같이, 세라믹 적층체(201)의 일면 또는 양면에 주면 방향으로의 수축을 억제하기 위한 수축억제용 그린 시트(230)를 접합한다. 수축억제용 그린 시트(230)는 통상적인 LTCC의 소성 온도인 900 ℃ 이하에서 소결되지 않는 난소결성 분말로 이루어진 가용성 세라믹 그린 시트이며, 상기 수축억제용 그린 시트는 상기 세라믹 적층체가 소결되는 온도보다 높은 소결온도를 가지는 난소결성 분말로 이루어지며, 난소결성 분말은 알루미나(Al2O3), 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나일 수 있다.
이처럼 수축억제용 그린 시트(230)가 형성된 미소결 다층 세라믹 기판을 870 ℃의 소성 온도에서 한 시간 동안 소결한다. 이때, 수축억제용 그린시트(230)에 의해 세라믹 적층체(210)의 상부와 하부가 전체적으로 구속되고, 세라믹 적층체(210) 내의 비아 홀(203)은 치밀하게 형성된 도전성 금속 분말(207)에 의해 수축이 거의 없는 비아 전극을 형성한다.
그리고, 소성 과정에서 세라믹 적층체(210) 내의 고분자 수지층(205)은 가소 온도인 400 내지 500 ℃ 에서 모두 분해되어 기화되고, 세라믹 그린 시트(201)만 남아 치밀화된다.
또한, 세라믹 적층체(210)가 두께 방향으로 수축하는 반면, 비아 홀(203) 내부에 충진된 도전성 금속 분말(207)은 에어로졸 증착법에 의해 소성 전에 이미 치밀하게 충진된 상태로 형성되어 있으므로 소성시 부피 수축이 거의 없다. 그러므로, 세라믹 적층체(210)가 비아 홀(203)에 충진된 도전성 금속 분말(207)의 높이까지 수축하게 된다.
따라서 도 6에 도시한 바와 같이, 소성 후 세라믹 소결체(270)와 비아 홀(250)의 계면에 있어서, 비아 전극의 수축이 거의 없어 비아 홀(250) 내부에 기공이 발생하지 않을 뿐만 아니라 비아 전극이 돌출되지 않은 다층 세라믹 기판(200)이 완성된다.
아래와 같이, 본 발명의 조건에 해당하는 에어로졸 증착법을 이용해 도전성 금속 분말을 분사하여 비아 홀 내부를 충진하고, 수축억제용 그린시트를 세라믹 적층체의 양면에 접한한 후, 소성공정을 실시하여 무수축 다층 세라믹 기판을 제조하였다.
[세라믹 적층체의 제조]
먼저 다층 세라믹 기판을 구성하는 저유전율 세라믹 그린 시트의 제조를 위해, 유리-세라믹 분말 100%에 대하여 아크릴계 바인더를 15 wt%, 분산제를 0.5 wt% 첨가하고 톨루엔과 에탄올의 혼합용매를 첨가한 후 볼밀을 이용하여 분산시켰다.
이렇게 얻은 슬러리를 필터로 거른 후 탈포하고, 닥터 블레이드법을 이용하여 100 ㎛ 두께의 세라믹 그린시트를 성형하였다. 그런 다음, 세라믹 그린시트를 일정 크기로 재단한 후, 펀칭하여 지름 120 ㎛ 인 비아 홀을 형성하였다.
형성된 비아 홀 내에 도전성 금속 분말을 충진시키기 위해 고분자 수지층을 세라믹 그린 시트의 일면에 접합하였다. 그런 다음, 에어로졸 증착법을 이용하여 비아 홀 내에 도전성 금속 분말을, 세라믹 그린 시트의 수축율을 고려하여 비아 홀의 일정 높이까지만 충진시켰다. 그런 다음으로, 비아 홀 및 전극 패턴이 형성된 세라믹 그린 시트를 복수 개 적층한 후 가열 압착하여 일체화된 세라믹 적층체를 제조하였다.
[세라믹 적층체와 수축억제용 그린 시트의 접합]
세라믹 적층체의 양면에, 세라믹 적층체와 동일한 면적으로 재단한 200 ㎛ 두께의 수축억제용 그린 시트를 접합하였다. 그런 다음, 열압착하여 일체화된 미소결 다층 세라믹 기판을 제조하였다. 이 수축억제용 그린 시트는 세라믹 적층체 양면에 접합되어 소성 과정에서 세라믹 적층체가 주면 방향으로 수축하는 것을 억제한다.
[소결]
세라믹 적층체의 양면에 수축억제용 그린 시트가 접합된 미소결 다층 세라믹 기판을 870 ℃의 소성 온도에서 한 시간 동안 소결하였다. 이와 같이 얻어진 소결체로부터 수축억제용 그린 시트를 제거하였다. 즉, 미소결 다층 세라믹 기판의 소결 후 소결체 양면의 수축억제용 그린 시트는 소결되지 않은 상태로 남아있다. 따라서, 이를 수세나 초음파 세척, 샌드 블러스팅 및 고압 분무 등에 의해 소결체 표면으로부터 제거하였다.
결과적으로, 본 발명에서 의도한 바와 같이, 수축억제용 그린 시트에 의해 세라믹 적층체의 상부와 하부가 전체적으로 구속되고, 또한 에어로졸 증착법에 의해 바인더나 용매없이 도전성 금속 분말만으로 충진된 비아 전극은 소성전에 이미 기공이 거의 없이 치밀화된 상태이므로 소성 과정에서 거의 수축하지 않아 비아 홀 내부에 완전하게 충진된 비아 전극을 형성하게 되고, 또한, 비안 전극은 세라믹 그린 시트의 수축율을 고려하여 일정 높이까지만 충진됨으로써 소성 후 비아홀 내부에 기공이 발생하지 않고 비아 전극이 돌출되지 않은 다층 세라믹 기판이 완성된다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래 방식에 따른 무수축 다층 세라믹 기판 제조시, 무수축 소성 후 발생하는 비아 전극의 결함 유형을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조공정 중 비아 홀이 형성된 미소결 다층 세라믹 기판을 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.

Claims (19)

  1. 적어도 하나 이상의 비아 홀이 형성된 세라믹 그린 시트와, 상기 세라믹 그린 시트의 일면에 형성된 고분자 수지층과, 상기 고분자 수지층에 의해 지지되며 비아 홀 내부에 도전성 금속 분말로 형성된 비아 전극으로 이루어진 세라믹 적층체; 및
    상기 세라믹 적층체의 일면 또는 양면에 배치된 수축억제용 그린 시트;를 포함하며,
    상기 비아 전극은 상기 비아 홀의 높이보다 낮은 높이까지만 형성되는 것을 특징으로 하는 미소결 다층 세라믹 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비아 전극의 높이는 상기 세라믹 적층체의 수축 정도를 고려하여 비아 홀의 높이 대비 50 ~ 60%인 것을 특징으로 하는 미소결 다층 세라믹 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 금속 분말은 Ag, Cu, Ni, Au 및 AgPd 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미소결 다층 세라믹 기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지층은 상기 세라믹 적층체가 소결되는 온도 이하에서 분해되어 제거되는 열가소성 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 미소결 다층 세라믹 기판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자는 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride) 등의 비닐계 수지, 메틸 셀룰로우즈(Methyl cellulose), 에틸 셀룰로오즈(ethylcellulose), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(Hydroxyethyl cellulose) 등의 셀룰로우즈계 수지, 폴리아크릴 에스테르(pllyacrylate esters), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate:PMMA) 등의 아크릴계 수지로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 미소결 다층 세라믹 기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수축억제용 그린 시트는 상기 세라믹 적층체가 소결되는 온도보다 높은 소결온도를 갖는 난소결성 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미소결 다층 세라믹 기판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 난소결성 분말은 알루미나(Al2O3), 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판.
  8. 복수의 세라믹 그린 시트 중 일부 세라믹 그린 시트에 적어도 하나 이상의 비아 홀 및 전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 비아 홀이 형성된 세라믹 그린 시트의 일면에 고분자 수지층을 접합하는 단계;
    상기 고분자 수지층 중 상기 비아 홀에 의해 노출된 영역에 에어로졸 증착법을 이용하여 상기 비아 홀의 높이보다 낮은 높이로 비아 전극을 형성하는 단계;
    상기 세라믹 그린 시트들을 적층하여 세라믹 적층체를 형성하는 단계;
    상기 세라믹 적층체의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 수축억제용 그린 시트를 접합하여 미소결 다층 세라믹 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 미소결 다층 세라믹 기판을 소결하는 단계;를 포함하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비아 전극을 형성하는 단계는, 에어로졸 증착법에 의한 도전성 금속 분말의 고속 분사를 통해 상기 도전성 금속 분말로만 이루어진 치밀한 비아 전극을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비아 전극층을 형성하는 단계는, 상기 도전성 분말을 분사하기 전에, 상기 고분자 수지층 중 상기 비아 홀에 의해 노출된 영역만 개방되도록 패턴 마스크를 배치시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 도전성 금속 분말은 Ag, Cu, Ni, Au 및 AgPd 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 비아 전극의 높이는 상기 세라믹 그린 시트의 수축율에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 비아 전극의 높이는 상기 세라믹 그린 시트의 수축율을 고려하여 소결된 세라믹 그린 시트에 해당하는 높이인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 고분자 수지층은 상기 세라믹 그린 시트가 소결되는 온도 이하에서 분해되어 제거되는 열가소성 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자는 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride) 등의 비닐계 수지, 메틸 셀룰로우즈(Methyl cellulose), 에틸 셀룰로오즈(ethylcellulose), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(Hydroxyethyl cellulose) 등의 셀룰로우즈계 수지, 폴리아크릴 에스테르(pllyacrylate esters), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate:PMMA) 등의 아크릴계 수지로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    소결된 다층 세라믹 기판으로부터 상기 수축억제용 그린 시트들을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 소결된 다층 세라믹 기판으로부터 상기 수축억제용 그린 시트들을 제거하는 단계는, 래핑, 샌드 블러스팅, 수세 및 고압 분무 중 어느 하나에 의해 수행 되는 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  18. 제8항에 있어서,
    상기 수축억제용 그린 시트는 상기 세라믹 적층체가 소결되는 온도보다 높은 소결온도를 갖는 난소결성 분말로 이루어진 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 난소결성 분말은 알루미나(Al2O3), 이산화세륨(CeO2), 아연화(ZnO2), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO) 및 질화붕소(BN) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무수축 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
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