KR20190106572A - 세라믹 적층체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

적층형 기판을 소성 수축하는 경우 수축률의 차이에 의해 기판이 휘는 것을 방지할 수 있는 세라믹 적층체의 제조방법이 개시된다. 상기 방법에 의하면, 지지대 위에 놓인 메쉬 위에 세라믹 적층체를 뒤집어서 안착한 다음 프레스로 일정 압력을 가하여 지그에 의해 기판의 최하부 그린 시트의 표면에 요철을 형성한다.

Description

세라믹 적층체 및 그 제조방법{Ceramic stacked member and Method for making the same}

본 발명은 세라믹 적층체에 관한 것으로, 특히 적층형 기판을 소성 수축하는 경우 수축률의 차이에 의해 기판이 휘는 것을 방지할 수 있는 기술에 관련한다.

종래의 세라믹 기판은 한 겹으로 되어 있어서 회로 기판으로 사용할 경우 표면층에 금속 도체 패턴을 인쇄하여 회로를 구현하는 경우가 많았다.

하지만, 최근에는 소형화된 무선통신기기의 급속한 발전으로 부품 면적을 줄이려고 다층으로 회로를 구현하기 위한 노력을 하고 있다. 예를 들어, 세라믹 그린시트를 여러 겹으로 쌓으면서 중간에 층간 전기적 접속을 위해 홀에 금속을 채워 넣는 비어 홀을 포함하는 적층 구조체를 이용하여 세라믹 적층형 회로기판을 제조하거나, 단순한 금속 도체 패턴만으로 전극을 형성하여 여러 겹으로 쌓는 커패시터 소자, 인덕터 소자, 저항 소자, 또는 압전 소자 등과 같은 수동소자를 제조할 수 있다.

이러한 세라믹 적층형 소자는 금속 도체 패턴과 세라믹이 동시에 소성되어야 하는데, 소성 수축 후 휨 변형이 없도록 하는 기술이 연구 개발되고 있다. 이러한 동시 소성 세라믹 기술은 금속 전극을 중간에 삽입한 적층 세라믹 공정 기술로 800℃에서 1400℃ 사이의 온도에서 제품을 제조한다.

종래 세라믹 적층형 기판은 여러 겹의 세라믹 그린시트를 프레스를 이용한 압착방식으로 각 층을 접합시켜서 적층되는 적층 구조물로 형성된다.

도 1은 종래의 세라믹 적층형 기판 공정에 사용하는 세라믹 기판을 나타내고, 도 2는 프레스를 이용한 압착 방식으로 적층 구조물을 제조하는 공정을 개략적으로 보여준다.

세라믹 기판(10)은, 세라믹 그린시트(11), 금속 패턴(12), 비어 홀(13), 및 이형지(14)로 구성되며, 도 2와 같이, 지지대(20) 위에 하나의 세라믹 기판(10)을 놓고 프레스(30)를 이용하여 압착한 후 이형지(14)를 박리시킨다.

이후, 상기의 과정을 반복하여 다수의 세라믹 기판(10)을 차례대로 적층하여 적층 구조물을 형성한다.

각각의 세라믹 그린시트(11)에는 금속 패턴(12)과 비어 홀(13)이 형성되는데, 금속 패턴(12)은, 은, 팔라듐이나 은-팔라듐 합금, 니켈, 구리, 텅스텐, 또는 몰리브덴 등으로 이루어지는 것으로 적층형 수동소자인 저항 소자, 커패시터 소자, 인덕터 소자 등을 형성할 수 있다.

상기의 적층 과정에서, 각각의 세라믹 기판(10)은 서로 다른 압착력을 받게 되는데, 최하층의 세라믹 기판은 적층되는 수만큼의 압력을 받게 되고 최상층의 세라믹 기판은 단지 1회만 압착력을 받게 되어, 최하층의 세라믹 기판은 그린시트의 밀도가 점점 증가하는 반면, 최상층의 세라믹 기판은 그린시트의 밀도가 거의 증가하지 않는다.

도 3은 적층이 완성된 세라믹 적층형 기판에서 소성 수축시 발생하는 휨을 보여준다.

상기한 것처럼, 소성 수축 과정을 거친 단일의 세라믹 적층형 기판에서 최상층과 최하층은 밀도 차이가 생길 수밖에 없으며, 그 결과 도 3과 같이 밀도가 낮은 최하층이 밀도가 높은 최상층보다 많이 수축하게 되어 수직방향으로 오목한 휨 형태로 휨이 발생한다.

오목한 휨이 발생하게 되면 크랙 불량이 발생하거나, 차후 공정에서 회로기판에 장착시 불균일한 두께 편차로 인해 깨지고, 두께가 얇은 소형 전자부품 조립에서도 쉽게 깨지고 생산성이 저하되는 문제점이 생기게 된다.

특히, 휨의 발생 원인이 세라믹 기판이 열처리를 거치는 소결과정에서 최상층과 최하층의 수축률 차이로 인한 부정합이고, 프레스를 이용하여 압착을 하는 적층 공정에서는 최하층이 많은 압력을 받아 항상 밀도가 높은 상태로 유지되어 공정 조건을 변경하지 않는 한 밀도 차이를 제거할 수 없다.

이를 해결하기 위해서, 적층체의 표면에 그 적층체의 소성 온도에서는 소성되지 않는 미소성 세라믹층을 접착한 후 소성함으로써 적층체의 소성 수축에 의한 휨 변형을 미소성 세라믹층으로 구속하여 두께 방향으로만 수축시키고 미소성 세라믹층은 연마하여 깎아내는 방법이 사용될 수 있는데, 회로 기판의 길이 방향의 수축은 억제할 수 있지만 소성 종료 이후에는 미소성 세라믹층을 연마하여 깎아내는 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제가 있다.

국내 특허공개 2011-0028030에서는 미소성 세라믹층을 사용하는 대신에 적층체와 소성수축 개시온도가 서로 다른 온도 보상용 세라믹층을 상부층 혹은 하부층에 개재하여 휨 방지를 하고 있다.

그러나 소성 수축 개시온도가 다른 층을 개재할 경우 적층체의 세라믹 특성과 달라져 그 층에 회로를 형성할 수 없거나, 두께가 아주 얇은 적층 소자의 경우, 추가로 개재하기에 얇은 두께를 가지는 적층소자를 제조할 수 없게 되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 간단한 구조에 의해 소성수축시 휨을 개선할 수 있도록 하는 세라믹 적층체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 휨의 정도를 쉽게 제어할 수 있도록 하는 세라믹 적층체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 그린 시트가 다수 개 적층된 후 압력에 의해 압착된 후 소성에 의해 형성되고, 상기 그린 시트의 적층 순서를 기준으로 최상층의 그린 시트가 최하부에 위치하도록 뒤집힌 상태에서 상기 그린 시트의 표면에 오목한 부분과 볼록한 부분이 반복되는 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체에 의해 구현된다.

바람직하게, 그린 시트 중 적어도 어느 하나는 금속 패턴을 구비하거나, 금속 패턴과 비어 홀을 구비할 수 있다.

바람직하게, 상기 세라믹 적층체는 높이에 비해 폭과 길이가 클 수 있고, 세라믹 전자 부품 또는 기구적 보호 커버일 수 있다.

바람직하게, 상기 압력은 프레스, 액체 또는 기체에 의해 균일하게 제공될 수 있다.

바람직하게, 상기 그린 시트는 동일한 재료로 구성될 수 있다.

상기의 목적은, 지지대 위에 다수의 돌기를 구비한 지그를 놓는 단계; 적층이 완료된 그린 시트 적층체에서 적층 순서를 기준으로 최상부 그린 시트가 최하부에 위치하도록 뒤집는 단계; 상기 뒤집힌 적층체의 최하부에 위치한 그린 시트가 상기 지그에 접촉하도록 상기 적층체를 상기 지지대 위에 안착하는 단계; 및 상기 적층체의 상부로부터 일정 압력을 가하여 상기 지그에 의해 상기 적층체의 상기 최하부 그린 시트의 표면에 요철을 형성한 후 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체의 제조방법에 의해 구현된다.

바람직하게, 상기 지그는 메쉬(mesh), 돌기가 다수 개 돌출된 평판 또는 격자 구조체일 수 있고, 특히 상기 메쉬의 크기는 40 내지 250 mesh일 수 있다.

상기의 구성에 의하면, 세라믹 적층형 기판의 제조공정에서 발생되는 상부층과 하부층 간의 밀도 차이를 제거하여 소성 수축시 휨으로 인한 변형을 현저하게 개선할 수 있다.

또한, 종래의 세라믹 적층형 기판의 휨으로 인한 변형으로 인한 휨 부위만을 깍아내는 별도의 연삭 공정이 필요 없이 소성 수축시 휨으로 인한 변형을 억제할 수 있다.

또한, 별도의 온도 보상용 세라믹층을 개재하여 두께의 제한을 받지 않아, 최근에 요구되는 얇은 두께의 세라믹 회로기판을 제조할 수 있다.

도 1은 종래의 세라믹 적층형 기판 공정에 사용하는 세라믹 기판을 나타낸다.
도 2는 프레스를 이용한 압착 방식으로 적층 구조물을 제조하는 공정을 개략적으로 보여준다.
도 3은 적층이 완성된 세라믹 적층형 기판에서 소성 수축시 발생하는 휨을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 적층형 기판의 단면을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 적층형 기판의 제조방법을 나타낸다.
도 6은 도 5에 따른 공정도를 나타낸다.
도 7은 메쉬의 크기에 따른 소성 수축시 발생하는 휨을 보여준다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 적층체의 단면을 나타낸다.

세라믹 적층체(100)는, 종래와 같이, 한 면에 금속패턴(102)이 형성되고 내부에 금속패턴(102)과 전기적으로 연결되는 비어 홀(103)이 형성된 그린 시트(101a, ..., 101n)가 순서대로 다수 개 적층되고 프레스에 의해 압착되어 형성된다.

그린 시트(101a, ..., 101n)가 금속패턴(102)과 비어 홀(103)을 구비하는 것은 한 예이며, 이에 한정되지 않고 내부전극으로 사용되는 금속 패턴만 갖는 등 다른 구조를 가질 수 있음은 물론이다.

세라믹 적층체(100)는 높이에 비해 폭과 길이가 클 수 있고, 세라믹 전자 부품 또는 기구적 보호 커버일 수 있다.

이 실시 예에서, 세라믹 적층체(100)는 적층 순서로 볼 때 최상층에 위치한 그린 시트(101a)가 최하부에 위치하도록 뒤집힌 상태에서 그린 시트(101a)의 표면, 즉 노출면에 요철(110)이 형성된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 적층체의 제조방법을 나타내고, 도 6은 도 5에 따른 공정도를 나타낸다.

도 6(a)과 같이, 지지대(200) 위에 메쉬(mesh)(220)를 놓는다(단계 S51). 메쉬(220)의 크기는, 가령 40 내지 250 mesh 정도일 수 있으며, 메쉬(220)에 의해 형성되는 요철(110)의 크기에 따라 소성 수축률이 달라져 휨의 개선이 이루어질 수 있다.

이어, 도 6(b)과 같이, 적층이 완료된 세라믹 적층체(100)를 준비하여 메쉬(220)와 접촉하도록 지지대(200) 위에 안착한다(단계 S52).

이때, 세라믹 적층체(100)는 그린 시트(101a)로부터 그린 시트(101n)까지 순서대로 적층되는데, 적층이 완료된 시점에서의 최상층의 그린 시트(101n)가 최하부에 위치하도록 뒤집어서 안착한다.

세라믹 적층체(100)에 프레스(300)와 같은 기계장치나 물과 같은 액체 또는 기체를 이용하여 일정 압력을 인가하여, 도 6(c)과 같이, 세라믹 적층체(100)의 최하부 그린 시트(101n)의 표면에 요철(110)을 형성한다(단계 S53).

도 7은 메쉬의 크기에 따른 소성 수축시 발생하는 휨을 보여준다.

적층형 기판(100)에 요철(110)을 형성하기 위해 스테인리스 스틸로 제조된 메쉬(220)를 80, 120, 및 200 mesh의 크기별로 준비하였다.

여기서, 요철(110)은 오목한 부분과 볼록한 부분이 교대로 반복되는 구조를 말하며, 요철(110)의 단면 형상이나 평면 형상은 특별히 한정되지 않는다.

이어, 적층이 완료된 세라믹 적층체(100)를 뒤집어서 최상층의 그린 시트(101n)가 지지대(200) 위에 놓인 메쉬(220)와 접촉하도록 하였다.

따라서, 적층 과정에서 프레스의 압력을 가장 적게 받은 최상층의 그린 시트(101n)가 최하부에 위치하게 되고, 해당 그린 시트(101n)의 표면과 지지대(200) 사이에 메쉬(220)가 개재되는 형상이 된다.

이후, 메쉬(220)의 크기별로 각 세라믹 적층체(100)를 80㎏/㎠의 압력을 인가하여 최하부의 그린 시트(101n)의 표면에 요철(110)을 형성하였다.

이와 같이 메쉬(220)의 크기별로 세라믹 적층체(100)의 최하부의 그린 시트(101n)의 표면에 요철(110)을 형성한 상태에서 각 세라믹 적층체(100)에 대해 소성을 수행하였다.

그 결과, 도 7과 같이, 메쉬(220)의 크기에 따라 휨의 크기가 달라지는데, 구체적으로 메쉬(220)의 크기가 클수록 휨이 개선됨을 알 수 있다.

가령, 도 7(d)과 같이, 80 mesh를 사용한 경우, 휨으로 인한 변형은 줄어들어 완전히 평탄한 결과를 얻었다.

본 발명자에 의하면, 이러한 결과는 다음과 같은 이유에 의해 얻어진다고 판단된다.

도 4를 참조하면, 메쉬를 이용하여 세라믹 적층체(100)의 최하부의 그린 시트(101n)의 표면에 요철(110)을 형성하는 경우, 메쉬(220)가 세라믹 적층체(100)의 최하부의 그린 시트(101n)의 표면과 닿아 그린 시트(101n)의 안쪽으로 눌리는 부분(110a)에서 밀도가 높아지게 되어 최하부 그린 시트(101n)의 표면의 전체적인 평균 밀도가 높아진다.

여기서, 같은 압력이 가해질 경우, 메쉬(220)의 크기가 작을수록 세라믹 적층체의 표면에 형성되는 요철의 깊이가 얕아지기 때문에 메쉬(220)에 의해 눌리는 부분(110a)의 밀도도 낮아진다. 다시 말해, 메쉬(220)의 크기가 클수록 요철(110)의 깊이가 깊어지고, 메쉬(220)에 의해 눌리는 부분(110a)의 밀도가 높아져 최하부 그린 시트(101n)의 표면의 전체적인 평균 밀도가 높아지며, 그 결과, 도 7과 같이, 메쉬의 크기가 클수록 상대적으로 휨으로 인한 변형이 작아지게 된다.

이상에서 설명한 것처럼, 본 발명에서는 메쉬를 이용하여 세라믹 적층체의 밀도가 낮은 표면층에 요철을 형성시켜 줌으로써, 밀도가 높은 층과 밀도가 낮은 층의 차이를 제거함으로써, 세라믹 적층체의 소성 수축시 층간의 밀도 차이에 의해 생기는 휨으로 인한 변형을 억제 또는 방지할 수 있다.

상기의 실시 예에서는 요철을 형성하기 위해서 메쉬를 예로 들었지만, 이에 대응하는 구조를 갖는 지그가 적용될 수 있음은 물론이다. 가령, 메쉬 대신에 원뿔형(cone) 돌기가 다수 개 돌출된 평판 또는 격자 구조체 등이 적용될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 청구범위에 의해 해석되어야 한다.

100: 세라믹 적층체
101: 그린 시트
102: 금속패턴
103: 비어 홀
110: 요철

Claims (9)

1. 그린 시트가 다수 개 적층된 후 압력에 의해 압착된 후 소성에 의해 형성되는 세라믹 적층체로서,
   상기 그린 시트의 적층 순서를 기준으로 최상층의 그린 시트가 최하부에 위치하도록 뒤집힌 상태에서 상기 그린 시트의 표면에 오목한 부분과 볼록한 부분이 반복되는 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체.
2. 청구항 1에서,
   상기 그린 시트 중 적어도 어느 하나는 금속 패턴을 구비하거나, 금속 패턴과 비어 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체.
3. 청구항 1에서,
   상기 세라믹 적층체는 높이에 비해 폭과 길이가 큰 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체.
4. 청구항 1에서,
   상기 세라믹 적층체는 세라믹 전자 부품 또는 기구적 보호 커버인 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체.
5. 청구항 1에서,
   상기 압력은 프레스, 액체 또는 기체에 의해 균일하게 제공되는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체.
6. 청구항 1에서,
   상기 그린 시트는 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체.
7. 지지대 위에 다수의 돌기를 구비한 지그를 놓는 단계;
   적층이 완료된 그린 시트 적층체에서 적층 순서를 기준으로 최상부 그린 시트가 최하부에 위치하도록 뒤집는 단계;
   상기 뒤집힌 적층체의 최하부에 위치한 그린 시트가 상기 지그에 접촉하도록 상기 적층체를 상기 지지대 위에 안착하는 단계; 및
   상기 적층체의 상부로부터 일정 압력을 가하여 상기 지그에 의해 상기 적층체의 상기 최하부 그린 시트의 표면에 요철을 형성한 후 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체의 제조방법.
8. 청구항 7에서,
   상기 지그는 메쉬(mesh), 돌기가 다수 개 돌출된 평판 또는 격자 구조체인 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체의 제조방법.
9. 청구항 8에서,
   상기 메쉬의 크기는 40 내지 250 mesh인 것을 특징으로 하는 세라믹 적층체의 제조방법.
   

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