KR20210101847A - 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유리와 강도조절 및 유전특성 조절을 위해 첨가되는 성분으로 하는 유전체 세라믹 조성물, 및 이를 포함하는 유전체 세라믹 적층 부품 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 유전체 세라믹은 고강도, 유전율의 용이한 조절, 작은 유전손실, 안정한 공진 주파수 온도계수를 달성할 수 있으며, 저융점의 유리를 포함함으로써 875℃ 내지 900℃ 이하의 낮은 온도에서 전극 물질과의 동시소성(Co-Firing)이 가능하고, 우수한 품질계수를 갖기 때문에 마이크로파대역부터 60GHz에 이르는 주파수대역에서의 적층 통신부품 및 반도체 검사용 Probe Card 용 기판, 의료용 검출기 기판 등의 여러분야에 사용할 수 있다. 또한, 환경규제에 해당하는 중금속원소를 포함하지 않으므로 친환경 유전체 세라믹을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 LTCC용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 은, 금, 은/팔라듐, 은/백금 등의 높은 전기전도도를 갖는 금속전극과 동시소성하여 적층(Multilayer)형 소자 및 부품을 만들 수 있는 유전체 세라믹 조성물 및 이를 이용한 적층부품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
세라믹 소재는 일반적으로 금속재료에 비하여 강도와 고온 내열성, 내마멸성 및 내부식성 등과 같은 물리적 특성이 상대적으로 우수하여 예를 들면, 절삭공구나 자동차의 스파크 플러그, 실린더 라이너 등과 같이 고온용 기계부품에서 반도체 제조장비의 부품에 이르기까지 그 적용분야가 점차 확대되고 있다.
LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)란 저온동시소성세라믹을 일컫는 말로, 900도 이하의 온도에서 금속전극과 유전체 세라믹을 동시에 소성하여 제조하는 방법을 말한다.
정보 통신 산업의 비약적인 발전에 따라 전자 및 통신기기들의 소형경량화, 고기능화, 고특성화 및 기판의 고신뢰성등이 요구되면서 여기에 사용되는 수동소자들도 고적층화 또는 고기능화로의 진화를 거듭하고 있다. 이러한 진화의 기술 중 하나인 저온동시소성세라믹 (LTCC, Low Temperature Cofired Ceramics)은 수동소자의 집적화를 위한 최적의 해결책으로 각광받고 있다.
전자부품에 사용되는 세라믹 재료는 크게 유전체와 자성체로 나눌 수 있는 바, 특히 유전체를 사용하는 전자부품들에서 소형화에 대한 요구가 급증하고 있다.
대표적인 적층 부품으로는 강유전체를 이용한 멀티레이어 캐패시터(multilayer capacitor, MLCC)를 들 수 있으며, 이동통신용 단말기와 중계기 등에는 필터(filter), 커플러(coupler), 듀플렉서(duplexer) 등이 이용되고 있다.
한편 다량의 수동소자를 내장하고 반도체로 이루어진 능동소자를 탑재한 안테나 스위치 모듈(Antenna Switch Module), 프론트 엔드 모듈(Front End Module), 파워엠프 모듈 (Power Amplifier Module) 등도 활발하게 이용되고 있다.
이러한 적층 부품들은 여러 층의 유전체와 내부전극(inner electrode)으로 이루어져 있으며, 이들 부품을 제조하기 위해서는 유전체를 테입(tape)으로 만들고 그 위에 내부 도선에 해당하는 전극을 인쇄(printing)한 후 이들을 여러 층으로 적층하여 동시소결(co-firing)하는 과정을 거쳐야 한다. 따라서, 적층 소자에 사용되는 유전체는 응용에 적합한 유전특성을 가짐은 물론, 전극물질이 녹지 않는 온도범위(900℃이하)에서 금속물질과의 동시소성이 가능해야 한다. 이러한 저온동시소성유전체에 요구되는 유전특성으로는 전기적 특성이 우수한 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속을 회로전극으로 사용하여야 하므로 위의 금속의 융점보다 낮은 온도에서 치밀화가 완료되어야 하며, 사용조건에 따른 용이한 유전율 조절, 그리고 온도변화에 따른 공진주파수의 변화가 작아야 하는 것, 또한 사용환경에서의 기계적 강도가 커야 하며 제품구현 후 도금액등에 대한 무게감량이 적을것 등이 있다.
내부전극으로는 은, 구리, 니켈, 팔라듐, 백금, 금 및 이들의 합금이 사용되나, 이중 은(Ag) 전극은 가장 낮은 비저항(1.62*10-5Ω·cm)을 가지고 있어 소자의 손실을 최소화 시킬 수 있다. 그러나, 융점이 961℃로 소결온도가 950℃ 이상인 세라믹 유전체에는 사용할 수 없으며 비표면적이 큰 파우더 형태로 존재하기 때문에 그 융점은 더욱 낮아지므로 900℃이하의 소결온도를 갖는 세라믹 유전체가 요구된다.
이러한 적층소자용 유전체에 관한 선행발명들은 납이 포함된 붕규산염 유리와 알루미나를 혼합한 조성, BiNbO4에 CuO, V2O5를 첨가한 조성, (Mg,Ca)TiO3, (Zr,Sn)TiO4, BaO-TiO2-WO3에 유리를 첨가한 조성이 알려져 있다. 상기 조성물은 1000℃ 이하의 온도에서 소결이 가능하지만 기계적 강도가 떨어지고 전극과의 부합성이 떨어져 캠버를 유발하거나 도금공정중에 많은 무게 손실을 나타내는 단점이 있으며 저온에서의 유동성을 증대시키기 위해 첨가되는 PbO등은 국제적으로 통용되는 환경규제에 해당되므로 친환경성 유전체 재료가 필요하다.
그러므로 상기 조성물은 40GHz대역 이상의 고주파수에서 사용하는 부품이나 온도안정성이 요구되는 부품에는 사용할 수 없으며, 더욱이 신뢰성이 요청되는 기판이나 부품에 대해서는 생산현장에 투입하기 어려운 문제점 그리고 환경규제를 해당되는 단점들이 있다.
본 발명은 질화규소와 질화붕소를 주원료로 활용하여 실리콘과 열팽창계수가 유사한 고강도이면서 동시에 40GHz상 고주파 대역에서 사용할 수 있는 머시너블 세라믹을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹에 관한 것으로, 본 발명은 aCaO-bSiO2-cB2O3-dAl2O3 (상기 a, b, c, 및 d는 각각 하기 조건을 만족하는 실수임: 0.02≤a≤0.1, 0.4≤b≤0.7, 0.3≤c≤0.6, 및 0.01≤d≤0.1) 유리 100중량부, 및 상기 유리 100 중량부에 대하여 알루미나 5 내지 110 중량부를 포함하는 조성을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 조성에 CaTiO3 1.0 내지 20 중량부, SrTiO3 1-20 중량부, TiO2 1~20중량부, 및 CuO 0.1~5중량부로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명은 유기용매중에 제 1항 내지 2항중 어느 한항에 따른 유전체 세라믹 조성물 분말을 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 탈포한 후 테입 형상으로 성형하는 단계; 상기 성형된 테입에 875℃ 내지 900℃ 온도범위의 융점을 갖는 저융점 전극용 페이스트를 사용하여 내부전극을 인쇄하는 단계; 상기 내부전극이 인쇄된 테입을 적어도 두 개층 이상 적층하는 단계; 및 상기 적층된 테입을 소결로에서 875℃ 내지 900℃ 범위 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의하여 제조된 미세 가공이 가능한 세라믹에 의하면, 200 내지 500 MPa 범위의 굽힘 강도와, 2.0 ~ 5.0-6/℃ 범위의 열팽창계수를 지니는 우수한 기계적 특성을 지닌다. 이에 따라 고강도이면서 고정밀 미세가공이 가능하여 직경 40㎛의 홀(hole) 등과 같이 치수 정밀도가 요구되는 정밀기계 부품이나 전자 부품 등의 다양한 산업에 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 가공성 세라믹 복합체의 제조 공정도이다
도 2는 본 발명에 의한 가공성 세라믹 복합체의 실시예에 따른 제조과정에서 얻어진 과립 분말 상태를 현미경 사진으로 촬영하여 나타내 보인 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가공성 세라믹 복합체의 샘플을 촬영하여 사진으로 나타내 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가공성 세라믹 복합체의 굽힘 강도 측정을 위해 제작된 시편을 촬영하여 사진으로 나타내 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가공성 세라믹 복합체의 굽힘 강도(flexural strength)를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
도 2는 본 발명에 의한 가공성 세라믹 복합체의 실시예에 따른 제조과정에서 얻어진 과립 분말 상태를 현미경 사진으로 촬영하여 나타내 보인 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가공성 세라믹 복합체의 샘플을 촬영하여 사진으로 나타내 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가공성 세라믹 복합체의 굽힘 강도 측정을 위해 제작된 시편을 촬영하여 사진으로 나타내 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가공성 세라믹 복합체의 굽힘 강도(flexural strength)를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹 및 그의 제조방법을 상세하게 설명한다.
이하의 설명 내용과 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 청구범위에 기재된 본 발명에 의한 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹 및 그의 제조방법을 한정하는 것은 아니다.
본 실시예는 aCaO-bSiO2-cB2O3-dAl2O3 (a=0.02, b=0.5, c=0.4, d=0.08) 유리와 알루미나 및 유전특성 조절용 유전체 조성물을 포함한다.
도 1은 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹의 제조공정을 설명하기 위한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 본 실시예에 따른 유리와 알루미나, 그리고 CaTiO3, SrTiO3, TiO2 및 CuO를 칭량(S10)하고, 이를 폴리프로필렌 병에 에탄올과 무게비로 1 : 1이 되도록 넣고 원활한 혼합을 위해 분산제를 1 중량% 첨가한 다음, 안정화 지르코니아볼(Yttria Stabilized Zirconia)을 사용하여 24시간 혼합(mixing) 한다(S20)
그 다음 분쇄된 슬러리에 결합제로서 폴리비닐부티랄(PVB, Polyvinyl Butyral) 및 가소제 등을 10중량% 첨가한 후 Tape Casting하고(S30), 성형된 테입에 875℃ 내지 900℃ 온도범위의 융점을 갖는 저융점 전극용 페이스트를 사용하여 내부전극을 인쇄한다(S40). 그 다음 내부전극이 인쇄된 테입을 적어도 두 개층 이상 적층한다(S50).
적층된 테입을 소결로에서 875℃ 내지 900℃ 범위 온도에서 소결한다(S60). 승온속도는 분당 5 ~10℃이며 냉각은 로냉하였다.
소결된 제품에 대하여 유전특성을 조사하였는 바, GHz 주파수 대역에서의 유전특성은 제작된 Stripline T-Resonator에 대해 HP8720ES 회로망분석기(Network Analyzer)로 측정하였다. 측정결과는 도 2와 같다.
도 2에 나타난 바와 같이, 모든 조성 범위에서 900℃이하의 온도에서 소결이 가능하며 알루미나의 첨가량이 증가함에 따라 강도와 유전율이 증가하며 CaTiO3, TiO2 및 SrTiO3의 함유량이 증가함에 따라 유전율은 눈에 띄게 증가한다. 그러나, 알루미나의 함량이 60중량부 이상이 되면 소결성이 현저하게 감소한다. 위와 같은 이유로 알루미나를 비롯한 첨가제의 함량을 60중량부로 한정하였다.
또한 도 2에 나타난 바와 같이 단독으로 알루미나만 첨가해서 얻을 수 있는 유전체의 최대 유전율이 6.4이고 60 중량부 이상이 첨가되면 밀도가 감소함에 따라 유전체 내에 유전율이 1인 기공이 증가하여 오히려 유전율과 강도가 감소하게 된다. 이러한 유전특성 조절의 한계를 극복하기 위해 유전율이 170인 CaTiO3, 100인 TiO2, 320인 SrTiO3를 첨가하면 유전율을 용이하게 조절할 수 있다.
그러나, 과량 첨가시에는 소결성이 감소하므로 원하는 유전특성의 조절이 불가능하다. 따라서, 바람직하게는 CaTiO3는 3~10중량부, TiO2는 3~10중량부, 그리고 SrTiO3는 5~15중량부로 첨가하는 것이 바람직하며 알루미나와 동시 혼합시 총 혼합량이 60중량부 이하 여야 원하는 소결특성과 유전특성, 그리고 강도를 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시 가능한 것은 물론이고, 그와 같은변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
Claims (3)
- aCaO-bSiO2-cB2O3-dAl2O3 (상기 a, b, c, 및 d는 각각 하기 조건을 만족하는 실수임: 0.02≤a≤0.1, 0.4≤b≤0.7, 0.3≤c≤0.6, 및 0.01≤d≤0.1) 유리 100중량부, 및 상기 유리 100 중량부에 대하여 알루미나 5 내지 110 중량부를 포함하는 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹.
- 제1항에 있어서,
상기 조성에 CaTiO3 1.0 내지 20 중량부, SrTiO3 1-20 중량부, TiO2 1~20중량부, 및 CuO 0.1~5중량부로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹. - 유기용매중에 제 1항 내지 2항중 어느 한항에 따른 유전체 세라믹 조성물 분말을 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 탈포한 후 테입 형상으로 성형하는 단계;
상기 성형된 테입에 875℃ 내지 900℃ 온도범위의 융점을 갖는 저융점 전극용 페이스트를 사용하여 내부전극을 인쇄하는 단계;
상기 내부전극이 인쇄된 테입을 적어도 두 개층 이상 적층하는 단계; 및
상기 적층된 테입을 소결로에서 875℃ 내지 900℃ 범위 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 대역에서 사용이 가능한 세라믹의 제조 방법.
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Citations (2)
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| JPH07108810B2 (ja) | 1991-02-25 | 1995-11-22 | 住友金属工業株式会社 | 快削性複合セラミックス |
| JPH09227223A (ja) | 1996-02-21 | 1997-09-02 | Sumikin Hoton Ceramics Kk | 快削性複合セラミックスの製造法 |
-
2020
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Patent Citations (2)
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