KR900002303B1 - 절연페이스트 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
본 발명은 반도체 IC, 칩부품등을 설정하는 세라믹배선기판용 절연페이스트 및 그 절연페이스트의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 반도체공업의 진전 및 일반전자부품공업의 발달과 함께, IC, LSI 및 소형부품을 광범위하게 사용하게 되었다. 이러한 상황에서 IC 및 LSI를 직접 실장할 수 있고, 배선밀도를 극히 증가시킬 수 있기 때문에 세라믹다층배선기판은 주목을 받고 있다.
종래의 세라믹다층배선기판의 제조방법은 크게 후막인쇄법 및 그리인시이트적층법 두가지로 분류된다.
후막인쇄법에 있어서는, 도체 혹은 절연체의 후막페이스트를 인쇄 및 소성을 교호적으로 반복하면서 소결세라믹기판상에 다층화시키는 방법이다. 이 방법의 장점은 후막페이스트를 용이하게 구입할 수 있고, 방법 자체가 간단하다는 것이다. 그러나, 이 방법은, 유리 페이스트가 절연체의 후막페이스트로서 사용되기 때문에 소성시 유리의 연화에 의한 유동성으로 인해서 정밀하게 인쇄된 도체패턴의 규격을 벗어나게 된다. 따라서, 각 도체층 및 절연층을 인쇄하고나서 매번 소성해야 하므로 리드타임이 길어지는 결과, 비용이 증가한다.
결과적으로, 이 방법은 층이 상당히 많은 다층배선기판에는 부적합하다. 이 밖에, 유리의 열전도성 및 기계적 강도는 알루미나보다 불량하다. 반면에, 그리인시이트 적층법에 있어서, 도체페이스트는 소성전에 절연성 그리인시이트에 인쇄시키고, 이 그리인시이트를 열과 압력으로 도금 및 적층시킨후에 소성한다. 이 방법은 층이 상당히 많은 다층배선기판에 적합하다.
이 방법의 장점은 소성단계가 한번뿐이기 때문에 리드타임이 짧고, 압력에 의해 적층시키기 때문에 절연층의 밀도를 용이하게 증가시킨다는 것이다. 그러나, 이 방법도 단점이 있다. 즉, 종래에는 절연물질로서 알루미나가 사용되었기 때문에, 소성온도는 1500℃ 이상이어야 한다. 따라서, 도체물질로서, W 혹은 Mo 등의 고융점금속을 사용해야 한다. 또, 이러한 금속은 Au, Ag 혹은 Cu 보다 도체저항성이 높고, 용접을 할 수 없기 때문에, 그 대응책으로서 표면을 Ni 및 Au로 피복해야 한다.
이러한 문제점을 해결하는 방법의 하나로서, 일본국특허공개공보 54-82700호, 60-8229호 및 54-111517호에 개시되어 있는 바와같이 유리를 알루미나 및 마그네시아 등의 세라믹과 혼합하여 저온에서 소성하는 절연페이스트를 만드는 연구를 행하였다.
이러한 절연페이스트의 장점은 다음과 같다. 페이스트의 무기성분은 알루미나 및 유리등의 세라믹으로 조성된다. 페이스트의 유리는 소성시 연화되어 연속적인 무정형의 망상조직을 형성하여서 각 세라믹입자는 유리에 의해 둘러싸이게 된다. 따라서, 그 구조는 기계적 강도 및 열전도성이 유리단독의 기계적 강도 및 열전도성보다 우수하게 된다. 그러나, 실제적으로 상기 장점을 충분히 발휘한다는 것은 쉽지 않다. 이 이유중의 한가지는 입자경 및 비중이 서로 다른 유리와 알루미나가 균일하게 혼합되는 것이 용이하지 않기 때문이다. 다른 이유로는 유리 및 세라믹의 소결촉진에 중요한 젖음성 및 반응성이 우수하지 못하기 때문이다. 이러한 성질들이 불충분한 경우에, 유리를 연화하여 소성에 의해 유리망상조직을 형성시키는 방법은 대다수의 세라믹분말이 유리망상조직의 틈에 산재되어, 유리와 세라믹간의 화학반응이 용이하게 일어나지 않게 된다. 이 결과, 소성후의 절연층은 다공질이 되기 때문에, 절연층의 기계적 강도, 절연저항성, 절연내압이 불량해 진다.
본 발명의 기본목적은 도체층과 절연층을 교호적으로 적층하여 다층화한후에 저온에서 동시 소성하여 고밀도절연층을 형성할 수 있는 절연페이스트를 제공하는데 있다.
이 목적 실현을 위해서, 본 발명의 절연페이스트의 무기성분은 4가지 성분, 즉 Al2O3, SiO2, MgO 및 CaO로 이루어진 세라믹과 붕소화규산염 유리로 구성된다. 세라믹과 유리를 혼합하기전에, 유리분말의 일부를 세라믹 분말과 혼합하고, 절연페이스트의 소성온도보다 높은 온도에서 하소하여 세라믹분말과 유리분말의 소정반응물로 제조한다. 그리고 나서, 잔여유리분말을 첨가하여 반응물과 혼합한다.
본 발명에 따른 상기 절연페이스트 조성물 및 그 방법에 의해서 극히 밀도가 높은 세라믹다층배선기판의 절연층을 제조할 수 있는 결과, 전기절연성이 현저하게 향상된다.
본 발명의 절연페이스트의 특징중의 하나는 페이스트의 무기성분으로서 Al2O3, SiO2, MgO 및 CaO 네 성분으로 이루어진 세라믹과 붕소화규산염유리로 구성되는 세라믹/유리조성물이다. 세라믹/유리 비는 중량비로서 40/60 내지 60/40이다. 특히, 이것은 주성분 Al2O3에 SiO2, MgO 및 CaO를 적당히 첨가한 복합세라믹분말과 붕소화규산염 유리분말을 혼합한 유리-세라믹분말이고, 단독의 Al2O3, MgO 혹은 SiO2와 혼합한 유리로 구성되는 종래의 유리-세라믹분말, 혹은 MgO·Al2O3, 2MgO·SiO2혹은 3MgO·4SiO2의 단독화합물과는 다르다. 종래의 유리-세라믹에 있어서는, 소성시의 세라믹과 유리의 젖음성이 불량하고 세라믹과 유리가 서로 용이하게 반응하지 않기 때문에, 제조된 절연층은 다공성이 되어 기계적 강도 및 절연성이 불량해진다. 반면에, SiO2, MgO 및 CaO를 Al2O3에 첨가한 본 발명에 있어서는, 소성시에 유리와의 젖음성이 개량되어 유리와 용이하게 반응하기 때문에, 소성이 촉진되고 조밀구조의 절연층이 형성된다. 세라믹과 유리의 혼합비는 과다 혹은 과소가 되지 않도록 적당하게 선택해야 한다. 이 이유는, 유리의 함량이 너무 적으면, 소성시에 연화된 유리는 세라믹분말의 전입자를 둘러싸지 못하고, 대다수의 세라믹분말이 절연층에 산재되어 기계적 강도 혹은 절연성을 열화(劣化)시킨다. 유리의 함량이 너무 많으면, 여분의 유리상이 세라믹입자간에 형성되어, 기공을 유발하므로써 절연성에 악영향을 준다.
본 발명의 다른 특징은 2단계법에 있다. 즉, 세라믹과 유리분말을 혼합하기 전에, 유리분말의 일부를 세라믹 분말과 혼합하고, 그 혼합물을 절연페이스트의 소성온도보다 고온에서 하소하여 소정의 세라믹과 유리의 반응물을 제조한 후에 잔여유리를 첨가하여 반응물과 혼합하는 방법이다. 약 1300℃의 고온에서 세라믹과 유리를 하소하면, 세라믹과 유리가 서로 반응하여 세라믹 입자의 표면에 매우 얇은 반응물과 유리의 층이 형성되어, 소성시 유리원료와의 젖음성이 개량되기 때문에 소결을 일층 촉진시킬 수 있다.
상술한 조성물에 있어서, 본 발명의 절연페이스트는 절연층의 밀도, 절연저항성 및 절연내압이 극히 증가되어, 세라믹 다층배선기판용 절연페이스트로서 사용할 수 있게 된다. 본 발명의 효과는 후막페이스트에만 국한되는 것이 아니라, 그리인시이트법용 절연페이스트에서도 그 효과를 기대할 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용한 도체페이스트는 Ag/Pd, Au에만 국한되는 것이 아니라, Cu를 사용할 수도 있다.
[실시예 1]
우선, 본 발명에 따른 절연페이스트의 무기성분으로서 유리-세라믹 혼합분말을 제조하였고, 표 1에 도시한다.
유리분말은 표 1에 도시한 유리조성에 따라 평량하고, 마노사발에서 혼합하여 백금도가니에 넣고, 1300 내지 1400℃의 전기로에서 용융시켰다. 용융직후에, 성형된 유리를 물에서 신속히 냉각시켜서 유리덩어리를 얻었다. 이 유리덩어리를 마노사발에서 대충 분쇄하고, 에틸알코올 존재하에 알루미나 보올 분쇄기에서 70시간동안 분쇄한 후에 건조시켜서, 평균입자경이 2 내지 3μm인 유리분말을 얻었다. 한편, 세라믹분말은 표 1에 도시한 세라믹조성에 따라 평량하고, 에틸알코올 존재하에 알루미나 보울분쇄기에서 17시간동안 혼합한 후 건조시켜서, 유리와 세라믹의 혼합분말을 얻었다.
그 다음에, 상기 유리-세라믹분말을 500㎏/㎠의 압력하에서 성형시키고, 공기중의 1000℃에서 소성하여 직경이 20㎜이고 두께가 3㎜인 샘플을 얻었다. 또, 테레핀유에 에틸셀룰로스를 용해한 유기매질을 상기 유리-세라믹 혼합분말에 첨가하고, 이 혼합물을 3단로울분쇄기에서 용융하여 페이스트를 얻었다. 그리고 나서, 소결제알루미나 기판상에, 통상의 Ag-Pd 도체페이스트와 상기 절연페이스트를 교호적으로 인쇄하여 4개의 도체층과 3개의 절연층으로 구성되는 다층구조를 성형하고, 이것을 공기중의 100℃에서 소성시켜서 다층배선기판을 얻었다. 소성후의 절연층 두께는 35 내지 45μm이었다. 절연층에 대한 도체전극의 대향면적은 100㎟이었다. 상기 샘플의 절연층의 기공률과 절연저항성을 측정하였고, 85℃의 온도 및 85%의 습도에서 절연층간에 50볼트의 직류전압을 인가하여 THB 시험을 행하였다.
그 결과는 표 2에 도시한다. 이에 따라서 Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO 네 성분으로 이루어지는 세라믹조성물의 경우에 기공률과 절연저항성이 개량됨을 알게 되었다. 그리고 세라믹/유리의 혼합중량비가 40/60 내지 60/40의 범위내에 있는 경우에 그 개량 효과가 상당히 크다는 것이 밝혀졌다. 상기 샘플을 SEM으로 관찰하였을때, 절연층의 구조는 기공이 없는 조밀한 구조임이 관찰되었다.
[실시예 2]
실시예 1에서 Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO를 혼합하여 제조한 세라믹조성물에 의하여 절연층의 소결성이 향상된다는 것이 밝혀졌다. 실시예 2에서는, 일층 상세한 연구를 하기위해서, 세라믹조성과 유리조성을 정밀하게 변화시켜서, 기공률, 절연내압 및 THB시험을 조사하였다. 유리-세라믹 혼합분말의 제조 및 시험은 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다.
유리-세라믹 혼합분말의 샘플조성은 표 3에 도시하고, 시험결과는 표 4에 도시한다.
이 결과, 세라믹조성은 Al2O3가 90 내지 98중량%, SiO2가 1 내지 5중량%, CaO가 0.2 내지 2중량% 및 MgO가 0.5 내지 4중량%의 범위내에 있고, 유리조성은 SiO2가 60 내지 90중량%, B2O3가 5 내지 30중량%, Al2O3가 0.1 내지 10중량% 및 BaO가 0.1 내지 1중량% 범위내에 있을때 개량효과가 현저하였다.
[실시예 3]
표 5 및 표 6에 도시된 바와같이 조성이 다른 유리분말과 세라믹 분말을 제조하였다. 유리분말 및 세라믹 분말은 실시예 1에서와 동일한 방법으로 제조하였다.
이렇게 제조된 유리분말과 세라믹분말을 30/70, 40/60, 50/50, 60/40 및 70/30의 유리/세라믹 중량비로 평량하였다. 그후, 평량한 유리 분말의 전반을 에틸알코올 존재하의 알루미나 보울분쇄기에서 17시간 동안 세라믹분말과 혼합하였다. 이 혼합물을 건조시키고 공기존재하의 1300℃ 전기로에서 2시간동안 하소하였다. 유리분말잔여물을 하소된 분말에 첨가하고, 에틸알코올 존재하의 알루미나 보올분쇄기에서 70시간 동안 혼합하고(이 혼합도 분쇄과정이다) 건조시켜서 평균입자경이 2 내지 3μm인 유리-세라믹혼합분말을 얻었다.
이 유리-세라믹혼합분말에, 테레핀유에 에틸셀룰로스를 용해한 유기매질을 혼합하였고, 이혼합물을 3단로울분쇄기에서 용융하여 페이스트를 얻었다. 그리고나서, 소결제 알루미나 기판상에 통상의 Au 도체 페이스트를 인쇄 및 건조시키고, 이 절연페이스트는 소성후의 두께가 20, 40, 및 60㎛가 되도록 인쇄하였다. 건조시킨후, 그 위에 Au 도체페이스트를 인쇄 및 건조시켰다, 이 기판을 공기존재하의 900℃ 전기로에서 소성하였다. 성형된 절연층은 조밀하였고 그 표면은 평탄하였다. 샘플의 절연층 양측의 두전극 사이에서 시험기를 사용하여 단락시험을 행하였다. 또한, 두 전극간에 직류전압을 인가하여 절연층의 절연내압을 측정하였다. 그 결과는 표 7에 도시한다.
[실시예 4]
실시예 3에서 유리분말과 함께 하소하는 경우에 절연내압이 개량되는 것이 판명되었다. 실시예 4에서는, 세라믹조성, 유리조성 및 세라믹 분말과 함께 하소시킬 유리의 분량을 더욱 정밀하게 변화시켜서, 실시예 3에서와 동일한 연구를 행하였다. 유리조성 및 세라믹조성은 표 5 및 표 6에 도시한다.
그 결과는 표 8에 도시한다.
이 결과, 세라믹 조성은 Al2O3가 90 내지 98중량%, SiO2가/ 내지 5중량%, CaO 가 0.2 내지 2중량% 및 MgO가 0.5 내지 4중량% 범위내에 있고, 유리조성은 SiO2가 60 내지 90중량%, B2O3가 5 내지 30%중량%, Al2O3가 0.1 내지 10중량%, BaO가 0.1 내지 1중량% 및 M2O가 0.01 내지 6중량% 범위내에 있을때 개량효과가 현저하였다. 세라믹분말과 하소시킬 유리의 분량은 2 내지 40중량% 범위가 바람직하다.
표 1. 유리-세라믹 혼합분말조성
표 2. THB시험
표 3. 유리-세라믹 혼합분말조성
표 4. THB시험
표 5. 유리조성
표 6. 세라믹조성
표 7. 절연강도특성
Claims (11)
- Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO로 조성된 세라믹과 붕소화규산염유리로 이루어진 무기성분을 포함하고, 유리에 대한 세라믹의 중량비가 40/60 내지 60/40인것을 특징으로 하는 절연페이스트.
- 제 1 항에 있어서, 세라믹 조성은 Al2O3가 90 내지 98중량%, SiO2가 1 내지 5중량%, CaO가 0.2 내지 2중량%, MgO가 0.5 내지 4중량% 범위내에 있고, 총중량이 100%가 되는 것을 특징으로 하는 절연페이스트.
- 제 1 항에 있어서, 붕소화규산염 유리의 조성은 SiO 2가 60 내지 90중량%, B2O3가 5 내지 30중량%, Al2O3가 0.1 내지 10중량%, BaO가 0.1 내지 10중량%, M2O(M은 알카리금속)가 0.01 내지 6중량% 범위내에 있고, 총중량이 100%가 되는 것을 특징으로 하는 절연페이스트.
- 제 1 항에 있어서, 세라믹조성은 Al2O3가 90 내지 98중량%, SiO2가 1 내지 5중량%, CaO가 0.2 내지 2중량%, MgO가 0.5 내지 4중량% 범위내에 있고, 그 총중량이 100%가 되고, 붕소화규산염유리의 조성은 SiO2가 60 내지 90중량%, B2O3가 5 내지 30중량, Al2O3가 0.1 내지 10중량%, BaO가 0.1 내지 10중량, M2O(M은 알카리금속)가 0.01 내지 6중량% 범위내에 있고, 그 총중량이 100%가 되는 것을 특징으로 하는 절연페이스트.
- 세라믹과 유리로 구성되는 무기성분은 유리의 일부를 세라믹과 혼합하고, 그 혼합물을 소성온도 이상의 고온에서 하소하고, 잔여유리를 하소생성물에 첨가 및 혼합하여서 되는 것을 특징으로 하는 절연페이스트의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 유리는 붕소화규산염 유리인것을 특징으로 하는 절연페이스트의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 유리에 대한 세라믹의 혼합중량비는 40/60 내지 60/40인것을 특징으로 하는 절연페이스트의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 세라믹과 예비혼합 및 하소시킬 유리의 중량비는 2 내지 40중량% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 절연페이스트의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 세라믹 조성은 Al2O3가 90 내지 98중량%, SiO2가 1 내지 5중량%, CaO가 0.2 내지 2중량%, MgO가 0.5 내지 4중량% 범위내에 있고, 총중량이 100%가 되는 것을 특징으로 하는 절연페이스트 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 유리조성은 SiO2가 60 내지 90중량%, B2O3가 5 내지 30중량%, Al2O3가 0.1 내지 10중량%, BaO가 0.1 내지 10중량%, M2O(M은 알칼리금속)가 0.01 내지 6중량% 범위내에 있고, 총중량이 100%가 되는 것을 특징으로 하는 절연페이스트의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 세라믹 조성은 Al2O3가 90 내지 98%, SiO2가 1 내지 5중량%, CaO가 0.2 내지 2중량%, MgO가 0.5 내지 4중량% 범위내에 있고, 그 총중량이 100%가 되고, 유리조성은 SiO2가 60 내지 90중량%, B2O3가 5 내지 30중량%, Al2O3가 0.1 내지 10중량%, M2O(M은 알칼리금속)가 0.01 내지 6중량% 범위내에 있고, 그 총중량이 100%가 되는것을 특징으로 하는 절연페이스트의 제조방법.
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