KR940001653B1 - 세라믹 물체의 소성시 수축을 줄이는 방법 - Google Patents

세라믹 물체의 소성시 수축을 줄이는 방법 Download PDF

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리차드 마이케스카 쿠르트
티. 새퍼 다니엘
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이. 아이. 듀우판 드 네모아 앤드 캄파니
미리암 디. 메코너헤이
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Abstract

내용 없음.

Description

세라믹 물체의 소성시 수축을 줄이는 방법
제1도는 구속층이 기판의 양면에 부착되어 있는, 소성 처리전 본 발명의 각종 성분들의 배열을 나타낸 개략도.
제2도는 구속층이 기판의 한쪽 면에 부착되어 있고 경질 기판이 이 기판의 반대쪽 면에 접착되어 있는, 소성 처리전 본 발명의 각종 성분들의 배열을 나타낸 개략도.
제3도는 다수의 세라믹 부품들이 하나의 모놀리스(monolith)로 조립되어 있고, 여기서 각각의 부품은 반대쪽 면들에 접착된 구속층을 가지는, 소성 처리전 본 발명의 각종 성분들의 배열을 나타낸 개략도.
제4도는 구속층의 좌굴(bucking)없이 세라믹/구속층 계면에서의 층간 분리를 나타낸 개략도.
제5도는 구속층을 좌굴시킨 상태로 세라믹/구속층 계면에서의 충간분리를 나타낸 개략도.
제6도는 무기 결합제 침투와 결합체 점도 및 습윤각과의 상관 관계를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 로 벨트 3, 3a, 3b, 3c, 3d : 구속층
5, 5a, 5b, 5c : 세라믹 테이프 부품 7 : 세라믹 기판
본 발명은 소성시 세라믹 물체의 평면 수축을 실질적으로 억제·조절하고 외곡(외曲)을 줄이는 방법에 관한 것이다.
상호연결 회로 기판은 전기적·기계적으로 상호연결되어 있는 다수의 극히 작은 회로 소자들로 만들어진 전자 회로들 또는 서브시스템들(subsystems)의 물리적 실현이다. 종종, 이들 각종 전자 부품들은 이들이 단일 콤팩트 패키지내에서 다른 전자 부품들과는 물리적으로 고립되면서 인접하게 장착될 수 있고 상호간에 및(또는) 패키지로부터 신장된 통상의 접속물에 전기적으로 연결될 수 있도록 하는 배열 형태로 결합되는 것이 바람직하다.
복합 전자 회로는 일반적으로 이 회로가 유전성 총들의 절연에 의해 분리된 몇 개 층의 전도체들로 구성되어야 한다. 전도성 층들은 유전체를 통한 전기 전도성 통로들, 소위 비아(via)들에 의해서 준위들 간을 상호 연결한다.
다층 회로를 구성하기 위한 공지 방법중 하나는, 여러 가지 전도체 층들을 상호연결 하기 위해 유전성 층들을 통해 신장된 금속화 비아들로 전도체들이 인쇄된 다중 세라믹 테이프 유전체를 공소성하는 방법이다[스테인버그(Steinberg)의 미합중국 특허 제4,654,095호 참조]. 테이프 층들을 정합(整合)되게 적층시키고, 모놀리스 구조를 형성하도록 미리 선택한 온도 및 압력에서 함께 압착시킨 후, 고온에서 소성하여 유기 결합제를 제거하고 전도성 금속을 소결시키고 유전체를 밀집시킨다. 이 방법은 단지 한차례의 소성 처리가 요구되며, 그에 따른 제조 시간과 노동력이 절감되며, 전도체간의 단락을 유발시킬 수 있는 이동성 금속들의 확산이 제한되기 때문에 종래의 "후막(thick film)"법보다 유리하다. 그러나, 이 방법은 소성시 발생하는 수축량의 조절이 어렵다는 단점을 가진다. 이와 같은 치수적 불확실성은 특히 대형 복합회로에서 바람직하지 않으며, 후속 조립 작업 중에 오정합(誤整合, misregistration)을 일으킬 수 있다.
외부적으로 가해지는 하중 또는 무게하에 세라믹 물체를 소성하는 압축 소결법 및 고온 압축법은 세라믹 부품의 다공성을 줄이면서 형태(치수)를 조절할 수 있는 방법으로 널리 알려져 있다[다께다(Takeda)등의 미합중국 특허 제4,585,706호; 킨제리(Kingery)등의 "Introduction to Ceramics", 502-503페이지, 1976년 Wiley사 출판 참조]. 간단한 형틀을 이용한 세라믹 회로의 압축 소결법은 세라믹 부품이 형틀에 점착되는 경향이 있고(또는) 이 부품과 형틀 사이에서 상호 오염이 발생되는 경향이 있기 때문에 처리에 어려움이 따른다. 또한, 유기 결합체의 연소시 세라믹 부품의 하중 또는 이와 유사한 구속력을 가하는 것은 휘발 성분의 분출을 억제하여 불완전 연소 및(또는) 외곡을 유발시킬 수 있다.
동시 계류중인 미합중국 특허 출원 제466,937호에는 유기결합체의 연소시 휘발 성분의 분출을 가능케 하는 구속적 소결 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 먼저, 미소성 세라믹 물체의 표면에 박리층을 도포한다. 이어서, X-Y 방향의 수축을 줄이기 위하여 박리층 상에 추를 올려 놓는다. 추와 세라믹 물체 사이의 박리층은 휘발 성분의 분출 통로를 제공한다. 세라믹 회로가, 형틀을 이용하지 않고, 외부에서 하중을 가함이없이, 연소시 휘발 성분의 분출을 제한하지 않으면서도, 더우기 최종 칫수 불확실성을 대부분 제거할 수 있는 세라믹 회로의 구속 소결 방법이 있었다면, 수축을 줄이면서 회로를 소성하는 것과 관련된 가공 단계들을 단순화시키거나 또는 배제할 수 있었을 것이다. 또한, 이 방법이 세라믹 회로의 외표면 상에 전도성 금속 통로의 동시적 소성을 허용할 수 있다면, 그 이점은 한층 더 증대될 것이다.
플라이쯔(Flaitz)등은 유럽 특허 출원 제0 243 858호에서 상기 문제들을 해결하기 위한 세가지 방법을 제안하였다. 그 첫째 방법은, 구속력을 부품의 외연부(주변부)에만 가하여 휘발 성분의 개방분출로 및 산소의 유입로를 제공하는 것이다. 둘째 방법은, 공신장성(共伸長成) 다공 가압판(platen)들을 사용하거나 또는 소결시키고자 하는 피스(piece)의 표면에 공기 지지력(air-bearing force)을 가함으로써, 공신장력을 소결시키고자 하는 피스의 전표면에 가하는 것이다. 셋째 방법은, 열 처리 공정 동안에 소결되거나 수축되지 않으며 기판의 수축을 방지하는 다공성 조성물로 이루어진 접촉 시이트를 사용하여 소결용 물체에 마찰력을 가하는 것이다. 접촉 시이트의 조성물로는, 이들이 소성 중에도 다공성을 유지하며, 세라믹에 융합되지 않고, 소결 공정 때 수축 또는 팽창되지 않을 정도로 열에 안정하며, 지속적인 기계적 결합성/강성을 갖는 것을 선택한다. 접촉 시이트는 소결 공정 중에도 그 치수를 유지하므로써, 세라믹 부품이 수축되는 것을 제한한다. 소결시키고자 하는 물품에 대한 접촉 시이트의 적층 후에는 추를 추가로 사용하지 않고서도 소결 처리를 행할 수 있다.
주요한 측면으로서, 본 발명은, (a) 휘발성 고체 고분자 결합체 중에 분산된 미립자상 세라믹 고체 및 소결성 무기 결합체의 혼합물로 이루어진 미소성 세라믹 물체를 제공하고, (b) 휘발성 고분자 결합체 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체들로 이루어진 가요성 구속층이 미소성 세라믹 물체의 표면에 빈틈없이 합치되고, 소결성 무기 결합제가 구속층내에 50㎛ 이하로 침투되도록 구속층을 미소성 세라믹 물체의 표면에 도포하고, (c) 세라믹 물체와 구속층 모두로부터의 고분자 결합제의 휘발을 수행하기에 충분한 온도 및 시간 동안 상기 조립체를 소성하여, 구속층내에 상호연결된 다수의 공극을 형성하고 소결된 물체의 방사상 벌크 형상을 초래함이 없이 세라믹 물체내의 무기 결합제의 소결을 수행하고, (d) 소성된 조립체를 냉각하고, (e) 소결된 세라믹 물체의 표면으로부터 다공성 구속층을 제거하는 일련의 단계들로 이루어지는, 세라믹 물체의 소성시 X-Y 수축을 실질적으로 줄이는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 휘발성 고체 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체로 이루어진 구속층이 표면에 부착하여 치밀하게 합치되어 있으며, 휘발성 고체 고분자 결합체 중에 분산된 미립자상 세라믹 고체와 소결성 무기 결합제와의 혼합물로 이루어진 복합 미소성 세라믹 물체에 관한 것이다.
더 나아가서, 본 발명은, 휘발성 유기 용매 중에 용해된 고체 고분자 결합제로 이루어진 휘발성 유기 매질 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체로 이루어진 구속층을 미소성 세라믹 테이프의 적어도 한쪽 표면에 도포하고, 유기 용매를 증발에 의해 제거하는 일련의 단계들로 이루어지는 복합 미소성 세라믹 테이프의 제조방법에 관한 것이다.
선행 기술에 있어서, 플라이쯔(Flaiz) 등의 유럽 특허 출원 제87 105 868.1호는, 세라믹 MLC 기판의 소성시 X-Y 외곡, 캠버(camber) 및 수축을 방지하기 위하여, Z-방향의 구속력을 사용한 구속 소결법에 관한 것이다. 소성 처리 전에, 추가 압력을 가함이 없이 세라믹 물품이 물리적으로 수축되는 것을 억제하기 위하여 다공성의 경질 미소성 세라믹으로 된 내열성 접촉 시이트들을 세라믹 물품의 표면에 적층한다. 접촉시이트는 소결 과정 동안 줄곧 그의 기계적 결합성과 칫수 안정성을 유지하며, 소성된 시이트는 연마하거나 긁어서 기판 표면으로부터 제거한다.
아놀드(Arnold)등의 미합중국 특허 제4,521,449호는 톱니모양의 선들에 의해 결합되고 전도성 금속 페이스트로 충전된 비아들 패스 영역들을 함유하는 그린 세라믹(green ceramic) 시이트들의 소결을 용이하게 하기 위하여 세라믹 불질로 된 유전층을 사용하는 방법을 알려준다. 소성 후, 구성 성분들을 납 부착용 땜납으로 습윤시키기에 적당한 금속으로 코팅한다. 발명자들은 소성된 세라믹 재료에서 전형적으로 일어나는 상당한(17%) 기판 수축 및 외곡 현상을 교정하기 위해서는 후 금속화(post-metallization)가 필요함을 인식하였다.
더브츠키(Dubetsky)등의 미합중국 특허 제4,340,436호에는 불활성이고, 공신장성이며, 비점착성이고, 제거할 수 있고, 경량이고, 평판상인 가압판을 그린 유리 세라믹 적층물 상에 중첩시킴으로써, 소성시 유리가 유착 온도에 도달했을 때 측부의 X-Y 수축 및 외곡을 제한하는 방법이 기재되어 있다. 발명자들은 상기 적층물에 이 약 0.012 내지 약 0.058Ibs/in2의 가압판 압력을 가함으로써 평면성과 측부 치수 보존성이 증대되었다고 보고하였다.
본 발명의 목적은 세라믹 물체의 소성시 X-Y 수축을 줄이는 신규하고 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 바람직한 응용 분야는, 비아 펀칭 및 인쇄시 설정된 회로 특징 치수가 소성중에도 실질적으로 유지되도록 전도체, 저항기 등을 비롯한 통상의 전도성 금속화물 및 유전성 테이프가 사용되는 세라믹 다층 회로를 제조하는 분야에서 적합하다. 그러므로, 본 발명의 방법은 세라믹 부품에서 치수 불확실 요인들이 많이 회피되고, 또 치수상의 오차 및 오정합을 피하는데 필요한 회로 개발 및 제조 단계들이 많이 제거됨으로써 더욱 경제적이다.
소성 과정시, 유기 결합제의 휘발후, 테이프의 무기 성분들은 충분한 온도까지 가열되었을 때 소결이 일어난다. 소결시, 미립자-다공성 테이프는 통상적으로 다공성 조립자 결정질 및 비결정질 재료로 그 구조가 변화된다. 입자 크기가 증가하고, 공극 형상이 변화하며, 공극 크기와 공극 수가 변화하다. 소결은 보통 다공성의 감소 및 미립자상 압분체의 치밀화를 초래한다.
본 발명의 주요 특징은 세라믹 회로층의 표면에 도포되는 가요성 세라믹 구속층의 사용에 있다. 이 구속층은 몇가지 기능을 가진다. 즉, (1) 소결시키고자 하는 부품면에서의 수축을 실질적으로 감소시키는 균일한 고마찰 접촉층을 제공하며, (2) 소결 처리전 세라믹 테이프의 휘발 성분의 분출로를 제공하는 기능을 가진다. 경우에 따라서는, 최상 표면에 손상을 가하지 않으면서 최상 표면 금속화물의 동시 소성을 용이하게 한다.
구속층으로 소결시키고자 하는 부품면에서의 수축을 효과적으로 줄이가 위하여, 가요성의 구속층을 미소성 세라믹 회로층(들)의 표면(들)에 도포한다. 구속층의 가용성은 이 층을 미소성 세라믹 표면(들)의 요철부까지도 빈틈없이 부착시킬 수 있도록 해준다. 가요성 구속층의 미소성 세라믹 표면(들)에 대한 적층은 구속층의 도포 방식에 따라서 한층 더 치밀하게 부착되도록 구속층을 압박하는데 사용할 수 있다. 예를 들면, 구속층은 미소성 세라믹 상에 분산물 형태로 분무 코팅, 함침 코팅 또는 롤 코팅시킬 수 있거나 또는 이를 가요성 시이트로서 성형하여 미소성 세라믹 상에 적층시킬 수 있다. 적층은, 구속층과 세라믹 물체의 표면(들)사이의 간극(틈)의 크기를 줄이는데 있어서 탁월한 효과가 있다.
세라믹 부품에 대한 구속층의 밀접한 정합은 소결시 세라믹 부품으로부터 구속층의 분리나 좌굴을 방지하는데 필요하다. 소성시, 유전성 기판이 수축됨에 따라서, 구속층은 유전 부품의 소결 변형에 의해 2축 방향으로 압착된다. 구속층의 압착 변형이 임계점에 도달하면, 구속층은 소결성 유전 기판으로부터 분리 되면서 좌굴돤다. 본 발명과 밀접한 관계가 있는 좌굴 문제는 적층된 층들에 평행하게 압출 하중을 가해서 부분적으로 틈새를 벌린 후에 탄성 적층판들 및 외판들을 분석함으로써 조사할 수 있다. 좌굴은 문헌[티모 센코(S.P. Timoshenko) 및 기어리(G.M. Geere), Theory of Elastic Stability, 제2판, 뉴욕 소재의McGraw Hill사 출판(1961년)]에 광범위하게 분석되어 있다. 압축 필름에 대한 좌굴의 특수 문제는 문헌[에반스(A.G. Evanx) 및 허치슨(J.W. Hutchinson), On the Mechanics of Delamination and Spalling in Compressed Films, Int.J. Solids Structures, 제20권, 제5호, 455-466페이지(1984년)]에 분석되어 있다.
좌굴 문제는 1차원(비임), 2차원(장방형 또는 정방형 기하학) 및 원형 기하학으로 해결할 수 있다. 원형 기하학은 순간 배치 형태에 대해서 가장 합당하며, 이를 이하에 소개한다. 문제는 제3도에 도시한 바와 같이 자유 표면들에 평행한 단일 계면 균일 또는 틈에 있다. 틈은 2축 방향으로 압축(σo)되어 있는 반경(a)의 원형 박층에 의해 나타난다. 균열 또는 틈이 충분한 크기로 형성되면, 균열부위의 필름은 좌굴되기가 쉽다. 자유 표면에 평행한 계면 틈새 또는 층간 분리는 응력장도 역시 표면에 평행하게 작용하기 때문에 응력장을 방해하지 않는다. 따라서, 틈 또는 균열 연부에서의 응력 집중은 유발되지 않는다. 필름이 제4도에 도시한 바와 같이 기판에서 떨어져서 좌굴되는 경우, 이 분리가 계면 균열의 주변에서 응력을 재분재(즉, 집중)하여 좌굴에 의한 균열 확장 및 실패를 유발한다. 계면 균열에서의 상태는 개극 응력(opening stress)(방법 I) 및 전단 응력(방법 II)의 조합에 따른 것이다. 현 상황에서, 필름이 압착된 분말이고, 1회 좌굴이 일어나는 경우, 균열 첨단에서의 전단력은 이 분말이 전단된 변형 및 인장력에 매우 취약하기 때문에 분체 필름을 간단히 못쓰게 만들 수 있을 것이다.
필름(구속층)은 압축 응력이 필름에 대한 임계 좌굴 응력을 초과하는 경우에 좌굴 현상이 일어난다. 이 경우, 적당한 순환 용액(circular solution)이 필름 연부를 고정 또는 클램프(clamp) 시킨다고 가정하면, 임계 버클링 응력, σc는 방정식(1)
로 표시되며, 여기서 t는 구속층의 두께이고, a는 균열 또는 틈의 반경이며, k는 클램프된 연부에 대해서 14.68이고(k는 원형 기하학에 적당한 초기 미분 방정식을 푸는데 사용된 베슬(Bessel) 식으로부터 구한 수치 계수이다), E는 구속층의 영률이며, ν는 포아즈의 비이다. 방정식(1)은, 임계 크기의 균열 또는 틈이 구속층과 피소결 부품 사이의 계면에 존재할 때에는 가공 중에 좌굴 현상이 일어날 수 있음을 보여준다. 방정식(1)은 또한 구속층의 두께 t 및 영률 E가 임게 좌굴 응력을 구함에 있어 중요한 변수임을 보여준다.
실제로, 틈은 세라믹체 기판에 대한 구속층의 도포시 및 가열시에 발생한다. 구속층이 세라믹 회로층(들)의 요철부에 빈틈없이 부착될 만큼 충분한 가요성이 아닌 경우나 또는 도포 방법이 세라믹 회로층(들)의 요철부에 대한 구속층의 밀접한 부착을 보장하기에 적합한 방법이 아니면, 구속층/세라믹 회로 계면에서 틈 또는 균열이 발생할 수 있다. 가열시에는 구속층과 세라믹 회로 기판간의 열팽창 부정합에 의해 틈이 생길 수 있다. 구속층/기판 계면에 평행하지 않는 열팽창 틈새는 부가적인 응력 집중체(stress concentrator)로서 작용한다. 열팽창 효과(균열 등등)는 열팽창 계수가 기판보다 큰 구속층을 사용하여 가열시 구속층을 평면 압착시킴으로써 종종 제거될 수 있거나 줄어들 수 있다.
소성후, 구속층의 제거가 용이하기 위해서는 소성 처리되는 세라믹 부품의 유리가 공정 중에 구속층에 실질적으로 침투되지 않아야 하거나 또는 구속층과 상호작용하지 않아야 한다. 구속층 내부로 유리의 과도한 침투는 소성되는 세라믹 부품으로부터 구속층의 제거가 억제될 가능성이 있으며, 다량의 구속성 물질이 소성된 최종 부품에 점착되면 세라믹 기판의 특성에 나쁜 영향을 미칠 수도 있다. 유전체용 유리 조성물을 선택할 때에는 다음과 같은 2가지 일반적 요건을 고려해야 한다. 첫째, 유전 기판애 유리는 유전체의 필요조건들(즉, 유전 상수, 밀폐성(hermeticity), 소결성 등등)을 만족시켜야 하며, 둘째, 유리 조성물은 구속층 내로의 유리 침투를 억제할 수 있어야 한다. 침투 억제는 이하에서 논의하는 바와 같이, 유리 점도, 습윤각등의 변수를 조정함으로써 어느 정도 제어된다.
다공성 매체내로의 액체의 흐름 분석은 유리 침투 현상을 검사하고 공정을 예견하는데 사용될 수 있다. 이 분석은, 상기 논의한 바와 같이 유전체에 대해 명시한 유리 요건들과 관련하여 유리조성물 및 구속층을 선택하는데 있어서의 가이드라인으로 사용할 수 있다. 다음과 같은 분석에 있어서, 다공성 매체는 구속층이고, 액체는 소성되는 세라믹체 중의 유리이다.
이 분석법은 다공성 베드(bed)내로의 점성 유체의 침투를 예측할 수 있는 다르시 법(Darcy's Law)에 기초해서 개발되었으며, 구체적으로 본 명세서에서 무기 결합제의 구속층내 침투 속도, dl/dt는 방정식(2)로 정의된다.
식에서, D는 다공성 매체의 투과율이고, △는 침투를 위한 구동압력이고, ℓ은 시간 t에서 액체의 매체내 침투 길이이고, ηL은 액체의 점도이다.
방정식(2)는, 침투 방향에 대한 압력 구배, ▽P가 침투 거리에 대한 압력의 변화값 또는와 거의 일치한다고 가정했을 때 유효하다.
다공성 매체내 공극 채널(channel)의 반경, r은 고려했을 때 투과율, D는 코제니(Kozeny)와 카르멘(Carmen)의 방정식(3)으로 표시할 수 있다[스케이데거(A.E. Scheidegger)의 The Physics of Flow Through Porous Media, The Ma㎝illan Co.사 출판(1960년), 68-90페이지 참조]:
D=r2(1-ρ)/20 (3)
식에서 ρ=ρB/ρT는 다공성 매체의 상대 밀도이고, ρB는 벌크 밀도이고, ρT는 이론상의 밀도이다.
△P는 액체를 다공성 매체내로 밀어내는 작용을 하는 구동압력이며, 방정식(4)로 정의된다.
식에서, 2γLVcosθ/r은 모세관 압력이고, Pa는 임의의 외부 압력차(즉, 외부에 가해진 하중)이며, γLV는 액체/증기 표면 에너지이고, cos는 고체-액체 접촉각이다.
cosθ방정식(3)과 (4)를 방정식(2)에 대입시키고, 대입된 방정식을 적분하여 방정식(5)를 구한다.
외부에서 가해진 하중, Pa가 본 발명에 전혀 사용되지 않기 때문에, 방정식(5)는 방정식(6)으로 다시 표시할 수 있다.
일정한 구동 압력하에서 얻어진 물체에 대하여, 침투 깊이는 시간의 제곱근에 비례한다. 방정식(6)을 유도하는 몇몇 방법이 문헌에 소개되어 있다. 본 발명에서, 다공성 매체는 구속층이고, 점성 액체는 피소성기판 중의 유리이다. 실제로, 유리의 점도, 구속층 재료 상의 유리의 접촉각, 구속층의 다공성 및 공극 반경을 시간에 따라서 조정하여 목적하는 침투도를 얻을 수 있다. 또한, 액체/증기 표면 에너지는 다소의 반응성 분위기 중에서 소결시킴으로서 변할 수 있음도 알아야 한다. 제6도는 t=30분 동안 여러 접촉각에 대한 유리 액체 점도(ηL)의 함수로서 침투 깊이를 플롯트한 것이다. 반경(r), 다공층 밀도(1-ρ) 및 액체/증기 표면 에너지(γLV)도 역시 상기한 바의 침투에 영향을 미칠 수 있다.
방정식(6) 및 제6도에 상관관계를 나타낸 바와 같이, 침투는 무기 결합제의 점도 및 접촉각으로부터 예측할 수 있으므로, 이들 두 변수의 조정에 의해 제어할 수 있다. 본 명세서에서 "침투"는 미소성 세라믹 물체중 소결성 무기 결합제 성분의 침투값을 의미하며, 그 값은 상기 방정식에 의해 구해진다.
구속층은 표준 세라믹 테이프 캐스팅법으로 제조한 휘발성 유기매질중에 미립자상 비금속성 무기 고체들로 이루어진다. 구속층내 무기 고체들의 낮은 소결 속도 및(또는) 높은 소결 온도는 휘발 성분 및 기타 가스의 출로로서 구속층에 상호연결된 공극을 유지케 함으로써, 이들 휘발 성분 및 가스가 소성되는 세라믹 부품 및 구속층 모두로부터 분출되도록 한다. 적어도 50℃의 소결 온도차가 적당하다. 조립체는 소결층 및 세라믹 테이프 모두로부터 유기 결합제를 휘발시키고 테이프내 무기 결합제를 소결시키기에 충분한 온도에서 및 시간 동안 소성한다. 소성 처리시 지지용 램(rams)을 통해 세라믹 물체에 외압을 가하는 강제적인 소결은 종래의 벨트로에서는 달성될 수 없는 일이다. 이에 반해서, 본 발명의 공정에서는 외압이 배제되기 때문에, 벨트로와 같은 종래의 소성 장치를 사용할 수 있다. 세라믹 테이프 층들의 소결이 완전히 종결되면, 이 조립체를 냉각시킨다. 이어서, 마무리된 부품의 표면으로부터, 부품의 세라믹 표면이나 또는 전도성 통로에 해를 미치거나 손상을 가하는 일 없이 제진법 또는 초음파 처리에 의해 구속층을 제거할 수 있다.
소결 공정시, 유기 결합제가 구속층 및 소결되는 세라믹 물체로부터 휘발된 후, 구속층은 무기 분말로 된 층으로 존재한다. 소성 처리전 가요성 테이프의 형태에서 구속층의 도포는, 분말로 된 축 늘어진(loose) 층이 세라믹 부품의 표면상에 고르게 분포되도록 하고 구속층이 소결되는 물체의 표면에 밀접하게 부착될 수 있도록 한다.
[세라믹 고체]
유전성 기판은 전형적으로 소결상(결합제) 및 비소결상(세라믹 고체)로 구성된다. 본 발명에 사용할 수 있는 유전성 물체내 세라믹 고체의 조성물은, 세라믹 고체가 계의 다른 재료에 비해 화학적으로 불활성이고 유전성 물체의 무기 결합제 성분에 비해서 적당한 물성을 가지는 한, 그 자체로 크게 문제되지는 않는다. 비소결상 고체는 열팽창 및 유전 상수와 같은 특성을 조정하기 위한 충전제로서 주로 사용된다.
유전성 물체 중 세라믹 고체에 대해 필수적인 기본적 물성은 (1) 이들이 무기 결합제의 소결 온도보다 높은 소결 온도를 가지며, (2) 이들이 본 발명의 소성 단계 도중에는 소결되지 않는다는 것이다. 따라서, 본 명세서에서 "세라믹 고체"는 본 발명의 실시예에 기술되어 있는 소성 조건 하에서 본질적으로 전혀 소결되지 않는 무기 물질, 보통 산화물을 의미한다.
따라서 상기 범주에 속하는 고융점 무기 고체를 유전 테이프의 세라믹 고체 성분으로서 사용할 수 있다. 그 예로는, BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3, PbTiO3, CaZrO3, BaZrO3, CaSnO3, BaSnO3, Al2O3, 금속 카바이드(예, 실리콘 카바이드), 금속 니트라이드(예, 알루미늄 니트라이드), 광물(예, 물라이트, 남정석), 지로코니아 및 각종 실리카와 같은 물질들을 열거할 수 있다. 또한, 고연화점 유리도 세라믹 부품이 충분히 높은 연화점을 갖도록 하므로 세라믹 성분으로서 사용할 수 있다. 더욱이, 상기 물질등의 혼합물도 이들이 도포되는 기판의 열팽창 특성을 조절하기 위하여 사용할 수 있다.
[무기 결합제]
본 발명에서 사용하는 세라믹 물체중에 사용될 수 있는 무기 결합제의 조성물도 또한 그것이 계의 다른 물질에 비해 화학적으로 불활성이고 세라믹 물체 중의 세라믹 고체 및 구속층 중의 비금속성 고체와 관련하여 적당한 물성을 가지는 한 그 자체로 문제되지는 않는다.
특히 중요한 점은 소성시 구속층 내부로 세라믹 물체 중 무기 결합제 성분의 침투가 50㎛를 초과하지 않아야 하며, 바람직하기로는 25㎛를 초과하지 않는 것이 좋다. 침투가 대략 50㎛를 초과하면, 구속층의 제거가 어렵게 될 수 있다. 본 발명이 하기 온도로 한정되지는 않지만, 소성 처리는 통상적으로 최고 온도 800-950℃에서 행해지고, 이 온도에서 적어도 10분 이상 유지된다.
본 발명의 방법에서 사용하는 세라믹 물체 중의 무기 결합제에 바람직한 기본적 물성은 (1) 세라믹 물체중 세라믹 고체의 소결 온도보다 낮은 소결 온도를 가지며, (2) 사용된 소성 온도에서 점성상 소결이 일어나며, (3) 무기 결합제의 습윤각 및 점도가 소성시 구속층내로의 침투를 감지할 수 있을 정도는 아니다라는 점을 특징으로 한다.
무기 결합제, 보통 유리의 습윤 특성은, 구속층 중에 함유된 무기 고체들의 평활면 표면에 대한 소결된 무기 결합제의 접촉각을 측정함으로써 구해진다. 이 방법을 이하에 기재한다.
무기 결합제가 적어도 60°의 접촉각을 가지면, 이는 본 발명에서 사용하기에 충분한 비습윤성을 가진다. 그럼에도 불구하고, 유리의 접촉각이 적어도 70°인 것이 바람직하다. 본 발명의 방법에서, 접촉각이 커질수록, 구속층의 분리 특성은 더욱 향상된다.
일반적으로, 세라믹 미소성 테이프의 무기 결합제 성분이 유리인 경우, 이는 소성 조건에서 결정성 유리이거나 또는 비결정성 유리이어도 무방하다.
무기 결합제의 입경 및 입경 분포는 그리 중요하지 않으며, 입경은 통상적으로 0.5 내지 20미크론이다. 그러나, 보다 큰 입자 및 작은 입자 양쪽 모두의 동 중량부로서 정의되는 무기 결합제의 50%점이 세라믹 고체의 50%점에 일치하거나 또는 그 보다 낮은 것이 바람직하다. 소결 속도는 무기 결합제 대 세라믹 고체의 함량비와 정비례 관계가 있으며, 유리 전이 온도(Tg) 및 무기 결합제의 입경과는 반비례 관계가 있다.
[고분자 결합제]
유리 및 내화성 무기 고체가 분산되는 유기 매질을 고분자 결합제로 이루어지며 그 내부에 용해된 가소제, 박리제, 분산제, 스트립제, 오염 방지제 및 습윤제와 같은 기타 재료를 가져도 무방하다.
보다 양호한 결합 효과를 얻기 위해서는 세라믹 고체 95중량%에 대해 고분자 결합제를 적어도 5중량% 이상으로 사용하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 세라믹 고체 80중량%에서 고분자 결합제를 20중량% 이하로 사용하면 더욱 바람직하다. 이들 한도내에서, 열분해에 의해 제거되어야 하는 유기물의 양을 줄이고 소성시 감소된 수축을 부여하는 양호한 입자 충전을 얻기 위해서는 세라믹 고체에 비해서 결합제를 최소 가능량으로 사용하는 것이 필요하다.
예전에는, 세라믹 테이프용 결합제로서, 예를 들면 폴리(비닐 부티랄), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알코올); 메틸 셀루로오스, 에틸 셀룰로오스 히드록시에틸 셀룰로오스, 메틸히드록시에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스성 중합체 ; 어택틱 폴리프로필렌, 폴리에틸렌; 폴리(메틸 실록산), 폴리(메틸페닐 실록산)과 같은 실리콘 중합체; 폴리스티렌, 부타디엔/스티렌 공중합체, 폴리스티렌, 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리아미드, 고부자량 폴리에테르; 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 공중합체; 폴리아크릴아미드; 및 나트륨 폴리아크릴레이트, 폴리(저급 알킬 아크릴레이트), 폴리(저급 알킬 메타크릴레이트)와 같은 각종 아크릴 중합체 및 저급 알킬 아크릴레이트와 메타크릴에트의 각종 공중합체 및 다중합체 등, 각종중합체 재료를 사용하였다. 에틸 메타크릴레이트 및 메틸 아크릴레이트의 공중합체 및 에틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 및 메타크릴산의 삼중합체는 슬립캐스팅 재료용 결합제로서 예전부터 사용되어 왔다. 최근에, 우살라는 미합중국 특허 제4,536,535호에서 C1-8알킬 메타크릴레이트 0-100중량%, C1-8알킬 아크릴레이트 100-0중량% 및 아민의 에킬렌적 불포화 카르복실산 0-5중량%의 상용성 다중합체로 된 유기 결합제를 공개하였다. 이 중합체는 최소량의 결합제와 최대량의 유전성 고체를 사용할 수 있게 하기 때문에, 이들의 사용은 본 발명의 유전성 조성물로 바람직하다. 이 이유에 대해서는 상기 우살라의 특허 명세서를 본 명세서의 참고 문헌으로 인용한다.
종종, 중합 결합제는 결합제 폴리머의 유리 전이 온도(Tg)를 낮추는 작용을 하는 가소제를 결합제 폴리머에 비해 소량으로 함유한다. 물론, 가소제의 선택은 개질시키고자 하는 폴리머에 의해 일차적으로 결정된다. 각종 결합제계에 사용되어 온 가소제 중에는 디에틸 프탈레이트, 디옥틸 프탈레이트, 부틸 벤질 프탈레이트, 알킬 포스페이트, 폴리알킬렌 글리콜, 글리세롤, 폴리(에틸렌 옥사이드), 히드록시에틸화 알킬 페놀, 디알킬디티오 포스포네이트 및 폴리(이소부틸렌)이 있다. 이들 중, 부틸 벤질 프탈레이트가 상대적으로 소농도에서 효과적으로 사용될 수 있기 때문에 아크릴 중합체계에 가장 빈번히 사용된다.
[테이프 제조]
미소성 테이프는 결합제 폴리머, 가소제 및 용제 중에 분산된 유전성 입자들 및 무기 결합제의 슬러리를 폴리프로필렌, Mylar폴리에스테르 필름 또는 스테인레스강과 같은 캐리어(carrier) 상에 캐스팅시키고, 이 캐스트 슬러리를 덕터 블레이드 밑으로 통과시켜 캐스트 필름의 두께를 조정함으로써 제조된다. 따라서, 본 발명에 사용되는 테이프는 우살라의 미합중국 특허 제4,536,535호에 상세히 기재되어 있는 바와 같은 통상의 방법으로 제조할 수 있다.
본 발명의 방법에 사용된 미소성 테이프는 층들, 정합 홀(hall)들, 및 디바이스 및 칩 부착을 수용하기 위한 기타 관통구(perforation)들의 전기적 상호연결을 위한 비아들을 종종 함유한다. 하지만, 이 테이프가 이러한 관통구들을 함유하지 않는 경우에서도 본 발명의 방법이 X-Y 수축을 줄이는데 유효함을 발견하였다.
경우에 따라서, 테이프는 소성된 테이프에 열전도성 또는 인장강도와 같은 특정 성질을 제공하기 위해 세라믹 섬유와 같은 충전제를 함유해도 좋다. 본 발명이 세라믹 테이프 층들로 제조한 세라믹 물체의 소성 방법에 대해서 주로 개발되었고 그 내용을 상기에 기술하였지만, 본 발명은 또한 소성시, 캐스트 또는 성형된 세라믹 부품과 같은 외짝으로 된 형태(odd-shaped)의 비평면상 물품의 X-Y 수축을 줄이는데 사용할 수 있음을 알아야 한다.
[구속층]
본 발명의 방법에 사용하는 구속층은 고상 유기질 고분자 결합제중에 분산된 비금속성 입자들로 이루어진다. 상기한 바와 같이, 구속층 중의 비금속성 입자는 소결 조건에서 피소결 기판의 무기 결합제보다 느린 소결 속도를 가지며, 구속성 물질상의 무기 결합제의 습윤각 및 무기 결합제의 점도가 구속층 내로의 결합제 침투를 상기 범위내에 있도록 하는 것이면 바람직하다. 따라서, 구속층 중의 무기 고체 성분의 조성은 상기한 기준을 만족시키는 한 문제되지 않는다. 비금속성 무기 물질 중, 소성시 소결되지 않으며, 구속 테이프상에 소성되는 세라믹 물체(부품)중 무기 경합제의 습윤각 및 세라믹 물체 중 무기 결합제의 점도가 소성 공정시 무기 결합제의 소결이 진행됨에 따른 구속층내로의 무기 결합제 침투의 바람직한 범위내에 있는한 비금속성 무기 물질을 어느 것이나 사용할 수 있다. 구속층에 사용되는 무기 비금속성 고체가 세라믹 물체에 사용되는 것들과 동일하여도 무방하지만, 바람직하기로는, 물라이트, 석영, Al2O3, CeO2, SnO2, MgO, ZrO2, BN 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 좋다. 그러나, 유리질 물질은 이들의 본 발명에 따라 소성될 때 소결되지 않도록 충분히 높은 연화점을 제공하는데 사용할 수 있다.
구속층은 가용성 테이프, 후막 페이스트, 분무, 함침, 롤 등의 형태로 도포할 수 있다. 구속층이 도포되는 형이 상관없이, 구속층은, 세라믹 물체 표면에 대한 밀접한 부착을 달성하여 구속층/세라믹 물체 계면에서 임의의 간극(틈) 크기를 줄이고, 바람직하게는 최소화시키고, 계면에서의 임계 응력값을 증가시키기 위해서는 반드시 가요성이어야 한다. 일반적으로, 미소성 세라믹 테이프에 적합한 동질의 결합제 폴리머는 테이프로서 도포될 때의 구속층에 적합할 것이다.
본 명세서에서, "후막" 및 "후막 페이스트"는 유기 매질 중의 미분 고체들의 분산물을 의미하며, 이 분산물은 페이스트 농도로 있고, 이들을 통상의 스크린 인쇄법으로 도포할 수 있게 만드는 레올로지를 가진다. 분무, 함침 또는 롤 코팅에 적합한 농도 및 레올로지를 갖는 다른 분산물도 또한 사용할 수 있다. 이와 같은 페이스트용의 유기 매질은 일반적으로, 소성 공정시 완전히 열분해 될 수 있는, 액상 결합제 폴리머 및 용제 중에 분산된 각종 레올로지제로 이루어진다. 이와 같은 페이스트는 특성면에서 저항성이거나 또는 전도성이며 일부분 경우에는 유전성일 수도 있다. 이와 같은 조성물은 기능성 고체가 소성시 소결되느냐의 여부에 따라 무기 결합제를 함유하거나 함유하지 않을 수 있다. 또한, 후막 페이스트에 사용된 유형의 종래의 유기 매질도 구속층에 적합하다. 적합한 유기 매질 재료에 대한 더욱 상세한 내용은 우살라의 미합중국 특허 제4,536,535호에 기재되어 있다.
고분자 분해 산물의 출로를 제공하기 위해 구속층내에 상호연결된 공극을 확실하게 형성하기 위해서는, 이 구속층 내에 개개 입자간의 공극 탈출 채널(공동 또는 공극 구조)는 크기가 충분해야 하고 가열 처리시에 개방 상태를 유지해야 한다. 공극 채널이 가열시 개방 상태를 유지하기 위해서는 전술한 바와 같이 구속층의 소결률이 소결되는 세라믹 부품의 소결률보다는 작아야 한다. 구속층의 공극구조는 구속층 내부의 특징적인 입자 배열 또는 조립에 의해 결정된다. 층내 입자의 배열 또는 패킹은, 고체의 용적분률, 고체의 입자 크기, 크기 분포 및 모양, 초기 캐스팅에서의 입자의 분포도, 캐스팅의 건조 특징, 층이 합침 슬러리법 또는 분무 슬러리법에 의해 도포지는지의 여부, 및 층이 어떻게 도포되는가 등등을 포함한 여러인자에 의해 영향을 받는다. 또한 중합체 매트릭스를 함유하는 테이프, 분무 또는 함침층에 있는 공극 또는 공동 구조는 중합체를 열분해한 후의 층내 구조와는 거의 다를 것이다. 앞서 말한 조건을 염두에 두면 입자를 고체 약 90부피%의 벌크 밀도까지 패킹시킬 수 있다. 한편 고체 약 10부피%의 벌크 밀도에 대한 하한(lower limit)은 층의 X-Y 압축 응력 용량이 심각하게 파괴되지 않고 또한 유리가 층내로 상당히 침투되지 않으면서도 충분히 큰 공극 패널을 제공할 수 있도록 실시되는 정도이어야 한다.
[공정 변수]
본 발명의 방법의 본질적 특징은 구속층이 기판 표면에 밀착되게 합치된다는 점이다. 구속층이 가용성 시트로서 도포되었을 때 이 시트를 미소성 유전 테이프 패키지로 적층시킴으로써 밀착된 합치성을 얻을 수 있다.
본 발명의 방법에 대한 소성 주기는 세라믹 물체 및 구속층 양쪽 모두에 함유된 고체의 적절한 물리적 특징이 요구되며 또한 이 재료가 소성되는 오븐 또는 가마의 열 처리 속도 능력에 의해서 제한된다. 다수의 응용에 사용될 수 있는 전형적인 회분식로 소성 주기는 조립체를 3℃/분의 속도로 600℃까지, 5℃/분의 속도로 최고 온도 850℃까지 가열하고, 이 조립체를 30분 동안 최고 온도에서 유지시킨 후 가열로를 꺼버림으로써 냉각시키는 것으로 이루어진다. 통상의 설비에서는 재료의 소성 특징이 사용되는 로 또는 가마의 기능에 적합한 소성 방식을 선택한다. 물론, 소성을 회분식, 간헐식 또는 연속식 중 어떤 형식으로도 행할 수 있다.
소성 공정이 완료되면, 구속층은, 건조한 다공층 형태가 되는데, 이 층에서는 소정 도중 유기 결합제가 휘발하고 층내의 입자는 소결되지 않았기 때문에, 입자는 반데르발스 힘에 의해 약하게 한데 모여있을 뿐이다. 이 층의 일체 강도는 거의 없기 때문에 솔로 털어서도 층을 쉽게 제거할 수 있다. 그럼에도, 소성된 구속층의 제거는 매우 미약한 기계적 에너지의 필요에 의해 특징지워지며, 종래 공정에서처럼 고온 가압법을 사용한 연삭 처리는 반드시 필요치는 않다.
본 발명은 저항기 또는 전도선 또는 이들 둘 다와 같은 후막 전기적 기능 패턴으로 1개 이상의 유전층이 인쇄되어 있는 복잡한 다층 부품을 제조하는데 종종 사용된다. 바로 그 경우인 경우, 유전성이며 전기적 기능을 가진 층은 계속적으로 소성할 수 있거나 공소성할 수 있다. 또한, 다수 성분들로 이루어진 부품을 단일 모놀리스로 수직으로 쌓아올려 소성할 수 있다. 이러한 모놀리스에서, 구속층은, 제3도에 나타낸 바와 같이 각 부품이 상하세라믹 표면에 대해 밀착된 합치성을 가지는 구속층을 갖도록, 각 부품과 모놀리스의 상하부 사이에 놓는다. 모놀리스로 조립된 단일 다층 부품 뙤는 다중 다층 부품을 소성하든지 간에, 소성온도 프로필 및(또는) 유전층 및 전기적 기능 층의 성분은 모든 층의 유기 매질이 완전히 휘발되고 각 층의 무기 결합제는 양호하게 소결되도록 선택되어야 한다. 예로는, 예로서, 후막 금속화의 전도상도 역시 소결되어야 할 필요가 있을 수 있다. 이러한 상대 특성을 갖는 성분을 선택하는 것은 물론 후막 기술계의 기술 범위내에 속한다.
또한, 본 발명은 미리 소성된 경질 세라믹 기판 상에 다층 유전 테이프층과 후막 전도성 페이스트로 이루어진 다층 부품을 소성할 수 있다. 이들 부품의 층은 앞에서 논의한 바와같이, 유전층에서 우수한 X-Y 칫수 안정성을 유지하면서 1회의 단계로 공소성하거나 또는 순차적으로 소성할 수 있다.
경질 기판상에 유전 테이프의 다중 층을 공소성할 수 있다는 점은 몇가지 이유로 매력적이다. 이 경질 기판이 알루미나 등과 같은 고강도 물질로 만들어졌다면 기계적인 지지력을 제공할 수 있다. 경질 기판이 AlN 또는 베릴리아 등과 같은 높은 열전도성 물질로 만들어졌다면 전자 패키지로부터 열을 제거하는 방법을 제공한다. 또한, 그 밖의 재질, 예컨대 Si 또는 기타 유전성 물질로 만들어진 경질 기판도 잠정적으로는 매력적이다. 다중층을 공소성할 수 있으므로 소성 단계 수가 감소됨으로써 비용을 절감하는 효과가 있다.
경질 기판 상에 유전 테이프를 공소성할 수 있다는 점은 그 패키지의 다층 유전 테이프 부위가 통상의 방법으로 형성될 수 있으므로 기타 TOS법(Tape on Substrate Method)에 대해 잇점을 갖는다. 유전성을 재단후 후, 전도체 또는 다른 유전성 물질로 인쇄하고, 비아를 충전시킨 후 층을 쌓아올려 통상의 다층법으로 적층시킨다. 이어 구속층을 미소성 유전 테이프의 표면에 도포한다. 구속층을 테이프 형태로 사용하는 경우(바람직한 양태임), 구속층과 유전 테이프 사이에 밀착된 합치성을 얻을 수 있도록 구속층을 미소성 유전 테이프의 노출 표면에 적층시킨다. 유전 테이프 경질 기판 및 구속층 테이프를 함께 1회의 공적층 단계로 적층시키거나, 순차적으로 적층시킨다. 순차 적층에 대해서는, 유전성을 먼저 경질 기판에 적층시킨 다음 구속층 테이프를 이미 적층된 기판/유전 테이프 적층물에 적층시킨다. 동시 적층에 대해서는, 경질 기판, 유전 테이프 및 구속층 테이프를 모두 동일 단계에서 적층시킨다. 구속층이 페이스트 또는 분무제 형태로 도포되면, 유전 테이프 및 경질 기판을 먼저 함께 적층시키고 그 후에 구속층 물질을 적절한 형태로 도포한다. 기타 충적법 및 적층법들도 가능하며, 이들 방법의 선택 및 실행은 당 업계의 숙련자에게는 용이한 일이다.
적층 후, 경질 기판, 유전 테이프 패키지 및 구속층 전체를 공정에 따른 하나의 단계에서 소성한다. 비아충전 여부는 이 방법에서 문제되지 않는다.
순차적으로 소성되는 패키지를 위하여, 경질 기판, 유전 테이프 및 구속층 복합체를 구성하여 상기한 바와같이 소성할 수 있지만, 그러나 여기에 유전 테이프로 된 추가 층들을 이미 소성된 패키지에 덧붙여서 적층시킬 수도 있다. 이 경우, 이미 소성된 경질 기판/유전 테이프 패키지는 경질 기판으로서 작용하며, 이 기판상으로 유전 유테이프 및 구속층 물질을 도포하여 추가 유전 테이프층들을 쌓아올린다.
열전도성 경질 기판 및 고강도 경질 기판은 혼성 응용에 매우 적합하다. 고출력 IC 칩 응용에 적합한 배열은 캐비티를 유전 테이프에 압입하고, 이 캐비티를 경질 AlN 기체상에서 본 발명에 따라 공소성하고, 이어서 캐비티 중에 집적된 회로 칩을 AlN 상에 직접 탑재시키는 것이다. 이어서, 캐비티 상에 뚜껑을 부착하여 캐비티를 밀봉시킨다. 경질 AlN 기판은 기계적 지지체를 제공하며 패키지로부터 열을 제거하는 작용을 한다. 칩이 탑재되는 유전성 물질의 캐비티 또는 벽의 제공 개념은, 이것이 패키지 집적의 수준을 증대시키기 때문에 매력적이다.
경질 기판 상의 유전 테이프로 된 층들을 공소성하는 능력은 경질 기판, 유전 테이프 및 구속층 물질간의 열팽창 부정합에 의해 제한된다. 적층 복합체의 재료들 사이의 열팽창 부정합이 커지면, 재료들간의 계면에서 열처리 중에 좌굴을 유발할 수 있는 결함이 발생할 수 있다. 또한, 혼성 도포에 대해서는 테이프 층들이 평면 표면에 부착될 수 있도록, 경질 기판의 적어도 한 면을 평평하게(평면으로)하는 방법이 필요하다.
본 발명의 세가지 실시태양을 제1도 내지 제3도에 나타낸다. 이들 실시태양은 본 발명의 조립체를 설명하나, 본 발명이 이들로 한정되지는 않는다.
제1도는 가요성 구속층이 세라믹 테이프 부품의 양면에 부착되는 본 발명의 방법에 따른 성분들의 배열을 도시한 개략되이다.
미소성 세라믹 테이프 부품(5)(금속화의 유무는 중요치 않음)의 양면에 가요성 구속층(3) 및 (3a)를 적층시켜서 구속층들이 부품의 표면에 빈틈없이 부착되도록 한다. 이와 같이 하여 적층된 세라믹 부품을 로벨트(1)상에 배치함으로써 통상의 로에서 소성할 수 있다.
제2도는 가요성 구속층이 세라믹 테이프 부품의 단지 한면에만 부착되는 본 발명의 방법에 따른 성분들의 배열을 도시한 개략도이다.
미소성 세라믹 기판(7)(금속화의 유무에 관계없이) 및 미소성 세라믹 테이프 부품(금속화의 유무에 관계없이)을 정렬하여 함께 적층시킨다. 기용성 구속층(3)은 별도로 세라믹 테이프 부품(5)의 노출면에 적층시킬 수 있거나 또는 전체 3가지 성분들, 즉, 구속층(3), 테이프 부품(5) 및 에비 소성된 기판(7)을 함께 적층시킬 수 있다. 이어서, 이 조립체를 로벨트(1)상에 배치함으로써 통상의 로에서 소성한다.
제3도는 다수(n)의 세라믹 부품들이 n+1개의 구속층들과 교대로 정렬되어 모놀리스를 형성하는 본 발명의 각종 성분들의 배열을 나타낸 개략도이다. 이 도면에서, n은 3이다. 그러나, n은 임의의 양의 정수일 수 있다.
미소성 세라믹 테이프 부품(금속화의 유무에 관계없이)(5a), (5b) 및 (5c)를 가요성 구속층(3a), (3b), (3c) 및 (3d)와 교대로 정렬시킨다. 모두 갖추어진 조립체를 한번에 적층시킬 수 있거나 또는 몇개의 작은 조립체(subassembly)로 나누어 적층시켜서 완전한 조립체를 형성할 수 있다. 예를들면, 먼저 세라믹 테이프 부품(5a) 및 구속층(3a)를 적층시킨다. 이어서, 이 조립체에 구소층(3b) 및 조립체의 다른 충들을 다시 적층시킨다. 별법으로, 세라믹 테이프 부품(5a) 및 구속층(3a), (3b)와 같은 소단위 조립체를 정렬하여 적층시킨다. 어어서, 세라믹 테이프 부품(5b), (5c) 및 구속층(3c), (3d)와 같은 두 번째 소단위 조립체를 정렬하여 적층시킨다. 그 다음, 처음 조립체와 두 번째의 조립체를 정렬하여 적층시킨다. 적층 후, 조립체 또는 모놀리스를 로벨트(1)상에 배치함으로써 통상의 로에서 소성한다.
[실시예]
[실시예 1-9]
다음의 일련의 실혐을 행하여 본 발명의 방법이 소성 도중 일어나는 급격한 수축을 없애고 칫수 간격이 꼭맞는 다층 패키지를 조립하기 위한 방법을 제공함을 알았다. 이 실시예는 본 발명의 방법으로 정확한 선칫수를 조절할 수 있음을 나타낸다. 본 연구에서 측정된 시료는 Du Pont Green TapeTM(유전 상수 약 6)로부터 제조하였다. 소성 중 선 칫수 변화를 측정하는데 사용된 기술도 살펴보았다.
모놀리스 미소성 다층 물체를 제조하는데 있어서 유전 테이프의 블랭크층을 절삭하고 이 절삭된 층을 저온(예,70℃) 저압(예,3000psi)하에서 적층시키는 단계를 포함하는 표준 다층 Du Pont Green TapeTM가공 기술에 따라 시료를 제조하였다. 다음에 설명될 일례로, 금속 전도체 페이스트를 적층 공정 전에 테이프층에 스크린 인쇄하였다. 또 다른 일례로, 구속 테이프층을 적층 공정 전에 다층상 적층 구조물의 상부 및 하부에 도포하였다. 다른 예로는, 유전층을 구속층없이 먼저 적층하였다. 이러한 예에서는 적층된 유전층의 상부 및 하부에 구속층을 간단히 도포하고, 이 적층 구속물 전체를 구속층이 접착될 때까지 또다시 적층화하였다.
표 1의 실시예 1내지 5의 5.08㎝×5.08㎝(2"×2") 크기 시료는 7.62㎝×7.62㎝(3"×3") 크기의 평면 블랭크 8개로부터 제조하였다. 금속화 공정이 도입된 시료에 대해서는 이 8개 충중 2개 또는 6개를 Du Pont 6142 Ag 전도체 금속화물로 크로스햇치(c개sshatch)형 시험 패턴이 되도록 스크린 인쇄하였다. 이 시험 패턴은 고밀도 전도체 패턴을 반복하도록 디자인되었다.
실시예5에서, 금속을 인쇄된 각각의 층의 표면 절반에만 도포하였다. 3mil 두께의 구속 테이프 4개 층을 각 적층 구조물의 상부 및 하부에 도포하여, 테이프층은 총 16개 층이 되도록 하였다. 16개층 모두를 3000psi, 70℃에서 10분 동안 함께 적층한 다음, 이를 5.08㎝×5.08㎝ 크기로 재단하였다. 미소성 구속층 테이프/회로 부품을 평활한 비다공성 알루미나 세터(setter)상에 배치하여 275℃에서 1시간 동안 소성하였다. 이 부품을 세터에서 제거하지 않은채로 부품을 벨트로에 통과시키고 850℃에서 소결하였다. 냉각 후 구속층은 털어내어 제거하였다.
표 1의 실시예 6내지 9의 12.7㎝×12.7㎝(5"×5") 크기 시료는 12.7㎝×12.7㎝의 평면 유전 블랭크로부터 제조하였다. 실시예 6 및 7에서, 3개 층의 구속 테이프를 적층 구조물의 상부 및 하부 양쪽에 가한 후 적층하였다. 이러한 14개 층의 테이프를 표시된 압력으로 70℃에서 10분 동안 적층하였다. 실시예8 및 9에서는 8개의 유전층을 각각 3000psi 및 1000psi에서, 70℃로 5분 동안 우선 이들만으로 적충한 다음, 구속 테이프 3개 층을 이들 각각의 상부 및 하부 모두에 가하고, 이러한 14개 층으로 된 테이프 부품을 70℃ 3000psi에서 추가 5분 동안에 두 번째로 적층하였다.
다층 패키지에 요구되는 허용량에 부합되는 소성중의 선 칫수 변화를 정밀하게 측정하기 위하여, 사진 석판법을 사용하여 1mil 선 폭, 25-28 Au(Å) 크로스(cross)의 비교적 고해상 패턴을 간단한 매트릭스중의 블랭크화 유전 테이프층 표면에 놓았다. 이와 같이 표식된 유전층은 각 시험 부품의 상부 유전층이 되었다. 크로스의 매트릭스는 소성 전후에 자동 이동 광학 현미경으로 검사하였다. 이 매트릭스내의 개개 크로스 위치는 컴퓨터로 숫자화되어 기록되었다. 정확하게 X-Y 좌표를 컴퓨터를 사용하여 매트릭스를 영상화하고 사료 표면상의 임의의 개개 크로스 사이의 선 간격을 +/- 0.2mil의 정밀도로 계산하였다. 총 300 내지 378개의 선 칫수 변화를 표1에 나타낸 9개의 시료 구조 각각에 대해 측정하였다.
표 1은 평균 선 칫수 변화를 나타내는데, 이중 △1/lo에서 △l은 소성의 결과로 일어난 선택된 두 크로스 햇치간의 선 간격 변화를 나타내며, lo는 그 두 크로스햇치간의 초기 선 간격이다. "교번"이란 용어는 시료내의 각 테이프층에 배향을 뜻한다. 덕터 블레이드 캐스팅 중, 입자는 소성시 수축에 영향을 미치는 것으로 밝혀진 기계 캐시팅 방향으로 정렬되는 경향을 갖는다. 그러므로 캐스팅 효과를 최소화하기 위해 개개 테이프의 캐스팅 방향을 번갈아 교번되도록 하는 것이 흔히 바람직하다.
[표 1]
이들 부품에서 측정된 미소한 칫수 변화는 대부분 물체의 열챙창 효과 및 구속층 밀집 효과로 인한 것으로 소결에 의한 것은 아니다. 이 결과는 여러 시료 구조에 대한 소성 중 수축이 사실상 제거되고 선 칫수는 예전에는 얻을 수 없었던 정밀도로까지 조절할 수 있다는 것을 보여준다. 또 이 결과로부터, 시료의 기하학적 조건 및 금속화 밀도가 수축 경향에 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 비교를 목적으로, 통상의 소결하지 않은(즉, 구속이 없는) 다층 Du Pont Green TapeTM부품은 △l/lo 값이 0.12이고, 표준 편차가 +0.002로, 이 제품의 수축은 부품의 기하학적 조건 및 전도체 금속 밀도에 의해 크게 영향을 받는다. 본 발명은 가공시에 위와 같이 꼭 맞는 칫수 간격을 제공하기 때문에 이 기술에 의해 다층 부품을 제작할 경우 칫수 조절이 중요한 문제가 되지는 않는다.

Claims (36)

  1. (a) 휘발성 고체 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 세라믹 고체들과 소결성 무기 결합제의 혼합물로 이루어지는 미소성 세라믹 물체를 제공하고, (b) 휘발성 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체들로 이루어지는 가요성 구속층이 상기 미소성 세라믹 물체에 빈틈없이 들어맞고 세라믹 물체의 소결성 무기 결합제가 구속층내에 50㎛ 이하로 침투되도록 구속층을 미소성 세라믹 물체의 표면에 도포하고, (c)는 상이 세라믹 물체와 구속층 모두로부터 고분자 결합제의 휘발과 구속층내에 상호 연결된 공극 형성과 세라믹 물체내 무기 결합제의 소결을 달성할 수 있는 충분한 온도 및 시간 동안 상기 조립체를 소성하고, (d) 소성된 조립체를 냉각하고, (e) 소결된 세라믹 물체의 표면으로부터 다공성 구속층을 제거하는 일련의 단계들로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 세라믹 물체의 소성시 X-Y 수축을 줄이는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 무기 결합제가 결정화될 수 있는 무정형 유리인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 무기 결합제가 무정형 유리질 유리인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 구속층의 비금속성 고체에 대한 무기 결합제의 접촉각이 60°보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 소결성 무기 결합제의 1×105포아즈 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 소성된 구속층의 상호 연결된 공극 부피가 소성된 구속층의 전체 부피의10% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 구속층내 비금속성 무기 고체의 소결 온도가 세라믹 물체내 무기 결합제의 소결 온도보다 50℃ 이상이 높은 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 세라믹 물체내 무기 결합제의 소결 온도가 600-900℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 구속층내 비금속성 무기 고체가 세라믹 고체인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 구속층내 세라믹 고체가 물라이트, 석영, Al2O3, CeO2, SnO2, MgO, ZrO2, BN 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 세라믹 물체와 구속층에 있는 세라믹 고체가 동일 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 구속층이 미소성 세라믹 물체에 적층되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 세라믹 물체가 1층 이상의 미소성 세라믹 테이프로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 미소성 세라믹 테이프내 세라믹 고체가 Al2O3, SiO2및 이들의 혼합물 및 전구 물질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 미소성 세라믹 테이프의 세라믹 고체와 무기 결합제 함량이 미소성 세라믹 테이프의 30-70 부피%이고, 구속층의 비금속성 무기 고체 함량이 소성된 구속층의 10-90 부피%인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 미소성 세라믹 테이프와 구속층에 있는 고체의 평균 입경이 1-20 미크론이고, 입경 1 미크론 미만의 입자들이 30 부피% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 미소성 세라믹 테이프가 소성 단계 이전에 예비소성된 평면상 세라믹 기판에 적층되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 미소성 세라믹 테이프가 평면상 세라믹 기판의 양면에 적층되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 기판의 적어도 한 표면이 전도성 패턴을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 예비소성된 평면상 세라믹 기판이 Al2O3, AlN 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제13항에 있어서, 후막 전도성 패턴을 구속층의 제거후 소성된 테이프에 도포하고, 이 패턴을 소성하여 이로부터 유기 매질을 휘발시키고 내부의 전도성 고체를 소결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 패턴내 전도성 물질이 귀금속이거나 또는 그의 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 귀금속이 금, 은 팔라듐 또는 그의 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 패턴내 전도성 금속이 구리 또는 그의 전구 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제13항에 있어서, 미소성 세라믹 테이프의 적어도 한층 상에 후막상 전기적 기능 페이스트의 미소성 패턴을 인쇄하여 이 조립품을 공소성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 후막상 전기적 기능 페이스트가 전도체인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 후막상 전기적 기능 페이스트가 저함기인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. (a) 휘발성 고체 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 세라믹 고체들과 소결성 무기 결합제의 혼합물로 이루어진 한층 이상의 세라믹 테이프로 구성되는 미소성 세라믹 물체 n개와 휘발성 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체들로 이루어진 가요성 구속층 n+1개를 번갈아 배열하여, 각각의 구속층을 제각기 인접한 세라믹 물체의 표면에 빈틈없이 합치시키되, 세라믹 물체 중 소결성 무기 결합제의 구송층내 침투가 50㎛ 이하가 되도록 모놀리스(monolith)를 제공하고, (b)세라믹 물체(들) 및 구속층들로부터 고분자 결합제의 휘발을 달성하고 구속층내에 상호 연결된 공극을 형성하며 세라믹 물체의 무기 결합제를 소결시키기에 충분한 온도에서 및 시간 동안에 모놀리스를 소성하고, (c) 소성된 모놀리스를 냉각하고, (d) 소결된 세라믹 물체(들)의 표면으로부터 다공성 구속층들을 제거하는 일련의 단계들로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 세라믹 물체의 소성시 X-Y 수축을 줄이는 방법.
  29. 표면에 도포되어 치밀하게 합치된, 휘발성 고체 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체들로 이루어진 가요성 구속층을 갖는, 휘발성 고체 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 세라믹 고체들과 소결성 무기 결합제의 혼합물로 이루어지며, 세라믹 물체 중 소결성 무기 결합제의 구속층내 침투가 50㎛ 이하인 복합 미소성 세라믹 물체.
  30. (a) 휘발성 용기 용제 중에 분산된 고체 고분자 결합제로 이루어진 휘발성 유기 매질 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체들로 이루어지는 미소성 세라믹 물체의 적오도 한쪽 표면에 구속층이 세라믹 물체의 표면(들)에 빈틈없이 합치되고 세라믹 물체 중 소결성 무기 결합제의 구속층내 침투가 50㎛ 이하가 되도록 휘발성 고분자 결합제 중에 분산된 미립자상 비금속성 무기 고체들로 이루어지는 구속층을 도포하는 단계, (b) 유기 용제를 증발에 의해 제거하는 단계로 이루어지는 제29항의 복합 미소성 세라믹 물체를 제조하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 구속층이 세라믹 물체의 표면(들)에 적층되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제29항에 있어서, 그의 적어도 한쪽 표면이 그 위에 인쇄된 후막상 전기적 기능 페이스트의 미소성 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 미소성 세라믹 물체.
  33. 제32항에 있어서, 후막상 패턴이 세라믹 물체의 구속층면(들)상에 인쇄되는 것을 특징으로 하는 복합 미소성 세라믹 물체.
  34. 제33항에 있어서, 후막상 패턴이 전도체인 것을 특징으로 하는 복합 미소성 세라믹 물체.
  35. 제33항에 있어서, 후막상 패턴이 저항기인 것을 특징으로 하는 복합 미소성 세라믹 물체.
  36. 제32항 또는 제33항에 있어서, 그 위에 인쇄된 저항기 및 전도체 패턴들을 모두 갖는 것을 특징으로 하는 복합 미소성 세라믹 물체.
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