KR100289959B1 - 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온동시소성세라믹 (LTCC: Low Temperature Cofired Ceramic)의 내장 커패시터 제조방법에 관한 것으로, 그린시트 상에 원하는 형상의 하부전극을 프린팅하고, 고온소결된 유전체를 상기 하부전극의 크기보다 작은 크기 및 소정의 두께로 절단하여 상기 하부전극의 상부에 정렬시켜 유전체층을 형성한다. 상기 유전체층의 상부에 상기 유전체층의 크기보다 작은 상부전극을 프린팅하고, 그린시트를 소정의 회로소자가 프린팅된 또다른 그린시트들과 적절히 적층하여 레미네이션한다. 이 그린시트들을 저온에서 동시소성하여 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터를 제조함으로써, 그 유전층으로서 고온에서 이미 소결된 유전체를 사용하므로 저온소성시 필요한 소결보조재가 필요없으며, 따라서 자체의 유전율이 높은 유전층을 이용할 수 있게 되므로 작은 부피에도 높은 커패시턴스값을 얻을 수 있고, 핀홀등의 발생이 억제되며, 또한 레미네이션된 그린시트들에 대한 저온동시소성공정중 그린시트의 조성과 유전체가 반응을 일으키지 않게 되므로 커패시터의 커패시턴스값이 일정하게 되며 따라서 원하는 커패시턴스값을 획득할 수 있게 된다.

Description

저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법

본 발명은 저온동시소성세라믹(LTCC: Low Temperature Cofired Ceramic)의 내장 커패시터 제조방법에 관한 것으로, 특히 미리 소결된 유전체를 사용함으로써 전기적 및 열적 성질이 우수한 커패시터를 제조하기 위한 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법에 관한 것이다.

최근에, 전자기기의 소형화, 경량화, 고밀도화 및 고신뢰성화의 추세에 따라 반도체는 고집적화, 다기능화, 고속화, 고출력화, 및 고신뢰성화가 필수적으로 요구되고 있으며, 이에 따라 종래의 알루미나 기판 재료에 비해 더욱 고 기능화된 세라믹 기판이 사용되고 있다. 이와 같이 종래의 알루미나를 능가하는 고기능화된 세라믹 기판 재료로 사용되기 위해서는 특히 저온 소결성이 요구되고 있다.

세라믹 기판에 저온 소결성이 요구되는 이유로는 알루미나와 같이 소결 온도가 높은 경우(약 1500℃), 제조 단가의 상승이 불가피하며 배선 재료와 함께 동시 소성할 때 도체 재료로 융점이 높은 W 및 Mo 등을 사용해야 하기 때문이다. 그리고, 이같은 고융점의 금속들은 그 고유 저항값이 높기 때문에 회로의 배선 저항이 높아져 회로의 전송 손실을 고려할 때 배선 패턴의 미세화에 한계가 있어 결국 집적회로의 고밀도화를 이룰 수 없게 된다.

따라서, 세라믹 기판에서 배선이 고밀도화와 반도체의 고속화를 달성하기 위하여는 배선 재료를 고려해야 한다. 이러한 점들을 고려할 때 저항이 낮고 가격도 저렴한 배선 재료로는 구리를 들수 있는데 구리는 용융온도가 1050℃이기 때문에 구리를 배선 재료로 사용하기 위해서는 1000℃ 이하의 저온에서 기판 재료를 소결할 수 있어야 한다.

통상적으로 LTCC 기판은 다음과 같은 공정을 거침에 의하여 제작된다.

먼저, 기판 재료로 각각의 그린시트를 준비한다. 이 그린시트를 구성하기 위한 재료로서는, 충전재(filler)로 사용되는 세라믹과 글래스 시스템의 복합체로 형성된 재료, 또는 충전재로 사용되는 세라믹과 글래스-세라믹 시스템의 복합체로 형성된 재료를 사용한다. 일반적으로 충전재/글래스 시스템보다 충전재/글래스-세라믹 시스템의 경우에 기계적강도가 훨씬 우수하다. 상기와 같은 조성의 충전재/글래스-세라믹이 혼합된 분말에 접합제(binder), 가소제(plasticizer), 및 용제(solvant) 등을 혼합하여 닥터블레이드(doctor-blade) 방법에 의하여 건조두께가 100~200μm 정도의 그린시트를 형성한다.

다음, 적층시 각각의 층에 해당하는 그린시트 상에 모듈회로도에 따라 적절한 위치에 비아(via)를 펀칭하여 형성한 후 스크린 프린팅 방법으로 비아의 공간을 충전시킨다.

그 후, 각각의 층에 해당하는 그린시트 상에 모듈회로도에 따라 저항, 컨덕터, 커패시터, 인덕터 등과 같은 회로소자를 스크린 프린팅한 후, 레미네이션 작업에 의하여 인쇄된 그린시트를 각 해당 층에 적절하게 적층시켜 적층체를 만든다.

그리고, 이 적층체를 1000℃ 이하, 바람직하게는 약 850℃ 정도의 온도에서 동시소성하여 원하는 LTCC 기판을 완성한다.

그러나, 이러한 LTCC기판은 그린시트 적층체의 동시소성시 글래스세라믹의 특성인 소성수축에 의하여 기판의 변형이 발생하므로 정확한 회로패턴의 구현이 어렵다.

따라서, 소성시 그린시트의 수축을 방지하기 위한 한 방법으로 그린시트 적층체 하부에 Cu/SUS/Cu, Cu/Invar/Cu, Cu/Kovar/Cu, Invar, Kovar등과 같은 금속 기판을 사용하여 세라믹과 금속을 접합시킴으로써, 이 접합력으로 그린시트 적층체의 소성수축을 방지하여 LTCC-M (Low Temperature Cofired Ceramic on Metal : 금속상 저온동시소성세라믹) 기판을 완성한다.

소성시 그린시트의 수축을 방지하기 위한 또다른 방법으로 그린시트 적층체 하부에 Al₂O₃AlN, Si₃N₄등과 같은 세라믹기판을 접합시킴으로써, 이 접합력으로 그린시트 적층체의 소성수축을 방지하여 LTCC-C (Low Temperature Cofired Ceramic on Ceramic : 세라믹상 저온동시소성세라믹) 기판을 완성한다. 세라믹을 기판으로 사용하는 경우, 금속 기판에서 필요한 도금, 산화 및 소성공정을 생략할 수 있다.

이어, 완성된 LTCC 기판을 절단기를 사용하여 그 내부에 형성된 각각의 회로에 따라 그 경계를 절단하여 각 회로의 부품을 제조하게 된다. 따라서, 한번의 공정을 통해 다수의 회로 부품을 제조할 수 있게 된다.

그런데, 상기한 바와 같은 LTCC, LTCC-M, LTCC-C 의 제조시 그린시트의 소성온도가 1000℃ 이하로 낮은 온도에서 제작되게 된다. 이러한 낮은 온도에서의 소성작업은 기존의 높은 온도에서의 소성작업에 비하여 내부소자, 특히 커패시터 등과 같은 내부소자의 각 구성성분의 소성조건에 적합하지 않으므로 소자의 전기적 및 열적 성질이 저하되는 원인이 되었다.

보다 구체적으로 말하면, 커패시터는, 그린시트 상에 스크린프린팅 작업에 의하여 먼저 전극을 프린팅하고, 그 상부에 유전체 페이스트를 스크린프린팅한 후 건조시키고, 상부 전극을 스크린프린팅하여 형성한다. 그 후 각각의 그린시트를 적층하여 동시소성함으로써 내장된 커패시터를 완성한다.

이 때, 보통 유전체 페이스트의 소성은 1300℃ 내외 또는 그 이상에서 이루어지므로 1000℃ 이하에서 소결되도록 하기 위하여는 소결 보조재로서 프릿 글래스(frit glass)가 첨가되는 데 이러한 성분들은 유전율이 낮으므로 커패시터의 커패시턴스값을 저하시키는 원인이 되었다. 또한, 커패시터의 유전층의 이러한 첨가제는 동시소성시 핀홀의 발생을 증가시키므로 유전층의 두께를 얇게 할 경우 에러가 발생할 확률이 높아졌다. 뿐만 아니라, 커패시터는 유전체의 두께를 원하는 폭으로 일정하게 유지시킬 수 있어야 원하는 커패시턴스값을 획득할 수 있는데, 동시소성 공정중 그린시트의 조성에서 유리성분이 커패시터의 유전체로 확산하여 반응하게 됨으로써 커패시터의 유전층의 두께의 오차가 커지게 되고 이리하여 커패시터의 커패시턴스값이 일정하지 않게 되며 원하는 커패시턴스값을 획득할 수가 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 전기적 및 열적 성질이 우수한 커패시터를 제조하기 위한 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 기술적 과제는,

그린시트 상에 원하는 형상의 하부전극을 프린팅하는 단계;

고온소결된 유전체를 상기 하부전극의 크기보다 작은 크기 및 소정의 두께로 절단하여 상기 하부전극의 상부에 정렬시켜 유전체층을 형성하는 단계;

상기 유전체층의 상부에 상기 유전체층의 크기보다 작은 상부전극을 프린팅하는 단계;

상기의 그린시트를 소정의 회로소자가 프린팅된 또다른 그린시트들과 적절히 적층하여 레미네이션하는 단계;

상기 레미네이션된 그린시트들을 저온에서 동시소성하여 내부 커패시터를 형성하는 단계;

로 구성되는 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법에 의하여 제조된 커패시터는, 그 유전층으로서 고온에서 이미 소결된 유전체를 사용하므로 저온소성시 필요한 소결보조재가 필요없으며, 따라서 자체의 유전율이 높은 유전층을 이용할 수 있게 되므로 작은 부피에도 높은 커패시턴스값을 얻을 수 있게 되며 저온동시세라믹의 콤팩트화를 달성할 수 있게 된다.

또한, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법에 의하여 제조된 커패시터는, 소결보조재 등이 함유되지 않은 유전체를 고온에서 소성하게 되므로 핀홀등의 발생이 억제되고 따라서 높은 커패시턴스값을 획득할 수 있는 효과를 얻으며, 동시에 유전층의 두께를 얇게 할 경우 에러발생이 방지되어 제조수율이 향상된다.

뿐만 아니라, 미리 고온소결된 유전체를 사용하게 되면, 레미네이션된 그린시트들에 대한 저온동시소성공정중 그린시트의 조성과 유전체가 반응을 일으키지 않게 되므로 커패시터의 커패시턴스값이 일정하게 되며 따라서 원하는 커패시턴스값을 획득할 수 있게 된다.

도 1은 저온동시소성세라믹의 비아가 형성된 그린시트들의 단면도;

도 2는 저온동시소성세라믹의 그린시트 상에 커패시터가 형성된 상태의 단면도;

도 3은 저온동시소성세라믹의 그린시트 상에 커패시터가 형성된 상태의 평면도; 및

도 4는 저온동시소성세라믹의 그린시트들 사이에 내장되는 커패시터의 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10, 20 : 그린시트 19, 29 : 비아

13 : 도선 110 : 커패시터

111 : 하부전극 113 : 유전체층

115 : 상부전극

이하, 본 발명의 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 저온동시소성세라믹의 비아가 형성된 그린시트들의 단면도이고, 도 2는 저온동시소성세라믹의 그린시트 상에 커패시터가 형성된 상태의 단면도이고, 도 3은 저온동시소성세라믹의 그린시트 상에 커패시터가 형성된 상태의 평면도이고, 도 4는 저온동시소성세라믹의 그린시트들 사이에 내장되는 커패시터의 단면도이다.

먼저, 기판 재료로 각각의 그린시트(10, 20)를 준비한다. 이 그린시트를 구성하기 위한 재료로서, 일반적으로 충전재/글래스 시스템보다 충전재/글래스-세라믹 시스템의 경우에 기계적강도가 훨씬 우수하므로 세라믹(충전재) 및 글래스-세라믹 시스템의 복합체로 형성된 재료를 사용한다. 상기와 같은 조성의 충전재/글래스-세라믹이 혼합된 분말에 접합제(binder), 가소제(plasticizer), 및 용제(solvant) 등을 혼합하여 닥터블레이드(doctor-blade) 방법에 의하여 건조두께가 100~200μm 정도의 그린시트를 형성한다.

다음, 적층시 각각의 층에 해당하는 그린시트(10, 20) 상에 모듈회로도에 따라 적절한 위치에 비아(via)(19, 29)를 펀칭하여 형성한 후 스크린 프린팅 방법으로 비아의 공간을 충전시킨다.

그 후, 각각의 층에 해당하는 그린시트(10, 20) 상에 모듈회로도에 따라 저항, 컨덕터, 커패시터, 인덕터 등과 같은 회로소자를 스크린 프린팅한다.

이 때, 커패시터(110)를 형성하고자 하는 경우에 대하여 이하에 상세히 설명한다.

그린시트(10) 상에 100μm 정도의 두께로 사각 형상의 하부전극(111)을 프린팅한다. 일반적으로 하부전극(111)의 프린팅시에, 상기 커패시터(100)의 하부전극(111)과 다른 회로소자와의 연결을 위하여 하부전극(111)과 연결된 도체라인(13)을 함께 스크린프린팅한다.

그 후, 유전체 BaTiO₃+3 mol% Fe₂O₃분말을 1300℃에서 고온소결하여 형성된 고형의 유전체를 약 10~100μm 정도의 두께로 절단하여 이를 상기 하부전극(111)의 상부에 정렬시켜 유전체층(113)을 형성한다. 이 때 유전체층(113)은 하부전극(111)과 동일한 크기이거나, 하부전극(111)보다 작거나 또는 크거나 그 크기는 무방하다. 상기 정렬된 유전체층(113)에 0.5~10 MPa의 압력을 가하여 정렬된 유전체층(113)의 높이를 일정하게 맞춘다. 선택적으로, 상기 유전체층(113)은 하부전극(111) 상에 정렬하기 전에 판 형상의 유전체층(113)의 외부에 1μm 정도의 또 다른 유전체막을 증착(deposition)시키고, 그 유전체막 외부에 Ag을 추가로 증착시킴으로써, 유전체층(113)의 거친 표면을 평탄화하고, 동시에 그린시트의 적층 레이네이션공정시 계면에서의 결합을 우수하게 한다.

그 후, 상기 유전체층(113)의 상부에 약 100μm 정도의 두께로 상부전극(115)을 프린팅한다. 상부전극(115)는 상기 하부전극(111)과 접촉되어 전기적 불량이 발생하지 않도록 상기 유전체층(113)보다 작은 크기로 상부전극(115)을 프린팅한다.

그 후, 필요한 각 회로소자가 적절히 프린팅된 그린시트들을 레미네이션 작업에 의하여 적절하게 적층시켜 적층체를 만든다. 즉, 상부전극(115) 상에는 또다른 그린시트(20)가 적층되고, 상부전극(115)은 상부의 그린시트(20) 상의 임의의 회로와 비아(29)를 통하여 전기적으로 연결된다.

그리고, 이 적층체는 그 하부에 Cu/SUS/Cu, Cu/Invar/Cu, Cu/Kovar/Cu, Invar, Kovar 등과 같은 금속 기판을 설치하여 그린시트의 세라믹과 금속기판을 접합시거나, 아니면 그린시트 적층체 하부에 Al₂O₃AlN, Si₃N₄등과 같은 세라믹기판을 접합시킴으로써, 이 접합력으로 그린시트 적층체의 소성수축을 방지하여 LTCC-M (Low Temperature Cofired Ceramic on Metel : 금속상 저온동시소성세라믹)기판 또는 LTCC-C (Low Temperature Cofired Ceramic on Ceramic : 세라믹상 저온동시소성세라믹)기판을 완성한다.

참고로, LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic : 저온동시소성세라믹)의 경우에는, 동시소성시 그린시트 및 내부회로 등이 x, y, z축 방향으로 소성수축이 발생하게 된다. 이에 비하여 본 발명에서의 커패시터 내부의 이미 소결된 유전체층은 수축이 크게 발생하지 않게 되므로 이 수축률의 차이에 따라 각 성분들의 변형에 차이가 발생하게 되며, 또한 수축시 계면에 수축률 차이에 의한 내부응력이 발생하여 유전체층에 변형에 의한 크랙(crack)이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에서와 같이 이미 소결된 유전체를 사용하는 커패시터 제조방법은, 동시소성시 x, y축 방향으로 변형을 억제하는 LTCC-M 기판 또는 LTCC-C 기판에 적용하는 것이 더욱 유효하다.

이어, 완성된 LTCC-M 또는 LTCC-C를 절단기를 사용하여 그 내부에 형성된 각각의 회로에 따라 그 경계를 절단하여 각 회로의 부품을 제조하게 된다. 따라서, 한번의 공정을 통해 다수의 회로 부품을 제조할 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법에 의하여 제조된 커패시터는, 그 유전층으로서 고온에서 이미 소결된 유전체를 사용하므로 저온소성시 필요한 소결보조재가 필요없으며, 따라서 자체의 유전율이 높은 유전층을 이용할 수 있게 되므로 작은 부피에도 높은 커패시턴스값을 얻을 수 있게 되며 저온동시세라믹의 콤팩트화를 달성할 수 있게 된다.

또한, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법에 의하여 제조된 커패시터는, 소결보조재 등이 함유되지 않은 유전체를 고온에서 소성하게 되므로 핀홀등의 발생이 억제되고 따라서 높은 커패시턴스값을 획득할 수 있는 효과를 얻으며, 동시에 유전층의 두께를 얇게 할 경우 에러발생이 방지되어 제조수율이 향상된다.

뿐만 아니라, 미리 고온소결된 유전체를 사용하게 되면, 레미네이션된 그린시트들에 대한 저온동시소성공정중 그린시트의 조성과 유전체가 반응을 일으키지 않게 되므로 커패시터의 커패시턴스값이 일정하게 되며 따라서 원하는 커패시턴스값을 획득할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. (a) 그린시트 상에 원하는 형상의 하부전극을 프린팅하는 단계;

   (b) 고온소결된 유전체를 소정의 크기 및 소정의 두께로 절단하여 상기 하부전극의 상부에 정렬시켜 유전체층을 형성하는 단계;

   (c) 상기 유전체층의 상부에 상기 유전체층의 크기보다 작은 상부전극을 프린팅하는 단계;

   (d) 상기의 그린시트를 소정의 회로소자가 프린팅된 또다른 그린시트들과 적절히 적층하여 레미네이션하는 단계; 및

   (e) 상기 레미네이션된 그린시트들을 저온에서 동시소성하여 내부 커패시터를 형성하는 단계;

   로 구성됨을 특징으로 하는 저온동시소성세라믹 (Low Temperature Cofired Ceramic)의 내장 커패시터 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 저온동시소성세라믹은 레미네이션된 그린시트들을 금속기판 상에 형성함으로써 동시소성시 그린시트들의 x, y축 방향으로의 변형을 억제할 수 있도록 한 금속상 저온동시소성세라믹 (Low Temperature Cofired Ceramic on Metel)임을 특징으로 하는 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 저온동시소성세라믹은 레미네이션된 그린시트들을 세라믹기판 상에 형성함으로써 동시소성시 x, y축 방향으로 변형을 억제할 수 있도록 한 세라믹상 저온동시소성세라믹 (Low Temperature Cofired Ceramic on Ceramic)임을 특징으로 하는 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   (b) 단계에서 상기 고온소결된 유전체를 절단한 후 하부전극 상에 정렬하기 전에 유전체층의 외부에 1μm 정도의 또 다른 유전체막을 증착(deposition)시켜 유전체층의 표면을 평탄화함을 특징으로 하는 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   (b) 단계에서 상기 고온소결된 유전체를 하부전극 상에 정렬하기 전에 유전체층의 외부에 1μm 정도의 또 다른 유전체막을 증착(deposition)한 후 그 유전체막 외부에 Ag을 추가로 증착시킴으로써, 계면에서의 결합을 우수하게 함을 특징으로 하는 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,

   (a) 단계에서 하부전극의 프린팅시에, 상기 커패시터(100)의 하부전극(111)과 다른 회로소자와의 연결을 위하여 하부전극(111)과 연결된 도체라인(13)을 함께 스크린프린팅함을 특징으로 하는 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,

   (c) 단계에서 상부전극(115)은 상부의 그린시트(20) 상의 임의의 회로와 비아(29)를 통하여 전기적으로 연결되게 됨을 특징으로 하는 저온동시소성세라믹의 내장 커패시터 제조방법.