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문제 정의
- 은은 경도가 낮으므로 외부에 드러난 은 전극은 벗겨질 위험이 크다. 본 연구에서는 내부 전극방식과 같이 스크린 프린팅기법으로 은 전극을 인쇄하고, 그 위에 은보다 전도특성은 나쁘지만 기계적 특성이 좋은 니켈과 금도금을 하여 이를 보완하고자 하였다,
- 결국 PCB로는 반도체 회로의 복잡, 소형화추세를 따르기에 어렵고, 소형화, 고용량화를 위한 새로운 소재로 만든 기판의 출현이 요구된다. 본 연구에서는 위의 문제점을 해결하기 위해 LTCC기술을 이용하여 다층회로 기판을 제작해 보았다,
- 이 기술은 반도체 전체 공정 중에 불량품 테스트를 한번만 하여 제품화하는 기술이다. 반도체를 검사하는 기판은 그간 PCB (Printed Circuit Board)가 많이 사용되어 왔는데, 좁은 via pitch 간격올 소화하기 어렵고, via 사이에 균열이 발생하는 등의 문제점이 있다.
제안 방법
- 테이프 캐스팅 공정으로 세라믹 테이프를 만들고, 은 페이스트로 전극을 인쇄하여 적층하고 소성하였타. Impedance simulation 설계를 거쳐 100 um 이하의 선폭으로 패턴을 인쇄하였다, 소성된 세라믹 시트의 밀도와 유전특성을 측정하였으며, 전자현미경으로 미세구조를 관찰하여 치밀한 정도를 살폈다. 비디오 현미경으로 세라믹 층과 증을 잇는 Via 부위의 파단면을 관찰하였고, 전자현미경으로 기판-전극의 매칭여부를 관찰하고, EDS로 분석하였다.
- 한다. TG/DTA로 기초실험을 거친 후, [그림 4]와 같이 소성스케줄을 확정하였다, 소성온도는 825 - 90) 'C까지 25 P간격으로 정하였다. 100 ℃ 까지는 분당 5 ℃로 숭온하여, 내부의 잔존용매를 날려 보냈으며, 300 P까지는 분당 1 G 500 ℃까지는 분당 2 P로 승온하여 유기물을 Burn-out 하였다, 이후 소결온도까지는 분당 5 X:로 승온하고, 최고온도에서 30분간 유지하였다.
- 적층기판의 바깥 면에 외부전극을 만들고 내구성을 높이기 위해 니켈과금으로 무전해 도금하였다. 경도와 접착강도, 귥음테스트로 내구성을 측정하였다.
- 관찰하였다. 기판과 전극의 매칭여부는 층의 단면을 젼자현미경(FEI Quanta 200FEG)으로 관찰하고, EDS로 분석하였다.
- 기판의 위아래 전극패턴을 연결해 주는 Via내의 은 전극이 잘 연결되어 있는지를 확인하기 위하여 기판을 파단하고 그 파단면을 비디오 현미경으로 관찰하였다([그림 8]). V诅의 filling이 잘못될 경우공극이 잘 메워지지 않거나 아래쪽으로 불룩한 C电)이 생길 수 었다[2이.
- 외부에 위치한 전극은 기계적 자극에 의해 손상될 위험이 크므로, 전극의 내구성올 높이기 위해 도금공정을 이후 추가하였다. 니켈의 두께를 달리하여 도금하고, 그 위에 금도금을 하였다. 전극의 내구성을 알기위하여 비커스경도기 (MITUTOYO MVK『H100)로 경도를 측정하고, 테이프와 핀셋을 이용하여 접착력을 확인하였다.
- Impedance simulation 설계를 거쳐 100 um 이하의 선폭으로 패턴을 인쇄하였다, 소성된 세라믹 시트의 밀도와 유전특성을 측정하였으며, 전자현미경으로 미세구조를 관찰하여 치밀한 정도를 살폈다. 비디오 현미경으로 세라믹 층과 증을 잇는 Via 부위의 파단면을 관찰하였고, 전자현미경으로 기판-전극의 매칭여부를 관찰하고, EDS로 분석하였다. 적층기판의 바깥 면에 외부전극을 만들고 내구성을 높이기 위해 니켈과금으로 무전해 도금하였다.
- 세라믹 기판위의 회로와 적층한 기판의 회로를 연결하는 Via 부위 등이 양호하게 연결되어 있는지를 살펴보기 위하여 파단면을 비디오 현미경으로 관찰하였다. 기판과 전극의 매칭여부는 층의 단면을 젼자현미경(FEI Quanta 200FEG)으로 관찰하고, EDS로 분석하였다.
- 세라믹 슬러리는 기초실험을 거쳐 [표 2]의 비율로 하였다. 원료분말, 용매, 분산제를 함께 낳어 24 시간 1차 볼 밀링한 후, Bindei와 Plasticizer를 추가로 넣고 24시간 더 분쇄, 혼합항였다.
- 소성 전, 외부전극을 외부전극용 페이스트를 사용하여 스크린 프린팅기법으로 만들었다. 외부에 위치한 전극은 기계적 자극에 의해 손상될 위험이 크므로, 전극의 내구성올 높이기 위해 도금공정을 이후 추가하였다.
- 소성을 마친 기판은 XRD로 상분석하였고, 밀도는 밀도측정장치 (Micrometries Accpyc 1330)를 이용하였다. 유전상수와 유전손실은 펠렛형태의 시편으로 Im^dance analyser(HP4991A, Agilent, USA) 를 이용, 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.
- 중요하다. 시뮬레이션프로그램(CST Microwave St바dio)으로 그라운드의 형상, 선폭, 선 간격 등을 조정하여 제품의 사양에 맞게 설계하였다. 그라운드의 형상은 전면 그라운드가 이상적이나, 다층기판의 경우는 그라운드와 세라믹 시트간의 접착성이 문제가 될 수 있으므로 Mesh Ground 방식을 사용하였다.
- 외부에 위치한 전극은 기계적 자극에 의해 손상될 위험이 크므로, 전극의 내구성올 높이기 위해 도금공정을 이후 추가하였다. 니켈의 두께를 달리하여 도금하고, 그 위에 금도금을 하였다.
- Guide hole은 직경 3 mm, Via Mie 은 직경 150 um로 펀칭하였다. 은 페이스트로 Via hole을 채우고, 내부전극 역시 은으로 스크린 프린팅(Mice Tec MTT20TV)하였다, 스크린은 40) mesh, Stainless 제품을 사용하였으며, 인쇄 후 건조기에서 60 'C로 5 분간 건조하였다.
- 비디오 현미경으로 세라믹 층과 증을 잇는 Via 부위의 파단면을 관찰하였고, 전자현미경으로 기판-전극의 매칭여부를 관찰하고, EDS로 분석하였다. 적층기판의 바깥 면에 외부전극을 만들고 내구성을 높이기 위해 니켈과금으로 무전해 도금하였다. 경도와 접착강도, 귥음테스트로 내구성을 측정하였다.
- 니켈의 두께를 달리하여 도금하고, 그 위에 금도금을 하였다. 전극의 내구성을 알기위하여 비커스경도기 (MITUTOYO MVK『H100)로 경도를 측정하고, 테이프와 핀셋을 이용하여 접착력을 확인하였다.
- 전기적 간섭이 없는 적절한 임피던스를 설계하고, (CaO-Al2O3-SiO2-BA^리 +A12O3) 복합소 재분말로 세라믹 테이브를 제조하고, 은 전극을 인쇄하여 적층하고 소성하였다’ 밀도와 유전특성을 측정하였으며, 미세구조와 Via 부위의 파단면과 기판一전극의 매칭여부를 관찰하고, 외부전극올 만들어 도금한후 경도와 접착성으로 내구성을 측정하였다';
대상 데이터
- LTCC의 원료로는 CaO-AbO3-SiC"B2O3 계 유리와 AhG룰 2:1로 혼합한 복합소재를 사용하였다, 원료에 대한 XRDCPANalytical XTert PRO MPD) data는 [그림 2]에, EDX 분석결과는 [표 1]에 나타내었다. 결정상으로는 AI2O3만 나타나고 있으며, XRD 의 base line과 EDX결과를 살펴볼 때 유리의 조성은 기본적으로 CaO~A12O3-SiO2raB2O3 계이며, NazO와 MgO가 미량 포함되어 있음을 알 수 있다.
- LTCC의 원료로는 안정성과 범용성이 입증된 CaO-AlA-SiOs-BA 계 유리와 AI2O3를 혼합한 복합소 재를 사용하였다 [11]. 테이프 캐스팅 공정으로 세라믹 테이프를 만들고, 은 페이스트로 전극을 인쇄하여 적층하고 소성하였타.
- PCB로 만들어지던 반도체 검사용 기판을 LTCC 기술을 적용한 다층회로기판으로 제작하였다. 전기적 간섭이 없는 적절한 임피던스를 설계하고, (CaO-Al2O3-SiO2-BA^리 +A12O3) 복합소 재분말로 세라믹 테이브를 제조하고, 은 전극을 인쇄하여 적층하고 소성하였다’ 밀도와 유전특성을 측정하였으며, 미세구조와 Via 부위의 파단면과 기판一전극의 매칭여부를 관찰하고, 외부전극올 만들어 도금한후 경도와 접착성으로 내구성을 측정하였다'
- 2안팎으로 일정했고, 유전손실(tan6)은 L4〜ZE/의 값을 보였으며 소성온도가 높을수록 값이 낮았다. 외부전극의 내구성을 향상시키기 위하여 니켈로 무전해 도금하고 그 위에 금으로 추가 도금한 결과, 기계적 마모에도 손상되지 않는 외부전극을 입힐 수 있었다, 34 개의 세라믹층과 13층의 전극으로 이루어진 LTCC 다층회로기 판을 성공적으로 제조하였다.
데이터처리
- 유전상수와 유전손실은 펠렛형태의 시편으로 Im^dance analyser(HP4991A, Agilent, USA) 를 이용, 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 시뮬레이션프로그램(CST Microwave St바dio)으로 그라운드의 형상, 선폭, 선 간격 등을 조정하여 제품의 사양에 맞게 설계하였다. 그라운드의 형상은 전면 그라운드가 이상적이나, 다층기판의 경우는 그라운드와 세라믹 시트간의 접착성이 문제가 될 수 있으므로 Mesh Ground 방식을 사용하였다. 최종 설계조건은 [그림 3], [표 3]과 같다.
성능/효과
- 8 Hv로 증가하였다. 도금부위를 핀셋으로 강하게 긁어 접착성을 검토한 결과 긁히지 않았으며, 3M 스카치테이프를 이용한 테스트에서도 박리현상을 보이지 않았다,
- 85 사이였으며, 소성온도가 높을수록 조금씩 높게 측정되었으나 별 차이를 보이지는 않았다. 복합소재 원료분말의 참비중이 3.02였고 소성에 따라 상변화가 발생하므로, 소결체의 이론밀도는 알 수가 없다, 2차상의 밀도가 2, 76이고 소성온도가 증가할수록 양이 많아지므로, 밀도값으로 소결의 치밀성 여부를 판별하기는 적절하지 않다, 수축률은 13 % 안팎이었다.
- V诅의 filling이 잘못될 경우공극이 잘 메워지지 않거나 아래쪽으로 불룩한 C电)이 생길 수 었다[2이. 본 연구에서 제조된 기판의 Via hole은 은 전극으로 잘 메워졌음을 알 수있다. 통전테스트결과도 별 문제가 없었다.
- 추가로 CaAhSizft상이 검출되었다. 소성된 세라믹스의 비중은 2.84 내외, 수축률은 13 % 내외, 유전상수는 100 MHz에서 7.2안팎으로 일정했고, 유전손실(tan6)은 L4〜ZE/의 값을 보였으며 소성온도가 높을수록 값이 낮았다. 외부전극의 내구성을 향상시키기 위하여 니켈로 무전해 도금하고 그 위에 금으로 추가 도금한 결과, 기계적 마모에도 손상되지 않는 외부전극을 입힐 수 있었다, 34 개의 세라믹층과 13층의 전극으로 이루어진 LTCC 다층회로기 판을 성공적으로 제조하였다.
- [그림 6]은 소성한 기판의 SEM사진이다. 유리상 매트릭스에 결정상이 골고루 분포하고 있는 형상이며, 유전 특성에 영향을 미치는[M] 기공은 모둔 온도에서 결정상 주위에 분포하는 것으로 나타났다. 밀도는 28 3-2.
- 쵸기실험과정에서 관찰된 이런 종류의 결함을 [그림 9](a)에 보였다' [그림 9](b)는 이번 연구에서 제조된 기판의 단면 사진이며, 층사이의 공극이 없었다. 전극-세라믹스 계면에서의 상호반응을 확인하기 위하여 Line scan을 해본 결과, 계면에서의 반응이 없었고, 전극이 주위기판으로 확산되지 않았으며, 계면접착성도 양호함올 확인할 수 있었다.
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