[논문]임베디드 커패시터용 세라믹(BaTiO3)-고분자(에폭시) 필름의 세라믹 분말 형상 및 함량에 따른 전기적 특성

한정우; 윤중락; 제해준; 이동호; 이경민

doi:10.4313/jkem.2009.22.6.495

임베디드 커패시터용 세라믹(BaTiO3)-고분자(에폭시) 필름의 세라믹 분말 형상 및 함량에 따른 전기적 특성
Effect of Ceramic Powder Content and Shape on the Electrical Properties of Ceramic(BaTiO3)-polymer(Epoxy) Composite for Embedded Capacitors 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.6, 2009년, pp.495 - 500

한정우 (삼화콘덴서공업 연구소) , 윤중락 (삼화콘덴서공업 연구소) , 제해준 (한국과학기술연구원 에너지재료연구단) , 이동호 (한국과학기술연구원 에너지재료연구단) , 이경민 (삼화콘덴서공업 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The ceramic($BaTiO_3$)-polymer(epoxy) composites have been widely investigated as dielectric materials for embedded capacitors in printed circuit boards (PCBs). The dielectric properties of $BaTiO_3$/epoxy composites prepared using the agglomerated $BaTiO_3$ particles were investigated in the present study. The dielectric constants of the composites prepared using the agglomerated $BaTiO_3$ particles were about 2 times higher than those of the composites with the dispersed $BaTiO_3$ particles. The insulation resistance of the composites prepared using the agglomerated $BaTiO_3$ particles were lower than those of the composites with dispersed $BaTiO_3$ particles. As a result, there is tradeoff between high dielectric constant and insulation resistance in the $BaTiO_3$/epoxy composites. So it is important to select proper agglomerated or dispersed $BaTiO_3$ particles in accordance with needs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고유전율을 얻으면서도 접착성이 우수한 특성을 얻기 위하여 200 nm 크기의 BaTiO₃ 분말을 열처리하여 인위적으로 응집체를 형성하여 세라믹-고분자 복합체의 세라믹 함량에 따른 유전 및 전기적 특성을 연구하고자 한다.
임베디드 커패시터로의 응용을 위하여 세라믹 - 고분자 필름에서 응집체 분말과 해 쇄 분말 함량에 따른 유전 특성을 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

건조된 필름의 압착한 후 180 °C 에서 50 psi의 압력으로 10분 동안유지시키면서 완전 경화가 이루어지도록 하였다. 또한, 접착력 측정을 위하여 B-stage 상태의 필름을 제작하였고, FR-4 기판에 150 °C 에 10분간 압착하였다, 유전 및 전기적 특성을 측정하기 위하여 상부 전극은 Cu를 스퍼터링 하여 증착하였으며 크기는 0.126 cm² 으로 하였다. 유전율 및 손실은 LCR 측정기 (HP 4284A, HP, USA), Insulation Resistance은 고저항측정기 (4339B, HP, USA)를이용하여 측정하였다.
응집체 세라믹 분말은 에탄올과 세라믹 분말, 지르코니아 볼을 이용하여 혼합 후 건조하여 1000 °C 에서 1시간 하소하여 제작하였으며 세라믹-고분자 필름 제작 공정은 그림 1과 같다. 에폭시, 분산제, 경화제를 ball milling을 이용하여 혼합한 후 세라믹 원료를 넣고 초음파처리하여 슬러리를 제작한다. 제작된 슬러리를 Cu foil위에 닥터블레이드를 이용하여 일정한 두께로도포한 후 80 °C 에서 건조한다.
126 cm² 으로 하였다. 유전율 및 손실은 LCR 측정기 (HP 4284A, HP, USA), Insulation Resistance은 고저항측정기 (4339B, HP, USA)를이용하여 측정하였다. 접착력은 Benchtop Materials Testing Machine (HIK-S UTM, Tinius Olesn) 로측정하였으며 미세구조는 FE-SEM (S-4100, HITACHI)으로 분석하였다.
유전율 및 손실은 LCR 측정기 (HP 4284A, HP, USA), Insulation Resistance은 고저항측정기 (4339B, HP, USA)를이용하여 측정하였다. 접착력은 Benchtop Materials Testing Machine (HIK-S UTM, Tinius Olesn) 로측정하였으며 미세구조는 FE-SEM (S-4100, HITACHI)으로 분석하였다.

대상 데이터

, Korea) 를 사용하였다. 경화제와 경화촉진제로 HN₂₂00 (MTPHA: Methyl Tetra Hydrophthalic Anhydride, Hitachi Chem.)과 Me~THPA (Kukdo Cemical Inc., Korea)을 사용하였다. 세라믹 분산제 및 안정화제로 Phospate ether (DisperBYKTIO, BYK Cemie, USA) 와 leveling agent (BYK-310, BYK Cemie, USA) 를 적용하였으며 용매는 Methylethyl-ketone (MEK: CH₃COC₂HS)과 톨루엔 (C₆氏CHs)을 사용하였다.
본 논문에서는 세라믹으로 200 nm 크기의 BaTiO₃ (BT-8, Cabot, USA)을 사용하였으며 고분자로서는 bisphenol-A type(DGEBA) 에폭시 (YD128, Kukdo Cemical Inc., Korea)와 novolack type 에폭시 (YDPN₆₃8, Kukdo Cemical Inc., Korea) 를 사용하였다. 경화제와 경화촉진제로 HN₂₂00 (MTPHA: Methyl Tetra Hydrophthalic Anhydride, Hitachi Chem.
, Korea)을 사용하였다. 세라믹 분산제 및 안정화제로 Phospate ether (DisperBYKTIO, BYK Cemie, USA) 와 leveling agent (BYK-310, BYK Cemie, USA) 를 적용하였으며 용매는 Methylethyl-ketone (MEK: CH₃COC₂HS)과 톨루엔 (C₆氏CHs)을 사용하였다. 응집체 세라믹 분말은 에탄올과 세라믹 분말, 지르코니아 볼을 이용하여 혼합 후 건조하여 1000 °C 에서 1시간 하소하여 제작하였으며 세라믹-고분자 필름 제작 공정은 그림 1과 같다.
세라믹 분산제 및 안정화제로 Phospate ether (DisperBYKTIO, BYK Cemie, USA) 와 leveling agent (BYK-310, BYK Cemie, USA) 를 적용하였으며 용매는 Methylethyl-ketone (MEK: CH₃COC₂HS)과 톨루엔 (C₆氏CHs)을 사용하였다. 응집체 세라믹 분말은 에탄올과 세라믹 분말, 지르코니아 볼을 이용하여 혼합 후 건조하여 1000 °C 에서 1시간 하소하여 제작하였으며 세라믹-고분자 필름 제작 공정은 그림 1과 같다. 에폭시, 분산제, 경화제를 ball milling을 이용하여 혼합한 후 세라믹 원료를 넣고 초음파처리하여 슬러리를 제작한다.

성능/효과

2) 세라믹-에폭시 필름에서의 세라믹 함량에 따른 유전율의 변화는 Lichtenecker의 대수 혼합법칙에 따름을 확인 할 수 있었다.
3) 특히, 응집체 분말에서 높은 유전율을 보이 는 것은 응집체분말들이 해쇄분말에 비하여 서 로 3차원적으로 연결되고 등가회로적으로 병렬 연결에 가까워 나타나는 결과이다.
4) 응집체 분말에서 세라믹 함량이 40 vol%에 서 임베디드 커패시터로 적용 시 절연저항 및 peel strength를 개선하여야 함을 확인하였다.
세라믹 -고분자에서 응집체 분말과 해 쇄 분말 함량을 40 vcd% 한 세라믹-고분자 필름의 peel strength를 측정한 결과 순수 에폭시에서의 peel strength 는 1.5 kgf/cm이고 응집 분말 0.75 kgf/cm, 해쇄 분말 0.68 kgf/cm의 특성을 얻었다. 실험 결과에서 해 쇄 분말에 비해 응집체 분말에서 pe이 strength가 높이 나타난 결과는 cu foil과의 치밀한 접착성에 의해 나타난 결과로 판단된다.
68 kgf/cm의 특성을 얻었다. 실험 결과에서 해 쇄 분말에 비해 응집체 분말에서 pe이 strength가 높이 나타난 결과는 cu foil과의 치밀한 접착성에 의해 나타난 결과로 판단된다. 향후, 임베디드 커패시터로 사용하기 위해서는 peel strength를 1 kgf/cm 이상이 되어야 하며 세라믹 함량을 낮추거나 에폭시 및 분산 특성이 개선되어야 함을 확인하였다.

후속연구

응집체 분말의 경우 전도전류를 방해하는 고분자에 비 하여 응집체 분말 간 접촉이 증가하면서 전도전류의 흐름을 방해하는 세라믹/고분자/세라믹 분말의 계면이 감소하여 나타난 결과로서 세라믹 함량 증가에 따라 절연저항이 감소하는 것도 유사한 원인으로 판단된다. 순수 에폭시의 경우 비저항이 1 X10 '3 Q 의 값을 보이 는 데 비 하여 응집체 분말 함량이 40 vol%에서 1 X10 11 Q 으로 낮은 값을 보이고 있으며 임베디드 커패시터로 사용되기 위해서는 좀 더 높은 절연저항을 가지는 에폭시 선정 및 절연저항을 향상시킬 수 있는 연구를 진행하여야 한다.
실험 결과에서 해 쇄 분말에 비해 응집체 분말에서 pe이 strength가 높이 나타난 결과는 cu foil과의 치밀한 접착성에 의해 나타난 결과로 판단된다. 향후, 임베디드 커패시터로 사용하기 위해서는 peel strength를 1 kgf/cm 이상이 되어야 하며 세라믹 함량을 낮추거나 에폭시 및 분산 특성이 개선되어야 함을 확인하였다.

참고문헌 (7)

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S. K. Bhattacharya and Rao R. Tummala, 'Next generation integral passives: materials, processes, and integration of resistors and capacitors on PWB substrates', Journal of materials science: materials in electronics, Vol. 11, p. 253, 2000

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Y. Rao, J. Qu, T. Marinis, and C. P. Wong, 'A precise numerical prediction of effective dielectric constant for polymer-ceramic composite based on effective-medium theory', IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 23, No. 4, p. 680, 2000

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W.-Y. Kim, 'Effects of the Characteristics of $BaTiO_3$ Particles on the Dielectric Properties of $BaTiO_3$ -Epoxy Nanocomposites', M.S. thesis of Korea Univ., 2005
S.-D. Cho, S.-Y. Lee, J.-G. Hyun, and K.- W. Paik, 'Epoxy/ $BaTiO_3$ composite films and pastes of high dielectric constant and low- tolerane embedded capacitor fabrication in organic substrates', IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, Vol. 28, No. 4, p. 297, 2005

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K.-C. Aan, H.-W. kim, J.-K. Ahn, and S.-G. Yoon, 'Characteristics of BMM thin films deposited on various substrates for embedded capacitor applications', J. of KIEEME(in Korean), Vol. 20, No. 4, p. 342, 2007

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T. Yamamoto, K. Urabe, and H. Banno, ' $BaTiO_3$ $BaTiO_3$ /polymer composites', Jpn. J. Phys., Vol. 32, p. 4272, 1993

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