[논문]인쇄 및 소결조건이 AlN 기판용 후막저항체의 특성에 미치는 영향

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doi:10.4191/kcers.2014.51.4.344

[국내논문] 인쇄 및 소결조건이 AlN 기판용 후막저항체의 특성에 미치는 영향
Effect of Screen Printing and Sintering Conditions on Properties of Thick Film Resistor on AlN Substrate 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.51 no.4, 2014년, pp.344 - 349

Abstract ▼ AI-Helper

$RuO_2$-based high frequency thick-film resistor paste was printed at the speed of 10, 100, 300 mm/sec on the AlN substrate, and then sintered at between 750 and $900^{\circ}C$. The sintered thick films were characterized in terms of printing and sintering conditions. With increasing printing speed, the thickness and roughness of sintered film increased. The resistance of the thick film resistor was reduced by increasing the printing speed from 10 to 100 mm/sec, but did not significantly change at 300 mm/sec speed. With increasing sintering temperature, the surface roughness and thickness of sintered resistor film decreased. The reduction rate was large in case of fast printed resistor. The resistance of the resistor increased up to $800^{\circ}C$ with sintering temperature, but again decreased at the higher sintering temperature.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 고 열전도성 기판인 AlN을 이용하여 고주파용 저항체를 제조함에 있어 고주파 특성에 적합한 막을 만드는 최적의 인쇄 공정 조건과 소성조건을 표준화 할 목적으로 수행되었다.
고 열전도성 기판인 AlN을 이용하여 저항막을 형성함에 있어 최적의 인쇄 조건과 소결조건을 표준화하기 위해 인쇄 속도와 소결온도를 변화 시켜 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

)부터 고저항(10Mohm/sq)까지 6 ~ 7개 정도 생산되고 이들을 적당히 브랜딩하여 목표로 하는 저항을 제조하는 것이 일반적인 방법이기 때문이다. 한편 두 저항을 혼합하는 비율은 일반적인 브랜딩 커브(blending curve)를 참조하여 혼합하였다.¹¹⁾ 저항 페이스트의 무기물질의 조성은 Table 2와 같이 도전성분은 RuO₂였으며 프릿은 SiO₂, Al₂O₃, CaO, MnO, ZnO 등이 포함된 무연(leadfree) 성분의 프릿을 사용하여 제조한 저항 페이스트를 이용하였다.
소결막의 가로세로비(aspect ratio)는 1 : 1로 하였다. 인쇄된 막을 상온에서 약 10분간 유지 하여 leveling을 한 후 Lindberg사의 연속소성로를 이용하여 소성하였다. 소성은 최고온도를 750℃부터 900℃까지 25℃ 간격으로 조정한 후 최고온도에서 10분간 유지 시킬 수 있는 소성 스케쥴로 후막 저항체의 제조하였다.
인쇄된 막을 상온에서 약 10분간 유지 하여 leveling을 한 후 Lindberg사의 연속소성로를 이용하여 소성하였다. 소성은 최고온도를 750℃부터 900℃까지 25℃ 간격으로 조정한 후 최고온도에서 10분간 유지 시킬 수 있는 소성 스케쥴로 후막 저항체의 제조하였다.
소결된 저항체의 저항을 멀티미터를 이용하여 저항을 측정하였고, 표면조도측정기(JP/SV-524, Mitutoyo사, 일본)로 소결된 저항막의 표면을 스캔하여 표면조도와 저항막의 두께를 측정하였다. 또한 막 표면과 단면의 미세구조를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
소결된 저항체의 저항을 멀티미터를 이용하여 저항을 측정하였고, 표면조도측정기(JP/SV-524, Mitutoyo사, 일본)로 소결된 저항막의 표면을 스캔하여 표면조도와 저항막의 두께를 측정하였다. 또한 막 표면과 단면의 미세구조를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 저항 페이스트는 Table 1과 같은 저항 범위가 다른 독일 F사의 두 종류의 저항 페이스트를 혼합(blending)하여 제조하였는데 혼합비율은 소결 후 저항이 고주파용 저항에 사용되는 500 ~ 800 ohm 범위가 나올 수 있도록 하였다. 두 저항을 혼합하는 이유는 일반적으로 상용화되는 저항 페이스트는 저저항(10 Ohm/sq.
한편 두 저항을 혼합하는 비율은 일반적인 브랜딩 커브(blending curve)를 참조하여 혼합하였다.¹¹⁾ 저항 페이스트의 무기물질의 조성은 Table 2와 같이 도전성분은 RuO₂였으며 프릿은 SiO₂, Al₂O₃, CaO, MnO, ZnO 등이 포함된 무연(leadfree) 성분의 프릿을 사용하여 제조한 저항 페이스트를 이용하였다. 먼저 AlN 기판에 은 전극을 인쇄한 후 850℃에서 소결한 전극 양단에 저항체 스크린 마스크를 일치시킨 후 스퀴즈 속도(인쇄 속도)를 10 mm/sec, 100 mm/sec, 300 mm/sec로 달리하여 저항 페이스트를 인쇄하였다.

성능/효과

1과 2의 두 결과를 볼 때 막의 두께가 두꺼운 경우가 거칠기 역시 거의 같은 경향으로 커지는 것을 알 수 있었다. 이상의 두 결과로 볼 때 인쇄 속도는 막의 두께와 표면조도에 매우 중요한 변수라는 것을 알수 있었다.
이는 인쇄속도가 빠르면 막의 두께가 증가하므로 막의 단면이 넓어져 저항이 감소하는 겻으로 막의 두께 변화 결과와 잘 일치하는 결과를 얻었다. 이상의 결과로 볼 때 저항체의 인쇄 속도는 100 mm/sec 정도가 가장 적당하다고 판단된다.
4는 인쇄 속도에 따른 850℃ 소결 저항체 막의 단면 사진이다. 인쇄 속도 증가에 따라 막의 두께가 증가하는 것을 알 수 있었다. 단면 사진으로 관찰한 결과 막의 치밀도는 인쇄 속도에 느릴수록 치밀하였으며, 인쇄 속도가 빠른 300 mm/sec의 경우 막은 두꺼운데 막이 치밀하지 못해 부분적으로 큰 기공이 생기는 것을 알 수 있었다.
인쇄 속도 증가에 따라 막의 두께가 증가하는 것을 알 수 있었다. 단면 사진으로 관찰한 결과 막의 치밀도는 인쇄 속도에 느릴수록 치밀하였으며, 인쇄 속도가 빠른 300 mm/sec의 경우 막은 두꺼운데 막이 치밀하지 못해 부분적으로 큰 기공이 생기는 것을 알 수 있었다.
이러한 현상은 본인의 앞선 연구 결과와 잘 일치하는 결과이다.¹²⁾ 소결에 의해 만들어지는 저항의 범위가 당초 설계한 500 ~ 800 ohm이 되기 위해서는 800 ~ 850℃의 소결온도에서 소결해야 원하는 저항을 얻을 수 있다고 판단 할 수 있다. 이 보다 낮은 온도와 높은 온도인 900℃에서는 저항이 낮아져서 원하는 저항을 만들기 어렵다.
이상의 결과로 볼 때 후막 저항체의 인쇄 속도는 100m/sec가 가장 적당하였고, 소결온도는 850℃가 가장 최적의 조건임을 알 수 있었다.
1. 인쇄 속도의 증가에 따라 소결 막의 두께가 증가 하였고, 표면조도 역시 증가 하였다. 이는 인쇄 속도가 빠르면 페이스트가 스퀴즈에 의해 눌리는 시간이 짧아 두껍고 덜 편평하게 인쇄되어 나타나는 현상으로 사료된다.
2. 후막저항체의 저항은 100 mm/sec의 인쇄 속도까지는 많이 감소하였으나 그 이상의 속도에서는 크게 감소하지 않았다.
3. 소결온도가 증가할수록 후막저항체의 두께와 표면조도는 감소하였는데 인쇄 속도가 빠를수록 감소율은 크게 나타났다.
4. 소결온도 증가에 따라 저항막의 저항은 800℃까지는 증가하였지만, 그 이상의 소결에서는 다시 감소하였다.
5. 이상의 결과로 저항체의 인쇄 속도는 100 mm/sec가 가장 적합하며, 소결온도는 850℃ 정도가 가장 적합한 것으로 표준화 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	후막 기법은 어떤 장점이 있는가?	1-3) 이는 단말기 등 이동통신기기가 크기가 작으면서도 집적도가 높은 고주파 칩 저항 등과 같은 칩 형태의 고주파용 전자부품을 필요로 하게 되면서 공정조건이 상대적으로 간편한 후막 기법이 사용되기 때문이다. 이러한 후막 기법은 제조공정이 간편하고 생산 속도가 빠르며 비교적 저렴한 설비를 이용하면서도 다양한 형태로 제조할 수 있는 장점을 가지고 있어 다양한 분야에 활용되고 있다.4-6)
	전력용 고주파 저항부품의 기판은 어떤 것을 사용하는가?	고주파용 후막저항체는 기판의 종류와 특성에 따라 열의 분포도 또한 크게 다르게 되고, 고 전력화 할수록 발열이 크므로 방열이 잘 되는 재료의 선택과 패턴 설계가 중요하며, 특히 막의 표면조도가 특성에 많은 영향을 주므로 막의 형상이 크게 중요하다. 감쇠기(attenuator)와 같은 고전력용 고주파 저항부품의 경우 일반적으로 기판은 열전도특성이 좋은 AlN 기판을 사용하며, 은(Ag) 페이스트를 이용하여 전극을 형성한 후 전극 사이에 적절한 크기의 저항을 형성하여 제조하는데 이때 저항은 주로 RuO2를 주성분으로 하는 저항 페이스트를 이용하여 제조한다. 이때 저항체의 두께와 막의 표면조도 등이 고주파 특성에 매우 중요한 변수가 된다.
	고전력용 고주파 저항부품에서 고주파 특성에 중요한 변수가 되는 것은 어떤 것이 있는가?	감쇠기(attenuator)와 같은 고전력용 고주파 저항부품의 경우 일반적으로 기판은 열전도특성이 좋은 AlN 기판을 사용하며, 은(Ag) 페이스트를 이용하여 전극을 형성한 후 전극 사이에 적절한 크기의 저항을 형성하여 제조하는데 이때 저항은 주로 RuO2를 주성분으로 하는 저항 페이스트를 이용하여 제조한다. 이때 저항체의 두께와 막의 표면조도 등이 고주파 특성에 매우 중요한 변수가 된다.9,10)

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