KR100621195B1 - 엘티씨씨용 세라믹 분말 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LTCC용 세라믹 분말 조성물에 관한 것으로, LTCC용 세라믹 분말 조성물 100 중량부를 기준으로, 산화칼슘(CaO) 1∼10 중량부, 산화칼륨(K2O) 1∼10 중량부, 알루미나(Al2O3) 30∼40 중량부, 산화규소(SiO2) 30∼40 중량부, 산화붕소(B2O3) 10∼20 중량부, 산화바륨(BaO) 1∼10 중량부를 포함하며, 바람직하게는 산화마그네슘(MgO) 5∼15 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제공함으로써 기존의 LTCC의 절연특성과 유전특성을 그대로 유지하면서 기계적 강도를 향상시키고, 상기 조성물의 성분 중에 중금속 성분을 포함시키지 않음으로써 중금속 오염에 의한 환경 파괴를 미연에 방지한다.
LTCC, 세라믹, 조성물, 기계적 강도, 절연특성, 유전특성, 중금속

Description

엘티씨씨용 세라믹 분말 조성물 및 그 제조방법{LTCC Ceramic Powder Composition and Manufacturing Method Of The Same}
도 1은 본 발명에 따른 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제조하는 공정에 관한 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 적용한 커패시턴스 (Capacitance) 측정용 시료를 제조하는 공정에 관한 흐름도.
본 발명은 종래의 LTCC용 세라믹 분말 조성물의 성분을 변환하거나 성분비를 조절함으로써 LTCC의 유전특성 및 절연특성을 그대로 유지하면서 기계적 강도를 향상시키고, 상기 성분 중에 중금속 성분을 포함시키지 않음으로써 중금속 오염에 의한 환경 파괴를 방지할 수 있는 LTCC용 세라믹 분말 조성물에 관한 것이다.
LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)란 저온 동시 소성 세라믹스를 말하는 것으로, 1,000℃ 이하의 저온에서 금속전극과 세라믹 기판을 한꺼번에 소성하여 제조하는 소자를 지칭한다. 일반적으로 LTCC는 고주파 통신용 수동소자에 주로 적용되고 있다.
LTCC를 포함한 각종 소자를 제조할 때, 기판을 먼저 제조하고 상기 기판 위에 금속을 도포하는 것이 일반적이지만, 전술한 방법은 소자의 고집적화에 부정적인 영향을 미치는 경우가 많다.
즉, 종래의 소자의 제조 과정중에 적용되었던 고온 소성 방법(1400℃ 이상)은, 고융점을 갖는 세라믹 물질을 고온에서 소성 하여야 하기 때문에 제조 특성상 전극으로 사용되는 금속 또한 고융점을 갖는 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등을 사용해야 하는데, 상기 금속들은 고가라는 점 이외에도 소자내에서 적지 않은 전송손실을 유발한다는 단점을 안고 있다.
따라서 소자가 고집적화됨에 따라 기존의 기술을 금속전극과 세라믹 기판을 동시에 소성하여 소자를 제조하는 공정기술로 대체해야 할 필요성이 증대되었다.
저온 동시 소성 공정에서 글래스(Glass) 계열 혹은 글래스 계열 물질을 포함하는 세라믹 물질을 사용하는 경우, 저융점을 갖는 글래스 성분으로 인해 저온에서도 세라믹의 치밀한 소성이 가능하며, 상기 글래스 성분은 기지체(Matrix)로 작용하고, 상기 세라믹 성분은 뼈대(Filler)로 작용하여 내부 기공이 거의 없는 미세구조의 소자를 제조할 수 있다.
한편, 세라믹의 저온 소성이 가능하면 금속의 저온 소성도 가능하므로 상기 금속의 소성 과정에서 상기 백금, 팔라듐에 비해 저융점을 갖는 금속 재질을 도입할 수 있다. 또한, 상기 저온 소성이 가능한 금속 재질 중 은(Ag)과 같은 전송 특성이 우수한 재질을 선정함으로써 결과적으로 소자내에서의 전송 손실을 줄이는 계기가 될 수 있다.
상기와 같이 금속과 세라믹 재질을 선택함으로써 고온 소성 공정에서의 공정 온도보다 낮은 약 1000℃ 정도에서 금속을 도포한 기판들을 동시 소성 방법으로 압착 소성할 수 있으며, 전술한 공정을 거쳐 최종적으로 완성된 소자는 고주파에서도 양호한 특성을 나타낸다.
전술한 저온 동시 소성 방법을 이용하면 박막 다층 회로의 구성이 가능한데, 특히 인덕터(Inductor)와 같이 규모가 큰 소자를 구현할 때 유리하다. 그 밖에도 콘덴서(Capacitor) 등 일반 적층형 단위 수동 소자를 제조하거나 칩 결합기(Chip Coupler)와 같은 수동소자를 기판 내부에 구현할 수 있다.
일반적으로 LTCC용 유전체 세라믹 분말 조성물을 구성하는 원재료 성분은 LTCC의 전기적 특성에 영향을 주는데, 상기 성분 중 알루미나(Al2O3)가 많아지면 LTCC의 유전율이 증가하여 유전특성은 좋아지나 기계적 강도가 약해지고, 산화붕소(B2O3)가 많아지면 LTCC의 기계적 강도는 강해지나 유전율이 감소하는 단점이 있었다. 특히 LTCC는 저온에서 소성한 제품으로서 기계적 강도면에서 취약하여 취급시 파손의 우려가 높은 문제점이 있으므로, LTCC의 유전특성과 절연특성의 향상과는 별도로 기계적 강도를 향상시켜야 할 필요성이 매우 크다.
전술한 바와 같은 단점들을 극복하기 위해서 기존의 LTCC 제조업체에서는 산화납(PbO)을 함유하는 LTCC용 세라믹 분말을 제조 및 사용함으로써 제품의 전기적 특성과 기계적 특성을 개선시키고자 하는 노력을 기울여왔다. 상기 산화납은 LTCC 를 제조하는데 있어 소성온도를 낮추고, LTCC의 기계적 강도 및 절연저항을 증가시키는데 영향을 주는 주요 성분이다.
그러나 상기 산화납이 포함된 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 사용할 경우 중금속 오염 을 유발하는 등 환경적으로 좋지 않은 영향을 미치고 소자의 전기적 특성인 유전율을 저하시킴으로써 유전손실이 야기되며, 결국 치명적인 불량이 발생할 수 있는 요인으로 작용하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 산화칼슘 (CaO), 산화칼륨(K2O), 알루미나(Al2O3), 산화규소(SiO2), 산화붕소(B 2O3), 산화바륨(BaO)을 주요성분으로 함과 동시에 산화납(PbO) 성분을 배제하고, 상기 성분들간의 성분비를 조절하여 배합한 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제조함으로써, LTCC의 절연특성 및 유전특성을 저하시키지 않으면서 기계적 강도를 향상시킨 친환경적인 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 LTCC용 세라믹 분말 조성물 100 중량부를 기준으로, 산화칼슘(CaO) 1∼10 중량부, 산화칼륨(K2O) 1∼10 중량부, 알루미나(Al2O3) 30∼40 중량부, 산화규소(SiO2) 30∼40 중량부, 산화붕소(B 2O3) 10∼20 중량부, 산화바륨(BaO) 1∼10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제공한다.
그리고, 바람직하게는 LTCC용 세라믹 분말 조성물 100 중량부를 기준으로, MgO 5∼15 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제조하는 공정에 관한 흐름도이다.
도 1로부터 살펴보면, 본 발명에 따른 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 준비하기 위하여, 공업용으로 통상 사용되는 순도를 갖는 원재료들을 사용하였으며, 상기 원재료들 중 Al2O3 분말을 제외한 나머지 원재료들이 각각 산화칼슘(CaO) 1∼10 중량부, 산화칼륨(K2O) 1∼10 중량부, 산화규소(SiO2) 30∼40 중량부, 산화붕소(B2 O3) 10∼20 중량부, 산화바륨(BaO) 1∼10 중량부의 배합비를 구성하도록 조성한 후, 상기 측량된 원재료들을 볼 밀(Ball Mill) 등을 이용하여 24시간 이상 습식 혼합하고, 상기 혼합된 성분들을 1500℃ 이상의 고온에서 용융하여 유리 상태로 상변환시킨 다음, 상기 유리 상태 물질을 볼 밀을 이용하여 분쇄함으로써 분말 형태로 제조하고, 상기 분말에 30∼40 중량부로 측량된 알루미나(Al2O3) 분말을 균일하게 혼합하여 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제조하였다.
상기 각 원료들에 대해 전술한 측량 범위내에서 성분비를 다양하게 변형하여 실시한 예들을 표 1에 나타내었다.
[표 1]
원재료 CaO K2O Al2O3 SiO2 B2O3 BaO
조성물1 10 5 30 30 10 5
조성물2 1 8 30 40 20 1
조성물3 1 9 40 30 10 10
조성물4 5 4 35 35 20 1
조성물5 10 10 30 30 10 10
조성물6 8 1 30 40 20 1
조성물7 10 1 40 30 10 9
한편 기존에 사용되었던 LTCC용 세라믹 분말 조성물에 관하여 성분비를 다양하게 변형하여 실시한 비교예들을 표 2에 나타내었다. 표 2의 기타 구성성분은 미량 첨가된 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화납(PbO) 등 중금속류를 포함한다.
[표 2]
원재료 CaO K2O Na2O Li2O MgO Al2O3 SiO2 B2O3 기타
조성물1 - 0.6 0.7 0.7 11.5 50.0 25.0 10.5 1.0
조성물2 0.3 0.6 0.7 0.7 13.7 50.0 20.0 13.0 1.0
조성물3 - 0.5 0.5 0.7 12.5 45.0 25.0 15.0 0.8
조성물4 - 0.6 0.7 - 5.0 50.0 34.5 7.0 2.2
조성물5 - 1.0 - 1.0 7.0 57.0 26.0 6.0 2.0
표 1과 표 2를 비교하면, 각 성분의 성분비 뿐만 아니라 각 성분에도 차이가 있음을 알 수 있다. 즉, 기존에 사용되었던 LTCC용 세라믹 분말 조성물은 산화바륨(BaO)을 포함하지 않았으나, 산화리튬(Li2O)과 산화나트륨(Na2O)을 사용하였고, 본 발명에 의할 경우, 알루미나(Al2O3)의 함량은 40 중량부 이내로 제한한 반면, 비교예에서는 50 중량부 내외를 사용하여, 상기 성분들 중 알루미나(Al2O3)의 함량면에서 가장 많은 차이를 나타내고 있다.
한편, 표 1의 조성물을 구성하는 성분 중에는 나타내지 않았으나, 본 발명의 조성물에는 100 중량부를 기준으로 산화마그네슘(MgO) 5~15 중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가되는 산화 마그네슘은 그 양을 조정하여 유전율 및 제품의 강도를 조절한다
도 2는 본 발명에 따른 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 적용한 커패시턴스 (Capacitance) 측정용 시료를 제조하는 공정에 관한 흐름도이다.
도 1의 공정에 의해 제조된 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 닥터 블레이드(Doctor Blade) 방법을 이용하여 그린시트 형상으로 제조하기 위하여 상기 조성물에 분산제(Dispersion Agent), 바인더(Binder), 가소제 (Plasticizer)를 첨가하고 볼 밀을 이용하여 습식 혼합한 후, 닥터 블레이드 장치를 이용하여 테이프 캐스팅(Tape Casting)하여 그린 시트를 성형하고, 상기 그린 시트 성형체를 롤 절단기(Roll Cutter)를 이용하여 절단한 후, 상기 절단된 그린 시트 성형체를 적층(Stacking)하여 다시 칩(Chip)의 크기로 절단한 후, 소성로내에서 850℃로 소성하였다. 상기 소성된 칩에 전극을 형성하기 위하여 상기 칩의 양면에 전극용 은(Ag) 페이스트를 도포하고 다시 600℃로 소성하여 시료를 제조한 후, 상기 시료의 전기적 특성을 평가하였다.
유전율(Permitivity, ε), 유전손실(Dielectric Loss, %)은 임피던스 분석기 (Impedance Analyzer, HP4291B, Agilent Technology사)로 측정하였고, 절연 저항(Insulation Resistance, Ωcm)은 고저항 측정기(HP4339B, Agilent Technology 사)로 측정하였으며, 기계적 강도(Mechanical Strength, kgf/cm2)는 만능시험기 (Universal Test Machine)를 이용하여 꺾임 강도 측정 방법을 적용하여 측정하였다.
표 3에 표 1의 각 조성물에 따라서 제조한 시료의 전기적 특성값을 각각 나타내었다.
[표 3]
원재료 유전율 유전손실(%) 절연저항(Ωcm) 꺾임강도(kgf/㎠)
조성물1 6.21 0.002 1.28E+13 2500
조성물2 5.84 0.008 2.14E+13 2700
조성물3 6.75 0.004 9.42E+12 2400
조성물4 6.11 0.004 8.44E+12 2600
조성물5 6.09 0.006 1.85E+13 2550
조성물6 5.72 0.012 8.95E+12 2750
조성물7 6.81 0.008 2.04E+13 2300
한편, 표 4에 표 2의 각 조성물을 이용하여 제조한 시료의 전기적 특성값을 각각 비교예로서 나타내었다.
[표 4]
원재료 유전율 절연저항(Ωcm) 꺾임강도(kgf/㎠)
조성물1 6.7 >1014 2250
조성물2 6.6 >1014 2300
조성물3 6.6 >1014 2200
조성물4 6.7 >1014 2200
조성물5 6.6 >1014 2300
표 3으로부터 본 발명의 조성물을 이용하여 제조한 시료의 유전율은 5.72 ~ 6.81(ε), 유전손실은 0.002 ~ 0.012(%), 절연저항은 8.44 ×1012 ~ 2.14 ×1013 (Ωcm), 꺾임 강도는 2,300 ~ 2,750(kgf/㎠)을 나타냄을 알 수 있다.
표 3에서 기계적 강도를 결정짓는 구성성분은 B2O3 임을 알 수 있다. B2O 3는 저온소성시 기지체(Matrix)로 작용하기 때문에, 기판의 강도를 결정하는 주성분이 된다.
여기서, 절연저항과 유전율 값은 본 발명의 조성물에 의한 경우와 표 4의 비교예에서 나타낸 조성물에 의한 경우 각각 미차는 있으되 대체로 비슷한 경향을 나타내고 있으나, 꺾임 강도의 경우, 100 중량부를 기준으로 B2O3가 20 중량부 함유된 시료는 모두 비교예에서 측정된 값에 비하여 훨씬 높은 결과를 나타내고 있다.
표 3의 그 밖의 시료의 경우에도 꺾임 강도의 값이 표 4의 비교예에 나타낸 꺾임 강도 값과 비교하여 대체로 높은 경향을 나타내고 있다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자라 면 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리 범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 조성물의 성분을 변환하거나 성분비를 조절하여 제조한 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제공함으로써, 유전손실이 0.012% 이하이고, 절연저항이 8.44×1012 Ωcm 이상이며, 기계적 강도가 2,000kgf/cm2 이상인 바, 기존의 LTCC의 유전특성 및 절연특성을 그대로 유지하면서도 기계적 강도를 향상시키고, 상기 조성물의 성분 중에 산화납(PbO) 등 중금속 성분을 포함시키지 않음으로써 중금속 오염에 의한 환경 파괴를 미연에 방지할 수 있다.

Claims (5)

  1. LTCC용 세라믹 분말 조성물 100 중량부를 기준으로 산화칼슘(CaO) 1~10중량부, 산화칼슘(K2O) 1~10 중량부, 알루미나(Al2O3) 30~40 중량부, 산화규소(SiO2) 30~40중량부, 산화붕소(B2O3) 10~20중량부, 산화바륨(BaO) 1~10중량부, 산화마그네슘(MgO) 5~15 중량부를 포함하는 것을 특징으로 LTCC용 세라믹 분말 조성물.
  2. 삭제
  3. LTCC용 세라믹 분말 조성물 100 중량부를 기준으로, 산화칼슘(CaO) 1∼10 중량부, 산화칼륨(K2O) 1∼10 중량부, 산화규소(SiO2) 30∼40 중량부, 산화붕소(B2 O3) 10∼20 중량부, 산화바륨(BaO) 1∼10 중량부의 배합비를 구성하도록 조성하는 단계;
    상기 측량된 원재료들을 볼 밀(Ball Mill) 등을 이용하여 24시간 이상 습식 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 원재료들을 1500℃ 이상의 고온에서 용융하여 유리 상태 물질을 제조하는 단계;
    상기 유리 상태 물질을 분쇄하여 분말 형태로 제조하는 단계; 및
    상기 분말에 30∼40 중량부로 조성된 알루미나(Al2O3)를 균일하게 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC용 세라믹 분말 조성물을 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 LTCC용 세라믹 분말 조성물 100 중량부를 기준으로, 산화마그네슘(MgO) 5~15 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LTCC용 세라믹 분말 조성물의 제조방법.
  5. 제 1 항의 LTCC용 세라믹 분말 조성물에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 LTCC.
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