KR100824679B1 - Filler Composition and Material for Low Loss Dielectric Substrate - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실 유전체 기판 소재에 관한 것이다.The present invention relates to filler compositions for low loss dielectric substrate materials and low loss dielectric substrate materials.

본 발명에 따른 저 손실 유전체 기판 소재는, 기판 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시 수지 등으로 이루어지는 수지군으로부터 선택되는 기판 소재용 수지와 세라믹 파우더로 되는 기판 소재용 필러 조성물을 포함하여 되는 것이다. The low-loss dielectric substrate material according to the present invention comprises a filler composition for a substrate material comprising a resin and a ceramic powder for a substrate material selected from the group consisting of BCB, PPE, cyanate-based and epoxy resins that can be applied as a substrate material. It is to be included.

본 발명에 따라서 LTCC 시장을 PCB를 이용한 유기 모듈 시장으로 전환시킬 수 있다.According to the present invention it is possible to convert the LTCC market to the organic module market using a PCB.

유전체, 기판 소재, 소재용 필러, 수지 Dielectric, Substrate Material, Material Filler, Resin

Description

저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실 유전체 기판 소재{Filler Composition and Material for Low Loss Dielectric Substrate}Filler Composition for Low Loss Dielectric Substrate Materials and Low Loss Dielectric Substrate

도 1 은 본 발명에서의 저 손실 유전체 수지들의 유전상수(Dk) 및 손실계수(Df)의 분포도.1 is a distribution diagram of dielectric constant Dk and loss factor Df of low loss dielectric resins in the present invention.

도 2 는 본 발명에서의 BCB 수지의 RCC 형태 샘플의 단면도.2 is a cross-sectional view of an RCC type sample of BCB resin in the present invention.

도 3 은 본 발명에서의 BCB 수지의 건조 온도에 따른 Df 변화도.Figure 3 is a diagram of Df change with the drying temperature of the BCB resin in the present invention.

도 4 는 본 발명에서의 BCB 수지에 혼합된 필러 종류별 Df 변화도.Figure 4 is a change diagram of Df by filler type mixed in BCB resin in the present invention.

도 5 는 본 발명에서의 BCB 소재의 필러 측정 개념도.5 is a conceptual diagram of filler measurement of BCB material in the present invention.

도 6 은 본 발명에서의 BCB 수지의 필러 결정상 분석 결과.6 is a filler crystal phase analysis result of BCB resin in the present invention.

최근의 IT산업은 미래의 유비쿼터스 환경에서 사용되는 디지털 컨버젼스에 따른 고속 모바일 멀티미디어 서비스를 지향하고 있다. 이에 따라 각종 전자 부품들은 소형화 및 고주파화가 급진전되고 있으며, 회로의 시스템화 및 집적화도가 크게 증가하며 모듈의 소형화가 더욱 요구되고 있다. 그리하여, 반도체 산업에서의 시스템 온 칩(System On a Chip ; SOC) 및 시스템 인 패키지(System In a Package; SIP)기술, 전자 부품 산업에서의 복합 모듈화 기술, 그리고, 인쇄 회로 기판(PCB)산업에서의 임베디드 PCB기술 등이 결합되어 시스템 온 패키지(System On a Package;SOP)기술로 시스템의 고집적 모듈화가 이루어지고 있다.The recent IT industry is oriented toward high-speed mobile multimedia services based on digital convergence used in the ubiquitous environment of the future. Accordingly, miniaturization and high frequency of various electronic components are rapidly progressing, systemization and integration of circuits are greatly increased, and miniaturization of modules is further required. Thus, System On a Chip (SOC) and System In a Package (SIP) technologies in the semiconductor industry, complex modularization technologies in the electronic components industry, and printed circuit board (PCB) industries The embedded PCB technology is combined with the System On a Package (SOP) technology to achieve a highly integrated modular system.

여기에서, 여러 전자 부품들을 구성하는 소재의 전기적 특성이 중요해 지고 있다. 그리하여 최근에 고주파용 소재는 주로 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic)(이하 "LTCC"라 약칭함.)이라는 세라믹스가 널리 사용되고 있다. 이 LTCC 소재는 전기적 절연 특성이 우수할 뿐만 아니라 적층 공정을 이용한 회로 및 부품의 고집적화가 가능하고 또한 기판으로서의 기본 특성이 우수하여 패키지 등의 다양한 용도로 적용 가능하다.Here, the electrical characteristics of the material constituting the various electronic components become important. Therefore, in recent years, the high-frequency material is mainly used ceramics called low temperature co-fired ceramic (hereinafter abbreviated as "LTCC"). This LTCC material is not only excellent in electrical insulation, but also highly integrated in circuits and components using a lamination process, and has excellent basic characteristics as a substrate, which can be applied to various applications such as packages.

한편, 이 LTCC 소재는 세라믹스 소재이므로 작업 사이즈가 작고 공정이 복잡한 한계를 가지고 있다. 그런데, 저 손실 유연체 소재 개발을 통하여 임베디드 로우 패스 필터를 구현할 수 있어서 모든 고주파(RF)모듈을 PCB기반으로 제조가 가능하며 매우 많은 매출액을 이루도록 크게 형성된 LTCC 시장을 PCB를 이용한 유기(Organic)모듈 시장으로 전환시킬 수 있다. 이 과정에서 가장 크게 문제가 될 수 있는 것이 소재 자체의 특성이다. 특히 PCB 소재는 에폭시 수지를 기본으로 하고 있기 때문에 손실이 큰 것이 가장 중요한 걸림돌이 되는 것이다.On the other hand, since the LTCC material is a ceramic material, the working size is small and the process has a limitation. However, it is possible to implement the embedded low pass filter through the development of low loss flexible material, so that all high frequency (RF) modules can be manufactured on the basis of PCB. You can turn it into a market. The biggest problem in this process is the nature of the material itself. In particular, since the PCB material is based on epoxy resin, a large loss is the most important obstacle.

그러나, 상기와 같은 손실이 낮은 PCB 소재로 개선하기 위한 연구들은 주로 수지의 관점에서 진행되어 왔을 따름이다.However, researches for improving the low-loss PCB materials have been conducted mainly in terms of resins.

저 손실 유전체 소재로는 현재는 세라믹스 소재가 사용되고 있으며, PCB 소재를 이용한 것은 아직 초기 단계에 머물고 있다. 저 손실 유전체 소재로 개발되고 있는 PCB 소재는 벤조시클로부텐(Benzocyclobutene ; BCB)수지를 이용한 것이 개발됐으나 매우 고가로서 반도체 공정에서 유전성 유기 코팅 용도로 사용되고 있을 뿐 저가의 기판 소재로 사용되기는 어려운 상황이다.Ceramic materials are currently used as low-loss dielectric materials, and PCB materials are still in their infancy. PCB materials, which are being developed as low-loss dielectric materials, have been developed using benzocyclobutene (BCB) resins, but they are very expensive and are used for dielectric organic coatings in semiconductor processes.

표 1 은 기판 소재별 특성을 비교한 표이다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이, LTCC 소재가 손실계수 및 상대적 전송 손실에 있어서 다른 소재들에 비해 월등하게 낮은 값을 가짐을 알 수 있다.Table 1 is a table comparing the characteristics of each substrate material. As can be seen, it can be seen that LTCC materials have significantly lower values than other materials in terms of loss factor and relative transmission loss.

표 1. 기판 소재별 특성 비교Table 1. Comparison of characteristics by substrate material

구 분division FR4FR4 LTCCLTCC SiO2 SiO 2 유전상수 (Dielectric Constant)Dielectric Constant 4.5 @1MHz4.5 @ 1 MHz 5.9 @5GHz5.9 @ 5 GHz 3.8-4.3 @5GHz3.8-4.3 @ 5 GHz 손실계수 (Loss Tangent)Loss Tangent 0.020.02 0.0020.002 0.040.04 CTECTE 15-20*10-6/K15-20 * 10 -6 / K 5.9*10-6/K5.9 * 10 -6 / K 3-17*10-6/K3-17 * 10 -6 / K 상대적 전송손실 @5GHzRelative Transmission Loss @ 5 GHz 0.042(×15) (+0.0392)0.042 (× 15) (+0.0392) 0.0028(×1) (+0)0.0028 (× 1) (+0) 0.08(×28) (+0.0772)0.08 (× 28) (+0.0772) 상대적 전송손실 @10GHzRelative Transmission Loss @ 10 GHz 0.084 (+0.0784)0.084 (+0.0784) 0.0056 (+0)0.0056 (+0) 0.16 (+0.1544)0.16 (+0.1544)

출처 : 죠지아 Inst. Tech. PRC                                      Source: Georgia Inst. Tech. PRC

일반적으로 신호 전송 손실은 기판 소재의 유전율(ε) 및 손실 계수(tanδ)(Dissipation Factor)(이하 "Df"라 약칭함.)에 비례한다. 따라서, 상기ε 및 Df 는 작을수록 좋은 것이다.In general, the signal transmission loss is proportional to the dielectric constant epsilon of the substrate material and the loss factor tanδ (Dissipation Factor) hereinafter abbreviated as "Df". Therefore, the smaller the ε and Df, the better.

여기에서 저 손실 유전체 소재로서의 수지를 살펴보면, 앞서 소개한 BCB 타입 수지를 비롯하여 폴리 페닐렌 에테르(Poly Phenylene Ether ; PPE)타입 수지, 시아네이트(Cyanate)타입 수지 등이 있으며, 또한 신규 수지에 대한 연구 등이 진 행되고 있다. 이들 수지들의 유전율 상수와 손실계수(Df)들을 보면 도 1 에서와 같으며, BCB 타입 수지가 상대적으로 낮은 값을 보이고 있음을 알 수 있다.Herein, the resins as low-loss dielectric materials include BCB type resins, poly phenylene ether (PPE) type resins, cyanate type resins, and the like. Etc. are in progress. The dielectric constants and loss coefficients (Df) of these resins are as shown in FIG. 1, and it can be seen that BCB type resins exhibit relatively low values.

한편, 상기 BCB 소재의 하부 기판과 상부 기판 등의 소재 단면상의 EDX분석 결과가 표 2 와 같다. 여기에서 필러(Filler) SiO2 로 확인하였으며 상부 기판을 스펙트럼 1, 하부 기판을 스펙트럼 3 으로, 그리고 가운데 부분을 스펙트럼 2 로 나타내었다.On the other hand, EDX analysis results on the cross section of the material such as the lower substrate and the upper substrate of the BCB material is shown in Table 2. Herein, filler SiO 2 was identified, and the upper substrate was represented by spectrum 1, the lower substrate by spectrum 3, and the center part was represented by spectrum 2.

표 2. EDX분석 결과 : 필러 SiO2 로 확인Table 2. EDX analysis results: confirmed by filler SiO 2

스펙트럼spectrum CC OO SiSi CuCu TotalTotal 1One 23.2323.23 51.7251.72 25.0525.05 -- 100.00100.00 22 29.8029.80 45.7045.70 24.5024.50 -- 100.00100.00 33 22.6522.65 -- -- 77.377.3 100.00100.00

또한, 상기 BCB 소재의 압착 온도에 따른 유전율 및 Df값은, 압착 온도가 높을수록 유전율 및 Df값이 낮아지는 것을 알 수 있었다.In addition, the dielectric constant and Df value according to the crimping temperature of the BCB material was found that the higher the crimping temperature, the lower the dielectric constant and Df value.

상기에서 알 수 있는 바와 같이, PCB용 저 손실 유전체 소재로서 개발된 BCB 소재는 수지의 우수한 특성으로 인하여 우수한 유전 특성을 나타내고 있지만 필러에 대한 특별한 고려는 되지 않은 것이며, 여기에서는 실리카 비정질이 필러로 사용된 것으로 판단되고 있다.As can be seen from the above, BCB material developed as a low loss dielectric material for PCB shows excellent dielectric properties due to the excellent properties of the resin, but no special consideration is given to the filler, where silica amorphous is used as the filler. It is believed to have been.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 된 것으로서, 본 발명의 목적은 세라믹 파우더로 되며, 유전률 3.5 이하이고 손실계수 0.01이하인 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 제공하는 데 있다.The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a filler composition for a low loss dielectric substrate material having a ceramic powder and having a dielectric constant of 3.5 or less and a loss factor of 0.01 or less.

본 발명의 다른 목적은, 기판 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시 수지 등으로 이루어지는 수지군으로부터 선택되는 기판 소재용 수지와 상기 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 포함하여 되며, 유전률 3.5이하이고 손실계수 0.01 이하인 저 손실 유전체 기판 소재를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to include a resin for a substrate material selected from the group of resins consisting of BCB, PPE, cyanate-based and epoxy resins, etc. which can be applied as a substrate material and the filler composition for the low-loss dielectric substrate material, A low loss dielectric substrate material having a dielectric constant of 3.5 or less and a loss factor of 0.01 or less is provided.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물의 특징은, 세라믹 파우더로 되는 점에 있다.A feature of the filler composition for a low loss dielectric substrate material according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is that the ceramic powder.

본 발명의 다른 실시예에 따른 저 손실 유전체 기판 소재의 특징은, 기판 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시 수지 등으로 이루어지는 수지군으로부터 선택되는 기판 소재용 수지와 상기 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 포함하여 되는 점에 있다.Features of the low loss dielectric substrate material according to another embodiment of the present invention, the substrate material resin and the low loss dielectric material selected from the group consisting of resins such as BCB, PPE, cyanate-based and epoxy resin that can be applied as a substrate material It exists in the point which contains the filler composition for substrate materials.

이하에서 첨부 도면에 따라서 본 발명에 따른 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물 및 저 손실 유전체 기판 소재에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a filler composition for a low loss dielectric substrate material and a low loss dielectric substrate material according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2 는 수지 코팅 구리(Regin Coated Cupper ; RCC)형태로 만들어진 샘플의 단면도이다. 도에서 하부 기판은 Cu포일(Foil)을 사용하고, 그 위에 BCB 수지와 실리카(Silica) 비정질 필러를 혼합한 조성물을 캐스팅 방식으로 형성한 것이다.2 is a cross-sectional view of a sample made in the form of resin coated copper (RCC). In the drawing, the lower substrate is formed by casting a composition using Cu foil and a BCB resin and an amorphous silica filler mixed thereon.

한편, 상기 BCB 수지의 건조 온도에 따른 손실계수(Df)의 변화를 측정하였는 바, 표 3 과 같으며, 그 결과를 도 3 으로 나타내었다. 도 3 에서 알 수 있는 바와 같이, 건조 온도가 150℃까지 높아질수록 Df값이 크게 작아지지만 170℃를 경계로 하여 갑자기 매우 커지는 것을 알 수 있다.On the other hand, the change in the loss coefficient (Df) according to the drying temperature of the BCB resin was measured, as shown in Table 3, the results are shown in FIG. As can be seen in FIG. 3, the higher the drying temperature is up to 150 ° C., the smaller the Df value is, but suddenly very large around 170 ° C. boundary.

표 3. BCB 수지의 건조 온도에 따른 Df값Table 3. Df value according to drying temperature of BCB resin

예Yes 100℃100 ℃ 120℃120 ℃ 150℃150 ℃ 170℃170 ℃ 200℃200 ℃ 1One 0.001120.00112 0.001030.00103 0.000480.00048 0.000840.00084 0.004000.00400 22 0.001240.00124 0.001130.00113 0.000860.00086 0.000910.00091 0.003970.00397 33 0.001040.00104 0.000740.00074 0.000790.00079 0.000730.00073 0.004070.00407 44 0.001410.00141 0.001100.00110 0.000730.00073 0.000680.00068 0.003790.00379 55 0.001110.00111 0.001000.00100 0.001020.00102 0.000790.00079 0.003790.00379 66 0.000980.00098 0.001040.00104 0.000600.00060 0.000900.00090 0.003980.00398 평균값medium 0.001150.00115 0.001010.00101 0.000750.00075 0.000810.00081 0.003930.00393

그런데, 상기와 같은 형상의 PCB소재에서 조성물에 포함된 필러의 종류에 따라 상대적인 손실 특성이 표 4 에서와 같이 변화되고 있음을 알게 되었는 바, 그 결과를 도 4 에 나타내었다. 특히, 도 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 손실 특성에 있어서 화학적인 조성의 차이가 거의 없는 Si-O 산화물계에서 비정질상과 쿼츠상 그리고 크리스토발라이트(Cristobalite)상 사이의 손실 특성에 큰 차이가 있음을 알 수 있다.By the way, it was found that the relative loss characteristics are changed as shown in Table 4 in accordance with the type of the filler included in the composition in the PCB material of the shape as described above, the results are shown in FIG. In particular, as can be seen in Figure 4, the loss characteristics between the amorphous phase, quartz phase and cristobalite phase in the Si-O oxide system with little difference in chemical composition in the loss characteristics, it can be seen that there is a big difference Can be.

표 4. 필러 종류 별 Df값Table 4. Df Values by Filler Type

비정질상 (SG-1200)Amorphous Phase (SG-1200) 크리스탈 (쿼츠)Crystal (Quartz) 크리스토 발라이트Cristo Ballite MgOMgO CaOCaO 0.01280.0128 0.003840.00384 0.000530.00053 0.002930.00293 0.009240.00924 0.01370.0137 0.004450.00445 0.000580.00058 0.002670.00267 0.009220.00922 0.01380.0138 0.00450.0045 0.000530.00053 0.002250.00225 0.009320.00932 0.01360.0136 0.003610.00361 0.00060.0006 0.002680.00268 0.009420.00942 0.01450.0145 0.004080.00408 0.000570.00057 -- 0.009140.00914 0.013680.01368 0.0040960.004096 0.0005620.000562 0.002620.00262 0.0092680.009268

여기에서, 필러를 평가하는 방법에 있어서, 필러만의 측정 및 평가는 불가능하다. 그러므로, 그 절대값은 측정 불가하지만 전기적 특성을 상호 비교할 수 있는 방법이 필요하였으며, 도 5 에 이와 같은 측정 개념도를 표시하였다.Here, in the method of evaluating a filler, measurement and evaluation of only a filler are impossible. Therefore, the absolute value is not measurable, but a method for comparing the electrical characteristics was needed, and the measurement conceptual diagram is shown in FIG. 5.

또한, 도 6 은 필러 결정상의 분석 결과를 나타내는 도면으로서, 여기에서 알 수 있는 바와 같이, 크리스토발라이트 상이 우수한 결과를 나타내고 있는 바, 저 손실 유전체 PCB 소재용 필러로서 적용 가능성이 가장 높다.6 is a diagram showing the analysis results of the filler crystal phase. As can be seen from the above, the cristobalite phase shows excellent results, and thus it is most applicable as a filler for a low loss dielectric PCB material.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허 청구 범위에 속한다 할 것이다.On the other hand, the present invention is not limited to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, such modifications or variations will belong to the claims of the present invention.

이상에서 상세하게 밝힌 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물을 구하고, 기판 소재용 수지와 이 필러 조성물을 포함하는 저 손실 유전체 기판 소재를 형성하였기 때문에, 모든 고주파 모듈을 PCB 기반으로 제조가 가능하며 매우 많은 매출액을 이루고 있는 LTCC 시장을 PCB를 이용한 유기 모듈 시장으로 전환시킬 수 있는 것이다.As described in detail above, according to the present invention, since the filler composition for the low loss dielectric substrate material was obtained, and the low loss dielectric substrate material including the resin for the substrate material and the filler composition was formed, all the high frequency modules were connected to the PCB. It is possible to convert the LTCC market, which can be manufactured on the basis of sales and generates a lot of sales, to the organic module market using PCB.

Claims (9)

세라믹 파우더로 되며, 유전률 3.5 이하이고 손실계수 0.01 이하인 저 손실 유전체 기판 소재용 필러 조성물.A filler composition for a low loss dielectric substrate material of ceramic powder, having a dielectric constant of 3.5 or less and a loss factor of 0.01 or less. 제 1 항에 있어서, 상기 필러 조성물이,The method of claim 1, wherein the filler composition, Si-O계 및 MgO계로 이루어지는 세라믹스 산화물 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 필러 조성물.The filler composition selected from the group of ceramic oxides which consist of Si-O system and MgO system. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 필러 조성물이 크리스탈(쿼츠)상인 것을 특징으로 하는 필러 조성물.Filler composition, characterized in that the filler composition is a crystal (quartz) phase. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 필러 조성물이 크리스토발라이트 상인 것을 특징으로 하는 필러 조성물.Filler composition, characterized in that the filler composition is cristobalite phase. 인쇄회로기판(PCB) 소재로 적용될 수 있는 BCB, PPE, 시아네이트계 및 에폭시수지로 이루어지는 수지군 으로부터 선택되는 기판 소재용 수지와 제 1 항에 의한 필러 조성물을 포함하여 되며, 유전률 3.5 이하이고 손실계수 0.01 이하인 저 손실 유전체 기판 소재.It includes a resin for a substrate material selected from the group consisting of BCB, PPE, cyanate-based and epoxy resin which can be applied as a printed circuit board (PCB) material and the filler composition according to claim 1, and has a dielectric constant of 3.5 or less Low loss dielectric substrate material with a coefficient of 0.01 or less. 제 5 항에 있어서, 상기 PCB 소재의 손실계수(Df)가 0.0005 이상이고 0.005 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 저 손실 기판 소재.The low loss substrate material according to claim 5, wherein the loss factor (Df) of the PCB material is in a range of 0.0005 or more and 0.005 or less. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 필러 조성물이,The method according to claim 5 or 6, wherein the filler composition, Si-O계 및 MgO계로 이루어지는 세라믹스 산화물 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 저 손실 유전체 기판 소재.A low loss dielectric substrate material selected from the group of ceramic oxides consisting of Si-O based and MgO based. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 필러 조성물이 크리스탈 상인 것을 특징으로 하는 저 손실 기판 소재.Low loss substrate material, characterized in that the filler composition is a crystal phase. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 필러 조성물이 크리스토발라이트 상인 것을 특징으로 하는 저 손실 기판 소재.Low filler substrate material, characterized in that the filler composition is cristobalite phase.
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