KR20100004761A - 적층 세라믹 기판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제1 열팽창계수를 갖는 물질로 이루어진 제1 세라믹층과, 상기 제1 세라믹층의 일면에 적층되며, 상기 제1 열팽창계수와 다른 제2 열팽창계수를 갖는 물질로 이루어진 제2 세라믹층, 및 상기 제1 세라믹층의 타면에 적층되며, 상기 제2 열팽창계수를 갖는 물질로 이루어지고 상기 제2 세라믹층과 다른 두께를 갖는 제3 세라믹층을 포함하는 적층 세라믹 기판을 제공할 수 있다.
적층(laminated), 세라믹(ceramic), 수축(shrink), 크랙(crack)

Description

적층 세라믹 기판{LAMINATED CERAMIC SUBSTRATE}
본 발명은 적층 세라믹 기판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소성시 발생되는 수축에 의해 표면에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있는 적층 세라믹 기판에 관한 것이다.
플라스틱이나 세라믹스 등으로 되는 기판의 표면에 FET, 다이오드 등의 반도체 소자나, 저항소자, 캐패시턴스 소자, 인덕턴스 소자 등의 전자부품을 탑재한 고주파 스위치, VCO, 증폭기 등의 고주파 전자부품이 알려져 있다. 이와 같은 기판은 반도체 소자나 전자부품의 기계적 응력으로부터 보호, 전기적 특성의 향상, 열적인 보호가 요구된다.
최근들어, 휴대전화 등의 이동통신 분야에 있어서, 구성 회로부품을 소형화 하고자 하는 요구가 강하고, 캐패시턴스 소자, 인덕턴스 소자 등을 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)기술에 의하여 세라믹체 내에 내장시키는 적층 세라믹 기판이 사용되고 있다.
이러한 적층 세라믹 기판을 제조하는 방법은, 표면에 도전 패턴 및 비아홀이 형성된 복수의 세라믹 그린시트를 적층하여 적층체를 형성하고, 상기 적층체를 소성하는 공정을 포함한다. 상기 적층체를 소성하는 공정은 고온 또는 저온에서 진행되기 때문에 세라믹 시트가 소성 공정 중 수축하게 된다. 상기 적층체에 사용되는 세라믹 재료의 소성온도는 대략 800℃ 내지 950℃ 정도이며 내부 전극으로 많이 사용되는 은(Ag)등의 금속은 약 400℃ 내지 550℃ 에서 수축 거동을 보일 수 있다.
특히, 서로 다른 종류의 세라믹 시트를 적층하여 형성되는 적층 세라믹 기판에서는, 서로 다른 종류의 세라믹 시트는 열팽창 계수가 다르기 때문에 소성후 상기 적층 세라믹 기판의 표면에 크랙(crack)이 발생될 수 있다. 이러한 크랙은 수분침투를 유발하여 적층 세라믹 기판의 성능이나 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 표면에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있는 적층 세라믹 기판의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 제1 세라믹층과, 상기 제1 세라믹층의 일면에 적층되는 제2 세라믹층, 및 상기 제1 세라믹층의 타면에 적층되며, 상기 제2 세라믹층과 다른 두께를 갖는 제3 세라믹층을 포함하는 적층 세라믹 기판을 제공할 수 있다.
상기 적층 세라믹 기판에서 벤딩 모멘트가 작용할 때 단면에 생기는 수직응력이 제로(0)인 중립면(neutral plane)이 상기 제2 세라믹층에 형성될 수 있다.
상기 제2 세라믹층은, 상기 제3 세라믹층보다 두꺼울 수 있고, 이때, 상기 제1 세라믹층은, 상기 제2 세라믹층보다 얇고 제3 세라믹층보다 두꺼울 수 있다.
상기 제1 세라믹층은 제1 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어지고, 상기 제2 세라믹층은 상기 제1 열팽창 계수와 다른 제2 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제3 세라믹층은, 상기 제2 세라믹층과 동일한 물질로 이루어질 수 있 다.
상기 제1 열팽창계수는 상기 제2 열팽창계수에 비해 큰 것일 수 있으며, 이 때, 상기 제1 세라믹층은, 비유전율이 15 이상이고 50 이하인 고유전 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 제2 세라믹층은, 비유전율이 10 이하인 저유전 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 표면에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있어 성능 및 신뢰성이 향상된 적층 세라믹 기판을 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 적층 세라믹 기판의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본실시 형태에 따른 적층 세라믹 기판(100)은, 제1 세라믹 시트(110), 제2 세라믹 시트(120), 및 제3 세라믹 시트(130)를 포함할 수 있다.
상기 제1 세라믹 시트(110)는 제1 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 세라믹 시트(110)는 비유전율이 높은 고유전 물질을 포함할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 제1 세라믹 시트(110)는 비유전율이 약 15 내지 50인 물 질을 사용할 수 있다. 상기 제1 세라믹 시트의 구성 재료로는 Ba-Ti-Nd 계의 세라믹 재료에 유리(glass) 재료로서 Zn-Si계 유리가 8~23 wt% 첨가될 수 있다.
상기 제1 세라믹 시트(110)의 상면에는 제2 세라믹 시트(120)가 적층될 수 있다. 상기 제2 세라믹 시트(120)는 제2 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제2 열팽창 계수는 상기 제1 열팽창 계수보다 작을 수 있다. 상기 제2 세라믹 시트(120)는 비유전율이 낮은 저유전 물질을 포함할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 제2 세라믹 시트(120)는 비유전율이 약 10 이하인 물질을 사용할 수 있다. 상기 제2 세라믹 시트의 구성재료로는 알루미나(Al2O3) 및 Zn-Si계 유리를 포함할 수 있다.
상기 제1 세라믹 시트(110)의 하면에는 제3 세라믹 시트(130)가 적층될 수 있다. 상기 제3 세라믹 시트(130)는 상기 제2 세라믹 시트(120)돠 동일한 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제3 세라믹 시트(130)의 두께는 상기 제2 세라믹 시트(120)의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
상기 적층 세라믹 기판(100)은 소성공정시 각각의 세라믹 시트에 작용되는 응력에 의해 외부형태가 변형될 수 있다. 적층 세라믹 기판이 변형될 때 각각의 세라믹 시트에는 벤딩 모멘트가 작용하게 된다. 상기 벤딩 모멘트란, 굽힘모멘트라고 도 하며, 적층체에 하중이 가해지면 적층체를 굽히려는 힘이 작용하는데 이것을 벤딩모멘트라고 한다. 적층체에 벤딩 모멘트가 작용하여 굽힘 변형이 발생할 때, 볼록층에는 인장력, 오목층에는 압축력이 작용하고 그 중간에 인장력이나 압축력이 작용하지 않는 면, 즉 수직응력이 제로(0)가 되는 면을 중립면(neutral plane)이라고 한다.
상기 적층 세라믹 기판(100)의 내부에는 상기 벤딩 모멘트가 제로(0)인 가상의 평면인 중립면(140)이 존재하게 된다. 적층 세라믹 기판을 이루는 세라믹 시트가 모두 동일한 재질인 경우에는 상기 중립면은 적층체 두께의 중심에 형성될 수 있다. 그러나, 본 실시형태와 같이 서로 다른 유전율을 갖는 세라믹 시트가 적층되어 형성되는 적층 세라믹 기판의 경우에는 상기 중립면의 위치는 적층되는 세라믹 시트의 두께 및 영률(Young's Modulus)에 의해 결정될 수 있다. 상기 영률은, 세라믹 시트의 재료에 의해 정해지는 탄성률을 의미한다. 본 실시형태에서는 제1 세라믹 시트(110)를 중심으로 제2 세라믹 시트(120) 및 제3 세라믹 시트(130)가 적층되며 상기 제2 세라믹 시트(120)와 제3 세라믹 시트(130)의 두께가 다르므로 상기 중립면은 적층 세라믹 시트의 중심에서 한쪽 방향으로 치우치게 위치할 수 있다. 본 실시형태에서는, 제2 세라믹 시트(120)가 제3 세라믹 시트(130)에 비해 두꺼우므로 상기 중립면(140)은 상기 제2 세라믹 시트(120)에 위치할 수 있다.
상기 적층 세라믹 기판(100)을 소성하는 경우에, 적층된 제1 세라믹 시트(110), 제2 세라믹 시트(120), 및 제3 세라믹 시트(130)는 각각 수축이 일어날 수 있다. 서로 접하고 있는 세라믹 시트 사이의 열팽창계수가 다르기 때문에 수축되는 정도는 세라믹 시트마다 다르게 나타날 수 있다. 본 실시형태에서는 제2 세라믹 시트(120)를 제3 세라믹 시트(130)보다 두껍게 형성함으로써, 적층 세라믹 기판의 베딩 모멘트(140)를 제2 세라믹 시트(120)에 위치하도록 하였고 이로 인해 소성시 상기 적층 세라믹 기판의 상부와 하부의 수축 정도가 달라질 수 있다. 이렇게 함으로써, 소성시 제1 세라믹 시트(110)와 제2 또는 제3 세라믹 시트(120, 130) 사이에 발생되는 응력을 상대적으로 저감시킬 수 있다. 따라서 소성공정시 발생될 수 있는 적층 세라믹 기판 표면의 크랙을 줄일 수 있다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일실시 형태에 따른 적층 세라믹 기판의 단면도이고, 도 2의 (b)는 상기 실시형태와 비교하기 위한 다른 적층 세라믹 기판의 단면도이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일실시 형태에 따른 적층 세라믹 기판(200)은, 제1 세라믹 시트(210), 제2 세라믹 시트(220), 및 제3 세라믹 시트(230)가 적층되어 형성될 수 있다. 상기 제1 세라믹 시트(210)는 고유전 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 세라믹 시트(220) 및 제3 세라믹 시트(230)는 저유전 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 세라믹 시트(220) 및 제3 세라믹 시트(230)는 서로 동일한 유전율을 가질 수 있고, 상기 제2 세라믹 시트(220)는 제3 세라믹 시트(230)보다 두껍게 형성될 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 적층 세라믹 기판(200a)은, 제1 세라믹 시트(210a), 제2 세라믹 시트(220a), 및 제3 세라믹 시트(230a)가 적층되어 형성되며, 상기 제2 세라믹 시트(220a)와 제3 세라믹 시트(230a)의 두께가 동일하게 형성될 수 있다. 상기 제1 세라믹 시트(210a)는 고유전 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 세라믹 시트(220a) 및 제3 세라믹 시트(230a)는 저유전 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 세라믹 시트 및 제3 세라믹 시트는 동일한 유전율을 가질 수 있다.
상기 도 2의 (a) 및 (b)에 개시된 적층 세라믹 기판에서 중립면이 형성되는 위치를 비교하겠다.
상기 적층 세라믹 기판에서 중립면이 형성되는 위치를 결정하기 위해서는,
Figure 112008048600235-PAT00001
의 식을 사용할 수 있다.
여기서, E1, E2, E3는 각각 제3 세라믹 시트(230, 230a), 제1 세라믹 시트(210, 210a), 및 제2 세라믹 시트(220, 220a)의 영률을 나타내고, t1, t2, t3는 각각 바닥면에서 제3 세라믹 시트(230, 230a), 제1 세라믹 시트(210, 210a), 및 제2 세라믹 시트(220, 220a) 각각의 중심부까지의 거리를, ta, tb, tc는 각각 제3 세라믹 시트(230, 230a), 제1 세라믹 시트(210, 210a), 및 제2 세라믹 시트(220, 220a)의 두께를 나타낸다.
먼저, 도 2의 (b)에 도시된 적층 세라믹 기판을 살펴보면, 제3 세라믹 시트(330a) 및 제2 세라믹 시트(320a)는 동일한 유전율을 갖는 물질로 형성되고 동일한 두께를 가지므로, E1 및 E3는 동일하며, ta 및 tc는 동일하다.
따라서, 상기 식 1에 의해 계산되는 바닥면에서 중립면(240a)까지의 거리(tbc)는 바닥면에서 제1 세라믹 시트(210a)의 중심까지의 거리(t2)와 동일하게 된다.
상기 도 2의 (a)에 도시된 적층 세라믹 기판에서는, 제3 세라믹 시트(330)와 제2 세라믹 시트(320)는 동일한 유전율을 갖는 물질로 형성되지만 두께가 다르게 형성되므로 E1 및 E3은 동일하지만, ta 와 tc는 서로 동일하지 않다.
따라서, 상기 수학식 1에 의해 계산되는 바닥면에서 중립면까지의 거리(tbc)는 바닥면에서 제1 세라믹 시트(210)의 중심까지의 거리(t2)보다 더 크게 형성될 수 있다. 즉, 중립면(240)은 제2 세라믹 시트(220)에 형성될 수 있다.
상기 각각의 적층 세라믹 기판(200, 200a)의 소성후 변형정도를 살펴보겠다.
도 2의 (b)에 도시된 적층 세라믹 기판(200a)의 경우, 제2 세라믹 시트(220a) 및 제3 세라믹 시트(230a)가 동일한 유전율을 가지므로 열팽창계수가 동일하다. 또한, 상기 제2 세라믹 시트(220a) 및 제3 세라믹 시트(230a)의 두께가 동일하므로 소성시 적층 세라믹 기판은 상하로 휨이 발생하지 않고 적층면을 따라서 만 수축이 발생된다. 이 경우, 소성후의 중립면(Lca')의 길이는 제1 세라믹 시트의 중심선(Lha')과 동일하다.
도 2의 (a)에 도시된 적층 세라믹 기판(200)의 경우, 제2 세라믹 시트(220) 및 제3 세라믹 시트(230)가 동일한 유전율을 가져 열팽창계수가 동일하지만, 서로 두께가 다르므로, 소성시 수축되는 힘이 달라 상기 적층 세라믹 기판의 상하로 휨이 발생될 수 있다. 이 경우, 소성후의 중립면(Lc')의 길이는 제1 세라믹 시트의 중심선(Lh')과 동일하지 않다. 여기서 소성 후 중립면의 길이(Lc')가 제1 세라믹 시트의 중심선(Ln')보다 크다.
상기 중립면의 특성상 도 2의 (a) 및 (b)의 적층 세라믹 기판의 형태는 다르지만, 각각의 세라믹 시트를 구성하는 물질이 동일하고 동일한 소성공정에 의해 소성되었다면, 각각의 형태에서 중립면의 수축정도는 동일하게 된다. 즉, 소성 후의 도 2의 (a)에서의 중립면의 길이(Lc')는 도 2의 (b)에서의 중립면의 길이(Lca')와 서로 동일하게 된다.
따라서, 도 2의 (a)의 경우와 도 2의 (b)를 비교하여 제1 세라믹 시트의 수축 정도는 도 2의 (a)의 경우가 도 2의 (b)의 경우보다 상대적으로 작게됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시 형태인 도 2의 (a)의 경우에 소성시 제1 세라믹 시트에 발생되는 응력을 줄일 수 있다.
상기 도 2의 (a) 및 (b)의 적층 세라믹 기판에서 시뮬레이션 결과를 통해 소성시 응력의 정도를 비교하겠다.
상기 제1 세라믹 시트(210, 210a)는, 고유전 물질을 포함하여 영률이 110GPa이고, 상기 제2 세라믹시트(220, 220a) 및 제3 세라믹 시트(230, 230a)는 저유전 물질을 포함하여 영률이 67GPa 이다. 상기 제1 세라믹 시트(210, 210a)의 열팽창계수는 13.0×10-6이고, 상기 제2 세라믹 시트(220, 220a) 및 제3 세라믹 시트(230, 230a)의 열팽창계수는 5.0×10- 6 이다.
도 2의 (a)에 도시된 적층 세라믹 기판(200)의 경우, 제1 세라믹 시트(210)의 두께는 0.1mm, 제2 세라믹 시트(220)의 두께는 0.45mm, 제3 세라믹 시트(230)의 두께는 0.05mm로 형성하였다.
도 2의 (b)에 도시된 적층 세라믹 기판(200a)의 경우, 제1 세라믹 시트(210a)의 두께는 0.1mm, 제2 세라믹 시트(220a)의 두께는 0.25mm, 제3 세라믹 시트(230a)의 두께는 0.25mm로 형성하였다.
상기의 재원을 이용하여 시뮬레이션을 거친 결과 도 2의 (a)의 적층 세라믹 기판(200)의 소성시 제1 세라믹 시트(210)에 작용하는 응력은 270 MPa이고, 도 2의 (b)의 적층 세라믹 기판(200a)의 소성시 제1 세라믹 시트(210a)에 작용하는 응력은 327 MPa이었다. 따라서, 도 2의 (b)의 형태와 같은 적층 세라믹 기판에 비해 도 2의 (a)의 형태와 같은 적층 세라믹 기판의 경우에 서로 다른 종류의 적층된 세라믹 시트 사이에 발생되는 응력이 감소되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시 형태에 따른 적층 세라믹 기판에서는 소성시 크랙이 발생되는 것을 줄일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 적층 세라믹 기판의 단면도이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일실시 형태에 따른 적층 세라믹 기판의 단면도이고, 도 2의 (b)는 상기 실시형태와 비교하기 위한 다른 적층 세라믹 기판의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
110 : 제1 세라믹 시트 120 : 제2 세라믹 시트
130 : 제3 세라믹 시트 140 : 중립면

Claims (9)

  1. 제1 세라믹층;
    상기 제1 세라믹층의 일면에 적층되는 제2 세라믹층; 및
    상기 제1 세라믹층의 타면에 적층되며, 상기 제2 세라믹층과 다른 두께를 갖는 제3 세라믹층
    을 포함하는 적층 세라믹 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    벤딩 모멘트가 작용할 때 단면에 발생하는 수직응력이 제로(0)인 중립면이 상기 제2 세라믹층에 형성되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 세라믹층은, 상기 제3 세라믹층보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 세라믹층은,
    상기 제2 세라믹층보다 얇고 제3 세라믹층보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세라믹층은 제1 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어지고,
    상기 제2 세라믹층은 상기 제1 열팽창 계수와 다른 제2 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 세라믹층은, 상기 제2 세라믹층과 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 열팽창계수는 상기 제2 열팽창계수에 비해 큰 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 세라믹층은,
    비유전율이 15 이상이고 50 이하인 고유전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 세라믹층은,
    비유전율이 10 이하인 저유전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 기판.
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