고집적 모듈용 LTCC 소재 공정기술 개발 동향

고집적 모듈용 LTCC 소재 개발

신효순 공학박사 요업기술원 선임연구원
김효태 공학박사 요업기술원 책임연구원
남중희 공학박사 요업기술원 선임연구원
여동훈 공학박사 요업기술원 선임연구원
왕종희 공학박사 요업기술원 선임연구원
김종희 공학박사 요업기술원 시스템모듈사업단 단장

1. 서론
LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술은 다양한 전자부품이 집적화되고 모듈화됨에 따라 전자부품 산업에서 중요한 위치를 차지하게 되었다. LTCC 기술은 소재기술, 공정기술, 모듈설계기술 및 측정기술로 구성된다. 
이 가운데 소재기술은 가장 기초가 되는 기술일 뿐만 아니라 공정기술, 설계기술 등에 직접 영향을 미치는 것으로 재료의 확보 없이는 정확한 공정과 설계 기술을 확보할 수 없다. 특히, 소재기술은 경험적 지식에 의존하는 경우가 많고 각 기업이 기술을 공개하지 않고 노하우로 유지하는 경우가 많아 소재에 대한 명확한 정의가 불가능한 수준이다. 

LTCC 기술은 filter 등의 단순한 복합부품 개발의 시대에서 모듈의 시대로 접어들었다. 이와 같은 동향에 따라 다양한 소재 개발이 진행되었다. 가장 중요한 소재 개발의 방향은 안정한 기판재료의 공급이었다. 
대표적으로 Dupont 사에서 공급하기 시작한 기판용 성형 sheet나 원료 powder가 있고 Ferro 등에서도 상용의 powder를 공급하였다. 이들은 일차적으로 Ag paste와 이종 동시소성이 충분히 가능한 조건에 초점이 맞추어졌다. 상용의 소재를 이용한 부품화 기술이 안정되고 양산이 이루어짐에 따라 공정기술의 고도화에 대한 관심이 증대되었다. 그 결과 최근 관심을 집중시키고 있는 것은 무수축 소성 기술과 fine pattern 형성기술로 대변되는 공정기술이 되고 있다.  

고집적화 경향에 따른 LTCC 소재를 이용한 모듈의 개발 역사는 ASM(Antenna Switch Module)에서 시작되어 현재 FEM(Front End Module) 양산으로 이어지고 있다. FEM의 경우 Dual, Triple, Quad, UMTS-GSM으로 이어지며 다양한 모듈이 개발 양산되고 있으며 동일한 기능에서 소형화 기술개발 또한 중요한 기술 개발 동향의 하나이다. 
이와 같이 모듈화 동향은 LTCC 소재의 우수한 고주파 특성을 활용하는 측면에서 주로 RF송수신 단의 모듈과 WLAN, Bluetooth, DMB, UWB 등 통신 모듈분야에 집중되어 왔다. 최근, 고집적 모듈의 발전 방향은 기존 RF module 기술을 이용하여 개발된 모듈에 추가적인 기능을 부여하여 제품을 차별화 하는 등 다양한 부가기능을 포함하는 시스템화로 발전되고 있다. 

국내에서는 삼성전기와 LG이노텍으로 대표되는 전자부품 관련 대기업에서 LTCC를 이용한 모듈의 개발을 일찍부터 시작하였다. 그리고 중소 업체들 또한 모듈 개발에 참여하고 있는데 그 대표적인 기업은 아모텍, 필코씨앤디, 삼영전자공업 등이다. 
이들 모듈 기업들은 모듈의 고집적화와 복합화가 진행됨에 따른 시장의 요구를 반영하기에 급급한 상황에서 안정적인 소재의 공급에 관한 많은 문제를 가지고 있다. 즉, 국내 벤처기업 등에서 일부 소재를 개발하고 있지만 재현성과 반복성에서 아직 충분히 검증받지 못한 상황에서 현재는 일본, 미국 등의 소재를 수입하여 개발을 진행하고 있다. 
이와 같은 현실은 까다로운 수요자의 기술적 요구를 소재 단계에서부터 개선해야 하는 현 시장 현실에서 근본적인 취약점을 가지고 있다.   

2. 고집적 모듈용 LTCC 소재의 요구기술
고집적 모듈화의 선두 주자는 RF Module 분야였다. 이 분야는 LTCC 세라믹스의 저손실 특성을 효과적으로 활용할 수 있는 분야이기 때문이다. 
최근, PCB 기술의 비약적인 발전은 LTCC 모듈과의 기술적 격차를 줄이고 있다.  그러나 모듈의 고주파화에 따른 저손실 특성의 우위로 인하여 한동안 이 분야에서 확실한 우위를 점유할 것으로 생각된다. 2GHz 대역의 W-LAN(802.11b,g), Bluetooth, ZigBee 등이 개발되었고, 3GHz에서 10GHz 대역이 될 UWB 모듈이 연구되고 있는 상황에서 고주파에서 많은 량의 신호를 손실 없이 전달할 수 있는 소재에 대한 요구는 더욱 커지고 있다. 
고주파용 소재로는 소재의 loss가 낮고 유전율이 낮아 signal transmission loss와 인접하는 두 line 간에 cross talk을 최소화 하는 것이 중요하다. 이것은 소재의 특성으로부터 정의되지만 LTCC 소재가 원천적으로 고온에서 소결 가능한 재료인 glass 소재를 이용하여 저온에서 동시 소결하는 것이 특징으로 glass의 사용에 따른 소재 물성 개선에 한계가 있는 것 또한 사실이다. 그러나 PCB 소재와의 특성 차를 명확히 하고 automotive 등 초 고주파 응용을 위한 소재 확보의 측면에서 소재의 loss를 좀 더 최소화 하고 유전율을 낮추는 노력을 경주해야 한다. 
아래 표는 기판용 소재로 경쟁하고 있는 대표적인 소재인 PCB소재(FR4), LTCC 소재, 반도체 소재(SiO2) 들의 유전율과 loss를 비교하였다.

           구분               FR4            LTCC           SiO2
 Dielectric constant  4.5@1MHz  5.9@5GHz  3.8-4.3@5GHz
 Loss tangent             0.02           0.002              0.04

모듈의 고집적화가 급진전됨에 따라 하나의 작은 모듈 내에 포함되는 부품의 수가 급증하고 있으며 단위 부피에 포함되는 부품의 밀도가 증가하고 있다. 이에 따라 단위 면적당 via의 개수가 급격히 증가하고 전도성 전극의 패턴이 미세화 되며 sheet 두께가 낮아지는 기술적 요구가 증가되고 있다. 
아래 그림은 via 직경, Line/space, 유전체층 두께에 대한 연차별 발전추이를 나타낸 기술 로드맵이다. 
그림에서 알 수 있는 바와 같이 각 요소기술은 계속적으로 미세화 되고 있음을 확인할 수 있다. 
이러한 환경에서 요구되는 소재 기술은 고강도 LTCC 소재의 개발이다. 많은 내장 소자와 복잡한 구조는 모듈의 내부 응력을 높이는 원인이 되고 이들은 휴대기기에 주로 사용되는 환경에서 외부 충격에 쉽게 부서질 수 있기 때문이다. 이와 같은 요구특성은 다른 활용분야로도 이어지고 있다. 예를 들면 Bio 응용분야 등 융복합화기술에서 cavity 구조 및 미세라인 가공이 증가하고 있으며 이러한 기술은 3차원 구조가 쉽게 만들어 질 수 있는 LTCC 기술 분야가 중점적으로 발전할 수 있는 잇점이 있다. 
이 분야의 활용에서도 위에서 언급한 바와 같이 구조적 복잡성에서 나타나는 모듈의 취약성을 극복하기 위하여 소재의 강도가 추가적으로 요구된다고 할 수 있다. 

고집적 모듈 기술의 큰 기술적 발전 방향은 Embedded 기술이다. 이 기술은 이미 resistor와 inductor에 있어서는 모듈 내에 embedded 되고 있으며 capacitor의 경우 아직 충분한 용량을 확보한 소재의 내장 기술이 확립되지 않았다.  Embedded capacitor의 경우 크게 두 가지의 capacitor가 있는데 signal matching용 capacitor는 저용량의 capacitor를 형성하여 모듈 내에 inductor와 함께 L-C filter를 형성할 수 있는 것을 말하며 decoupling용 capacitor는 고용량의 capacitor로서 전원단의 전원 안정화 및 noise filter 역할과 surge 기능을 하는 것이다. 
이들은 기존 기판을 이루는 소재가 저유전율에 low loss 인 것을 감안할 때 유전율이 높아야 하므로 기판소재와는 다른 소재를 사용해야 한다는 것이 중요한 기술적 문제를 야기한다. 
다른 소재는 소결의 과정을 필수로 하는 세라믹스 공정에서 소결시 두 소재가 화학적 상호 반응을 일으키는 것과 물리적으로 두 소재의 열팽창계수 및 소결 수축 거동의 차에 의한 defect가 생성되는 근본적인 문제를 가지고 있다. 
그러므로 이들 문제를 해결하고 이종접합 소성에 이르는 것이 capacitor embedded의 기술적 요구사항이다. 그러나 이러한 이종접합의 문제를 해결하기 위해서는 공정기술의 특별한 발전이 필요할 것으로 예상된다. 
소재는 개발로 끝나는 것이 아니라 적용까지 이루어져야만 한다는 것이 중요하지만 많은 소재기업이 적용의 단계까지 이르지 못하고 만다. 
그 이유는 여러 가지가 있지만 가장 중요한 것은 소재를 평가하기 위한 기술 정립의 한계이다. 
특히, LTCC 소재에 있어서 glass와 세라믹스가 혼합된 복합체 구조를 가지고 있고 이들의 소결과정에서 전극재료와 동시 소성되어야 한다는 것과 최종 제품의 표면처리를 위한 도금공정 등 공정의 조건이 매우 복잡하여 개발된 소재의 적용성을 평가하는 것이 한계가 있다. 
소재를 정해진 spec에 따라 물성만을 만족시키는 수준에서 개발해서는 적용에 까지 이를 수가 없는 것이다. 그러므로 소재가 모듈 양산에 적용될 수 있는지 여부를 각 공정의 단계별로 평가하고 그 값을 정량적인 수치로 표현할 수 있는 기술이 LTCC 소재기술에서 가장 시급한 과제일 것이다. 

3. LTCC 소재 개발 현황
소재개발의 대표적인 예는 미국의 Dupont사에서 Dupont 9599로 잘 알려진 소재를 개발 공급한 것과 Ferro사의 A6 소재 등이 있었다. 
그 이후 Heraeous는 self-무수축 sheet의 개발 등으로 현재 주목받고 있으며 일본의 NEG 등 glass 소재 업체가 최근 LTCC 소재의 국내 시장으로 영향력을 확대하고 있다. 
그러나 일본의 주요 모듈업체는 자체적으로 소재의 개발 능력을 가지고 있고 그 수준 또한 높다.
아래 표는 최근 진행된 일본의 기술 세미나에서 발표한 Murata사의 소재 조성 관련 자료이다. 이 자료에서 상세한 소재의 조성과 특성을 밝히지는 않았지만 크게 3 가지의 조성군 분류는 확실히 적용되고 있다.  그것은 기존에 주류를 이루어온 glass/filler 혼합계가 첫째이고, 결정화 glass계는 최근 고강도 및 고주파 특성의 향상을 위하여 진행되는 소재 연구의 새로운 방향의 하나이다. 그리고 glass를 사용하지 않는 계의 경우는 아직까지 적용의 예를 찾아볼 수 없는 상황이다. 

국내의 고집적 모듈용 LTCC 소재 개발은 초기 단계라고 할 수 있다. 국내에서 LTCC 관련 모듈을 생산해 오던 삼성전기는 자체적으로 glass 소재를 일부 개발하였으나 계속적인 추진이 이루어지지 않았고 최근 소재의 개발 및 아웃소싱을 담당하는 연구팀을 재구성하고 있으며 LG이노텍을 비롯한 LTCC 모듈생산 기업들은 소재의 경우 외부에 의존해 온  것이 사실이다. 
이들 기업은 대체로 국외 기업에서 소재를 공급받아 왔으며 국내에서는 대표적으로는 SCC(주), TEMEN, RN2 등이 소재를 개발 공급하는 기업들이다. 이들 소재개발 기업의 경우 사업이 활성화되어 기업의 이윤을 창출하고 이를 바탕으로 기술개발이 진행되는 발전의 단계를 거쳐야 하지만 국산 소재의 사용이 미비하면서 사업의 규모가 크게 확대되지 못하고 소재의 기술수준과 서비스 또한 비약적으로 발전하지 못하는 한계가 있어왔다.   

LTCC 소재는 많은 국내외 소재기업에서 오랜 기간 동안 연구를 진행해 왔다. 그러나 소재기술을 이용하여 소재전문기업으로 발전해 가는 예는 몇몇 세계적인 기업을 제외하면 불가능한 것처럼 보여 왔다.
소재는 물리와 화학적 기초 위에 있는 기반기술이지만 우리는 공학기술의 범주 즉 응용기술의 다른 예와 같이 쉽게 취급하는 경향이 있어왔다.
그리고 소재기술은 명확한 수치적 해석이 불가능한 기술적 한계를 아직 많이 가지고 있다.
그러므로 소재의 개발은 경험 의존성과 실제 제품 적용성의 한계를 가지고 있다. 제품에 직접 적용 가능한 소재를 개발하기 위해서는 제품화 되는 과정을 확인하는 방법 이외에 수요자를 설득할 수 있는 방법이 없는 경우가 많다.

이것은 소재의 특수성을 감안한 공정의 개발이 필수적인 LTCC 공정기술의 특징에 의한 것으로 후발 소재 업체가 기존 원료를 대치하는 것은 쉬운 일이 아니다. 따라서 국내 많은 LTCC 모듈업체들이 소재의 국산화를 진행하고 이를 현실로 이루기 위해서는 소재의 개발과 적용을 하나의 시스템에서 연구하고 양산화 해야만 한다는 한계가 있다.

원료업체가 고집적 모듈 업체와 동시에 소재를 개발하고 적용하는 협업의 개발 과정이 있어야만 국내 소재 산업의 발전은 기존의 악순환 고리를 선순환으로 바꿀 수 있는 기회가 올 것이라 생각된다. 

4. 맺음말
LTCC 기술을 기반으로 하는 많은 모듈들이 개발되었고 생산되고 있으며 이들은 더 고집적화 되고 있다. 이 바탕에는 고집적 모듈화를 가능하게 하는 소재의 개발이 가장 기초가 되는 기술로서 주목받고 있다. 

LTCC 소재는 기존에 모듈화 기술을 선도해 왔듯이 계속 발전하겠지만 고주파화에 따른 loss의 최소화, 고집적화에 따른 소재의 고강도화, embedded 동향에 따른 이종소재의 동시소결 등의 과제를 해결해 가야만 할 것이다. 이 과정에서 각 공정을 정량적으로 평가하고 정의할 수 있는 기술 개발을 통하여 좀 더 수치화된 기술로 발전시켜가야 하는 것도 중요한 기술적 과제이다. 
이와 같은 기술 동향의 변화를 잘 반영하여 국내에서도 일본 주요 기업과 경쟁할 수 있는 소재기업을 개발하고 이들을 육성할 수 있는 조직적인 기술개발 전략이 시급히 필요하다. 

필자약력(신효순)
경북대학교 무기재료공학과 공학박사
New York State College of Ceramic(Alfred)
Post-Doc
한국과학기술연구원 Post-Doc
경원훼라이트공업 책임연구원
삼성전기(주) 책임연구원
요업(세라믹)기술원 선임연구원

 

필자약력(김효태)
고려대학교 재료공학과 공학박사
삼성전기(주)
AVX/Kyocera 한국지사
한국과학기술연구원
Jozef  Stefan Institute, Post-doc.
MRI, Penn State Univ., Post-doc.
요업(세라믹)기술원, 책임연구원

 

필자약력(남중희)
인하대학교 세라믹공학과 공학박사
University of Missouri-Rolla Post-doc.
인하대학교 소재연구소 전임연구원
요업(세라믹)기술원 선임연구원
한국산업기술대학교 신소재공학과 겸임교수

 

필자약력(여동훈)
성균관대학교 전기공학과 공학박사
펜실베니아주립대학교 post-doc.
(주)한원마이크로웨이브 연구소장
요업(세라믹)기술원 선임연구원

 

 

 

필자약력(왕종회)
한국과학기술원 화학공학과 공학박사
LG실트론 선임연구원
요업(세라믹)기술원 선임연구원
한국산업기술대학교 신소재공학과 겸임교수

 

 

 

필자약력(김종희)
동경공업대학 무기재료공학과 공학박사
국방과학연구소 연구원
한국 뉴세라믹연구소 선임연구원
삼성전기 연구임원(상무)
요업(세라믹)기술원 사업단장

 

 

 

LTCC용 유리분말 제조 기술

박정환 이학박사 SCC(주) 기술연구소

1. 개 요
LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)는 1000 ℃ 이하의 온도에서 은(Ag) 혹은 구리(Cu)와 동시에 소결되는 세라믹을 의미한다. 고온 동시소성에 사용되는 고융점의 텅스텐에 비해 은 혹은 구리는 2μΩ·cm 이하의 낮은 전기저항 때문에 회로 기판 특히 고주파 회로기판의 도체로 유용하며 도체손실도 낮다.
저온 소성이 가능한 LTCC는 유리 분말 및 세라믹 분말의 복합재료가 있으며 LTCC용 유리는 크게 비결정화 유리, 결정화 유리로 구별되며 결정화 유리만으로도 LTCC로 사용되기도 한다. 표 1에서 LTCC 재료의 조성계 및 특성을 보여준다. 결정화 유리의 예로는 저유전율의 보로-실리케이트(Boro-Silicate)계 유리가 있으며 알루미나 필러의 조합으로 1980년대에 Super-Computer의 MCM(Multi Chip Module)으로 개발되었다. 이 유리의 열팽창 계수는 3~4ppm/℃로 낮다. 유리분말만을 소성하는 크리스토보라이트 (Cristobalite)는 높은 팽창의 SiO2결정이 석출되고 알루미나 필러와 복합하면 소성 중에 알루미나가 유리 행렬(glass matrix)중에 일부 확산하며 크리스토보라이트의 석출을 억제하여 낮은 팽창을 유지한다. 필러의 종류와 양을 조정하여 유전율을 5이하로 한 복합재료가 적층 칩인덕터의 절연체로 사용된다. LTCC 결정화 유리는 장석계 결정화 유리와 코디어라이트 (Cordierite)계 유리가 있다. 장석계 결정화 유리는 RO-Al2O3-2SiO2(R ; 알카리토금속, Ca, Sr, Ba)이 되며 Ca, Sr, Ba의 순으로 유전율과 열팽창계수가 증가한다. 보론-실리케이트계 유리와 같이 알루미나 필러가 중요한 역할을 담당한다. 유리만 소성하면 워스트나이트(Worstnite, CaO-SiO2) 등의 결정이 석출되고 알루미나와 혼합하면 알루미나의 일부가 유리 중으로 확산하여 장석계 결정이 석출된다. 기판, 도체와 함께 Pb-free로 ECU(Electronic Control Unit)모듈용 기판으로 사용된다. 또한 코디어라이트(Cordierite)계 유리 세라믹은 2MgO·2Al2O3·5SiO2가 석출되는 계로 필러와 복합하지 않고, 유리 단독으로 결정화 된다. 코디어라이트는 장석계 결정과 구별되며, 유전율과 열팽창계수가 낮은 특징이 있다. 그러나, 유리의 점도가 높고, 결정의 석출 속도가 느리기 때문에 소성온도의 유지를 수시간 해야 한다. 보로-실리케이트 유리와 알루미나의 복합체와 유사하며, Super Computer의 MCM기판으로 개발되었다.
본문에서는 LTCC용 유리의 제조 기술을 알아보려고 한다. 제조조건에 따라 유리 및 유리-세라믹 복합체의 특성과 유리 특성을 평가하는 요소들에 대해 설명할 것이다.

2. 유리 제조 기술 현황
가. 용융 공정 (melting process)
유리 용융 공정에서 가장 중요한 것은 유리 조성 및 원료의 선정이다. 재료에 있어서 최적의 원료를 선정해야 한다. 특히 불순물의 함유량에 따라 최종 제품의 특성에 큰 영향을 미친다. 유리 용융은 조성에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 1300
~1600℃에서 이루어진다. 용융 온도는 원료가 균일하게 용해되어 교반과 성형이 가능한 온도를 선택한다. 필요 이상으로 온도를 올리면 유리에서 휘발이 많아져서, 설계한 조성과 차이가 생긴다. 용해한 glass의 냉각은 물이나 공기 중에서 이루어진다. 열 충격으로 미세하게 부서지기 때문에 분쇄를 용이하게 하는 효과가 있다. 
나. 분쇄 공정(milling process)
분쇄 공정은 유리 분말의 입자 크기와 분포를 맞추는 과정으로 목표 입도에 의해 건식분쇄와 습식분쇄가 이루어진다. 건식 분쇄는 볼밀(Ball-mill), 진동밀(vibration mill) 등의 방식이다. 볼밀은 원통형의 세라믹용기에 세라믹 볼과 분쇄물을 넣고 밀을 회전시켜서 분쇄한다. 세라믹 볼은 일반적으로 알루미나(Al2O3)나 지르코니아(ZrO2)를 사용된다. 진동밀은 회전운동이 아니라, 진동운동을 이용한다. 볼밀보다 분쇄물에 걸리는 충격이 크기 때문에 단시간에 분쇄가 진행되나, 볼 및 용기에 의해 오염될 가능성이 높다. 습식분쇄는 용매 중에 분쇄물과 볼을 교반하여 분쇄를 진행하는 방법이다. 용매 중에는 분쇄에 필요한 에너지가 낮아지기 때문에 건식분쇄와 비교하여 미분쇄가 가능하다. 습식분쇄에는 볼밀 외에 매체 교반밀, 비즈밀이 이용된다. 매체 교반밀은 원통형의 고정용기에 봉형의 교반 장치로 슬러리와 볼을 교반하면서 분쇄한다. 볼밀에 보다 분쇄효율이 높다. 비즈밀은 직경 0.5~2.0mm의 내마모성이 높은 세라믹의 소경볼(beads)을 이용한 분쇄기이다. 용기 내에는 디스크가 고속으로 회전하여 슬러리는 소경볼이 충진된 용기 내를 통과하면서 충돌과 깨짐이 일어난다. 작은 볼을 사용하기 때문에 슬러리와 볼을 분산하는 분리기가 중요하다. 볼의 유출을 방지하기 위해서 분리기의 차이는 볼 직경의 1/3 정도로 해야 한다. 습식분쇄에 사용되는 용매는 물 혹은 에탄올 등의 유기용매가 선택된다. 내수성이 높은 유리 경우는 제조비용의 관점에서 물을 사용한다. 물을 사용하면 유리의 특정성분이 용출되어 유리조성이 변동되는 경우가 있는데, 이의 경우는 유기용매를 사용하면 조성 변동을 방지할 수 있다. 그러나, 유기용매를 사용하면 원재료비가 높아지는 것 외에 특정 설비를 사용해야 하기 때문에 양산상의 제약이 많아진다.
분말의 크기는 그린시트(green sheet)의 성형성 및 소결체의 강도에 영향을 주며 시트 두께를 얇게 하기 위해서는 분말의 크기를 작게 해야 한다. 입도의 평가는 레이저 회절법에 의한 입경 측정과 질소흡착에 의한 표면적 측정법이 있다. 입자경과 표면적의 양방을 평가하는 것에 의해 정확하게 원료분말의 형상을 파악하는 것이 가능하다. 레이저 회절법은 분말을 물 등에 첨가시켜 레이저를 조사하여 산란과 회절에 의한 입도분포를 측정한다. 그림 1은 유리의 입도 측정 결과이다. 측정 가능범위는 0.1um~2,000um(1mm)로 폭이 넓다. 습식분쇄를 행하여 건조한 분말은 강하게 응집되는 경우가 있다. 그 때문에 측정 전에 충분히 분산시키지 않으면 정확한 입도분포는 얻기 어려우며 분말의 분산은 초음파 교반기 및 균질화 기기(Homogenizer)라는 분산기가 이용된다. 또한 레이저 회절식의 측정기에서는 입도분포를 계산에 의해 구할 때 시료의 굴절률을 입력해야 한다. 이 경우, 실제의 굴절률과 다른 값을 입력하면 정확한 입도분포가 얻어지지 않기 때문에 주의가 필요하다. 정확한 굴절률을 알 수 없는 경우는 다음의 방법을 취하는 것이 유효하다. 굴절률을 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 변화시키면 D50 (부피 50% 입자 크기)값이 증가한다.  이 D50 값이 극대가 될 때의 굴절률을 최적값으로 한다. 이 방법에 의하면 유리와 세라믹의 복합분말의 측정에도 굴절률의 결정이 간단하다. 비표면적 측정은 BET법으로 불려지는 질소 흡착량에서 계산하는 방법을 이용하는 것이 일반적이다. 저온 소성재료를 그린시트 성형하는 때에는 바인더를 첨가한다. 이 바인더 양을 결정하기 위해서는 비표면적 값을 참고한다. 입경이 균일하면 비표면적(m2/g)과 직경R(um)의 사이에 S=6/(R×ρ)의 관계가 있다.(ρ는 분말의 비중) 즉 S와 R은 반비례의 관계에 있으며, D50이 1um보다 작은 경우는 입자경이 약간의 변화에도 비표면적은 크게 변한다. 특히 1 미크론이하의 초미세 입자는 비표면적을 측정으로 입도의 변동을 확인할 수 있다.

표 1. LTCC재료의 조성계와 특성
              조성계                        열팽창 계수       유전율         곡강도
                                                (ppm/℃)                           (Mpa)
 Boro-Silicate glass＋Alumina          4.0                5.6              200
 장석계 glass＋Alumina               5.5 ~ 6.0         7.5~8.0       200~300
 Cordierite -glass                           3.0                5.2              210

 

다. 유리 분말 평가
유리의 품질관리는 비중, 열팽창계수, 열분석으로 이루어지며 조성차이 및 불순물의 혼입을 엄격하게 관리하는 경우는 조성분석이 더해진다. 특히 LTCC용 재료인 경우는 유전율, 유전손실, 곡강도 등의 전기적, 기계적 특성을 평가한다.
먼저 열팽창 계수는 분말을 성형하여 실제 사용되는 소성 조건으로 소결체를 준비하여 열기계 분석 장치로 분석한다. 표준 시료인 석영유리와 측정시료를 동시에 가열하여 늘어나는 정도의 차이를 이용하여 시료의 길이 변화를 측정한다. 측정온도범위는 실온에서 380℃까지의 평균 열팽창계수를 취한다. LTCC기판을 수지기판에 땜납 접속한 후의 접속부의 응력과 열 순환에 의한 기판의 수축으로 접속부 파괴에 이르는 경우와 2종류의 LTCC를 동일 기판내에 복합하는 경우도 열팽창계수의 조정이 필요하다.
열분석 측정은 표준시료와 측정시료를 동시에 가열하여, 열전대에 의해 양쪽 온도를 측정하여, 그 온도 차이를 분석하는 방법이다. 시료의 발열, 흡열반응이 피크로 나타난다. 결정화 유리는 발열 피크가 존재하며, 흡착열 분석은 유리전이에 의한 비열 변화가 기본 선을 어긋나는 것으로 보여진다. 열분석으로 결정화 온도, 유리 전이점, 연화온도를 측정 가능하다. 그림 2는 유리 열분석 결과의 예이다. 유리 전이점은 입도의 영향을 받지 않으나, 연화 온도, 결정화온도는 입도가 미세하게 되면 저온으로 이동된다. 또한, 열분석에 의해 얻어진 유리 연화 온도는 Fiber-Elongation법에 의해 얻어지는 연화 온도와 일치하지 않는다. Fiber-Elongation법은 유리 fiber상에 가공한 후 가열하여 자중으로 1mm/分의 속도로 늘어날 때의 온도를 연화 온도로 정의한다.
조성분석은 형광 X선으로 표준시료의 기준으로 차이를 이용하여 비교 분석한다. 형광 X선 분석은 조성계의 특정 원소에 있는 검량선을 작성하게 되며 정량분석도 고정밀도로 분석 가능하다. 표준시료 및 검량선이 없는 경우는 유도결합 플라즈마 분광분석( ICP) 등에 의한 측정분석이 이루어진다.
LTCC 기판은 휴대전화로 대표되는 통신기기의 모듈로서 사용되는 경우가 많고, 통신주파수가 고주파화 되면서 유전 특성이 특히 중요하게 된다. 신호처리를 하는 절연기판은 신호의 감소를 막기 위해서 낮은 유전율이 요구된다. 또한 콘덴서 등의 기능이 기판에 필요한 경우는 높은 유전율이 요구된다. 유전 손실은 모든 제품에서 낮은 것이 요구된다. 10MHz 이하의 비교적 낮은 주파수에서 유전특성의 측정은 기판재료의 양면에 전극을 형성한 기판의 정전용량과 유전 탄젠트로 LCR미터를 이용하여 측정한다. 1GHz이상의 마이크로파의 측정은 공진기 섭동법(cavity perturbation method) 및 양단 단락형 유전체 공진기법(Hakki and Coleman법)을 이용한다. 공동 공진기 섭동법은 공진기의 내부에 시료를 투입할 때의 공진주파수와 Q값의 변화의 유전특성을 구하는 방법이다. 측정주파수는 공진기의 공진주파수로 결정되기 때문에, 다른 주파수에서는 측정을 하는 경우는 여기에 해당되는 공진기가 필요하다. 1~5GHz에서의 측정에 적용된다. 양단 단락형 유전체 공진기법은 측정 시료인 유전체 원주와 단락금속판에 공진기를 구성하여 그 공진주파수와 Q값에서 유전특성을 구하는 방법이다. 측정주파수는 원주시료의 크기로 결정되기 때문에 다른 주파수에서의 측정이 가능하다. Q값을 정확하게 측정하기 위해서 단락판의 도체손실을 정밀하게 구할 필요가 있다. 이 방법은 1~20 GHZ에서의 측정에 적당하다.  또한 이 방법에서는 공진주파수의 온도계수를 측정하는 것이 가능하다. 휴대전화의 신뢰성 시험에서 충격 낙하 테스트는 필수 항목이다. LTCC기판의 경우는 신뢰성 시험에 해당되는 충격에 견디는 강도를 요구된다. 일반적으로 3점 곡강도를 측정하며, 이 방법은 장방형 판상 시료의 아래면을 2점으로 유지하고 상부중앙의 1점에 하중을 걸어 최대 파괴 하중을 측정하여 그 응력을 구하는 방법이다. 하부의 지점간 거리가 길어지게 되는 정도로 최대 파괴 강도는 작아진다. 즉 실체의 기판에서는 크기가 커지는 정도에 따라 고강도 재료가 요구된다. 

3. 맺음말
지금까지 유리와 관련하여 제조 및 평가항목에 대해 고찰하였다. 유리 제조공정은 융용과 분쇄공정으로 나누어지며, 용융은 균질성이 가장 중요한 요소이며 냉각 방법에 따라 분쇄 공정에 영향을 준다. 또한 분쇄는 원하는 입자 크기와 분포를 확보하는 공정으로 그린시트의 성형성과 소결성에 영향을 주는 공정이다. 유리 분말의 특성은 비중, 열팽창계수, 결정화 온도, 유리 전이점, 연화 온도의 열적 특성을 측정하며, 전자재료로 사용되는 LTCC는 유전율, 유전손실, 곡강도 등의 전기적, 기계적 특성을 평가한다. 각 특성 값들은 시트 제작 공정이나 완제품 특성에 의해 결정되어지며 이에 맞춰서 각 용융 및 분쇄 등의 유리 제조공정이 정해진다. 앞으로 LTCC용 유리는 LTCC를 응용한 제품의 개발과 향상으로 다양하고 향상된 유리 재료가 필요하며, 이에 맞는 제조기술이 요구될 전망이다.

 그림1. 유리분말의 입도 분석 결과 예제
 그림 2. 유리의 열분석 결과 예제

필자약력
인하대 물리학과 학사
인하대 물리학과 석사
인하대 물리학과 박사
SCC(주) 기술연구소 재직

 

 

 

 

 

LTCC sheet 제조공정 기술 개발 동향

유명재 전자부품연구원 선임연구원
박종철 공학박사 전자부품연구원 수석연구원

 

1. 서론
LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic, 저온 동시소성 세라믹)기술은 적층 세라믹 공정기술로서, 저가이면서 우수한 특성을 갖는 RF/Microwave 소자 및 기판 제작에 사용 되고 있다.
적층 세라믹 공정 기술은 전자부품의 소형화 추세에 대응하여 개발되어온 기술로서, 2차원 평면상에 제작되어온 소자를 여러 세라믹 층을 적층하여 3차원으로 제작함으로서 부품의 소형화와 고기능화를 이룰 수 있는 기술이다.

LTCC 기술은 기존의 컴퓨터 CPU나 SAW 필터용 세라믹 패키지에 사용되던 알루미나를 기반으로 하는 HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics, 고온 동시 소성 세라믹)와 유사하지만, 1000 ℃ 이하의 저온에서 소성 가능한 세라믹 재료를 사용한다는 것과, 저융점, 고전도성 재료인 Ag, Cu 등을 내부 배선회로로 사용한다는 특징을 갖는다. 또한, LTCC 기술은 내층에 회로 배선이 가능하여 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C) 등의 수동 소자 및 신호 전달 회로 구조를 기판 내부에 형성하는 것이 가능하다.
그리고, LTCC는 Si와 비슷한 열팽창 계수를 가지고 있어, Si 집적 소자와의 integration이 용이하고 유전손실이 낮으며, 유전 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점 때문에 LTCC 기술은 이동통신용 부품의 소형화, 고기능화에 적합한 기술로 알려져 있고, 현재도 많은 응용 부품이 개발되고 있다. 그림 1은 LTCC 공정 기술의 각 단계의 개략도이다.

LTCC 기술 중에서 sheet 제조 공정은  통상적으로 잘 알려진 테이프 캐스팅 공정을 이용한다. 테이프 캐스팅 성형 방법은 알루미나 기판이나 적층커패시터와 같이 얇고 넓은 2차원적인 세라믹스를 제조하여야 하는 필요성에 의하여 대두되었으며 주로 수 마이크론에서 수백 마이크론 두께의 얇은 세라믹스를 제조하기에 적합한 성형방법이다.
이 방법은 1947년 Howatt 등이 티타네이트 세라믹스 축전기 제조에 응용하기 시작한 이후, 1970년대부터 IC 기판,  전자회로용 다층 배선기판, 적층용 콘덴서, 등의 생산에 활용되어 왔고, 최근에는 주전산기용 MCM(Multi Chip Module)용 세라믹 패키지 및 MLCC(Multi Layer ceramic Chip Capacitor)의 양산에 적용되어 비약적으로 발전되고 성숙되었다. 현재 테이프 캐스팅 기술은 세라믹 기판, MCM용 패키지, MLCC 뿐만 아니라 적층 페라이트 칩 인덕터, 적층 압전 액츄에이터, solid oxide fuel cell, R과 C를 내장한 복합기판, L과C를 내장한 LC 필터, EMI 필터, Chip VCO(Voltage controlled oscillator), FEM(Front end module)모듈 등 아주 다양한 세라믹 기판 및 부품을 제작하는데 폭넓게 상업적으로 응용되고 있다.

본고에서는 LTCC sheet 제조 공정 기술에 있어서 중요한 sheet의 구성 원료인 분말과 각종 유기 첨가제의 종류 및 기능, 그리고 sheet 성형의 단계별 공정에 대해 기술하고, 아울러 정밀한 피치 사이즈를 구현할 수 있어 최근 연구개발이 활발한 무수축 green tape에 대하여 간략히 소개하고자 한다.

2. LTCC sheet 제조
가. sheet 제조용 원료 분말
일반적으로 LTCC용 분말은 유리분말과 알루미나 혹은 다른 세라믹 분말이 섞인 2종 혼합물 또는 결정화 유리 분말로 구성 되어 있다.
sheet로 제조하기 위해서는 분말의 입도 분포가 균일하여야 하며 평균 입경은 제작하고자 하는 sheet의 특성에 맞춰서 가공해야 할 필요가 있으며 분말의 밀도가 높을수록 입경을 작은 것을 선택하여야 소성 공정 및 sheet 제조에 용이하다.
나. sheet 제조용 용매
LTCC sheet 제조 시에 이용되는 용매는 일반적으로 비수계 용매와 수계 즉 물로 크게 구분된다. 비수계 용매의 장점으로는 물에 비하여 낮은 건조 온도와 높은 휘발성, 원료분말의 수화 방지 효과와 더불어 각종 유기 첨가제의 용해성이 있다. 단점으로는 인화성 및 환경 오염의 문제점이 있다. 최근 그린 환경 등 환경 오염에 대한 인식이 높아져서 환경 오염성이 없는 수계 용매를 활용하는 것에 관한 필요가 많이 대두되고 있으나, 비수계성 용매를 활용하여 제작한 sheet에 비하여 아직까지는 sheet의 각종 특성이나 경제성이 확연히 두드러지지 않아 대체가 미흡한 실정이다.
Sheet 제조 공정에서 비수계 용매를 사용하는 경우 건조 조건 제어, 각종 유기 첨가제의 용해성 증대, rheology 제어, 경제성 및 안전성을 고려하여 2가지 또는 3종의 용매를 혼합하여 사용한다.
상용화되어 많이 사용되고 있는 비수계 용매들의 대표적 예와 특성을 표1에 나타내었고,  그 중 몇몇 혼합물의 공비(azeotropic) 조성을 표 2에 보이고 있다. 여기서 공비 조성이란, 두 가지 각기 다른 끓는점을 가진 용매를 일정 비율로 혼합했을 때 끓는점이 각각의 용매보다 더 낮아지는 특성을 보이는 조성을 일컫는다.

다. sheet 제조용 결합제

sheet 제조에 있어서 분말 다음으로 가장 중요한 요소가 결합제이다. 통상 결합제는 필름을 형성할 수 있는 긴 사슬 구조를 가진 고분자 물질이다. 결합제로서 요구되는 특성은 용매에의 용해성이 좋으며, 점도 조절이 용이하고, 가격이 저렴하며, 제작된 sheet의 물리적 인장력이 후단 공정에서 적용될 수 있어야 한다.
또한 sheet 소성 시 잔유물이 없어야 하며 다른 유기 첨가제와 혼합성이 좋아야 함과 동시에, 연소되는 온도가 원료 분말의 특성 변화가 없는 온도 이하이여야 한다. 표 3은 sheet 제조에 많이 이용되는 결합제이다.
라. sheet 제조용 가소제
Sheet 제조에 있어서 유기 첨가제 중 가소제는 sheet에 유연성 및 가공성을 부여하는 기능을 가진 첨가물이다. 이것은 결합제 단독으로만 있을 경우 sheet가 부서지기 쉽고(brittle) 경직된(hard) 물성을 나타내는 경우가 많기 때문에 첨가된다. 또한 결합제 간의 상호작용을 억제함으로서 슬러리내의 점도를 낮추는 역할도 수행하며 sheet 전체의 유리전이온도를 낮게 하는 작용도 한다. 그러나 과량의 가소제가 투입되는 경우 sheet 물성이 너무 무르게 되거나 폴리머 간의 상 분리가 발생한다. 표 4는 일반적으로 많이 사용되는 가소제를 나타내고 있다.

또한, 그림 2는 sheet 제조에 있어서 가소제의 종류에 따라 제조된 sheet의 인장력과 연신율의 차이를 보여주는 그래프이다. 후단 공정에서 요구되는 sheet의 물성에 맞추어서 적절한 가소제를 선택하여야 하며 결합제와 마찬가지로 소성시 잔유물이 없는 것을 사용하여야 한다.

마. sheet 제조용 분산제
LTCC sheet 제조에 있어서, 소성 공정 및 제품 치수 제어 측면에서 sheet 내의 원료 분말의 함유량이 높을수록 좋다. 이를 위해서는 적합한 분산제의 선택이 매우 중요하다.
분산제는 원료 분말을 분산시키고 분산된 상태를 유지하는 역할을 한다. 분산제는 분산 효과에 따라 ionic repulsion 또는 steric hindrance 로 대비된다.
현재 개발되어 나온 시중의 분산제들은 이 두 가지 효과를 다 포함한 것들이 상품화되어 있다. 사용하는 원료 분말 및 제조하고자 하는 sheet의 특성에 맞는 최적의 분산제 선택에는, 혼합물의 점도 특성 변화에 따라 광산란법, 침강법 등에 의한 반복 실험이 필요하다
 
바. sheet 제조 공정
그림 3은 sheet 제조공정의 개략적인 흐름도이다.  원료분말과 용매, 분산제, 결합제, 가소제 등의 유기첨가제를 혼합하여 균일한 슬러리를 제조한 후, 필터링, 탈포 및 교반을 거쳐서 테이프 캐스팅으로 최종적인 sheet 형태로 제작한다.
일반적으로 혼합 과정을 2단계로 구분하여 실행하는 이유는 원료 분말의 분쇄 및 분산 효과를 극대화하여 균일한 슬러리를 제조하기 위함이다. 2차 혼합이 끝난 슬러리를 필터링 공정을 통하여 원료 분말 응집 덩어리와 이물질 및 미용해된 유기물을 걸러낸다. 이후, 탈포 및 교반 공정을 통하여 슬러리의 점도를 적절히 조절하고, 또한 혼합 과정에서 발생한 미세기포를 제거하여 균일한 슬러리를 제조한다.
이렇게 준비된 슬러리를 테이프 캐스터 장비를 활용하여 원하는 두께의 sheet를 제조하게 된다. 테이프 캐스팅 시 sheet의 균일성을 확보하기 위해서는, 블레이드 부분에서 나아가는 슬러리의 토출액이 일정하도록 제어하여야 함과 동시에, 슬러리 표면에 건조된 막이 형성되는 것을 제어하여야 한다. 아울러 제작된 슬러리의 특성을 감안하여 테이프 캐스터 내의 온도 구배 및 송풍량과 속도를 조절하는 것이 유기 용매의 불균일한 휘발을 제어하여 균일한 sheet를 제조하는데 중요한 인자이다.
통상 LTCC sheet를 제조하는데 있어서 사용되는 장비 타입은 코마 블레이드, 닥터 블레이드 타입으로, 수십 마이크로에서 수백 마이크 두께의 테이프를 성형할 수 있으며 이보다 더 얇은 테이프를 제조하기 위해서는 lip coater 또는 slot die 형태의 테이프 캐스팅 장비를 사용한다. 그림 4는 테이프 캐스터 장비의 개략도이다.

사. sheet 특성 평가
sheet가 제조된 후 일반적으로 다음과 같은 사항들을 평가한다. 두께 균일성, 외관적인 결함 존재 여부와 green body density로 소성 전 밀도를 평가한다.
이 밖에 적층 공정, 비아 가공 공정 등에서 제어하기 위한 sheet의 강도 및 연성을 확보하기 위해서 인장력, 연신율 등을 평가한다. 평가 시 green body density가 미흡한 경우에는,  혼합 과정에서의 조건의 변화로 분산성을 증대시키거나 sheet내의 유기물 첨가제 양을 줄임으로서 값을 증대할 수 있다.
이 밖에 sheet의 인장력이 너무 높거나 낮은 경우, 결합제 첨가량 또는 결합제와 가소제의 비를 조절함으로서 sheet의 물성을 개선할 수 있다.

3. 무수축 sheet 제조
LTCC sheet는 저비용으로 복합 고집적 전자부품 및 패키지를 만드는 유용한 재료로서 각광을 받고 있다. 그러나, LTCC가 가진 여러 장점에도 불구하고 기판 수축률의 tolerance와 소성후 비아의 위치를 정확히 예측해 내는데 있어 어려움을 가지고 있다.
이러한 불확실성은 개별 디바이스의 어셈블리 등을 포함한 후소성 단계에 지대한 영향을 주게 된다. 이러한 단점을 극복하는 방안으로 constrained sintering(구속 소결)이 대안으로 제시되고 있다. CS 공정을 실시하는 방법에는 PLAS
(Pressureless Constrained Sintering) , PAS(Pressure Assisted Sintering), SCS(Self Constrained Sintering)등의 다양한 방안이 있는데 이 중 SCS는 무수축 sheet을 직접 제조하여 구속 소결 공정을 이용하는 것이다.
이것은  그림 5와 같이 구속층과 피구속층을 같이 테이프 캐스팅하여 3층으로 이뤄진 sheet를 동시에 제작하는 방법이다. 이러한 방법으로 제작된 sheet를 사용할 경우 x,y축 방향으로의 수축을 정밀하게 제어할 수 있고, 구속층의 제거가 필요없는 것이 장점이나, 동시소성을 위한 페이스트 재료와 소성 시 일반 소성에 비하여 긴 시간이 필요하다는 단점이 있다. 최근 이러한 sheet를 제작하여 상용화 된 부품들이 국내외에 걸쳐 일부 출시되고 있다.

4. 결 론
LTCC 기술은 이동통신용 부품 및 회로기판 제조에 있어서 중요한 역할을 차지하고 있다. 특히 최종 제품의 특성 확보를 위해서는, 대면적 상에서 물리적, 화학적 특성이균일한 Green sheet를 제조하는 것이 관건이다. Green Sheet는, 무기물 원료인 세라믹 분말과 각종 유기물 원료를 혼합하여 균일한 슬러리를 만든 후 일반적으로 많이 알려진 doctor blade을 활용한 테이프 캐스팅을 통하여 제조된다.

각기 다른 구성 원료와 첨가물의 역할의 이해와, 전체적으로 균일한 슬러리와 테이프를 만들기 위한 각 공정 단계에서의 know-how습득이 성공적인 Green Sheet 제조의 필수요건이다. 

참고문헌
1. Richard E. Mistler, “Tape casting theory & practice” (American ceramic society) pp7 - 79, 2000
2. 오영제, 정형진, “세라믹스·테이프케스팅(Tape·Casting)·성형기술”, 요업기술, vol 12[1], pp3-11, 1997
3. 한문희, 안영수, Tape casting 공정에 대하여, 요업기술, vol 10 [2], pp152-161, 1995
4. Lee H. Horsley, “Azeotropic data-III” (American chemical society) pp131-138, pp195-199, 1973
5. Rodrigo Moreno, “The role of slip additives in
tape casting technology : part II binders and plasticizers” Ceramic Bulletin, vol.71. Nov.
pp1647-1657. 1992
6. 유명재, 조현민, 박성대, 박종철,
“Comparsion of commercial PVB binder & synthesized acrylic co-polymer for forming ceramic green tapes”, 춘계 고분자학술대회, 2004
7. US patent 20040159390A1

 

표 1. sheet 제조용 용매            
표 2. sheet 제조용 용매의 공비 조성4)            
표 3. sheet 제조용 결합제5)
표 4. sheet 제조용 가소제

그림 1. LTCC공정기술의 개략도
그림 2. 가소제 종류에 따른 sheet 물성6)
그림 3. sheet 제조 공정
그림 4. 테이프 캐스팅 장비 개략도
그림 5. 무수축 Sheet 의 일례(SCS)7)

 

 

 

 

 

필자약력 (유명재)
고려대학교 전자재료공학과  학사, 석사
현재 전자부품연구원 선임연구원

 

 

 

필자약력 (박종철)
서울대학교 금속공학과 학사, 석사, 박사
KIST 재료설계연구실 연구원, 선임연구원
현재 전자부품연구원 수석연구원

 

 

 

LTCC용 세라믹 소재 개발
유수현 공학박사 삼성전기중앙연구소 책임연구원
박은태 공학박사 삼성전기중앙연구소 수석연구원

1. 서론
최근 전자부품의 고집적화, 다기능화 추세에 따라 LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) 기술이 주목 받고 있다. 국내에서도 여러 기업들이 LTCC 기술의 중요성을 인식하고 개발에 박차를 가하고 있으나, 아직까지 기술 측면에서 해외 선진사들과의 격차가 상존한다. LTCC 제조를 위해서는 소재 기술, 공정 기술, 설계 기술 등 다양한 분야의 기술이 필요하다. 이 중 소재 기술은 LTCC 제조의 출발점이 되는 기술로서 공정 기술이나 설계 기술의 바탕이 되는 기술이다. 그러나 국내의 LTCC 분야 연구 개발은 당장의 제품화를 위한 공정 기술이나 설계 기술 개발에 편중되어 있고 원천 소재 기술 개발은 아직 미미한 상태이며 주로 소재를 해외에 의존하고 있는 실정이다.

2. LTCC용 세라믹 소재
현재 LTCC 기술이 가장 많이 응용되고 있는 분야는 RF 분야이다. LTCC와 함께 모듈 시장을 양분하고 있는 PCB (printed circuit board) 기술은 가격 및 생산성에서 우위를 가지고 있지만, 유기 재료의 특성상 근본적으로 RF 대역에서의 신호 손실 특성이 LTCC에 미치지 못하기 때문에 대부분의 제조사들이 LTCC 기술을 응용한 제품을 내놓고 있다. 향후 LTCC 기술이 RF 분야뿐 아니라 다양한 분야로 응용되기 위해서는 응용 분야의 요구 물성에 부합하는 LTCC 소재의 개발이 우선되어야 한다.

LTCC용 원료 소재에는 LTCC용 세라믹 소재, 전극 소재, tape casting을 위한 유기 binder 재료 등이 포함된다. 이 중에서도 LTCC용 세라믹 소재는 LTCC 제품 부피의 대부분을 차지할 뿐만 아니라 제품의 특성에 가장 큰 영향을 끼치므로 LTCC용 원료 소재 중 가장 중요하다고 할 수 있다. 그러나 세라믹 소재는 여러 소재들 중 개발이 가장 어렵고, 국내 수준은 해외 선진사들에 비해 매우 낙후되어 있다.
지금까지 개발된 LTCC용 세라믹 소재는 대부분 유리와 내화성 산화물 필러 (Refractory oxide filler)로 구성되어 있다. 현재 생산되고 있는 대부분의 LTCC 소재에는 20~70 wt% 내외의 Filler와 30wt% 이상의 산화물 유리가 포함되어 있다. 이 같은 특성 때문에 LTCC 소재는 점성 소결 (viscous sintering) 기구에 의하여 소결이 일어난다. 소결 기구에 따라 LTCC용 세라믹 소재를 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 CFG (ceramic filled glass)라고 불리는 종류로 소결 이전의 filler와 glass가 소결 이후에도 filler와 glass로 그대로 남아있고 점성 소결에 기구에 의해서만 소결이 일어난다. 두번째는 GC (glass ceramic) 소재로 소결 이전의 유리상태로 존재하던 구성물들이 유리가 아닌 다른 결정상으로 바뀌는 것을 특징을 가지고 있으며 대부분의 GC계 소재는 점성 소결이외의 다른 소결 기구들을 포함한다.
표 1에 여러 제조사들의 LTCC용 세라믹 소재를 간략하게 소개하였다. 최근 해외 선진사들의 소재는 점차로 CFG계에서 GC계로 변해가고 있다. 해외 LTCC 소재 전문 업체뿐 아니라 소재를 직접 생산하는 LTCC 모듈업체들의 소재도 거의 GC계를 채용하고 있는 실정이다. GC계 소재는 CFG계 소재에 비하여 기계적 강도 및 화학적 내구성이 뛰어난 것을 특징으로 한다. 그러나 소결 공정을 엄밀하게 제어해야만 CFG계 보다 뛰어난 특성을 얻을 수 있다.

3. Anorthite (CaAl2Si2O8)계 GC 소재의 소결
대표적으로 CaO-SiO2계 유리를 사용하는 GC 소재는 Wollastonite (CaSiO3) 결정상을 생성하는 재료와 Anorthite (CaAl2Si2O8) 결정상을 생성하는 소재가 있으나, 여기서는 Anorthite상을 생성하는 소재에 대해서만 언급하기로 한다.  Anorthite계 GC 소재는 오래 전부터 여러 가지 용도로 널리 쓰이던 소재였으나, 소결온도가 LTCC 소재로 쓰기에는 너무 높다는 단점을 가지고 있었다. Al Source를 유리가 아닌 Al2O3 filler로 하여 소결온도를 낮추는 소재 설계는 20여년전 일본에서 개발되어 지금은 가장 많이 쓰이는 GC계 LTCC 소재 중 하나가 되었다.
Anorthite계 GC 소재 (N사 제품)의 소결 전후 상(phase)의 변화를 그림 1에 나타내었다. 소성전 원료 분말은 glass와 Al2O3 filler로 이루어져 있으나 소성 후에는 새로운 결정화 유리상이 형성되며 생성되는 결정화상의 양은 소결 조건과 밀접한 관계가 있다.

즉 소성 온도가 높을수록 원료 분말에는 존재하지 않았던 CaAl2Si2O8 결정화상의 양이 증가하며 Al2O3양은 감소한다. CaAl2Si2O8 결정상은 CaO-SiO2계의 glass와 Al2O3 filler의 반응으로부터 생성되며 주로 800℃ 이상에서 생성된다. CaO 대신에 BaO를 포함한 유리를 사용하는 경우(H사 제품 2)에도 이와 비슷한 소결 특성을 보인다.
Anorthite계 LTCC 세라믹 소재의 소결 기구는 3 단계로 나누어 생각할 수 있다. 그림 2에 이러한 단계들을 도식적으로 나타내었다.
첫 번째 단계는 재배열 (rearrangement) 단계로서 LTCC 소재에서는 filler 입자들의 공간적 재배열로 나타난다. 이 과정은 CFG 소재나 GC 소재에서 공통적으로 존재하며 대부분의 치밀화는 이 과정 중에 이루어진다. 이 단계는 흔히 점성 소결 (viscous sintering) 또는 NLPS (nonreactive liquid phase sintering)라고 불리며 이 단계에서 유리 및 입자의 재배열과 점성 유동이 일어나게 된다. 대부분의 CFG 소재의 경우에는 이 단계에서 소결이 완료되게 되며, 어느 정도 치밀화가 이루어진 이후에는 소결 온도 변화에 따른 물성 변화가 심하지 않게 된다.
두 번째는 용해와 석출 (precipitation & dissolution) 단계이다. Anorthite계 GC 소재의 경우에는 CaO-SiO2계의 glass와 Al2O3 filler의 반응으로 이 단계가 진행되며 치밀화는 이 단계에서 거의 완료된다. 즉 Anorthite계 GC 소재의 경우에는 치밀화가 재배열 뿐 아니라 용해와 석출에 의해서도 진행되므로 상대적으로 높은 소결 밀도를 얻을 수 있다. 또한 이 단계에서 치밀화가 완료되므로 기계적 강도는 이 단계에서 최대값에 이르게 된다.
세 번째는 결정화 (crystallization) 단계이다. 이 단계에서는 계속적인 반응에 의하여 Anorthite 생성량이 증가한다. 용해와 석출 단계와 엄밀하게 구별되지는 않지만 이 단계에서는 더 이상의 치밀화가 일어나지 않는다. Anorthite 결정상의 양은 이 단계가 어느 정도 진행되느냐에 따라 큰 차이를 보인다.
4. 소결 상태에 따른 물성의 변화
Anorthite계 GC 소재를 각각 850℃와 870℃에서 소결한 후 물성을 비교하여 표 2에 나타내었다. 기계적 강도는 3점 굽힘 강도 측정법으로 측정하였으며 도금 고착력은 LTCC 소재의 표면전극에 무전해 도금을 실시한 후 인장 강도 측정법으로 측정하였다. 도금 고착력 측정 시에 파괴는 도금용액에 의한 LTCC 세라믹 body와 외부전극 사이에서 일어났다. 결정화도는 XRD상에서 28.0°에 존재하는 Anorthite 피크와 25.6°에 존재하는 Al2O3 피크의 비로 측정하였다.
기계적 강도는 850℃ 소결 시편과 870℃에서 큰 차이를 나타내지 않는다. 이것은 850℃에서 이미 치밀화가 끝났기 때문이다. 870℃로 온도를 증가시켜 결정상의 양이 증가하더라도 강도에는 큰 영향을 미치지 않는다. 즉, 기계적 강도는 결정상의 양과는 직접적인 관계가 없다.
도금 고착력은 세라믹 소재의 도금 용액에 대한 내화학성과 관련이 있다. 즉, 도금 용액이 LTCC Body를 부식시킬 수 있는 각종 유기산(organic acid)을 포함하므로 LTCC용 세라믹 소재는 어느 정도 도금액에 부식되며, LTCC body와 외부전극사이 계면 사이로 부식이 진행되면 도금고착력이 감소하게 된다. 소결 온도가 증가함에 따라 도금 고착력은 증가하는 경향을 나타내며, 이것은 도금액에 대한 내부식성이 강한 결정화상의 양이 소결 온도가 증가함에 따라 증가하였기 때문으로 생각된다. 그림 3에 소성 온도별로 도금 후 미세구조 차이를 SEM으로 관찰한 결과를 나타내었다. 소성온도가 낮은 경우에는 유리가 부식되어 Al2O3 입자가 일부 드러나 있는 반면, 소성온도가 870℃인 경우에는 도금액에 의한 침식이 현저하게 줄어든 것을 알 수 있다.

5. 맺음말
LTCC 소재는 과거의 CFG계 소재에서 GC계 소재로 변화해 가는 추세에 있다. GC계 소재는 여러 가지 물성에서 우수한 점이 많으나 소결 조건 제어가 어렵다. 해외 선진사의 제품에 비견되는 우수한 LTCC 제품을 개발하기 위해서는 우선 기본이 되는 GC계 세라믹 소재의 개발이 선행되어야 하며 이에 따른 정밀한 소결 공정 개발이 동시에 진행되어야 한다. 또한 향후 RF분야 이외의 다양한 분야로 LTCC 기술이 응용되기 위해서는 각각의 응용 분야에 요구 물성에 부합되는 맞춤형 소재의 개발이 제품 개발과 동시에 진행되어야 할 것이다.

표 1. 제조사별 LTCC 세라믹 재료
그림 1. 소성 온도별 및 원료 powder XRD 측정 결과
그림 2.  Anorthite계 GC 소재의 소결 과정
           (a)825℃     (b)850℃      (c)870℃
그림 3. 소성 온도별 도금 후 미세구조

표 2. 기계적 강도와 도금 고착력
 

필자약력 (유수현)
서울대학교 재료공학부 박사
현재 삼성전기 책임연구원

 

 

 

 

 

필자약력 (박은태)
Illinois 공대 재료공학과 박사
Argonne National Lab Postdoc
University of Cincinnati Postdoc
현재 삼성전기 수석연구원

 

 

 

고집적 모듈의 고주파 응용기술 개발
최광성 한국전자통신연구원 SoP 기술팀 선임연구원

 

1. 서론
최근 통신 기술 개발 동향은 사용자가 보다 많은 데이터를 손 쉬운 방법으로 접근하도록 하는 것이다. 상용화 서비스를 눈 앞에 두고 있는 와이브로, 사용자 마다 100Mbps의 데이터를 제공하고자 개발되고 있는 4세대 통신 등은 이러한 노력의 일환이다. 또 하나의 중요한 개발 동향은 이러한 서로 다른 서비스를 하나의 단말기로 제공하는 것이다. 이를 실현하기 위해서는 유무선 통신 시스템 및 관련 프로토콜의 끊임없는 연결 그리고 단말기의 개발이 필수적이다. 그림 1은 IMT2000 이후의 통신 인프라를 보여주는 개략도이다. 개인에게 1 Gbps, 이동 중 100Mbps를 제공하기 위해 여러 가지 서비스가 연동되어야 함을 보여주고 있다. 이러한 시스템이 각 사용자에게 접근이 쉽도록 하는 유일한 방법은 모든 서비스를 하나의 단말기에서 받도록 하는 것이다. 소비자에게 소비자의 위치에 따라, 이동 속도에 따라 단말기를 바꾸도록 요구한다는 것은 생각할 수 조차 없기 때문이다. 여기에 일반 소비자의 지갑을 열기 위해서는 기존의 단말기와 비교했을 때 가격 차이가 크지 않아야 한다는 중요한 선결조건이 있다. 이러한 문제에 대한 해답은 바로 고집적 모듈 개발에 있다. 즉, 하나의 모듈로 2.4GHz, 5GHz, 60GHz 등 RF와 밀리미터파를 처리할 수 있으며 동시에 디지털 신호도 처리할 수 있는 모듈이 다기능을 지원함과 동시에 저렴한 가격의 유일한 대안으로 떠오르고 있는 것이다. 본 글에서는 밀리미터파를 위한 고주파 응용기술을 소개하여 다기능, 고집적화에 있어 LTCC의 활용 동향을 기술하고자 한다.

2. 본론

일반적으로 WLAN 등에 사용되는 주파수는 2.4GHz, 5 GHz로 낮아 앞서 언급한 100 Mbs 나아가 1 Gbps의 광 대역 통신 서비스를 제공하기에는 다소 어려운 점이 많다. 이에 대한 대안으로 60GHz 밀리미터파를 이용한 유무선 통신 시스템이 개발 중으로 관련 표준화가 IEEE802.15 TG15.3c 에서 진행되고 있고 현재까지 2Gbps 이상을 목표로 하고 있으며 3Gbps를 선택사항으로 하고 있다. 이와는 별도로 일본의 NEC는 60GHz WLAN 송수신기를 제작하여 1.25Gbp 신호를 전송하였으며 Sharp 사는 60GHz 비디오 전송 시스템을 개발하여 HDTV 전송 시험을 수행하였다. [1]
60GHz는 부품의 크기가 작기 때문에 능동 및 수동 소자의 크기가 작다는 이점이 있어 고집적화에 더욱 유리하다. 그림 2는 6층으로 구성된 60GHz 대역 LTCC 기판 대역 통과 필터와 그 특성을 보여주는 그림으로서 그 크기가 4×2mm2로 작을 뿐만 아니라 우수한 스컷 특성을 보여주고 있다.
60GHz 대역에서의 임피던스 매칭은 일반적으로 사용되는 인덕터나 캐패시터와 같은 단일 소자를 사용해서 적용할 수 없다. 이는 주파수가 높기 때문에 인덕터나 캐패시터의 고유한 성질을 이용할 수 없기 때문이다. 따라서, 임피던스 매칭을 위한 방법에는 스터브나 λ/4 트랜스포머를 이용하는 등의 전송선로의 특성을 변화시키는 것이나, 캐퍼티 내에 튜닝 포스트를 이용하는 방법이 사용되고 있다. 그림 3은 두개의 스터브의 길이를 레이저로 잘라내가며 변화하는 입력 입피던스를 측정한 것이다. 정상적인 튜닝이 이루어진 경우 리턴 로스가 만족할 만한 수준으로 확보가 되었지만 그렇지 않은 경우에는 임피던스 정합을 확보하기 어렵다. 이는 소자의 특성 변화에도 얼마 간의 원인을 찾을 수 있지만, 종단 저항 값의 변화, 특히 와이어 본딩의 길이 및 각도 변화, 기타 다른 공정 상의 변화로 야기된다. 따라서, 이러한 경우, 임피던스 매칭을 위해서는 협대역 특성을 가진 스터브를 사용하는 것 보다는 λ/4 트랜스포머를 이용하는 것이 보다 넓은 대역에서의 임피던스 정합을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정이나 기타 다른 특성 변화로 인한 임피던스 부정합을 줄일 수 있는 방법이다. [2]
60GHz 신호를 만들 수 있는 방법은 전통적으로 사용되는 슈퍼 헤테로다인 시스템을 이용하는 방법과 직접 변환 (direct conversion) 등의 방법이 있다. 슈퍼 헤테로다인 시스템은 중간 주파수를 사용하므로 안정적인 신호를 보낼 수 있다는 장점이 있고 직접 변환 방법은 중간 주파수를 사용하지 않으므로 저렴한 가격의 시스템을 만들 수 있다는 장점이 있다. 그림 4는 제작된 60GHz 대역 송수신 모듈로서, 슈퍼 헤테로다인 방식을 채용한 것이다. 각 부품 및 부품 간의 연결에 모두 금속 하우징을 사용하므로 안정적인 연결을 보여주고 있으나 부품의 가격이 비싸다는 단점이 있다. 이를 모두 LTCC 기반으로 하면 비용 절감 뿐만 아니라 고집적화를 할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 60GHz 통신의 장점은 공기 중에서 감쇄가 심하다는 것이다. 이러한 점은 인접 기지국간의 간섭을 억제할 수 있다는 장점을 가져온다. 그러나, 이러한 특성은 동시에 수십 km 간의 통신에서는 신호 감쇄가 심해서 효과적인 신호 전달이 어렵다는 단점으로 작용하다. 이러한 점을 극복하기 위해 라이오-온-파이버 (radio-on-fiber) 기술이 제안되었다. 즉, 신호 감쇄가 매우 작은 파이버에 RF 신호를 실어 보내므로 수십 km 내에서도 광 대역의 데이터를 제공하도록 하자는 것이다. 이를 구현하기 위해 개발된 것이 광 변조기 모듈이며 그림 5에 보여진다. 이 모듈은 SoP (System-on-Packa
ging) 모듈로서, 저 잡음 증폭기 (LNA), 필터, 광 변조기로 이루어져 있다. 앞서 언급한 대로 필터나 LNA, 광 소자의 크기가 작기 때문에 하나의 패키징 안에 효과적으로 구현될 수 있고 저가격 고집적의 전형적인 예라고 할 수 있다. [3]
3. 결론
향후 100 Mbps~1 Gbps 이상의 데이터를 소비자에게 효과적으로 제공하기 위해서는 고집적, 다기능, 저가격 모듈 개발이 필수적이며 이를 구현하기 위한 방법 중 60GHz 통신 시스템에 적용되는 LTCC의 사례를 살펴보았다. 이를 통해 LTCC의 적용 분야가 이미 밀리미터파에까지 확장되었음을 알 수 있으며 지속적인 기술 개발로 그 영역을 더욱 넓혀야 한다고 생각한다.

참고 문헌
1. IEEE MTT-S IMS, 2003
2. ETRI J. June 2006
3. Proceedings of ECTC, 2006

그림 1. IMT2000 이후의 통신 인프라 (출처 : 정보통신부)
그림 2. LTCC 기판 대역 통과 필터와 필터의 특성
그림 3. 스터브 및 레이저를 이용한 튜닝
그림 4. 60 GHz 대역 송수신모듈
그림 5. 광 변조기 SoP 모듈

필자약력
KAIST 전자재료공학과 석사
하이닉스 반도체 (구, LG 반도체)
ETRI 선임연구원

 

 

 

 

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