여 동 훈 공학박사 요업(세라믹)기술원 선임연구원 김 효 태 공학박사 요업(세라믹)기술원 선임연구원 1. 서론 무선 휴대통신의 수동 부품용 소재 및 부품은 이동통신 시스템의 대중화 추세에 따라 최근 10여년 동안 괄목할 만한 성장이 이루어져 왔다. 단말기용 부품의 경우 부품의 경박 단소화 및 집적화 추세에 따라 단위부품의 크기가 작아지는 것은 물론 가능한 많은 부품들을 하나의 모듈 속에 포함시키는 방향으로 기술 발전을 거듭하고 있다. 다가오는 유비쿼터스 시대에 있어서는 소형, 고기능, 고품질은 필수 불가결한 요소이고 통신 및 기기 방식의 융합화에 따른 고주파 모듈의 소형화, 低背化(Cavity 바닥 층의 slim화), 고기능화에 대한 요구가 증대할 것이다. 이러한 요구에 대응하기 위한 차세대 시스템 모듈 대응 기판 소재로서 세라믹계인 LTCC와 수지계인 저손실 폴리머에 대한 기대가 높아지고 있다. 최근 들어 내장 소자의 고집적화 기술, 고밀도 실장 대응 기술 개발을 위한 임베디드관련 기술 개발 중요성이 부각되면서 LTCC와 폴리머 기술의 장점은 부각시키고 단점을 해결하기 위한 연구개발 필요성이 제기되고 있다. 본 고에서는 이러한 추세에 따라 차세대 시스템모듈용 기판 개발을 위해 주목받고 있는 세라믹계인 LTCC의 소재, 공정기술 개발 동향 및 폴리머 소재의 기술 동향에 관해 살펴보고자 한다. 2. LTCC 재료·공정기술 개발 동향 가. 고집적 기판 소재의 요구 특성 내장 소자의 소형화를 실현하기 위해서는 유전율이 높은 기판 재료를 사용할 필요가 있다. 신호 선로상 임의의 위치에 전압과 전류에 대한 임피던스는 유전체의 유전율과 도체 및 절연체 층의 치수(면적 및 두께)에 의해 결정된다. 여기서 특성 임피던스는 유전체 유전율의 제곱근에 반비례하여 낮아지므로 유전율이 높은 기판을 유전체 층에 이용하려면 특성 임피던스는 작을 것, 그것을 나눈 도체 선폭을 작게 또는 짧게 설계 가능해야 소자의 소형화가 가능하다. 그러나 유전율을 높일 경우 내장소자 이외의 회로도 기판내부에 형성하기 때문에 회로 간에 cross talk와 불필요한 공진의 발생에 따라 특성을 저해하는 경우가 있기 때문에 무턱대고 유전율을 높일 수도 없다. 고주파 신호의 손실을 작게 하기 위해서는 기판 재료 및 도체재료의 유전손실을 적게 제어할 필요가 있는데 기판 재료의 Q값은 높을수록 좋고 도체 재료도 유전 손실이 작은 Ag, Cu 등의 사용이 필요하다. 기판내장 소자의 고성능화를 위해서 기판재료의 Q값을 높이고 도체 손실을 작게 하는 것이 저온 소성 다층 기판이 고주파 모듈용 기판으로써 사용되기 위한 핵심 조건중의 하나이다. 기판에 소자 내장화시 안정된 유전특성을 확보하지 못하면 실용화가 어려우며, 기판 재료의 열팽창계수의 영향도 고려할 필요가 있다. 최근에는 기기의 고주파화가 급속하게 진행되고 있어 주파수에 대한 유전특성(유전율, Q값)의 변화를 작게 하는 것도 중요하다. 고주파 모듈의 복합화가 진행되고 고주파 모듈용 기판으로써 대형 및 박형 대응에 대한 수요도 높아지고 있다. Mother Board의 고주파 모듈 실장을 고려하여 기판재료의 열팽창계수를 프린트 기판의 열팽창계수에 가깝게 하고, 2차 실장의 내열 충격성을 향상시킬 필요가 있다. 대형 모듈화의 경우 내낙하 충격성을 향상시키기 위해 기판 강도 향상도 중요한 항목이 되어가고 있다. 이러한 시스템 모듈용 기판소재로써 요구되어지는 LTCC 재료의 특성을 표 1에 나타내었다. 나. LTCC 공정기술 개발 동향 (1) 무수축 소성 세라믹스 기판의 가장 큰 단점중의 하나가 소성시에 수축문제이다. 따라서 LTCC 다층기판에 무수축법을 실현하고자 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 무수축 소성은 소성 시 구속층(Constrained Lay er)에 결속력을 가하는 것으로 x, y축 방향으로는 수축을 하지 않고 z축 방향으로 수축되는 방법이다. 종래에는 가공법과 무가공법 두 방법이 있었는데 최근에는 구속층을 쓰지 않는 무가공 자기 무수축법 (Self Constrain method)도 고안되고 있다. 본 기술은 층간 패턴의 정밀도가 우수하고 flat한 대형기판을 얻을 수 있으며 각각 부품들의 정밀 실장도 가능하게 되었다. 그림 1은 대표적인 가공방식인 무수축 소성(z축 소성)의 예를 나타낸다. 이 방법은 적층하는 그린 시트의 두께방향으로 압력을 가하면서 소성하는 것에 따라 x, y축 방향으로 수축이 일어나지 않고 z축 방향으로만 수축이 일어나는 것으로써, 평판성이 우수한 세라믹 기판을 얻을 수 있다는 특징을 갖는다. 이러한 무수축 소성 기술은 자동차용 ECU에도 적용하여 자동차의 가혹한 주변환경, 즉 가혹한 온도, 온도 cycle, 가속도, 진동을 받는 기기 예를 들면 트랜스미션, 유압기기 등에 직접 탑재 가능하며 그 장점은 아래와 같다. ① 가혹한 환경 조건하에서도 system integration이 가능 ② 최소 Space에 최대 기능 ③ 단시간의 시제품 개발 (2) Cavity 구조의 무수축 소성 무수축 가압소성법(z축 방향 소성)은 적층된 LTCC 그린시트 면을 균등하게 가압할 필요가 있고, cavity 구조와 같은 공간이 있는 제품은 cavity 저면에 압력이 가해지지 않기 때문에 cavity 부품은 종래 소성법으로 가능하지 않았다. 그러나, z축 방향 소성법의 기술개선을 통해 이 문제를 해결하고자하는 시도들이 이루어지고 있다. z축 방향 cavity 기판은 cavity로 실장이 필요한 고주파 반도체 탑재 모듈의 소형, 박형화에 적용이 가능하다. 층간의 높은 정밀도, 고평탄 대형 패널이기 때문에 고정밀도로 실장위치가 요구되는 0603형 chip부품과 Flip chip 등의 보다 작은 부품을 대형 패넬에 효과적으로 실장 가능하다. 그림 2는 다단면 cavity 구조의 개념도를 나타내고있다. z축 방향 cavity 기판은 정밀도가 높고 단면에 다단 cavity를 구성하는 것이 가능하다. (3) 이종재료 접합 고주파 재료의 소형화 고기능화를 진행하기 위해서는 chip 및 기판내에 형성된 Strip line 공진기, 인덕터, 캐패시터 등의 내장소자의 소형화와 특성 향상이 필요하나 각각의 내장 소자들에 요구되는 재료 물성은 다르다. 고기능의 소자를 효율적으로 집적하기 위해서는 그림 3과 같이 특성이 다른 재료의 동시소성 기술 개발이 중요하다. 이러한 사항들을 모두 만족시키기 위해서는 조성의 조정 외에 분말의 선정, 그린시트의 성형조건 조정 등 많은 실험을 반복할 필요가 있다. 이종재료 접합을 위해서는 다음의 특성들이 필요하다. ① 소성 수축율이 적합할 것 ② 열팽창계수가 비슷할 것 ③ 소성시 조성에 상호확산 작용이 적을 것 첫번째 소성 수축률 차이는 이종재료를 동시소성하는데 가장 어려운 문제인데, 이것을 해결하기 위해서 x, y축 방향의 소성 수축을 억제하는 무수축 공정 기술 적용이 적극적으로 검토되고 있다. 두 번째 이종재료 간의 열팽창 계수의 차이가 크면 이종재료간에 crack 등이 발생할 수 있다. 세 번째 상호확산 작용이 전혀 일어나지 않게 하는 것은 매우 어렵지만, 확산이 가능한 적으면서 확산하여도 영향이 적은 조성을 선택해야 하는데 이를 위해 Glass 조성을 적용하는 경우가 많다. 유전체 자체의 조성 선정 외에 Glass의 조성 선정에 있어서도 위의 세가지 특성을 고려해야 한다. (4) 미세 고밀도 배선 미세패턴은 적층시 층간에서 벗어나지 않게 하는 것이 중요하며 각층의 인쇄 정밀도의 향상, 적층 지그 및 설비 개량 등으로 층간의 정밀도 향상을 도모하고 있다. 현재 미세패턴의 선폭/선간격은 L/S=70/80㎛를 사용하고 있지만 paste, process, 지그의 개선을 진행하여 미세화가 진행되고 있다. 또한 보다 정밀도가 높은 도체 패턴의 구현을 위하여 Lithography 기술을 활용한 paste 개발도 진행 중이다. (5) 미세 via 가공 기술 via 가공 기술은 도체 패턴의 미세화와 함께 제품의 소형화에 필수적이며, 층간 최소 via 홀 가공기술과 via 충진용 Ag paste 개발도 동시에 이루어지고 있다. 아래 그림 4는 0.4mm 두께의 기판에 φ60㎛까지 via를 구현한 것을 나타내고 있다. 3. 기판용 폴리머 소재 기술 개발 동향 가. 기판용 폴리머 소재의 국내·외 기술 동향 차세대 시스템 모듈용 폴리머 기판재료로서 필요한 주요 특성은 다음과 같다: 다적층(high layer count), 고집적 배선밀도(high-density interconnect), 고집적 실장(high-density mounting), 고신뢰성(high reliability), 고속전송(high speed transmission), 경박(thin and light-weight), 임피던스 제어(impedance control), 고주파 특성(high frequency characteristics), 가공성(workability), 친환경성(environmental frien dly), 경제성(low-cost and energy saving), 안전성 (electrical safety, flammability). 아래의 표 2는 대표적인 저손실 폴리머 유전체의 유전특성을 나타낸 것이다. 한편 RF embedded용 기판의 성능향상을 위해서는 Base substrate 뿐 아니라 내장형 RF 소자용 유전체 재료의 저손실화도 필요하며, 표 3은 현재 알려진 내장형 커패시터 재료의 손실특성을 나타내고 있다. 다층 기판 (multilayer substrate)용 소재로서 최근 많이 연구되고 있는 Liquid crystal polymer (LCP) 는 열가소성 재료 (thermoplastic material)로서, 고성능의 회로를 저가로 제조할 수 있어 대량 대면적 공정용 저가 유전체 재료로 사용될 수 있다. LCP의 대표적 특징은 아래와 같다: (i) 밀리미터파(mm wave)에 까지 우수한 전기적 특성: 예를 들면 20GHz에서 유전상수가 3.0으로서 매우 낮고, 유전손실이 0.002로 낮아 세라믹 (LTCC)에 버금가는 성능을 가지고, (ii) 매우 우수한 barrier 특성 및 permeability : moisture absorption이 약 0.02%로서 유리와 비교할 만하며 세라믹과 매우 유사하며, (iii) 낮은 열팽창 계수 (CTE: coefficient of thermal expansion): 8-17*10-6/K로서 열처리 공정에 따라 조절 가능하며, 세라믹 (6*10-6/K)과 유사하다. 이러한 재료적, 전기적, 그리고 비용적인 면을 고려할 때, LCP는 최근 크게 성장하고 있는 RF, 센서, 디지털, optical 및 mixed signal 제품과 같은 multi-chip module (MCM), SoP, 및 첨단 패키징 기술에서 중요한 재료로서 고려되고 있다. Benzocyclobutene(BCB)는 Dow Chemical사가 1980년대 후반에 개발한 폴리머로서, 실리콘을 대체하기 위한 재료로 개발한 저유전율 폴리머중의 하나로 주로 microelectronic packaging과 interconnect에 사용된다. 최근 일본에서는 차세대 고주파용 PWB에 사용하기 위해 BCB resin coated Copper foil이 상용화되기 시작하였다. BCB의 가장 큰 두 가지 특징은 첫째, 경화시(curing) 휘발물질을 발생하지 않는다는 것이고, 둘째는 BCB의 ring-opening reaction이 non-polar hydrocarbon moieties라는 점이다. BCB의 전기적, 기계적, 열적 주요 특성은 표 5와 같다. Dow Chemical에서 만든 감광성 폴리머 상용제품인 CYCLOTENE 4000 시리즈는 BCB를 주재료로 하는 감광성 레진 (Photosensitive resin)으로 1994년에 상용화가 시작 되었으며, 주요 특성은 아래 표 6과 같다. Plasma polymerization법에 의한 DVS-BCB (divinyl siloxane bis-benzocy-clobutene) 의 경우 유전상수k=2.6에 높은 열 안정성을 나타내고 있다. (J. Kawahara et al., 2003 Plasma SourceSci.Tech nol. 12 S80-S88). 한편 일본의 Hitachi Chemical에서 생산하는 저손실 고내열성 PWB 재료인 MCL-LX-67Y 시리즈의 대표적 특성은 표 7과 같다: 나. 기판용 폴리머 소재의 국내·외 기술수준 분석 전 세계적으로 임베디드 수동소자 및 기판재료에 관련된 연구를 수행하고 있는 학계는 미국의 Geor gia Institute of Technolo gy(GIT), University of Ar kansan, Cornell University, Pennsylvania State Univer sity, MIT 등과 일본의 Osa ka University 및 Shizuo ka University 등이 있다. 현재 국내에서는 저손실 기판재료 자체의 합성 또는 개발 보다는 최근 들어 주목받고 있는 기판재료 (LCP, BCB 등)의 후/박막 형성 및 응용기술 등을 주로 연구 중이며, 일부에서는 유전율 및 유전손실 향상 등의 원천연구에 진입하고 있다. 임베디드 기판에 있어 기판 재료 및 수동소자를 형성하는 재료 기술의 중요성에 대해 인식이 확산되고 있는 단계이다. 일부 기업의 연구소에서 개발을 검토 및 시작하고 있는 초기 단계로, 삼성전기, LG전자, 심텍 및 대덕전다 등의 제조업체가 일본 및 미국에서 개발된 시제품을 이용해 임베디드 기판의 적용성 및 시험제작을 추진하고 있는 실정이다. 저손실 기판재료에 관한 국내의 연구 개발 실적은 그동안 LTCC 조성을 위주로 일부 대학, 연구소 및 기업에서 이루어져왔으며 최근 들어 일부 대학 및 연구소에서 세라믹과 폴리머를 복합한 하이브리드 소재 개발을 진행 중에 있으며 수지계 Embedded 기판관련 개발된 재료는 거의 없는 실정임. 주로 해외 선진기업에서 개발된 시제품들을 구입하여 기판에 적용하며 적용성, 신뢰성 등을 평가하는 단계로 선진 업계와 기술격차를 줄이기 위해서는 많은 기술적 노력이 필요하다. 일본의 일부 업체들에서 상용화 가능성을 가진 시제품들을 출시하여 관심을 끌고 있으나 아직 상용화를 추진하기에는 가격, 기판간 매칭 등 해결해야 할 과제들을 안고 있으며 이를 해결하기 위해 노력 중에 있다. 국내의 경우 저유전율 폴리머 기판소재를 생산하는 기업은 대부분 상용 PCB 기판소재의 생산에 치중하여 왔으므로, 폴리이미드 이외의 고품위의 저손실 유전체 기판재료에 대한 연구개발이 아직 미진한 단계이다. 또한 신소재의 자체 개발 능력 보다는 해외 원천기술에 크게 의존하고 있어 신제품 개발에 의한 시장 선점력은 크게 취약하다. 또한 원료의 해외 의존도가 커서 양산 시 원가부담이 크며, 양산기술 및 수요자와의 유기적 기술 교류가 원활치 않아 개발 속도가 느린 것이 장애 요인이며, 이를 극복하기 위한 수요자와 생산자 및 산학연의 유기적 협동 연구 개발 체계의 확립이 절실하다. 더욱이 최근의 환경오염 규제에 대한 대응으로 친환경성, 예를 들면 halogen-free화에 대응한 기판 소재의 개발이 요구된다. 저손실 재료 개발에 필요한 기술들이 많이 축적되지 않았기 때문에 신뢰성 있는 신제품 출시에는 많은 기간이 필요할 것으로 예측된다. 또한 기술적 한계, 단가, 공정조건, 재료, 표준화 등이 임베디드 기판의 사업화에 장애요인이 되고 있다. 국내의 경우 기판재료에 대한 원천기술이 취약하므로, 기 상용화된 소재 이외의 신소재 개발능력이 미흡하고, 더욱이 연구개발 인프라가 소재 응용 및 가공기술 개발에 편중되어 있어 품질 및 신뢰성에 영향을 주는 기판 소재의 기본 조성 및 성능향상 기술은 아직 미흡하다. 특히 저손실 기판재료의 경우, 기판소재 자체 뿐 아니라 기판상에 형성되는 회로 배선 또는 전극 소재의 저손실화, 열적, 기계적 매칭성, 접합성, chemical durability 및 가공성, 장수명에 따른 전기/기계적 열화 특성 및 Cu 등의 전극 확산 방지책 등이 고려되어야 한다. 4. 맺음말 향후 휴대 단말기는 고기능, 소형화가 진행되고 모듈의 고밀도화 고신뢰화도 지속적으로 진행될 것으로 생각된다. 또한 시스템 모듈용 기판 소재 산업은 최근 들어 기술 변화 속도가 빠르고 가장 시장성이 큰 분야중의 하나로 부품소재 산업의 국제 경쟁력 강화를 위해 반드시 필요한 기술들이다. 따라서 LTCC 및 폴리머 기술도 경쟁적으로 발전하는 기술발전의 추세에 따라 지속적인 개발이 진행되어야 하며 이밖에도 지금은 실현되기 어려운 기술에 대해서도 독자적인 기술 개발을 계속 진행할 때 차세대 시스템 모듈용 고집적화 핵심기술의 확보가 가능 할 것이다. 표 1. 차세대 시스템 모듈 기판용 소재 요구 특성 번호 요 구 특 성 효 과 1 고 유 전 율 파장단축효과(내장 C 면적 최소화) 2 저 유 전 율 기생용량 최소화에 의한 설계 자유도 확대 내장소자의 저손실 효과(고 성능화) 3 높은 Q값 4 공진주파수 내장소자의 온도변화에 따른 특성 안정화 온도계수(τf) 제어 5 높은 α실장 신뢰성 향상 고강도 그림 1. 가압 무수축 소성(Z소성) 그림 2. 양면 Cavity 구조 개념도 그림 3. 이종재료의 동시소성 개념도 그림 4. 미세 via 구현 표 2. Properties of Low-loss Polymer substrate Dielectric Dielectric Constant Tanδ (@1GHz) Epoxy 3.8-4.5 0.015-0.03 PPE 3.2 0.005 LCP 2.8 <0.003 Polyimide 3.3-3.5 0.005 Avatrel 2.5 <0.001 BCB 2.9 <0.001 표 3. Dielectric properties of embedded capacitors Type Maker Model Materials εr tanδ Capacitance Thickness (@1GHz) (@1GHz) (nF/in2) (㎛) Sanmina ZBC-2000 FR-4 4 0.021 0.5 50 Hadco EmCap Ceramic in Epoxy 36 0.06 2.1 100 Organics Gould TCC Polyimide 3.2 0.009 1.45 12.5 Laminates Matsushita - BT+epoxy 40 0.015 10-22 10-30 DuPont HiK BT+polyimide 12-20 0.01 1.5 8-25 3M C-Ply BT+epoxy 22 0.10 10-30 5-25 Asahi CX-16 BT+epoxy 60 0.06 8.5-22 12-40 Motorola Mezzanine Ceramic filled 20 0.03 11 11 Pastes photodielectric DuPont Interra Ceramic 35 0.025 15 12 +polyimide 표 4. Comparison of Substrate Properties 구 분 FR4 LTCC LCP Dielectric constant 4.5@1MHz 5.6@20GHz 2.9-3.0@20GHz Loss tangent 0.02 0.0012 0.002 CTE 15-20*10-6/K 5.9*10-6/K 3-17*10-6/K Cost Very Low Medium Low 표 5. Properties of BCB Polymers 항목 특성치 항목 특성치 유전상수 2.65@1k-20GHz Tg >350℃ 유전손실 0.008@1k-1MHz 수분흡수율 0.14% 내전압 3x106V/cm Tensile modulus 2.9GPa 체적저항 1x1019Ω·㎝ Tensile strength 87MPa 열전도율 0.29W/m·K@25℃ Poisson´s ration 0.34 열팽창율 52 ppm/K Residual stress/Si 28MPa 표 6. Typical processing conditions for photo-BCB polymer films CYCLOTENE Thickness after Exposure dose* Final film resin type soft bake(㎛) thickness(㎛) 4022 5.2 20 3.8 4024 7.4 25 5.2 4026 13.3 60 10.2 *mJ/cm2 per um of pre-exposure film thickness 표 7. Properties of MCL-LX-67Y series Item Condition Unit MCL-LX-67Y Dielelctric constant C-96/20/65 - 3.5-3.7(@1MHz) 3.4-3.6(@1GHz) Dissipation factor C-96/20/65 - 0.0025-0.0045(@1MHz) 0.0045-0.0065(@1GHz) Peel strength(18㎛) A kN/m 1.0-1.4 Tg TMA ℃ 185-195 Solder heat resistance A, PCT-4hrs - OK (20s/260℃) Water absorption E-24/50+D-24-23 % 0.03-0.04 CAF 85℃/85RH%, 100V hrs >1,000 Flammability(UL-94) A - 94V-0 필자약력(여동훈) ·성균관대학교 전기공학과(박사) ·한국과학기술연구원 위촉연구원 ·The Pennsylvania State Univ. Post-Doc. ·(주)한원마이크로웨이브 연구소장 ·요업(세라믹)기술원 선임연구원 필자약력(김효태) ·고려대학교 재료공학과(박사) ·한국과학기술연구원 위촉연구원 ·The Pennsylvania State Univ. Post-Doc. ·AVX/Kyocera 한국지사 ·삼성전기(주) ·요업(세라믹)기술원 선임연구원