첨단세라믹스   전자
차세대 시스템모듈 대응 상온후막증착기술

김 종 희 공학박사 요업(세라믹)기술원 시스템모듈사업단 단장
김 효 태 공학박사 요업(세라믹)기술원 시스템모듈사업단 선임연구원

1. 서 론
실시간 정보통신(유비쿼터스) 환경의 도래로 시스템의 고주파화, 디지털화, 멀티미디어화 경향에 따라 통신, 정보기기, AV기기 들을 중심으로 융합화, 복합화한 다양한 시스템의 개발 필요성 증대되고 있다. 이에 따라 차세대 정보통신 기기의 요구 성능인 초고속 디지털화, 높은 interconnect 밀도, 고전력밀도, 고신뢰성, 경박단소 및 저가화에 대응하는 새로운 패러다임의 시스템 집적화(System Integration) 기술이 요구된다. 차세대 유비쿼터스 환경에 대응하는 전자기 부품 및 시스템 구현을 위한 미래필수 기반기술로 세계적인 공감대가 형성되고 있으며, 정보통신기기 부품 및 세트 업체까지 다양한 컨소시엄 형성을 통한 전략적 연구가 시도되고 있다.
SOP(System on Package)는 반도체 기술 기반의 시스템 집적화 기술인 SOC 기술과 유무기 패키지 기술 기반의 시스템 집적화 기술인 SIP 기술의 장점을 취한 융합 기술로 고효율/고성능 저비용으로 구현하는 차세대 정보통신용 시스템의 핵심기술(Core Technology)이다. SOP는 기존의 SOC나 SIP 기술의 한계성을 극복할 수 있는 차세대 정보통신시스템 핵심기술이며, 기존의 박막기술보다 20% 이상 cost-down 가능하고, 기존의 벌크형이나 discrete형보다 high speed, 고신뢰성 및 초소형화를 실현할 수 있다. 
정보통신용 기기에 사용되는 부품에서 수동소자는 평균적으로 80% 이상의 점유율을 가지므로 이들 수동소자의 임베디드(embedded)화를 통한 집적화가 시스템모듈 집적화의 관건이며, 이를 통해 얻을 수 있는 장점을 요약하면, (i)어셈블리(assembly) 단가의 감소, (ii)전기적 성능의 향상, (iii)패키징 효율의 향상, (iv)배치제조(batch fabrication)에 의한 대량 생산 가능, (v)파워 손실의 감소, (vi)부피의 감소 및 (vii)무게의 감소 등의 효과를 얻을 수 있다.  임베디드화 기술의 성장요인은 유비쿼터스/디지털 컨버전스 환경에서의 차세대 시스템모듈에 필요한 고밀도화, 고기능화, 고주파특성, 부품신뢰성향상의 요구에 부응하기 때문이다. 임베디드 수동소자는 크게 디지털, 아날로그 및 mixed signal, RF 및 마이크로웨이브 application으로 나뉘어 진다.
수동소자들을 내장하기 위해서는 새로운 설계, 새로운 테스트 시스템, 새로운 제조공정 및 새로운 재료들이 요구된다. 지금까지는 MCM-C(ceramic)와 MCM-D(deposit) 기술을 가지고 내장형 수동소자를 구현하기 위하여 많은 연구가 수행되어져 왔다. 그러나 이러한 기술은 low-temperature cofired ceramics (LTCC)와 high-temperature cofired ceramics (HTCC)과 같은 고온 제조공정을 반드시 거쳐야 하므로 기존의 인쇄회로 기판기술과의 호환성에 있어서 기술적 장벽을 가진다.
이에 따라 최근에 일본의 ToTo, AIST, Fujitsu Lab., 동경공업대학 등에서 상온에서 세라믹 후막을  증착할 수 있는 혁신적인 기술인 aerosol deposition법을 개발하여 현재 다양한 소재와 응용분야를 개척중이며, 이에 본고에서는  차세대 시스템 모듈 사업과 관련하여 이 기술에 대한 이해를 돕고자 간단히 서술하였다.

2. 본 론
  차세대 시스템모듈을 위한 요소기술
차세대 시스템모듈(SoP)을 위한 요소기술은 i)무연 솔더나 새로운 underfill 및 flux 등의 wafer level interconnection 기술, ii)초저손실, 초박형의 유전체 및 초고밀도 배선과 관련된 micro via 및 유전체 기술, iii)유기 또는 복합재료로 구성된 high modulus, low CTE package, iv)유기 또는 무기 소재의 embedded decoupling capacitors, v)내장형 안테나, 필터, 스위치, 인덕터 및 VCO와 같은 embedded RF/IP 부품, vi)wave guide/grating, 광 detector 및 laser와 같은 embedded chip to chip optoelectro
nics, vii)carbon nano tube등으로 만들어진 nano heat transfer materials, viii)ceramic/organic SoP package, ix) 3차원 패키징(3D SoP) 기술 등이다.
이러한 차세대 SoP를 위한 요소기술들 중에서 전자기 기능성 소재 및 공정 기술에 관한 내용을 아래 그림에 나타내었다. 이들을 중 그룹으로 분류한다면 i)low-K, low loss계 RF 재료 및 소자, ii)hi-K, hi-Q, low TCR계의 (embedded) passive 재료 및 소자, iii)low-k, low loss계의 유기 및 무기 기판재료 및 iv)이들 재료 및 소자의 제조공정 및 특성평가 기술이다.

 SoP-C 기술 : 왜 세라믹 제조공정 기반인가?
지금까지의 RF 및 passive 소자가 내장된 module solution은 RF회로내의 수동부품을 복합화한 경우로 기판의 소재에 따라 ceramic계인 LTCC module과 수지계인 organic module로 분류된다. 최근에는 가공성에서 우수한 유기(PCB 등 polymer) 기판에 다양한 RF/passive 소자를 내장화 (embedded) 기술 등으로 집적화하는 연구가 많이 이루어지고 있으며, 이러한 embedded 기술은 향후 시스템 집적화 모듈 및 패키지 (SoP)에서 그 수요가 증가할 것으로 전망된다. 이 경우 RF/MW 용 기능성 소자를 폴리머 기판상에 구현하기에는 고주파 품질계수나 온도계수의 안정성 등이 세라믹 소자에 비해 낮아 실용화에 걸림돌이 된다. 따라서 이러한 내장형 소자(embedd
ed devices)의 고성능화를 위해서는, 적어도 세라믹과 동등 내지는 우수한 특성의 폴리머 재료가 개발되지 않는 한, 폴리머 또는 세라믹 기판상에 세라믹 소재로 된 기능 소자를 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 현재의 세라믹 공정,  LTCC를 포함하는, 기술에서는 기존의 후막공정에 기반을 둔 MCM(mul
ti-chip-module) 기술이 대표적이며, 이 기술은 향후 요구되는 초미세 고해상도 배선, 폴리머 기판 호환성 등 고집적화 회로 및 소자를 구현하는데 한계에 다다랐다.  따라서 이러한 한계를 극복하고자 하는 새로운 세라믹 공정 기술이 필요하며, 이를 기존의 MCM 기술과 차별화 하여 ‘시스템 집적화 대응 세라믹 기술: SOP-C(ceramic)’로 칭하며 차세대 시스템 패키지 기술의 solution으로 제안한다.

상온 기능성 막 증착
  (room-temperature deposition) 기술
다기능 고집적 passive integration을 위한 기능성 막 제조 기술로는 기존의 박막기술(thin film techno
logy), 스크린 프린팅에 의한 후막인쇄기술(thick fil
m screen printing technology)등이 시도되어 왔다. 박막기술의 경우 고진공 및 높은 열처리 온도로 사용되는 기판재료에 제한이 있으며, 후막인쇄법의 경우 낮은 패턴정밀도 및 고온에서의 post-firing 공정 때문에 응용에 제약이 많았다. 따라서 최근에는 이러한 단점을 극복하고자 상온부근에서의 기능성막 형성기술이 주목받고 있다. 그 한 예로서 aerosol depo
sition(AD)법을 들 수 있다. 상온 증착법을 사용할 경우 세라믹 소재의 기판뿐 아니라 폴리머 소재의 적용도 가능한 이점이 있다.
Aerosol deposition(AD)은 충격고화 현상을 이용하여 상온에서 세라믹 막을 형성하는 획기적인 성막기술로서 Fig. 2와 3에 개념도 및 시스템 구성도를 나타내었다. 이것은 진동교반을 한 원료의 건조 세라믹 분말에 압력 가스를 공급하여 만든 에어로졸 (세라믹 미립자와 기체와의 혼합체)을 진공펌프를 써서 감압분위기(50-1kPa 전후)에서 더욱 흐름을 가속시켜 슬릿 형태의 노즐을 통해 기판상에 에어로졸을 분사시켜 세라믹 막을 형성하는 것이다. 원료로 쓰이는 입경 0.05-2㎛인 세라믹 입자를 100-1000
m/s의 유속으로 내보내어 기판 상에 10-30㎛/min 정도의 속도로 상온에서 마이크론 레벨의 막 두께를 가지는 세라믹 막이 얻어진다. (Fig. 4) 이 방법은 증착 시에도 기판부근이 승온이 되지 않기 때문에 플라스틱 등의 수지재료의 표면에도 성막이 가능하다. 또한 원료 미립자가 성막과정에서 분자레벨까지 분해되지 않기 때문에 다성분계의 복합화합물에 대해서도 조성의 시프트가 일어나지 않기 때문에 복잡한 조성의 막을 형성할 수 있다. 더욱이 출발원료가 벌크재료와 동일한 세라믹 분말이기 때문에 벌크재료에 가까운 재료특성(예, 유전특성)을 얻을 수 있는 가능성을 가지고 있다. 따라서 AD법은 차세대 시스템모듈 대응 기능성 세라믹 막의 요구조건을 만족하는 성막 방법이라 할 수 있으며, 고주파 수동소자집적 기판을 개발하는데 있어서 핵심기술이라 할 수 있다. 상온 기능성 막 증착 기술은 일본의 경우 NEDO의 평성 14년도 프로젝트로 ‘나노 레벨 전자세라믹스 재료 저온성형 및 집적화 기술’에서, AIST는 선진프로세서 제조부문의 연구에서 AD 프로세싱에 관한 연구를 하였다.

  상온 세라믹 증착기술의 응용
상온 세라믹 증착기술을 이용한 RF/passive 소자 제작 기술은  일본 동경공업대학의 Dr. T. Tsurumi와 AIST의 J. Akedo 그룹 등 전 세계적으로 소수의 몇 개 기관에서 연구 중이나, 최근 2002년 이후에 다양한 응용 연구가 활발히 진행되는 중이며, 신규 응용 기술인 관계로 아직은 공개 등록된 특허가 그다지 많지 않다. 특히 AD법에 의한 고유전율 세라믹스 막을 상온에서 형성하는 기술은 2004년 12월호  『AI
ST Today』를 통하여 AIST의 J. Akedo 등이 Fujit
su(주) 연구소와 공동으로 세계 최초로 개발한 것으로 공개 발표되었다.
최근에는 AD법을 응용한 상온에서의 특정 소자 제작(예를 들면 BaTiO3막에 의한 capacitor 제작)이나 적용 대상 물질을 달리한 응용소자 제작 등과 같은 다양한 연구가 시도되고 있다.  
Fig. 5는 AD법으로 glass 및 알루미늄 기판 상에 증착한 BaTiO3 및 Al2O3 후막의 미세구조를 나타낸 것이며, Fig. 6은 BTO(BaTiO3)후막의 유전율과 손실 및 P-E curve를 나타낸 것이다. BTO후막의 경우 약 2㎛의 막 두께로 증착되었으며 이때 유전율은 약 200인 것으로 나타났다. Fig. 7은 AIST(Japan)의 J. Akedo 그룹에서 PZT 후막을 ITO glass 기판 상에 형성한 것이며, 이와 같은 선행 연구 결과를 바탕으로 RF/MW응용 소자를 제작한 일례를 Fig. 8에 보여 주고 있다. Fig. 8(a)에서는 기존의 PCB 기판상에 표면실장된 decoupling capacitor (그림 (a)의 상단)를 AD기술을 적용하여 PCB 기판내에 planar형의 내장형 캐패시터 (embedded capacitor)로 제작한 것 (그림 (a)의 하단) 으로 이러한 내장형 수동소자 (embedded passive) 기술을 적용하여 배선길이를 짧게 하고 패키지 면적을 줄임으로써 소형화, 고밀도 및 고성능화를 달성할 수 있다. Fig. 8(b)는 동박(copper foil) 금속기판에 AD법으로 알루미나(Al2O3) 유전체 후막을 증착하고 그 상단에 copper 배선을 도금으로 형성한 microstrip 형태의 10GHz 대역통과 필터(bandpass filter)이며, 이외에 다양한 소재를 적용한 응용 소자 및 부품의 제작이 가능하다.
 

차세대 시스템 모듈에의 응용
지금까지는 상온 후막 증착기술의 하나인 AD 법에 대해 설명하였다. 최근 요업기술원에서는 산업자원부에서 주관하는 차세대 신기술개발사업의 하나인 ‘차세대 패키지 (SoP) 기술개발’ 사업의 세부주관 기관으로서 ‘SoP-C’기술 개발의 주요핵심기술 개발내용으로서 AD법을 기반으로 하는 ‘상온후막증착법 에 의한 기능성 후막제조기술’의 개발을 시작하였다. 이와 관련 해외 유수 기관과의 전략적 공동연구를 수행하고 있으며, 본 연구를 통하여 기존의 인쇄회로기판(PCB) 기술과 세라믹기술(LTCC)이 가진 기술적 한계를 극복하는 새로운 계기가 될 것으로 전망된다.

3. 결 론
다가오는 유비쿼터스/디지털 컨버젼스 사회에 대응하기 위해 고주파 수동소자의 집적화 기술을 기반으로 하는 차세대 시스템 모듈제조기술의 핵심요소기술로서 상온후막 증착법의 하나인 AD법에 대한 관심이 고조되고 있다. AD법은 기존의 반도체 기술 및 LTCC 기반의 세라믹 기술의 소재 및 공정상의 한계점을 극복하고 새롭고 다양한 소재의 적용과 응용 소자 및 부품을 제조할 수 있는 차세대 시스템 모듈 제조의 핵심 기반 기술이 될 수 있다고 전망되며, 특히 상온 내지는 저온에서의 세라믹 후막 증착기술이라는 점에서 앞으로 이 기술의 활용도에 따라 다양한 응용과 부가가치 산업을 창출할 수 있다고 사료된다.

Fig. 1 차세대 SoP 용 소재 및 공정 기술
Fig. 2 Aerosol deposition의 개념도 (자료:동경공업대)
Fig. 3 Aerosol deposition system (자료:동경공업대)
Fig. 4 Aerosol deposition의 원리 (자료:동경공업대)
Fig. 5 AD 법으로 제작한 BaTiO3 및 Al2O3 후막의 미세구조 (자료:동경공업대)
Fig. 6 AD법으로 제조한 BTO후막의 전기적 특성 (자료:동경공업대)
Fig. 7 AD 법으로 제작한 PZT후막 (자료:J. Akedo, AIST)
  Fig. 8 AD법으로 제작한 (a) embedded decoupling capacitor 및 
               (b) 10 GHz microstrip bandpass filter. (자료: 동경공업대, S.M. Nam et al.)