고주파용 저온 동시소성 세라믹 재료(LTCC) 기술의 진보와 그 응용에 대하여
전문연구위원 오 창 섭
1. 기술의 개요
□ 최근 휴대기기의 보급과 카메라가 부착된 휴대전화의 보급이 증가함에 따라 고 기능의 소형부품이 요구되고 있다. 이러한 제품을 제조하기 위 한 방법으로 저온 동시소성 세라믹(LTCC) 기술을 이용한 고주파 회로 의 모듈화가 휴대전화를 중심으로 보급이 확대되고 있다. 또한 적층필 터와 인덕터(inductor) 등의 고주파 부품으로서 활용으로도 크게 확대 되고 있으며 이에 대한 수요도 점점 증가하고 있다.
□ LTCC 기술의 보급과 그 응용 분야의 확대는 고주파 부품과 모듈기판 에 사용되는 LTCC 재료도 초기의 유리복합재료에서 그 기능성을 높이 기 위한 결정화유리 및 세라믹계 재료 등 다양한 소재가 이용되고 있 다. Kawamura와 Inoue는 LTCC 기술이 진행되어 온 과정을 간단하게 설명하고 LTCC 재료에 대한 각 특성을 기술한다. 또한 이런 재료를 사용한 고주파 적층부품에 대해서 제품을 중심으로 그 특징을 기술하 였다.
２. 기술의 내용
□ LTCC 기술의 역사적 배경과 고주파로의 응용
○ LTCC 기술의 초기
- LTCC 기술의 초기 양상은 1980년대에 개발된 슈퍼컴퓨터용의 다 층 배선 기판과 메모리칩의 고밀도 배선기판에 사용되었다. 900℃
전후에서 소성 가능한 재료가 컴퓨터 제조회사 및 세라믹 계통의 전자부품 제조회사에 의해 1983년경에 실용화되었다. Taiyokoden 사는 수지계의 고밀도 기판을 개발하였으며 다층 배선기판을 세라 믹 다층으로 하는 고밀도 배선기판의 기술로 LTCC 기술을 이용한
고밀도 배선기판을 제조하였다.
○ 수지계 고밀도 배선기판의 보급
- LTCC 기술은 고밀도의 배선기판을 제조하는 주요한 기술이지만 제 조 경비가 높기 때문에 일반에까지 널리 보급되지는 못하고 있다.
저경비의 고밀도 배선기판기술로는 FR-4 다층 배선판상에 형성 (build up)층을 설치하는 수지계의 형성 기판이 1992년경에 일본 IBM에 의해 개발되어 수지기판에서 반도체의 칩 설치가 용이하게 되었다.
- 최근에는 형성 배선기판에 IVH를 기판 표층에 배치할 수 있도록 기 판 내의 모든 층에서 IVH를 형성할 수 있는 수지기판이 개발되어 배선기판의 고밀도가 급속히 진행되고 있다. 이러한 수지 계 배선기 판의 진전에 의해 현재 자동차용으로 이용되면서 고밀도 기판으로 수지기판의 이용이 점점 확대되고 있다.
○ 고주파 제품으로의 전개
- 고밀도 기판의 실용화가 어려웠던 것을 낮은 저항의 Ag, Cu 등의 재료를 정밀하게 입체 배열로 할 수 있고 수지기판재료는 고주파 특 성이 좋은 것을 이용하여 1990년경에 마이크로파에 사용된 적층 공 심(空芯) 인덕터와 적층필터 등에 그 이용이 확대되었다.
- 또 마이크로파 대의 필터재료로서는 고유전율의 마이크로파 유전체 재료로 알려진 BaO-Nd2O3-TiO2계 유전체재료로 저온 소성한 재료 가 개발되어 LTCC 재료의 다양화가 추진되고 있다.
- 고주파 회로모듈은 안테나 스위치모듈, 플로트 엔드모듈, 블루투스 모듈 등의 수동소자 내장 고밀도 배선기판에 그 수요가 급증하고 있 다. 지금부터 약 20년 전 슈퍼컴퓨터용의 고밀도 배선기판을 위한 기술로 개발된 LTCC 기술은 고주파 수동소자 및 고주파 회로용 고 밀도 배선기판 기술에 다시 각광을 받고 있다.
□ 고주파용 LTCC 재료에 요구되는 재료의 특성
○ 유전율과 온도 관계
- 고주파 특성 인자로는 유전율, 유전율의 온도 계수, 재료 Q의 3가지 가 있다. 유전율은 제품 설계 응용에 필요하다. 예를 들면 고주파용 의 인덕터는 자기공진주파수를 높이기 위하여 가능한 작은 값이 요
구되는데 유전율 5 정도의 재료가 사용되고 있다. 한편 적층필터의 경우는 소자 내에 형성한 공진기의 상태를 작게 하는 것이 재료의 유전율을 높일 수 있어 공진기 20~90 정도의 재료가 사용되고 있다.
유전율의 온도오차는 필터 등 공진소재에 사용하는 경우 제품특성에 따라 ±50ppm/℃ 정도로 조절할 필요가 있다.
○ 재료 Q
- 고주파에 사용하기 위한 재료 Q는 높은 것이 바람직한데 그 필요한 정도는 용도에 따라 크게 다르다. 인덕터와 안테나에서는 재료 Q의 영향이 비교적 작은데 공진기를 소자 내에 만들어 넣은 적층 필터 등에서는 재료 Q가 삽입 손실 등에 크게 영향을 미친다. 또 배선기 판에서도 mm파대 등 주파수가 높은 영역에서는 재료 Q의 영향을 크게 받는 경우가 있다.
○ 5㎓ 2단 적층 BPF의 재료 Q와 삽입 손실
- 적층 BPF에서 재료 Q와 삽입손실을 시뮬레이션하였다. 이때 도체의 전도율을 무한대로 하여 재료의 영향을 평가하였다. 회로설계에서도 재료 Q의 영향이 큰데 일반적으로 재료 Q가 200 이하의 경우에서는 필터의 삽입손실이 크게 떨어진다.
○ 고주파 회로모듈기판
- 전송손실과 재료 Q의 관계를 시뮬레이션 하였다. 이 때에도 도체의 도전율을 무한대로 하여 평가하였다. 사용 주파수가 2㎓ 정도에서는 송전선로에서의 손실에 대한 재료 Q의 영향이 적고 일반적으로 LTCC 재료인 유리복합재료의 Q는 200 정도면 충분히 사용할 수 있 다. 그러나 50㎓ 정도의 mm파대에서는 재료 Q의 영향을 크게 받는 다. 밀리미터 파대에서는 필터와 같은 사용 주파수대에서 Q≥1,000 으로 하는 것이 바람직하다. 또 적층필터를 기판 내 내장한 배선기 판에서는 2㎓ 전후의 마이크로 파대에서도 1,000 이상의 Q값이 바 람직하다.
□ 고주파 적층부품용의 LTCC 재료
○ 유리복합재료
- LTCC 기술 초기부터 유리복합재료가 LTCC용으로 사용되었다. 90
0℃ 정도로 소결한 유리에 필터로 알루미나 입자를 30~50wt%로 분 산시킨 재료이다. 소결 단면의 예로 SiO2-B2O3-Al2O3-BaO-LiO계 유 리와 Al2O3 필터 등이 있다. 유전율은 대체로 6~9, Q값은 150~300 전후이고 항굴절 강도는 150~200㎫ 정도가 일반적이다. 산화물을 원 료로 해서 고상반응으로 재료를 합성하는 방법도 있다. LTCC 재료 의 문제점은 고주파 영역에서 Q값이 낮고 굽어지는 강도가 낮은 것 으로 이것이 해결하여 할 과제이다.
○ 결정화 유리재료
- 고주파의 분야에서 LTCC의 장점을 살리려면 Q값이 높고 유전율이 높은 재료를 개발하는 것이 필요하다. 이런 목적을 만족하는 재료로 서 여러 가지 결정화 유리재료의 개발이 진행되고 티탄산네오디뮴 (Nd2Ti2O3)계 결정화 유리재료와 CaMgSi2O6계 결정화 유리재료의 2 종류가 개발되고 있다.
- Nd2Ti2O3계 결정화 유리재료는 유전율 향상을 위한 것으로 유전율 은 기존의 유리복합재료보다도 높은 18 전후의 값이 얻어진다. 또 CaMgSi2O6계 결정화 유리재료는 유전율 8 정도로 Q값 개선을 목적 으로 하는 것으로 마이크로 파대에서 2,000 정도의 높은 Q값이 얻어 진다.
- 결정화 유리재료는 전기적 특성의 장점이 있는데 Ag를 내부 도체 로 사용할 경우에는 Ag의 확산이 소결과 결정화에 미치는 영향을 충분히 파악할 필요가 있다. Ag의 존재 하에서는 소결이 약 20℃
증진된 것도 있다. 또 결정의 석출에도 영향을 받는데 소자 내에서 소결 진행 속도가 달라지는 것이 확인되었다. 결정화 유리의 이용에 서는 Ag와 동시소성에 의한 소결체의 전기특성 등에도 주의해야 할 필요가 있다.
○ 세라믹계 저온소성재료
- 세라믹분말을 유리격자 등 저온소성보조제를 이용하여 900~950℃
에서 저온소성하면 Ag, Cu 등의 저 저항재료와 동시 소성이 가능한 재료가 만들어진다. 유리복합재료는 Al2O3 필터를 900℃ 전후로 소 성한 유리 중에 분산시켜 미세구조를 만든 것이다. 세라믹계의 저온 소성재료의 경우 소성 시에 액상의 유리 프리트(frit), ZnO, CuO 등 을 소량 첨가하여 세라믹재료가 액상성분으로 저온소성이 가능하도 록 한다.
- BaO-NdO3-TiO2계 유전체재료를 ZnO, CuO, B, Li 등의 액상성분에 의해 Ag(융점 960.5℃)와 동시소성이 가능한 920℃에서 소성한 재료 의 소결체 표면을 SEM으로 관찰하였다. 표면이 결정상이기 때문에 첨가된 액상성분은 SEM으로는 판별할 수가 없었다. 또한 내부 구조 관찰에서 유리복합재료에 아직 유리매트릭스는 관찰되지 않았다.
- BaO-Nd2O3-TiO2계 LTCC 재료는 900℃ 전후의 소성온도로 유전율 ε
=80~90, 마이크로파대의 Q값은 500~1,300의 재료가 실용화되고 있 다. 또 유전율 ε=38의 BaTi4O9 및 CaMgSi2O6 등의 유전체 재료가 같은 방법으로 저온 소성화가 된다.
- 세라믹계의 LTCC 재료는 유리성분을 포함하지 않은 재료로 유전율, Q값 등의 특성을 유지하는 우수한 재료인데 액상생성성분으로 첨가 된 B, Li, Cu, Zn 등의 산화물은 내약품성이 낮다는 문제점이 있다.
내약품성 향상을 위한 재료의 조성과 표면처리기술에 대한 연구가 더욱 필요할 것으로 생각된다.
□ 고주파 디바이스의 적용 예
○ 휴대기기의 소형화 등으로 고주파 디바이스는 얇고 작은 것이 요구 되고 있다. 용도와 목적에 따라 각종 유전율의 재료를 이용하여 여러 가지 필요한 상품이 만들어지고 있다. 유전율이 높은 재료는 주로 분 포정수 회로계 디바이스에 이용되고 유전율이 낮은 재료는 집중정수 회로계 디바이스에 사용되고 있다.
○ 분포 정수 형 적층 필터의 적용
- 분포정수형 적층필터는 공진기의 Q를 높이고 소형화하는 기술이 중 요하다. 공진주파수에서는 재료의 유전율은 높고 공진기에 필요한 선로 길이는 짧다. 즉 제품의 형태와 크기에 따라 공진기의 길이가 유전율의 1/(εr)0.5로 짧아지며 이것을 소형화에 활용할 수 있다.
- 그 외에 부가회로에 의해 소형화될 수 있는데 그 경우에서도 유전 율이 높은 것이 유리하다. 또한 공진기의 Q값은 재료 Q와도 상관이 있는데 재료 Q를 향상시키기 위해서는 삽입손실을 개선하고 LTCC 재료의 유전율과 Q를 높일 필요가 있다.
- E=85의 BaO-Nd2O3-TiO2계 LTCC 재료를 이용한 적층필터의 형 태는 초기 유리복합재료(E=7~8)를 사용한 적층필터에서는 외형 크 기가 4.5×3.2㎜인데 비하여 유전율이 높은 BaO-Nd2O3-TiO2 계의
재료를 사용하여 현재는 2.0×1.25㎜까지 소형화가 추진되고 있다.
○ 집중정수형 적층필터로의 적용
- 집중정수형 적층필터는 주로 인덕터, 커패시터로 구성되어 있는데 인덕터 부분에서는 부유용량으로 자기공진주파수가 저하되는 것을 방지하기 위하여 유전율이 낮은 재료를 이용할 필요가 있다. 커패시 터 부분에서는 유전율이 높은 재료를 사용하는데 현재는 특히 인덕 터의 특성을 고려하여 유리복합의 유전율이 낮은 재료를 이용하고 있다.
- 디플렉스(diplex)는 LPF, HPF로 구성되어 있고 각각의 필터는 인버 터와 커패시터를 다수 사용한 회로로 구성되어 있다. Taiyokoden사 는 다수의 인버터, 캐퍼시터를 LTCC 기술로 한 칩 내에 집적하여 2
㎜×1.25㎜ 최대 높이 1㎜의 소형 디플렉스(diplex)를 제조하였다.
３. 결 론
□ 이종재료의 동시소성
○ 고주파 부품을 소형화하고 기능을 높이기 위해서는 칩 및 기판 내에 형성된 스트리프 라인 공진기, 인덕터, 커패시터 등에 내장되는 소자 를 소형으로 하고 특성을 향상시켜야 한다. 고기능의 소자를 효율적 으로 집적하기 위해서는 특성이 다른 재료를 동시에 소성하는 동시 소성기술의 개발이 중요하다.
□ 밀리파대(㎜ 波帶) 응용에 대하여
○ 휴대기기의 보급 확대는 그 이용 주파수 상승이 예상된다. 특히 밀리 파대에 있어서는 자동차용을 중심으로 레이더, 자동차 간의 통신, 노 상의 자동차와의 통신으로 그 용도가 확대되고 있다. 밀리파대의 통 신모듈의 기술로 LTCC의 검토가 진행되고 있다. 밀리파의 영역에서 는 마이크로파대 이상으로 재료 Q의 개선이 요망되고 재료개발 측면 에서도 향후 재료 Q값의 향상과 분체의 미세화 등의 개선이 필요하 다.
◁전문가 제언▷
□ 저온 동시소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic : LTCC)은 고주파 통신용 수동소자 등에 적용되고 있다. 보통 회로를 만들 때 기 판은 기판대로 만들고 그 위에 금속을 입히는 방식이 일반적이지만 이 런 방법은 집적화에 문제점이 많기 때문에 새로운 기술인 LTCC기술이 개발되었다. LTCC는 저온에서 금속과 세라믹 기판을 동시에 소성하는 공정기술 및 제품제조기술이다.
□ 기존의 고온소성법(HTCC)은 특성상 Pt, Pd 등의 고가 금속을 이용해 야 하는데 이 금속들은 가격도 비싸고 전송 손실이 크다는 단점을 가 지고 있다. 그러나 유리 계열이나 그것을 섞은 형태의 세라믹을 사용 하면 800~1,000℃ 정도에서 금속을 입힌 기판들을 압착 소성시킬 수 있으며 고주파에서 특성도 좋다. LTCC 방법을 이용하면 박막 다층 회 로 구성이 가능한데 특히 인덕터(inductor)와 같이 큰 소자를 만드는데 편리하게 이용될 수 있다.
□ 최근 휴대기기와 카메라가 부착된 휴대전화의 이용이 확대됨에 따라 고 기능화와 고주파 회로 부분의 소형화가 요구되고 이러한 요구에 따라 LTCC 기술을 이용한 고주파 회로의 모듈화가 휴대전화를 중심으로 보 급이 확대되고 있다. LTCC 기슬의 보급에 따라 고주파 부품 및 모듈 기판에 사용되는 LTCC 재료도 유리복합재료에서 결정화유리 및 세라 믹계 재료로 다양해지고 있다.
□ 여기에서는 LTCC 개발의 과정을 설명하고 고주파 분야에서 다양하게 그 사용이 확대되고 있는 저온 동시소성 세라믹재료에 대한 각 특성과 이러한 저온 동시소성 세라믹 재료를 사용한 고주파 적층부품에 대해 서 그 특징을 설명하고 있다. 고 기능의 소자를 효율적으로 집적하기 위해서는 서로 다른 특성의 재료를 동시에 소성하는 기술개발이 중요 하다. 또한 새로운 고 성능의 재료 개발을 위해서는 분체의 미세화 등 의 개선을 위한 연구도 필요하다.
