‐시장 및 기술동향

LTCC 개요

LTCC는 alumina 등을 주성분으로 하는 종래의 세라믹 다층기판 (HTCC)이 약 1500℃ 이상의 소성온도를 필요로 하는데 반해, glass계 재료를 첨가함으로써 1000℃ 이하에서의‘저온’소성을 가능하게 한‘세 라믹 다층기술’이다. LTCC 최대의 특징은 소성온도를 저온화함으로써 Ag계 또는 Cu계와 같이 저가이고 저융점인 고전기전도도의 금속을 내층 배선용 소재로 사용할 수 있다는 것이다.(표 1) 또 glass계 재료를 첨가함 에 따라 전자기적 특성이 다소 열화되기는 하지만 고유전율∙저유전손 실∙고열전도∙Si과 유사한 열팽창계수 등 수지계 다층기판기술에서는 얻을 수 없는 HTCC 고유의 특성을 유지한다.(표 2) 따라서 LTCC에서는 수지재료를 이용하는 다층기판에 비해 고기능인 수동소자들을 보다 소형 으로 구성할 수 있다. 특히 열팽창계수가 Si과 유사하여 bare-chip의 실 장에 효과적이며 열전도도가 높아 이상적인 반도체 실장기판으로 활용될 수도 있다. 그림 1은 일반적인 LTCC 제조공정이다.

LTCC 제품 및 수요분야

LTCC 제품은 모듈 제조용 LTCC 기판, LTCC 기판과 도체재료만으로 LTCC 기술 및 시장동향

LTCC의 현재

‐시장 및 기술동향

LTCC(저온 동시소성 세라믹)는 고기능성, 고신 뢰성인 회로기판을 실현할 수 있는 기술이다.

1990년을 전후한 시기에 개발된 당시에는 다양 한 용도에서의 개발∙보급이 기대되었으나 수 퍼컴퓨터용이나 항공우주용과 같이 특별한 신 뢰성이 요구되는 분야에만 제한적으로 사용되 었을 뿐, 기존의 수지 다층기판이나 HTCC (고 온 동시소성 세라믹)에 가려 그 시장이 기대했 던 것만큼 확대되지는 않았다. 그러나 근래 들 어 이동통신시장이 폭발적으로 확대됨에 따라 고주파 아날로그회로의 소형화∙저가격화∙고 기능화를 실현해내는 가장 강력한 수단으로써 LTCC 기판∙부품∙모듈이 폭넓게 활용되고 있다. 향후에도 이러한 LTCC 제품들은 무선 인터페이스(wireless interface)를 중심으로 수 차례의 기술적 break-through를 거치면서 보 다 고부가가치인 제품 위주의 방대한 수요를 창출할 것으로 예상된다. 본고에서는 이와 같은 잠재력을 지닌 LTCC의 개요, 제품, 수요분야, 시장동향, 제조업체, 기술개발 동향 등 현재 상 황을 분석해본다. (단, MLCC나 MLCI와 같은 단일기능의 세라믹 적층 칩부품도 광의의 LTCC로 볼 수 있으나 그 기능의 복합화와 관 계없이 독자적으로 매우 큰 시장을 형성하고 있으므로 본고에서는 논외로 하기로 한다.)

글 : 김병국 책임연구원/ 한국과학기술연구원 (KIST) 재료연구부

bkkim@kist.re.kr

110

R ^eport

Special Report

pecial

S

표 1. HTCC와 LTCC

HTCC LTCC

기판재료 Al2O3계 세라믹 전자기 기능성 세라믹 ＋ glass

소성온도 > 1500℃ < 1000℃

비유전율 ~ 10 4 ~ 100

도체재료 W/Mo계 고융점 Ag/Cu계 저융점

∙고저항 재료 ∙고전기전도도 재료

LTCC의 현재 ‐ 시장 및 기술동향

구성되어 L 또는 C의 단일 기능을 구현하는 LTCC 부품, 이러한 LTCC 부품 복수의 기능을 내장하여 일체화시킨 LTCC 복합모듈 등 크게 세 부류로 나눌 수 있다. 현재 휴 대폰용 PA 모듈 기판, 광픽업 중첩모듈 기판, 차량용 ECU 기판, CDMA/AMPS용 SAW 듀플렉서(duplexer) 기판 등 과 같은 LTCC 기판, band pass filter, low pass filter, balun, 디플렉서(diplexer), 커플러(coupler), 마이크로 안 테나(micro-antenna) 등과 같은 LTCC 부품, TDMA 멀 티밴드(multiband) 용 FEM, Antenna＋BPF, PDC/W- CDMA용 RX 모듈 등과 같은 LTCC 모듈이 양산되고 있 다.(표 3) 이들 LTCC 제품의 주된 수요분야는 휴대전화를 중심으로 한 무선 인터페이스(wireless interface), 차량용 ECU, MD/CD-RW 드라이브 등의 광픽업 레이저 발진/

노이즈 저감용 중첩모듈 등이다.(표 4)

LTCC 시장동향

전술한 LTCC 제품들의 2002년 세계시장은 총 19억개, 1조2,000 억원 규모이다. 이하에서 각각의 시장동향을 분 석한다. 현재 양산되고 있는 LTCC 기판은 대부분 이동통 신용 PA 모듈과 차량용 ECU의 제조에 소요된다. ECU용 기판은 그 특성상 수요가 급증하기는 매우 힘들지만 2001 년의 세계적인 경기침체에도 불구하고 안정적인 증가 추세 에 있으며(2000년에는 1,800 만개, 3000억원 규모, 2001 년에는 2,000 만개, 3,100억원 규모), PA 모듈용 기판은 GSM에 수지기판을 사용하는 부품의 비율이 늘어남에 따 라 그 수요가 큰 폭으로 줄고 있다. (2000년 3억개, 1,000 억원, 2001년 2억개, 600억원)

현재 양산되고 있는 LTCC 부품은 무선 인터페이스 용의 balun, 디플렉서, 커플러, band pass filter, micro- antenna 등이 있다. GSM이 듀얼(dual)화 됨에 따라 급속 도로 수요가 확대된 balun, 디플렉서, 커플러 등과 GSM, DECT, PHS, PCS TDMA의 고주파측(1.8 / 1.9GHz)에 사 용되는 band pass filter 및 PDC에 사용되는 diversity antenna 등이 2000년에 17억개, 3,800억원 정도의 시장

111

특성 다층기판기술 수지계 HTCC LTCC

미세배선 ○ △ △

실장성 bare-chip과의 matching × ○ △ mother-board와의 matching ○ △ △

환경의존성 온도특성 × ○ ○

내습성 × ○ ○

삽입손실

도체손실(배선) ○ × ○

(저소비전력) 유전체손실(기판) × ○ △

계 × △ ○

C △ × ○

수동부품내장 L △ × ○

공진기(filter) △ × ○

소형화 수동부품 주체 △ △ ○

반도체 주체 ○ × △

가격 ○ △ ×

표 3. LTCC 제품의 분류

LTCC 기판 LTCC 부품 LTCC 모듈

휴대폰용 PA모듈 기판 filter(BPF, LPF) TDMA multiband용 FEM 광픽업 중첩모듈 기판 balun Antenna＋BPF 차량용 ECU 기판 diplexer PDC/W-CDMA용 RX모듈 CDMA/AMPS용 coupler

SAW duplexer 기판 micro-antenna

Powder Paste Sheet Cutting Via

Cavity

Punching Stacking Pressing

Outer Electroding

Substrate/

Component

Solder Paste

Reflow

Soldering Breaking Casing/

Marking Module Inner

Electroding

Cofiring

Flip Chip Mounting

Grooving

SMD Mounting

그림 1. LTCC 제조공정

112

이 형성되었다. 하지만, GSM의 듀얼 밴드(dual band) 기 기에 사용되는 balun의 기능을 가진 밸런스(balance)형 SAW 필터 및 디플렉서를 일체화시킨 PA 모듈과 FEM 등 이 개발됨에 따라 무선 인터페이스 용의 LTCC 부품 수요 는 감소추세에 있다.(2001년 12억개, 2,400억원) 단, 2003 년 이후에는 근거리 무선통신기술의 본격적 전개에 따라 수 지기판을 사용하는 블루투스(bluetooth) 모듈의 구성에 필 수적인 band pass filter와 balun 및 antenna 등에 대한 수요회복이 기대된다.

2000년부터 본격적으로 출시되기 시작한 FEM, RX 모 듈, APC＋coupler 모듈, 광중첩 모듈 등과 같은 LTCC 복 합모듈은 2001년 세계적인 경기 침체에 따라 그 수요가 다 소 감소하였으나(2000년에 3억6,000 만개, 4300억원 규 모, 2001년에는 3억3,000 만개, 3,300억원) PDC용 필터, LNA, 믹서, balun 등을 복합일체화한 RF 모듈이 출시되 는 등 기술적으로는 큰 발전이 있었다. LTCC 부품 및 기판 이 LTCC 모듈로 복합일체화되는 기술발전의 흐름은 향후 한층 심화될 것으로 전망됨에 따라 커플러, balun 등의 LTCC 부품을 기판 내에 구현하여 FEM으로 일체화하고, 한 걸음 더 나아가 이러한 LTCC 복합모듈에 반도체 bare chip을 실장하거나 SAW 디바이스 등의 기밀봉지를 실현 하는 LTCC 패키징 기술을 확보할 필요성이 강력히 대두되 고 있다.

LTCC 제조업체

본고에서는 LTCC용 소재 제조업체들, 즉 Dupont, Heraeus, Ferro 등과 같이 LTCC용 tape이나 paste를 생 산∙판매하는 업체들은 논외로 하고, 소성공정에 입각해서 LTCC 기판/패키지, LTCC 부품, LTCC 모듈 등을 양산하 고 있는 LTCC 제조업체들을 알아본다.

표 5는 LTCC 제조공정에 따른 주요 LTCC 제조업체들 의 분류이다. LTCC 기판만을 생산∙공급하는 A형에는 일 본의 Sumitomo, Kyocera 반도체 사업본부 및 대만의 ACX 등과 같은 기판/패키지 제조업체들이 있다. Kyocera 반도체 사업본부는 반도체의 alumina package assembly 사업도 수행하고 있지만 자사 브랜드로는 출시하고 있지 않 으며 LTCC 기판 어셈블리에 관해서는 실적이 잡히지 않고 있으므로 A형으로 분류될 수밖에 없다. 이 부류의 업체들 은 단순히 반도체나 모듈 제조업체에 기판/패키지를 공급 하는 사업구조를 갖고있기 때문에 LTCC 시장에서의 능동 적인 전개를 모색하기는 어려워 보인다.

한편, LTCC sheet를 공급받아 LTCC 부품 및 모듈을 생 산하는 B형에는 일본의 Mastushita, Soshin, 미국의 Thales, CTS, EPCOS, NS 등과 같은 고주파부품 제조업 체들과 BOSH와 같은 차량용 ECU 제조업체들이 있으며 고부가가치화를 위해 LTCC 부품보다는 LTCC 모듈의 개 발∙생산에 주력하고 있다.

기판재료를 독자적으로 개발∙제조해서 기판, 부품은 물론 모듈까지 모든 LTCC 제품을 생산하는 C형에는 Murata, Kyocera, TDK, MACO, Hitachi, NTK 등 일본의 종합 세라 믹 전자부품 제조업체들이 있다. 상기 메이저 3사(Murata, Kyocera, TDK)의 2001년 LTCC 세계시장 점유율은 수량 기준 88%, 금액 기준 57%로 전세계 부품시장을 장악하고 있다. 향후에는 기능의 복합화 및 반도체와의 일체화가 한 층 가속되어‘모듈’이 LTCC 제품의 주역이 될 것이며 이 러한 모듈화 기술은 balun이나 BPF와 같은 단일기능의 LTCC 부품 제조기술의 노하우에 기초한다는 점에서, 앞으 로도 이러한 C형의 종합 세라믹 전자부품 제조업체들이

R ^eport

Special Report

pecial

S

applications LTCC 제품 LTCC 기판 LTCC 부품 LTCC 모듈

wireless cellular/PHS ○ ○ ○

interface bluetooth/WLAN ○ ○ ○

GPS △ × △

automotive ECU × ○ ○

optical pickup × △ ○

optical CPU × × ×

TX/RX △ △ ×

computer CPU/interface × △ △

others △ △ △

표 4. LTCC 제품의 수요분야

LTCC 시장을 주도하는 역할을 할 것으로 예상된다. 구미 에서는 이러한 C형의 업체들을 찾아볼 수 없으나 최근 들 어 LTCC 시장에 신규로 참여하는 한국의 삼성전기, 삼화 콘덴서와 대만의 Darfon, Phycomp, Seng-Tong, Emtac 등 아시아 기업들도 소재 레벨부터 모듈까지의 소 재∙공정기술 독자성을 확보함으로써 LTCC의 고부가가치 화를 시도하고 있다.

LTCC 개발동향

LTCC 기술은 1000℃ 이하, 바람직하기로는 950℃ 이하 에서의 동시소성이 가능한 세라믹＋glass계＋전극 소재시 스템 기술과 이 소재시스템을 이용하여 고정밀도의 적층회 로기판을 성형∙인쇄∙소성하는 공정기술 및 회로설계기술 로 구성된다.

LTCC 선진사에서는 2GHz에서 Q가 4000이며 비유전 율이 19인 소재 및 3GHz에서 Q가 1300이며 비유전율이 86인 소재 시스템을 개발하여 FEM, micro strip line의 공진기로 구성되는 band pass filter 및 chip antenna를 양산하는 등 낮은 송신삽입손실을 실현하고 대용량의 콘덴 서를 필요로 하는 과전류 보호회로를 내장할 수 있는 고유 전율 및 고Q의 LTCC 소재 시스템 개발에 박차를 가하고 있다. 또 기존의 중∙저유전율이며 고Q인 LTCC 소재 시스 템 개발도 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 뿐만 아 니라 CDMA 등에 사용되고 있는 자성재료를 이용한 isolator 를 LTCC 모듈로 일체화할 수 있도록 LTCC와 동시에 적층이 가능한 자성재료도 개발 중에 있어 LTCC 소재시스템의 다양 화가 급속하게 진행되고 있다. 다양한 LTCC 소재시스템은 보다 대용량의 콘덴서 및 고특성의 필터 또는 지금까지 실 현이 불가능했던 다양한 기능을 LTCC 내에서 구현할 수 있게 할 뿐 아니라 제품설계나 제조공정을 용이하게 하여 적층수를 저감시키거나 회로를 소형화할 수 있게 한다. 그 러나 이와 같이 다양한 소재시스템을 활용하여 LTCC의 복 합기능화를 실현하기 위해서는 이종재 적층이라고 하는 새 로운 적층∙소성 공정과 이를 활용하는 설계기술이 개발되

어야 한다.

향후의 LTCC 제품 개발에 있어서 반드시 주목해야 하는 기술이 alumina 판 또는 LTCC의 소성온도에서 수축∙팽 창하지 않는 금속판 사이에 LTCC sheet의 적층체를 위치 시킨 후 소성함으로써 두께 방향으로만 수축이 일어나게 하 는 일종의 constrained sintering인「무수축소성공정」이 다. 일반적인 수축소성공정의 치수정밀도는 ±0.5% 정도 이지만 무수축소성공정의 경우 ±0.05% 정도의 치수정밀 도와 5㎛ / 4㎜ 정도의 표면 평탄성을 확보할 수 있어 bare chip이나 0603 chip 부품 등의 실장이 가능하게 되는 등 파급효과가 지대하다. 현재 고급 차량에 탑재되는 ABS ECU용 기판, PA 모듈용 기판이나 디지털 카메라의 ASIC 용 CSP 등이 이러한 공정기술을 활용하여 연 2,000 만개 이상 생산되고 있다. 특히 이 무수축소성공정은 LTCC 고 기능화의 관건인 이종재 적층을 실현하는 방법으로써 효과 적으로 활용될 수 있다. 현재 VCO나 TCXO의 패키지 및 FEM과 같은 RF 고주파 부품의 제조에 실제 적용되고 있 으며 RF 고주파 제품의 시장확대에 따른 LTCC의 다양화 및 고기능화와 더불어 무수축소성공정은 그 중요성이 더욱 부각될 것으로 보인다.

맺음말

향후 LTCC의 기술적 과제는 수동기능의 복합기능화 및 반도체 패키징 간의 융합이다. 축적된 기존기술 및 새로운 기술혁신을 통하여 고부가가치 제품을 개발함으로써 향후 연 20% 대의 성장이 예상되는 LTCC 시장에 능동적으로 대처할 필요가 있다.

LTCC 제조공정 업체 형태

Powder → Paste Sheet Stacking → Cofiring

Assembly 표 5. LTCC 제조업체

113

A형

Sumitomo Kyocera(반)

ACX

-

B형 - Thales CTS

EPCOS Mastushita

BOSH NS

C형 Murata Kyocera TDK MACO Hitachi NTK