저온동시소성 세라믹(LTCC) 기술과 그 응용
저온동시소성 세라믹(LTCC) 기술과 그 응용
무선통신 시장의 급격한 신장에 따른 마이크로파 응용의 증가는 시스템 내에서 인터커넥트와 패키지 기술에 대한 많은 변화를 요구하게 되었다. 무선 장비의 대부분은 종래의 인쇄회로기판을 사용하면서 고주파수 특성에 대한 요구에 대응하여 왔으나 점차로 기술적, 상업적인 측면에서 한계에 도달하고 있는 실정이다. 본 고에서는 이런 문제에 대한 새로운 해결책으로 개선된 특성과 비용절감의 이득을 제공하는 LTCC 기술에 대한 소개와 그 응용에 대해서 알아본다.
I. 머리말
휴대용 전자기기의 소형화와 비용절감을 위한 노력이 경주되면서 필연적으로 이들을 구성하는 수동소자들의 집적화에 대한 관심과 연구가 활발히 진행되고 있다. 능동기능의 소자들은 거의 대부분 실리콘 기술에 기반을 둔 고밀도 집적회로로 통합이 이루어지면서 단지 몇 개의 칩 부품으로 구현되고 있지만, 반면에 수동소자(저항기, 커패시터, 인덕터 등)의 집적화는 거의 이루어지지 못하여 개별 소자가 회로기판 상에 납땜 등의 방법으로 부착되고 있는 실정이다. 따라서 전자기기의 소형화와 이들 수동소자의 성능 향상 및 신뢰성을 증진시키기 위한 수동소자의 집적화 기술에 대한 요구가 날로 증대되고 있으며, 이런 문제를 해결할 수 있는 한가지 방법으로 저온동시소성 세라믹(Low Temperature Cofired Ceramics: LTCC)을 이용한 집적화 기술이 현재 활발히 연구되고 있다. 본 고에서는 LTCC 기술에 대한 소개와 이를 이용한 응용에 대해 논의하고자 한다.
II. LTCC 기술의 소개
지난 수년간 소형화 및 고기능화를 원하는 소비자 요구를 만족시키기 위해 급속히 진행되어온 무선통신 기기의 발전추세는 더욱 다양한 기능을 작은 부피에 구현하는 일, 더 높은 RF 주파수 대역의 사용, 그리고 회로 및 기능의 집적화 라는 측면에서 특징지울 수 있다. 여기에 덧붙여서 저가격의 구현을 위하여 디자이너들은 저렴한 비용의 제조 및 조립공정 그리고 시험기술에 대한 요구를 느끼게 되었다. 이런 배경에 따라 특히 수동소자의 집적화에 대한 요구가 높아지게 되었고 이를 실현할 수 있는 방법으로 떠오른 것이 LTCC 기술이다.
LTCC 기술이란 테이프 캐스팅(tape casting)의 방법으로 제조된 후막(수십~수백㎛의 두께) 형태의 세라믹 유전체와 여러가지 회로요소를 구현하기 위한 전도성 금속 페이스트를 이용하여 여러 층의 적층형 소자를 제조하는 기법으로서, 이런 적층형 소자 내부에 각종 수동소자를 모두 포함시킬 수 있고 나아가 능동소자도 함께 실장 할 수 있다. (그림 1)에 LTCC 기술을 이용한 수동소자 및 능동소자의 집적 모듈의 구현 예를 나타내었고, (그림 2)에는 LTCC를 이용한 적층구조를 나타내었다.
실제로 고밀도의 미세 전자회로를 구현하기 위한 대안으로 종래에 사용되던 고온동시소성 세라믹(High Temperature Cofired Ceramics: HTCC) 기술은 고온에서 소성되는 알루미나(96% Alumina, Al2O3) 기판 위에 내열금속을 이용하여 밀폐된 패키지를 구현할 수 있었다. 그러나 텅스텐 혹은 몰리브덴 등의 내열금속의 사용은 큰 저항 때문에 손실이 커지는 점과 이들 내열금속의 부식방지와 후공정에서의 금속 연결을 위해 피막을 입혀야 하는 문제 그리고 이들 금속의 산화를 방지하기 위해 환원분위기에서 소성이 이루어져야 한다는 단점이 있었는데, 이런 문제들이 LTCC 기술에서는 거의 극복될 수 있다. 즉, LTCC 기술에서는 금(Au) 혹은 은(Ag)과 같은 전도성이 우수하고 산화분위기에서도 소성이 가능한 전도성 금속을 사용할 수 있다는 장점으로 인해 저항기, 커패시터, 인덕터 등의 다양한 수동소자를 구현하는 것이 용이하다. 이런 배경에 따라 현재 LTCC 기술은 크게 세가지 측면에서 응용되고 있다.
1. 인터커넥트(Interconnect)의 응용
인터커넥트의 측면에서 볼 때, LTCC 기술은 보다 많은 층수를 가지는 적층구조에서 더욱 세밀한 피치(pitch)를 제공할 수 있다. 각 층의 피치 밀도는 동일하게 구현할 수 있으며 그 한계(약 50㎛의 선폭과 선간 간격)는 스크린 프린팅 공정에 사용되는 스크린과 잉크에 달려 있다. 즉, LTCC 공정에서 각 층들은 각각이 개별적으로 처리되어 나중에 적층이 이루어진 후 한 차례의 소성과정을 거치므로 전체적으로 동일한 분해능을 유지할 수 있다.
적층구조의 전체에 걸친 매우 높은 피치 밀도를 제공하는 이점에 더하여, LTCC기술은 매우 작은 직경(약 70~80㎛)의 via를 매우 조밀한 간격(약 150㎛의 피치 배열)으로 구현하는 것을 가능케 한다. 이것은 매우 높은 인터커넥트 밀도를 제공하며 또한 인터커넥트 구조 내에 RF 접지면(grounding)과 차폐(shielding)를 제공할 수 있다.
적층 밀도는 LTCC 기술의 또 하나의 장점으로서 40층 이상의 구조를 한번의 소성과정을 통해 얻을 수 있다. 일반적인 종래의 후막공정, 박막공정 혹은 MCM-D 공정 등에서는 순차적으로 형성되는 적층구조를 얻기 위한 공정비용이 층수가 많아질수록 점점 더 증가하는 반면, LTCC에서는 각각의 층들이 개별적으로 처리되어 나중에 합체가 이루어지므로 층수 증가에 따른 공정비용의 증가는 상대적으로 매우 작다. 또한 각 개별의 층들을 교체하는 것이 가능하므로 회로의 변경 혹은 결함이 발견된 층을 교체하는 작업이 이미 이전에 만들어진 층을 희생시키지 않고도 가능하다.
인터커넥트의 응용으로서 LTCC가 가지는 또 다른 장점은 각 층의 절단을 이용한 다양한 형태의 구조를 만들 수 있다는 것으로서, 이를 이용하여 RF stripline transition 혹은 다른 고주파수 구조물을 구성할 수 있다. 이것은 인터커넥트 조립비용을 절감시키고 잠재적인 전이 손실(transition loss)를 제거할 수 있는 바탕을 제공한다. 특히 최근에 개발된 일부의 LTCC 용 후막소재는 개선된 손실 특성을 지니기 때문에 RF 응용에 보다 적합한 것으로 나타났다.
LTCC 기술은 종래의 후막기술, 박막공정 및 HTCC 기술에 비해 향상된 설계의 유연성을 제공하며, microstrip, stripline, coplanar waveguide 그리고 DC lines 등을 하나의 적층구조에 모두 결합시킬 수 있다.
RF 및 마이크로파의 신호 전송선로에서 저손실 매체를 이용한 임피던스 조절과 차폐(shielding)는 마이크로파 패키지 및 모듈을 설계하는 데에 있어서 매우 중요한 요소이며, LTCC의 3차원 공정기술은 이런 목표를 달성할 수 있는 유용한 대안이다.
2. 패키지의 응용
LTCC 기술의 또 하나의 유용한 응용분야는 바로 패키지 응용이다. 즉, 적층구조물에 공동(cavity)을 만들 수 있고 여기에 여러가지 능동기능의 집적회로(IC)를 실장할 수 있다. 특히 앞의 (그림 1)에서 볼 수 있는 바와 같이 seal ring을 이용하여 LTCC의 적층구조에 밀폐된 패키지를 구현할 수 있다. 인터커넥트의 구성과 귀금속을 이용한 밀폐된 패키지를 만들 수 있다는 특징은 개별적으로 패키지와 기판을 제조해야 할 필요를 없애주며, 또한 공정단계의 축소와 인터커넥트의 개수를 줄일 수 있는 장점을 제공해 준다.
LTCC 기술은 패키지에 있어서 열전달 문제를 해결하는 또 하나의 장점을 가지고 있다. LTCC용 소재 자체는 열전도성이 매우 작은(K~2.2) 물질이지만 비아 배열(via array)을 형성하거나 혹은 LTCC 구조물 내에 heat sink를 형성할 수 있어서 열의 발산을 쉽게 해결할 수 있다.
그리고 덧붙여서 마이크로파 전송선로에 대한 인터커넥트를 구성할 수 있어서 집적화된 패키지와 RF 회로를 설계하고 구축하는 것이 가능하다(그림 1 참조).
3. 수동부품의 집적화 응용
LTCC 기술은 패키지와 인터커넥트 응용에 있어서 다른 다중 칩 모듈(Multi-Chip Module: MCM) 기술에 비해 매우 경쟁력 있는 공정기술로 평가받고 있는데, 특히 수동부품의 집적화는 LTCC가 다른 여타의 기술에 비해 큰 장점을 보이는 응용분야이다.
LTCC의 적층구조물 내에 수동부품을 집적시키는 것은 거의 대부분의 수동기능 부품을 집적화 시킬 수 있는 능력 뿐만 아니라 다른 MCM 기술에 비해 보다 넓은 범위의 특성값을 가지는 소자를 구현할 수 있는 장점을 제공한다. 다른 MCM기술에서는 한 두 종류의 단편적인 부품을 만들 수 있으나 그 특성값이 제한적이고 모든 수동기능을 하나로 집적할 수 없는 실정이다. 비록 현재의 수동부품 집적화 응용은 초기단계에 해당하지만 가까운 장래에 큰 진전을 보일 것으로 기대된다.
LTCC 공정을 통해서 집적할 수 있는 수동부품은 저항기, 커패시터 및 인덕터 등인데, 이들을 하나의 구조물 내에 집적함으로써 인터커넥트의 수를 줄이고 신뢰성을 높일 수 있으며 비용절감과 고밀도의 부품실장이 가능해진다[2-4].
수동부품의 집적화가 주는 첫번째 이득은 contact point와 transition의 수를 줄일 수 있다는 것이다. 종래의 조립공정에서는 부품들 자체가 내부 contact을 가지고, 이것을 납땜 혹은 에폭시 등을 이용하여 기판에 부착시키는 일이 필요하고 다음으로는 인터커넥트를 구성해야 하지만, 이런 연결을 모두 집적화 시킴으로써 여기에 결부된 손실을 크게 줄일 수 있다.
두번째의 장점으로는 부품 기능의 신뢰성 증가에 있다. 일반적으로 결함은 연결부위 혹은 소재의 계면 부위에서 발생하는데, 특히 열팽창계수가 다른 두가지 물질의 계면에서 열팽창의 차이에 기인한 응력을 받는 곳에서 쉽게 발생할 수 있다. 집적화를 통해서 이런 연결부위를 줄여주면 신뢰성은 증대된다.
또한 LTCC 기술을 이용한 부품의 집적화는 비용절감 면에서도 이득을 준다. 즉, 부품 집적화를 위한 부가적인 공정단계가 거의 필요 없으므로 이에 따른 비용절감이 이루어질 수 있다.
다른 매우 중요한 이득은 부품의 실장 밀도를 높일 수 있다는 것이다. 수동부품을 적층구조의 각 층 내에 내장시킴으로써 footprint 제약을 제거할 수 있고, 패키지 기판에 2차원적으로 효과적인 배열을 하거나 종래에는 사용되지 않던 공간도 사용할 수 있으므로 부품 밀도를 높일 수 있다. 심지어는 부품을 여러 층에 걸쳐서 3차원적으로 배열시키는 것도 가능하다[5, 6].
4. 내장된 수동부품의 정확도와 허용오차
LTCC 적층구조물 내에 내장되는 각종 수동소자는 그 구현 방법에 의해 특성값의 정확도와 허용오차가 결정된다. 저항기, 커패시터 그리고 인덕터의 허용오차를 결정하는 인자는 각각 다음과 같다.
가. 저항기
저항기는 저항체 잉크를 스크린 프린팅 방법으로 인쇄하여 구현하는데, 이때 얻어지는 저항값은 다음과 같이 나타낼 수 있다
는 저항체의 비저항 값이고, l, t, w는 각각 저항체의 길이, 두께 그리고 선폭을 나타낸다.) 따라서 저항체의 저항값을 결정짓는 요소는 결국
나. 커패시터
커패시터는 LTCC의 유전체 층 양면에 금속 전극을 형성하여 MLCC(Multilayer Ceramic Capacitor)의 형태로 구현하며 커패시턴스 값은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
.위의 식에서 ε과 d는 각각 LTCC 유전체 층의 유전상수와 두께를 나타내며, 면적 A를 다시 길이와 폭 (l×w)으로 나타낸다면 커패시턴스 값은 저항기에서와 유사하게 다음과 같은 네가지 변수의 함수로 생각할 수 있다:
.여기에서도 세가지의 치수 변수가 나오는데, 저항기와의 차이점은 d의 경우 인쇄된 전극의 두께가 아닌 유전체 층의 두께를 나타낸다는 점이며, l과 w는 각각 저항체 잉크가 아닌 전도성 잉크에 의해 구현된 전극의 길이와 폭을 나타낸다. 이 경우에도 커패시턴스값의 허용오차를 결정짓는 가장 중요한 변수는 바로 스크린 프린팅 공정에서 얻어지는 전극의 모서리 분해능이다.
다. 인덕터
인덕터의 인덕턴스값을 다음과 같이 쓸 수 있다:
여기서 N은 권선의 수, h는 유전체 층의 두께, b/a는 toroid의 내경과 외경의 비율이다. 앞서의 경우와 마찬가지로 위 식을 공정변수의 측면에서 고려하면 다음과 같은 결과를 얻게 된다.
따라서 인덕턴스값은 물질정수인 μ와 스크린 프린팅에 의해 구현되는 b/a 비율과 h에 의해 결정되며, 결국 허용오차는 다시 스크린 프린팅 공정에 의해 제한된다.
위에서 나타낸 세가지 수동소자의 경우에 그 특성값의 정확도는 사용된 물질의 재료정수의 정확도보다는 다분히 스크린 프린팅 공정에 결부된 인쇄의 정밀도에 더욱 큰 영향을 받는다고 할 수 있고 따라서 공정변수의 제어와 최적화가 무엇보다도 중요하다.
III. LTCC 제조공정
LTCC를 이용한 소자는 저온소결용 유전체 후막필름으로부터 (그림 3)에 나타난 일련의 제조공정에 따라 만들어진다. LTCC 공정은 전체적으로 HTCC(High Temperature Cofired Ceramic) 공정과 매우 유사하지만 복잡한 소성조건과 평탄화 소성 및 피막형성 단계(plating step)가 생략된 것이 특징이고, 특히 소성온도가 850~900℃로 낮다. 각 단계의 공정에 대한 설명은 다음과 같다.[7]
○ Slitting 공정: 일정한 두께와 폭을 지닌 저온소결용 유전체 후막필름은 롤(roll)에 감겨있는 형태로 공급되는 것이 보통이다. Slitting 공정은 공급된 후막필름에 대한 검사가 끝난 후에 롤에서 일정량의 후막필름을 잘라내는 단계로서, 면도날을 이용하여 Blank 크기보다 약간 크게 절단하여 전체 적층수에 해당하는 만큼의 시트(sheet)를 준비한다.
○ 전처리 공정(Preconditioning): 시트 형태로 준비된 유전체 후막필름을 공기중에서 120℃의 온도로 20~30분간 열처리하는 단계이다. 혹은 시트를 건조한 질소분위기에서 약 하루 동안 유지시키기도 한다.
○ Blanking: 전처리 공정을 거친 유전체 필름에 blanking 틀(die)을 이용하여 방위표식 및 작업구역을 나타내는 표식 등을 형성하는 단계이다.
○ Via 형성: 펀칭 혹은 레이저를 사용하여 시트에 적당한 크기의 Via 구멍을 만드는 단계이다. Via는 각 층간의 전기적 연결을 위한 via, 열확산을 용이하게 하기 위한 thermal via, 적층단계에서 각 층을 정확한 위치로 정렬하기 위한 tooling hole, 그리고 패턴을 인쇄할 때 기준점을 삼기 위한 registration hole 등의 용도로 사용된다.
○ Via filling: 시트에 형성된 각 via 구멍을 전도성 페이스트로 채우는 단계로서 종래의 후막 스크린 프린터 혹은 압출식 via filler를 사용한다. 황동 혹은 스테인레스 강판을 이용하여 만든 stencil을 이용하여 via 구멍의 정확한 위치에 페이스트가 채워지도록 한다. 이때 사용되는 전도성 페이스트는 시트와 소성후 수축률이 잘 맞아야 한다.
도체 패턴 인쇄: 도체 패턴 인쇄는 종래의 후막 스크린 인쇄기를 사용하여 이루어지는데 다양한 모양의 회로요소와 패턴을 도체 페이스트를 이용하여 인쇄방법으로 형성한다. 이때 사용되는 스크린은 표준 emulsion type의 후막 스크린이다. Via filling 단계에서와 마찬가지로 다공체를 사이에 두고 진공을 만들어 시트를 붙잡아두며, 이때 시각 정렬(vision alignment) 혹은 기계적 register를 이용하여 시트의 위치를 제어, 정렬시킨다. 패턴 인쇄에 사용되는 전도성 페이스트는 소성후 유전체 후막과 X, Y 방향으로 수축률이 일치하여야 한다.
○ 건조: Via 구멍을 채운 전도성 페이스트와 도체 패턴을 형성한 페이스트를 건조시키는 단계로서 약 120℃ 온도의 box oven에서 5분간 건조시킨다.
○ 검사: 조명 책상 위에서 확대현미경을 이용하여 via및 패턴이 형성된 시트를 검사한다.
○ Register for lamination: 정밀한 적층 틀(fixture)을 이용하여 registering이 이루어진다. 이제까지 각 시트를 유지해주고 있던 프레임에서 분리된 유전체 후막 시트가 각각 순서대로 정확한 위치를 맞추어 한장 씩 쌓여진다.
○ Lamination: 적층된 각 시트를 열과 압력을 이용하여 서로 접착 시켜주는 단계이며 이때 일축 압력(uniaxial press) 혹은 정수압 압력(isostatic press)을 사용한다. 일축압력을 사용할 경우 약 70℃로 가열된 평판을 이용하여 5분 정도 가압하고, 180°를 회전시켜서 다시 같은 방법으로 가압하여 전체적으로 균일한 압력이 전달되도록 한다. 반면에 정수압을 이용할 때에는 적층된 시트를 플라스틱 봉지에 넣어 진공포장하고 가열된 물(약 70℃의 온도)을 이용하여 정수압을 가한다. 가압하는 시간과 온도는 일축압력의 경우와 같지만, 5분간의 가압 후 180° 회전하여 다시 가압하는 과정은 필요하지 않다.
○ Cofiring: Lamination이 끝나면 이를 평탄한 setter tile 위에 올려놓고 kiln furnace에서 소성을 한다. 200~500℃의 온도범위에서 약 1시간 이상 유지시키면 유전체 후막필름 및 페이스트에 들어있는 바인더 등의 유기물을 태워버릴 수 있고(burnout), 이후 계속하여 온도를 올려서 850~900℃의 온도범위에서 소성을 한다.
○ Post fire processing: 소성공정이 끝난 뒤에 후막저항기, 유전체 및 도체 등을 형성하거나 기타 특별한 세라믹 공정을 거치게 된다.
○ 전기적 단락 검사: 소성 및 소성후 공정이 완료되면 전기적 단락 여부를 모든 제품에 대해 실시한다.
○ Singulation(절단): 다양한 방법을 이용하여 절단을 한다. 사각형 형태로 절단할 때에는 일반적으로 dicing saw를 사용하는데 절단된 각 부품의 크기 오차를 줄일 수 있고 또한 절단후 모서리 상태가 양호하다. 초음파를 이용한 절단은 임의 형상의 절단을 가능케 하며 특히 절단후의 모서리 상태가 매우 양호하다. 하지만 비용이 많이 들고 절단 시간이 길다는 단점이 있다. 레이저를 이용한 절단은 비교적 적은 비용으로 허용오차가 매우 작은 절단을 할 수 있지만 모서리 상태가 양호하지 못하다.
○ Final inspection: 완성된 부품을 최종적으로 검사하는 단계로서 표준화된 테스트 절차에 따라 시각 혹은 자동 검사를 한다.
IV. LTCC용 유전체 소재
LTCC 기술을 이용한 적층구조를 제조하기 위한 기본 소재는 저유전율의 세라믹 후막필름과 전도성 금속 페이스트이다. 세라믹 후막 필름은 일반적으로 테이프 캐스팅(Tape Casting) 방법에 의해 제조되는데, 세라믹 유전체 분말에 용매(수용성 혹은 비수용성)와 결합제, 분산제 및 가소제 등의 유기물을 첨가하여 현탁한 슬러리(slurry)를 제조하고 슬러리 내에 포함되어 있는 기포를 제거하기 위한 탈포과정(de-airing)을 거친 후 캐스터에 투입한다. 캐스터에는 필름이 장착되어 있는데 이 필름을 일정한 속도로 움직이면서 여기에 탈포된 슬러리를 투입하면 필름과 일정한 높이를 갖도록 조절된 블레이드 아래를 통과하면서 이동하는 필름 위에 세라믹 유전체의 얇은 막이 형성된다. 이 후막을 적당히 조절된 건조과정을 거치면 치밀하고 유연성 있는 테이프가 얻어진다. 이와 같이 테이프 캐스팅 방법에 의해 제조된 유전체 후막은 유연성이 있어서 취급과 가공이 용이하고, 충진밀도가 높으며 블레이드의 높이 조절에 의해 다양한 두께의 후막을 쉽게 얻을 수 있다.
현재까지 개발된 LTCC용 유전체 후막의 기본 소재는 다음과 같은 세가지로 대별된다.
○ 코디어라이트(Cordierite)계: 2MgO-2Al2O3-5SiO2의 코디어라이트 기본조성에 소성온도를 낮추고 온도계수를 맞추기 위해 일부 부조성 물질을 첨가한 조성.
○ Glass/Al2O3의 혼합물: SiO2-B2O3계 유리 혹은 PbO-SiO2-B2O3-CaO계 유리에 Al2O3 필러(filler) 혼합하여 제조한 혼합체로서 glass성분에 의해 비교적 저온에서도 소성이 이루어진다.
○ 결정화유리/세라믹의 혼합체: 주로 알칼리 토류족(Alkaline Earth)의 원소와 SiO2, Al2O3 등의 성분을 포함하는 결정화유리를 주성분으로 하며, 열처리과정 중에 glass로부터 세라믹 결정이 석출되어 나온다.
<표 1>에는 현재 상용화되고 있는 LTCC용 유전체 후막의 특성이 나타나 있다.
한편 이러한 유전체 후막소재와 함께 사용되는 전도성 금속 페이스트는 주로 Au, Ag 그리고 Ag/Pd 합금이 사용된다. 이들 전도성 페이스트는 유전체 후막 테이프와 동시소성을 거쳐야 하므로 열팽창계수 등의 여러 특성이 유전체 후막과 잘 부합되어야 한다.
페이스트는 기능을 부여해주는 기능상(예를 들어 Ag, Ag/Pd, Au, Cu, RuO2 등), 접합용 유리질, 인쇄성을 부여해주는 유기용매 및 분산제 등으로 이루어진다. 이러한 구성성분을 일정시간 혼합하여 균일하게 분산시키고 3-roll mill을 통해 응집체를 분쇄하여 적당한 점도를 가지는 페이스트를 제조한다.
일반적으로 Ag 페이스트는 LTCC의 내부전극용으로 주로 사용되며, 소성 후의 표면 전도체용으로는 Ag/Pd 혹은 Au 계의 페이스트가 사용된다. 다음에 일부 페이스트의 용도에 대해 기술하였다.[8]
○ Ag/Pd계: 일부 수동소자를 표면실장(Surface Mounting) 하기 위한 전도체로 많이 사용되며, Ag 전도체에 비해 전기전도도는 떨어지지만 납땜 시 Ag leaching 현상이 적으므로 모듈의 표면 전극용으로 사용된다.
○ Au 계: 패키지를 제조할 때 IC의 wire bonding pad용으로 주로 사용되며 높은 전도도와 신뢰성, wire bonding 강도가 주요 특성으로 요구된다. 동시소성 및 2차소성시 모두에 적용 가능하지만 동시소성 시에는 유전체 후막과의 수축률 정합이 요구된다.
○ 비어(Via)용 페이스트: 비어는 위 아래 층을 전기적으로 연결해주는 역할을 하며 LTCC 유전체의 수축특성을 고려하여 비어 부분에서 회로의 끊김이 발생하지 않도록 조성설계를 해야 한다. 특히 Ag 혹은 Au의 경우에 Kirkendall void 효과에 의한 회로의 끊김이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 완충작용을 하는 중간층을 형성하거나 혹은 조성설계를 통해 전이금속성 비어 페이스트를 만들어 통공현상을 억제해야 한다.
V. LTCC의 응용
불과 몇 해 전까지도 LTCC 기술은 일부 소규모의 군사용 응용에 국한되었지만 지금은 대량생산을 바탕으로 하여 일반적인 상업적 목적의 소비자 생활가전 부문과 특히 무선 통신 분야에서 급속히 응용의 범위를 넓혀가고 있다. 마이크로파 주파수에서 동작할 수 있는 고집적화된 모듈의 구성 등 무선통신 시스템의 설계분야는 LTCC 시장의 성장을 주도하고 있으며, 이외에도 자동차, 의료용 기계 등 여러 분야에서 사용되고 있다. 2.45GHz 대역에서 동작하는 블루투스(Bluetooth) 무선 프로토콜의 출현은 LTCC 기술의 응용 범위를 더 한층 넓혀준 계기가 되었으며, 블루투스용 송수신기의 RF front-end에 사용되는 일련의 수동부품을 하나의 LTCC 모듈로 구현하려는 움직임이 활발히 전개되고 있다. 간소해진 제조공정과 설계의 유연성 그리고 고주파수 대역에서의 우수한 특성 등에 의해 LTCC 기술은 기존에 사용되던 패키지 기술의 영역을 점점 대체하고 있다.
1. 도파로 필터(Waveguide Filters)[10]
초고속의 디지털 신호 및 DC전원 회로를 동시소성 세라믹에 의해 구현되는 RF/마이크로파 구조물과 함께 집적화하는 것은 무선 마이크로파 통신 모듈의 제작에 공통된 사항이 되고 있다. LTCC에 의해 구현되는 도파로 구조물이 기존의 인쇄된 전송선로에 비해 뛰어난 점은 삽입손실이 작다는 점이다. 따라서 도파로 구조물을 동시소성에 의해 얻어지는 적층구조의 세라믹에 구현하여 저손실의 필터를 제조할 수 있으며, 이 경우 crosstalk이 거의 없고 마이크로스트립 혹은 스트립라인 등의 다른 전송선로와의 연계도 용이하다. (그림 4)에는 inductive window를 이용한 LTCC 도파로 필터의 구조가 나타나 있는데, 2.40×0.36×0.011 inch의 크기를 가지며 0.076 inch 두께의 LTCC 기판 내에 구현될 수 있다.
2. 수동부품의 집적을 이용한 모듈
LTCC 기술의 바람직한 응용분야는 저항기, 커패시터 및 인덕터 등의 수동소자를 다른 능동기능의 소자와 함께 집적하여 하나의 기능성 모듈을 제작하는 것이다. 앞서에서 기술한 바와 같이 여러 개의 수동부품을 LTCC 적층구조의 모듈에 집적시킬 경우 인터커넥트 및 이에 따른 임피던스 정합의 문제를 해소할 수 있고 또한 성능의 향상과 제조비용의 감소 등의 이득을 볼 수 있다.
(그림 5)에는 이리듐 위성통신의 단말기에 사용되는 리시버 모듈이 나타나 있는데, 26개의 매설된(embedded) 부품과 16개의 표면실장된 부품으로 구성되어 있다. 이와 같이 고밀도의 모듈은 T/R 스위치, ESD protection, bias 코일, 임피던스 정합회로, limiter 보호기 그리고 저잡음 증폭기 등의 다양한 소자를 모두 집적시킨 결과물이다.
그리고 (그림 6)에는 LTCC 기술을 이용하여 일반적인 휴대전화 단말기의 수동부품을 집적시킨 결과 단말기당 약 4 달러 정도의 비용절감을 이룬 예를 보여준다.
VI. 맺는 말
지난 수년간 다양한 MCM 기술에 대한 수요가 급격히 증가된 상황에서 LTCC 기술은 인터커넥트, 패키지 그리고 수동부품의 집적화 등의 응용성을 앞세워 특히 무선통신 분야에서 큰 가능성을 인정받고 있다. 이 기술은 제조비용의 절감, 신뢰성의 향상, 축소된 크기 그리고 개선된 특성 등의 많은 이득을 제공할 수 있는 잠재성을 가지고 있으며, 향후에 기본 소재들의 특성이 보다 개량되어 소성온도의 저하와 수축률 및 열팽창계수 등이 잘 부합되는 다양한 조성의 소재개발과 이들의 특성평가 기술 그리고 이 공정을 이용한 모듈제작의 설계기술 등이 밑받침 된다면 매우 다양한 응용범위를 가진 공정기술로 자리 매김을 할 것으로 기대된다.