Embedded capacitor technology is one of the effective packaging technologies for miniaturization and high performance of electronic package system. High dielectric constant ceramic-epoxy composites have been of great interest as embedded capacitor material candidates, because they have good process compatibility with multilayer organic susbstrates applications such as pritned wiring boards (PWB).
In this work, epoxy/$BaTiO_3$ composite capacitors made of newly developed embedded capacitor films composed of low temperature rapid curing epoxy resin, latent curing agent, and Barium titanate powder were successfully fabricated, and their capacitor properties were characterized. Compared to Epoxy/$BaTiO_3$ composite capacitor paste deposited by a spin coating method, the embedded capacitor films have advantages such as no waste of materials, good film formation capability and processability, long shelf life at room temperature, uniform electrical properties over a large area, and good thermo-mechanical stability after final cure.
Crystal structure and tetragonality of two $BaTiO_3$ particles of different size were investigated to understand the effects of particle size on dielectric constant and leakage current. Dielectric constant of the capacitor film made of coarser $BaTiO_3$ particles was higher than that of finer ones. This was due to a higher tetragonality of the coarser particles. Leakage current of the capacitor films fabricated with the coarser $BaTiO_3$ was larger than that fabricated with finer ones. Both the optimum and the average amount of dispersant (with respect to the amount of particle) were higher for finer particles. The curing by the latent curing agent, DICY, occured at temperature greater than 160℃, and the optimum amount of curing agent was found to be 14wt% with respect to the amount of resin. Hence, a capacitor film with dielectric constant 23 was obtained.
The dielectric constant was further increased by (ⅰ) increasing the high dielectric constant ceramics, (ⅱ) improving the packing density by introducing a bimodal distribution of particles in which finer particles may fill in the interstitial sites between coarser particles.
By varying the particle volume loading, the maximum dielectric constant was obtained at 73vol% particle volume loading in unimodal distribution where the maximum packing density occurs. By introducing bimodal particle distribution with a 15:1 size ratio of coarser to finer particle, the dielectric constant was increased by 28%, and the maximum dielectric constant was obtained at 80vol% particle volume loading (68% coarser particle ＆ 12% finer particle). It was observed that in bimodal distribution the composition of particles and the particle size ratio of the coarser and finer particles are important.
The dielectric constant and the leakage current behavior of unimodal and bimodal distribution were compared. It was observed that the dielectric constant behavior of the film with high particle volume loading was greatly affected by the packing density. Hence, in our work, particle packing was examined in each case by measuring the difference between the theoretical and measured density of the film. We reached to the conclusion that the difference in the dielectric constant behavior of the polymer/$BaTiO_3$ films between the uimodal and bimodal distribution with the variation of particle volume loading was well supported by the difference in their packing density.
경화 전 상온 보관성이 우수하며 넓은 면적에 균일한 두께와 균일한 특성의 캐패시터를 쉽게 형성할 수 있는 epoxy/$BaTiO_3$ composite 내장형 캐패시터 필름을 개발하였다. 이 필름은 ACAF(anisotropic conductive adhesive film)용으로 개발된 레진을 matrix로 하고 유전상수가 높은 $BaTiO_3$ 분말을 사용하였다.
본 연구에서는 먼저 필름에 들어가는 재료들이 필름 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 이후, 성공적으로 형성된 필름의 유전상수를 향상시킬 수 있는 방법과 이에 따른 필름의 유전상수와 누설전류 변화를 관찰하였으며, 이에 대한 이유를 분석하였다.
1장 및 2장에서는 연구에 대한 개요와 문헌조사를 다루었고, 3장에서는 본 연구를 수행하기 위한 실험방법 들을 소개하였다. 4장에서는 크게 세 가지로 연구 결과를 다루었다.
4.1.에서는 먼저 필름 형성 시, 들어가는 재료들 - 세라믹 파우더, 용매, 분산제, 경화제 -이 필름 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. X-선 회절을 통하여 두 분말의 결정구조를 살펴보았으며, 점도 측정을 통해 분산제의 양을 정하였다. 필름의 경화온도와 적정한 경화제의 양을 결정해주기 위해 DSC(differential scanning calorimeter)와 캐패시터의 특성 분석을 통해 경화제 양에 따른 필름 및 캐패시터 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 그리고 이 결과들을 바탕으로 필름 형성 시 각 재료들의 조건을 결정하여 주었다. 이 조건으로 파우더의 함유량이 50vol%인 필름을 성공적으로 형성하였으며, 이 필름에 대한 전기적 특성 평가 실험을 다루었다.
앞에서 형성된 필름의 유전상수를 높이기 위해 유전상수가 높은 파우더의 함유량을 변화시켜주었으며, 이에 따른 필름의 유전상수와 누설전류변화를 측정해보았다. 이 결과, 파우더의 함유량이 증가할수록 필름의 유전상수는 증가하였으나, 73vol%에서 최대 값을 보이고, 그 이후로는 유전상수가 감소하였다. 이는 파우더의 packing density에 의한 영향으로 사료되어지며, 이에 대한 실험은 뒤의 4.3에서 더 자세히 다루어졌다. 파우더의 함유량이 73vol%에서의 최대 유전상수(65.02)는 50vol%에서의 유전상수(23.09)보다 63% 증가한 값이었다. 이 73vol%는 한 가지 종류의 구형 입자를 packing할 시의 maximum packing density(73%)와 일치하는 값이다. 이는 또 73vol%에서 갑자기 증가하는 누설전류의 거동과도 일치한다.
4.3.에서는 한 가지 종류의 파우더만 사용한(unimodal distribution) 필름의 특성을 더욱 향상시켜주기 위해서 두 가지 종류의 파우더를 사용하였다(bimodal distribution). 이는 packing density를 높여주기 위해 도입한 방법으로써, 기존에 사용하였던 파우더에 크기가 더 작은 파우더를 첨가하여 이루어졌다. 이 두 파우더의 지름의 비는 15:1이였으며, 두 파우더의 양의 비도 결정하여주었다. Unimodal distribution에서와 마찬가지로 총 파우더의 함유량을 변화시켜주면서 유전상수와 누설전류 변화를 측정하였다. 이 결과 unimodal distribution에서와 마찬가지로 파우더 함유량이 증가할수록 필름의 유전상수도 증가하였으나, 최대 유전상수는 80vol%에서 관찰되었다. 이 때의 최대유전상수는 89.02로 Unimodal distribution에서의 최대유전상수보다 약 30% 증가한 값이다. Unimodal 과 Bimodal distribution에서의 파우더 함유량에 따른 유전상수와 누설전류의 거동이 비교되었다. 누설전류는 파우더간의 접촉으로 설명되어질 수 있으며, 유전상수는 두 packing distribution에서의 Packing density에 의한 차이로 설명되어질 수 있다.
4,4.에서는 위에서 설명한 Unimodal과 Bimodal에서의 파우더 함유량에 따른 Packing density를 측정해보고, 이를 유전상수의 거동과 연결시켜주어 파우더 distribution과 함유량에 따른 유전상수의 변화가 packing density에 의한 것임을 확인할 수 있었다.
