Embedded capacitor technology is an essential method for miniaturization and high performance of electronic package systems. High dielectric constant epoxy/ceramic composite have been of great interest as embedded capacitor materials for MCM-L applications, because they have good processability and compatibility with printed wiring boards (PWB), in addition to high dielectric constant. In our study, $epoxy/BaTiO_3$ composite embedded capacitor films (ECFs) has been developed for the fabrication of embedded capacitors with high dielectric constant and low capacitance tolerance $(\lt \plusmm 10%)$ in organic substrate and the properties of the capacitors using ECFs, which were dielectric constant, loss tangent, adhesion strength with organic substrate and temperature dependence, were characterized.
ECFs should be formed as thin as possible and there were many methods for casting capacitor film. The rheology of ECFs and composition of epoxy were characterized for forming thin film in the point of surface morphologies and film formability. By using gravure and comma roll tape casting method, the ECFs of low capacitance tolerance $(\lt \plusmm 10%)$ and thickness $(\It 10um)$ was successfully demonstrated and 10um ECFs by comma roll was generalized in this study.
The failure site of ECFs and organic substrate was the interfaces of epoxy and $BaTiO_3$ powders. So for high dielectric constant and reliability in high $BaTiO_3$ powder loading, the interface characteristics of epoxy and $BaTiO_3$ should be improved. By using coupling agent of titanate system and encapsuling agent of phosphoric acid system, the adhesion strength of ECFs was improved. In further study, the reactivity of $BaTiO_3$ and each agent will be investigated.
In the general fabrication process of embedded passives, film types of embedded capacitor occupy large unnecessary area on the surface of interlayer. However for improving space utilization in the interlayer within organic substrate, which is an important factor to further miniaturize substrates, embedded capacitors should be fabricated on the selective area of substrate interlayers. Therefore, the patterning of ECFs should be possible. For patterning ECFs, plasma etching which is one of the useful methods for removing the cured epoxy based polymer resin was performed. In the condition of $O_2$ and $CF_4$ mixed gases, the epoxy based polymer resin of $epoxy/BaTiO_3$ composite ECFs was removed by RIE (reactive ion etching) treatment. After RIE treatment, the agglomeration of $BaTiO_3$ powders with residue of epoxy based polymer resin was removed by ultrasonic cleaning treatment.
Using ECFs and devices specially designed for correcting stray effect around the capacitors, the dielectric constant and loss tangent can be measured by the reflection coefficient measured with a network analyzer. For fabricating of test vehicles, the ECFs were laminated on Ti/Cu coated 4 inch Si wafer, and Cu top electrode was sputtered on ECFs and the patterning process was applied for via formation. Using these test vehicles, the high-frequency characteristics are consistent with low frequency characteristics measured with an LCR bridge. The relative error between the high-frequency and the low frequency is estimated to be within 10%. The method is a practical way to obtain the characteristics of ECFs accurately and quickly in final form.
본 논문은 고유전율 저 공차특성을 갖는 에폭시/ $BaTiO_3$ 복합체 내장형 커패시터 필름 재료 형성을 위한 공정변수, 재료의 특성 및 전기적인 특성에 대해서 살펴보았다. 본 연구를 통해 개발된 에폭시 복합체 형태의 내장형 커패시터 필름은 B-stage curing 거동을 보이며, 우수한 상온 안정성을 갖기 때문에 양산형 공정에 적합한 특성을 가지고 있고, 수 마이크론 두께의 필름을 갖기 때문에 양산형 공정에 적합한 특성을 가지고 있고, 수 마이크론 두께의 필름을 Blade coating 방식으로 형성함으로써 재료의 손실이 적어 우수한 생산단가의 경쟁력을 갖는다. 또한 세계 여러 기업과 연구소에서 개발된 에폭시 복합체 내장형 커패시터 필름에 비하여 높은 유전율과 접착특성, 저 공차특성 및 신뢰성 등의 장점을 가지고 있 다. 본 연구에서는 이러한 고유전율 및 저 공차특성의 에폭시 복합체 내장형 커패시터 필름을 형성하는 공정과 실제 기판에 내장하기 위하여 필요한 공정 및 물성향상에 대한 연구를 진행하고 더 나아가 소자 내에서 내장형 커패시터 필름의 거동을 예측하기 위해 중요한 주파수에따른 유전특성의 거동에 대하여 살펴보았다.
1장에서는 이러한 내장형 커패시터 기술의 동향과 기술의 중요성, 기술 동향에 대하여 언급하였고, 2장에서는 문헌상의 자료를 바탕으로 커패시터 소자에 대한 전반적인 기술과 재료, 내장형 수동소자 기술에 대하여 언급하였다.
3장에서는 상이한 크기를 갖는 2종의 $BaTiO_3$ 분말을 이용하여 에폭시/ $BaTiO_3$ 복합체 필름의 조성을 정하였고, 분말을 분산하기 위한 분산제, 필름 형성 과정에 중요한 변수들에 대하여 살펴봄으로써, 저공차 특성을 갖는 내장형 커패시터 필름을 형성하도록 하였다.
4장에서는 박막형 커패시터에 비하여 낮은 유전 용량을 갖는 에폭시 복합체 내장형 커패시터 필름의 단점을 보완하기 위하여, 보다 많은 $BaTiO_3$ 분말을 함유하여 높은 유전상수를 갖도록 하는 내장형 커패시터 필름을 실제 기판에 내장할 수 있도록, 전극과 필름간의 접합력 물성을 개선하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 필름 내의 분말과 에폭시 간의 계면 특성 강화를 위한 계면활성제로 KR9SA를 선택하였고, 이 계면활성제는 두 단계의 가수분해 반응을 갖는다. 그 중 첫번째 가수분해 반응을 통해, ''-O-Ti-O-''의 한쪽 결합이 $BaTiO_3$ 의 표면에서 일어나고, 다른 한쪽은 에폭시와의 전기적인 친화력을 갖아 기존의 계면특성 보다 우수한 물성을 얻을 것으로 기대된다. 그러나 두번째 가수분해 반응을 통해 발생하는 ''H-O-S-''는 에폭시 내에 황산을 첨가하는 것과 같은 효과를 나타내어, 재료의 혼합 및 필름 형성 과정에서 이미 경화반응을 일으키는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 용매 내에 함유된 여분의 계면활성제를 원심분리를 이용하여 최소화 하도록 하였고, 이에 영향을 미칠 수 있는 공정변수들을 최적화 하였다. 또한 분말 표면에 있는 계면활성제에 의한 국부적인 에폭시 경화를 억제하기 위하여 에폭시와 계면활성제 사이에 위치하여 반응이 진행되는 것을 방지하며, 고온에서는 분해되어 경화공정 시에는 계면활성제와 에폭시 간의 반응이 일어날수 있도록 하는 'encapsulating agent'로써 BYK-W9010이 첨가되었다. 이와 같은 분말의 표면처리를 통하여 failure mode를 분말과 에폭시간 계면에서 에폭시와 전극간 계면으로 이동하도록 하였다. 이것은 기존의 재료에 비하여 분말과 에폭시간 계면 특성 강화를 통하여 결과적으로 기존 재료의 접합력보다 40% 향상된 접합력을 갖도록 하였고, Ti 계열의 계면활성제 첨가가 전도성 원자를 첨가한 효과를 나타내어 유전상수 역시 약 15% 향상시켰다.
5장에서는 개발된 내장형 커패시터 필름을 국부적인 면적에 형성하거나 micro-via를 형성할 수 있도록 하는 공정에 대한 연구를 수행하였다. 내장형 수동소자 기술의 장점 중 한가지는 기존 기판 표면에 위치하던 수동소자를 기판 내에 삽입함으로써 보다 우수한 면적효율을 갖도록 한다는 것이다. 내장형 커패시터는 공정상 일반적으로 다층기판내의 한 층을 모두 차지하게 되는데 이를 국부적인 면적에 형성할 수 있도록 하여 앞서 언급한 장점을 극대화 할 수 있다. $O_2$ 와 $CF_4$ 가 혼합된 기체를 이용하여 반응성 이온 에칭을 적용하였고, 이때 이온 에칭에 의하여 제거되지 않는 $BaTiO_3$ 분말은 초음파 분쇄를 통해 물리적으로 제거하도록 하였다. 이때 중요한 요서는 반응성 이온 에칭 공정중 발생하는 열에 의하여 기판 및 재료에 손상을 줄 수 있기 때문에, 일정시간 간격을 두고 단계별 이온 에칭법을 적용하여 이러한 문제를 해결하였다. 실제 에칭후 재료의 물성은 기존의 재료에 비하여 유전 특성 및 공차특성에서 7% 이내의 변화를 보여, 에폭시 복합체 내장형 커패시터 필름을 국부적인 면적에 형성하기 위한 공정을 성공적으로 개발하였다.
6장에서는 에폭시 복합체 커패시터 필름의 주파수에 따른 유전특성 거동에 대한 연구를 수행하였다. 에폭시 재료 혹은 첨가된 분말과 같은 세라믹 재료에 대한 주파수 거동에 대해서는 이미 문헌상에 많은 보고가 있으나, 이를 혼합한 복합체 재료의 주파수 특성에 대한 보고는 현재 전무한 상황이다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 커패시터 필름을 통해 주파수 거동을 살펴볼 수 있는 측정 기구 개발 및 에폭시 복합체 커패시터 필름의 주파수 거동을 살펴보았다. Extracting method라고 명명한 방법을 이용하여 Fringing field를 고려한 유전특성 거동을 시뮬레이션을 통해 계산하고, 실제 측정값과 이론적인 계산 값간의 오차로 fringing field를 예측하여 유전상수와 유전손실을 주파수에 대한 함수로 유도하였다. 이 측정방법을 이용하여 $BaTiO_3$ 를 20vol%와 50vol% 함유한 에폭시 복합체 커패시터 필름의 주파수 거동을 살펴본 결과, 약 10MHz에서 유전상수 감소폭의 증가가 나타났고, 유전손실 역시 peak 값을 나타내었다. 그러나 GHz 영역에서는 50vol%의 필름만 약 3GHz에서 유전상수의 감소 및 유전손실의 peak을 나타내었다. 이러한 유전상수 감소 및 유전손실 peak 현상은 유전분극완화 현상으로 설명하였으며, MHz 영역에서는 space charge 분극이 ionic 분극으로 넘어가며 생기는 완화현상으로 epoxy와 $BaTiO_3$ 모두에서 일어날 수 있다. 하지만 GHz 영역에서는 ionic 분극이 dipole 분극으로 넘어갈 수 있는 것은 dipole을 갖는 $BaTiO_3$ 만 가능하다. 즉 MHz 영역의 유전완화현상은 필름 내 BaTiO3 분말에 의하여 발생하는 현상이라고 결론지을 수 있다.
