B-stage epoxy/$BaTiO_3$ embedded capacitor films(ECFs) have been investigated in terms of high dielectric constant, low viscosity, and high curing on-set temperature. Using selected ECFs, embedded capacitors were fabricated and ECFs thickness, capacitance density, and thickness uniformity were investigated depending on process parameters and electrode design, respectively. In terms of material properties, basically ECFs must have high dielectric constant to get high capacitance density and ECFs must have low viscosity and high curing on-set temperature during the lamination process to have enough flow behaviors. As process parameters, suitable temperature and pressure are applied and electrode spacing and size need to be considered in terms of electrode design to get uniform ECFs thickness.
In this study, effects of $BaTiO_3$ sizes and contents on the dielectric constant, viscosity, and curing behaviors of ECFs were investigated. ECFs filled with four different $BaTiO_3$ sizes and contents were fabricated, and the viscosities of those were measured with a rheometer at various temperature and time conditions. In addition, their curing behaviors were also analyzed with a differential scanning calorimeter (DSC) at same temperature and time conditions. According to the results, the viscosities of ECFs decreased as temperature increased before curing on-set temperature, and they abruptly increased with epoxy curing reaction. Besides, decreases of $BaTiO_3$ sizes resulted in increases of the viscosities of ECFs and decreases of curing on-set temperature, and the viscosities of ECFs increased and curing on-set temperature decreased as $BaTiO_3$ contents increased. Also, capacitance and thickness of ECFs were measured with as LCR meter and alpha-step, respectively in order to calculate dielectric constant. Dielectric constant of ECFs increased with increasing $BaTiO_3$ sizes and contents.
Effects of process parameters and electrode design on the fabrication of embedded capacitors were investigated. As temperature increased, there was no significant change in ECFs thickness. However, there was significant decrease in ECFs thickness with increasing pressure. In terms of electrode design, as electrode spacing decreased, capacitance density of embedded capacitors decreased but thickness uniformity increased. As pressure increased, capacitance density increased by decreasing ECFs thickness but thickness uniformity decreased. As electrode size decreased, capacitance density and thickness uniformity increased. Increases of pressure also resulted in increases of capacitance density but thickness uniformity decreased regardless of electrode size.
오늘날 전자제품의 패키지 면적을 줄이고 고주파에서의 전기적 성능을 향상시키며 또한 기계적 신뢰성 문제를 해결하기 위해 기판 내에 커패시터, 저항체, 인덕터와 같은 수동소자를 집적시키는 내장형 수동소자 embedded passive 기술에 대한 요구가 급증하고 있다. 이 수동소자 중에서도 커패시터에 대한 관심이 큰데 이는 수동소자의 40% 이상을 차지할 뿐만 아니라 decoupling capacitor 또는 by-pass capacitor와 같이 전자회로상의 역할이 중요하기 때문이다. 내장형 커패시터의 재료로써 본 연구에서는 에폭시/ $BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름이 사용되었는데 이는 높은 유전율 뿐만 아니라 PCBs(printed circuit boards)와의 상호 적합성의 장점을 가지고 있기 때문이다. 에폭시/$ BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름을 PCBs내에 집적시키기 위해서는 multilayer build-up 프로세스를 거쳐야 하는데 이 프로세스 동안 재료적인 관점에서 기본적으로 높은 유전율을 가져야 하며 높은 유동거동과 높은 경화시작 온도를 가져야 한다. 프로세스 관점에서는 적절한 압력과 온도가 가해져야 하며, 또한 전극 디자인 관점에서는 제작된 내장형 커패시터의 전극 사이의 간격 및 전극 크기가 잘 조절되어야 한다. 이 중 어느 것 하나라도 잘 조절되지 않으면 에폭시/ $BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름의 두께의 uniformity가 낮아지게 되고 심지어는 전기적 쇼트 현상 및 신뢰성 문제를 유발한다.
본 연구에서는 전기적 쇼트 현상 및 신뢰성 문제를 갖지 않으면서 uniform한 두께를 가지는 내장형 커패시터를 제작하기 위해 재료, 프로세스 요소, 전극 디자인 관점에서 최적화 조건을 선정하는 연구를 진행하였다. 우선, 재료적인 관점에서 높은 유전율을 가지는 조성을 찾기 위해 $BaTiO_3$ 사이즈와 함량 별 유전율을 알아 봤으며, multilayer build-up 프로세스 동안 충분한 유동성을 가지는 에폭시/ $BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름을 선정하기 위해 유동거동 및 경화거동에 대해 연구하였다. $BaTiO_3$ 사이즈가 증가함에 따라 높은 유전율을 가지며 높은 유동거동 특성, 높은 경화 시작온도를 가졌고 $BaTiO_3$ 함량이 증가함에 따라 낮은 유동거동 특성 및 낮은 경화 시작온도를 가졌다. 또한 유전율은 $BaTiO_3$ 함량이 증가함에 따라 상당히 증가하는 결과를 가져왔다. multilayer build-up 프로세스 동안 가해지는 압력과 온도에 따른 내장형 커패시터 필름의 두께는 온도에는 큰 영향을 미치지 않지만 압력에 따라 상당히 두께가 줄어 들었다. 전극 디자인에 따른 두께 uniformity를 보면, 전극 사이의 거리가 작아지고 전극 크기가 작아질수록 두께 uniformity가 증가하는데 이는 전극 사이의 거리가 작아질수록 내장형 커패시터 필름이 전극 가장자리에서 빈 공간으로 흐르는 양이 줄어들기 때문이며, 전극 크기가 작아질수록 전극 중심부에서 빈 공간으로 더 많은 커패시터 필름의 흐름이 발생하기 때문이다. 또한, 압력이 증가함에 따라 두께 uniformity가 감소하는 결과를 가져왔다. 전극 디자인에 따른 커패시턴스 밀도를 보면, 전극 사이의 거리가 커지고 전극 크기가 작아 질수록 빈 공간으로 흐르는 내장형 커패시터 필름의 양 증가로 인한 내장형 커패시터 필름의 두께 감소가 일어나기 때문에 커패시턴스 밀도가 증가하였다. 압력이 증가함에 따른 내장형 커패시터의 밀도는 모든 커패시터가 증가하는 값을 가졌다.
본 연구를 통해 내장형 커패시터 필름의 유전율, 유동거동 및 경화거동에 대해 연구 되었고, 높은 유전율과 높은 유동거동 특성 및 높은 경화 시작온도를 가지는 내장형 커패시터 필름을 사용하여 실제 내장형 커패시터 제작 시 필름의 두께, uniformity 및 커패시터 밀도 특성에 영향을 미치는 온도, 압력 및 전극디자인에 대한 연구가 진행되었다.
