Epoxy/ceramic embedded capacitor films (ECFs) were fabricated using $BaTiO_3$, $SrTiO_3$, specially formulated epoxy resin, and a latent curing agent by a comma roll coating method. Epoxy/ceramic ECFs has coat-ability on a releasing film, good flexibility, tackiness of an uncured film, good adhesion strength, and high temperature stability after cured. Using these ECFs, the capacitors were fabricated on an organic substrate. Their dielectric constants were characterized with a focus on the effects of ceramic fillers, and thermal properties of the ECFs were also characterized with a focus on the effects of epoxy matrix on reliability of the ECF capacitors.
Using $BaTiO_3$ and $SrTiO_3$, represented ferroelectric and paraelectric, epoxy/ceramic ECFs were fabricated and characterized in terms of dielectric constant, temperature dependency of capacitance, and dielectric constant at high frequency - GHz range. Dielectric constants of epoxy/ceramic ECFs increased with the volume fraction of the ceramic fillers. The measured dielectric constants of epoxy/ceramic ECFs are well fitted to the Lichtenecker equation, and using this equation, dielectric constants of the ECFs can be predicted. Epoxy/$SrTiO_3$ ECFs showed lower temperature-dependency of capacitance than epoxy/$BaTiO_3$ ECFs. The dielectric constants of epoxy/ceramic ECFs at high frequency, ranging from 1 to 10 GHz, were measured using a rectangular cavity resonator method. The dielectric constants of epoxy/$SrTiO_3$ ECFs at GHz frequency range were not changed with frequency, but those of epoxy/$BaTiO_3$ ECFs decreased above 5 GHz.
Thermal properties of epoxy/ceramic ECFs were closely related with those of the epoxy matrix. The temperature coefficient of capacitance (TCC) of ECF was increased abruptly at the glass transition temperature ($\sl{T}_g$) of the epoxy resin. Using multi-functional epoxy, the epoxy resin of the ECFs was newly formulated. A higher $\sl{T}_g$ and a lower coefficient of thermal expansion (CTE) were obtained by adding a multi-functional epoxy, and the capacitance changes decreased especially above the first $\sl{T}_g$. To evaluate the thermal stability of the epoxy/ceramic ECFs at high temperature, reflow test was performed after the moisture absorption test. The capacitances of the ECF capacitors decreased at high temperature after the moisture absorption test, and there was delamination at Cu/ECF interface. This delamination failure can be removed by optimizing the content of a curing agent, DICY, but the capacitances of the ECF capacitors decreased slightly compared to those of the conventional ECF capacitors. This deterioration of capacitance can be removed using a curing accelerator.
Epoxy/$BaTiO_3$ embedded capacitors were fabricated in an organic substrate using multilayer build-up process, common in PCB industry. It showed better dielectric properties and process-ability comparing to those of commercialized embedded capacitors. Using these ECFs, embedded capacitor was demonstrated in commercial memory module device. Their electrical performance was better than that of common memory module without embedded capacitors. And their reliability was qualified by multiple reflow test, high temperature storage test, 85$\degC$/85%RH test, pressure cooker test, pre-conditioning test, and thermal cycling test.
In summary, epoxy/ceramic ECFs were fully characterized, and embedded capacitor in organic substrates were successfully demonstrated using a conventional multilayer build-up process in PCB industry, and their electrical performance and reliability well qualified, also.
내장형 커패시터란 기존 기판 표면에 실장 되고 있는 커패시터 소자를 기판 내부에 구현하는 것을 일컫는 데, 그 유전 재료에 따라 고분자, 고분자/세라믹 복합체, 강유전 세라믹 후막, 상유전 세라믹 박막으로 나눌 수 있다. 이 중 고분자/세라믹 복합체는 가격대비 유전 특성이 우수하고 유기 기판 공정 적합성이 우수하여 가장 널리 연구되고 있다. 하지만 아직까지 고분자/세라믹 복합체에 대한 재료 물성에 대한 전반적인 이해와 실제 제품에 이를 적용하고 신뢰성을 검증하는 부분에 대해서는 연구가 부족한 실정이다.
본 연구에서는 높은 유전 특성을 갖는 $BaTiO_3$ 분말과 기존 유기 기판 재료로 가장 많이 쓰이고 있는 에폭시를 이용, 에폭시/$BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름을 개발하고 개발된 재료 물성 및 신뢰성에 관하여 살펴 보았다. 재료물성 측면에서는 내장형 커패시터의 유전특성에 미치는 세라믹 충진제의 효과, 온도 특성에 끼치는 에폭시의 영향, 그리고 에폭시 조성 최적화를 통한 내장형 커패시터의 열특성 개선에 관한 연구가 진행되었고, 최종적으로 개발된 내장형 커패시터 필름을 이용하여 유기 기판 내에 내장형 커패시터를 구현하고 그 전기적 특성과 신뢰성을 평가하고자 하였다.
1장에서는 문헌 조사를 바탕으로 이러한 내장형 커패시터의 기술 발전 배경과 기술 동향, 그리고 연구 방향에 관하여 다루었다.
2장에서는 세라믹 충진제가 내장형 커패시터 필름의 유전 상수에 미치는 영향에 관하여 고찰하였다. 특히 세라믹 충진제의 함량과 그에 따른 에폭시/세라믹 복합체의 유전 상수 변화가 정량적으로 측정되었고, Lichtenecker식을 이용하여 복합체의 유전 상수를 모델링 하였다. 에폭시/세라믹 내장형 커패시터 필름의 유전율은 세라믹 충진제의 함량에 따라 과도한 첨가에 의해 복합체 내부에 결함이 형성 되기 이전까지 세라믹 충진제의 함량에 따라 증가하였고, 상이한 분말의 혼합 시에도 범용적으로 적용되는 것을 확인하였다. 따라서 이 모델을 통하여 특정 유전 상수를 갖는 재료 조성을 제안할 수 있었고, 실제 실험 결과도 이와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 또한, rectangular cavity resonator 방법을 이용하여 내장형 커패시터 필름의 고주파 유전특성을 측정하였고, 커패시터 필름의 고주파 유전 특성이 세라믹 충진제의 유전 특성에 크게 영향 받는 것을 확인할 수 있었다. 강유전 특성을 갖는 $BaTiO_3$ 분말을 충진제로 사용한 에폭시/$BaTiO_3$ 내장형 커패시터 필름의 경우, $BaTiO_3$ 세라믹의 유전완화 구간과 유사한 5 GHz 근방에서 유전율이 감소하는 유전완화 현상이 발견되었고, 상유전 특성을 갖는 $SrTiO_3$ 분말을 사용한 에폭시/$SrTiO_3$ 내장형 커패시터 필름의 경우 10 GHz까지 유전율이 안정적으로 유지되는 것을 확인하였다. 온도에 따른 유전특성 역시 세라믹 자체의 특성에 따라 $BaTiO_3$를 사용한 경우, $BaTiO_3$의 상전이에 따른 유전 상수의 변화 거동이 관측되었고, $SrTiO_3$를 사용한 내장형 커패시터 필름의 경우, 온도에 증가에 따라 상전이 없이 유전율이 감소하는 $SrTiO_3$의 특성에 의하여 $SrTiO_3$ 함량이 증가함에 따라 온도에 따른 커패시터 필름의 유전율 증가가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 온도에 따른 x-ray 회절 실험 결과를 통하여 복합체 내부 세라믹 충진제들이 온도에 따른 동일한 상전이 현상을 갖는 것으로 설명할 수 있다.
3장에서는 내장형 커패시터의 열특성에 미치는 에폭시 수지의 영향을 살펴보았다. 내장형 커패시터의 온도에 따른 커패시턴스의 변화는 에폭시 수지의 유리전이온도 이후 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이러한 변화는 에폭시 수지의 유리전이온도를 변화시킴으로써 완화시킬 수 있었다. 본 연구에서는 기 개발된 내장형 커패시터 필름의 공정성은 유지하면서 고온 유리전이온도를 갖게 하기 위하여 다관능성 에폭시를 첨가하여 기존 유리전이온도에 추가적으로 고온 유리전이온도를 갖게 함으로써 기존 커패시턴스의 온도 의존성을 20%까지 개선할 수 있었다. 또한 기 개발된 내장형 커패시터의 고온 안정성이 실제 제품에 적용되었을 때, 솔더 리플로우 공정과 같은 고온 공정에서 불량을 야기시킬 수 있음을 실험적으로 확인하고, 경화 시스템 최적화를 통하여 고온안정성을 향상시킬 수 있었다. 이러한 불량의 원인은 경화 반응 이후 잔류하는 경화제(DICY)의 양과 밀접한 연관 관계가 있었고 경화제의 함량을 최소화하여 열안정성을 향상 시키고 최소화된 경화제에 의한 열기계적 물성 저하를 경화촉진제를 사용함으로써 방지할 수 있었다.
4장에서는 본 연구를 통하여 개발 되어진 내장형 커패시터 필름을 이용하여 실제 유기기판 공정에 적용, 내장형 커패시터를 유기 기판에 구현하였다. 각각의 기판 공정 변수들이 실험을 통하여 최적화되었고, 실제 제품에 내장형 커패커패시 적용되었을 때, 전압 안정성과 전자파 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
5장에서는 개발된 내장형 커패시터가 적용된 유기 기판의 신뢰성을 국제 규격(JEDEC)을 바탕으로 환경 신뢰성 평가 규격에 맞추어 평가하였다. 고온안정성 실험으로 Multiple reflow test, 고온저장실험이 진행되었고, 고온/고습 실험 (85$\degC$/85%RH), Pre-conditioning 실험, 열충격 실험, Pressure cooker test, 총 6가지 환경 시험이 이루어졌다. 신뢰성 실험 결과, 내장형 커패시터의 전기적 특성의 큰 변화가 없었고, 유전체와 전극 사이의 박리와 같은 기계적 결함도 없는 것으로 확인되었다.
