다층 세라믹 PCB 제조: 재료, 공정 및 응용에 대한 포괄적 인 가이드

다층 세라믹 인쇄 회로 기판(PCB)은 고온, 고주파 및 고신뢰성 전자 제품을 위한 중요한 기술로 부상했습니다. 유기 기판에 의존하는 기존 FR-4 PCB와 달리 세라믹 PCB는 알루미나(Al₂O₃) 또는 질화 알루미늄(AlN)과 같은 무기 재료를 사용하여 뛰어난 열 전도성, 내화학성 및 기계적 안정성을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 항공 우주 센서에서 전력 전자 제품에 이르기까지 극한 조건에서의 성능이 필수적인 응용 분야에서 없어서는 안 될 존재가 되었습니다.

이 가이드는 다층 세라믹 PCB 제조에 대한 자세한 개요를 제공하며, 재료 선택, 제조 단계, 주요 장점 및 산업 응용 분야를 다룹니다. 혹독한 환경을 위해 설계하는 엔지니어이든 생산 확장을 위한 제조업체이든 세라믹 PCB 제조의 뉘앙스를 이해하는 것은 잠재력을 최대한 발휘하는 데 필수적입니다.

다층 세라믹 PCB를 사용하는 이유는 무엇입니까?
세라믹 PCB는 특히 까다로운 시나리오에서 유기 기반 PCB의 중요한 제한 사항을 해결합니다.
1. 열 관리: 세라믹 기판은 FR-4보다 10~100배 더 나은 열을 전도하여(예: AlN은 180~220W/m·K, FR-4는 0.2~0.4W/m·K) LED 모듈 및 전력 증폭기와 같은 고전력 장치에서 과열을 방지합니다.
2. 고온 안정성: 세라믹 재료는 1,000°C까지 기계적 및 전기적 특성을 유지하는 반면, FR-4는 130°C 이상에서 저하됩니다.
3. 고주파 성능: 낮은 유전 손실(Df < 0.001 at 10GHz for Al₂O₃)은 5G, 레이더 및 위성 통신에 이상적입니다.4. 내화학성: 세라믹은 용제, 오일 및 부식성 가스에 불활성이며 산업 및 자동차 후드 아래 응용 분야에 중요합니다.
다층 설계의 경우 이러한 이점이 복합적으로 작용합니다. 세라믹 레이어를 쌓으면 열적 또는 기계적 무결성을 손상시키지 않고 고밀도, 고성능 회로를 구현할 수 있습니다.

다층 세라믹 PCB의 주요 재료

세라믹 기판의 선택은 성능, 비용 및 제조 복잡성에 직접적인 영향을 미칩니다. 가장 일반적인 세 가지 재료는 다음과 같습니다.
재료

b. AlN은 열이 많이 발생하는 설계(예: IGBT 모듈)에서 뛰어나지만 특수 처리가 필요합니다.
c. 지르코니아는 열 전도성보다 기계적 강성(예: 진동 저항)이 우선시되는 극한 환경에 사용됩니다.
다층 세라믹 PCB 제조 공정

다층 세라믹 PCB를 생산하는 것은 세라믹 재료의 깨지기 쉽고 고온 특성으로 인해 유기 PCB 제조와 크게 다른 정밀한 단계를 포함합니다.
1. 기판 준비
  a. 세라믹 분말 밀링: 원료 세라믹 분말(예: Al₂O₃)을 바인더(폴리비닐 부티랄), 용제 및 가소제와 혼합하여 슬러리를 형성합니다. 밀링은 입자 크기를 1~5μm로 줄여 균일한 밀도를 얻습니다.
  b. 테이프 캐스팅: 슬러리를 닥터 블레이드를 사용하여 캐리어 필름(PET)에 도포하여 얇은 그린 시트(0.1~0.5mm 두께)를 형성합니다. 이러한 시트를 건조하여 용제를 제거하고 유연하고 취급 가능한 “그린 테이프”를 만듭니다.
2. 레이어 패턴 형성

 a. 레이저 드릴링: 마이크로 비아(50~200μm 직경)를 그린 테이프에 드릴링하여 레이어를 연결합니다. 레이저 드릴링은 깨지기 쉬운 재료에 균열을 일으키지 않고 정밀도를 보장합니다. 기계 드릴링은 얇은 세라믹에 너무 부정확합니다.
 b. 금속화: 전도성 페이스트(일반적으로 텅스텐, 몰리브덴 또는 구리)를 그린 테이프에 스크린 인쇄하여 트레이스, 패드 및 비아 필을 형성합니다. 텅스텐과 몰리브덴은 고온 소결과 호환됩니다. 구리는 저온 공정(예: 900°C에서 동시 소성)이 필요합니다.
3. 레이어 적층 및 라미네이션

  a. 정렬: 그린 시트는 기준 마크를 사용하여 정렬하여 레이어 간의 비아 및 트레이스 등록을 보장합니다(공차 ±5μm).
  b. 라미네이션: 적층된 레이어를 50~100°C 및 10~30MPa에서 가압하여 단일 블록으로 결합하여 소결 중에 결함을 일으킬 수 있는 공극을 제거합니다.
4. 소결

 a. 바인더 소각: 적층된 라미네이트를 공기 또는 질소에서 300~600°C로 가열하여 유기 바인더를 제거하여 소결 중에 기포가 생기는 것을 방지합니다.
 b. 소결: 라미네이트를 고온(Al₂O₃의 경우 1,500~1,700°C, AlN의 경우 1,600~1,800°C)에서 소성하여 세라믹을 조밀하게 만들고 레이어를 융합합니다. 소결하는 동안 재료는 15~20% 수축합니다. 이는 설계 정확도에 중요한 고려 사항입니다.
 c. 냉각: 제어된 냉각(≤5°C/분)은 열 응력 및 균열을 최소화하며 특히 크거나 두꺼운 PCB의 경우 중요합니다.
5. 후처리

 a. 표면 금속화: 소결된 세라믹은 구리, 금 또는 니켈-금(ENIG)으로 금속화하여 납땜성을 향상시킵니다. 텅스텐/몰리브덴 레이어는 산화를 방지하기 위해 종종 니켈로 도금됩니다.
 b. 다이싱: 소결된 패널은 다이아몬드 톱 또는 레이저를 사용하여 개별 PCB로 절단하여 세라믹에 균열을 일으킬 수 있는 기계적 응력을 방지합니다.
 c. 테스트: 전기 테스트(연속성, 절연 저항) 및 열 테스트(적외선 이미징)는 성능을 확인합니다.
다층 세라믹 PCB 제조의 과제

장점에도 불구하고 세라믹 PCB는 고유한 제조 장애물을 제시합니다.
 a. 수축 제어: 15~20% 소결 수축은 정밀한 사전 소결 설계 스케일링이 필요합니다(예: 100mm 최종 PCB는 120mm 그린 시트가 필요함).
 b. 비용: 원자재(특히 AlN) 및 고온 공정으로 인해 세라믹 PCB는 FR-4보다 5~10배 더 비쌉니다.
 c. 취성: 세라믹은 취급 중에 균열이 발생하기 쉬우므로 특수 공구 및 부드러운 공정이 필요합니다.
 d. 설계 복잡성: 미세 피치 트레이스(<50μm)는 그린 테이프에 인쇄하기 어려워 HDI 유기 PCB에 비해 밀도가 제한됩니다.
다층 세라믹 PCB의 장점이러한 과제는 세라믹 PCB를 주요 응용 분야에서 대체할 수 없게 만드는 성능 이점으로 상쇄됩니다.

1. 뛰어난 열 관리: AlN 기반 PCB는 FR-4에 비해 LED 접합 온도를 30~40°C 낮추어 수명을 50,000시간에서 100,000시간 이상으로 연장합니다.
2. 고온 신뢰성: 자동차 엔진 베이(150°C+) 및 산업용 용광로(500°C+)에서 기능을 유지합니다.
3. 낮은 신호 손실: 10GHz에서 유전 손실 <0.001은 최소한의 신호 저하로 5G mmWave(28~60GHz) 및 레이더 시스템을 가능하게 합니다.
4. 내화학성 및 내습성: 해양 또는 산업 환경에서 오일, 연료 및 습기에 노출되는 것을 견딜 수 있습니다.
5. 치수 안정성: 실리콘에 가까운 열팽창 계수(CTE)(4~6ppm/°C)는 반도체 패키지의 솔더 조인트에 대한 응력을 줄입니다.다층 세라믹 PCB의 응용 분야
세라믹 PCB는 유기 PCB가 실패하는 환경에서 뛰어납니다.
 a. 항공 우주 및 방위: 미사일 유도 시스템, 레이더 모듈 및 엔진 센서(극한 온도 및 진동 허용).

 b. 전력 전자 제품: IGBT 모듈, 인버터 및 모터 드라이브(100kW+ 시스템의 효율적인 방열).
 c. LED 조명: 열 관리가 루멘 저하를 방지하는 고전력 LED 어레이(가로등, 산업 조명).
 d. 자동차: ADAS 센서, 전기 자동차(EV) 전력 모듈 및 배기 시스템 모니터(후드 아래 열 및 화학 물질에 저항).
 e. 통신: 5G 기지국 증폭기 및 위성 트랜시버(고주파 신호에 대한 낮은 유전 손실).
다층 세라믹 PCB와 대안 비교
기술
열 전도율(W/m·K)

최대 온도(°C)

  b. 적층 제조: 세라믹 레이어의 3D 프린팅을 통해 테이프 캐스팅으로는 불가능한 복잡한 형상(예: 내부 냉각 채널)을 만들 수 있습니다.
  c. 하이브리드 설계: 세라믹 및 FR-4 레이어를 결합하여 혼합 신호 시스템에서 성능과 비용의 균형을 맞춥니다.
FAQ
Q: 다층 세라믹 PCB의 최대 레이어 수는 얼마입니까?
A: 일반적으로 4~10개 레이어이며 적층 시 정렬 문제로 제한됩니다. 고급 공정은 특수 항공 우주 응용 분야의 경우 12~16개 레이어를 달성할 수 있습니다.

Q: 세라믹 PCB는 표면 실장 부품을 사용할 수 있습니까?
A: 예, 하지만 솔더 페이스트는 고온 부품용으로 설계되어야 합니다(예: 217°C에서 녹는 SAC305 솔더는 세라믹 PCB에서 작동합니다).
Q: 세라믹 PCB는 진동을 어떻게 처리합니까?

A: 깨지기 쉽지만 세라믹의 높은 기계적 강도(Al₂O₃의 굴곡 강도는 300~400MPa)는 충격 흡수 고정 장치로 적절하게 장착된 경우 진동이 발생하는 환경에서 사용할 수 있습니다.
Q: 세라믹 PCB는 RoHS를 준수합니까?

A: 예, 세라믹 기판 및 금속화 재료(텅스텐, 구리, 니켈)는 RoHS를 준수하며 유해 물질이 없습니다.
Q: 다층 세라믹 PCB의 리드 타임은 얼마입니까?

A: 프로토타입의 경우 4~6주, 대량 생산의 경우 8~12주(소결 및 후처리 단계로 인해).
결론

다층 세라믹 PCB는 극한 조건에서 작동하는 전자 제품을 위한 특수하지만 필수적인 기술입니다. 뛰어난 열 전도성, 고온 안정성 및 내화학성은 더 높은 제조 비용에도 불구하고 항공 우주, 전력 전자 제품 및 5G 응용 분야에서 대체할 수 없게 만듭니다.
재료 및 공정이 발전함에 따라(예: LTCC, 3D 프린팅), 세라믹 PCB는 더 접근하기 쉬워져 틈새 시장을 넘어 사용이 확대될 것입니다. 엔지니어와 제조업체에게는 차세대 전자 제품에서 잠재력을 최대한 활용하기 위해 고유한 제조 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다.