세라믹 기판 PCB 전문 가이드: 설계 모범 사례와 전문가 인사이트

기술 혁명으로 기존 CEM-3, FR-4가 열전도율 부족으로 퇴출되고, 고집적·우수한 방열 시스템(실외 고내열 환경)을 갖춘 회로 기판 수요가 급증하고 있습니다. 오늘은 세라믹 기판 PCB(Ceramic Substrate PCB)를 종합적으로 살펴봅니다.

세라믹 기판이란?

250°C 이하 고온에서 제조되며 열전도율 9~20W/m·K를 갖는 특수 공정 PCB. 구리 박막을 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 알루미나(Al₂O₃) 표면에 직접 본딩해 제작. 전기·열적 성능이 금속 코어 PCB보다 우수해 PCB 업계에서 주목받습니다.

알루미늄 위 동도금

세라믹 기판 PCB 장점

다양한 제품에 이상적인 다중 장점 보유:

소재적 장점

구리층에 산화층 미형성 → 환원 분위기에서 내구성 있게 사용 가능
강한 내화학 침식성, 다용도/기밀 패키지로 수분 흡수 방지
우주항공 고신뢰성, 우주선 내성, 유기 성분 없음
저열저항으로 고밀도 실장 가능
저고주파 손실, 우수한 전기 절연 → 가혹한 외부 환경 견딤
고온 납땜에도 우수한 납땜성
최대 350°C 안전 동작
낮고 강한 전기 저항 금속막 (알루미나 세라믹 PCB)
비용 효율적, 중장비 응용에 적합
더 매칭되는 열팽창 계수, 더 높은 열전도율

기술적 장점

LAM, DPC 기술이 DBC, LTCC 등 전통 기술 대체 중.

레이저 드릴링: 정밀, 고속, 고효율로 높은 응용 가치
세라믹-금속 회로층 간 우수한 전기적 특성, 높은 접합 강도
통공(Through-hole) 연결로 맞춤형 제품 솔루션 제공

전자 회로 기판 통공 도금

세라믹 기판 종류

소재별 분류

Al₂O₃ (알루미나)

전자 산업에서 가장 널리 쓰임. 전기·열·기계적 특성 우수, 다른 산화 세라믹 대비 화학적 안정성·고강도. 원료 풍부.

산화알루미늄 구조

용도: 다양한 형상 세라믹 제품 제조에 적합.

AlN (알루미늄 나이트라이드 세라믹 보드)

두 가지 핵심 특징:

Si와 매칭되는 열팽창 계수
높은 열전도율

단점: Al₂O₃보다 고가, 얇은 산화 표면층이 열전도율 저해. 공정/소재 제어로 일관성 좋은 제품 생산 가능. 기술 발전으로 가격 개선 기대.

용도: 전자 소재용 기판(패키지), 핫스팟 열전달용 히트싱크.

BeO (베릴륨 옥사이드)

금속 알루미늄보다 높은 열전도율로 고열전도 필요 용도에 적합. 독성 우려로 일반적 개발 제한.

결론: 알루미나 세라믹이 종합 성능 우위로 파워 모듈, 하이브리드 마이크로일렉트로닉스, 파워 일렉트로닉스 등 다분야에서 지배적. 고기계적 강도, 화학적 안정성, 우수한 유전/열 특성 제공.

제조 공정별 분류

동소성 세라믹 마이크로일렉트로닉

고온 동소성 다층 세라믹 (HTCC) 회로

1300°C 이상 고온 견딤. 윤활제, 산화알루미늄, 접착제, 가소제, 용제로 신소재 세라믹 제조 → 코팅 → 텅스텐/망간/몰리브덴 귀금속으로 회로 패턴 트레이싱 → 수소 가스 분위기에서 1300~1700°C, 48시간 소성. 고온 동소성으로 금속 도체 소재 선택 제한적.

저온 동소성 세라믹 (LTCC) 회로

결정 유리 소재 + 유기 바인더(접착제) 사용. 금 페이스트 도포된 금속 시트에 양 소재 적용 → 절단/적층 → 900°C 기체 오븐 소성.

장점: HTCC 대비 휨/수축 적음, 타 기판 대비 높은 기계적 강도/열전도율.

용도: 발열 없는 제품(LED 조명 등).

후막 세라믹 PCB (Thick Film Ceramic PCB)

세라믹 베이스에 금/유전체 페이스트 코팅 → 1000°C 이하에서 소성. 구리 산화 방지 능력으로 선호. 저항, 커패시터, 도체, 반도체, 상호교환 도체 등 전자 부품 실장 가능.

후막 기술

산화 방지 우려 시 우선 선택. 도전층 두께 13µm 이하 유지.

DBC (Direct Bonded Copper): 산소 함유 공융 용액으로 구리를 세라믹 회로 기판에 직접 본딩. 1065~1083°C 열역학 범위에서 세라믹-구리 사이 필요 O₂ 도입 → Cu-O 공융액 형성.
DPC (Direct Plate Copper)/동도금 기판: 세라믹 기판 전처리/세정 → 진공 코팅법으로 구리 금속 복합층 스퍼터링/본딩 → 황색광 리소그래피로 포토레지스트 재노광/현상/에칭 → 무전해/전해 도금으로 회로 두께 증대 → 포토레지스트 제거로 금속화 회로 완성.
LAM (Laser Activation Metallization): 고에너지 레이저로 금속/세라믹 이온화 → 두 성분 결합 성장 → 금속화 공정 중 견고성 향상.