CN206672901U - 用于产生陶瓷基板的翘曲的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于产生陶瓷基板的翘曲的装置。该装置包括：支撑装置，其一侧设置有凸部或凹部；以及加载装置，其在面向支撑装置的凸部或凹部的一侧设置有与支撑装置的凸部或凹部分别对应的凹部或凸部。

Description

用于产生陶瓷基板的翘曲的装置

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(a)，要求2016年3月7日提交至韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2016-0027260的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本实用新型涉及一种用于产生陶瓷基板的翘曲的装置。

背景技术

作为所谓的结合有金属的陶瓷基板的电子电路板分布广泛，并且通过将诸如铜(Cu)和铝(Al)等金属结合到诸如氧化铝(Al₂O₃)和氮化铝(AlN)等绝缘陶瓷基板而用作半导体器件的元件。通过先进的电子技术，电子产品已经实现为高度集成化且轻、薄、短、小，并因此已经积极地进行了如下研究：将金属板结合到Si₃N₄陶瓷基板，以便改善结合有金属的陶瓷基板的散热特性和机械性能。

作为将陶瓷基板和金属板彼此结合成一体的方法，已经开发并商业化了直接覆铜(DBC)方法，其中，诸如铜板等金属板被设置为接触陶瓷基板，然后通过在铜和氧的共晶点(1065℃)至铜的熔点(1083℃)的温度进行加热，将铜板直接结合到基板。另外，还开发了通过活性金属钎焊方法(其中，金属电路板通过焊接材料层进行结合)制造的陶瓷电路板，并且该陶瓷电路板被应用于需要高可靠性的功率半导体等。

具有某些电路图案的电路板可以通过以下方式制造：将金属板结合到陶瓷基板，然后化学蚀刻结合有金属的陶瓷基板以形成期望的电路图案。最后，通过激光加工将所制造的电路板切割成单个产品，然后使用。

通常，尽管在将结合有金属的陶瓷基板切割成单个产品之后进行半导体安装过程，但是出于提高生产率和工作效率的目的，已经尝试应用具有相同图案的多重布置的一个电路板，而不是单体电路板。这种具有多重布置的电路板可以与将要利用激光束加工出的切割线一起使用。然而，因为具有多重布置的电路板比单体电路板大，所以由于基板翘曲，用于大规模生产的自动加工或通过真空固定的工艺转移可能是困难的。另外，可能在加载或转移处理期间发生因电路板的断裂而导致的缺陷。因此，已经进行了研究以改善具有多重布置的电路板的翘曲。

[现有技术文献]

[专利文献]

(专利文献1)韩国专利公开公报No.10-1280250

(专利文献2)日本专利公开No.2011-216533

实用新型内容

因此，为了满足上述要求，本实用新型的一个方面在于提供一种用于产生陶瓷基板的翘曲的装置和用于产生陶瓷基板的翘曲的方法。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于产生陶瓷基板的翘曲的装置。该装置包括：支撑装置，其一侧设置有凸部或凹部；以及加载装置，其在面向所述支撑装置的凸部或凹部的一侧设置有与所述支撑装置的凸部或凹部分别对应的凹部或凸部。

另外，根据本实用新型的另一个方面，提供了一种用于产生陶瓷基板的翘曲的方法。该方法包括：将包括一个或多个陶瓷基板的单元层叠在支撑装置上，所述支撑装置的一侧形成有凸部或凹部；通过在所述单元上设置加载装置来形成层叠单元体，其中，在所述单元的一侧形成与所述支撑装置的凸部或凹部分别对应的凹部或凸部；以及执行加热处理。

附图说明

图1是示出根据本实用新型的实施例的用于产生陶瓷基板的翘曲的装置的视图。

图2是示出根据本实用新型的另一实施例的用于产生陶瓷基板的翘曲的装置的视图。

图3是示出根据本实用新型的实施例的用于产生陶瓷基板的翘曲的单元体的视图。

图4是示出根据本实用新型的另一实施例的用于产生陶瓷基板的翘曲的单元体的视图。

图5是示出根据本实用新型的另一实施例的用于产生陶瓷基板的翘曲的单元体的视图。

具体实施方式

如果在结合有金属的陶瓷基板中使用的陶瓷基板中存在翘曲，则由于安装在陶瓷基板上的金属可能不容易结合，所以结合有金属的陶瓷基板的工作效率和生产率可能劣化。尽管陶瓷基板的翘曲被减轻，但是在金属层与陶瓷基板结合之后，会发生结合有金属的陶瓷基板的翘曲，并且在处理操作期间该翘曲可能对安装半导体和安放其它电子元件造成问题。在因陶瓷与金属之间的热膨胀系数的差异而在界面处产生的应力的作用下，发生结合有金属的基板的翘曲。用于电子电路图案的金属层被用于作为单个表面附接到陶瓷基板的顶表面或底表面，或用于附接到顶表面和底表面这两者。这里，金属层具有以下形状：多个相同的电路图案区域在基板的整个区域上以行和列重复布置(下文中，设置有金属层的基板称为“结合有金属的基板”)。

如果金属层结合在陶瓷基板的顶表面和/或底表面上，则由于金属在高温下具有比陶瓷的热膨胀系数大的热膨胀系数，所以陶瓷基板的外表面具有凹形形状，并且用作所述金属层的铜层的外表面具有凸形形状。在完成结合之后的冷却状态下，由于铜进一步收缩(与高温状态相反)，所以铜的外表面具有凹形形状，并且陶瓷的外表面具有凸形形状。因此，如果铜层连续地结合到相反表面上，则通过重复上述过程决定了结合有金属的基板的翘曲。因此，进行结合之前的翘曲状态显著影响结合之后的结合有金属的基板的翘曲。

此外，影响结合有金属的基板的翘曲的因素可能是陶瓷基板的图案形成。在结合有金属的基板中，在结合之后形成构造为构成电路的图案。因此，尽管通过在结合时施加相同的金属层来形成具有平坦形状的结合有金属的基板，但是由于形成有图案的表面上的铜层的面积小于在用于形成图案的蚀刻处理之后未形成有图案的金属层的面积，因此未形成图案的金属层的外表面具有凹形形状，并且形成有图案的表面具有凸形形状。也就是说，尽管陶瓷基板的翘曲是平坦的，但是当在结合金属层之后形成图案时可能发生翘曲，并且结合有金属的基板的翘曲可能随着蚀刻体积增加而增加。根据该图案形成的翘曲的发生随着陶瓷基板的厚度减小而受到更大影响，并且随着陶瓷基板的厚度增加而受到更小影响。在根据本实用新型实施例的实验中，如果陶瓷基板的厚度小于0.5mm，则形成有铜层的表面受到显著影响，如果陶瓷基板的厚度大于或等于0.5mm，则陶瓷基板的翘曲的影响是主要的。由于电子产品中变得轻、薄、短和小的趋势，因为不仅功率半导体的领域而且使用结合有金属的基板的工业电子产品优选厚度小于0.5mm的陶瓷基板，因此在本实用新型的实施例中通过选择0.38mm的厚度规格来进行实验。

当通过施加厚度小于0.5mm的陶瓷基板来制造结合有金属的基板时，本实用新型的发明人进一步研究出能够反向利用由形成为金属层的铜层的图案形成引起的翘曲发生。

具体地说，通过利用能够使翘曲存在于与结合有金属的基板的翘曲的方向相反的方向上的装置，有意地对陶瓷基板施加具有特定量的翘曲。考虑到当金属结合到陶瓷时由于陶瓷与金属之间的界面处产生的应力而在金属的方向上发生翘曲，如果使用在与翘曲发生的方向相反的方向上形成翘曲的陶瓷基板，则可以制造通过抵消应力而使翘曲最小化的结合有金属的基板。如果通过使用具有曲率的装置然后在适当的温度下进行再热处理来层叠烧结陶瓷基板，则可以对陶瓷基板施加预定的均匀翘曲。

为此，为了在陶瓷基板上产生均匀的翘曲，本实用新型提供了一种用于产生陶瓷基板的翘曲的装置，该装置包括：支撑装置，其一侧限定有凸部或凹部；以及加载装置，其在面向支撑装置的凸部或凹部的一侧限定有与支撑装置的凸部或凹部对应的凹部或凸部。

此外，根据本实用新型的用于产生陶瓷基板的翘曲的装置还可以包括中间装置，在中间装置中，在面向支撑装置的凸部或凹部的一侧限定有与支撑装置的凸部或凹部对应的凹部或凸部，并且在相反侧限定有与上述对应的凸部或凹部。

支撑装置101具有弯曲形状，以便在进行陶瓷基板的加热处理时，防止直接接触陶瓷的燃烧器并产生陶瓷基板的翘曲。

当进行如下所述的包括多个陶瓷基板的一个或多个单元的再加热处理时，中间装置103可以间隔开各个单元，并且还有助于实现翘曲的发生。

加载装置102可以通过在高温下对陶瓷基板施加负载而产生陶瓷基板的翘曲。加载装置102可以具有如下的材料：其作为在高温下具有高抗变形性和高导热性的陶瓷基材料被施加。

根据本实用新型的另一方面的用于产生陶瓷基板的翘曲的方法可以包括：将包括一个或多个陶瓷基板的单元层叠在支撑装置上，其中，支撑装置的一侧形成有凸部或凹部；通过在该单元上设置加载装置来形成层叠单元体，其中，该单元的一侧形成有与支撑装置的凸部或凹部对应的凹部或凸部；以及执行加热处理。

另外，根据本实用新型的用于产生陶瓷基板的翘曲的方法，单元的层叠步骤可以包括；层叠一个单元；将中间装置层叠在所述一个单元上，其中，所述一个单元的一侧形成有与支撑装置的凸部或凹部对应的凹部或凸部，并且所述一个单元的相反侧形成有与上述对应的凸部或凹部；以及将另一个单元层叠在中间装置上。

特别地，在根据用于产生陶瓷基板的翘曲的装置和用于产生陶瓷基板的翘曲的方法的单元体中，如果支撑装置具有凸部，则加载装置可以具有凹部，如果支撑装置具有凹部，则加载装置可以具有凸部，尽管在下文中描述了具有凸部的支撑装置或具有凹部的加载装置，但本实用新型不限于以下描述。

参考图1，用于产生陶瓷基板的翘曲的装置100可以包括：支撑装置101，其一侧限定有凸部；以及加载装置102，其在面向支撑装置的凸部的一侧限定有与支撑装置101的凸部对应的凹部。

另外，根据本实用新型的另一实施例，装置100还可以包括中间装置103，并且在中间装置103中，在面向支撑装置101的凸部的一侧限定有与支撑装置101的凸部对应的凹部，并且在其相反侧限定有与上述对应的凸部。

这里，限定在支撑装置101、加载装置102和中间装置103上的凸部或凹部相对于纵轴长度而言可以具有厚度方向上的0.3％至0.5％的翘曲，并且本实用新型中的“翘曲”表示相对于纵轴长度方向而言每个部件在厚度方向上的长度变形的百分比。

支撑装置101、加载装置102和中间装置103中的每一个可以包括从由Al₂O₃、SiC和Si₃N₄组成的组中选择的一者或多者。

根据本实用新型的实施例，在支撑装置101与加载装置102之间设置有厚度为0.2mm至1.0mm的一个或多个陶瓷基板，并且在1200℃至1500℃的温度进行加热处理，以在陶瓷基板中形成翘曲。此外，为了方便处理，可以通过层叠20至50片来设置陶瓷基板，如果层叠有20至50片的陶瓷基板作为一个单元，并且同时层叠两个以上的单元，则可以如图2所示那样提供以下结构：在单元之间设置中间装置103并层叠。

更具体而言，参考图3，根据本实用新型的实施例的用于产生陶瓷基板的翘曲的方法可以包括：将包括一个或多个陶瓷基板的单元204层叠在支撑装置201上，其中，支撑装置201的一侧形成有凸部；通过在该单元204上设置加载装置203来形成层叠单元体200，其中，该单元204的一侧形成有与支撑装置201的凸部对应的凹部；以及执行加热处理。

另外，参考图4，在用于产生陶瓷基板的翘曲的方法中，单元204的叠堆可以包括；叠堆一个单元204；将中间装置202层叠在所述一个单元204上，其中，所述一个单元204的一侧形成有与支撑装置201的凸部对应的凹部，并且所述一个单元的相反侧形成有与上述对应的凸部；以及将另一个单元204固定在中间装置202上。

另外，参考图5，三个以上的单元204可以被包括在层叠单元主体200中。在图4和图5中，与图3相同的附图标记表示具有相同功能的相同部件。

支撑装置201、中间装置202和加载装置203可以由彼此相同的材料或彼此不同的材料制成，并且支撑装置和中间装置可以包括从如下群组选择的一者或多者，该群组由Al₂O₃、SiC和Si₃N₄组成。

另外，加载装置可以包括从如下群组选择的一者或多者，该群组由Al₂O₃、SiC和Si₃N₄组成。

单元204可以包括厚度为0.2mm至1.0mm的板形的陶瓷基板，并且陶瓷基板可以包括从如下群组选择的一者或多者，该群组由Al₂O₃、SiC和Si₃N₄组成，并且陶瓷基板可以具有在单元204中层叠5至100片陶瓷基板的形状或在单元204中层叠20至40片陶瓷基板的形状，以提高处理效率。在对陶瓷基板进行热处理时使用的加载装置203可以具有如下的材料：其作为在高温下具有高抗变形性和高导热性的陶瓷基材料被施加。

在热处理中，加载装置203可以设定为具有2kg至10kg的重量。如果加载装置203具有小于2kg的重量，则由于施加到陶瓷基板的低压力而不能适当地实现翘曲，如果加载装置203具有大于10kg的重量，则由于过大的负载对陶瓷基板施加高压力而对陶瓷基板施加过大的应力，使得不能适当地产生具有所需范围的翘曲。

支撑装置201、中间装置202和加载装置203中的每一者的幅宽和宽度可以等于或大于单元204所包括的陶瓷基板的幅宽和宽度。

支撑装置201和中间装置202中的每一个可以具有如下的材料：其作为在高温下具有高抗变形性的陶瓷基材料被施加，该材料包括从如下群组选择的一者或多者，该群组由Al₂O₃、SiC和Si₃N₄组成，并且根据本实用新型的实施例该材料包括Al₂O₃。支撑装置201和中间装置202中的每一个可以具有2mm至20mm的厚度。

如果厚度小于2mm，则装置的耐久性不理想，如果厚度大于20mm，则可能因过大的负载对陶瓷基板施加应力而不理想。

这里，可以在1200℃至1500℃的温度进行加热处理，并且如果加热处理的温度小于1200℃，则不容易产生陶瓷基板的翘曲，如果加热处理的温度大于1500℃，则可能因高温而产生陶瓷基板的固定和断裂。

具体而言，根据本实用新型的实施例的加热处理可以包括将单元体设置在加热炉中，从而将温度从室温升高到1200℃至1500℃，将温度保持2小时至8小时，并将单元体冷却至室温。

在通过根据本实用新型的上述方法制造的陶瓷基板中，陶瓷基板在厚度方向上的翘曲可以相对于纵向长度具有0.3％至0.5％的变形率。

在下文中，尽管描述了本实用新型的实施例，但是本实用新型的范围不限于以下实施例。

陶瓷基板的制造

使用厚度为0.38mm、纵向长度为190mm的Al₂O₃基板作为陶瓷基板，其中，该Al₂O₃基板是通过在1600℃以上的温度对由流延法制造的成型体进行烧结而获得的。

使用装置加热陶瓷基板

实施例1

在通过层叠30片陶瓷基板来形成单元之后，制备具有与陶瓷基板、单元和加载装置相同的幅宽和宽度的支撑装置，以形成如图3所示的单元体。

这里，支撑装置具有5mm的厚度并且包括Al₂O₃，并且加载装置包括SiC并且具有3kg的重量。这里，支撑装置具有凸形形状和相对于纵向长度而言的厚度方向上的0.4％的翘曲，并且加载装置具有与支撑装置的凸形形状相反的凹形形状和相对于纵向长度而言的厚度方向上的0.4％的翘曲。

在加热处理中，将单元体设置在加热炉中，并且将加热炉内的温度从室温升至1400℃的温度，然后将该温度保持4小时。然后，将加热炉的内部逐渐冷却至室温，然后停止加热处理。然后，拆开单元体，以得到实施方式1的陶瓷基板。

实施例2

除了加载装置具有7kg的重量之外，通过与实施例1相同的方法形成单元体，然后通过进行相同的加热处理获得陶瓷基板。

实施例3

除了加载装置具有10kg的重量之外，通过与实施例1相同的方法形成单元体，然后通过进行相同的加热处理获得陶瓷基板。

实施例4

除了支撑装置和加载装置中的每一个具有0.3％的翘曲之外，通过与实施例1相同的方法形成单元体，然后通过进行相同的加热处理获得陶瓷基板。

比较例1-3

在比较例1和2中，除了支撑装置和加载装置中的每一个的翘曲和加载装置的重量为下表1中的数值之外，通过与实施例1相同的方法形成单元体，然后通过进行相同的加热处理获得陶瓷基板。在比较例3中，不进行加热处理。

结合有金属的基板的形成

实施例5-8和比较例4-6

首先，制备在实施例1-4和比较例1-3中制造的陶瓷基板。然后，将厚度为0.3mm的铜板设置为接触所制造的陶瓷基板，并且在引入有氮气的还原气氛中在1065℃至1200℃的温度加热该铜板，并且以直接覆铜(DCB)方法将该铜板结合到陶瓷基板的两个表面，从而制造一个表面上形成有图案表面的结合有金属的氧化铝基板。

测试实例

使用平坦度测量和分析系统(即，TherMoir(型号PS200))作为测量翘曲的装置。

在翘曲的测量方法中，制造相对于根据各个实施例和比较例制造的陶瓷基板或结合有金属的基板的十个产品，并且测量十个产品中的每一个产品的翘曲，以计算平均值。

表1表示在加热处理之前和加热处理之后的陶瓷基板的翘曲(mm)，表2表示在具有不同翘曲的陶瓷基板的金属结合处理之后结合有金属的陶瓷基板的翘曲(mm)。

[表1]

[表2]

*在表2中的用于结合有金属的基板的翘曲的平均值的符号(+，-)中，符号(+)表示图案表面的形成方向上的凸形形状，符号(-)表示在与图案表面的形成方向相反的方向上的凹形形状。

如表1和表2所示，陶瓷基板的翘曲表示为当加载装置具有3kg至10kg的重量时所需的翘曲，并且如果陶瓷基板的翘曲小于0.3％时，则结合有金属的基板的翘曲没有改善，并且可以看出，如果陶瓷基板的翘曲大于0.5％，则基板的翘曲沿相反方向形成，并且如果陶瓷基板的翘曲为0.3％至0.5％时，则结合有金属的基板的翘曲被最小化。

如上所述，根据用于产生陶瓷基板的翘曲的装置和使用该装置产生陶瓷基板的翘曲的方法，可以有意地在烧结陶瓷基板中产生翘曲，并且通过利用翘曲，当发生翘曲的陶瓷基板结合到金属层时，因陶瓷与金属层之间的界面处产生的应力差而引起的翘曲可以被抵消，因此可以减轻在根据现有技术的结合有金属的基板中发生的翘曲。

Claims (4)

1.一种用于产生陶瓷基板的翘曲的装置，所述装置包括：

支撑装置，其一侧设置有凸部或凹部；以及

加载装置，其在面向所述支撑装置的凸部或凹部的一侧设置有与所述支撑装置的凸部或凹部分别对应的凹部或凸部。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括中间装置，在所述中间装置中，在所述中间装置的面向所述支撑装置的凸部或凹部的一侧设置有与所述支撑装置的凸部或凹部分别对应的凹部或凸部，并且在相反侧设置有与所述中间装置的一侧的凹部或凸部对应的另一凸部或另一凹部。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，设置在所述支撑装置、所述加载装置和所述中间装置中的每一者上的凸部或凹部相对于每个装置的纵轴长度而言具有厚度方向上的0.3％至0.5％的翘曲。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述支撑装置、所述加载装置和所述中间装置中的每一者包括从如下群组选择的一者或多者，所述群组由Al₂O₃、SiC和Si₃N₄组成。