KR0148115B1 - 질화 알루미늄 및 질화 알루미늄-붕규산 유리 복합 재료를 포함하는 전자 패키지 - Google Patents

질화 알루미늄 및 질화 알루미늄-붕규산 유리 복합 재료를 포함하는 전자 패키지

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KR0148115B1
KR0148115B1 KR1019890018881A KR890018881A KR0148115B1 KR 0148115 B1 KR0148115 B1 KR 0148115B1 KR 1019890018881 A KR1019890018881 A KR 1019890018881A KR 890018881 A KR890018881 A KR 890018881A KR 0148115 B1 KR0148115 B1 KR 0148115B1
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해리슨 앤로 잭
윙-경 라우 존
와렌 라이스 로이
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윌리암 더블유. 맥도웰 쥬니어
더블유.알. 그레이스 앤드 컴페니-콘
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Abstract

내용없음

Description

질화 알루미늄 및 질화 일루미늄-붕규산 유리 복합 재료를 포함하는 전자 패키지(electronic package)
제1도는 실시예 1에서 제조된 전자 패키지의 평면도.
제2도는 2-2'선을 따라 절취한 제1도 패키지 모퉁이의 확대 사시도.
제3도는 바이아(via)와 금속 피복막을 보여주기 위하여 3-3'선을 따라 절취한 제2도의 개략적인 확대 단면도.
제4도는 미가공 리드 프레임(greenware lead frame)의 평면도.
제5도는 5-5'선을 따라 절취한 제4도의 리드 프레임의 단면도.
제6도는 제4도의 리드 프레임에 대한 복제물의 평면도.
제7도는 7-7'선을 따라 절취한 제6도 복재물의 단면도.
제8도는 금속이 피복된 미가공 밀봉 고리층의 평면도.
제9도는 9-9'선을 따라 절취한 제8도 밀봉 고리층의 단면도.
제10도는 제8도 밀봉 고리층에 대한 복제물의 평면도.
제11도는 11-11'선을 따라 절취한 제10도 복제물의 단면도.
제12도는 복제층들을 갖는 본 발명의 미가공 적층물의 단면 개략도(수직상의 규모는 과장된 것임).
제13도는 복제층을 갖지 않는 본 발명의 미가공 적층물의 단면 계략도(수직상의 규모는 과장된 것임).
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1:고밀도화 AlN베이스층 3:리드 프레임
5a,5b:리드 7:금속이 피복된 밀봉 고리
9:금속피복막 11:바이아
13:스크린 인쇄된 미가공 리드 프레임층
15,23:BN의 미가공 쉬이트(플러그) 17:BN의 미가공 쉬이트(프레임)
19,27:AlN-붕규산 유리 복합 재료(AlN-borosilicate glass composite) 미가공 쉬이트(플러그)
21:미가공 밀봉 고리층 25:BN 미가공 쉬이트 외부 고리
29:BN 미가공 쉬이트 고리
31:AlN-붕규산 유리 복합 재료 미가공 쉬이트의 고리
본 발명은 하나 이상의 세라믹 유리 복합재료층과 적층되어 있는 열 전도성 세라믹층을 가지는 완전 고밀도 세라믹 적층품과 그로부터 생성된 독특한 제품에 관한 것이다. 상기층들은 일부 또는 전부가 금속으로 피복 될 수 있으며, 집적 회로 소자들을 위한 전자 패키지의 조립에 필요한 전자 회로의 패턴 및 접지면등을 포함할 수 있다.
전자 소자의 패키지(또는 기판)는 기계적으로 지지되어있고, 전기적으로 접속될뿐만 아니라 집적 회로 소자들에 의해 발생된 열을 방산시키는 몇가지 기본적인 기능들이 있다. 상기 언급한 기계적인 지지 기능은 소자의 설치 또는 작동중 집적회로의 파괴를 방지할뿐만 아니라, 제품의 취급을 용이하게 해주며; 패키지 내부에의 전기적 접속(혹은 배선)기능은 집적 회로를 위한 전력 입력, 소자 사이의 상호 접속, 접지면등을 제공해주며; 열 방산 기능은 소자의 신뢰도를 감소시키고 소자를 파손시킬 수 있는 심한 열을 피하게 해준다.
증가된 기능, 증가된 전력 및 속도 향상을 포함하는 집적 회로의 성능 향상은 상기 언급한 전자 패키지의 기능보다 더 엄격한 조건을 요구한다. 이같은 경향은 증가된 배선 밀도 및 향상된 열 처리 능력을 갖는 패키지를 필요로 하게 만든다. 그 결과, 전자 패키지는 보다 나은 유전 및 열 성능을 갖는 유전 지지체로 구성되어야 한다. 동작 속도를 제한하는 도선내의 신호 전파의 지연을 감소시키기 위하여는 더 낮은 유전율이 요구된다. 유전율을 낮추면 이웃 도선들사이의 정전용량으로부터 초래되는 전기 잡음이 감소되기도 한다. 이는 배선 밀도가 증가함에 따라 보다 더 긴급히 필요한 것이다.
패키지의 열 성능 역시 중요한 고려 사항이다. 소자에 심한 가열을 피하기 위해서는 높은 열전도도가 요구되는데, 이는 성능과 신뢰도를 절충시킬 수 있는 것이다. 이에 덧붙여, 다소의 가열이 불가피한 까닭에 패키지의 열 팽창과 IC의 열팽창을 조화시키는 것이 요구된다. 열 팽창을 잘못 조화시키면 IC/패키지 접속면상에서 상당한 응력 및 기계적 파손이 초래될 수 있다. 현재의 주된 IC 재료는 약 3×10-6/℃(실온 내지 300℃)의 열 팽창 개수를 갖는 규소이다.
패키지의 신뢰도를 높이기 위하여 종종 세라믹이 선택되는데, 그 이유는 이들이 허용 가능한 가공 처리 규제내에서 전술한 성질의 가장 우수한 절충을 제공하기 때문이다. 세라믹 패키지는 거친 환경조건으로부터 IC 를 잘 보호해줄 수 있고, 또 종종 고 신뢰도가 요구되는 기밀 패키지 생산 능력을 향상시켜준다. 또한 이들 세라믹 패키지는 플라스틱 패키지보다 더 높은 영률을 가져 IC소자에 보다 나은 기계적 보호 작용을 제공해준다.
전자 소자의 패키지를 위한 열 전도율과 유전율의 중요성은 다음과 같은 두가지 광범위한 부류의 세라믹 패키지 재료를 유도해 내었다.:⑴비교적 높은 열전도율을 갖지만 비교적 높은 유전율을 갖는 재료 및 ⑵낮은 유전율을 갖지만 또한 비교적 낮은 유전율을 갖는 재료. 전자 소자의 패키지용 세라믹 재료의 선택은 부분적으로 특정 분야를 위한 유전율 및 열전도율의 상대적 중요성에 따라 종종 좌우된다.
열전도성 세라믹 패키지 재료의 부류중 알루미나(Al2O3)는 분명 가장 통상적으로 사용되는 것이다. 기타 유용한 것으로는 베릴리아(BeO)와 (보다 근래에는) 질화알루미늄(AlN)이 있다. 이들 재료의 가공 처리는 비교적 높은 소결 온도(약 1400℃ 내지 2000℃)를 그 특징으로 한다. 그러므로 이들은 내화성 금속(예: 텅스텐, 몰리브덴) 하고만 동시 연소가 가능하다. 표1에는 이들 재료의 대표적 성질이 기재되어 있다. 이들 각각은 이들이 특정 분야에 선택되도록 해 줄 수 있는 속성을 갖고 있다. 예를 들어 Al2O3는 가장 저렴한 가격에서 상당히 높은 열전도율을 제공하는 까닭에 가장 자주 선택된다. BeO와 AlN은 현재 상황으로 보아서 보다 더 값이 비싸지만 극도로 높은 전력이 요구되는 분야에 사용될 수 있는 상당히 높은 열전도율을 제공해준다. BeO는 다른 두가지 재료보다 상당히 낮은 유전율을 갖는다는 추가의 장점을 제공한다. 하지만 그의 분진이 갖는 독성은 이것이 고도로 개발되고 사용되는 것을 제한해왔다. AlN은 높은 열전도율외에도 규소와의 열 팽창 조화가 BeO나 Al2O3보다 훨씬 우수하다는 장점을 제공한다.
규산염을 기제로 하는 재료는 세라믹 재료용으로 가장 낮은 유전율을 갖기 때문에, 낮은 유전율의 세라믹을 제조하고자 하는 시도는 일반적으로 이들 재료를 사용하는 것이었다. 규산염-기계의 세라믹중 대다수는, 이들이 비교적 낮은 온도(예:800 내지 1000℃)에서 완전밀도에 가깝게 소결된다는 점에서 추가의 장점을 제공한다. 이같은 현상은 이들이 구리, 금, 은같이 보다 더 전도성 있는 금속의 소결과 양립되게 해준다. 이같은 전도성 금속을 사용하면 도선내의 극한 가열이 감소되고, 또 이들 도선을 가로지르는 전압 강하가 감소된다.
이는 고밀도의 미세 배선이 디자인된 패키지를 위해 상당히 중요한 것일 수 있다. 그러나 규산염을 기제로 하는 재료와 연관된 한가지 문제점은 이들이 전형적으로 낮은 열전도율이라는 약점을 갖는다는 것이다. 이에 대응하기 위해서, 유전율과 열전도율 사이의 더 나은 균형을 제공하도록 규산염 매트릭스 속에 열전도성 미립 재료를 포함하는 복합 재료가 고려되고 있다. 문헌에 보고된 그러한 복합 재료의 열전도율은 알루미나의 열전도율보다 훨씬 작다. 이같은 사실은 이들의 사용을 상당히 제한한다.
Figure kpo00001
전자소자의 패키지를 위한 세라믹-유리 복합 재료에 대한 예를 문헌에서 찾아볼 수 있다. 예컨대, 900℃하에 공기중에서 소결될 수 있고 그 자체가 금 및 은-팔라듐 금속과 양립될 수 있는 유전율 7.5의 유리/세라믹 재료가 연구자들에 의해 기재된 바 있다(NEC Res. Develop., No. 75, Oct. 1984, pp. 8-15 참조). 이들은 0.042 W/cm2K의 열전도율과 42 × 10-7/℃(실온 내지 250℃)의 열 팽창 계수를 보고하였다. 이들은 알루미나:붕규산납 유리의 중량비가 55:45라고 지적하였다. 주어진 밀도 정보와 합해져서, 이것은 약 46:54의 알루미나:유리 부피비로 변환된다.
1988.1.20일자 공고된 유럽 특허 출원 제 253 342호(Nair, K. M)에는 알루미노 붕규산 유리와 AlN을 포함하는 후막 유리 세라믹 유전체 조성물이 기재되어 있다.
미합중국 특허 제 4,313,026호에는 붕규산 유리-알루미나 복합재료와 알루미나 소결 평판으로 이루어진 유전층들을 갖는 다층 회로판이 기재되어 있다. 이 특허에는, 50 중량%이상의 유리가 복합재료의 높은 밀도를 보장한다는 기재가 있다. 유리가 40 중량%일때는 복합재료의 밀도가 80% 미만이라고 한다. 가장 바람직한 유리/세라믹 복합재료는 50 중량%의 유리와 50 중량%의 알루미나로 구성된 것이다.
이것을 상기 특허에 주어진 밀도 정보와 조합하면 약 65 부피%의 유리와 35 부피%의 알루미나로 변환된다. 이같은 바람직한 조성물의 성질은 0.04 W/㎠K의 열전도율, 45 × 10-7/℃의 열 팽창 계수 및 유전율이었다.
E.I. 듀퐁 디 내모아 엔드 캄퍼니에 근무하는 연구자들은, 금, 은 및 은-팔라듐 금속과 동시 연소될 수 있는, 전자부품 포장 분야용 저온 연소용 세라믹 복합 재료의 성질을 기술해 놓았다.(참조:Eustice, A.L. et al, Low Temperature Co-firable Ceramics; A New Approach for Electronic Packaging, Proceedings-Electronic Components Conference 36th Publication by IEEE, New York, NY, pp.37-47[1986].) 매트릭스 상(相)이 유리이고 충전재상이 내화성 재료라고 말한 것을 제외하곤 이 복합재료의 조성이 명시되어 있지 않다. 이 복합재료의 성질로서 보고된 것중에는 70 × 10-7/℃의 열 팽창 계수 및 8.0의 유전율이 포함된다. 이 복합재료의 열전도율은 96% 알루미나에 대한 값의 15 내지 25%라 보고되었다. 96% 알루미나의 열 전도율이 0.25W/ cm2K라 가정할 때(문헌에 보고됨), 보고된 비율은 이 복합재료의 열 전도율의 경우 0.037 내지 0.062W/cm2K에 해당될 것이다.
세라믹 입자, 중합체 및 광물성 오일의 균질 3-성분 혼합물, 쉬이트로의 성형 및 용매 추출 또는 가열에 의한 오일의 제거는 공지되어 있는 것이다. 예컨대, 미합중국 특허 제 3,904,551호를 참조할 수 있다.
본 발명은 열전도성 베이스, 낮은 유전율의 복합 재료층들 및 전도성 금속 피복 막으로 이루어진 다층 세라믹 전자 패키지의 제조기술을 제공함으로써, 전술한 선행 기술보다 분명히 나은 개선점을 제공해 준다. 낮은 유전율의 재료는 패키지상의 전기 회로층들을 지지해 줄 수 있으며, 열전도성 베이스는 IC소자로부터 발생한 열을 방산시키는데 효과적이다.
본 발명의 한가지 목적은, 우수한 기능을 발휘할 수 있는 세라믹 유전체의 사용을 통하여 전체 성능이 개선될 수 있도록 해주는 세라믹 전자 패키지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 한가지 목적은 AlN과 AlN/붕규산 유리 복합 재료로된 유전층들을 갖는 세라믹 전자 패키지를 제공하는 것일 뿐만 아니라 그러한 패키지의 제조 방법을 제공하는 것이기도 하다.
본 발명의 다른 목적은, 여기에 기재된 세라믹 복합 재료와 전기 전도성 금속을 사용하여, 상호 접속된 전기 전도성 회로 패턴의 단일층 혹은 다수층을 가진 세라믹 전자 패키지를 제조하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 전자 패키지용 유전체로 사용될 경우 전체 성능이 향상되도록, 규소와의 우수한 열 팽창 조화, 우수한 열전도율 및 낮은 유전율을 갖는 세라믹 복합 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은, 상기 세라믹 복합 재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전자 패키지용 유전체로서, 구리, 금 또는 은같은 전도성이 높은 금속과 함께 연소될 수 있는 개선된 성능의 세라믹 복합 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 기타 다른 목적들은 다음의 기재내용을 읽어봄으로써 자명해질 것이다.
본 발명은 열전도성 세라믹이 하나 이상의 세라믹-충전 유리 복합재료층과 층층이 접촉되어있는 완전 고밀도 세라믹 적층품 및 그러한 적층품의 제조방법에 관한 것이다.
층의 일부 혹은 전부가 금속으로 피복될 수 있으며, 그 자체가, 집적회로(IC) 소자용 전자 패키지 조립에 요구되는 전자 회로 패턴, 접지면등을 함유할 수 있다. 본 발명의 중요한 결과는, 개선된 성능을 가진 다층 세라믹 전자 패키지가 생산될 수 있다는 것인데, 그 이유는 세라믹 유전체가 우수한 기능을 발휘할 수 있는 패키지 내 위치에서 상기 유전체를 선택적으로 사용할 수 있기 때문이다.
본 발명의 공정중에는 완전 고밀도 열전도성 세라믹 베이스와 세라믹-충전 유리 복합재료의 미가공 쉬이트(green sheets)를 포함하는 적층품의 고온 압축 단계가 포함된다. 고온 압축은, ⑴ 광범위한 조성물의 고밀도화 및 ⑵ 미가공 세라믹 복합 재료 쉬이트(들)을 고밀도 세라믹 베이스상에 일방 압밀(unidirectional consolidation)시키는 것을 허용하므로 이같은 시도에 있어 매우 중요한 것이다.
상기한 제⑴항과 관련하여, 본 공정은 통상의 소결법에 의해 얻을 수 있는 것보다 높은 미립 충전재 함량 및 낮은 유리 함량을 허용해준다.
결과적으로 더 높은 열전도율과 아울러 더 우수한 기계적 성질(예:강성)의 획득이 가능해진다. 본 공정의 일방 압밀 양상은 압밀도중 미가공 복합 재료 쉬이트(들)의 횡방향 수축으로 말미암은 층간 분리/또는 실질적인 계면 응력을 효과적으로 제거한다.
냉각시의 실질적인 계면 응역 및/또는 균열을 방지하기 위하여, 세라믹 베이스와 복합 재료가 처리 온도 범위 전반에 걸쳐 우수한 열 팽창 조화를 갖는 것도 역시 중요하다. 고밀도 세라믹 베이스 및/또는 미가공 세라믹 쉬이트들은, 고온 압축 단계 이전에 예컨대 스크린 인쇄 금속 잉크에 의하여 금속 피복을 시킬 수 있다. BN의 미가공 쉬이트를 사용하여 비(非) 평면성의 형상(예:공극)을 만들어내고 적층품 요소들(즉, 유전체 또는 금속)과 고온 압축 용구 사이의 원치않는 화학적 상호 작용을 방지한다. 본 공정의 바람직한 실시형태에서는, 비-평면성 형상이 요구되는 경우 복합재료 층의 균일한 고밀도화를 보장하기 위하여 복제(replication) 기술 (아래에 기술됨)이 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서는 (a) 고밀도의 열전도성 AlN베이스, (b) 붕규산 유리 매트릭스속에 AlN미립자를 함유하는 낮은 유전율의 세라믹 복합 재료 및 (c) 구리 금속 피복막이 사용된다. 복합 재료층과 구리를 동시에 압밀시킬 수 있는데, 이로써 모두 AlN베이스에 의하여 지지되어 있는 여러 수준의 구리 피복막 및 유리 복합 재료가 만들어진다. 상기 재료들을 사용하는 패키지를 예로들어 기재하기로 한다. 이 예에 있어서 높은 전도성의 금속 리드가 비교적 낮은 유전율의 재료에 의하여 지지됨으로써 패키지 성능이 최적화되지만, 효율적인 열 전달을 허용하기 위하여 집적 회로를 열전도성 베이스위에 직접 장착시킬 수 있다.
본 발명은 고밀도 열전도성 베이스 및 낮은 유전율의 고밀도 세라믹층(들)로 구성된 고밀도 다층 세라믹 적층품의 생산을 포함한다.
유전층의 일부 혹은 전부는 금속 피복막을 전기 회로 패턴, 접지면등의 형태로 지탱하고 있을수 있다. 각기 다른 층에서의 금속 피복막은 전도성 바이아(vias)에 의하여 유전층들을 통해 전기적으로 접속될 수 있다. 이러한 금속 피복 세라믹 적층품은 세라믹 전자 패키지로서 유용하며, 단일 유전체를 사용하는 동시 연소 패키지에 비하여 상당한 개선점을 제공한다. 생산 방법은 고밀도의 열전도성 베이스와 낮은 유전율의 미가공 세라믹 쉬이트들로 구성된 적층품의 고온압축을 포함한다.
열전도성 베이스의 목적은 집적 회로 소자를 지탱하고 소자로부터 열을 방산시키고자 하는 것이다. 베이스는 그 자체로서 IC재료와의 우수한 열 팽창 조화를 지녀야 한다. 최근 가장 널리 사용되는 IC재료는 규소(Si)이다. AlN은 높은 열 전도율, 낮은 유전율 및 Si와의 우수한 열 팽창 조화라는 면에서 가장 우수한 성질을 조합하여 제공하므로, 베이스층으로서 바람직한 재료이다. 세라믹 패키지내의 금속 피복막을 지탱하기 위하여 낮은 유전율의 재료로된 층(들)을 사용한다. 이 재료의 한가지 요건은, 실질적인 계면 응력을 방지하기 위해 이것이 열전도성 베이스와의 우수한 열 팽창 조화를 이루어야한다는 것이다. 많은 적용 분야에 있어, 낮은 유전율을 가진 재료의 층(들)은 기밀 패키지 생산에 필요한 단계 및/또는 공극을 제공하기 위하여 상당한 두께(예컨대 0.064㎝(0.025인치))를 가져야 한다.
본 발명의 주된 공헌은 낮은 유전율, 상당히 우수한 열 전도율, 우수한 강도 및 AlN와의 우수한 열 팽창 조화를 지닌 세라믹 복합 재료의 개발에 있다. 이 혼합물을 복합 재료라 부르기로 한다.
이 복합 재료는 분말을 1000℃미만에서 고밀도로 고온압축시킴으로써 압밀될 수 있으므로, 구리, 은, 금같은 전도성 금속과의 동시 연소가 가능하다.
세라믹 복합 재료는 붕규산 메트릭스 내의 AlN미립자로 구성되는 것이 바람직하다. 붕규산 유리의 조성은 표2에 기재되어 있다. AlN 미립자는 복합 재료에게 높은 열 전도율을 제공해주고 적당한 유전율(9.0)을 갖는다. 붕규산 유리는 AlN와의 우수한 열 팽창 조화를 부여해준다. 이러한 조화는 고온 압축기 내에서의 고밀도화 이후 냉각을 할때 AlN-붕규산 유리 복합 재료내에서와 복합 재료/AlN계면에서의 잔류 응력을 최소화해 줄 것이다. 그러한 응력이 상당한 것이라면 지효 균열 생장 및 기계적 파손을 야기할 수 있다. 또한 붕규산 유리는, 생성된 복합 재료의 유전율이 낮아지도록, AlN보다 상당히 낮은 유전율을 갖는다. 붕규산 유리는 우수한 화학적 안정성을 갖기도 한다. 끝으로, 그리고 매우 중요한 사항으로써, 붕규산 유리의 유리전이온도는, AlN-붕규산 유리 복합 재료가 1000℃미만에서 혼합 분말로부터 고밀도로 고온 압축될 수 있을만큼 충분히 낮은 것이다.
Figure kpo00002
대부분의 세라믹 분말 가공 처리에서처럼 AlN 및 붕규산 분말의 평균 입자 크기는 고밀도화의 용이성을 촉진시키기에 충분히 미세한 것이어야 하지만 과도한 응집이 발생할만큼 미세해서는 아니된다.
이같은 목적상, 약 0.1 내지 20 미크론의 범위에 있는 평균 입자 크기가 바람직하다. AlN과 붕규산 유리 입자는 고온 압축 단계에서 균일한 혼합 및 우수한 고밀도화를 증진시키기에 합당한 크기인 것이 바람직하다. 처음엔, 실시예 1에 기재되어 있는 바와 같이 습식 또는 건식 분쇄에 의하여 AlN입자와 붕규산 유리 입자의 균질 혼합물을 제조한다.
복합 재료내의 열전도율을 최적화시키기 위하여, AlN 함량을 최대화하면서도 고온 압축기내 소결도중 완전 고밀도(무공:無孔)의 미세구조를 달성하는 것이 바람직하다. 이같이 낮은 가공 처리 온도에서 AlN은 비교적 비활성이므로, 소결도중 고밀도화를 이루는 것은 붕규산 유리이다. 기공성을 없애기 위해서는 AlN 입자들 사이의 간격을 메우기에 충분한 유리가 존재하는 것이 필요하다. 충분한 유리가 사용된다할지라도, 소결에 의한 완전 밀도는 모든 AlN간격속으로의 흐름을 방해하는 유리의 높은 표면 장력 및 점도에 의해 제한을 받을 수 있다. 유리 흐름의 방해는 고온 압축기 내에 외부 일축 압력을 적용함으로써, 본 발명에서 크나큰 정도로 까지 극복된다.
그러므로 본 발명의 방법은 AlN의 높은 부피 분율하에서 복합 재료내에 완전 밀도가 이루어지도록 해준다. 바꾸어 말하자면, 이는 복합 재료내에 더 높은 열전도율이 달성됨을 의미하는 것이다. AlN:붕규산 유리의 중량비는 약 1:0.45 내지 0.70, 바람직하게는 약 1:0.53 내지 0.65일 수 있다. 고온 압축되어 고밀도화된 상태의 복합 재료는 필수적으로 붕규산 유리 매트릭스 내의 AlN 입자로 구성된다.
본 발명에 따른 고온 압축 AlN-붕규산 유리 복합 재료의 전형적인 대략적 물성중에는, 하기의 것들이 포함된다:
열전도율; 0.07 W/cm2K.
열 팽창 계수; 4×10-6℃-1.
유전율; 6.5
밀도; 2.6 내지 2.7gm/cm3
간단히 말해서, 본 발명의 두드러진 점(AlN 베이스와 AlN-붕규산 유리 복합 재료층(들)로 이루어진 고밀도 적층품 생산시에 적용되도록 해주는)은, (1) AlN 및 붕규산 유리 분말이 함유된 미가공(green) 쉬이트(들)을 제조하고, (2) 미가공 쉬이트(들)을 고밀도 AlN 재료에 적층시키고, (3) 적층품을 고온 압축시켜 복합 재료를 고밀도화시키는 것을 포함한다. 적층 단계 이전에 금속 피복막 패턴을 미가공 쉬이트 및/또는 고밀도 AlN에다 적용시킬 수 있다. 복합 재료 시이트속에 표면 공극을 만들기 위해, 금속이 피복되거나 피복되지 않은 AlN을 노출시키기 위해, 그리고/또는 패키지가 고온 압축 용구(예:흑연)과 불리한 상호 작용을 하지 못하도록 BN 쉬이트를 사용한다.
고온 압축에 적합한 미가공 쉬이트(복합 재료 및 BN)의 제조 방법 및 결합제 시스템이 상기한 USSN 제 148,829호에 기재되어 있다.
간단히 말해서 이 방법은, (1) 세라믹 분말, 중합체 결합제(예:폴리에틸렌) 및 가소제(예:광물성 오일)를 고온(예:160℃)에서 배합하고, (2) 배합된 혼합물을 다이를 통한 압출등의 공정에 의하여 쉬이트로 성형하고, (3) 적합한 용매 내에서의 추출에 의해 가소제를 추출시키는 단계를 포함한다. 광범위하게 말해서 쉬이트 배합물은 하기 성분들을 포함할 수 있다.:
(a) AlN/붕규산 유리 분말 혼합물 약 75 내지 76 중량부;
(b) 결합제 약 3 내지 5 중량부; 및
(c) 가소제 약 20 내지 21 중량부.
오일 또는 기타 가소제를 제거하면, 필수적으로 AlN입자, 붕규산 유리 입자 및 결합제로 구성된 쉬이트가 남게된다. 이 시스템의 장점은 전술한 특허출원에 완전 검토되어 있다. 세라믹 미가공 쉬이트를 제조하기 위한 이 기술의 제 1의 장점은, 그 결과의 결합제(예:폴리에틸렌)가 산소 부재하의 열분해시에 눈에 띨만한 잔류물을 남기지 않는다는 것이다. 이같은 사실은, 이 기술이 쉽게 산화되는 세라믹(예:AlN) 및 금속(예:구리)의 가공 처리와 양립될 수 있게 해준다. 더 나아가 그 같은 사실은, 이 공정이, 통상 흑연용구를 사용하는 통상적인 고온 압축 기술과 양립될 수 있게 해준다.
광물성 오일을 제거하면 필수적으로 AlN-붕규산 유리 입자와 결합제로 구성된 쉬이트가 남게된다. 물론 이들 두 재료는 출발 혼합물에서와 같은 비율로 존재할 것이다. 실시예 1에 있어 세라믹 분말의 비율은 (45.6＋29.7)/(45.6＋29.7＋4.2)=94.7%이고, 나머지는 결합제(폴리에틸렌)이다. 광범위하게 말해서, 오일 추출 이후 미가공 쉬이트는 필수적으로 하기 성분들의 균질 혼합물로 구성된다:
AlN분말, 약 57 내지 62.7 중량%;
붕규산 유리 분말, 약 32.8 내지 37.8 중량%; 및
결합제, 전체를 100 중량%로 만들기위해 필요한 양.
상기 결합제는 산소 부재하의 열분해시 바람직하지 못한 잔류물을 남기지 않는 물질이다. 바람직하게는, AlN분말이 약 57.4%이고, 붕규산 유리 분말이 약 37.3%이며, 결합제가 폴리올레판, 예컨대 폴리에틸렌이다.
추출 단계 이후, 쉬이트를 원하는 측방 치수로 자를 수 있다.
가장 간단한 방법으로서, 쉬이트를 열전도성 베이스의 외부 치수에 맞추어 자를 수 있다. 그러나 비-평면성 형상이 바람직할 것이라고 생각되는데, 그 이유는 이같은 형상이, 본 발명이 갖는 장점을 보다 더 완전하게 사용될 수 있도록 해주기 때문이다. 표면 공극은, 공극이 요구되는 곳의 구역에서 쉬이트를 자른뒤, 이러한 절단 구역을 같은 치수의 BN 쉬이트로 채움으로써 만들어진다. BN은 쉽게 고밀도화되지 않으므로, 고온 압축 단계중에 공극의 형상을 유지시키는 역할을 해준다. 고온 압축후, BN은 그릿 발파 및/또는 세척에 의하여 쉽게 제거된다. 절단 작업으로부터 남은 조각들(미가공 세라믹과 BN)은 다음에 기재될 복제 쉬이트 생성을 위해 비축해둔다.
절단한 후 고온 압축 단계에 앞서, 미가공 세라믹 쉬이트들과 고밀도 베이스를 예컨대 스크린 인쇄용 금속 잉크에 의하여 적절하게 금속 피복시킬 수 있다. 구리는 전술한 AlN-붕규산 유리 복합 재료시스템과 양립될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 금, 은, 은/팔라듐합금등도 유용한데, 그 이유는 복합 재료가 이들 금속의 통상적 소결온도이거나 그보다 조금 낮은 약 900℃의 온도에 의하여 완전히 고밀도화될 수 있기 때문이다.
인접 쉬이트들의 상부 표면과 전기적 접속을 시키기 위하여 미가공 쉬이트속에 바이아를 배치할 수 있다. 바이아는 통상적 금속-함유 페이스트에 의해 충전될 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 USSN 제148,829호에 기재된 바와 같이 금속 분말과 폴리에틸렌의 균질 혼합물같은 미가공 테이프로 충전시키는 쪽을 더 선호한다. 그러한 혼합물은 앞서 기재한 미가공 쉬이트 과정 이후 트리클로로에탄 또는 헥산을 사용한 추출에 의해 광물성 오일 가소제를 제거함으로써 쉽게 제조된다. 그러한 테이프는 일반적으로 페이스트보다 더 높은 금속 적하량을 제공하며 바이아로 쉽게 펀칭(punch)된다. 금속은 Cu, W, Me, Ag, Au, Ag-Pd등의 통상적인 것일 수 있다.
적층 단계는 일체식 미가공체의 생성을 위하여 고온 압축 단계에 앞서 유용한 것이다. 적층은 전도성 층의 정합(整合)을 보장하고, 분진 및 취급으로 인한 오염을 최소화해준다. 전술한 결합제 시스템의 경우 적합한 적층 조건은 약 110℃의 온도 및 200psi의 압력이다.
이제, 도면을 자세히 살펴보기로 한다.
제1도에서는 금속막으로 피복된 고밀도화 AlN 베이스⑴가 도시되어 있다. 고밀도화 AlN-붕규산 유리 복합 재료층은 AlN층(1)에 결합된 리드 프래임(3)으로서 도시되어 있다. 다수의 리드(5a, 5b등)가 리드 프레임(3)상에 도시되어 있다. 역시 고밀도화 AlN-붕규산 유리 복합 재료로 만들어진 금속 피복 밀봉 고리(7)가 프레임(3)에 결합되어 있다.
제3도는 바이아(11)와 금속 피복층(9)이 도시되어 있다(확대도).
제4내지 12도에는, 본 발명자들의 바람직한 복제 기술을 이용하여, 제1도 내지 제3도의 패키지를 제조하기 위한 개개의 층 및 고온 압축용 미가공 적층품의 최종 조립체가 도시되어 있다.
(주:제4내지 13도에서의 모든 미가공 쉬이트는 이하 기술되는 바와 같이 세라믹 분말, 결합제 및 가소제로 배합한 것이다)
제4도에는 리드(5a,5b등)를 갖는 스크린 인쇄된 미가공 리드 프레임층(13)이 도시되어 있다. 프래임(13)은 AlN-붕규산 유리 복합 재료이다. 이것은 BN(15)의 미가공 쉬이트(플러그)를 둘러싼다.
제6도에는 제4도의 미가공 리드 프레임에 대한 복제물이 도시되어 있는데, 이것은 AlN-붕규산 유리 복합 재료 미가공 쉬이트(플러그)(19)를 둘러싸는 BN(17)의 미가공 쉬이트(프레임)으로 구성된다.
제8도에는 AlN-붕규산 복합 재료 금속 피복 밀봉 고리층(21)이 도시되어 있다. 이 밀봉 고리(21)는 BN 미가공 쉬이트(플러그)(23)를 둘러싸며 BN 미가공 쉬이트(외부 고리)(25)에 의해 둘러싸여진다.
제10도는 제8도의 복제물로서, AlN-붕규산 유리 복합 재료(27)(플러그)가 도시되어 있다. 이 쉬이트(27)는 BN 미가공 쉬이트고리(29)에 의해 둘러싸여지고, 이 고리(29)는 AlN-붕규산 복합 재료 미가공 쉬이트의 고리(31)에 의해 둘러싸여진다.
제12도에는 고온 압축을 위해 조립되어 있는, 제4내지 11도에 기재된 모든 층들을 포함하는 결합 복제 적층품이 도시되어 있으며, 또한 BN 미가공 쉬이트의 층(33)도 도시되어 있다. 이것은 임의적인 것이며, 흑연 다이와의 반응을 최소화하기 위하여 높은 고온 압축 온도, 예컨대 1600℃에서 사용될 수 있다. BN 미가공 쉬이트의 오버레이어(35)는 적층 조립체를 완성시켜준다.
제13도는 고온 압축용으로 제조되기는 하였으나 복제층이 빠져있는 미가공 조립체의 단순 개략도이다.
치수가 중요한 사항은 아니지만, 제1도 및 제2도에 도시되고 실시예 1에 기재된 패키지의 치수를 여기에 기록하고자 한다:
Figure kpo00003
Figure kpo00004
Figure kpo00005
본 명세서에서 AlN-붕규산 유리 또는 AlN-붕규산 유리 복합 재료라는 것은 AlN과 붕규산 유리의 물리적 혼합물을 의미한다.
AlN은 항상 입자 형태로 있다. 처음엔 붕규산 유리가, 예컨대 AlN과 먼저 혼합되고, AlN과 더불어 쉬이트로 만들어질때 입자 형태로 존재한다. 고온 압축 도중엔 붕규산이 소결되어 고밀도화되고, 이에따라 AlN입자에 대한 매트릭스를 제공해준다. 고밀도화 생성물을 고밀도화 AlN-붕규산 유리 복합 재료, 고밀도화 복합 재료 또는 이와 대등한 용어로 부르기로 한다.
비-평면성 형상을 갖는 세라믹 부품용 예비성형물을 적층시키는 바람직한 방법은, 원하는 미가공체의 상부(tap)에 추가의 복제 쉬이트들을 사용하는 것이다. 복제 기술에 의하면, 압밀시킬 세라믹의 두께가 모든 횡단면을 통해서 동일한 일체식의 미가공체가 생성된다.
이는 고온 압축 공정 전반에 걸쳐 보다 더 균일한 압력 및 압밀을 보장해준다. 제12도는 상부에 복제 구조를 갖고 있는 예비 성형물의 횡단면도이다. 이 도면에서 부호 1, 13 및 17은 각각 열전도성 베이스, 낮은 유전율의 미가공 쉬이트를 갖는 패키지 부분 및 그의 복재물을 나타낸다. 이 도면에서 BN쉬이트는 예비 성형품의 양면에 적층된 것으로 도시되어 있다. BN쉬이트의 목적은, 고온 압축 램과의 불리한 화학 작용으로부터 패키지 예비 성형물을 보호해주는 것이다. 복제 미가공 쉬이트는, 낮은 유전율의 복합 재료 쉬이트를 갖는 구역속에 BN쉬이트를 대용하고, 상응되는 패키지 예비 성형품층 속의 BN쉬이트 대신 낮은 유전율의 복합 재료 쉬이트를 사용함으로써 생산된다.
이러한 쉬이트들을 생산하기 위한 절단 조각으로서, 패키지 미가공 쉬이트들을 절단하고서 남은 조각들을 이용할 수 있다.
이러한 복제 기술은 바람직한 기술이기는 하나, 이것을 본 발명에 사용하는 것이 절대적으로 필요한 것은 아니다. 이 기술이 사용되지 않는다면 생성물의 적층품속에는 여러가지 다른 농도를 갖는 별개의 지역들이 관찰될 수 있다. 예컨대 실시예에서 복제 기술이 사용되지 않는다면 밀봉 고리 지역내의 농도는 층간 분리가 실제 발생할 수 있을 정도로 충분히 열등할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그러한 열등한 결과들이 특정 상황하에서는 패키지의 형태, 경제 및 기타 요건들에 따라 허용될 수 있다.
예비 성형물이 고온 압축 다이의 캐비티와 잘 맞아야 하는 것이 중요하다. 그 이유는 다이 벽과 예비 성형물의 계면에 있는 틈들은 재료가 바람직하지 않게 상당히 흘러가도록 할 수 있기 때문이다. 예비 성형물들은 개별적으로 고온 압축될 수도 있고, BN쉬이트 및/또는 흑연 간격자에 의해 분리된 더미 형태로 고온 압축될 수도 있다. 고온 압축 조건은 세라믹 미가공체를 완전 고밀도화시키는데 요구되는 것들에 따라 좌우된다. AlN-붕규산 복합 재료의 경우, 약 900내지 1400℃범위의 온도 및 500 내지 1000psi의 압력에서 약 1 내지 2시간동안 압축시키는 것이 고밀도화에 적합하다고 밝혀졌다. 열전도율이 요구되지 않는다면 복합 재료의 AlN함량을 크게 감소시킬 수 있다.
결과적으로, 고온 압축을 위한 가공 처리 온도는 600℃로 감소될 수 있다. 이러한 조건하에 고온 압축을 시킨후에는 패키지의 상부로부터 고밀도화 복제 조각들이 쉽게 제거되며, 고밀도화되지 않은 BN은 세척 및/또는 가벼운 그릿 발포에 의해 패키지 표면으로부터 제거된다.
몇몇 예에 있어선, 전체 패키지 성능을 향상시키기 위하여 패키지 모서리를 약간 기계 가공(machining)해주는 것이 필요하다.
하기의 비제한적인 실시예는 본 발명을 예증해주는 것이다.
[실시예1]
본 실시예는 고밀도 AlN베이스, 고밀도 AlN-붕규산 유리 복합 재료의 층들 및 구리 금속피복막으로 구성된 패키지의 생산 능력을 예증하는 것이다. 복합 재료와 구리는 고온 압축기 내에서의 동시 연소에 의하여 AlN의 상부위에 압밀시킨다. 생산된 패키지는 커다란 규소 웨이퍼 집적 회로 소자용으로 유용하다.
이 패키지를 생산하려면 고밀도 AlN플레이트, 미가공 복합재료 쉬이트 및 BN쉬이트가 필요하다. 커다랗고 편평한 열전도성 AlN플레이트의 제조 방법은 USSN 제148,829호에 상세히 기재되어 있다.
AlN분말을 갖는 미가공 쉬이트의 고온 압축 단계를 포함하는 이 방법을 사용하여 본 패키지를 위한 고밀도 AlN을 생산한다. 간단히 말해, 이 방법은 하기 성분 (1) 내지 (4)를 160℃에서 혼합하여 균일하게 두꺼운 쉬이트를 압출시키고, 트리클로로에탄을 사용하여 이들 쉬이트로부터 오일을 추출해내는 단계들을 포함한다:
(1) AlN분말 68.0중량%
(2) CaCO₃분말 3.4중량%
(3) 폴리에틸렌 3.4 중량%
(4) 광물성 오일 25.2 중량%
이들 AlN 미가공 쉬이트(약 0.10㎝(40밀)의 두께)를 흑연 다이(약 6.35㎝×11.43㎝(2.5인치×4.5인치))에 맞도록 절단하여 BN쉬이트들(그 생산 방법은 하기 단락에 기재됨)사이에 적층시키고 질소-함유 분위기속에서 약 1900℃의 온도 및 700psi의 일축 압력으로 고온 압축을 시킨다. 고온 압축 단계후 그릿 발포에 의하여 BN을 제거하면 고밀도 AlN 쉬이트가 남게된다. 고밀도화 AlN플레이트는 11.4㎝×6.35㎝×0.254㎝(4.5×2.5×0.100인치)의 대략적 치수를 갖는다.
BN쉬이트를 제조하는 바람직한 방법은 USSN 제148,829호에도 기재되어 있다. 이 방법을 사용하여 본 실시예를 위한 BN쉬이트를 제조한다. 간단히 말해, BN쉬이트 배합물은 61중량%의 BN분말, 33%의 광물성 오일 및 6%의 고분자량 폴리에틸렌으로 구성된다. 이들 테이프를 제조하기 위해 사용된 BN분말은 0.5미크론의 평균 입자 크기(BET 분석에 의함)를 갖는다. 상기 성분들을 배합하고 고온(약150℃)하에 쉬이트로 압출시킨다. 뒤어어, 트리클로로에탄을 사용, BN쉬이트로부터 오일을 추출시킨다.
복합 재료 쉬이트 역시 USSN 제148,829호에 기재된 것과 유사한 결합제 시스템을 사용하여 생산된다. 그 배합물은 45.6중량%의 AlN분말, 29.7중량%의 붕규산 유리, 20.5중량%의 광물성 오일 및 4.2중량%의 폴리에틸렌으로 구성된다. AlN과 붕규산 유리 분말은 각기 4.5 미크론 및 10미크론의 평균 입자 크기를 갖는다. AlN과 붕규산 유리 분말을 이소프로필알코올 속에서 1시간동안 볼 밀링(ball-milling)시키고 여과-건조시킨다. 그런다음 폴리에틸렌과 오일을 기계적 혼합에 의하여 상기 분말 혼합물속에 첨가한다. 이 혼합물은 BN쉬이트에 대하여 앞서 기술했던 배합, 압출 및 추출 단계를 이용하여 쉬이트로 만든다. 복합 재료 및 BN 미가공 쉬이트는 약 0.10㎝(0.040인치)의 유사한 두께를 갖는다.
제1도와 제2도는 제조된 패키지를 예증하는 것들이다. 이 패키지는 AlN베이스, 리드 프레임 및 밀봉 고리를 갖는 층들로 이루어진다. AlN 베이스를 중앙 부위에서 노출시키고 구리로 금속피복시킨다. 이같은 금속 피복은 구리 분말-함유 금속 잉크를 스크린 인쇄함으로써 적용된다. 이 잉크는 고온 압축 단계도중 복합 재료층과 동시에 연소될 수 있다. 베이스는 규소와의 우수한 열팽창 조화 및 높은 열전도율을 제공하면서 커다란 Si 웨이퍼 소자를 지탱할 수 있다. 리드 프레임은 규소 소자를 패키지 외부의 소자에 전기적으로 접속시키는데 사용되는 구리 리드들을 지탱해준다. 밀봉 고리층은 리드 프레임의 상부위에 위치하며 패키지에 뚜껑을 해주기 위하여(IC소자를 둘러싸기 위해)사용된다. 이 밀봉 고리층의 상부 표면에는 구리 금속 피복막을 갖는다. 리드 프레임과 밀봉 고리는 모두 고밀도화 AlN-붕규산 유리 복합재료로 구성된다.
전술한 패키지의 생산시에는 첫째로 미가공 적층품의 형성이 요구된다. 이러한 적층품을 만들기 위해, 먼저 복합 재료 미가공 쉬이트와 BN 미가공 쉬이트를 고밀도 AlN플레이트의 평면 치수에 맞추어 자른다. 그 다음엔, 복합 재료 쉬이트 하나와 BN쉬이트 하나를 중앙에 직사각형의 구멍이 생기도록 잘라서, 각 쉬이트에 대해 더 작은 직사각형 및 프레임이 만들어지게 한다. BN 직사각형과 복합 재료 쉬이트를 함께 짜맞추어서, 미가공 리드 프레임층을 만든다.
마찬가지로, BN프레임과 복합 재료 직사각형을 함께 짜맞추어, 미가공 리드 프레임층에 대한 복제층을 만들어낸다. USSN 제148,829호에 기재된 펀칭 및 금속 충전 공정을 사용하여, AlN층 내의 접촉점과 정합되도록 미가공 리드 프레임에 바이아(vias)를 펀칭시킨다. 이 단계는, 바이아 구멍을 펀칭시킨 후, 그 구멍속에 Cu 분말과 폴리에틸렌 결합제의 균질 혼합물로 구성된 구리(Cu) 미가공 테이프 배합물을 펀칭시켜 구멍을 충전시키는 단계를 포함한다. 이 배합물은 전술한 AlN, BN 및 AlN-붕규산 미가공 쉬이트에서와 같은 방법으로 생산된다.
이 경우, 90.5%의 구리 분말, 1.7%의 폴리에틸렌 및 7.8%의 광물성 오일로 구성된 배합물을 약 160℃에서 배합하고, 쉬이트로 성형한후 트리클로로에탄속에 집어넣어 오일을 제거한다. 리드는 Cu 분말-함유 잉크를 사용하여 미가공 쉬이트상에 스크린 인쇄를 시킨다. 제4도내지 제7도는 미가공 프레임층과 그에 상응되는 복제물을 예증해준다.
밀봉 고리층은 리드 프레임층과 유사한 방식으로 생산된다. 이 경우 직사각형의 미가공 쉬이트속에서 두개의 직사각형 절단물을 만들어 두개의 직사각형 프레임과 더 작은 직사각형이 생기게 한다. 미가공 밀봉 고리층을, 복합 재료 프레임을 에워싸는 BN 프레임 및 직사각형과 함께 조립한다. 리드 프레임층에 사용된 것과 같은 기술을 이용하여 밀봉 고리층속에 구리 바이아도 배치한다. 뒤이어서 구리 금속 피복막을 복합 재료 프레임의 한쪽면에 스크린 인쇄한다. 제8도 내지 제11도에는 금속 피복된 미가공 밀봉 고리층과 그에 상응되는 복제층이 도시되어 있다.
층들을 다음과 같은 순서로 배치하여 미가공 적층품을 조립한다:
(1) AlN 베이스, (2) 리드 프레임층, (3) 밀봉 고리층, (4) 리드 프레임 복제물, (5) 밀봉 고리 복제물 및 (6) BN쉬이트(제 12도 참조). 이 적층품을, 층들을 함께 결합시키기에 충분한 몇분동안 약 110℃의 온도 및 약 200psi의 압력하에 중온 압축시킨다. 그런다음, 패키지에 맞는 내부 캐비티 치수를 가진 흑연 다이속에 일체식 미가공 적층품을 집어넣고, 1시간 동안 질소 분위기하에서 약 950℃ 및 700psi 일축 압력으로까지 고온 압축을 시킨다. 고온 압축후, 그릿 발포와 물속에서의 세척을 조합하여 이용함으로써 과량의 BN을 패키지로부터 제거해낸다.
상기한 작업의 결과로써, 고밀도 AlN 베이스상의 AlN-붕규산 유리 복합 재료 리드 프레임 및 밀봉 고리로 구성된 다층 전자 패키지가 생산된다. 각 층위의 구리 금속 피복막을 부착성 및 전기 전도성이 있다.
[개괄]
[미가공체]
고밀도화 AlN 베이스, AlN-붕규산 유리로된 1 이상의 미가공 쉬이트 및 BN 미가공 쉬이트를 포함하는 미가공 적층품을 제조한다.
AlN을 임의에 따라 BN 미가공 쉬이트 및 AlN-붕규산 미가공 쉬이트사이에 끼워넣는다. AlN-붕규산의 미가공 쉬이트는 바람직하게는 노출된 표면 공극의 윤곽을 그리며(테를 두르며), 바람직하게는 그 공극이 BN 플러그를 둘러싼다(즉, BN플러그로 충전된다); 그 전체는 BN 미가공 쉬이트를 위에 올려놓아 마무리한다. 고밀도화 AlN 베이스는 내부에 및/또는 외부에 금속 피복이 될 수 있다(내부에라는 것은 AlN과 AlN-붕규산 유리 사이에 금속 피복을 한다는 뜻이고, 외부에라는 것은 단순히 노출되었음을 뜻한다). AlN층과 AlN-붕규산층을 둘다 금속 피복시킬 수 있다. 이 층들은, 결합제(앞서 정의됨) 및 양립성 금속(앞서 정의됨), 적합하게는 Cu의 균질 혼합물로 충전될 수 있는 바이아를 함유할 수 있다.
한가지 실시 형태(제 13도 참조)에 있어, 미가공 적층품은 하기 ⑴ 내지 ⑷의 층이 순서대로 적층된 것이다:
(1) 바닥층으로서, 고밀도화 AlN 베이스;
(2) AlN-붕규산 유리 리드 프레임의 미가공 쉬이트(상기 리드 프레임은 BN의 미가공 쉬이트 플러그를 둘러쌈)
(3) BN 미가공 쉬이트로 된 두번째 프레임(상기 두번째 프레임은 밀봉 고리인 AlN-붕규산 유리 미가공 쉬이트로 된 세번째 프레임을 둘러싸고, 상기 세번째 프레임은 BN의 미가공 쉬이트 플러그를 둘러쌈); 및
(4) 상부층으로서, BN의 미가공 쉬이트.
본 발명자들의 복제 기술을 이용하는 또다른 실시형태(제 12도 참조)에서의 세 층들을 전술한 바와 같이 조립하고 그 위에 하기 ⑸ 내지 ⑺의 층들을 순서대로 올려놓는다:
(5) AlN-붕규산 유리 복합 재료 미가공 쉬이트의 플러그를 둘러싸는 BN의 미가공 쉬이트 프레임;
(6) AlN-붕규산 복합 재료 미가공 쉬이트의 플러그를 둘러싸는 BN 미가공 쉬이트 고리를 둘러싸는 AlN-붕규산 복합 재료의 미가공 쉬이트 고리;
(7) 상부층으로서, BN의 미가공 쉬이트.
상기 조립체는 바닥에서부터 상부까지의 순서로 주어진 것이지만, 물론 고온 압축기속에서는 그 배치가 반전될 수 있다(소자는 구별을 하지 않음).
AlN 베이스와 밀봉 고리는 금속 피복을 시키는(예컨대 스크린 인쇄에 의하여)것이 바람직하며, 적층품에는 바이아가 배치될 수 있고, 바람직하게는 Cu-폴리에틸렌으로 충전될 수 있다.
[고온 압축]
상기 미가공 적층품을 고온 압축시키면 적층품이 중요한 관점에서 변화된다. 즉 결합제가 타버리고; AlN-붕규산층이 고밀도화 되며; (바람직한 복제 기술 사용시에는) 결합층들의 균일한 고밀도화가 이루어진다. 이같은 변화를 제외하고, 고온 압축 생성물들은 각각의 출발 미가공 적층품과 실질상 동일하다. BN분말을 제거하면 본 발명의 최종 생성물이 얻어진다. 예컨대 광범위한 양상에 있어, 고온 압축에 의하면 1 이상의 고밀도화 층이 고밀도화 AlN 베이스에 결합되어 있는 전자 패키지가 얻어진다. 바람직하게는 AlN-붕규산층이 공극의 경계를 결정하는 프레임으로서 AlN 베이스(바람직하게는 금속 피복이 됨)상에 놓여지도록 미가공 적층품을 선택한다. 본 명세서에 기재된 미가공 적층품 각각으로부터 최종 제품을 유사하게 제조할 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 최종 전자 패키지를 제조하기 위하여, 고온 압축 공정에서 우리의 복제 기술을 우리의 모든 미가공 적층품에 사용할 수 있다.
[AlN-붕규산 복합 재료]
그로부터 제조된 본 발명의 신규 AlN-붕규산 유리 복합 재료 및 조성물은 본 발명의 중요한 양상을 이룬다. 이러한 양상은 하기 (a)내지 (e)를 포함한다:
(a) AlN분말 및 봉규산 분말과 아울러 결합제 및 가소제로 되어 있는 균질 혼합물;
(b) 상기 혼합물로부터 제조된 쉬이트;
(c) 가소제를 추출시켜버린 상기 쉬이트;
(d) 가소제가 추출된 미가공체로서의 쉬이트;
(e) 고온 압축된(소결된) 고밀도화 AlN-붕규산 유리 복합 재료 그 자체.
(일반적인 경우에 있어, (e)에 기재된 복합 재료는 기초층, 예컨대 고밀도화 AlN 또는 복합 재료의 또다른 층이나 모양에 결합되어 있는 모양이다.)
전술한 복합 재료내의 AlN:봉규산 비율은 약 1:0.45 내지 0.70의 중량 범위내에 있는 것이 적당하다. B₂O₃:SiO₂중량비는 약 1:2.46 내지 6.23의 범위내인 것이 적당하다. 적합하게는 붕규산이 소량의 경금속 산화물, 예컨대 Li₂O등을 함유한다.
전술한 상세한 설명란은 단지 예증을 위한 것이며, 본 발명의 범주내에서 여러가지 변화를 가할 수 있음은 물론이다.

Claims (26)

  1. 고밀도화 AlN 베이스층 및 거기에 결합된 1이상의 고밀도화 AlN-붕규산 유리 복합 재료층을 포함하는, 전자 패키지에 사용되기 적합한 세라믹 지지 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 한개 이상의 층이 금속으로 피복된 패키지.
  3. 제2항에 있어서, AlN 베이스가 금속으로 피복된 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 층들을 통해 전도성 바이아가 포함되어 있는 패키지.
  5. 제2항에 있어서, 층들을 통해 전도성 바이아가 포함되어 있는 패키지.
  6. 제1항에 있어서, AlN 베이스에 결합된 AlN-붕규산 유리층이 공극을 갖고 있는 패키지.
  7. (a)(1) 고밀도화 베이스, (2) 필수적으로 미분 소결성 입자와 결합제의 균질 혼합물로 구성된 1이상의 소결성 미가공 쉬이트 및 (3) 필수적으로 미분 비(非)소결성 입자와 결합제의 균질 혼합물로 구성된 비소결성 재료의 미가공 쉬이트를 포함하는 미가공 적층품을 고온 압축시키고; (b) 비소결성 재료를 제거하는 단계를 포함하는 전자 패키지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 결합제가 산소 부재하의 열분해시 바람직하지 못한 잔류물을 남기지 않는 유기 결합제인 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 결합제가 폴리에틸렌인 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 고온 압축시키기 이전에 적층들중 1이상의 층을 금속으로 피복시키는 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 고밀도화 베이스가 AlN이고; 소결성 미가공 쉬이트내의 입자들이 AlN 및 붕규산 유리의 혼합물이며; 비-소결성 미가공 쉬이트내의 비소결성 입자들이 BN인 제조방법.
  12. 제7항에 있어서, 적층들이 금속 미립자와 결합제를 함유하는 바이아를 포함하는 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 고온 압축을 약 600내지 1400℃의 온도 및 약 500내지 1000 psi의 압력하에 약 1내지 2시간동안 실시하는 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 미가공 적층품이, (1) 고밀도화 AlN 베이스; (2) 노출된 표면 공극의 윤곽을 형성하는 AlN-붕규산 유리의 미가공 쉬이트 1이상; (3) BN의 미가공 쉬이트 플러그를 둘러싸는 상기 공극 및 (4) BN의 미가공 쉬이트를 포함하는 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 고온 압축시키기 이전에 적층들중 1 이상의 층을 금속으로 피복시키는 제조방법.
  16. 제7항의 방법에 의하여 제조된 제품.
  17. 제11항의 방법에 의하여 제조된 제품.
  18. 하기층들, 즉 (1) 고밀도화 AlN 베이스를 포함하는 제1층, (2) 원하는 모양의 소결성 및 비-소결성 미가공 쉬이트의 별개의 구역을 갖고 있는 미가공 세라믹 쉬이트를 포함하는 제2층, 및 (3) 소결성 및 비-소결성 쉬이트 재료들이 상호 교환되도록 제2층을 보충해주는 미가공 세라믹 복제물을 포함하는 제3층으로 된 미가공 적층품을 고온 압축시키고, 상기 제3층 및 비-소결성 재료를 제2층으로부터 제거하여 고밀도 제품을 제조하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 제2층이 1이상의 미가공 쉬이트를 포함하고, 그에따라 제3층이 비슷한 수의 보충 쉬이트를 포함하는 방법.
  20. 열전도율이 0.07 W/㎠K 이상인 고밀도 AlN-붕규산 유리 조성물
  21. 제20항에 있어서, 약 10 내지 28 중량%의 B₂O₃; 약 60 내지 81 중량%의 SiO₂; 약 1 내지 4 중량%의 Al₂O₃; 및 Li₂O, Na₂O,K₂O 또는 CaO로 이루어진 군에서 선택된 1이상의 구성원 2내지 10 중량%를 필수 성분으로 갖는 붕규산 유리 속에 AlN 입자들이 거의 균일하게 분산되어 있는 분산액을 포함하는 조성물.
  22. 제21항에 있어서, 조성물이 평균 약 0.1 내지 20 미크론의 입자 형태인 조성물.
  23. 제21항에 있어서, AlN:붕규산 유리의 중량비가 약 1:0.45 내지 0.70인 조성물.
  24. (i)미분 AlN-붕규산 유리, 산소 부재하의 열분해시 바람직하지 못한 잔류물을 남기지 않는 유기 결합제 및 광물성 오일로 된 균질 혼합물을 혼합하고, 이 혼합물을 고온하에 배합하여 유기 결합제의 용해를 수월하게 만들고 (ii) 단계(i)의 배합된 혼합물을 다이를 통한 압출에 의해 성형하여 쉬이트를 형성시키고; (iii) 유기 용매로 추출함으로써 광물성 오일을 제거하는 단계들을 포함하는, 세라믹 미가공 쉬이트 형성 방법.
  25. 제24항에 있어서, 단계(ii)에서 단계(i)의 배합된 혼합물을 편평한 쉬이트로 압축시킴으로써 세라믹 미가공 쉬이트 형성시키는 방법.
  26. (a) AlN 분말, 붕규산 유리 분말 및 산소 부재하의 열분해시 바람직하지 못한 잔류물을 남기지 않는 유기 결합제를 포함하는 1이상의 세라믹 미가공 쉬이트를 제조하고; (b) 질화붕소(BN) 분말 및 산소 부재하의 열분해시 바람직하지 못한 탄소성 잔류물을 남기지 않는 유기 결합제를 포함하는 질화붕소 쉬이트를 단계(a)에서 제조된 세라믹 미가공 쉬이트의 각 면위에 올려놓아 복합체를 형성시키고; (c) 단계(b)에서 제조된 복합체를, 세라믹을 고밀도화하기에 충분한 온도 및 압력하에 고온압축시키고; (d) 고밀도 세라믹 쉬이트의 각 면 위에서 BN층을 제거하는 단계들을 포함하는 고밀도 AlN-붕규산 유리 제품의 제조방법.
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