KR0170564B1 - 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄체 - Google Patents

구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄체 및 이러한 질화 알루미늄체의 제조방법에 관한 것이다. 질화 알루미늄체는 하나이상의 비아를 갖고 질화 알루미늄체와 직접 접촉하는 제1층 및 제1층과 직접 접촉하고 이를 완전히 둘러싸는 제2층을 포함한다. 제1층은 질화 알루미늄 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%를 포함하지만, 제2층은 텅스텐, 몰리브덴 및/또는 몰리브덴과 90 내지 100 부피% 및 질화 알루미늄 0 내지 10 부피%를 포함한다.

Description

구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄체
제1도는 질화 알루미늄 소결체가 I/O 패드용의 구배된 야금속(metallurgy)층을 갖고 기층이 비아(via)와 접촉하는, 본 발명의 실시양태의 횡단면도이다.
제2도는 질화 알루미늄 소결체가 I/O 패드용의 구배된 야금속층을 갖고 상부층이 비아와 접촉하는, 본 발명의 또 다른 실시양태의 횡단면도이다.
제3도는 더욱 양호한 접착력과 전도도를 갖는 비아를 제공하기 위해서 단일의 비아내에 2개의 상이한 야금속이 제공된, 본 발명의 또 다른 실시양태의 횡단면도이다.
제4도는 본 발명에 따른 조성의 야금속 부재(metallurgical feature)가 소결된 질화 알루미늄의 2개의 층사이에 제공된, 본 발명의 또 다른 실시양태의 횡단면도이다.
본 발명은 질화 알루미늄 및 이러한 질화 알루미늄체의 제조방법에 관한 것이고, 더욱 특히, 구배된 야금속층 구조를 갖는 야금속부재 및 비아를 갖는 질화 알루미늄체 및 이러한 질화 알루미늄체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
질화 알루미늄은 높은 열전도도, 실리콘에 필적하는 열팽창성, 낮은 유전상수(8.5) 및 높은 전기저항성으로 인하여 전자 패키지용으로 최근에 관심이 집중되고 있다.
본 발명은 특히 기판으로서 알려진 동시소정된(co-fired) 전자 패키지에 특히 적합하다. 한 동시소성 공정에서는, 질화 알루미늄을(유기질 접착제중의 질화 알루미늄 입자로 구성되는) 미가공(未加工) 시이트(greensheet)로 형성시키고, 비아를 천공하고, (유기질 접착제중의 금속입자로 구성되는) 금속화 페이스트를 미가공 시이트상으로 및 비아중으로 스크리닝(screening)하거나 압출하고, 미가공 시이트를 쌓고 적층시켜 미가공 상태의 기판을 형성시킨 다음, 미가공 기판을 소결하여 질화 알루미늄 층 및 금속화 재료를 밀착시킨다. 동시소성된이란 질화 알루미늄체와 동일한 소성 스케줄 기간에 야금속 페이스트를 소결시킴을 의미한다. 질화 알루미늄 기판에 대한 금속화 재료는 전형적으로 텅스텐이지만 몰리브덴이거나 텅스텐과 몰리브덴의 혼합물일 수도 있다. 또한, 미가공 시이트를 사용하여 질화 알루미늄체를 형성시키는 대신에, 건조압착 방법을 사용하여 질화 알루미늄체를 형성시킬 수도 있다.
텅스텐 야금속과 함께 질화 알루미늄을 동시 소성시키기 위해서는 질화 알루미늄과 텅스텐의 소결특성을 일치시킬 필요가 있다. 이는 다양한 소결 보조제를 질화 알루미늄과 텅스텐 분말에 도입시킴으로써 수행할 수 있다. 일반적으로, 텅스텐 분말은 질화 알루미늄보다 낮은 온도에서 소결이 개시됨으로써 텅스텐에 소결 보조제를 첨가하면 텅스텐의 소결개시가 지연된다. 소결 보조제는 또한 최종적으로 소결된 텅스텐의 밀도를 감소시켜 다공성 텅스텐을 형성시킬 수도 있다. 이러한 형태의 야금속은, 내부 금속화 재료로는 유용하지만, 그의 다공성으로 인하여 입력/출력(I/O) 패드 또는 표면 금속화 재료를 제조하는데 사용할 수 없다. 다공성 금속화 재료를 사용할 경우 밀폐되지 않은(non-hermetic) 기판이 형성되며 이는 I/O 패드의 형성후 임의의 습식공정에 의해서 액체가 기판내로 침투하여 기판의 가공성 및 성능을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 고밀도로 소결되는(따라서 밀폐되는) 순수한 텅스텐 분말을 외부 금속화 재료로 사용할 경우, 텅스텐이 너무 일찍 소결되어, 질화 알루미늄이 충분한 밀도로 소결되기 전에 질화 알루미늄/텅스텐 계면에서 접착이 떨어지기 때문에 접착강도가 매우 낮아진다.
이러한 현상의 해결책은 2개의 상호의존성인 문제, 즉, 적절한 소결 보조제를 선택함으로써 동시소성시 텅스텐 금속화 재료의 수축도와 질화 알루미늄의 수축도를 일치시켜야 하는 문제점과, 텅스텐의 소결을 지연시키는 소결 보조제의 존재에도 불구하고 완전히 죌한 텅스텐을 형성시켜야 하는 문제점을 해결하는 것이다.
지금까지 이러한 문제는 해결되지 않고 있다.
본원에 참고로 인용된, 오카노(Okano)등의 미합중국 특허 제 4,695,517 호 및 제 4,800.137 호에는 질화 알루미늄체와 금속화 재료사이에 접착강도를 증가시키기 위해서 질화 알루미늄체상에 복합층을 제공하는 방법이 개시되어 있다. 상기 오카노등의 문헌에는 텅스텐(또는 몰리브덴)과 질화 알루미늄에 이어서 텅스텐(또는 몰리브덴)이 질화 알루미늄체상에 겹쳐진 층이 제시되어 있다. 오카노등의 문헌에는 제1층이 다공성일 수 있기 때문에 이러한 경우 밀폐되지 않은 기판이 형성되지 않도록 개선할 필요가 있다는 것이 언급되지 않았다. 텅스텐(또는 몰리브덴)과 질화 알루미늄의 제1층이 비다공성일 경우에도, 임의의 후속적인 도금재가 제1층에 잘 접착되지 않을 경우, 전체 도금된 층에 손상을 줄 수 있기 때문에 텅스텐(또는 몰리브덴)의 덮개층에 의해서 완전히 덮여져야 한다. 도금된 층은 일반적으로 I/O 핀 또는 와이어 접착(wire bonding)을 촉진시키기 위해서 텅스텐(또는 몰리브덴)층상에 배치된다.
본원에 참고로 인용된 사토(Sato)등의 유럽 특허원 제 0 574 956 호에는 텅스텐 또는 몰리브덴과 질화 티탄의 동시소성된 중간층에 이어서 니켈 도금과 같은 금속화 재료로 이루어진 구조물이 제시되어 있다.
하라다(Harada) 등의 미합중국 특허 제 4,980, 239 호 및 제 5,096,749 호에는 티탄, 텅스텐 또는 몰리브덴, 및 니켈의 순차적인 박막층을 포함하는 질화 알루미늄 기판상의 복합층 구조물이 개시되어 있다. 이러한 복합 구조물은 티탄층과 질화 알루미늄체사이에 반응을 일으키기에 충분한 온도로 가열되어, 금속화 재료의 접착력을 개선시키는 알루미늄 티탄 질화물의 중간 생성층을 형성시킨다.
본원에 참고로 인용된 이이오(Iio)등의 미합중국 특허 제 4,840,853 호 및 제 4,892,703 호에는 알루미늄, 질소 및 산소를 포함하는 중간층 및 텅스텐 또는 몰리브덴의 금속화층을 갖는 질화 알루미늄체가 제시되어 있다. 이러한 중간층은 금속화층의 접착강도를 증가시키기 위해서 필요하다. 이러한 구조물을 형성시키는 방법은 분명하게 기술되어 있지 않다.
기판의 내부 비아는 다른 물체를 제공한다. 순수한 텅스텐 또는 몰리브덴은 비아의 벽에 잘 접착되지 않는다. 금속성 비아가 비아 개구부내에서 떠돌아서 비아 주위로 균열이 형성되는 경우 이른바 균열된(ratting) 비아가 얻어질 수도 있다. 따라서, 본 발명들은 내부 비아로서 구배된 야금속층이 유용할 수 있다는 것을 인식하였다.
본원에 참고로 인용된, 닉커복커(Knickerbocker)등의 미합중국 특허 제 5,260,519 호에는 상이한 층중의 비아의 조성이 금속성에서부터 세라믹 및 금속의 혼합물까지 구배되어 있는 다중 층/비아 구조물이 개시되어 있다. 단일 비아 개구부중에 비아의 조성을 구배시키는 방법은 교시되지 않았다.
본원에 참고로 인용된, 돌허트(Dolhert)등의 미합중국 특허 제 5,200,249 호에는 알루미늄, 질화물 및 텅스텐 또는 몰리브덴의 혼합물로 구성되는 질화 알루미늄 기판을 위한 밀폐된 비아 조성물이 개시되어 있다.
본원에 참고로 인용된, 패닉커(Panicker)등의 미합중국 특허 제 4,942,076 호에는 알루미늄 기판을 위한 복합 비아 조성물이 개시되어 있다. 이러한 기판은 텅스텐 페이스트와 함께 소결되어 다공성 비아를 형성한다. 이어서, 다공성 텅스텐중으로 구리를 침투시킨다.
구배된 복합구조물에 대한 상기 시도들을 볼 때, 본 발명의 목적은 I/O 핀과 와이어 본드의 접착을 수용하기 위해서 양호한 접착강도를 갖는 야금속 구조물을 갖는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 주위 환경에 대해서 밀폐된 야금속 구조물을 갖는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 복합 비아를 제조하는데 특히 유용한 야금속 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적들은 첨부된 도면을 참고로 하는 하기 설명에 의해서 더욱 명백하게 이해될 것이다.
본 발명의 제1양태에 따라서, 하나이상의 비아를 갖는 질화 알루미늄 소결체; 및 상기 소결체상에 위치하고 하나이상의 비아와 직접접촉하는 구배된 야금속층을 포함하는, 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체가 제공되며, 여기서, 상기 구배된 야금속층은 상기 소결체와 직접 접촉하는 제1야금속층, 및 상기 제1야금속층과 직접 접촉하고 이를 완전히 둘러싸는 제2야금속층을 포함하고, 상기 제1야금속층은 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고, 상기 제2야금속층은 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로부터 선택된 금속 및 0 내지 10부피%의 질화 알루미늄을 포함한다.
본 발명의 제2양태에 따라서, 하나이상의 비아를 갖는 질화 알루미늄 소결체를 포함하는, 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체가 제공되며, 여기서 상기 하나이상의 비아는 구배된 야금속층으로 충진되고, 이러한 구배된 야금속층은 상기 하나이상의 비아의 벽에 접착되지만 이러한 비아의 중앙부분에는 전혀 잔류하지 않는 제1야금속층 및 상기 하나이상의 비아의 중앙 부분을 충진시키는데 제2야금속층을 포함하고, 상기 제1야금속층은 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고, 상기 제2야금속층은 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 및 0 내지 10 부피%의 질화 알루미늄을 포함한다.
본 발명의 제3양태에 따라서, 하나이상의 비아를 갖는 소결되지 않은 질화 알루미늄체를 제공하는 단계; 상기 하나이상의 비아에 근접하고 상기 질화 알루미늄체에 직접 접촉하게 제1야금속 페이스트층을 형성시키는 단계(이때, 상기 제1야금속 페이스트층은 상기 페이스트의 고체함량을 기준으로 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함한다); 상기 제1야금속 페이스트층과 직접 접촉하고 이를 완전히 둘러싸는 제2야금속 페이스트층을 형성시키는 단계(이때, 상기 제2야금속 페이스트층은 페이스트의 고체함량을 기준으로 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 그룹 및 0 내지 10 부피%의 질화 알루미늄을 포함한다); 및 구배된 야금속층의 제1 및 제2층을 갖는 완전히 조밀한 질화 알루미늄 소결체를 형성시키기 위한 예정된 시간 및 온도에서 상기 질화 알루미늄체와 상기 제1 및 제2야금속 페이스트층을 소결시키는 단계(이때, 상기 제2야금속층은 상기 제1야금속층을 완전히 둘러싸고 상기 구배된 야금속층은 상기 하나이상의 비아와 접촉한다)를 포함하는, 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제4양태에 따라서, 하나이상의 비아를 갖는 질화 알루미늄체를 제공하는 단계; 상기 하나이상의 비아를 구배된 야금속층 페이스트로 충진시키는 단계(이때, 상기 구배된 야금속층 페이스트는 상기 하나이상의 비아의 벽에 접착되지만 이러한 하나이상의 비아의 중앙부분에서는 잔류하지 않는 제1야금속 페이스트층 및 상기 하나이상의 비아의 중앙부분을 충진시키는 제2야금속 페이스트층을 포함하고, 상기 제1야금속 페이스트층은 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고 상기 제2야금속 페이스트층은 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 그룹 및 0 내지 10 부피%의 질화 알루미늄을 포함한다); 및 구배된 제1 및 제2야금속층과 함께 하나이상의 비아를 갖는 완전히 조밀한 질화 알루미늄 소결체를 형성시키기 위한 예정된 시간 및 온도에서 상기 질화 알루미늄체와 제1 및 제2야금속 페이스트층을 소결시키는 단계를 포함하는, 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제5양태에 따라서, 질화 알루미늄의 2개이상의 소결된 층; 및 이 질화 알루미늄의 2개이상의 소결된 층사이에 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 하나 이상의 야금속 부재를 포함하는, 다층의 질화 알루미늄 소결체가 제공된다.
본 발명의 제6양태에 따라서, 질화 알루미늄 소결체 및 상기 소결체상에서 소결체와 직접 접촉하도록 위치하는 구배된 야금속층을 포함하는, 구배된 접착성 야금속을 갖는 동시소성된 질화 알루미늄 소결체가 제공되며; 여기서 상기 구배된 야금속층은 상기 소결체와 직접 접촉하는 제1야금속층 및 상기 제1야금속층과 직접 접촉하고 이를 완전히 둘러싸는 제2야금속층을 포함하고, 상기 제1야금속층은 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하고, 상기 제2야금속층은 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 및 0 내지 10 부피%의 질화 알루미늄을 포함한다.
본 발명의 제7양태에 따라서, 소결되지 않은 질화 알루미늄체를 제공하는 단계; 상기 질화 알루미늄체에 직접 접촉하는 제1야금속 페이스트층을 형성시키는 단계(이때, 상기 제1야금속 페이스트층은 상기 페이스트의 고체함량을 기준으로 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함한다); 상기 제1야금속 페이스트층과 직접 접촉하고 이를 완전히 둘러싸는 제2야금속 페이스트층을 형성시키는 단계(이때, 상기 제2야금속 페이스트층은 페이스트의 고체함량을 기준으로 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 및 0 내지 10 부피%의 질화 알루미늄을 포함한다); 및 구배된 제1 및 제2야금속층을 갖는 완전히 조밀한 질화 알루미늄 소결체를 형성시키기 위한 예정된 시간 및 온도에서 상기 질화 알루미늄체와 상기 제1 및 제2야금속 페이스트층을 소결시키는 단계(이때, 상기 제2야금속층은 상기 제1야금속층을 완전히 둘러싸고 상기 구배된 야금속층은 상기 질화 알루미늄 소결체와 직접 접촉하여 접착된다)를 포함하는, 구배된 접착성 야금속을 갖는 동시소성된 질화 알루미늄 소결체의 제조방법을 제공한다.
도면을 보다 자세히 살펴보면, 제1도에는, 본 발명에 따른 구배된 야금속층(16)을 갖는 질화 알루미늄체(10)가 기새되어 있다. 질화 알루미늄 소결체(12)는 소결체중에 하나이상의 비아(14)를 갖는다. 특정 비아(14)의 조성은 본 발명에서 중요하지 않다. 그러나, 전형적인 비아(14)는 일반적으로 텅스텐, 몰리브덴 또는 텅스텐과 몰리브덴의 혼합물을 포함하고 또한 비아를 조밀화시키기 위한 칼시아(calcia), 알루미나 또는 이트리아(yttria)와 같은 특정 소결 보조제를 포함할 수도 있다.
비아(14)와 접촉하도록 위치하는, 구배된 야금속층(16)이 질화 알루미늄 소결체(12)상에 위치한다. 제1도에 나타낸 바와 같이, 구배된 야금속층(16)은 질화 알루미늄 소결체(12)와 비아(14)외 직접 접촉하는 제1야금속층(18) 및 제1야금속층(18)과 직접 접촉하는 제2야금속층(20)을 포함한다. 제2야금속층(20)은 또한 제1야금속층(18)을 완전히 둘러싼다.
제1야금속층은 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 또는 텅스텐과 몰리브덴의 혼합물, 바람직하게는 텅스텐을 포함한다. 양호한 접착을 위해서는 최소한 30 부피%의 질화 알루미늄이 필요하다고 생각된다. 이러한 생각은 계단형 계면이 나타나는 질화 알루미늄 소결체와 제1야금속층(18)사이의 계면에 대한 금속 구조학적 평가를 기초로 한다. 제1야금속층(18)중의 질화 알루미늄의 양이 작을수록 이러한 계면의 결합성은 감소할 수도 있다. 한편, 제1야금속층중에서 60 부피%의 질화 알루미늄에 대한 계면을 금속 구조학적으로 측정한 결과 높은 확산형의 계면을 나타내었으며, 이는 양호한 접착을 나타낸다. 그러나, 제1야금속층(18)중에 질화 알루미늄의 양이 60 부피%를 초과할 경우, 전도성 및 제2야금속층(20)에 대한 접착력이 떨어진다. 가장 바람직한 질화 알루미늄의 양은 적절한 접착력과 전도성의 균형을 제공하는 약 55 부피%이다. 또한, 제1야금속층은 필요에 따라서, 밀집화를 보조하기 위해서 이트리아 또는 칼시아와 같은 소결 보조제를 함유할 수도 있다.
제2야금속층(20)은 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 또는 텅스텐과 몰리브덴의 혼합물(이중에서 텅스텐이 바람직하다) 및 0 내지 10 부피%의의 질화 알루미늄을 포함한다. 제1야금속층(18)에 대한 제2야금속층(20)의 접착력을 최저한으로 증가시키기 위해서 소량의 질화 알루미늄을 금속에 첨가할 수도 있다. 제2야금속층(20)은 100 부피%의 텅스텐이 바람직하다. 임의의 경우에 있어서, 제2야금속층(20)은 밀폐되는, 거의 기공을 갖지 않는 상태로 소결된다.
구배된 야금속층(16)은 전형적으로 I/O 또는 와이어 본드 패드에 사용된다. 이러한 구배된 야금속층(16)은 본드 패드에 대한 와이어 또는 핀의 납땜을 촉진시키기 위해서 니켈과 같은 금속으로 도금될 수 있다. 가장 일반적인 양태에서, 본 발명은 시일 밴드(seal band), 리이드 프레임(lead frames) 부착용 랜드(land) 및 표면 금속화에 사용되는 소결되는 질화 알루미늄 소결체상에서 접착성의 구배된 야금속을 형성시키는데도 사용될 수 있다. 후자의 용도에 있어서, 비아는 존재하지 않거나 구배된 야금속층에 전기 접속되지 않을 수 있다. 그러나, 구배된 야금속층(16)은 일반적으로 도금된다.
본 발명에 있어서, 제1야금속층(18)이 제2야금속층(20)에 의해서 완전히 둘러싸이는 것이 중요하다. 그 이유는 2가지이다. 첫 번째 이유는 소결보조제가 소결시 제1야금속층(18)에 첨가되지 않을 경우 제1야금속층이 다공성이 될 수 있기 때문이다. 도금을 위한 습식공정을 포함하여, 질화 알루미늄 소결체를 추가로 가공하는 동안, 제1야금속층이 다공성일 경우 수분 또는 액체가 제1야금속층으로 스며들 수 있고, 비아가 흔히 다공성이기 때문에 기판의 나머지 부분으로 스며들 수 있다. 이는 가공성뿐만 아니라 신뢰성에 대한 문제이기도 하다. 두 번째 이유는(제1야금속층이 다공성인지 아닌지에 상관없이) 납땜성을 개선시키기 위해서 구배된 야금속층이 전형적으로 도금되기 때문이다. 도금 재료는 제1야금속층(18)에 잘 접착되지 않는다. 또한, 도금시 제1야금속층의 작은 부분이라도 노출될 경우, 전체 도금된 층의 결합성에 불리한 영향을 받을 수 있다. 따라서, 제2야금속층(20)은 제1야금속층(18)을 완전히 둘러싸야 한다.
제2도에는 본 발명의 또 다른 실시양태를 나타낸다. 제1도에서와 같이, 전체적으로 (10')으로 표시된, 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체가 나타나 있다. 구배된 야금속층(16')은 제1야금속층(18') 및 제2야금속층(20')을 포함한다. 제1야금속층(18')은 질화 알루미늄 소결체(12)와 직접 접촉하지만, 이러한 특정한 실시양태에서 비아(14)와 접촉하지 않는다. 제1야금속층(18')은 도넛(donut)형일 수 있고 비아(14)는 도넛의 구멍(hole)중에 위치할 수 있다. 그리고, 제2야금속층(20')은 비아(14)상에 위치하고 비아(14)와 직접 접촉한다. 제2야금속층(20')는 또한 상기된 바와 같은 이유로 제1야금속층(18')을 완전히 둘러싼다. 본 발명의 이러한 실시양태의 장점은 더욱 높은 전도성의 제2야금속층(20')이 비아(14)와 직접 접촉하지만 제2야금속층(20')의 접착력은 여전히 제1야금속층(18')에 의해서 제공된다는 것이다.
제1도와 제2도의 실시양태는 다음과 같은 과정에 의해서 제조될 수 있다. 집적형태이거나 다층일 수 있는 소결되지 않은 질화 알루미늄체를 제공한다. 이어서, 제1야금속층을 소결되지 않은 질화 알루미늄체상에 소결되지 않은 비아에 인접하게 부착시킨다. (시일 밴드등으로 사용할 경우, 구배된 야금속층은 비아로부터 떨어져 형성될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 구배된 야금속층이 소결되지 않은 질산 알루미늄체상에 직접 형성될 것이 요구된다). 관련기술분야에 잘알려진 바와 같이, 야금속 페이스트는 금속입자, 접착제, 용매, 가소제 및 다른 유기질 첨가제를 포함한다. 야금속 페이스트를 부착시키고 소결시킨 다음, 용매 및 유기물질을 페이스트로부터 제거하고 잔류하는 금속입자를 야금속층중으로 밀집시킨다. 본원에 사용된 근접한이란 비아상에 위치하거나 비아 근처에 위치함을 의미한다. 따라서, 제1야금속층은 비아상에 직접 부착되어 제1도에 나타낸 구조를 형성하거나, 비아 주위로 부착되어(그러나 비아와 직접 접촉하지 않는다) 제2도에 나타낸 구조를 형성한다. 제1야금속 페이스트층은, 용매, 접착제 및 다른 유기질 첨가제를 포함하는 페이스트의 고체함량을 기준으로 하여, 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 또는 텅스텐과 몰리브덴의 혼합물(바람직하게는 텅스텐이다)을 포함한다.
또한, 제1야금속 페이스트층은 상기된 바와 같은 소결 보조제를 함유할 수 있다. 이러한 소결 보조제의 몇몇은 관련분야에 잘 알려진 바와 같이 예를 들면, 이트리아와 칼시아를 포함할 수 있다. 바람직한 소결 보조제는 본원에 참고로 인용된, 던콤(Duncombe)등의 미합중국 특허원 제 08/173,293 호중에 개시된 칼시아-알루미나-보리아의 혼합물 또는 해리스(Harris)등의 미합중국 특허원 제 08/172,032 호중에 개시된 칼시아-알루미나-보리아와 이트리아이다.
이어서, 제2야금속 페이스트층을 제1야금속 페이스트층에 부착시키고, 이를 완전히 둘러싸게 한다. 제2야금속 페이스트층의 조성은 페이스트의 고체 함량을 기준으로 하여, 90 내지 100 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 또는 텅스텐과 몰리브덴의 혼합물(바람직하게는 텅스텐이다), 및 0 내지 10부피%의 질화 알루미늄을 포함한다. 상기된 바와 같이, 이러한 부피 분획은 용매, 접착제 및 다른 유기질 첨가제를 제외한다. 제1도 또는 제2도의 실시양태중 어느 것이 형성될 것인지에 상관없이, 제2야금속 페이스트층은 비아와 직접 접촉하거나 하지 않을 수도 있다.
이어서, 소결되지 않은 질화 알루미늄체와 제1 및 제2야금속 페이스트층을, 제1 및 제2접착성 야금속층을 갖는 완전히 조밀한 질화 알루미늄 소결체를 형성시키기 위한 예정된 시간 및 온도에서 소결(동시소성)시킨다. 이렇게 형성된, 구배된 야금속층을 질화 알루미늄 소결체(12)의 비아(14)와 집적 접촉하도록 위치시킨다.
소결 스케쥴는 목적하는 미세구조 및 물성을 얻기 위해서 관련분야의 숙련인에 의해서 편리하게 선택될 수 있다. 일반적으로, 질화 알루미늄체는 보호성 대기가 존재하는 통상적인 로중에서 소결될 수 있다. 바람직한 대기는 질소와 수소가스의 혼합물인 성형가스이다. 온도는 접착제를 열분해시키기 위해서 약 600℃로 상승시킨다. 이어서, 온도를 약 1550 내지 1650℃의 소결온도로 서서히 상승시키고 접착제를 연소시키고 밀집화시키기에 충분한 시간동안 유지시킨다. 최종적으로, 온도를 실온으로 낮춘다.
제3도에서, 본 발명의 또 다른 실시양태가 나타나있다. 질화 알루미늄 소결체(30)는 전체적으로 (32)로 표시된, 구배된 야금속층으로 충진된, 하나이상의 비아(38)를 함유한다. 제1야금속층(34)은 비아(38)의 벽에 접착되지만 제2야금속층(36)에 의해서 충진된 비아의 개방된 중앙부분에서 벗어난다. 제1야금속층(34) 및 제2야금속층(36)은 함께 구배된 야금속층(32)를 구성한다. 제1야금속층(34) 및 제2야금속층(36)의 조성은 상기된 바와 동일하다.
선행기술에서, 비아 금속화 재료가 비아의 벽에 잘 접착되지 않을 경우, 비아는 비아내에서 움직여서(move around) 비아 주위에 균열이 생길 수도 있다. 따라서, 본 발명자들은 몇가지 유리한 점을 갖는 비아로서 구배된 야금속층을 제시하였다. 그중 첫 번째는 비아의 균열이 억제된다는 것이다. 두 번째는 제1야금속층이 비아의 벽에 양호한 접착력을 제공한다는 것이다. 세 번째는 제2야금속층이, 제1야금속층에 단단하게 접착되어 있으면서, 전력 및 신호의 투과율에 대해 높은 전도성을 갖는 코어를 제공한다는 것이다.
제3도의 실시양태는 소결되지 않은 질화 알루미늄의 비아를 구배된 야금속층 페이스트로 충진시킴으로써 제조할 수도 있다. 이는 먼저 제1야금속 페이스트층의 조성에 상응하는 야금속 페이스트를 비아에 적용시킴으로써 수행할 수 있다. 저점도 페이스트를 이러한 목적으로 사용한다. 이어서, 야금속 페이스트를 건조시켜 야금속 페이스트의 부피를 축소시키고 비아의 벽에만 접착되게 한다. 따라서, 비아의 중앙 부분은 페이스트가 없거나 부족한 상태로 유지된다. 이어서, 제2야금속 페이스트층의 조성에 상응하는 제2야금속 페이스트를 비아에 적용하여 제1야금속 페이스트층에 의햇 비어있는 상태로 유지되는 비아의 중앙부분을 충진시킨다. 이어서, 소결되지 않은 질화 알루미늄체 및 구배된 야금속층 페이스트와 함께 비아를 상기된 바와 같이 소결하여 제3도에 나타낸 구조를 형성시킨다.
제4도에서, 본 발명의 마지막 실시양태가 개시되어 있다. 다층의 질화 알루미늄 소결체가 전체적으로 (40)으로 표시되어 있다. 쉽게 나타내기 위해서, 소결체(40)의 다양한 층을 분리하여 나타내었다. 다층의 질화 알루미늄 소결체(40)는 질화 알루미늄의 2개이상의 소결층(42)와 (44) 및 이러한 소결층(42)와 (44) 사이에 위치한 하나이상의 야금속 부재(46)를 포함한다. 야금속 부재(46)의 조성은 30 내지 60 부피%의 질화 알루미늄 및 40 내지 70 부피%의 텅스텐, 몰리브덴 또는 텅스텐과 몰리브덴의 혼합물(바람직하게는 텅스텐이다)을 포함한다. 야금속 부재(46)는 소결층(44)중의 비아(50)를 소결층(42)중의 비아(48)에 접속하는 와이어 라인일 수 있다. 또한, 야금속 부재(46)는 제3도에 나타낸 바와 같은 구배된 야금속층을 갖는 비아와 함께 사용될 수 있다. 또 다른 경우에 있어서, 야금속 부재(46)는 전력판 또는 접지판을 형성할 수도 있다. 전력판 및 접지판은 단일층중에서 상당량의 금속화 재료를 함유하고 세라믹층을 접합시키기에는 낮은 접착력을 갖기 때문에 층분리될 수도 있다. 야금속 부재(46)의 조성으로 전력판 및/또는 접지판을 제조함으로써, 그의 전기적 성능을 크게 떨어뜨리지 않고 양호한 접착력을 얻을 수 있다.
[실시예]
[박리시험 결과]
6개의 질화 알루미늄 다층 기판을 제조하였다. 각각의 기판은 3 중량%의 이트리아(입경 1 내지 5μ), 1중량%의 칼시아-알루미나-보리아 유리(입경 4 내지 8μ), 나머지량의 질화 알루미늄(응집체 입경 1 내지 1.5μ)으로 구성되었다. 페이스트를 스크리닝하여 각각의 기판상에 9개의 패드를 형성시켰다. 4개의 기판은 제1 및 제2텅스텐(입경 1 내지 3μ) 야금속 페이스트층을 수용하고, 표중에서 각각 페이스트 I 및 II로 나타내었다. 2개의 기판은 단지 제2야금속 페이스트층(페이스트 II)을 수용하였다. 일반적으로, 이트리아, 칼시아-알루미나-보리아 유리, 질화 알루미늄 및 금속입자의 입경이 작을수록 밀집화를 개선시키는데 바람직하다.
접착제를 연소시킨 다음, 기판을 1600℃에서 10 내지 28시간 동안 소결시켰다. 이어서, 와이어를 Cu/Sn(66 중량% 구리; 34 중량%의 주석) 땜납으로 패드에 납땜시키고 패드에 대해 90˚의 각도로 당겼다.
제1 및 제2야금속층(페이스트 I 및 II)을 함유하는 기판에 대한 평균 박리력은 3.6 내지 4.2 lbs이었다. 모든 기판에서 땜납과 패드사이가 떨어졌다. 패드와 세라믹사이는 떨어지지 않았다.
단지 제2야금속층(페이스트 II)만을 함유하는 기판에 대한 평균 박리력은 1.1 내지 1.4 lbs이었다. 세라믹과 패드가 모두 떨어졌으며, 이는 극도로 바람직하지 못하다.
[I/O 핀 풀(PIN PULL) 시험 결과]
각각의 기판상에 168 I/O 패드를 스크리닝한 것을 제외하고 상기된 바와 같이 6개의 기판을 추가로 제조하였다. 4개의 기판상의 패드를 제1 및 제2야금속 페이스트(페이스트 I 및 II)로 스크리닝한 반면에 2개의 기판상의 패드는 제2야금속 페이스트(페이스트 II)만으로 스크리닝하였다.
상기된 바와 같이 소결한 다음, I/O 핀을 Cu/Ag 땜납으로 패드에 납땜시켰다. 이어서, 핀을 패드에 대해 70˚의 각도로 당겼다.
제1야금속층과 제2야금속층을 갖는 기판은 패드가 떨어지지 않았다. 18 lbs에서 모든 핀이 끝까지 떨어졌다. 단지 제2야금속층만을 갖는 기판은 5 내지 18 lbs에서 떨어지고, 1 내지 2%의 패드는 패드의 층분리를 통해서 떨어졌다.
[지글로(Zyglo) 침투 시험]
상기 몇 개의 기판을 지글로 침투제에 노출시킨 다음 해체하였다. 제1 및 제2야금속층을 갖는 기판은 지글로가 침투되지 않는 반면에 단지 제2야금속층만을 갖는 기판은 세라믹/패드 계면에서 지글로 침투로 나타냄으로써 소결시 부분적인 층분리를 나타내었다.
이러한 결과는 텅스텐 또는 몰리브덴 야 금속의 단일층보다는 구배된 야금속층을 사용할 경우의 유리함을 보여준다.
관련분야의 숙련인이라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본원에 개시된 바와 다른 변화가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 이러한 변화는 본 발명에 포함되는 것으로 고려되며, 이는 단지 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

  1. 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체로서, 하나이상의 비아(via)를 갖는 질화 알루미늄 소결체; 및 상기 소결체상에 위치하고 상기 하나이상의 비아와 직접 접촉하는 구배된 야금속층을 포함하며; 상기 구배된 야금속층이 상기 소결체와 직접 접촉하는 제1야금속층, 및 상기 제1야금속층과 직접 접촉하고 이를 완전히 둘러싸는 제2야금속층을 포함하고, 상기 제1야금속층은 질화 알루미늄 30 내지 60 부피% 및 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 40 내지 70 부피%를 포함하고, 상기 제2야금속층은 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로부터 선택된 금속 90 내지 100 부피% 및 마너지 양의 질화 알루미늄을 포함하는, 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1야금속층이 상기 하나이상의 비아와 직접 접촉하는 질화 알루미늄 소결체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1야금속층이 상기 하나이상의 비아 주위에 위치하지만 이들과 접촉하지 않고, 상기 제2야금속층이 상기 하나이상의 비아와 직접 접촉하는 질화 알루미늄 소결체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1야금속층이 소결 보조제를 추가로 포함하는 질화 알루미늄 소결체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1야금속층과 제2야금속층에서 금속이 각각 텅스텐인 질화 알루미늄 소결체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2야금속층이 100 부피% 금속인 질화 알루미늄 소결체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나이상의 비아가 구배된 야금속층으로 충진되고, 상기 구배된 야금속층은 상기 하나이상의 비아의 벽에 접착되지만 상기 하나이상의 비아의 중앙 부분에는 잔류하지 않는 제1야금속층 및 상기 하나이상의 비아의 중앙 부분을 충진시키는 제2야금속층을 포함하는, 질화 알루미늄 소결체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결체가 질화 알루미늄의 2개이상의 소결된 층, 및 상기 하나이상의 비아와 접촉하고 상기 질화 알루미늄의 2개이상의 소결된 층사이에 위치하는 하나이상의 야금속 부재를 포함하고, 상기 야금속 부재가 질화 알루미늄 30 내지 60 부피% 및 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 40 내지 70 부피%를 포함하는 질화 알루미늄 소결체.
  9. 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법에 있어서, 하나이상의 비아를 갖는 소결되지 않은 질화 알루미늄체를 제공하는 단계; 상기 하나이상의 비아에 근접하고 상기 질화 알루미늄체에 직접 접촉하게 제1야금속 페이스트층을 형성시키는 단계(이때, 상기 제1야금속 페이스트층은 상기 페이스트의 고체함량을 기준으로 질화 알루미늄 30 내지 60 부피% 및 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 40 내지 70 부피%를 포함한다); 상기 제1야금속 페이스트층과 직접 접촉하고 이를 완전히 둘러싸는 제2야금속 페이스트층을 형성시키는 단계(이때, 상기 제2야금속 페이스트층은 페이스트의 고체함량을 기준으로 텅스텐, 몰리브덴 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 90 내지 100 부피% 및 나머지 양의 질화 알루미늄을 포함한다.); 및 구배된 제1 및 제2야금속층을 갖는 완전히 조밀한 질화 알루미늄 소결체를 형성시키기 위한 예정된 시간 및 온도에서 상기 질화 알루미늄체와 상기 제1 및 제2야금속 페이스트층을 소결시키는 단계(이때, 상기 제2야금속층은 상기 제1야금속층을 완전히 둘러싸고, 상기 구배된 야금속층은 상기 하나이상의 비아와 직접 접촉한다)를 포함하는, 구배된 야금속층을 갖는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1야금속층이 상기 하나이상의 비아와 직접접촉하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1야금속층이 상기 하나이상의 비아 주위에 위치하지만 이들과 접촉하지 않고, 상기 제2야금속층이 상기 하나이상의 비아와 직접 접촉하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1야금속층이 소결 보조제를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제1야금속층과 제2야금속층에서 금속이 각각 텅스텐인 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 제2야금속층이 100 부피% 금속인 방법.
  15. 제9항에 있어서, 제1야금속 페이스트를 형성시키는 단계가, 하나이상의 비아의 벽에는 접착되나 중앙 부분에는 잔류하지 않도록 하나이상의 비아에 제1야금속 페이스트를 제공하는 단계이고, 제2야금속 페이스트를 형성시키는 단계가, 하나이상의 비아의 중앙부분을 제2야금속 페이스트로 충진시키는 단계인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 충진단계가 상기 제1야금속 페이스트층을 상기 하나이상의 비아에 적용하여 상기 비아를 충진시키는 단계, 상기 비아내의 제1야금속 페이스트층을 건조시켜 제1야금속 페이스트층의 부피를 줄이고 제1야금속 페이스트층을 상기 비아의 벽에만 접착되게함으로써 상기 하나이상의 비아의 중앙부분에는 상기 제1야금속층이 잔류하지 않도록 하는 단계, 및 상기 제2야금속 페이스트층을 상기 하나이상의 비아 및 제1야금속 페이스트층상에 적용하여 상기 비아를 충진시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제8항에 있어서, 상기 질화 알루미늄의 2개이상의 소결된 층이 각각 하나이상의 비아를 갖고, 상기 하나이상의 야금속 부재가 상기 비아를 접속하는 질화 알루미늄 소결체.
  18. 제8항에 있어서, 상기 야금속 부재가 전력판 또는 접지판인 질화 알루미늄 소결체.
  19. 제1항에 있어서, 제1야금속층과 제2야금속층이 동시소성(co-fired)되어 제조된 질화 알루미늄 소결체.
  20. 제9항에 있어서, 상기 소결 단계를, 완전히 조밀한 동시-소성된 질화 알루미늄체를 형성시키기 위한 예정된 시간 및 온도에서 수행하는 방법.
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