KR100244822B1 - 고열전도성 질화규소회로기판 및 그를 이용한 반도체장치 - Google Patents

고열전도성 질화규소회로기판 및 그를 이용한 반도체장치 Download PDF

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아키히로 호리구치
미츠오 가소리
후미오 우에노
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니시무로 타이죠
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Abstract

본 발명은 25℃에서 60W/m.k 이상의 열전도율을 갖는 질화규소세라믹판과 티타늄, 지르코늄, 하프늄(Hf), 니오븀(Nb) 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 한종의 원소와 산소를 포함하는 중간층을 매개로 질화규소세라믹판에 접합된 금속회로판으로 이루어진 고열전도성 질화규소회로기판 및 그를 이용한 반도체장치를 제공한다.

Description

고열전도성 질화규소회로기판 및 그를 이용한 반도체장치
제1도는 본 발명에 따른 고열전도성 질화규소회로기판의 평면도,
제2도는 본 발명에 따른 도 1에서의 고열전도성 질화규소회로기판을 X-X에 따라 자른 단면도,
제3도는 본 발명에 따른 고열전도성 질화규소회로기판을 이용한 반도체장치의 구조도,
제4도는 본 발명에 따른 고열전도성 질화규소회로기판을 이용한 또 다른 반도체장치의 구조도이다.
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 질화규소회로기판 및 그를 이용한 반도체장치에 관한 것으로,특히 기계적강도와 내열싸이클특성이 개선되면서 방열특성이 우수한 고열전도성 질화규소회로기판 및 그를 이용한 반도체장치에 관한 것이다.
최근, 회로기판의 1구성요소인 세라믹판으로써, 일본특허 제6-135771호 공보에 높은 기계적강도나 내열성 뿐만 아니라, 고열전도성을 갖는 질화규소로 이루어진 세라믹판이 보고되어 있다.
종래는 왁스재와 같은 결합재를 사용하지 않고, 세라믹판과 금속회로판을 접합하는 직접접합법을 이용했다. 이 방법은 금속회로판에 포함된 성분 또는금속회로판과 세라믹판 성분의 공정화합물(eutectic compound)을 가열에 의해 발생시키고, 공정화합물을 효과적으로 접합하기 위하여 접착제로서 이용되는 방법이다.
이 접합방법은 알루미나등의 산화세라믹에 대해서는 유효하지만, 공정액상의 습윤성(wettability)이 상당히 낮기 때문에, 질화세라믹에 대해서는 유효하지 않아 금속회로판에 접합강도가 불충분하다. 더욱이, 질화세라믹중 질화알루미늄(AlN)에 대해서는 세라믹판을 공기와 같은 산소함유분위기중에서 열처리할 경우, 공정액상에 우수한 습윤성을 갖는 산화물층(Al2O3)이 표면상에 형성되지만, 이 방법은 질화규소세라믹판에 대해서는 유효하지 않다는 것이 연구에 의해 명백하게 되었다.
따라서, 질화규소세라믹판과 금속회로판이 종래의 직접접합법에 의해 접합될 경우에 접합강도가 낮아지고, 반도체소자가 접합부분 상의 반복된 내열싸이클을 감당하도록 기능하는 경우, 낮은 내열싸이클을 갖는 회로기판을 제공하기 위한 접합부분 근방의 세라믹판 상에서 크랙이 발생된다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 소결된 질화규소세라믹회로판이 본래 가지고 있는 고강도성에 더하여 더욱 높은 열전도성, 우수한 방열특성 및 내열싸이클 특성을 갖는 고열전도성 질화규소회로기판을 제공하고, 내열싸이클의 신뢰성이 상기 질화규소기판을 이용함으로써 개선된 반도체장치를 제공함에 그 목적이 있다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀 및 알루미늄으로부터 선택된 적어도 한종의 원소와 산소를 포함하는 중간층을 매개로 25℃에서 60W/m.k의 열전도성을 갖는 질화규소세라믹판에 금속회로판을 접합함으로써 제공될 수 있는 기계적강도, 인성치, 내열싸이클 및 방열특성을 모두 만족할 수 있는 회로기판과 반도체장치를 제공한다.
본 발명에 따른 고열전도성 질화규소회로기판은 열전도성이 중간층에 금속회로판을 직접접합하고 소결된 몸체를 규소에 의해 본래 가지고 있는 고강도와 고인성 특성에 더하여 상당히 개선된 고열전도성 질화규소세라믹판의 표면상에 Ti, Zr, Hf, Nb 및 Al원소로부터 선택된 적어도 한종의 산소와 요소를 포함하는 중간층을 형성함으로써 완전히 접합된 상태로 형성된다. 따라서, 조립단계에 있어서, 회로기판의 클램핑에 의해 크랙은 발생되지 않고, 회로기판을 이용하는 반도체장치가 높은 생산성으로 대량생산될 수 있다.
질화규소기판의 인성치가 높기 때문에, 보다 적은 크랙이 내열싸이클에 의해 기판상에 발생되어 내열싸이클이 상당히 개선되고 내구성과 신뢰성이 우수한 반도체장치를 제공할 수 있다. 더욱이, 질화규소의 기계적강도가 우수하여 요구된 기계적강도가 일정할 경우, 기판은 또 다른 세라믹기판과 비교하여 더욱 얇게 만들어질 수 있다. 기판의 두께가 감소될 수 있기 때문에, 내열성이 보다 작아질 수 있다. 요구된 기계적특성은 종래 기판보다도 더 얇은 기판에서 조차도 만족될 수 있어 회로기판의 고밀도 패키징을 수행 할 수 있고, 반도체장치가 소형화 될 수 있다.
[실시예]
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
우선, 본 발명에 따른 질화규소세라믹판을 설명한다.
본 발명에 따른 질화규소세라믹판은 매트릭스와 같은 질화규소로 이루어지고, 경우에 따라 예컨대, 희토류원소(rare earth element)등의 소결조제(sintering aid)를 포함한다. 상술한 바와 같이, 질화규소세라믹판은 회토류원소를 산화물 환산으로 1.0∼12.5중량%와 불순물 양이온원소로서 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 철(Fe), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 망간(Mn), 붕소(B)를 합쳐 0.3중량% 이하를 함유한다.
본 발명에 따른 질화규소세라믹판은 구조적으로, 질화규소입자와 입계상(intergranular phase)으로 이루어지고, 바람직한 기공율은 1.5체적% 이하이다. 입계상중에는 입계상 전체에 대하여, 바람직하게는 20체적% 이상, 보다 바람직하게는 50체적% 이상의 결정화합물이 존재한다.
본 발명에 따른 질화규소세라믹판은 열전도율이 60W/m.k(25℃에서) 이상, 보다 바람직하게는 80W/m.k 이상, 또는 3점굴곡강도가 실온에서 60Kgf/mm2 이상, 보다 바람직하게는 80Kgf/mm2 이상의 물성을 나타낸다.
본 발명에 이용된 고열전도성 질화규소세라믹판은 예컨대, 이하와 같은 방법으로 제조된다. 소결조제와 유기바인더와 같은 첨가제의 필요한 소정량이 미세한 입자크기와 미량의 불순물 함유량을 갖는 질화규소분말에 첨가되고, 혼합하여 원료혼합분체를 조정하며, 다음에 얻어진 원료혼합분체를 소정 형상을 갖는 형성체를 얻기 위하여 통상적인 금형프레스법이나 닥터블레드법과 같은 방법으로 형성하는 시트(sheet)를 이용함으로써 형성한다. 형성체는 소정 온도 예컨대, 비산화성 분위기중에서 최고온도 600∼800℃로 탈지(degreased)하고, 탈지체는 질소가스와 아르곤가스등의 불활성가스 분위기중에서 소정 온도로 소정 시간동안 가압소결을 행한 다음 치밀소결체를 얻기 위하여 소정 냉각속도로 점진적으로 냉각한다. 필요한 경우, 소결체를 연삭가공함으로써, 소정 형상을 갖는 고열전도성 질화규소세라믹판을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 고열전도성 질화규소세라믹판의 주원료로 되는 질화규소분말로서는 소결성, 강도 및 열전도성을 고려하여 산소함유량은 1.7중량% 이하, 바람직하게는 0.5∼1.5중량%, Li, Na, K, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, B등의 불순물 양이온원소의 함유량은 0.3중량% 이하, 바람직하게는 0.2중량% 이하, 소결성이 우수한 α 상질화규소는 90중량% 이상, 바람직하게는 93중량% 이상 함유하고 평균입자크기는 0.8㎛ 이하, 바람직하게는 0.4∼0.6㎛정도를 갖는 미세한 질화규소분말을 사용한다.
평균입자크기가 0.8㎛ 이하를 갖는 미세한 원료분말을 사용함으로서, 소량의 소결조제로도 기공율이 1.5체적% 이하인 치밀소결체를 형성할 수 있다. Li, Na, K, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, B등의 원소는 불순물 양이온원소로서 열전도성을 낮게하기 때문에, 60W/m.K 이상의 열전도율을 확보하기 위해서는 상기 불순물 양이온원소의 총함유량이 0.3중량% 이하일 필요가 있다. 더욱이, β 상질화규소와 비교하여 소결성이 우수한 α 상질화규소를 90중량% 이상 함유하는 질화규소원료분말을 이용함으로써, 고밀도와 고열전도성을 갖는 질화규소세라믹판을 제조할 수 있다.
소결조제로서 질화규소원료분말에 첨가하는 희토류원소로서는 Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Ho, Gd등의 산화물 또는 열처리에 의해 이들 산화물로 되는 화합물, 예컨대 탄산염, 질산염, 수산염, 알콕사이드 등을 들 수 있다. 필요에 따라, 이들 산화물과 화합물은 2개 이상의 조합으로 첨가해도 되지만, 특히 산화이트륨(Y2O3)이 바람직하다. 상기 소결조제는 액상을 형성하기 위한 소결공정 도중에 질화규소원료분말과 반응하여 소결을 촉진한다.
상기 첨가된 소결조제의 첨가량은 원료분말에 기초하여 산화물환산으로 1.0∼12.5중량%의 범위로 설정된다. 첨가량이 1.0중량% 미만이면 소결 촉진의 효과가 충분히 나타나지 않고, 반면 첨가량이 12.5중량%를 초과하면 과잉의 입계상이 생성되며, 열전도율이나 기계적강도가 저하할 염려가 있다. 3.0∼6.0중량%의 범위가 보다 바람직하다.
더욱이, 다른 첨가성분으로서 알루미나(Al2O3) 또는 질화알루미늄중 적어도 하나를 첨가하면, 알루미나 및/또는 질화알루미늄은 액상을 생성하기 위하여 상기 희토류원소와 반응하여 소결 촉진의 효과가 얻어지고, 특히 가압소결을 행하는 경우에 현저한 효과를 발휘할 수 있다. 이들 첨가된 화합물의 총량이 0.1중량% 미만이면 치밀화가 불충분하고, 반면 2.0중량%을 초과하면 과잉입계상이 생성되며, 또는 질화규소에 일부의 알루미늄원소의 고체용해가 열전도성의 저하를 야기하게 된다. 그러므로, 첨가량은 0.1∼2.0중량%의 범위로 설정하고, 0.2∼1.5중량%의 범위로 설정하는 것이 보다 바람직하다.
다른 성분으로서 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W의 산화물, 탄화물, 질화물, 규화물 및 붕화물도 첨가될 수 있다. 이들 성분은 결정구조에 분산강화의 기능을 더하여 질화규소기판의 기계적강도를 향상시킨 것이다. 상기화합물의 첨가량이 0.2중량% 미만이면 강도 향상의 효과가 낮고, 반면 3.0중량%를 초과하면 열전도성이나 전기절연파괴강도의 저하가 일어난다. 따라서, 첨가량은 0.2∼3.0중량%의 범위로 설정하고, 0.3∼2.0중량%의 범위로 설정하는 것이 보다 바람직하다.
더욱이, 상기한 Ti, Zr, Hf등의 화합물은 질화규소세라믹판을 착색하고 불투명성을 부여하는 차광재로서도 기능한다. 그 때문에, 특히 질화규소세라믹판이 광에 의해 오동작을 일으키기 쉬운 집적회로등을 탑재하는 회로기판에 적용하는 경우에는 상기 화합물을 첨가하는 것이 바람직하다.
질화세라믹판의 기공율을 1.5체적%로 하고, 결정상의 20체적% 이상으로 이루어진 질화규소소결체 내에 형성된 입계상을 만들기 위하여 질화규소형성체를 온도 1,800∼2,000℃로 0.5∼10시간 정도 가압소결하면서 소결종료후에 냉각속도를 매시 100℃이하, 보다 바람직하게는 매시 50℃ 이하에서 조정·제어할 필요가 있다. 소결온도를 1,800℃ 미만으로 설정할 경우, 소결체의 치밀화는 기계적강도와 열전도성을 낮게 하기 위하여 불충분하다. 한편, 소결온도가 2,000℃를 초과할 경우, 질화규소의 분해·증발이 심화되어 바람직하지 않다.
소결후에 냉각속도는 입계상을 결정화하기 위하여 중요한 요인이고, 또한 높은 기계적강도와 열전도성을 얻기 위한 중요한 요인이기도 하다. 냉각속도가 매시 100℃를 초과하는 급속냉각을 행할 경우, 소결체 내부의 입계상에 포함된 아몰퍼스상(비정질상)의 속도는 강도와 열전도성을 낮추기 위하여 크게 된다.
상기 냉각속도를 엄밀히 조정해야 할 온도의 범위는 소정의 소결온도(1,800∼2,000℃)로부터 상기 소결조재의 반응에 의해 생성하는 액상이 고체화하기 까지의 온도범위이다. 예컨대, 상술한 바와 같이 소결조재를 이용한 경우에 있어서의 액상고체화 온도는 약 1,500∼1,600℃이다. 소결온도로부터 액상고체화온도 범위의 냉각속도를 매시 100℃ 이하, 바람직하게는 매시 50℃ 이하로 제어함으로써, 입계상의 20체적% 이상, 바람직하게는 50체적% 이상이 결정상으로 되고, 기계적강도와 열전도성에 우수한 질화규소세라믹판을 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 한종의 산소와 원소를 포함하는 중간층을 설명한다.
티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 한종의 산소와 원소를 포함하는 중간층으로서는, 예컨대 상기 원소의 산화물, 알루미네이트와 실리케이트등의 화합물, 예컨대 알루미늄을 함유하는 중간층으로서는 Al2O3, 멀라이트(Al2O3-SiO2), 희토류알루미네이트 및 사이알론(SIALON)등의 화합물을 들 수 있다. 더욱이, 이들 금속원소를 포함하는 유리등의 아몰퍼스층도 적합하다. 중간층에 포함된 원소와 산소가 금속회로판의 공정액상의 습윤성을 개선함과 동시에 이들 중간층에 포함되는 금속원소와 금속회로판구성 원소-산소로 이루어진 화합물이 생성하여 금속회로판과 중간층을 강고하게 접합하고, 더욱이 중간층과 질화규소세라믹판도 강고하게 접합할 수 있다. 특히, 금속회로판이 알루미늄을 주성분으로 하고 중간층에 알루미늄을 함유하는 경우, 금속회로판의 알루미늄과 중간층에 함유된 알루미늄이 강고하게 접합되도록 상호 확산하는 것이 밝혀졌다.
중간층의 두께는 0.5∼10㎛의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 범위로 설정할 경우, 상기 공정액상의 습윤성이 더욱 향상되고, 중간층의 열저항의 문제가 거의 없으며, 중간층과 질화규소세라믹판 사이의 열팽창률차를 쉽게 감소시킬 수 있다. 특히, 두께는 1∼5㎛로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 중간층은 다양한 방법으로 소결후에 질화규소세라믹판의 표면상에 형성된다. 졸겔법, 디핑법 또는 스핀도포법등에 의해 전구체로 되는 균일한 막을 형성하고, 막을 열처리함으로써 목적 화합물의 중간층을 제작하는 방법, 또는 CVD법, PVD법등에 의해 직접 중간층으로 되는 화합물층을 형성하는 방법등을 들 수 있다. 상기 원소를 포함하는 유리등의 경우에는 이 미세한 유리의 분말을 페이스트화하는 방법으로 질화규소세라믹판 상에 균일하게 도포하고, 용융되도록 가열시키는 방법도 가능하다. 더욱이, 중간층과 질화규소세라믹층의 접합강도를 높이기 위하여, 중간층이 형성된 후, 열처리를 행할 수 있다. 열처리의 온도와 분위기등의 조건은 중간층의 특성을 고려하여 선택된다. 온도는 800℃ 이상, 분위기는 공기가 바람직하다.
더욱이, 중간층 형성을 위한 수단은 질화규소세라믹판을 제작하기 전에 취할 수 있다. 질화규소세라믹판을 제작하는 공정의 탈지체를 제작한 단계에 있어서, 예컨대, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 알루미늄의 알콕사이드용액을 탈지체에 포함시켜 탈지체 표면 근방에만 상기 금속과잉으로 해두고, 탈지체를 소결함으로써, 표면에 과잉 상기 금속을 포함하는 질화규소세라믹판을 제작한다. 다음에, 질화규소세라믹판은 요구된 중간층을 형성하기 위하여 산소를 포함하는 분위기중에서 열처리하고, 금속회로판은 중간층에 접합한다.
예컨대, 알루미늄을 함유한 알콕사이드 용액을 이용함으로써 상기 처리를 행하는 경우, 질화규소세라믹판 표면에 중간층으로 될 Al2O3이나 SiO2-Al2O3화합물과 같은 산화물, 또는 SIALON등의 표면층이 형성된다.
다음에, 본 발명에 따른 금속회로판에 대하여 설명한다.
금속회로판을 구성하는 금속으로서는 동(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 은(Ag) 또는 코발트(Co)의 단체(simple substance), 또는 상기 산소를 함유한 금속이나 상기 금속의 합금등으로 공정액상을 일으키고 접합가능하면 특히 한정되지 않는다. 그러나, 특히 전도성이나 가격의 면으로부터 Cu, Al, Ni(일정량의 산소를 포함하는 어느것이나) 및 그의 합금이 바람직하다.
예컨대, 금속회로판이 동인 경우에, 금속회로판은 이하와 같은 방법으로 접합된다. 즉, 원하는 두께를 갖고 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀 및 알루미늄으로부터 선택된 적어도 한종의 원소와 산소를 함유하는 중간층을 형성한 고열전도성 질화규소세라믹판 표면의 소정위치에 산소를 함유하는 동회로판을 접촉배치시켜, 필요하면 하중을 가한 상태로 동과 산화동(Cu2O)의 공정온도(1,065℃) 이상으로 가열하여 일정시간동안 유지하고, 접합제로서 액상을 이용함으로써, 동회로판이 고열전도성 질화규소세라믹판에 접합된다. 다른 종류의 금속회로판도 사용가능하지만, 그 경우에는 이 공정액상이 발생되는 온도를 감안하여 열처리온도를 설정할 필요가 있다.
본 발명에 따른 반도체장치는, 반도체소자가 상기 고열전도성 질화규소회로기판 상에 탑재된 장치이다. 특히, 고열전도성을 이용하는 고출력반도체소자, 예컨대 바이폴라트랜지스터, IGBT, GTR등을 탑재한 파워모듈로 불리는 반도체장치가 대표적이다. 이들 반도체장치는 주로 각종 모터제어와 대전력스위칭등으로 이용된다. 반도체장치의 구동과 정지를 수반한 소자의 발열, 냉각의 열싸이클이 걸릴지라도, 장치는 상기 질화규소회로기판이 갖는 고강도, 고열전도성 및 고신뢰성에 의해 층분히 열싸이클과 대등할 수 있다. 더욱이, 반도체소자 탑재용의 패키지등으로도 응용할 수 있다.
[실시예 1]
산소 1.3중량%, 불순물 양이온원소 0.15중량%를 함유하고, α 상형 질화규소 97%를 포함하는 평균입자크기 0.55㎛의 질화규소원료분말에 소결조제로서 평균입자크기 0.7㎛의 산화이트륨(Y2O3)분말과 평균입자크기 0.6㎛의 알루미나(Al2O3)분말을 전체량에 대하여 각각 5중량%와 1.5중량%의 첨가량으로 첨가한다. 혼합은 에타놀 내에 24시간동안 습식혼합한 후, 원료혼합분말체를 조제하기 위하여 건조한다. 다음에, 유기바인더를 얻어진 원료혼합분말체에 침가하고, 1t/㎠의 형성압력으로 프레스형성하여 80×50×1㎣의 크기를 갖는 형성체를 제작했다. 다음에, 얻어진 형성체를 질소가스 분위기중에서 최고온도 700℃로 탈지를 행한 후, 탈지체를 질소가스 분위기내 7.5기압으로 1900℃에서 6시간동안 소결하고, 다음에 냉각속도를 매시 100℃로 하여 1500℃까지 냉각한다음 노냉(furnace cooling)을 치밀질화규소소결체를 얻기 위하여 수행한다. 소결체는 두께 0.6㎜를 갖는 질화규소세라믹판을 얻기 위하여 연마가공한다.
다음에, 접합하기 위한 중간층을 이하와 같은 방법으로 제작한다. 우선, 지르코늄 부트옥사이드(Zr(OBu)4)를 용매인 부타놀에 용해하고, 이 용액에 침전이 일어나지 않도록 물을 이 용매로 회석한 다음 부분가수분해를 행하기 위하여 용액에 적하한다. 그 후, 농염산을 용매로 회석한 다음 용액에 적하한다. 혼합은 코팅용액을 조제하기 위하여 교반(stirred)하고 환류(refluxed)했다. 상기 질화규소세라믹판을 코팅용액에 침적시키고, 1.5cm/sec속도로 상승시켜 건조했다. 침적과 건조의 공정을 10회 반복한 후, 질화규소세라믹판상에 두께 0.8㎛를 갖는 지르코니아(ZrO2)층을 형성하기 위하여 공기중에서1,200℃로 1시간동안 유지한다. 다음에, 중간층을 형성한 질화규소세라믹판의 양측에 두께 0.3㎜를 갖는 인성동(tough pitch copper)으로 이루어진 동회로판을 접촉배치하고, 이를 벨트식가열로에 삽입하고 질화규소세라믹판에 동회로판을 접합하기 위하여 질소분위기중에서 최고온도 1,073℃로 1분동안 가열처리함으로써 제1도에 나타낸 바와 같은 고열전도성 질화규소회로기판이 얻어진다. 제1도에 있어서, 2는 질화규소세라믹판이고, 4는 금속(Cu)회로판이다.
얻어진 질화규소회로기판의 열전도율을 측정한 바 80W/m.k이고, 기공율은 0.18체적%이며, 분말X선회절법으로 측정한 입계상에 있어서 결정상의 비율은 33체적 96%이다.
얻어진 회로기판의 강도특성과 인성을 측정하기 위하여, 3점굴곡강도와 최대굴절량을 측정한다. 최대굴절량은 회로기판을 지지스팬 50㎜로 지지한 상태로 상기 회로기판의 중앙부에 하중을 부가하여 측정하고, 회로기판이 파괴될때까지 최대굴절높이를 측정한다. 그 결과, 3점굴곡강도는 64kgf/㎟이고,최대굴절량은 1.2㎜이었다.
동회로판과 질화규소세라믹판의 접합부에서의 접합강도를 평가하기 위하여, 필(peel)강도시험을 행한다. 두께 0.3㎜와 폭 3㎜를 갖는 인성동을 상술과 마찬가지의 방법으로 중간층을 형성한 질화규소세라믹판에 접합하고, 인성동판의 끝을 인스트론(Istron)시험기를 이용하여 기판에 대하여 90도의 방향위로 필링함으로써 측정한다. 이 때의 크로스헤드 스피드는 50㎜/min로 한다. 그 결과, 필강도는 7.9kgf/cmㅇl고, 접합강도는 충분하다.
내열싸이클 시험에 있어서 -45℃∼실온까지 회로기판을 가열하고, 연속하여 실온∼+125℃까지 가열한 후에 실온을 통해 -45℃까지 냉각하는 과정을 1싸이클로 하여 반복적으로 싸이클을 회로기판에 부가하고, 기판부에 크랙등이 발생될때까지의 싸이클을 평가한 바, 크랙은 1,000회 싸이클에서 조차 기판부에 발생하지 않았다.
고열전도성 질화규소회로기판 상에 복수의 반도체소자는 제3도에 나타낸 바와 같이, 반도체장치를 제조하기 위하여 탑재한다. 제3도에 있어서, 참조부호6은 반도체장치, 7은 질화규소세라믹판, 8은 금속(Cu)회로판, 9는 금속회로판(이면 Cu판),10은 반도체소자, 11은 본딩와이어, 12는 페치리드단자, 13은 솔더링이고, 14는 페치리드단자이다.
과도열저항을 반도체장치를 통전하여 측정한 바, 종래 질화알루미늄기판을이용한 반도체장치와 동등의 우수한 방열성을 나타냈다. 더욱이, 질화규소기판 내부나 동판의 접합부등에도 크랙등의 발생은 없다. 따라서, 질화규소기판은 우수한 내구성과 신뢰성을 갖는 것으로 확인되었다.
[실시예 2]
소결공정을 실시예1과 같은 방법으로 행한 후, 소결체는 36W/m.k의 열전도율을 갖는 치밀질화규소소결체를 얻기 위하여 냉각과정을 제어하지 않고, 노냉에 의해 실온에서 냉각한다. 이 때의 냉각속도는 평균 매시 500℃정도였다.그 후, ZrO2의 중간층은 실시예1과 같은 방법으로 형성하고, 동층은 회로기판을 제작하기 위하여 실시예1과 같은 방법으로 접합한다. 얻어진 질화규소회로기판의 3점 굴곡강도는 72kgf/㎟이고, 최대굴절량은 1.1㎛이며 , 내열싸이클 시험에 있어서, 크랙은 1,000회 싸이클에서 조차 기판상에 발생하지 않았다.
[실시예 3]
우선, 두께 0.6㎜를 갖는 질화규소세라믹판을 실시예1과 같은 방법으로 얻었다.
다음에, 접합을 위한 중간층을 이하의 방법으로 제작한다.
우선, 알루미늄 부트옥사이드를 용매인 2-부타놀에 용해하고, 이 용액에 침전이 일어나지 않도록 물을 이 용매로 희석한 다음 부분가수분해를 행하기위하여 용액에 적하한다. 그 후, 농염산을 용매로 회석한 다음 용액에 적하한다. 혼합은 코팅용액을 조제하기 위하여 교반하고 환류했다. 상기 질화규소세라믹판을 코팅용액에 침적시키고, 1.5cm/sec속도로 상승시켜 건조했다. 침적과 건조의 공정을 10회 반복한 후, 질화규소세라믹판 상에 두께 1.2㎜를 갖는 알루미나(Al2O3)층을 형성하기 위하여 질소로 1,200℃에서 1시간동안 유지한다.
다음에, 중간층을 형성한 질화규소세라믹판의 양측에 두께 0.3㎜를 갖는 인성동으로 이루어진 동회로판을 접촉배치하고, 이를 벨트식가열로에 삽입하고 질화규소세라믹판에 동회로판을 접합하기 위하여 질소분위기중에서 최고온도 1,075℃로 1분동안 가열처리함으로써, 제1도에 나타낸 바와 같은 고열전도성 질화규소회로기판이 얻어진다.
얻어진 질화규소회로기판의 열전도율을 측정한 바 76W/m.k이고, 기공율은 0.2체적%이며, 분말X선회절법으로 측정한 입계상에 있어서 결정상의 속도는 30체적%이다.
얻어진 회로기판의 강도특성과 인성을 측정하기 위하여, 3점굴곡강도와 최대굴절량을 실시예1에 따라 측정한다. 그 결과, 3점굴곡강도는 68kgf/㎟이고, 최대굴절량은 1.2㎜이었다. 실시예1의 방법에 따라 필강도 측정의 결과, 7.4kgf/cm의 값이 얻어지고, 충분한 밀도와 강도를 나타내는 것으로 확인되었다.
더욱이, 내열싸이클 시험을 실시예1의 방법에 따라 수행했고, 크랙은 1,000회 싸이클에서조차 기판부에 발생하지 않았다.
고열전도성 질화규소회로기판 상에 복수의 반도체소자는 제3도에 나타낸 바와 같이, 반도체장치를 제조하기 위하여 탑재한다. 과도열저항을 반도체장치를 통전하여 측정한 바, 종래 질화알루미늄기판을 이용한 반도체장치와 동등의 우수한 방열성을 나타냈다. 더욱이, 질화규소기판 내부나 질화규소세라믹판과 동판의 접합부등에도 크랙등의 발생은 없다. 그래서, 반도체장치는 우수한 내구성과 신뢰성을 갖는 것으로 확인되었다.
[실시예 4]
실시예2에서 얻어진 질화규소세라믹판에 Al2O3의 중간층을 실시예3과 같은방법으로 형성하고, 동판을 회로기판을 제작하기 위하여 실시예3과 같은 방법으로 접합한다. 얻어진 질화규소회로기판의 3점굴곡강도는 64kgf/㎟이고,최대굴절량은 1.0㎜이며, 내열싸이클시험에 있어서, 크랙은 1,000회 싸이클에서 조차 기판상에 발생하지 않았다.
[실시예 5]
실시예1에서와 같이 동일한 질화규소원료분말을 이용하고, 소결조제로서1.0㎛의 평균입자크기를 갖는 산화디스프로슘(Dy2O3)분말과 0.6㎛의 평균입자크기를 갖는 알루미나(Al2O3)분말을 각각 전체에 대하여 5중량%, 0.8중량%의첨가량으로 질화규소원료분말에 첨가하며, 형성과 탈지를 실시예1과 같은 방법으로 수행한 후, 소결을 7기압 질소가스 분위기중에서 1,930℃로 6시간동안 수행한다. 소결 후, 소결체를 매시 50℃의 냉각속도로 1,500℃에서 냉각한 다음 치밀질화규소소결체를 얻기 위하여 노냉에 의해 1,500℃에서 실온까지 냉각한다. 질화규소소결체를 두께 0.5㎜를 갖는 질화규소세라믹판을 얻기 위하여 연삭가공한다.
얻어진 질화규소세라믹판의 기공율은 0.2체적%이고, 입계상에 있어서의 결정상의 비율은 45체적%이며, 열전도율은 84W/m.k로 높다.
다음에, 금속회로판을 접합하기 위한 중간층은 이하의 방법으로 제작한다. 우선, 티타늄 테트라에톡사이드(Ti(OEt)4)를 용매인 에타놀에 융해하고, 에타놀에 물과 질산을 첨가함으로써 얻어진 혼합물을 용액에 적하한 다음 이 용액을 환류한다. 농염산을 용매로 희석한 후, 용액에 적하한다. 혼합물을 코팅용액을 조제하기 위하여 교반하고 환류한다. 환류용액을 에타놀에 소정량의 물을 용해한 용액에 첨가하고, 더욱이 알루미늄 이소프로폭사이드(Al(iso-OPr)3)를 거기에 가하며, 혼합물을 다시 층분히 환류한다. 농염산을 용매로 희석한 후, 용액에 적하한다. 상기 질화규소세라믹판은 코팅용액으로 침적하고, 1.0cm/sec의 속도로 상승하고 건조한다. 침적과 건조의 공정을 15회 반복한 후, 질화규소세라믹판을 질화규소세라믹판 상에 두께 1.2㎛를 갖는 티타늄 알루미나이트를 형성하기 위하여 공기중에 1,200℃로 1시간 동안 유지한다.
다음에, 형성된 티타늄 알루미나이트 상에 질화규소세라믹판의 양측면에 0.3㎜의 두께를 갖는 인성동층으로 이루어진 동회로판을 접촉배치하고, 판을 벨트식 가열로에 삽입하여 질화규소세라믹판에 동회로판을 접합하기 위하여 질소분위기중에서 최고온도 1,075℃로 1분동안 열처리한다.
얻어진 회로기판의 강도특성과 인성을 측정하기 위하여, 3점굴곡강도와 최대굴절량을 실시예1과 같은 방법으로 측정한다. 그 결과, 3점굴곡강도는 84kgf/㎟이고, 최 대굴절량은 1.3㎜이 었다. 필강도를 동회로판과 질화규소세라믹판의 밀착강도를 평가하기 위하여 측정한 바, 6.9kgf/cm의 높은 값이었다.
또한, 내열싸이클시험을 실시예1과 같은 방법으로 행한 결과, 크랙은1,000회 싸이틀에서 조차 기판부분에 발생하지 않았다.
[실시예 6]
에틸 오르토실리케이트(Si(OEt)4)를 용매인 에타놀에 융해하고, 에타놀에물과 질산을 첨가함으로써 얻어진 혼합물을 용액에 적하한 다음 이 용액을 환류한다. 환류용액을 에타놀에 소정량의 물을 용해한 용액에 첨가하고, 더욱이 알루미늄 이소프로폭사이드(Al(iso-OPr)3)를 거기에 가하며, 혼합물을 다시 충분히 환류한다. 농염산을 용매로 희석한 후, 용액에 적하한다. 혼합물을 코팅용액을 조제하기 위하여 교반하고 환류한다. 실시예5에서 얻어진 질화규소세라믹판을 코팅용액으로 침적하고, 1.0cm/sec의 속도로 상승하고 건조한다. 침적과 건조의 공정을 15회 반복한 후, 질화규소세라믹판을 질화규소세라믹판상에 두께 1.2㎛를 갖는 멀라이트(3Al2O3-2SiO2)를 형성하기 위하여 공기중에 1,200℃로 1시간동안 유지한다.
다음에, 형성된 티타늄 알루미나이트 상에 질화규소세라믹판의 양면에 0.3㎜의 두께를 갖는 인성동층으로 이루어진 동회로판을 접촉배치하고, 판을 벨트식 가열로에 삽입하여 질화규소세라믹판에 동회로판을 접합하기 위하여 질소분위기중에서 최고온도 1,075℃로 1분동안 열처리한다.
얻어진 회로기판의 강도특성과 인성을 측정하기 위하여, 3점굴곡강도와 최대굴절량을 실시예1과 같은 방법으로 측정한다. 그 결과, 3점굴곡강도는 84kgf/㎟이고, 최 대굴절량은 1.3㎜이었다. 필강도를 동회로판과 질화규소세라믹판의 밀착강도를 평가하기 위하여 측정한 바, 6.9kgf/cm의 높은 값이었다.
또한, 내열싸이클시험을 실시예1과 같은 방법으로 행한 결과, 크랙은1,000회 싸이틀에서 조차 기판부분에 발생하지 않았다.
[비교예 1]
실시예1과 같은 방법으로 제작한 질화규소세라믹판에 동의 회로판을 접합할 경우에, 판 상에 중간층을 형성하지 않은 것과 공기중에 1,300℃로 12시간동안 상기 판을 가열함으로써 판의 표면상에 2㎛의 두께를 갖는 산화층(SiO2)을 형성한 것 각각에 대하여 실시예1과 같은 방법으로 동의 회로판을 접합하고, 그 밀착강도를 필강도시험에 의해 평가했다. 그 결과, 중간층이 형성되지 않은 것에서는 회로판을 접합할 수 없고, 한편 중간층이 SiO2층이었던 것에서는 필강도가 2.7kgf/cm의 낮은 값이어서 상기 기판은 실용적으로 제공될 수 없다.
[비교예 2]
실시예1에 질화규소세라믹판 대신에 0.6㎜의 두께와 70W/m.k의 열전도율을 갖는 질화알루미늄(AIN)을 이용한 것을 제외한 실시예1과 같은 방법으로 동회로판을 회로기판을 제작하기 위하여 실시예1과 같은 방법으로 접합했다. 동회로판을 접합할 경우에는 중간층으로서 질화알루미늄기판을 산소분위기중에서 열처리하여 기판표면에 제작한 산화층(Al2O3)을 이용한다. 얻어진 회로기판의 필강도가 8.1kgf/cm로 충분하지만, 3점굴곡강도는 30kgf/㎟이고, 최대굴절량은 0.4㎜이며, 내열싸이클시험에서는 크랙이 150회 싸이클에서 발생했다. 따라서, 질화알루미늄회로기판은 질화규소회로기판과 비교하여 기계적강도에 문제가 있는 것으로 판명됐다.
[실시예 7∼14]
질화규소세라믹판을 실시예1과 같은 방법으로 제작한다. 그 표면에 접합하기 위하여 중간층으로서 여러가지의 화합물층을 실시예1과 같은 침적방법에 따라 알콕사이드용액을 이용함으로써 형성한다. 중간층의 표면에 Cu, Al 또는 Ni의 회로판을 공정액상을 이용하여 접합하고, 회로기판(표1 참조)을 제작한다. Si원소를 함유한 Al회로판에 있어서, 접합하는 동안에 최고온도는585℃이고, 산소를 함유한 Ni회로판의 경우에 있어서는 접합하는 동안에 최고온도는1,445℃로 동회로판보다도 더 높게 설정한다. 얻어진회로기판의 필강도를 평가하고, 열싸이클시험을 행해 신뢰성의 시험을 행한다. 회로기판 전체에 있어서, 금속회로판을 질화규소세라믹판에 강고하게 접합하고, 열싸이클시험을 1,000회 행해도 크랙등은 발생하지 않는다.
[표]
[실시예 15]
산소를 1.7중량%, 불순물 양이온원소를 0.13중량% 함유하고,α 상형질화규소 93%로 이루어지고, 평균입자크기 0.6㎛를 갖는 질화규소원료분말에 소결조제로서 평균입자크기 0.7㎛를 갖는 홀뮴(HO2O3)분말과 평균입자크기 0.5㎛를갖는 알루미나(Al2O3)분말을 총량에 대하여 각각 4중량%와 1.2중량%의 첨가량으로 첨가한다. 탈지하기 위한 동일한 공정을 탈지체를 얻기 위하여 실시예1과 같은 방법으로 행한다. 다음에, 탈지체를 치밀화하기 위하여 8.1기압으로 질소가스분위기중에서 1,880℃로 8시간동안 유지하고, 매시 50℃로 1,500℃까지 냉각속도를 제어함으로서 냉각한 후, 치밀질화규소소결체를 얻기 위하여 실온까지 방냉한다. 소결체를 0.6㎜의 두께를 갖는 질화규소세라믹판을 얻기 위하여 연삭가공한다.
다음에, 질화규소세라믹판의 표면에 금속회로를 접합하기 위하여 중간층을 이하의 방법으로 제작한다. 질화규소세라믹판을 스퍼터장치 내에 티타늄타겟에 대향하는 형으로 설치하고, 티타늄을 Ar의 분압 0.1Pa, O2의 분압 0.2Pa로스퍼터한다. 이 스퍼터를 질화규소세라믹판의 양면 상에 행한다. 그 결과, 1.5㎛의 두께와 결정성이 좋지않은 TiO2박막이 질화규소세라믹판의 표면상에 얻어진다.
표면상에 TiO2박막을 갖는 질화규소세라믹판의 양면에 0.3㎜의 두께를 갖는 인성동으로 이루어진 동회로판을 접촉배치하고, 판을 벨트식 가열로에 삽입하고 질화규소세라믹판에 동회로판을 접합하기 위하여 질소분위기중에서 최고 온도 1,075℃로 1분 동안 열처리한다.
얻어진 질화규소기판의 기공율은 0.2체적%이고, 입계상에 있어서의 결정상의 속도는 55체적%이 며 , 열전도율은 96W/m.k이 다. 3점굴곡강도와 최대굴절량을 측정하고, 동이 접합된 회로기판에 대하여 내열싸이클시험과 필강도를 행한 결과, 3점굴곡강도 75kgf/㎟, 최대굴절량 1.1㎜, 내열싸이클시험은 1,000회 이상, 필강도는 8.2kgf/cm이었다. 따라서, 우수한 값으로 질화규소회로기판을 충분히 실용적으로 제공할 수 있다.
[실시예 16]
탈지공정은 0.8㎜의 두께를 갖는 질화규소탈지체를 제작하기 위하여 실시예15와 같은 방법으로 행한다. 그 후, 탈지체를 실시예1에 중간층을 형성하기 위하여 제작된 알콕사이드에 침적하고 신속하게 끌어올린다. 탈지체를 0.6㎜의 두께를 갖는 치밀질화규소소결체를 얻기 위하여 실시예1과 같은 방법으로 소결하고 냉각한다. 질화규소소결체의 내부에 지르코늄의 분포를 EPMA에 의해 조사한 바, 다량의 Zr이 소결체의 표면 근방에서 검출되고, 소량의 Zr만이 소결체의 내부에서 검출되었다. 소결체를 공기중에서 1,300℃로 12시간동안 열처리한 바, 약 2.2㎛의 두께를 갖는 산화층이 소결체의 표면상에 형성되었다. 산화층의 구성상을 분말X선회절법에 의해 확인한 바, ZrSiO4가 관찰되었다. 동회로판은 회로기판을 제작하기 위하여 실시예1과 같은 방법으로 접합한다.
얻어진 질화규소기판의 기공율은 0.2체적%이고, 입계상에 있어서의 결정상의 비율은 47체적%이며, 열전도율은 72W/m.k이다. 얻어진 회로기판의 3점굴곡강도는 64kgf/㎟, 최대굴절량은 1.0mm, 내열싸이클시험은 1,000회, 필강도는 6.9kgf/cm이다. 따라서, 회로기판으로써 특성은 질화규소회로기판을 충분히 실용적으로 제공할 수 있다.
[실시예 17]
실시예15에서 얻어진 질화규소세라믹판의 표면에 금속회로판을 접합하기 위한 중간층을 이하의 방법으로 제작한다. 질화규소세라믹판을 스퍼터장치내에 알루미늄 타겟에 대향하는 형으로 설치하고, 알루미늄을 Ar의 분압 0.1Pa와 02의 분압 0.2Pa로 스퍼터링 한다. 그 결과, 1.5㎛의 두께를 갖는 아몰퍼스 Al2O3박막을 질화규소세라믹판의 표면상에 얻었다.
표면상에 아몰퍼스 Al2O3박막을 갖는 질화규소세라믹판의 양면에 0.3㎜의 두께를 갖는 인성동으로 이루어진 동회로판을 접촉배치하고, 판을 벨트식 가열로에 삽입하고 질화규소판에 동회로판을 접합하기 위하여 질소분위기중에서 최고온도 1,075℃로 1분동안 열처리한다. 얻어진 질화규소기판의 기공율은 0.2체적%, 입계상에 있어서 결정상의 비율은 55체적%, 열전도율은 96W/m.k이다.동을 접합하기 위하여 회로기판에 대하여 3점굴곡강도와 최대굴절량을 측정하고 내열싸이클시험과 필강도시험을 행한 결과, 3점굴곡강도는 68kgf/㎟, 최대굴절량은 1.1mm, 내열싸이클시험은 1,000회 이상, 필강도는 9.2kgf/cm이다.
따라서, 모두 우수하고, 질화규소회로기판을 충분히 실용적으로 제공할 수 있다.
[실시예 18]
탈지공정은 0.8㎛의 두께를 갖는 질화규소탈지체를 제작하기 위하여 실시예15와 같은 방법으로 수행한다. 그 후, 탈지체를 수초간 그리고 신속하게 끌어올리게 위하여 실시예3으로 중간층 형성을 위하여 제작된 알콕사이드 용액에 침적한다. 탈지체를 0.6㎜의 두께를 갖는 치밀질화규소소결체를 얻기 위하여 실시예15와 같은 방법으로 소결하고 냉각한다. 질화규소소결체 표면의 구성상을 분말X선회절법에 의해 확인한 바, 소량의 질화규소와 다량의 SIALON 이 존재하고 있는 것이 확인되었다. 질화규소소결체의 내부에 알루미늄의 분포를 EPMA에 의해 조사한 바, 다량의 Al이 소결체 표면의 근방에서 다량 검출되고 소량의 Al만이 소결체의 내부에서 검출되었다. 소결체를 공기중에서 1,300℃로 12시간동안 열처리할 경우, 약 2.2㎛의 두께를 갖는 산화층이 소결체의 표면상에 형성된다. 산화층의 구성상을 분말X선회절법에 의해 확인한바, 소량의 SiO2와 다량의 멀라이트가 관찰되었다. 이를 회로기판으로서, 동회로판은 회로기판을 제작하기 위하여 실시예1과 같은 방법으로 접합한다.
얻어진 질화규소기판의 기공율은 0.2체적%, 입계상에 있어서 결정상의 비율은 47체적%, 열전도율은 72W/m.k이다. 얻어진 회로기판의 3점굴곡강도는64kgf/㎟, 최대굴절량은 1.0mm, 내열싸이클시험은 1,000회 이상, 필강도는 6.9kgf/cm이다. 따라서, 회로기판으로서의 특성이 훌륭하여 질화규소회로기판을 충분히 실용적으로 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 25℃에서 60W/m.k 이상의 열전도율을 갖는 질화규소세라믹판과, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 한종의 원소와 산소를 포함하는 중간층을 매개로 질화규소세라믹판에 접합된 금속회로기판을 구비하여 이루어지고,
    질화규소세라믹판이 산화물 환산으로 1.0∼12.5중량%의 희토류원소와, 불순물 양이온원소로서 0.3중량% 이하의 총량으로 리듐, 나트륨, 칼륨, 철, 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 바륨, 망간, 붕소를 함유한 것을 특징으로 하는 고열전도성 질화규소회로기판.
  2. 제1항에 있어서, 질화규소세라믹판은 질화규소입자와, 입계상으로 이루어지고, 입계상중에 있어서 결정화합물은 입계상 전체에 대하여 체적비로 20% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 고열전도성 질화규소회로기판.
  3. 제1항에 있어서, 중간층은 0.5∼10㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고열전도성 질화규소회로기판.
  4. 제1항에 있어서, 금속회로판은 동, 알루미늄 또는 니켈로 이루어진 것을 특징으로 하는 고열전도성 질화규소회로기판.
  5. 세라믹 회로기판 상에 반도체소자를 탑재한 반도체장치에 있어서,
    세라믹회로기판은 25℃에서 60W/m.k의 열전도율을 갖는 질화규소세라믹판과, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 한종의 원소와 산소를 포함하는 중간층을 매개로 질화규소세라믹판에 접합한 금속회로판을 구비하여 이루어이루어지고,
    질화규소세라믹판이 산화물 환산으로 1.0∼12.5중량%의 희토류원소와, 불순물 양이온원소로서 0.3중량% 이하의 총량으로 리듐, 나트륨, 칼륨, 철, 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 바륨, 망간, 붕소를 함유한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
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