KR100328407B1 - 세라믹회로기판 - Google Patents

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KR100328407B1
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silver
material layer
ceramic
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다카유키 나바
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니시무로 타이죠
가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

Ti과, Zr, Hf, V, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 활성금속을 함유하는 은-동계 땜납재층(5)을 매개로 세라믹기판(2)파 금속회로판(3)을 접합해서 이루어지고, 은-동계 땜납재층(5)과 세라믹기판(2)이 반응해서 생성되는 반응생성층(6)의 비커스경도가 1100 이상인 것을 특징으로 한다. 또한, 은-동계 땜납재층(5)에 In, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 더 함유시키면 된다. 또한, 땜납재층(5)에 카본분말을 0.1∼10.0중량% 함유시키면 된다. 상기 구성에 의하면, 반복의 냉열사이클을 장시간 부가한 후에 있어서도 크랙의 발생이 효과적으로 억제되는, 소위 내열사이클성이 우수한 신뢰성 높은 세라믹회로기판을 제공할 수 있다.

Description

세라믹회로기판
종래로부터 알루미나(Al2O3) 소결체 등과 같이 절연성이 우수한 세라믹기판의 표면에 도전성을 갖춘 금속회로기판을 일체로 접합한 세라믹회로기판이 광범위하게 보급되어 반도체장치의 구성부품으로서 사용되고 있다.
종래로부터 세라믹기판과 금속회로판을 일체로 접합형성하는 방법으로서, 고융점금속법(메탈라이즈법)과, 직접접합법 및, 활성금속법 등이 채용되고 있다. 고융점금속법은 Mo와 W 등의 고융점금속을 세라믹기판 표면에 인화하는 방법이고, 직접접합법은 금속회로판성분과 산소의 공정액상을 접합재로 하여 땜납재 등을 사용하지 않고 직접 금속회로판을 세라믹기판 표면에 가열접합하는 방법이며, 활성금속법은 Ti 등의 활성금속을 함유하는 땜납재를 매개로 금속회로판과 비산화물계 세라믹기판을 일체로 접합하는 방법이다. 특히, 고강도에서 양호한 봉착성과 신뢰성을 필요로 하는 세라믹회로기판을 얻기 위해서는 상기 접합법중 활성금속법이 일반적으로 사용되고 있다.
상기 세라믹회로기판에는 구조강도의 기본으로 되는 높은 접합강도가 요구되는 한편, 탑재되는 발열부품으로서의 반도체소자의 운전조건하에서 반복하여 작용하는 열사이클에 충분히 견디는 구조를 유지하고 있기 때문에, 냉열사이클시험(TCT)에 있어서, 세라믹기판과 금속회로판의 선팽창계수차에 기인하는 크랙의 발생을 억제할 필요가 있다.
따라서, 종래기술에 있어서 세라믹기판에 Ti 등의 활성금속을 함유하는 땜납재에 의해 금속회로판을 일체로 접합해서 이루어지는 세라믹회로기판에서는 미약한 반응상(反應相)이 접합계면에 생성되기 쉽기 때문에, 충분한 접합강도가 얻어지지 않아 세라믹기판의 접합부에 크랙이 발생하기 쉬워 높은 신뢰성을 갖춘 회로기판이 얻어지지 않는다는 문제점이 있었다.
또한, 일단은 높은 접합강도에서 접합된 경우에 있어서도 그 후에 부가되는 열사이클이 낮은 단계에 있어서, 미소한 크랙이 발생하여 그 크랙이 일시적으로 진전함으로써, 접합강도도 저하되고, 최종적으로는 세라믹기판의 균열과 결함이 생겨버리는 등 긴 시간에 걸쳐 신뢰성의 유지가 곤란하게 되는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반복되는 냉열사이클을 장시간 부가한 후에 있어서도 크랙의 발생이 효과적으로 억제되는, 소위 내열 사이클성이 우수한 신뢰성 높은 세라믹회로기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 세라믹기판에 금속회로판을 땜납재에 의해 접합한 세라믹회로기판에 관한 것으로, 특히 금속회로판의 접합강도가 크고, 또한 내열사이클특성이 우수하며, 신뢰성이 높은 세라믹회로기판에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 세라믹회로기판의 제1실시예를 나타내는 단면도이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본원 발명자는 세라믹기판과 금속회로판을 접합하는 땜납재에 함유시키는 원소의 종류 및 양을 다양하게 변화시켜 세라믹회로기판을 조제하고, 땜납재에 함유시키는 원소의 종류가 회로기판의 접합강도 및 내열사이클특성과 접합부의 강도특성에 미치는 영향을 비교시험했다.
그 결과, 어떤 종류의 활성금속을 복합적으로 함유하는 땜납재와, 활성금속과 In 등의 원소를 복합적으로 함유하는 땜납재를 사용해서 기판과 회로판을 접합하여 세라믹회로기판을 조제했을 때에 접합부에 형성되는 반응생성층의 경도(硬度)가 증가함을 판명했다. 그리고, 경도의 증가에 비례해서 회로기판의 내열사이클특성이 향상됨을 판명했다. 또한, 땜납재층에 소정량의 카본(C)분말을 함유시킴으로써 세라믹기판과 땜납재층과의 열팽창차를 작게 할 수 있고, 열사이클의 부가에 반하여 회로기판의 균열을 효과적으로 방지할 수 있음을 판명했다. 본 발명은 이들의 지견에 근거해서 완성되는 것이다.
즉, 본원 제1발명에 관한 세라믹회로기판은 Ti과, Zr, Hf, V, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 활성금속을 함유하고, 은을 주체로 하는 은-동계 땜납재층을 매개로 세라믹기판과 금속회로판을 접합해서 이루어지고, 상기 은-동계 땜납재층과 세라믹기판이 반응해서 생성되는 반응생성층의 비커스경도(Vickers hardness)가 1100 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2발명에 관한 세라믹회로기판은 Ti와, Zr, Hf, V, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 활성금속을 함유하고, 은을 주체로 하는 은-동계 땜납재층을 매개로 세라믹기판과 금속회로판을 접합해서 이루어지고, 상기 은-동계 땜납재층에는 In과, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소가 5중량% 이상 20중량% 미만 더 함유되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 은-동계 땜납재층은 Ag-Cu-In-Ti계 땜납재층으로 구성되면 된다.
더욱이, 금속회로판을 접합한 측과 반대측의 세라믹기판 표면에 상기 은-동계 땜납재층을 매개로 금속판을 접합하면 된다.
또한, 본원 제3발명에 관한 세라믹회로기판은 카본분말과, Ti, Zr, Hf, V, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 활성금속을 함유하고, 은을 주체로 하는 은-동계 땜납재층을 매개로 세라믹기판에 금속회로판을 접합해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 은-동계 땜납재층에 있어서의 카본분말의 함유량은 0.1∼10.0중량%, 보다 바람직하게는 0.1∼5.0중량%로 한다. 더욱이, 은-동계 땜납재층에 있어서의 활성금속의 함유량은 0.5∼10중량%의 범위가 바람직하다.
또한, 은-동계 땜납재층이 In과, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 더 함유하도록 구성하면 된다.
더욱이, 상기 In과, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소는 5중량% 이상 20중량% 미만 함유된다. 또한, 은-동계 땜납재층은 Ag-Cu-In-Ti계 땜납재층으로 구성하면 된다.
더욱이, 금속회로판을 접합한 측과 반대측의 세라믹기판 표면에 상기 은-동계 땜납재층을 매개로 금속판을 접합하면 된다.
상기 회로기판을 구성하는 세라믹기판으로서는 활성금속 등의 땜납재성분과 반응해서 고경도의 반응생성층을 형성하는 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 사이어론(SiAlON) 등의 질화물계 세라믹기판이 적당하다. 따라서, 산화물계 세라믹기판과 탄화물계 세라믹기판에도 동일하게 적용할 수 있다. 예컨대, 알루미나(Al2O3) 등의 산화물계 세라믹기판을 사용한 경우에는 TiO2로 이루어지는 반응생성층이 형성되고, 접합부가 강화된다. 또한, 탄화규소(SiC) 등의 탄화물계 세라믹기판을 사용한 경우에는 TiC로 이루어지는 반응생성층이 형성되고, 동일하게 접합부가 강화된다.
또한, 금속회로판으로서는 도전성을 갖추는 금속이면 특히 한정되지 않지만, 전기저항율과 재료비용의 관점에서 동 또는 알루미늄으로 이루어지는 회로판이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 은-동계 땜납재층을 형성하기 위한 땜납재로서는 특히 은(Ag)을 주체로 하는 은-동계 땜납재가 바람직하고, 예컨대 중량%로 Cu를 15∼35%, Ti와, Zr, Hf, V, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 활성금속을 0.5∼10%, 남은 부분이 실질적으로 Ag로부터 이루어지는 조성물의 페이스트가 사용된다. 페이스트는 상기 조성물을 유기용매중에 분산해서 조제된다. 또, 본 발명에 있어서 은을 주체로 하는 땜납재층이라는 것은 Ag을 적어도 50 중랑% 이상 함유하는 땜납재층을 말한다. 더욱이, 땜납재층에는 카본(C)분말을 0.1∼10.0중량%, 보다 바람직하게는 0.1∼5.0중량% 함유시키면 된다.
상기 땜납재 조성물에 있어서, Ag-Cu성분은 세라믹소견체제 기판과 Ti 등의 활성금속과의 접합층의 형성을 촉진하는 성분으로서 유효하다. Ti 등의 활성금속은 접합층(땜납재)중에 확산하여 견고한 접합체를 형성함에 기여한다. 상기 Ag-Cu성분비는 공정조성물(72중량% Ag-28% Cu)을 생성하기 쉬운 조성비로 설정해서 액상의 생성량을 절감해도 되지만, 다른 조성범위라도 상관없다.
또한, 땜납재중에 함유되는 Ti 등의 활성금속은 더욱이 세라믹기판에 대해 땜납재의 습식성을 개선하기 위한 효과를 갖추고, 그들의 배합량은 땜납재층 전체에 대해 0.5∼10중량%로 설정된다. 활성금속의 함유량이 0.5중량% 미만인 경우에는 습식성의 개선효과가 얻어지지 않는 한편, 함유량이 많을수록 세라믹기판과 습식성이 쉽게 되는 작용을 갖추지만, 함유량이 10중량%를 넘는 과량으로 되면, 접합계면에 미약한 반응상(반응생성상)이 생성되기 쉽게 되어 접합강도의 저하와 더불어 접합체 전체로서의 구조강도의 저하를 초래한다.
상기 땜납재중에 In과, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택된 적어도 1종의 성분을 5중량% 이상, 20중량% 미만의 비율로 더 첨가해도 된다. In과, Zn, Cd 및 Sn은 상기 활성금속과, 땜납재성분 및 세라믹기판성분과 더불어 경도가 비교적 큰 금속간 화합물을 접합계면에 형성하고, 세라믹기판의 외관상의 강도를 높여 TCT에 있어서의 세라믹기판에 발생하는 열응력이 크게 된 경우에 있어서도 크랙이 발생하기 어렵게 되어 회로기판의 내열사이클특성을 대폭으로 개선하는 효과가 있다.
또한, In과, Zn, Cd 및 Sn은 땜납재에 의해 접합온도를 저하시켜 열응력의 발생량을 절감하여 접합후에 있어서의 잔류응력을 저하하기 위해서도 유효하다. 첨가함유량이 5중량% 미만에서는 상기 경도를 높이는 효과 및 접합온도의 절감효과가 작다. 한편, 20중량% 이상으로 되면 땜납재 조성의 변화가 크게 되어 회로기판의 신뢰성을 높이기에 충분한 접합강도가 얻어지지 않는다.
또한, 상기 땜납재 조성물에 있어서, 카본(C)분말은 접합부의 잔류응력을 절감하고, 회로기판의 내열사이클성의 향상에 기여하는 성분이다. 즉, 카본분말의 선팽창계수는 약 4x10-6/K로서, 이 카본분말을 땜납재 조성물중에 함유시킴으로써, 땜납재층 자체의 선팽창계수가 세라믹기판의 선팽창계수에 가깝게 된다. 이 때문에, 접합조작 후에 있어서의 회로기판의 잔류응력의 절감이 도모되어 회로기판의 내열사이클성을 향상시킬 수 있다.
상기 카본분말의 함유량은 0.1중량% 미만인 경우에는 상기 잔류응력의 완화에 의해 내열사이클성의 개선효과가 불충분하다. 한편, 카본분말의 함유량이 10중량%를 초과하면, 땜납재 조성물을 페이스트화 하는 것이 곤란하게 되고, 예컨대 스크린 인쇄법에 따라 땜납재층을 형성하는 것이 곤란하게 된다. 또한, 땜납재층을 형성할 수 있던 경우에도 금속회로판의 접합강도가 저하되어 버린다. 따라서, 카본분말의 함유량은 0.1∼10중량%의 범위로 되지만, 0.1∼5.0중량%의 범위가 바람직하다.
또, 상기 카본분말로서는 평균직경이 10㎛ 이하의 C분말을 사용하면 된다. 평균직경이 10㎛를 초과하는 거친 카본분말을 사용하는 땜납재 조성물 페이스트를 균일하게 조제하는 것이 곤란하고, 또한, 페이스트를 스크린 인쇄하는 것이 곤란하게 된다. 카본분말의 평균직경은 5㎛ 이하가 더욱 바람직하다.
은-동계 땜납재층의 두께는 접합체의 접합강도에 큰 영향을 미치는 것으로, 본 발명에서는 15∼35㎛의 범위로 설정된다. 땜납재층의 두께가 15㎛ 미만인 경우에는 접합강도가 충분하게 얻어지지 않고, 또한 세라믹기판과 금속회로판과의 밀착성이 저하되어, 회로기판 전체로서의 열저항이 증대하여 방열성이 저하되어 버린다. 한편, 땜납재층의 두께가 35㎛를 초과하면 접합계면에 미약한 반응상이 생성되기 쉽게 되면서 세라믹기판에 생기는 응력이 크게 되기 때문에 어느쪽으로 하든 충분한 접합강도가 얻어지지 않는다.
더욱이, 금속회로판이 접합된 측과 반대측의 질화물계 세라믹기판 표면에 상기 은-동계 땜납재층을 매개로 상기 금속회로판보다 다소 얇은 금속판을 접합함으로써, 접합조작에 따라 발생하는 세라믹회로기판의 휨을 방지할 수 있다. 즉, 세라믹기판의 표면과 이면의 양면에 배치하는 금속량을 동일하게 함으로써 세라믹기판의 각 면에 있어서의 열팽창량을 같게 할 수 있고, 양면에 있어서의 열팽창차에 기인하는 회로기판의 휨을 방지할 수 있다.
본 발명에 관한 세라믹회로기판은 예컨대, 이하와 같은 순서로 제조된다. 즉 AlN과, Si3N4, SiAlON 등의 세라믹기판과 Cu 등으로 형성된 금속회로판 등과의 접합면에 카본분말을 0.1∼10중량%, Ti 등의 활성금속을 0.5∼10중량% 함유하는 페이스트 형상의 Ag-Cu계 땜납재 조성물을 도포한 상태에서 금속회로판을 밀어 누르고 10-4Torr 이하의 진공상태로 한 가열로중에서, 또한 아르곤(Ar)가스 등의 불활성가스 상태에서 조정한 가열로중에서, 또는 질소(N2)가스상태의 가열로중에서 온도 800∼900℃로 10∼15분 유지해서 일체로 접합해서 제조된다.
상기 활성금속법에 의한 접합조작에 있어서는 세라믹기판과 Ag-Cu계 땜납재와의 메탈라이즈계면을 견고하게 하기 위해, 또 활성금속원소와 세라믹성분이 반응해서 형성되는 반응생성층의 형성을 촉진하기 위해 Ag : Cu의 중량비율을 72 : 28의 공정(共晶)조성비로 하는 것이 바람직하다. 이 공정조성비를 갖추는 땜납재의 융점은 약 780℃이기 때문에 실제의 접합온도는 800∼900℃로 설정된다.
상기 제조방법에 있어서, 접합온도가 800℃ 미만으로 낮은 경우에는 땜납재가 충분히 용융하지 않기 때문에 세라믹기판과 금속회로판과의 밀착성이 저하되어 버린다. 한편, 접합온도가 900℃를 초과하면 접합면에 미약한 반응상이 생성되기 쉬워 어느쪽으로 해도 접합강도가 저하되어 버린다.
여기서, 상기 Ag-Cu계 땜납재중에 In과, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택된 적어도 1종의 성분이 5∼20중량% 더 함유되는 경우에는 땜납재의 용융온도가 680℃ 정도까지로 내려가는 결과, 700∼800℃의 저온도범위에서 접합을 행할수 있다. 이 접합온도의 저하에 의해 접합조작 후에 있어서의 회로기판의 잔류응력은 작게 된다. 그 결과, 회로기판의 내열사이클성을 보다 향상시키는 것이 가능하게 된다.
상기 가열접합조작에 의해 땜납재를 구성하는 활성금속 등의 성분과 세라믹기판성분이 반응하는 결과, 두께가 2∼3㎛ 정도에서 비커스경도가 1100 이상의 고경도를 갖추는 반응생성층이 형성된다. 예컨대, In-Ag-Cu-Ti계 땜납재를 사용해서 AlN기판과 Cu회로판을 접합하여 회로기판을 제조한 경우에는 땜납 재층과 AlN기판의 계면에 TiN 또는 각 성분이 혼재한(Ti,Cu,In,Al)N 등의 금속간 화합물로 이루어지는 반응생성층이 형성된다. 또한, 땜납재중에 2∼7중량%의 Nb 또는 Ta를 혼합시키면 이들의 원소가 반응생성층측으로 확산해서 반응생성층의 경도를 증가시킨다. 특히, In을 함유하는 금속간 화합물의 경도는 다른 화합물과 비해 크기 때문에, 반응생성층의 비커스경도는 1100∼1200 정도로 까지 증가한다.
상기 반응생성층의 경도는 세라믹회로기판의 내열사이클특성에 큰 영향을 미쳐, 본원 발명에서는 비커스경도(Hv)에서 1100 이상으로 할 수 있다. 경도가 1100 미만인 경우에는 접합부에 있어서의 세라믹기판의 강도가 불충분하고, 열사이클이 부가된 경우에 생기는 응력에 따라 크랙이 용이하게 발생하기 때문에, 회로기판의 내열사이클성을 개선하는 것은 곤란하다.
본 발명에 관한 세라믹회로기판에 의하면, 땜납재 성분과 세라믹기판성분이 반응해서 생성되는 반응생성층의 비커스경도를 1100 이상으로 할 수 있기 때문에, 접합부에 있어서의 세라믹기판의 강도를 실질적으로 높일 수 있고, 열사이클이 부가된 경우에 큰 열응력이 발생한 경우에 있어서도 크랙을 생성하는 것이 적다. 따라서, 내열사이클특성이 우수하고, 신뢰성이 높은 세라믹회로 기판을 제공할 수 있다.
또한, 땜납재 조성물중에 In과 Sn 등을 첨가한 경우에는 땜납재 조성물의 기판에 대한 습식성과 땜납재 자체의 유동성이 대폭으로 향상한다. 이 때문에, 기판상에 땜납재 조성물을 패턴인쇄한 후에 금속회로판 소재를 밀어 눌러 접합하면 금속회로판 소재의 외주 테두리로부터 땜납재가 비어져 나오는 현상을 초래하기 쉽다. 이 비어져 나온 땜납재는 전용 에칭재(에천트)를 사용한 후에칭처리에 따라 제거되지만, 소정 형태의 회로기판을 형성하는 다른 수회의 후에칭이 필요하게 되기 때문에, 회로기판의 제조공정이 번잡하게 되는 문제가 생긴다. 특히, 에칭에서 사용되는 에칭재는 강알카리이기 때문에 질화알루미늄(AlN)기판을 세라믹기판으로서사용한 경우에는 AlN기판이 에칭재에 따라 부식하여 회로기판의 내열사이클특성이 저하하는 경우도 있다.
그런데, 본원 제3발명과 같이 땜납재 조성물중에 카본분말을 소정량 함유시킴으로써 땜납재 조성물의 유동성을 적당히 조정하는 것이 가능하여 땜납재의 비어져 나오는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 비어져 나오는 재료를 제거하기 위한 후에칭처리가 불필요하게 되어, 회로기판의 제조공정을 대폭 간략화 할 수 있다. 또한, 카본분말을 첨가함으로써 상기 비어져 나오는 현상을 방지할 수 있고, 소량의 땜납재로 금속회로판을 세라믹기판 표면에 접합할 수 있다. 즉, 고경도의 땜납재층을 얇게 형성하는 것이 가능하게 되기 때문에, 회로기판의 내열사이클특성을 보다 향상시킬 수 있다.
본원 제3발명에 관한 세라믹회로기판에 의하면, 은-동계 땜납재층중에 카본분말과 활성금속층을 함유하여 두고, 카본분말에 의해 땜납재층의 선팽창율이 세라믹기판의 선팽창계수에 가깝게 된다. 이 때문에, 금속회로판의 접합후에 있어서의 잔류응력이 절감된다. 또한, 활성금속층성분의 첨가에 의해 접합면에 견고한 메탈라이즈계면이 형성되고, 접합부에 있어서의 세라믹기판의 강도를 실질적으로 높일 수 있으며, 열사이클이 부가된 경우에 큰 열응력이 발생한 경우에 있어서도 크랙을 생성함이 적다. 또한, 땜납재 서로에 In등을 함유시킴으로써 땜납재의 융점이 저하해서 금속회로의 접합온도를 저하시킬 수 있고, 접합조작 후에 있어서의 회로기판의 잔류응력을 절감할 수 있다. 따라서, 내열사이클특성이 우수하고, 신뢰성이 높은 세라믹회로기판을 제공할 수 있다.
다음에 본 발명의 실시형태에 관해서 이하의 실시예 및 첨부도면을 참조해서 설명한다.
실시예1∼9
열전도율이 170W/m·K이고, 상압소결법에 의해 제조한 질화알루미늄(AlN)소결체를 가공해서 종 29mm ×횡 63mm ×두께 0.635mm의 AlN기판과, 두께 0.3mm의 인탈산동으로 이루어지는 Cu회로판(금속회로판) 및 Cu판(금속판)을 다수 조제했다. 더욱이, 표1에 나타난 바와 같은 조성을 갖춘 각 실시예용의 페이스트 형상의 Ag-Cu계 땜납재를 조제하고, 이 땜납재를 AlN기판의 양면에 인쇄해서 Ag-Cu제 땜납재층을 형성하여 이 땜납재를 매개로 Cu회로판 및 Cu판을 각각 AlN기판 표면에 압착했다. 이 상태에서 각 압착체를 가열로에 수용하고, 1×10-4Torr 이하의 고진공중에서 표1에 나타내는 접합온도로 가열하고 10분간 유지함으로써, 일체로 접합하고, 도 1에 나타난 바와 같은 실시예1∼9에 관한 세라믹회로기판(1)을 각각 다수 제조했다.
도 1에 나타난 바와 같이 각 실시예에 관한 세라믹회로기판(1)은 AlN기판(2)과 Cu회로기판(3)간 및 AlN기판(2)과 Cu판(4; 이면동판)간에 Ag-Cu계 땜납재층(5)과 반응생성층(6)을 매개로 일체로 접합해서 형성되어 있다. 상기 반응생성충(6)은 땜납재에 함유되는 성분과 AlN기판(2)의 성분이 반응해서 형성된 것이다. 상기 회로기판(1)의 Cu회로판(3)의 소정 위치에 납땜 접합에 따라 반도체소자(7; Si칩)가 접합되어 반도체장치 구성용 세라믹회로기판이 형성된다.
비교예1
한편, 비교예로서 표1에 나타나는 조성을 갖추는 종래의 Ag-Cu-Ti계 땜납재 페이스트를 사용한 점 이외는 실시예3과 동일 조건에서 각 부재를 일체로 접합해서 비교예1에 관한 세라믹회로기판을 다수 조제했다.
평가
상기와 같이 조제한 각 실시예 및 비교예에 관한 각 세라믹회로기판의 내구성 및 신뢰성을 평가하기 위해 하기와 같은 열충격시험(열사이클시험; TCT)을 실시하고, 회로기판에 있어서의 크랙발생상태를 조사했다. 열사이클시험은 각 회로기판을 -40℃에서 30분간 유지한 후에 실온(RT)까지 승온해서 10분간 유지하고, 그렇게 한 후에 +125℃로 30분간 유지하며, 다음에 냉각해서 실온에서 10분간 유지한다는 승온-강온사이클을 500회 반복해서 부가하는 조건에서 실시했다. 그리고, 100회째의 사이클수 종료후에 있어서 시험시료를 5개씩 취출해서 FeCl3용액에서 에칭처리해서 Cu회로판 및 땜납재의 Ag-Cu성분을 제거함으로써 AlN기판상에 생성되어 있는 반응생성층의 비커스경도(Hv)를 측정했다. 또한, 100사이클째의 TCT실시후에 EDTA(에틸렌아민 4초산)와 H2O2와 NH4OH로 이루어지는 에칭액을 사용해서 상기 반응생성층을 제거하고, 각 AlN기판 표면에 대해 PT(형광탐상시험)를 실시해서 미세 크랙의 발생의 유무를 검사하여 5개의 시료중 적어도 하나에 크랙이 발생한 경우의 TCT사이클수를 조사했다.
측정조사결과를 하기 표1에 나타낸다.
표1에 나타난 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 실시예에 관한 세라믹 회로기판에 있어서는 반응생성층의 비커스경도(Hv)가 1100 이상으로 높고, 실질적으로 이 고경도의 반응생성층에 따라 AlN기판강도가 높아지는 결과, TCT에 있어서 적어도 300사이클까지는 크랙이 발생하지 않아 내열사이클특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
여기서, 본 실시예에서 사용한 AlN기판(열전도율 : 170W/m·k) 자체의 비커스경도는 1200∼1500정도이고, 각 실시예의 회로기판의 반응생성층의 비커스경도도 거의 AlN기판 본체의 경도와 동등하게 되어 있다. 또, 가열접합에 따라 생기는 TiN의 비커스경도(Hv)는 2000 이상으로 됨은 당연하지만, 실제로는 Cu또는 Al을 함유하고 있는 영향으로 상당히 저하하는 것으로 생각된다.
한편, 비교예1에 관한 세라믹회로기판에 있어서도 TiN으르 이루어지는 고경도의 반응생성층이 형성되어 있음이 당연하지만, 실제로는 활성금속(Ti)의 확산이 충분하지 않기 때문에, 또한 Cu 또는 Al의 혼재에 의해 반응생성층의 고경도화가 불충분하여 충분한 내열사이클특성이 얻어지지 않음을 판명했다.
다음에, 땜납재층중에 카본분말을 함유시켜 회로기판의 실시형태에 대해 이하의 실시예를 참조해서 설명한다.
실시예10∼19
열전도율이 170W/m·k이고, 상압소결법에 따라 제조한 질화알루미늄(AlN)소결체를 가공해서 종 29mm ×횡 63mm ×두께 0.653mm의 AlN기판과, 두께 0.3mm의 인탈산동으로 이루어지는 Cu회로판(금속회로판) 및 Cu판(금속판)을 다수 조제했다.
한편, 제1성분으로서의 활성금속분말과, In 등의 제2성분분말, 제3성분으로서 평균직경 5㎛의 카본(C)분말 및, Cu분말 및 Ag분말을 준비하고, 표2에 나타난 바와 같은 조성을 갖추는 각 실시예용의 페이스트 형상의 A2-Cu계 땜납재를 조제하여 이 땜납재를 AlN기판의 양면에 인쇄해서 Ag-Cu계 땜납재층을 형성하며, 이 땜납재층을 매개로 Cu회로판 및 Cu판을 각각 AlN기판 표면에 압착했다.
이 상태에서 각 압착체를 가열로에 수용하고, 1x10-4Torr 이하의 고진공중에서 표2에 나타나는 접합온도로 가열하여 10분간 유지함으로써, 일체로 접합하고, 도 1에 나타난 바와 같은 실시예10∼19에 관한 세라믹회로기판(1)을 각각 다수 제조했다.
비교예2~5
한편, 비교예로서 표2에 나타나는 조성을 갖춘 종래의 Ag-Cu-Ti계 땜납재 페이스트를 사용한 점 및, 표2에 나타나는 접합온도에서 Cu회로판 및 Cu판을 접합한 점까지는 카본분말량을 과소 또는 과대하게 설정한 Ag-Cu-Ti계 땜납재 페이스트를 사용한 점 이외는 실시예10과 동일조건에서 각 부재를 일체로 접합해서 비교예2∼5에 관한 세라믹회로기판을 다수 제조했다.
평가
상기와 같이 제조한 각 실시예 및 비교예에 관한 각 세라믹회로기판의 내구성 및 신뢰성을 평가하기 위해 금속회로판의 접합강도(필강도)를 설정하면서 하기와 같은 열충격시험(열사이클시험; TCT)을 실시하고, 회로기판에 있어서의 크랙발생상태를 조사했다. 열사이클시험은 각 회로기판을 -40℃에서 30분간 유지한 후에실온(RT)까지 승온해서 10분간 유지하고, 그 후에 +125℃로 30분간 유지하며, 다음에 냉각해서 실온에서 10분간 유지한다는 승온-강온사이클을 300회 반복해서 부가하는 조건에서 실시했다. 그리고, 30회와, 100회 및 300 회째의 사이클수 종료후에 있어서 시험시료를 5개씩 취출해서 FcCl3용액에서 에칭처리해서 Cu회로판 및 땜납재의 Ag-Cu성분을 제거함으로써 AlN기판상에 생성되어 있는 반응생성층을 노출시켰다. 더욱이, 에칭액에 의해 상기 반응생성층을 제거하고, 각 AlN기판 표면에 대해서 PT(형광탐상시험)를 실시해서 미세 크랙의 발생의 유무를 검사했다. 그리고, 각 사이클 종료 후에 있어서의 회로기판의 건전율(η; 健全率)을 하기(1)식에 따라 산출하고, 각 회로기판의 내열사이클성을 평가했다.
여기서, D는 회로기판의 접합부의 긴쪽 방향에 있어서, 크랙이 발생할 수 있는 동판 테두리부 경로의 전체 길이이고, Σd는 상기 경로상에서 발생한 각 크랙의 길이(d1,d2,---,dn)의 총계를 나타낸다. 따라서, 건전율 η가 100%라는 것은 크랙이 전혀 발생하지 않는 것을 의미하는 한편, 건전율 η가 0%라는 것은 기판 전면에 걸쳐 크랙이 발생하고 있는 것을 의미한다.
상기 측정 조사결과를 하기 표2에 나타낸다.
표2에 나타난 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 실시예에 관한 세라믹 회로기판에 있어서는 금속회로기판의 접합강도가 종래의 비교예와 거의 동등한 한편, 카본분말의 첨가에 따라 땜납재층의 선팽창계수가 기판의 선팽창계수에 가깝게 되고, 접합후에 있어서의 잔류응력이 절감되는 결과, TCT에 있어서 적어도 100사이클까지는 크랙이 발생하지 않아 내열사이클특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
한편, 카본분말을 땜납재층중에 함유하지 않은 비교예2에 관한 세라믹회로 기판에 있어서는 금속회로판의 접합강도는 실시예10과 비교해서 다소 높게 되지만, 내열사이클성이 낮음을 판명했다. 또한, 카본분말 함유량이 과소인 비교예3에 있어서는 내열사이클성의 개선효과가 적다. 한편, 카본함유량이 과대인 비교예5에 있어서는 내열사이클성은 양호한 반면, 금속회로판의 접합강도가 대폭으로 저하하고, 회로기판 전체로서의 강도가 불충분하게 됨이 판명된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 세라믹회로기판에 의하면, 땜납재 성분과 세라믹기판성분이 반응해서 생성되는 반응생성층의 비커스경도를 1100 이상으로 설정하고 있기 때문에, 접합부에 있어서의 세라믹기판의 강도를 실질적으로 높일 수 있고, 열사이클이 부가된 경우에 큰 열응역이 발생한 경우에 있어서도 크랙이 발생함이 적어지게 된다.
또한, 은-동계 땜납재층중에 카본분말과 활성금속을 함유시킨 경우에는 카본분말에 따라 땜납재층의 선팽창율이 세라믹기판의 선팽창계수에 가깝게 된다. 이 때문에, 금속회로기판의 접합후에 있어서의 잔류응력이 절감된다. 또한, 활성금속성분의 첨가에 의해 접합면에 견고한 메탈라이즈계면이 형성되고, 접합부에 있어서의 세라믹기판의 강도를 실질적으로 높일 수 있어 열사이클이 부가된 경우에 큰 열응력이 발생한 경우에 있어서도 크랙이 발생함이 적어지게 된다. 또한, 땜납재 서로중에 In 등을 함유시킴으로써 땜납재의 융점이 저하해서 금속회로판의 접합온도를 저하시킬 수 있고, 접합조작후에 있어서의 회로기판의 잔류응력을 절감할 수 있다. 따라서, 내열사이클특성이 우수하고, 신뢰성이 높은 세라믹회로기판을 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. Ti과, Zr, Hf, V, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 활성금속과 카본분말을 함유하고, 은을 주체로하는 은-동계 땜납재층을 매개로 세라믹기판과 금속회로판을 접합해서 이루어지며, 상기 은-동계 땜납재층에 있어서 카본분말의 함유량이 0.1∼10.0중량%임과 더불어 상기 은-동계 땜납재층과 세라믹기판이 반응해서 생성되는 반응생성충의 비커스경도가 1100 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  2. Ti과, Zr, Hf, V, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 활성금속을 함유하고, 은을 주체로 하는 은-동계 땜납재층을 매개로 세라믹기판과 금속 회로판을 접합해서 이루어지며, 상기 은-동계 땜납재층에는 In과, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소가 5중량% 이상 20중량% 미만 더 함유되며, 상기 은-동계 땜납재층과 세라믹기판이 반응해서 생성되는 반응생성층의 비커스경도가 1100 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 은-동계 땜납재층은 Ag-Cu-In-Ti계 땜납재층인 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속회로판을 접합한 측과 반대측의 세라믹기판표면에 상기 은-동계 땜납재층을 매개로 금속판을 접합한 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  5. 제1항에 있어서, 은-동계 땜납재층에 있어서의 카본분말의 함유량이 0.1∼5.0중량%인 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  6. 제1항에 있어서, 은-동계 땜납재층에 있어서의 활성금속의 함유량이 0.5∼10중량%인 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  7. 제1항에 있어서, 은-동계 땜납재층은 In과, Zu, Cd 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  8. 제7항에 있어서, 은-동계 땜납재층에 In과, Zn, Cd 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소가 5중량% 이상 20중량% 미만 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  9. 제1항에 있어서, 은-동계 땜납재층은 Ag-Cu-In-Ti계 땜납재층인 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
  10. 제1항에 있어서, 금속회로판을 접합한 측과 반대측의 세라믹기판 표면에 상기 은-동계 땜납재층을 매개로 금속판을 접합한 것을 특징으로 하는 세라믹회로기판.
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