KR100477866B1

KR100477866B1 - 금속-세라믹 복합 기판, 그의 제조방법 및 그 방법에 사용되는 납땜 재료

Info

Publication number: KR100477866B1
Application number: KR10-1998-0007863A
Authority: KR
Inventors: 마사미 사쿠라바; 마사미 기무라; 마사야 다카하라; 쥰지 나카무라
Original assignee: 도와 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2005-06-13
Also published as: DE69817648D1; DE69830810T2; EP1295671B1; US6399019B1; JPH10251075A; CN1422721A; CN1201241A; KR19980080073A; CN1099120C; EP0868961B1; US6354484B1; JP3682552B2; DE69830810D1; EP1295671A1; DE69817648T2; CN100488689C; US6221511B1; EP0868961A1

Abstract

본 발명에서는, 금속-세라믹 복합 기판이, 고형분 함량으로서, 90.0∼99.5 중량%의 Ag 분말, 9.5 중량% 이하의 Cu 말, 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속 분말 및 필요하다면 0.9 중량% 이하의 산화 티탄 분말을 포함하는 100 중량부의 분말에 10∼14 중량부의 비히클(vehicle)을 첨가 및 혼합하여 페이스트 형태로 제조된 납땜재료를 사용하여 세라믹 기판과 금속판을 접합함으로써 제조된다.

Description

금속-세라믹 복합 기판, 그의 제조방법 및 그 방법에 사용되는 납땜 재료

본 발명은 금속-세라믹 복합 기판(基板) 및 그의 제조방법과, 세라믹 기판과 금속판을 접합하는데 사용되는 접합성이 우수한 납땜 재료에 관한 것이다.

질화 알루미늄(AlN)과 같은 세라믹 기판에 구리판과 같은 금속을 접합하는 기술에는 몇 가지 방법이 공지되어 있고, 대표적인 2가지 예로는, "질화물계 세라믹과 금속의 접합방법"이란 명칭의 일본 공개특허공고 소60-166165호 공보에 개시된 활성 금속 납땜 방법과, 질화 알루미늄 기판의 개질된 표면에 구리판을 직접 접합하는 방법(대표적으로는 일본 공개특허공고 소56-163093호 공보에 개시된 것과 같은)이 알려져 있다.

상기 활성 금속 납땜 방법은 직접 접합 방법에 비하여 접합 강도가 높고, 얻어진 접합체는 반복되는 열 사이클(heat cycle)에 대한 높은 내구성과 같은 바람직한 특성을 가진다. 그래서, 현재, 질화물 세라믹 기판과 같은 비(非)산화물계 세라믹 기판과 구리판을 접합하는데 활성 금속 납땜 방법이 널리 사용된다.

상기 활성 금속 납땜 방법에는 2가지 납땜 재료가 실용화되고 있다. 그 중 하나는 Ag, Cu, 및 활성 금속(Ti, Zr, Hf 중에서 선택된)으로 이루어진 것이고(일본 공개특허공고 소60-166165호 공보에 개시됨), 다른 하나는 Ag, Cu 및 수소화 티탄으로 이루어진 활성 금속 페이스트(paste)재(材)이다(일본 공개특허공고 평3-101153호 공고에 개시됨).

이들 납땜 재료를 사용하여 질화 알루미늄 기판의 양면에 구리판을 접합하여 회로 기판을 제조하는 것이 실용화되어 있다.

많은 납땜 재료에서는, 72%의 Ag과 28%의 Cu를 포함하는 조성에 활성 금속을 첨가하고, 780℃의 공정점(共晶点)보다 높은 온도, 바람직하게는 대략 850℃의 온도에서 접합이 실시된다.

그러나, 최근의 회로 기판은 대전력에 대응하는 것이 요구되고, 이러한 요건을 충족하기 위해, 양호한 방열성 및 전기 절연성뿐만 아니라 높은 강도와 열충격 저항성을 가지는 회로 기판을 개발하는 것이 요구되었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 비(非)접합부가 없는 파워 모듈(power module) 복합 기판의 제조에 사용하는데 적합하고, 종래의 납땜 재료보다도 파워 모듈 기판의 특성을 향상시킬 수 있는 납땜 재료를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 납땜 재료를 사용하여 금속-세라믹 복합 기판을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명자들은 상기한 목적들을 달성하기 위해 철저한 연구를 행하였고, 그 결과, 90 중량%의 Ag과 9.5 중량%의 Cu 또는 0.5 중량%의 활성 금속(TiO)을 첨가한 활성 금속 납땜 재료를 사용함으로써 875℃의 공정점보다 낮은 780∼870℃의 온도에서도 접합이 실시될 수 있다는 것을 알았고, 접합된 복합 기판은 비접합부를 가지지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 본 발명은 이것에 기초하여 완성되었다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 고형분 함량으로서, 90.0∼99.5 중량%의 Ag, 9.5 중량% 이하의 Cu, 및 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속을 포함하는 납땜 재료를 사용하여 세라믹 기판과 금속판을 접합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 기판이 제공된다.

상기 세라믹 기판은 Al₂O₃, AlN 및 Si₃N₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹 기판이다.

상기 활성 금속은 Ti, Zr 및 Hf로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 활성 금속이다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 세라믹 기판과 금속판을 접합하여 금속-세라믹 복합 기판을 제조하는 방법으로서,

고형분 함량으로서, 90∼99.5 중량%의 Ag 분말, 9.5 중량% 이하의 Cu 분말, 및 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속 분말을 포함하는 100 중량부의 분말에 10∼14 중량부의 비히클(vehicle)을 첨가하는 단계;

상기 성분들을 혼합하여 페이스트 형태의 납땜 재료를 형성하는 단계;

상기 납땜 재료를 세라믹 기판에 도포하는 단계;

상기 세라믹 기판에 도포된 납땜 재료 상에 금속판을 겹쳐 놓은 조립체를 그 납땜 재료의 융점 이하의 온도로 가열하여, 상기 금속판과 상기 세라믹 기판의 접합체를 형성하는 단계; 및

상기 접합체의 금속판 상에 에칭 레지스트를 도포하여 회로 패턴을 형성하고 그 금속판을 에칭하여 금속화 회로(metalized circuit)를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 기판 제조방법이 제공된다.

상기 조립체의 가열 온도는 납땜 재료의 융점 이하인 780∼870℃의 범위이다.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 세라믹 기판과 금속판을 접합하는데 사용되는 납땜 재료로서, 고형분 함량으로서, 90.0∼99.5 중량%의 Ag 분말, 9.5 중량% 이하의 Cu 분말, 및 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속 분말을 포함하는 100 중량부의 분말에 10∼14 중량부의 비히클을 혼합하여 페이스트 형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 납땜 재료가 제공된다.

본 발명의 제4 양태에 따르면, 세라믹 기판과 금속판을 접합하는데 사용되는 납땜 재료로서, 고형분 함량으로서, 90.0∼99.5 중량%의 Ag 분말, 9.5 중량% 이하의 Cu 분말, 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속 분말, 및 0.9 중량% 이하의 산화 티탄 분말을 포함하는 100 중량부의 분말에 10∼14 중량부의 비히클을 혼합하여 페이스트 형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 납땜 재료가 제공된다.

본 발명에서 사용되는 납땜 재료는 90.0∼99.5 wt%의 Ag 함량을 가진다. Ag 함량이 90 wt% 미만인 경우, 비접합부를 갖는 부적합한 복합 기판이 제조된다.

납땜 재료의 Cu 함량은 9.5 wt% 이하이다. Cu 함량을 종래의 Ag-Cu 납땜 재료의 것보다 작게 하는 이유는, 세라믹 기판에 도포된 납땜 재료 상에 금속판을 겹친 조립체가 가열될 때 Ag 성분과 구리판의 접촉면이 반응하여 공정화(共晶化)가 일어나기 때문이다.

본 발명에서 사용될 수 있는 활성 금속으로서는, Ti, Zr, Hf와 같은 주기율표 Ⅳa족 원소 중의 적어도 1종이다. 이들 활성 금속은 원소 형태로 또는 수소화물로서 첨가될 수 있고, 바람직한 첨가량은 0.5∼4.0 wt%의 범위이다. 0.5 wt% 미만에서는, 생성되는 질화물 층이 필요로 하는 접착 강도를 제공하기에 불충분한 양으로 되고, 4.0 wt%를 초과하면, 접착 강도는 증가하지만, 세라믹 기판에 금속판을 접합한 후 크래킹(cracking)이 발생하기 쉽다.

산화 티탄은 0∼0.9 wt% 범위의 양으로 TiO 또는 TiO₂로서 첨가된다. 산화 티탄은 비정질 또는 결정질일 수 있다.

본 발명자들은, 상기한 조성의 납땜 재료에 상기한 양의 산화 티탄을 첨가하는 것에 의해, 얻어지는 복합 기판의 각종 특성, 예를 들어, 반복되는 열 사이클에 대한 저항, 굽힘 강도(flexural strength), 휨(deflection) 및 노(爐) 통과 저항 등의 특성의 향상에 기여한다는 것을 실험에 의해 확인할 수 있었다. 그 이유로서는, 납땜 재료에 첨가된 TiO₂ 또는 TiO가 균일하게 분산되어 응력의 집중을 감소시키기 때문인 것으로 고려된다.

상기한 조성을 갖는 합금이 본 발명의 납땜 재료로서 직접 사용될 수 있다. 또는, 각 성분의 입자를 포함하는 분말이 납땜 재료의 페이스트를 형성하도록 유기 용제와 혼합될 수도 있다. 금속 부재와 세라믹 부재를 단순히 접합하는 경우에는, 납땜 합금재가 판(板) 형태 또는 포일(foil) 형태로 사용될 수 있다. 세라믹 기판 상에 전자 회로를 형성하는 경우에는, 페이스트 형태의 납땜 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

납땜 재료의 페이스트를 제조하기 위해서는, 테르피네올(terpineol), 톨루엔, 메틸 셀로솔브 또는 에틸 셀로솔브와 같은 유기 용제 55∼75 용적부와 PMMA, 메틸 셀룰로스 또는 에틸 셀룰로오스와 같은 유기 결합제 25-45 용적부를 혼합하여 비히클(vehicle)을 형성한 다음, 이 비히클 10∼14 중량부를 납땜 재료의 각 성분의 입자들을 포함하는 100 중량부의 분말에 첨가하여 혼합한다.

사용되는 비히클의 양이 10 중량부 미만인 경우에는, 얻어지는 페이스트의 점도가 높게 되어, 인쇄가 얼룩지는 경향이 있고, 비히클의 양이 14 중량부를 초과하는 경우에는, 얻어지는 페이스트의 점도가 낮게 되어, 인쇄 형상이 흐르기 쉽게 된다.

본 발명은, 상기 조립체가 후술하는 이유로 납땜 재료의 조성에 따라 다르지만 납땜 재료의 공정(共晶) 융점보다 낮은 온도, 바람직하게는 780∼870℃로 노(爐) 내에서 가열되는 것을 특징으로 한다.

Ag 72 중량%와 Cu 28 중량%로 형성되고 활성 금속 Ti이 첨가된 종래의 납땜 재료가 사용되는 경우에는, Ag-Cu의 공정 융점(즉, 780℃)보다 높은 온도에서 접합이 개시된다. 따라서, 실제로는, 접합이 850℃ 전후의 온도에서 실행된다. 본 발명에서는, Ag의 양이 90 wt% 이상이다. Ag이 90 wt%인 경우, Cu는 9.5 wt%, Ti은 0.5 wt% 이고, 공정 융점은 Ag-Cu의 상태도(phase diagram)를 고려하여 875℃ 이상이어야 하므로, 종래의 방법에서 완전한 접합을 얻기 위해 900℃ 전후의 온도에서 접합이 실행되어야 한다.

본 발명의 납땜 재료가 상기 공정(共晶) 융점(875℃)보다 낮은 온도에서 가열되는 경우에는, 용융되지 않고 소결될 뿐이다. 그러나, 본 발명에서와 같이 파워 모듈용 기판으로서 구리판을 사용하는 경우에는, 상기 납땜 재료와 구리판이 서로 접촉하여 있기 때문에, 그 조립체가 가열될 때, 마이크론적으로 보면 상기 접촉부로부터 납땜 재료 중의 Ag과 구리판 중의 Cu가 서서히 공정(共晶) 반응을 하고, Ag이 상기 반응으로부터 출발하여 구리판으로 서서히 확산되고, 전체 접촉면에 공정 조직이 형성된다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 더 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 이것에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

세라믹 기판으로서 53 ×29 ×0.635 mm의 AIN 기판을 준비하였다. 표 1(샘플 1∼8)에 나타낸 조성(組成)의 분말 100 중량부에 12,4 중량부의 비히클을 혼합하여 납땜 재료의 페이스트를 제조하였다. 그 페이스트를 AIN 기판의 전체 표면에 도포한 후, 양 측면 각각에 각각 0.3 mm와 0.15 mm의 두께를 갖는 2개의 구리판을 겹쳐 놓고, 그 조립체를 표 1에 나타낸 온도로 소성(燒成)하여 구리판-세라믹 기판 접합체를 제조하였다.

[표 1]

접합체의 비접합부의 비율을 조사하기 위해 각 샘플에서 100개 시험편을 다양한 소성온도로 시험하였다. 그 결과, 비접합부를 갖는 샘플이 거의 보이지 않았다.

[비교예 1]

실시예 1에서 설명된 것과 동일한 치수의 AIN 기판을 세라믹 기판으로서 준비하였다. 표 2(비교 샘플 1∼6)에 나타낸 조성의 분말 100 중량부에 12.4 중량부의 비히클을 혼합하여 납땜 재료의 페이스트를 제조하였다. 그 페이스트를 AIN 기판의 전체 표면에 도포한 후, 양 측면 각각에 각각 0.3 mm와 0.15 mm의 두께를 갖는 2개의 구리판을 겹쳐 놓고, 그 조립체를 표 2에 나타낸 온도로 소성하여 구리판-세라믹 기판 접합체를 제조하였다.

[표 2]

실시예 1에서와 같이 접합체의 비접합부의 비율을 조사하기 위해 각 샘플에서 100개 시험편을 다양한 소성온도로 시험하였다. 그 결과, 표 2에 나타낸 바와 같이 Ag 농도와 소성온도가 낮을수록, 비접합부를 갖는 샘플이 많이 발생하는 것으로 판명되었다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 납땜 재료를 사용하여 제조된 금속-세라믹 복합 기판은 비접합부의 발생이 대폭 감소되고, 저 비용으로 효율적으로 제조될 수 있다.

Claims

고형분 함량으로서, 90.0∼99.5 중량%의 Ag, 9.5 중량% 이하의 Cu, 및 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속을 포함하는 납땜 재료를 사용하여 세라믹 기판과 금속판을 접합하여 이루어지고,

상기 활성 금속은 Ti, Zr 및 Hf로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 활성금속인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 기판.
제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 기판이 Al₂O₃, AlN 및 Si₃N₄로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 기판.
세라믹 기판과 금속판을 접합하여 금속-세라믹 복합 기판을 제조하는 방법으로서,

고형분 함량으로서, 90.0∼99. 5중량%의 Ag 분말, 9.5 중량% 이하의 Cu 분말, 및 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속 분말을 포함하는 100 중량부의 분말에 10∼14 중량부의 비히클(vehicle)을 첨가하는 단계;

상기 성분들을 혼합하여 페이스트(paste) 형태의 납땜 재료를 형성하는 단계;

상기 납땜 재료를 세라믹 기판에 도포하는 단계;

상기 세라믹 기판에 도포된 납땜 재료 상에 금속판을 겹쳐 놓은 조립체를 그 납땜 재료의 융점 이하의 온도로 가열하여, 상기 금속판과 상기 세라믹 기판의 접합체를 형성하는 단계; 및

상기 접합체의 금속판 상에 에칭 레지스트를 도포하여 회로 패턴을 형성하고 그 금속판을 에칭하여 금속화 회로를 형성하는 단계를 포함하고;

상기 활성 금속 분말은 Ti, Zr 및 Hf로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 활성 금속 분말인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 기판 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 조립체의 가열 온도가 상기 납땜 재료의 융점 이하인 780∼870℃의 범위인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 복합 기판 제조방법.
세라믹 기판과 금속판을 접합하는데 사용되는 납땜 재료로서,

고형분 함량으로서, 90.0∼99.5 중량%의 Ag 분말, 9.5 중량% 이하의 Cu 분말, 및 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속 분말을 포함하는 100 중량부의 분말에 10∼14 중량부의 비히클을 혼합하여 페이스트 형태로 제조되고,

상기 활성 금속 분말은 Ti, Zr 및 Hf로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 활성 금속 분말인 것을 특징으로 하는 납땜 재료.
세라믹 기판과 금속판을 접합하는데 사용되는 납땜 재료로서,

고형분 함량으로서, 90.0∼99.5 중량%의 Ag 분말, 9.5 중량% 이하의 Cu 분말, 0.5∼4.0 중량%의 활성 금속 분말, 및 0.9 중량% 이하의 산화 티탄 분말을 포함하는 100 중량부의 분말에 10∼14 중량부의 비히클을 혼합하여 페이스트 형태로 제조되고,

상기 활성 금속 분말은 Ti, Zr 및 Hf로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 활성 금속 분말인 것을 특징으로 하는 납땜 재료.