KR101128250B1

KR101128250B1 - 칩용 퓨즈

Info

Publication number: KR101128250B1
Application number: KR1020077002904A
Authority: KR
Inventors: 베르너 빌음; 라이너 프리드리히; 볼프강 베르너; 레이머 힌리히
Original assignee: 비셰이 베체 콤포넌츠 베이쉬라그 게엠베하
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2012-03-23
Also published as: JP2008505466A; EP1766648A1; DE102004033251B3; CN101010768A; TW200612453A; CN101010768B; US20080303626A1; TWI413146B; US20160372293A1; EP1766648B1; US9368308B2; ATE462194T1; US10354826B2; KR20070038143A; WO2006005435A1; DE502005009279D1

Abstract

본원은 칩에 사용하는 소형으로 저렴한 비용의 안전 퓨즈(100)를 제공하는 것이다. 상기 안전 퓨즈는 금속 도체(13)의 용융점을 정밀하게 한정할 수 있는, 고-열 전도성을 가진 Al₂O₃ 세라믹으로 제조된 캐리어 기판(10)에 적용되며, 가융 금속 도체(13)와 덮개 층(14)이 제공된다. 저-열 전도성의 중간 층(11)은 캐리어 기판(10)과 금속 도체(13) 사이에 배치된다. 상기 중간 층(11)은 스크린-프린팅 법으로 적용된 저-용융점 무기물 글래스 패이스트(paste)에 의해 형성되거나 또는 스폿 프린팅으로 적용되어 형성된다. 또한, 본원은 상기 안전 퓨즈(100)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

금속 도체, 캐리어 기판, 안전 퓨즈, 중간 층, 칩, 패이스트.

Description

칩용 퓨즈{SAFETY FUSE FOR A CHIP}

본 발명은 박막 기술(thin-film technology)을 사용하여 형성되며 덮개 층이 설치된 가융 금속 도체(fusible metal conductor)를 가진, Al₂O₃ 세라믹으로 제조된 캐리어 기판(carrier substrate)에 적용되는 칩 디자인의 퓨즈 및, 상기 칩 디자인의 퓨즈를 저-비용으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

칩 퓨즈는 포토리소그래피(photolithography)와 같이 당 업자에게 공지된 방법의 도움을 받아 세라믹 기초 재료(ceramic base material) 상에서 실현된다. 또한, FR-4 에폭시드 또는 폴리이미드와 같은 다른 캐리어 재료도 알려져 있다. 일반적으로, 칩 퓨즈는 63V에 이르는 전압용으로 설계된다.

전력 공급장치에서의 고장으로 과전압 또는 과전류의 흐름을 초래하여 발생하는 다른 전자 부품들에 대한 손상을 피하기 위해 전력 공급장치에는 퓨즈를 설치하는 것으로 알려져 있다. 퓨즈는 기본적으로 예를 들어, 구리, 알루미늄, 또는 은으로 제조된 금속 도체와 캐리어 재료를 포함한다. 퓨즈가 끊어지지 않고 상기 도체를 통해 흐를 수 있는 최대 전류의 세기는 도체의 기하형상과 횡단면으로 정해진다. 만일, 이 값을 초과하면, 도체가 전기저항으로 인해 초래되는 열로 인하여 퓨즈를 끊어서, 전기가 전자부품들로 흘러가 과부하 또는 손상시키기 전에 전력 공급장치를 차단한다.

가융 요소(fusible element)와 접촉 층이 저-열 전도성(low thermal conductivity)의 기초판 상에 스크린-프린팅 법(screen-printing)을 사용하여 패이스트(pastes)로 적용되는 후막(thick-film) 기술로 칩 퓨즈를 제조하는 방법에서는, 스크린-프린팅 법으로 인해 매우 정밀한 가융 요소 층의 기하형상 만이 부적절하게 실현될 수 있다. 따라서, 높은 값의 후층(thick-layer) 퓨즈에 대해서는 가융 요소 및/또는 가융 금속 도체가 추가의 레이저 절단방법을 통해 처리될 필요가 있다.

일반적으로, 저-열 전도성을 갖고, 전체 면에 걸쳐 글레이즈(glaze)된 높은 Al₂O₃ 비율의 세라믹 기판 또는 낮은 비율의 산화 알루미늄으로 제조된 세라믹 기판이 기초판으로 선택된다. 상기 2개 타입의 기판은 예를 들어 수동 부품(passive components)을 제조하는데 사용되는 후막 품질(thick-film quality)의 96% Al₂O₃ 로 제조된 전형적인 세라믹 기판과 대비하여 비용이 매우 많이 든다.

박막 기술로 퓨즈를 제조하는 방법에서, 가융 금속 도체는 전기화학적 방법을 통하거나 스퍼터링(sputtering)을 통해 적용된다. 특히 고-정밀도의 절단 및/또는 용융(fusing) 특징은 스퍼터링된 층의 포토리소그래피 제조법(photolithographic structuring)을 통해 달성되며, 저-열 전도성을 가진 저-산화 알루미늄으로 제조된 기판이 기초판으로 사용된다.

JP 2003/173728A는 박막 기술에 의한 칩 퓨즈 제조 방법을 기재하였으며, 퓨즈(14)와 덮개 층(15)이 기판(11)에 배치된 것이다. 상기 퓨즈(14)는 포토리소그래피 법을 사용하여 형성된다. 상기 기판(11)은 저-열 전도성을 가지어 전기 전도체(14)를 통해 흐르는 전류에 의해 발생된 전기 전도체(14)의 열을 발산하지 못하여, 전기 전도체(14)의 용융에 유익한 것이다. 상기 전기 전도체(14)는 기판(11)과 직접 접촉하여 있다.

JP 2002/140975A는 저-열 전도성을 가진 기판(11)에 직접 배치된 은으로 제조된 금속 도체(14)를 가진 퓨즈를 기재하였으며, 상기 금속 도체(14)는 전기도금되거나 후층으로 이루어진다.

JP 2003/151425A는 후막 기술로 제조된 저-열 전도성의 글래스 세라믹 기판(11)과 금속 도체(14)를 가진 퓨즈를 기재하였다.

JP 2002/279883A도 또한 도체(15)의 가융 영역(17)이 복합 레이저 처리를 통해 제조된 칩의 퓨즈도 기재하였다. 상기 퓨즈는 추가의 시간소비와 비싼 처리 단계를 필요로 한다.

JP 2003/234057A는 기판(10) 상에 저항기(30)를 가진 퓨즈 저항기를 기재하였으며, 추가된 열-저장 층(42)이 저항기(30)와 기판(10) 사이에 설치되어 저항기(30)에서 발생한 열을 저장한다. 또한, 레이저 처리를 통한 가융 영역도 형성되었다.

JP 08/102244A는 저-열 전도성의 글래스-글레이즈(glass-glaze) 층(2)을 가진 후막 기술로 제조된 퓨즈(10)를 기재했으며, 상기 글래스 층(2)은 세라믹 기판(1)에 배치되며, 퓨즈(3)는 글래스 층(2)에 적용된다.

JP 10/050198A는 복합 층의 구조를 가진 박막 기술로 제조된 추가 퓨즈를 기재했으며, 추가의 탄성 실리콘 층(6)이 도체(3)와 글래스 층(5) 상에 실현된다.

DE 197 04 097 A1는 후막 기술로 제조된 가융 도체를 가진 전기적 퓨즈 요소와 캐리어를 기재했으며, 상기 캐리어는 약한 열 전도성을 가진 재료, 특별하게는 글래스 세라믹을 포함한다.

DE 695 12 519 T2는 표면-장착된 퓨즈 기구를 기재했으며, 박막 가융 도체가 기판 상에 배치되며, 상기 기판은 양호하게 FR-4 에폭시드 또는 폴리아미드이다.

따라서, 특별한 세라믹 또는 평범한 Al₂O₃세라믹과 열적 절연 중간 층을 사용하는 후막 기술로 칩 퓨즈를 제조하는 방법은 공지된 것이며, 특별한 세라믹 또는 다른 특별한 캐리어 재료를 사용하는 박막 기술로 제조하는 칩 퓨즈도 공지된 것이다.

본 발명의 목적은 저-비용으로 제조되며 고-정밀도를 갖는 형식에 따르는 퓨즈를 제공하는 것이며, 상기 퓨즈의 용융 특징은 정밀하게 한정된다. 본 발명은 또한 상기 퓨즈를 저-비용으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 상기 목적은 본원에 첨부된 특허 청구범위의 독립항에 기술된 특징적인 기술에 의해 달성된다.

본 발명의 특징은 박막 기술과 정밀한 포토리소그래피 법의 장점에 수동 부품(passive components)에 대한 경제적인 제조공정의 장점을 결합시킨 것이다. 상기 기술은 박막 기술과 정밀한 포토리소그래피 법을 결합하여 Al₂O₃ 세라믹 기판 상에 열적 절연 중간 층을 사용하여 실현된다.

따라서, 본 발명의 특징은 고-열 전도성을 가진 캐리어와 같은 저-비용의 세라믹 기판과, 실질적 가융 금속 도체와의 사이에 중간 층을 설치하는 단계를 포함하는 것이며, 본 발명은 저-비용의 방법을 통해, 바람직하게 아일랜드 프린팅 법으로 적용된 저-용융점 무기물 글래스 패이스트(low-melting-point inorganic glass pastes) 또는 유기물 층을 생성한다. 이런 중간 층의 저-열 전도성 때문에, 그를 통하는 전류 흐름으로 인해 생성된 금속 도체에서 발생한 열은, 일반적으로 고-열 전도성을 가진 캐리어 기판을 통해 하향하여 소산되지 않는다. 따라서, 상기 도체는 그곳에 한정된 전류 세기로 바람직한 방식으로 용융된다. 상기 중간 층은 열적 절연체로 사용된다. 양호하게, 저-용융점 무기물 글래스 패이스트가 중간 층으로 사용되며, 상기 중간 층은 스크린-프린팅 법으로 캐리어 기판에 특별하게 적용된다. 이것은 저-열 전도성이 실질적으로 특정 제품으로만 제공되고/되거나 제조되기 때문에 저-열 전도성을 가진 다른 기판과 관련하여 중요한 이점을 제안하지만, 열적 절연 중간 층으로 글래스 아일랜드의 적용을 통해서 저-비용의 표준 세라믹이 이들이 사용될 수 있는 적절한 표면 조성물(후막 품질) 만을 가졌다면 이제는 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 중간 층은 유기물 중간 층이다. 상기 유기물 중간 층은 캐리어 기판에서 열의 작용을 통해 당업자에게 알려진 방식으로 아일랜드 프린팅 법에 의해 적용된 다음, 구워지고(baked) 그리고/또는 경화된다(cured). 이 경우, 단순하게 실시되는 아일랜드 프린팅 법을 통해서 임의 형태의 중간 층도 획득될 수 있으며, Al₂O₃세라믹이 캐리어 재료로 사용될 수 있다.

본 발명의 이점은 저-비용의 표준 세라믹과, 박막 기술의 이점을 가진 스크린-프린팅 법으로 저-비용으로 제조되는 열적 절연 중간 층과, 포토리소그래피 법이 결합된 것이다. 이 방식에서는 고장 전류로부터 전자 조립체를 안전하게 보호하기 위한 고-정밀 저-비용의 퓨즈가 축소된 공정으로 제조된다. 본 발명의 양호한 실시예는 종속 청구범위에서 특징적으로 청구된다.

퓨즈용 캐리어 기판으로 산화 알루미늄 기판이 양호하게 사용된다. 상기 퓨즈용 캐리어 기판은 이런 타입의 세라믹 기판을 제조하는 실질적인 모든 제조업자로부터 저렴한 가격으로 임의적 형태와 크기의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 퓨즈용 캐리어 기판은 저항기 제조업자의 대량생산에 사용된다. 이런 타입의 산화 알루미늄 세라믹 기판에는 칩 형태의 예비 노치(preliminary notch)가 제조업자에 의해 앞서 제공되어, 기판으로 후에 제조된다. 상술한 실시예에서, 후 분할 공정(later isolation process) 동안 파쇄 공정(fracturing processes)을 통하여 중간 층이 손상을 받지 않는 공지된 방식으로 캐리어 기판을 분리하도록, 중간 층이 예를 들어 제조업자에 의해 사전 형성된 예비 노치의 영역에 적용된다.

중간 층에 대한 금속 도체의 접착도를 향상시키기 위해서, 무기물 또는 유기물 접착 증진물(promoter)이 분무 방법으로 또는 스퍼터링을 통해 중간 층에 직접 적용된다. 양호한 실시예에서, 금속 도체는 퓨즈의 용융점을 정밀하게 설정할 수 있도록 저-저항 금속 층으로 형성된다.

제1실시예에서, 이런 금속 층은 스퍼터링을 통해 중간 층 및/또는 접착 증진물 층에 적용된다. 만일, 스퍼터링된 금속 층이 전체 면에 걸쳐 글래이즈된 캐리어 기판에 적용되었다면, 이것은 접착성을 저하시키어, 사전-접촉 영역에서의 금속 층의 층분리(delamination)가 파쇄 공정을 사용하는 분할 공정을 하는 동안 발생할 수 있다. 저-열 전도성의 중간 층을 형성한 열적 절연 아일랜드에 금속 층을 적용하여, 거친 산화 알루미늄 세라믹에 대한 금속 층의 우수한 접착성은 용융 영역에서의 상기 글래스 아일랜드에 의한 원만한 표면의 생성으로 접촉 영역에서 보장된다. 이를 통해, 퓨즈의 포토리소그래피 법이 매우 정밀하게 실시된다. 대조적으로, 약한 열 전도성의 세라믹으로 제조된 캐리어 기판은 정밀한 포토리소그래피 법에 좋지않은 높은 표면 거칠기를 갖는다.

금속 도체를 원하는 퓨즈의 형태로 제조하기 위해, 포지티브 또는 네가티브 리소그래피 법을 통해 실시하는 것이 고려된다. 포지티브 리소그래피 법에서는 구리와 같은 금속 층이 하부 측에 배치된 층 위에 전체 구역에 걸쳐 증착되며, 필요한 구조는 예를 들어 상기 층에 포토리소그래피 법으로 에칭된다. 네가티브 리소그래피 법에서는, 먼저, 포토 레지스트가 예를 들면 하부에 배치된 층, 즉 중간 층 또는 접착 증진 층에 증착되며, 분무되고, 이어서, 원하는 방식으로 포토리소그래피 법으로 형성된다. 이어서, 스퍼터링된 구리 막과 같은 금속 층이 그 위에 증착되고, 그 위에 금속 막을 가진 나머지 포토 저항 영역은 제거된다.

퓨즈를 보호하기 위해 1개 이상의 덮개 층이 금속 도체 또는 바람직하게는 전체 퓨즈를 덮게 적용되며, 그 사이에는 무기물 배리어 층이 형성된다. 유기물 덮개 층은 특별히 폴리아미드, 폴리이미드, 또는 에폭시드이며, 또한 복수 층으로 실시할 수도 있다.

퓨즈를 접촉시키는 역할을 하는 금속 도체의 단부 접촉부는 전형적으로 니켈로 제조된 금속 배리어 층의 전극 부위를 통해 생성되며, 용접 또는 접합되는 마지막 층은 주석 또는 주석 합금으로 제조된다.

이하에 본 발명을 첨부도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도1은 퓨즈를 이루는 6단계의 제조공정을 나타낸 도면이다.

도1에 도시된 퓨즈(100)의 제조공정에서, 먼저 열적 절연 중간 층(11)이 아일랜드 형태로 캐리어 기판(10)(도1의 a단계), 양호하게는 산화 알루미늄 세라믹제 기판에 증착된다(도1의 b단계). 다음, 기초부에 대한 금속 도체(13)의 접착을 향상시키기 위한 접착 층(12)이 중간 층(11)과 캐리어 기판(10)에 적용된다(도1의 c단계). 다음, 바람직한 방식으로 그 위에 스퍼터링 되고 포토리소그래피 법으로 필요한 방식으로 형성된 구리 층과 같은 금속 도체(13)가 접착 층(12)에 적용된다(도1의 d단계). 즉, 상기 금속 도체(13)는 스퍼터링에 의해 접착 층(12) 상에 분무되어 포토리소그래피 법에 의해 전기회로를 형성하는 패턴으로 이루어진다.

이런 방법에서, 금속 도체(13)의 중앙 영역에 웹(web)의 두께와 폭을 통해, 최대 전류세기가 사전에 한정되며, 상기 웹은 최대 전류세기를 초과하게 되면 퓨즈를 용융하여, 다른 전자 부품들이 손상받지 않게 보호한다. 열적 절연 중간 층을 통해, 캐리어 기판(10)으로의 열 전도가 강력히 억제되어, 퓨즈(100)의 용융점이 정밀하게 한정된다.

다음, 퓨즈(100) 및/또는 금속 도체(13)의 중앙 영역은 퓨즈(100)가 손상당하지 않게 보호하기 위해 폴리아미드 또는 에폭시드와 같은 유기물 덮개 층(14)으로 코팅된다(도1의 e단계). 퓨즈를 접촉시키는 역할을 하는 금속 도체(13)의 단부 접촉부(15)는 예를 들어 니켈 및 주석을 사용하여 전기도금된다(도1의 f단계).

도면번호:

100: 퓨즈 10: 캐리어 기판 11: 중간 층

12: 접착 층 13: 금속 도체 14: 덮개 층

15: 단부 접촉부

Claims

박막기술에 의해 형성되며 덮개 층(14)이 설치된 가융 금속 도체(13)를 가진 후막 또는 박막 품질의 산화 알루미늄 세라믹으로 제조된 캐리어 기판(10)을 포함하는 칩 디자인의 퓨즈(100)에서;

캐리어 기판(10)과 가융 금속 도체(13)사이에 저-열 전도성의 중간 층(11)이 배치되며, 상기 캐리어 기판(10)은 고-열 전도성의 Al₂O₃ 세라믹이며, 상기 가융 금속 도체(13)는 스퍼터링 또는 증기 증착법에 의해 적용되며 리소그래피 기술에 의해 형성되며;

상기 금속 도체(13)는 Cu, Au, Ag, Sn 합금 또는 저-저항 Cu, Au, Ag, Sn 합금의 저-저항 금속 층으로 형성되며, 상기 금속 층은 진공 방법에 의해 그 위에 스퍼터링 되거나 증기-증착되며;

상기 금속 도체(13)는 포지티브 또는 네가티브 리소그래피 법으로 형성되며;

덮개 층(14)은 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드 이미드 또는 에폭시드의 무기물 또는 유기물 층으로 금속 도체(13) 상에 복수 층으로 형성되는;

칩 디자인의 퓨즈(100)에 있어서:

상기 중간 층(11)은 스크린 프린팅 법으로 적용된 저-용융점 무기물 글래스 패이스트, 또는 아일랜드 프린팅 법으로 적용된 유기물 중간 층(11)이며;

퓨즈(100)의 단부 접촉부(15)는 구리, 니켈, 주석, 및 주석 합금을 담그거나 전기도금을 통해 형성되며;

접착 층(12)은 중간 층(11) 상에 배치되며;

상기 금속 도체(13)는 상기 접착 층(12)에 적용되는 것을 특징으로 하는 퓨즈.
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제1항에 있어서, 무기물 배리어 층이 덮개 층(14)과 금속 도체(13) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 퓨즈.
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캐리어 기판(10)과, 저-열 전도성의 중간 층(11)과, 상기 중간 층(11) 상에 배치된 접착 층(12), 및 박막기술에 의해 형성되며 덮개 층(14)이 설치된 가융 금속 도체(13)를 포함하는 칩 디자인의 퓨즈(100)를 제조하는 방법에 있어서:

-상기 중간 층(11)은 고-열 전도성을 가진 후막 품질 또는 박막 품질의 Al₂O₃ 세라믹으로 제조된 캐리어 기판(10) 상에 적용되며;

-상기 중간 층(11)은 스크린 프린팅 법으로 적용된 저-용융점 무기물 글래스 패이스트로 형성되거나 또는 아일랜드 프린팅으로 적용된 유기물 중간 층(11)이며;

-상기 금속 도체(13)는 상기 중간 층(11)과 상기 접착 층(12) 상에 적용되며;

-상기 덮개 층(14)은 금속 도체(13) 상에 적용되며;

-상기 금속 도체(13)는 저-저항 금속 층으로 형성되며, 상기 금속 층은 진공 방법에 의해 그 위에 스퍼터링되거나 증기 증착되며, Cu, Au, Ag, Sn 합금 또는 저-저항 Cu, Au, Ag, Sn 합금으로 형성되며;

-상기 금속 도체(13)는 포지티브 또는 네가티브 리소그래피 법으로 형성되며;

-상기 덮개 층(14)은 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드 이미드, 또는 에폭시드의 무기물 및 유기물 층으로 형성되고, 복수 층으로 제공되며;

-상기 퓨즈(100)의 단부 접촉부(15)는 구리, 니켈, 주석, 및 주석 합금을 담그거나 전기도금에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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제11항에 있어서, 무기물 배리어 층은 덮개 층(14)과 금속 도체(13) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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