KR101993521B1 - 세라믹-메탈 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 열전도도를 갖는 금속기판의 상부측에 세라믹 절연층을 형성한 세라믹-메탈 패키지에서 상기 금속기판과 세라믹 절연층의 서로 다른 기계적 팽창/수축으로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 크게 감소시켜 상기 금속기판과 절연층 간의 접합 불량 내지는 층간박리와 이로 인한 상기 절연층의 균열 발생을 방지하는 세라믹-메탈 패키지 및 이의 제조방법을 제공한다. 이를 위하여, 본 발명은 금속기판과 상기 금속기판의 상측에 형성된 제1절연층을 포함하는 세라믹-메탈 패키지에서, 상기 금속기판과 상기 제1절연층 간에 삽입되되 상기 금속기판의 열팽창계수보다 더 작고 상기 제1절연층의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 하나 또는 순차 적층된 복수의 제1버퍼층을 더 포함한다. 이때, 상기 복수의 제1버퍼층 각각의 열팽창계수값은 상기 복수의 제1버퍼층 각각의 적층 위치가 상기 금속기판과의 인접부위에서 상기 제1절연층과의 인접부위로 향할수록 작아진다.

Description

세라믹-메탈 패키지 및 그 제조방법 {CERAMIC-METAL PACKAGE AND MANUFACTURING METHOD THEROF}
본 발명은 높은 열전도도를 갖는 금속기판의 상부측에 세라믹 절연층을 형성한 세라믹-메탈 패키지에 관한 것으로, 특히 본 발명은 상기 금속기판과 세라믹 절연층의 서로 다른 기계적 팽창/수축으로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 크게 감소시켜 상기 금속기판과 절연층 간의 접합 불량 내지는 층간박리와 이로 인한 상기 절연층의 균열 발생을 방지하는 세라믹-메탈 패키지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 세라믹-메탈 패키지의 제조방법에 관한 것이다.
종래기술에 따라 제조되는 세라믹-메탈 패키지는 알루미늄 등의 고열전도도의 금속기판상에 일반적인 스크린 인쇄법을 이용하여 금속기판의 표면 전체에 절연체를 인쇄 및 열처리하여 세라믹절연층을 형성하여 제조된다.
이러한 세라믹-메탈 패키지는 예컨대 그 상부에 LED, 반도체칩 또는 발열회로를 실장하기 위해서 금속기판(도 1a 및 도 1b의 1)과, 상기 금속기판상에 형성된 절연체(도 1a 및 도 1b의 2)와, 그리고 상기 절연체 상에 전극층(도 1b의 3)으로 된 회로패턴을 형성하여 구성될 수도 있다. 이러한 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조는 일반적으로 도 1a~1b에 도시된다.
그러나, 이러한 종래의 세라믹-메탈 패키지에 있어서는 금속기판(1) 상에 세라믹절연층(2)을 형성하여 열처리하는 경우, 예를 들어 도 1a에 보인 바와 같이 가장자리보다 중심부가 솟아오르는 휨(camber) 불량 현상이 발생한다. 이의 원인은 열팽창율이 큰 금속기판과 열팽창율이 상대적으로 작은 글라스 세라믹층 간의 열처리 공정상에서의 큰 수축율 차이에 기인한다.
또한, 도 1b에 도시하듯이 열저항값을 개선하여 방열효과를 높이기 위한 세라믹-메탈 패키지 구조로서 열간접착제(Thermal Interface Material: TIM)(5)를 히트싱크(heat sink)(6)에 부착한 세라믹-메탈 패키지에서는 금속기판(1)에 발생한 휨 불량으로 인한 층간 박리가 일어나 패키지와 히트싱크(6) 간에 공극(void)(7)이 발생한다. 이러한 공극(7)은 그 내부에 존재하는 공기층의 매우 낮은 열전도도로 인해 오히려 패키지의 방열성능을 크게 저하시켜버린다.
위와 관련된 종래기술의 예로서, 공개특허공보 제10-2007-0039006호(2007. 4. 11 공개) "메탈 인쇄회로기판용 알루미늄절연기판", 공개특허공보 제10-2014-0048849호(2014. 4. 24 공개) "절연 금속 기판" 및 공개특허공보 제10-2012-0057578호(2012. 6. 5 공개) "알루미늄 기재, 그 알루미늄 기재를 사용한 절연층을 갖는 금속 기판, 반도체 소자 및 태양전지"는 알루미늄 등 금속성 기판의 표면을 양극 산화 처리하여 세라믹 코팅함으로써 금속절연기판의 제조기술을 개시한다.
그러나, 위 기술은 알루미늄 등 금속성 기판의 표면이 양극산화 처리됨에 따라 상기 산화막의 미세구조가 다수의 미세기공을 포함하고, 산화막의 결정구조가 완전한 알루미나 결정질이 아니므로 기계적 강도가 약하다. 뿐만 아니라, 산화 절연막 위에 전도성 회로 전극을 형성할 경우, 상기 다수의 미세기공을 통해 전도성 입자의 이동에 의한 누설전류의 발생으로 내전압 특성이 열화되는 문제를 갖는다.
또한, 본 출원인의 등록특허 제10-1238633호(2013. 3. 4 공고) "세라믹-메탈 패키지"는 금속기판 상에 복수의 세라믹 절연층을 그 상부의 복수의 전극층과 함께 형성하되 상기 세라믹 절연층들은 전기회로 패턴에 따라 상호 인접한 세라믹 절연층과 상호 이격되어 배치되는 기술을 개시한다. 이 기술은 저온소성 글라스 세라믹을 후막 스크린 인쇄함으로써 충분한 두께로 상기 세라믹 절연층을 형성할 수 있어 높은 내전압 특성을 발현하므로 고출력 LED 패키지 등에 효과적으로 응용될 수 있다.
그러나, 위 기술은 알루미늄과 같은 연질 금속 기판의 일면에만 세라믹 기반의 경질 절연막을 도포하여 금속절연기판을 제조하므로, 이들 서로간의 열적 부정합에 의해 후열처리 공정시 상기 금속절연기판이 휨이 발생한다(warpage 발생). 또한, 상기 금속절연기판을 LED 패키지보다 더 가혹한 작동 환경으로 되는 다른 용도의 패키지(예컨대, LED 패키지의 통상 작동온도인 50~120℃보다 더 고온인 150~550℃의 작동온도 환경과 승온/냉각 싸이클이 잦고 온도 변화율이 큰 가혹한 환경에서 사용되는 패키지)로 사용할 경우, 세라믹과 금속 소재 간의 큰 열팽창 계수 차이로 인해 기계적 수축 및 팽창에 의한 스트레스로 세라믹 층과 금속기판 층 간의 계면에서 박리가 발생하거나 또는 신축성이 상대적으로 낮은 세라믹 층에서 균열이 발생하게 된다.
따라서, 위와 같이 패키지 기판에 휨이 발생하면, 금속 기판과 그 상부의 세라믹 기반 절연층 간의 층간박리(delamination)가 일어나게 되고, 이는 패키지의 외관불량, 기판상에 인쇄할 후속 전극회로선 층의 두께 불균일, 패키지 기판과 다른 부재(특히, 하우징 케이스 및 방열용 히트싱크 등)와의 접합시 갭 내지는 공극의 발생 등의 다양한 문제로 이어진다. 뿐만 아니라, LED 패키지와 같은 응용에서는 이러한 공극은 패키지의 방열특성을 크게 저하한다.
본 발명은 높은 열전도도를 갖는 금속기판의 상부측에 세라믹 절연층을 형성한 세라믹-메탈 패키지에서 상기 금속기판과 세라믹 절연층의 서로 다른 기계적 팽창/수축으로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 크게 감소시켜 상기 금속기판과 절연층 간의 접합 불량 내지는 층간박리와 이로 인한 상기 절연층의 균열 발생을 방지하는 세라믹-메탈 패키지 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
위 과제를 위하여, 본 발명의 일 관점에 따른 세라믹-메탈 패키지는 금속기판과 상기 금속기판의 상측에 형성된 제1절연층을 포함하는 것으로, 상기 금속기판과 상기 제1절연층 간에 삽입되되 상기 금속기판의 열팽창계수보다 더 작고 상기 제1절연층의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 하나 또는 순차 적층된 복수의 제1버퍼층을 더 포함할 수 있고, 상기 복수의 제1버퍼층 각각의 열팽창계수값은 상기 복수의 제1버퍼층 각각의 적층 위치가 상기 금속기판과의 인접부위에서 상기 제1절연층과의 인접부위로 향할수록 작아진다.
또한, 상기 세라믹-메탈 패키지는 상기 금속기판의 하면상에 형성되되 상기 금속기판의 열팽창계수보다 작은 열팽창계수를 갖는 하나 또는 순차 적층된 복수의 제2버퍼층을 더 포함할 수 있고, 상기 복수의 제2버퍼층 각각의 열팽창계수값은 상기 복수의 제2버퍼층 각각의 적층 위치가 상기 금속기판과의 인접부위에서 멀어질수록 작아진다.
또한, 상기 세라믹-메탈 패키지는 상기 하나의 제2버퍼층의 하면상에 또는 상기 복수의 제2버퍼층 중의 최하단층의 하면상에 형성된 제2절연층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1버퍼층과 상기 제2버퍼층은 Ni, Ni-Cr 합금, Ni-B 합금 및 Ni-Al 합금, Ni-Al2O3 복합체, Ni-TiO2 복합체, Ni-Cr-Al2O3 복합체, Ni-Cr-TiO2 복합체, Ni-Cr-ZrO2 복합체, Cr-Al2O3 복합체, Cr-TiO2 복합체, Ni-Al-Al2O3 복합체 및 Ni-Al-TiO2 복합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 Ni-Cr 합금 또는 상기 Ni-Cr은 1.4~23.9 at% 함량의 Cr과 76.1~98.6 at% 함량의 Ni를 포함할 수 있다. 또한, 상기 Ni-B 합금은 1~10 at% 함량의 B를 포함할 수 있다. 또한, 상기 Ni-Al 합금 또는 상기 Ni-Al은 10~15 at% 함량의 Al을 포함할 수 있다. 또한, 상기 Ni-Al2O3 복합체, Ni-TiO2 복합체, Ni-Cr-Al2O3 복합체, Ni-Cr-TiO2 복합체, Ni-Cr-ZrO2 복합체, Cr-Al2O3 복합체, Cr-TiO2 복합체, Ni-Al-Al2O3 복합체 및 Ni-Al-TiO2 복합체의 각 Al2O3, TiO2 또는 ZrO2의 함량은 각각 기지상인 Ni, Cr, Ni-Cr 또는 Ni-Al의 각 함량 대비 5~30 vol% 범위로 될 수 있다.
또한, 상기 세라믹-메탈 패키지에 있어서, 상기 금속기판은 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금, 마그네슘(Mg) 및 마그네슘 합금, 동(Cu) 및 동 합금, 스테인레스 스틸(SUS) 합금과, 티타늄(Ti) 및 티타늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 될 수 있다.
또한, 상기 세라믹-메탈 패키지에 있어서, 상기 제1절연층 및 상기 제2절연층은 상기 세라믹-메탈 패키지의 최고 사용온도보다 더 높고 상기 금속기판의 융점보다 더 낮은 온도범위에서 고용체를 이루는 글라스 세라믹스로 될 수 있다. 또한, 상기 제1절연층 및 상기 제2절연층은 SiO2 30~48wt%, K2O 10~20wt%, P2O5 3~10wt%, Sb2O3 1~10wt%, CuO 1~8wt%, MnO 0.5~3wt% 및 SrO 0.5~3wt%를 포함하는 조성물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 세라믹-메탈 패키지에 있어서, 상기 하나 또는 순차 적층된 복수의 제1버퍼층 또는 상기 하나 또는 순차 적층된 복수의 제2버퍼층 각각의 총 두께는 1~100㎛ 범위, 바람직하게는 1~30㎛ 범위로 될 수 있다.
또한, 위 과제를 위한 본 발명의 다른 일 관점에 따른 세라믹-메탈 패키지의 제조방법은 전술한 바인 상기 금속기판의 상면상에 상기 제1버퍼층과 상기 제1절연층을 순차적으로 적층하거나, 또는 상기 금속기판의 상면상에 상기 제1버퍼층과 상기 제1절연층을 순차적으로 적층하고 상기 금속기판의 하면상에 상기 제2버퍼층을 적층하거나, 또는 상기 금속기판의 상면상에 상기 제1버퍼층과 상기 제1절연층을 순차적으로 적층하고 상기 금속기판의 하면상에 상기 제2버퍼층과 상기 제2절연층을 순차적으로 적층하여 세라믹-메탈 적층체를 형성하는 단계와; 상기 세라믹-메탈 적층체를 중성 또는 환원성 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 세라믹-메탈 패키지의 제조방법에 있어서, 상기 중성 또는 환원성 분위기에서 열처리하는 단계는 질소, 질소-수소 혼합가스 또는 아르곤 가스가 공급되는 분위기에서 수행할 수 있다.
또한, 상기 세라믹-메탈 패키지의 제조방법에 있어서, 상기 제1절연층 및 상기 제2절연층은 각각 절연체 후막을 스크린 인쇄하여 형성하고 상기 절연체 후막을 건조하는 일 세트의 공정을 복수회 반복하여 형성한 후, 상기 열처리할 수 있다.
본 발명에 의한 세라믹-메탈 패키지는 금속기판과 절연층 간에 이들 간의 큰 열팽창계수 차이를 완화하는 소정의 버퍼층을 여러 구현예들의 구조로 삽입 형성하고 또는 이에 부가하여 금속기판의 다른 일면상에도 버퍼층 및/또는 절연층을 형성함으로써, 온도변화에 따라 상기 금속기판과 절연층의 크게 차이나는 기계적 팽창/수축으로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 크게 감소시킨다. 그리고, 이러한 스트레스의 감소는 종래 기술의 문제로 되었던 상기 금속기판과 절연층 간의 접합 불량 내지는 층간박리와 이로 인한 상기 절연층의 균열 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1a~1c는 종래기술에 따라 제조된 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도로서,
도 1a는 상기 세라믹-메탈 패키지에서 세라믹절연층이 전면에 형성된 금속기판의 열처리후의 구조를 보인 단면도이고;
도 1b는 도 1a의 금속기판을 히트싱크에 접합하여 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이다.
앞서 살폈듯이, 세라믹-메탈 패키지에 있어서 알루미늄 등의 고열전도도의 금속기판과 그 상부에 형성된 세라믹 절연층간의 큰 열팽창계수의 차이로 인한 스트레스는 상기 금속기판과 절연층 간의 접합 불량 내지는 층간박리와 이로 인한 상기 절연층의 균열 발생의 주된 원인으로 된다.
이에 관해, 본 발명은 상기 금속기판과 절연층 간에 이들 간의 큰 열팽창계수 차이를 완화하는 소정의 버퍼층을 삽입 형성함으로써 위와 같은 스트레스를 크게 감소시키는 기술을 제공한다. 그리고, 이러한 스트레스의 감소는 종래 기술의 문제로 되었던 상기 금속기판과 절연층 간의 접합 불량 내지는 층간박리와 이로 인한 상기 절연층의 균열 발생을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹-메탈 패키지에 있어서 사용되는 금속기판은 일반적으로 전기전도성과 열전도성 및 가공성이 우수한 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금(Al-1000 ~ Al-7000 계열), 마그네슘(Mg) 및 마그네슘 합금, 동(Cu) 및 동 합금, 그리고 스테인레스 스틸(SUS) 합금과 티타늄(Ti) 및 티타늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 될 수 있고, 본 발명은 이에 한정되지 않고 그밖의 공지된 모든 금속재료를 포함한다. 바람직하게는 상기 금속기판은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금(Al-1000 ~ Al-7000 계열)으로 될 수 있고, 일반적인 후막인쇄나 물리적 또는 화학적 증착을 포함한 공지된 공정으로 제조될 수 있고 그 표면은 예컨대 통상의 양극산화처리로 가공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹-메탈 패키지에 있어서 상기 세라믹 절연층은 일반적으로 알루미나 및 알루미나 기반 세라믹 복합체, AlN 및 BN 등의 질화물, 지르코니아 및 지르코니아 기반 세라믹 복합체, 티타니아 및 티타니아 기반 세라믹 복합체 등의 결정질 금속산화물과, 글라스 세라믹 기반의 저온동시소성세라믹스(LTCC: low temperature co-fired ceramic) 및 초저온동시소성세라믹스(uLTCC: ultra low-temperature co-fired ceramic)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 조성으로 될 수 있고, 통상의 스크린 인쇄를 포함한 후막인쇄나 물리적 또는 화학적 증착, 에어로졸 증착, 수열합성 등에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 세라믹 절연층의 두께는 AC 또는 DC 내전압은 세라믹-메탈 패키지가 사용되는 환경에서의 전기적 규격에 의해 임의로 설정될 수 있다. 일 예로서, 상기 세라믹 절연층을 스크린 인쇄로 형성할 경우, 일반적으로 스크린 인쇄시 수반되어 형성되는 다수의 핀홀(pin-hole)에 의해 전기적으로 단락되거나 누설전류가 발생하여 상기 내전압이 취약해지므로, 수차례의 스크린 인쇄에 의한 도포로 상기 핀홀들을 커버함이 바람직하다(예컨대, 스크린 인쇄로 세라믹 절연층을 형성하는 경우, 만일 사용환경에서 요구되는 내전압이 1.5kVAC이면, 실험적으로 바람직한 상기 세라믹 절연층의 두께는 적어도 30㎛였고 적어도 2회 이상의 복수 인쇄가 요구되었다). 일 실시예로서, 이와 같은 2회 이상의 복수 인쇄에 의한 상기 세라믹 절연층의 형성은 스크린 인쇄 공정 및 건조 공정을 순차 반복한 후 최종 소결 열처리하는 방법 또는 스크린 인쇄 공정, 건조 공정 및 소결 열처리를 각각 순차적으로 수행하는 일 세트의 단계를 반복하여 형성하는 방법으로 이루어질 수 있고, 특히 상기 세라믹 절연층의 층간 박리가 현저히 감소하는 후자의 방법이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 세라믹 절연층은 글라스 세라믹 조성으로서 상기 세라믹-메탈 패키지의 최고사용온도보다는 높고 상기 금속기판의 열적안정온도보다는 낮은 온도범위에서 소결가능한 것이 바람직하다. 일 예를 들면, 본 발명에서 상기 금속기판은 알루미늄 합금인 Al5052 합금으로 구성될 수 있다. 이 경우 상기 글라스 세라믹 절연층은 상기 Al5052 합금의 융점인 607℃보다 더 낮은 550℃ 이하, 바람직하게는 480~520℃ 온도 범위에서 소결가능한 것이 바람직하고, 이때 세라믹-메탈 패키지는 480℃ 이하에서 상용 동작하는 환경에 적용됨이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속기판은 알루미늄 합금(Al5052 합금)으로 구성되고 상기 글라스 세라믹 절연층은 SiO2 30~48wt%, K2O 10~20wt%, P2O5 3~10wt%, Sb2O3 1~10wt%, CuO 1~8wt%, MnO 0.5~3wt% 및 SrO 0.5~3wt% 조성으로 될 수 있다. 이때, 상기 금속기판의 열팽창계수는 약 23.8ppm/℃이고 상기 글라스 세라믹 절연층의 열팽창계수는 약 8~9 ppm/℃로서 이들 두 층의 열팽창계수의 차이는 대략 11~12 ppm/℃나 된다. 이때, 본 발명에 의하면, 이들 두 층의 열팽창계수 중간범위의 열팽창계수를 갖는 버퍼층을 삽입 형성하면 위와 같이 큰 열팽창계수 차이를 크게 감소시킬 수 있다. 예컨대, 열팽창계수가 대략 13ppm/℃의 크기인 니켈(Ni)이 상기 버퍼층으로 바람직하게 구성될 수 있고, 이 경우 상기 금속기판과 절연층 간의 열팽창계수의 차이값(대략 11~12 ppm/℃)은 대략 4~5 ppm/℃로 크게 감소된다. 이로써, 고온 및 열 싸이클 환경에서 세라믹-메탈 패키지의 내구성이 크게 향상될 수 있다.
위와 같이 본 발명은 상기 금속기판과 절연층 간에 이들 간의 큰 열팽창계수 차이를 완화하는 소정의 버퍼층을 삽입 형성하고, 상기 버퍼층은 금속 및 이의 합금과 금속 및 세라믹의 복합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 소재로 구성될 수 있다. 특히 바람직하게는, 상기 금속 및 이의 합금은 Ni, Ni-Cr 합금(일 실시예로서, Cr 1.4~23.9 at%, Ni 76.1~98.6 at%), Ni-B 합금(일 실시예로서, B 1~10 at%) 및 Ni-Al 합금(일 실시예로서, Al 10~15 at%)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다. 또한 바람직하게는, 상기 금속 및 세라믹의 복합체는 Ni-Al2O3, Ni-TiO2, Ni-Cr-Al2O3, Ni-Cr-TiO2, Ni-Cr-ZrO2, Cr-Al2O3, Cr-TiO2, Ni-Al-Al2O3 및 Ni-Al-TiO2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 복합체 조성으로 될 수 있고, 더 바람직하게는 상기 군에 나열된 상기 Ni-Cr 합금에서 Cr의 함량은 1.4~23.9 at%이고 Ni의 함량은 76.1~98.6 at%이며, 상기 Ni, Cr, Ni-Cr 또는 Ni-Al과 결합된 상기 Al2O3, TiO2 및 ZrO2의 함량은 각각 기지상인 Ni, Cr, Ni-Cr 또는 Ni-Al의 함량 대비 5~30 vol%로 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예로서, 위와 같은 금속 및 이의 합금과 금속 및 세라믹의 복합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 소재로 구성되는 버퍼층은 이의 산화를 방지하기 위하여 열처리는 중성 또는 환원성 분위기에서 수행됨이 바람직하다. 왜냐면 이러한 버퍼층의 산화는 버퍼층의 분해 내지는 붕괴로 이어질 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 일 예로서 상기 버퍼층의 산화를 막기 위해 열처리가 질소, 질소-수소 혼합가스 또는 아르곤 가스가 공급되는 분위기에서 수행된다.
또한, 본 발명에서 상기 버퍼층은 무전해 도금, 후막인쇄나 물리적 또는 화학적 증착을 포함한 모든 공지된 성막방법이 사용될 수 있고, 특히 일 실시예로서 상기 버퍼층의 두께는 대략 1~100㎛ 범위, 바람직하게는 1~30㎛ 범위로 될 수 있다. 왜냐면, 이 버퍼층이 너무 두꺼워 이 범위를 초과하면, 경질 금속기판층의 압축 응력으로 인해 또 다른 층간 박리의 원인을 제공할 수 있고, 또한 반면에 버퍼층이 너무 얇아 위 범위 미만이면, 상대적으로 두꺼운 금속기판층의 열팽창에 의한 응력 변형을 효과적으로 억제하지 못하여 급격한 온도변화 및 열싸이클에 의해 상기 버퍼층이 박리되거나 파괴되어버릴 수 있기 때문이다. 아울러, 상기 버퍼층의 두께는 적용되는 소재의 경질 및 연질 여부에도 좌우된다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 구현예에서 버퍼층(120)이 금속기판(110)과 절연층(140) 간에 삽입 형성되되, 버퍼층(120)의 열팽창계수값은 금속기판(110)과 절연층(140)의 각 열팽창계수값의 사이값으로 된다. 예컨대, 전술했듯이 금속기판(110)의 열팽창계수가 약 23.8ppm/℃이고 절연층(140)의 열팽창계수가 약 8~9 ppm/℃인 경우, 버퍼층(120)은 이들 두 층의 열팽창계수들 간의 사이값으로 되는 소재로 될 수 있고 일 예로서 열팽창계수가 대략 13ppm/℃의 크기인 니켈(Ni)로 될 수 있다. 이리하면, 대략 11~12 ppm/℃이었던 상기 금속기판과 절연층 간의 열팽창계수의 차이는 대략 4~5 ppm/℃로 대폭 감소된다. 이로써, 고온 및 열 싸이클 환경에서 세라믹-메탈 패키지의 내구성이 크게 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 구현예에서 버퍼층은 버퍼층 A(122)와 버퍼층 B(124)로 구성될 수 있고, 버퍼층 B(124)의 열팽창계수는 버퍼층 A(122)의 열팽창계수와 금속기판(110)의 열팽창계수의 사이값으로 선택되고, 버퍼층 A(122)의 열팽창계수는 절연층(140)의 열팽창계수와 버퍼층 B(124)의 열팽창계수의 사이값으로 선택된다.
즉, 본 구현예에서 상기 버퍼층은 여러 층의 버퍼층으로 세분되어 순차적으로 적층됨으로써 세라믹-메탈 패키지의 각 층간의 열 팽창 및 수축 정도를 점층적으로 완화하는 것이다. 따라서, 본 구현예는 상기 버퍼층을 버퍼층 A(122)와 버퍼층 B(124)의 2개층으로 세분 적층한 예를 보이나, 본 발명은 이러한 개수에 한정되지 않고 상기 버퍼층을 2개 이상의 버퍼층으로 세분하여 적층하는 것을 포함하고, 이때 상기 2개 이상의 버퍼층은 모두 금속기판(110)과 절연층(140)의 각 열팽창계수값의 사이값으로 되되, 그 적층 위치가 금속기판(110)의 인접부위로부터 절연층(140)의 인접부위로 갈수록 그의 각 열팽창계수값은 점차 작아진다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 세라믹-메탈 패키지의 개략 구조도이다.
도 4의 구현예는 도 2의 구현예의 구조에 부가하여 금속기판(110)의 다른 일면상에 별도의 버퍼층(126)을 형성한 것이고, 도 5의 구현예는 도 4의 구현예의 구조에 부가하여 상기 버퍼층(126) 상에 별도의 절연층(144)을 형성한 것이다.
이러한 도 4 및 도 5의 구현예들은 특히 세라믹-메탈 패키지에서 금속기판의 일면에만 세라믹 기반의 경질 절연막을 도포하여 금속절연기판을 제조하는 경우, 이들 서로간의 열적 부정합에 의해 후열처리 공정시 발생하는 상기 금속절연기판의 휨을 효과적으로 방지한다.
즉, 본 구현예들에서 일면의 상부에 버퍼층(120)과 절연층(140)이 적층된 금속기판(110)은 그 하면에도 버퍼층(126) 또는 버퍼층(126)/절연층(144)이 적층됨으로써 금속기판(110)의 양면에서 응력 밸런스가 작용하도록 하여 열적 및 기계적 매칭을 도모하는 것이다. 이로써 본 구현예들은 세라믹-메탈 패키지의 휨이 방지되고 이종 소재간의 층간 박리와 열적 응력에 의한 취약층(즉, 절연층)의 균열 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 구현예들은 또한 그 변형으로서 상기 버퍼층(126)은 도 3의 구현예에서의 버퍼층과 마찬가지로 2개 이상의 버퍼층으로 세분하여 적층될 수 있다. 이때 상기 2개 이상의 버퍼층은 도 4의 구현예에서 그의 열팽창계수는 금속기판(110)보다 작은 범위내에서 상기 금속기판(110)으로부터 멀어질수록 열팽창계수값이 점차 작아지고, 도 5의 구현예에서 그의 열팽창계수는 금속기판(110)과 절연층(144)의 각 열팽창계수값들 간의 범위내에서 금속기판(110)에서 절연층(144)으로 갈수록 점차 작아진다.
이상과 같이 본 발명에 의한 세라믹-메탈 패키지는 금속기판과 절연층 간에 이들 간의 큰 열팽창계수 차이를 완화하는 소정의 버퍼층을 여러 구현예들과 같이 삽입 형성하고 또는 이에 부가하여 금속기판의 다른 일면상에도 버퍼층 및/또는 절연층을 형성함으로써, 온도변화에 따라 상기 금속기판과 절연층의 크게 차이나는 기계적 팽창/수축으로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 크게 감소시킨다. 그리고, 이러한 스트레스의 감소는 종래 기술의 문제로 되었던 상기 금속기판과 절연층 간의 접합 불량 내지는 층간박리와 이로 인한 상기 절연층의 균열 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예들의 제반 특성은 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (15)

  1. 금속기판과 상기 금속기판의 상측에 형성된 제1절연층을 포함하는 세라믹-메탈 패키지에 있어서,
    상기 금속기판과 상기 제1절연층 간에 삽입되되 상기 금속기판의 열팽창계수보다 더 작고 상기 제1절연층의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 하나 또는 순차 적층된 복수의 제1버퍼층과;
    상기 금속기판의 하면상에 형성되되 상기 금속기판의 열팽창계수보다 작은 열팽창계수를 갖는 하나 또는 순차 적층된 복수의 제2버퍼층과;
    상기 하나의 제2버퍼층의 하면상에 또는 상기 복수의 제2버퍼층 중의 최하단층의 하면상에 형성된 제2절연층을 포함하고,
    상기 복수의 제1버퍼층 각각의 열팽창계수값은 상기 복수의 제1버퍼층 각각의 적층 위치가 상기 금속기판과의 인접부위에서 상기 제1절연층과의 인접부위로 향할수록 작아지고, 상기 복수의 제2버퍼층 각각의 열팽창계수값은 상기 복수의 제2버퍼층 각각의 적층 위치가 상기 금속기판과의 인접부위에서 멀어질수록 작아지며,
    상기 제1절연층 및 상기 제2절연층은 상기 세라믹-메탈 패키지의 최고 사용온도보다 더 높고 상기 금속기판의 융점보다 더 낮은 온도범위에서 고용체를 이루는 글라스 세라믹스로 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1버퍼층 및 상기 제2버퍼층은 Ni, Ni-Cr 합금, Ni-B 합금 및 Ni-Al 합금, Ni-Al2O3 복합체, Ni-TiO2 복합체, Ni-Cr-Al2O3 복합체, Ni-Cr-TiO2 복합체, Ni-Cr-ZrO2 복합체, Cr-Al2O3 복합체, Cr-TiO2 복합체, Ni-Al-Al2O3 복합체 및 Ni-Al-TiO2 복합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 Ni-Cr 합금 또는 상기 Ni-Cr은 1.4~23.9 at% 함량의 Cr과 76.1~98.6 at% 함량의 Ni를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 Ni-B 합금은 1~10 at% 함량의 B를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 Ni-Al 합금 또는 상기 Ni-Al은 10~15 at% 함량의 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 Ni-Al2O3 복합체, Ni-TiO2 복합체, Ni-Cr-Al2O3 복합체, Ni-Cr-TiO2 복합체, Ni-Cr-ZrO2 복합체, Cr-Al2O3 복합체, Cr-TiO2 복합체, Ni-Al-Al2O3 복합체 및 Ni-Al-TiO2 복합체의 각 Al2O3, TiO2 또는 ZrO2의 함량은 각각 기지상인 Ni, Cr, Ni-Cr 또는 Ni-Al의 각 함량 대비 5~30 vol% 범위로 되는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속기판은 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금, 마그네슘(Mg) 및 마그네슘 합금, 동(Cu) 및 동 합금, 스테인레스 스틸(SUS) 합금과, 티타늄(Ti) 및 티타늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연층 또는 상기 제2절연층은 SiO2 30~48wt%, K2O 10~20wt%, P2O5 3~10wt%, Sb2O3 1~10wt%, CuO 1~8wt%, MnO 0.5~3wt% 및 SrO 0.5~3wt%를 포함하는 조성물로 되는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하나 또는 순차 적층된 복수의 제1버퍼층 또는 상기 하나 또는 순차 적층된 복수의 제2버퍼층 각각의 총 두께는 1~100㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지.
  13. 제1항에 의한 세라믹-메탈 패키지의 제조방법에 있어서,
    상기 금속기판의 상면상에 상기 제1버퍼층과 상기 제1절연층을 순차적으로 적층하고 상기 금속기판의 하면상에 상기 제2버퍼층과 상기 제2절연층을 순차적으로 적층하여 세라믹-메탈 적층체를 형성하는 단계와;
    상기 세라믹-메탈 적층체를 중성 또는 환원성 분위기에서 상기 세라믹-메탈 패키지의 최고 사용온도보다 더 높고 상기 금속기판의 융점보다 더 낮은 온도범위에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 중성 또는 환원성 분위기에서 열처리하는 단계는 질소, 질소-수소 혼합가스 또는 아르곤 가스가 공급되는 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1절연층 및 상기 제2절연층은 각각 절연체 후막을 스크린 인쇄하여 형성하고 상기 절연체 후막을 건조하는 일 세트의 공정을 복수회 반복하여 형성한 후, 상기 열처리하는 것을 특징으로 하는 세라믹-메탈 패키지의 제조방법.
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