KR102105906B1 - 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법 - Google Patents

고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부착제어용 금속층을 형성하는 제1 구리 페이스트의 글라스 프릿의 연화점(Ts)을 소결온도 보다 400 ~ 450℃ 낮은 온도로 형성함으로써 소결 시 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기에 이루어져 글라스 프릿의 빠른 용융 또는 느린 용융으로 인해 기판과의 부착성이 떨어지는 문제점을 획기적으로 해결할 수 있고, 글라스 프릿이 소결 시 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상으로 형성되도록 함으로써 부착제어용 금속층 및 기판의 접촉면적을 증가시켜 기판과의 부착성을 더욱 높일 수 있고, 부착제어용 금속층의 상부에 소정 두께로 인쇄되는 수축제어용 금속층을 형성하도록 하되, 수축제어용 금속층을 형성하는 제2 구리 페이스트의 구리 분말을 입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%로 구성함으로써 소결의 치밀도를 높임과 동시에 수축률을 절감시켜 패턴층이 기판으로부터 박리되는 현상을 효율적으로 방지할 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법{Cu paste for high-temperature sintering and manufacturing method for metal bonded ceramic substrates therewith}
본 발명은 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게로는 수축률을 절감시키면서 부착성을 극대화시킬 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판에 관한 것이다.
최근 들어 디지털 디바이스 기술이 급속도록 발달함과 동시에 고기능이 요구됨에 따라 집적화 및 소형화되는 추세이고, 이러한 집적화 및 소형화로 소자를 구현하는 경우, 협소한 공간에서 발생되는 열을 얼마나 효과적으로 방열 및 발산시키는지의 여부가 해당 전자기기의 성능 및 오작동에 직결되는 특성을 갖는다.
특히 자동차, 전기차량 또는 하이브리드 차량 등에 사용되는 대전력 반도체 소자의 경우, 발열량이 매우 많기 때문에 이러한 대전력 반도체 소자를 탑재하는 기판으로서, 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3) 등으로 이루어지는 세라믹기판에 알루미늄(Al)이나 구리(Cu) 등으로 금속패턴을 형성하는 금속-세라믹 기판에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
국내등록특허 제10-1740453호(발명의 명칭 : 세라믹 회로 기판의 제조 방법), (특허권자 : 주식회사 코멧네트워크)에는 세라믹 기판에 티타늄(Ti) 박막층을 형성하는 단계와, 티타늄 박막층 위에 구리(Cu) 박막층을 형성하는 단계와, 구리(Cu) 박막층 위에 구리(Cu) 페이스트를 이용하여 구리(Cu) 패턴을 인쇄한 후 건조하여 구리(Cu) 패턴층을 형성하는 단계와, 구리(Cu) 패턴층을 소결하는 단계와, 구리(Cu) 패턴층이 형성되지 않은 부분의 구리(Cu) 박막층을 제거하는 단계와, 구리(Cu) 패턴층이 형성되지 않은 부분의 티타늄(Ti) 박막층을 제거하는 단계를 포함하는 세라믹 회로 기판의 제조방법이 개시되어 있다.
이와 같이 구성되는 상기 세라믹 회로 기판의 제조방법은 세라믹기판의 표면에 산화층이 형성된 이후, 티타늄(Ti) 박막층이 형성되기 때문에 세라믹기판 및 금속층의 접착력을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
그러나 상기 세라믹 회로 기판의 제조방법은 1)티타늄(Ti) 박막층을 형성하기 위해서는 사전에 세라믹기판의 표면을 산화시키는 공정이 필요함과 동시에 소결 이후 2)구리(Cu) 박막층 제거 공정 및 3)티타늄(Ti) 박막층 제거 공정이 필요하기 때문에 공정이 복잡하고 번거로운 단점을 갖는다.
일반적으로 소정의 두께로 인쇄되는 구리(Cu) 패턴층은 소결 시 분말들이 결합하여 하나의 덩어리고 고결됨에 따라 수축현상이 발생하게 되고, 이러한 수축이 임계치 이상으로 발생될 경우, 수축으로 인해 패턴층이 중앙으로 오그라들어 패턴층이 기판으로부터 박리되는 현상이 빈번하게 발생하고 있으나, 상기 세라믹 회로 기판의 제조방법에서는 이러한 수축으로 인한 패턴층의 박리를 절감시키기 위한 별도의 기술 및 방법이 전혀 기재되어 있지 않기 때문에 성능이 저하되는 문제점이 발생한다.
또한 상기 세라믹 회로 기판의 제조방법에서와 같이 세라믹기판, 티타늄(Ti) 박막층, 구리(Cu) 박막층 및 구리(Cu) 패턴층으로 이루어지는 경우, 세라믹기판 및 티타늄(Ti) 박막층의 계면과, 티타늄(Ti) 박막층 및 구리(Cu) 박막층의 계면, 구리(Cu) 박막층 및 구리(Cu) 패턴층의 계면들 각각에서 소망의 접착성이 구현되어야 하나, 상기 세라믹 회로 기판의 제조방법에서는 각 계면을 형성하는 재질들의 특성을 전혀 감안하지 않고 한 번의 소결공정만으로 접착이 이루어지도록 구성되었기 때문에 모든 계면에서 원하는 신뢰도를 얻기가 실질적으로 불가능한 단점을 갖는다.
한편, 유럽공개특허 EP03341345호(발명의 명칭 : THICK-FILM PASTE MEDIATED CERAMICS BONDED WITH METAL OR METAL HYBRID FOILS), (출원인 : HERAEUS DEUTSCHLAND GMBH&CO.KG)에는 금속-세라믹 기판 제조공정은 a)세라믹 기판 상에 후막 페이스트를 도포하는 단계와, b)세라믹 기판의 후막층 상에 금속 포일을 적용하는 단계와, c)후막층을 통해 금속 포일을 세라믹 기판과 접합하는 단계를 포함하되, 후막층을 형성하는 후막 페이스트에 글라스 프릿을 함유함으로써 높은 전도성 및 내구성을 가질 뿐만 아니라 제조비용을 절감시킬 수 있는 장점을 갖는다.
일반적으로, 글라스 프릿의 연화점(Ts)은 금속분말의 소결온도보다 매우 낮은 온도로 형성된다. 이에 따라 글라스 프릿의 용융시점이 금속분말의 소결시점보다 과도하게 느리게 진행되면, 글라스 프릿의 용융이 느리게 발생하여 기판의 상면의 산소와 결합하여 기판의 상면을 멜팅시키는 기간이 짧아 기판과의 부착성이 떨어지게 되고, 글라스 프릿의 용융시점이 금속분말의 소결시점보다 과도하게 빠르게 진행되면, 글라스 프릿의 용융이 과도하게 진행되어 해당 층의 양측으로 흘러내려가기 때문에 해당 층의 두께가 얇아져 오히려 기판과의 부착성이 떨어지는 특성을 갖는다.
그러나 상기 금속-세라믹 기판 제조공정에는 이러한 글라스 프릿의 용융시점을 조절하기 위한 별도의 기술 및 방법을 전려 고려하지 않고 소결을 수행하기 때문에 실제 제조 시 금속포일 및 기판의 부착성이 현저히 떨어져 금속포일이 기판으로부터 박리되는 문제점이 빈번하게 발생한다.
또한 상기 금속-세라믹 기판 제조공정에는 소결 시 금속포일의 수축을 제어(절감)하기 위한 별도의 기술 및 방법이 전혀 기재되어 있지 않기 때문에 기판 및 금속포일의 부착성이 더욱 떨어지는 구조적 한계를 갖는다.
즉 별도의 부착층, 접착층을 형성하지 않고 금속포일을 기판에 인쇄시키되, 기판 및 금속포일의 부착성을 개선시킴과 동시에 금속포일의 수축률을 절감시킬 수 있는 금속-세라믹 기판에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 구리 페이스트를 이용하여 패턴층을 형성하되, 기판에 접촉되는 패턴층인 부착제어용 금속층을 형성하는 제1 구리 페이스트에 글라스 프릿을 함유함으로써 별도의 부막층 및 접착층을 형성하지 않아도 공정이 가능하여 공정이 간단하고 신속하게 이루어질 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 부착제어용 금속층을 형성하는 제1 구리 페이스트의 글라스 프릿의 연화점(Ts)을 소결온도 보다 400 ~ 450℃ 낮은 온도로 형성함으로써 소결 시 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기에 이루어져 글라스 프릿의 빠른 용융 또는 느린 용융으로 인해 기판과의 부착성이 떨어지는 문제점을 획기적으로 해결할 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 글라스 프릿이 소결 시 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상으로 형성되도록 함으로써 부착제어용 금속층 및 기판의 접촉면적을 증가시켜 기판과의 부착성을 더욱 높일 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 글라스 프릿이 Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%로 이루어짐으로써 연화점(Ts)이 소결온도 보다 400 ~ 450℃ 낮게 형성되도록 함과 동시에 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상으로 이루어지도록 하여 기판과의 부착성을 극대화시킬 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 부착제어용 금속층의 상부에 소정 두께로 인쇄되는 수축제어용 금속층을 형성하도록 하되, 수축제어용 금속층을 형성하는 제2 구리 페이스트의 구리 분말을 입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%로 구성함으로써 소결의 치밀도를 높임과 동시에 수축률을 절감시켜 패턴층이 기판으로부터 박리되는 현상을 효율적으로 방지할 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 제1 구리 페이스트의 구리 분말이 10 ~ 20 vol%의 기공 함유량을 가지며, 0.4 ~ 1.0 중량%의 표면 산소함유량을 갖도록 함으로써 수축률을 더욱 절감시킬 수 있는 고온 소결용 Cu 페이스트 조성물 및 이를 구비한 금속-세라믹기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 세라믹재질의 기판에 패턴을 인쇄하는 금속-세라믹 기판 제조방법에 있어서: 제1 구리 페이스트를 제조하는 제1 구리 페이스트 제조단계; 제2 구리 페이스트를 제조하는 제2 구리 페이스트 제조단계; 상기 기판에 상기 제1 구리 페이스트 제조단계에 의해 제조되는 제1 구리 페이스트를 인쇄하는 제1 인쇄단계; 상기 제1 인쇄단계에 의한 기판을 소결시키는 제1 소결단계; 상기 제1 소결단계에 의해 소결된 제1 구리 페이스트로 형성되는 층의 상면에 상기 제2 구리 페이스트 제조단계에 의해 제조되는 제2 구리 페이스트를 기 설정된 두께로 인쇄하는 제2 인쇄단계; 상기 제2 인쇄단계에 의한 기판을 소결시키는 제2 소결단계를 포함하고, 상기 제1 구리 페이스트는 구리 분말 70.0 ~ 85.0 중량%와, 글라스 프릿 8.0 ~ 15.0 중량%와, 비어클 7.0 ~ 15.0 중량%가 혼합 교반되고, 상기 글라스 프릿은 Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%를 포함함으로써 상기 제1 소결단계가 850~ 950℃의 소결온도로 소결공정이 이루어질 때, 상기 글라스 프릿의 함유성분들의 함유량 조절을 통해 상기 글라스 프릿의 연화점(TS)이 450 ~ 500℃를 갖도록 제조되고, 상기 제2 구리 페이스트 제조단계는 구리 분말 85.0 ~ 95.0 중량%와, 비어클 5.0 ~ 15.0 중량%를 혼합 교반하여 제2 구리 페이스트를 제조하고, 상기 제2 구리 페이스트의 구리 분말은 입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%를 포함함으로써 상기 제2 구리 페이스트의 구리 분말의 기공 함유량이 10 ~ 20 vol%를 갖도록 제조되는 것이다.
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또한 본 발명에서 상기 제1 구리 페이스트 제조단계는 상기 구리 분말을 준비하는 구리 분말 준비단계; 상기 글라스 프릿을 제조하는 글라스 프릿 제조단계; 상기 비어클을 제조하는 비어클 제조단계; 상기 구리 분말 70.0 ~ 85.0 중량%와, 상기 글라스 프릿 8.0 ~ 15.0 중량%, 상기 비어클 7.0 ~ 15.0 중량%를 혼합 교반하는 혼합단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 제1 소결단계에서 인쇄된 제1 구리 페이스트는 135° 이상의 용융각도(Melting-angle)를 형성하는 것이 바람직하다.
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또한 본 발명에서 상기 제2 구리 페이스트의 구리 분말의 기공 함유량은 10 ~ 20 vol%인 것이 바람직하다.
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상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 구리 페이스트를 이용하여 패턴층을 형성하되, 기판에 접촉되는 패턴층인 부착제어용 금속층을 형성하는 제1 구리 페이스트에 글라스 프릿을 함유함으로써 별도의 부막층 및 접착층을 형성하지 않아도 공정이 가능하여 공정이 간단하고 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 부착제어용 금속층을 형성하는 제1 구리 페이스트의 글라스 프릿의 연화점(Ts)을 소결온도 보다 400 ~ 450℃ 낮은 온도로 형성함으로써 소결 시 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기에 이루어져 글라스 프릿의 빠른 용융 또는 느린 용융으로 인해 기판과의 부착성이 떨어지는 문제점을 획기적으로 해결할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 글라스 프릿이 소결 시 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상으로 형성되도록 함으로써 부착제어용 금속층 및 기판의 접촉면적을 증가시켜 기판과의 부착성을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 글라스 프릿이 Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%로 이루어짐으로써 연화점(Ts)이 소결온도 보다 400 ~ 450℃ 낮게 형성되도록 함과 동시에 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상으로 이루어지도록 하여 기판과의 부착성을 극대화시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 부착제어용 금속층의 상부에 소정 두께로 인쇄되는 수축제어용 금속층을 형성하도록 하되, 수축제어용 금속층을 형성하는 제2 구리 페이스트의 구리 분말을 입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%로 구성함으로써 소결의 치밀도를 높임과 동시에 수축률을 절감시켜 패턴층이 기판으로부터 박리되는 현상을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 제1 구리 페이스트의 구리 분말이 10 ~ 20 vol%의 기공 함유량을 가지며, 0.4 ~ 1.0 중량%의 표면 산소함유량을 갖도록 함으로써 수축률을 더욱 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 금속-세라믹기판을 나타내는 측단면도이다.
도 2는 도 1의 패턴층을 설명하기 위한 구성 예시도이다.
도 3은 도 1의 금속-세라믹 기판의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 4는 도 3의 제1 구리 페이스트 제조단계를 나타내는 공정 순서도이다.
도 5는 도 4의 글라스 프릿 제조단계를 나타내는 공정 순서도이다.
도 6의 (a)는 도 3의 제1 소결단계에서 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 90°일 때를 나타내는 예시도이고, (b)는 도 3의 제1 소결단계에서 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 110°일 때를 나타내는 예시도이고, (c)는 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 140°일 때를 나타내는 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 금속-세라믹기판을 나타내는 측단면도이고, 도 2는 도 1의 패턴층을 설명하기 위한 구성 예시도이다.
본 발명의 일실시예인 금속-세라믹기판(1)은 1)별도의 부막층 또는 접착층 형성 없이도 구리(Cu) 페이스트만을 이용하여 기판에 패턴을 형성하도록 구성됨으로써 공정이 간단하고 신속하게 이루어지도록 함과 동시에 2)구리(Cu) 페이스트로 이루어지는 패턴층을 부착제어용 금속층 및 수축제어용 금속층으로 구성하되, 부착제어용 금속층을 형성하는 페이스트인 제1 구리 페이스트 조성물에 글라스 프릿을 함유하며 글라스 프릿의 함유성분 및 함유량과 연화점, 용융각도(Melting-angle) 조절을 통해 기판 및 부착제어용 금속층의 부착성을 극대화시키며, 3)수축제어용 금속층을 형성하는 페이스트인 제2 구리 페이스트 조성물에 금속필러인 구리(Cu) 분말의 입도 및 표면 산소함유량 조절을 통해 수축률을 개선시키기 위한 목적을 갖는 것이다.
본 발명의 금속-세라믹기판(1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹 계열의 기판(3)과, 기 설계된 회로패턴에 따라 기판(3)의 상면에 인쇄되는 패턴층(5)으로 이루어진다.
기판(3)은 기 설정된 설계범위에 따른 면적을 갖는 판재로 형성되며, 상세하게로는 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3) 등의 분말을 치밀화 시킴으로써 900℃ 이상의 질소 분위기에서 소결 시에도 우수한 신뢰성을 구현할 수 있는 통상의 세라믹 기판이다.
패턴층(5)은 기 설계된 회로패턴에 따라 기판(3)의 상면에 인쇄되는 금속층이다.
또한 패턴층(5)은 기판(3)의 상면에 인쇄되는 부착제어용 금속층(51)과, 부착제어용 금속층(51)의 상면에 소정 두께로 적층되는 수축제어용 금속층(53)으로 이루어진다.
부착제어용 금속층(51)은 후술되는 도 3과 4의 제1 구리 페이스트 제조단계(S10)에 의해 제조되는 페이스트인 제1 구리 페이스트를 기판(3)의 상면에 인쇄 및 건조시킨 후 질소 퍼징 환경에서 소결되어 형성되며, 상세하게로는 패턴층(5)의 1)기판(3) 및 패턴층(5)을 견고하게 부착시키기 위한 기능과, 2)금속필러로서의 기능을 갖는다.
이때 제1 구리 페이스트는 제1 구리(Cu) 분말 70.0 ~ 85.0 중량%와, 글라스 프릿 8.0 ~ 15.0 중량%, 비어클 7.0 ~ 15.0 중량%로 이루어지고, 비어클은 유기바인더 10 ~ 35 중량%를 유기용매 65 ~ 90 중량%에 용해시켜 제조한다.
이때 만약 구리(Cu) 분말의 함유량이 85.0 중량%를 초과하면, 상대적으로 글라스 프릿의 함유량이 과도하게 줄어들어 기판(3)과의 부착성이 떨어지게 되고, 만약 구리(Cu) 분말이 70.0 중량% 미만이면, 금속필러로서의 기능이 떨어져 패턴층(5)의 전도성이 떨어지는 단점을 갖는다.
이러한 제1 구리 페이스트는 후술되는 도 3의 제1 소결단계(S50) 시 구리(Cu) 분말의 소결이 이루어지되, 글라스 프릿이 용융되어 기판의 상면의 산소와 결합하여 기판의 상면을 멜팅시킴으로써 패턴층(5)을 기판(3)에 부착시킬 수는 있으나, 단순히 제1 구리 페이스트에 통상의 글라스 프릿을 함유하는 것만으로는 부착성을 극대화시킬 수 없는 구조적 한계를 갖는다. 특히 본 발명은 부착제어용 금속층(51)의 상부에 인쇄되는 수축제어용 금속층(53)이 소정 두께로 인쇄됨에 따라 제2 소결단계(S80) 시 수축제어용 금속층(53)의 수축현상이 발생하여 부착제어용 금속층(51)을 얼마나 견고하게 기판(3)에 접촉시키는지가 제품 성능에 직결되게 되고, 이에 따라 본 발명에서는 1)글라스 프릿의 함유성분, 함유량 및 연화점을 조절함과 동시에 2)글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle) 제어를 통해 부착제어용 금속층(51) 및 기판(3)의 부착성을 극대화시키도록 하였고, 이에 대한 설명은 후술되는 도 3 내지 6에서 상세하게 설명하기로 한다.
수축제어용 금속층(53)은 후술되는 도 3의 제2 구리 페이스트 제조단계(S20)에 의해 제조되는 제2 구리 페이스트를 부착제어용 금속층(51)의 상부에 소정 두께로 인쇄시킨 후 소결되어 이루어지고, 상세하게로는 패턴층(5)의 금속필러로서의 기능과 소결 시 수축률을 제어(절감) 시키기 위한 기능을 갖는다.
또한 제2 구리 페이스트는 Cu 분말 85.0 ~ 95.0 중량%와, 비어클 5.0 ~ 15.0 중량%로 이루어진다.
일반적으로 구리 분말은 소결 시 분말들이 결합하여 하나의 덩어리를 형성함에 따라 수축이 발생하게 되고, 특히 두께가 증가할수록 이러한 수축률이 증가하는 특성을 갖는다.
이에 따라 본 발명에서는 제2 구리 페이스트를 형성하는 1)Cu 분말의 입도 및 함유량 조절과, 2)Cu 분말의 산소함유량의 조절을 통해 소정 두께로 인쇄되는 수축제어용 금속층(53)의 수축을 제어하도록 구성하였고, 이에 대한 설명은 후술되는 도 3 내지 5에서 상세하게 설명하기로 한다.
즉 본 발명의 제2 구리페이스의 구리(Cu) 분말은 입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%로 이루어지고, 내부 기공이 많을수록 저항값이 증가하는 점을 고려하여 기공 함유량을 10 ~ 20vol%로 한다.
한편, 구리(Cu)는 질소 분위기에서 소결 시, 질소가 구리(Cu)의 표면에 존재하는 산소(O2)와 결합함에 따라 연소가 활발하게 이루어져 소결이 촉진되는 특성을 갖는다.
이러한 특성을 감안하여 본 발명에서는 구리(Cu) 분말의 표면에 산소 함유량의 조절을 통해 소결 효율성을 높이면서 수축률을 제어하도록 하였고, 상세하게로는 구리(Cu) 분말 표면에 산소 0.4 ~ 1.0 중량%가 존재하도록 구성함으로써 수축제어용 금속층(53)의 수축률을 효과적으로 제어하도록 하였다.
도 3은 도 1의 금속-세라믹 기판의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
본 발명의 금속-세라믹 기판의 제조방법(S1)은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 구리(Cu) 페이스트 제조단계(S10)와, 제2 구리(Cu) 페이스트 제조단계(S20), 제1 인쇄단계(S30), 제1 건조단계(S40), 제1 소결단계(S50), 제2 인쇄단계(S60), 제2 건조단계(S70), 제2 소결단계(S80)로 이루어진다.
도 4는 도 3의 제1 구리 페이스트 제조단계를 나타내는 공정 순서도이고, 도 5는 도 4의 글라스 프릿 제조단계를 나타내는 공정 순서도이다.
제1 구리 페이스트 제조단계(S10)는 전술하였던 도 1과 2의 패턴층(5)의 부착제어용 금속층(51)을 형성하기 위한 페이스트인 제1 구리 페이스트를 제조하는 단계이다.
또한 제1 구리 페이스트 제조단계(S10)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 구리 페이스트의 금속 필러인 구리(Cu) 분말을 준비하는 구리(Cu) 분말 준비단계(S11)와, 기판(3)과의 부착성을 높이기 위한 글라스 프릿을 제조하는 글라스 프릿 제조단계(S120)와, 비어클을 제조하는 비어클 제조단계(S13)와, 전술하였던 단계(S11), (S12), (S13)들에 의해 준비 및 제조된 구리(Cu) 분말, 글라스 프릿 및 비어클을 혼합시키는 혼합단계(S14)로 이루어진다.
구리(Cu) 분말 준비단계(S11)는 제1 구리(Cu) 페이스트의 금속필러인 구리(Cu) 분말을 준비하는 단계이다.
글라스 프릿 제조단계(S12)는 기판(3)과의 부착성을 높이기 위한 목적을 갖는 글라스 프릿을 제조하는 공정단계이다.
이때 글라스 프릿은 제1 소결단계(S50) 시 용융되어 기판(3) 산면의 산소(O2)와 반응하여 기판(3)의 상면을 일부 멜팅시킴으로써 구리(Cu) 분말을 기판(3)에 부착시키는 기능을 수행한다.
또한 글라스 프릿 제조단계(S12)는 도 5에 도시된 바와 같이, 유리시편 제조단계(S121)와, 제1 유리분말 제조단계(S122), 제1 유리분말 슬러리 제조단계(S123), 제2 유리분말 제조단계(S124), 제2 유리분말 슬러리 제조단계(S125), 최종 유리분말 제조단계(S126)로 이루어진다.
유리시편 제조단계(S121)는 산화물분말을 1200 ~ 1500℃의 온도로 한 시간 동안 용융시킨 후 급랭시켜 유리시편을 제조하는 공정 단계이다.
또한 본 발명에서는 소결온도가 900℃인 것을 감안하여 글라스 프릿이 450 ~ 500℃의 연화점(Ts)을 갖도록 제조하였고, 이에 따라 유리시편 제조단계(S121)에 적용되는 산화물분말을 Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%를 혼합하여 구성하였다. 이때 Bi2O3 ,B2O5 글라스의 골격을 형성하기 때문에 함유량에 비례하여 연화점을 낮춰주는 성질을 갖고, ZnO는 열팽창계수를 낮추는 성질을 갖는다.
즉 제1 구리 페이스트의 글라스 프릿은 제1 소결단계(S50) 시 구리분말의 소결시점보다 빠르게 용융이 이루어지고, 용융된 글라스 프릿이 기판 표면의 산소와 결합하여 기판을 일부 멜팅 시킴으로써 기판에 구리분말을 부착시킬 수 있게 된다.
이때 글라스 프릿의 용융시점은 구리의 소결시점 보다 적절한 타이밍(이하 최적시기라고 함)에 먼저 이루어져야만 기판과의 부착성을 높일 수 있으나, 만약 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기보다 과도하게 느리게 진행되면, 용융된 글라스 프릿이 기판의 상면을 멜팅시키는 시간이 짧아져 기판과의 부착성이 저하되고, 만약 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기보다 과도하게 빠르게 진행되면, 글라스 프릿의 용융이 과도하게 진행되어 용융된 글라스 프릿이 기판으로 흘러내려 결과적으로 부착제어용 금속층의 두께가 얇아짐과 동시에 부착제어용 금속층의 내부에 글라스 프릿의 함유량이 줄어들어 기판과의 부착성이 오히려 떨어지게 된다.
다시 말하면, 글라스 프릿의 용융시점을 최적주기에서 이루어져야만 기판(3)과의 부착성을 극대화시킬 수 있고, 이에 따라 본 발명에서는 글라스 프릿의 함유성분 및 함유량 조절을 통한 연화점(Ts) 제어를 통해 소결 시 글라스 프릿이 최적주기에서 용융이 이루어지도록 함으로써 기판과의 부착성을 극대화 시켰고, 상세하게로는 본 발명의 글라스 프릿 제조단계(S12)에 의해 제조되는 글라스 프릿은, 제1 소결단계(S50) 시 소결온도 900℃ 보다 400 ~ 450℃ 낮은 450 ~ 500℃의 연화점(Ts)을 형성하도록 글라스 프릿의 함유성분 및 함유량을 조절함으로써 패턴층(5) 및 기판(3)의 부착성을 극대화시키도록 하였다.
이때 글라스 프릿은 전술하였던 바와 같이, 만약 연화점(Ts)이 소결온도 보다 -450℃ 이하로 형성되면, 글라스 프릿의 용융이 과도하게 빠르게 진행되어 용융된 글라스 프릿이 기판으로 흘러내려 오히려 부착성이 떨어지게 되고, 만약 연화점(Ts)이 소결온도 보다 -400℃를 초과하면 글라스 프릿의 용융이 느리게 이루어져 부착성이 떨어지게 된다.
제1 유리분말 제조단계(S122)는 유리시편 제조단계(S121)를 통해 제조된 유리시편을 디스크 밀(Disk Mill) 장비를 이용하여 7000rpm 이상에서 30분 동안 건식분쇄(Dry grinding) 함으로써 평균입경 200㎛인 제1 유리분말을 제조하는 공정 단계이다.
제1 유리분말 슬러리 제조단계(S123)는 제1 유리분말 제조단계(S122)에서 제조된 제1 유리분말 100g, 직경 2mm인 지르코니아볼 600g, 순수물 100g를 혼합한 후 혼합물을 모노 밀(Mono Mill) 장비를 이용하여 300rpm에서 30분간 습식분쇄(Wet grinding) 함으로써 제1 유리분말 슬러리를 제조하는 공정단계이다.
제2 유리분말 제조단계(S124)는 제1 유리분말 슬러리 제조단계(S123)에 의해 제조된 제1 유리분말 슬러리를 100℃에서 12시간 건조하여 10㎛ 이하의 직경을 갖는 제2 유리분말을 제조하는 공정단계이다.
제2 유리분말 슬러리 제조단계(S125)는 제2 유리분말 제조단계(S124)에 의해 제조된 10㎛의 직경을 갖는 제2 유리분말 100g와, 직경 0.5mm의 지르코니아볼 600g와, 순수물 160g를 혼합하여 모노 밀 장비로 300rpm에서 30분간 습식분쇄 함으로써 제2 유리분말 슬러리를 제조하는 공정단계이다.
최종 유리분말 제조단계(S126)는 제2 유리분말 슬러리 제조단계(S125)에 의해 제조된 제2 유리분말 슬러리를 200℃ 이하에서 12시간 건조하여 평균직경 1㎛의 유리분말을 제조하여 전술하였던 글라스 프릿을 제조한다.
이와 같이 구성되는 글라스 프릿 제조단계(S12)에 의해 제조되는 글라스 프릿은, 소체 소결단계(S90) 시 소결온도 900℃ 보다 400 ~ 450℃ 낮은 대비 450 ~ 500℃의 연화점(Ts)을 갖도록 제조함으로써 기판(3)과의 부착성을 개선하도록 하였고, 이러한 연화점(Ts) 450 ~ 500℃를 갖는 글라스 프릿을 제조하기 위하여 Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%를 혼합하여 글라스 프릿을 제조하였다.
이때, 글라스 프릿은 동일한 연화점(Ts)을 갖는다고 하더라도, 함유성분 및 함유량에 따라, 제1 소결단계(S50) 시 용융각도(Melting-angle)가 달라지는 특성을 갖는다. 예를 들어, ‘A’ 글라스 프릿 및 ‘B’ 글라스 프릿의 연화점(Ts)들이 모두 470℃라고 가정하더라도, ‘A’ 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)는 100°이되, ‘B’ 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)는 140°로 측정되될 수 있듯이, 이러한 용융각도(Melting-angle)의 차이는 글라스 프릿의 함유성분 및 함유량에 의해 결정된다.
즉 본 발명의 글라스 프릿 제조단계(S12)에 의해 제조되는 글라스 프릿은 1)연화점(Ts)이 450 ~ 500℃를 형성하도록 함과 동시에 2)소결 시 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상을 형성하기 위한 목적으로, Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%를 혼합하여 제조하였다.
다시 도 4로 돌아가서, 비어클 제조단계(S13)를 살펴보면, 비어클 제조단계(S13)는 유기바인더 10 ~ 35 중량%를 유기용매 65 ~ 90 중량%에 용해시킴으로써 비어클을 제조하는 공정단계이다. 이때 유기바인더는 제1 구리 페이트스 조성물의 점도(consistency) 및 조성물의 변형과 흐름에 관한 특성인 유변학적 특성을 결정하며, 유기용매는 바인더가 용해되어 전극 페이스트 조성물의 점성을 조절하는 기능을 수행한다.
또한 유기바인더는 가소성 바인더 또는 열경화성 바인더들 중 하나로 이루어져도 무방하나 열처리 시 금속분말에 유기바인더 성분이나 또는 그 분해 생성물의 양을 적게 발생시키는 열가소성 수지인 것이 바람직하다. 이때 열가소성 바인더는 아크릴(Acryl), 에틸 셀룰로오스(Ethyl cellulose), 폴리에스테르(Polyester), 폴리설폰(Polysulfone), 페녹시(Phenoxy), 폴리아미드계(Polyamide)들 중 하나이거나 또는 적어도 2개 이상의 혼합물로 구성될 수 있고, 열경화성 바인더는 아미노(Amino), 에폭시(Epoxy), 페놀(Phenol)들 중 하나이거나 또는 적어도 2개 이상의 혼합물로 구성될 수 있다.
또한 유기용매는 방향족 탄화수소(Hydrocarbon)류, 에테르(Ether)류, 케톤(Ketone)류, 락톤(Lactone)류, 에테르 알콜(Ether alcohol)류, 에스트르(Ester)류 및 디에스테르류(Diester)들 중 하나이거나 또는 적어도 2개 이상의 혼합물로 이루어진다.
다시 도 4로 돌아가서 제1 구리 페이스트 제조단계(S10)의 혼합단계(S14)를 살펴보면, 혼합단계(S14)는 구리분말 준비단계(S11)에 의한 구리 분말 70 ~ 85 중량%와, 글라스 프릿 제조단계(S12)에 의한 글라스 프릿 7 ~ 15 중량%와, 비어클 제조단계(S13)에 의한 비어클 7 ~ 15 중량%를 혼합 교반하여 제1 구리 페이스트를 제조하는 공정단계이다.
이때 제1 구리 페이스트 조성물은 부착제어용 금속층 형성단계(S30)에서 기판(3)의 상면에 규칙 또는 불규칙적으로 인쇄된 후 소결되어 전술하였던 도 1의 부착제어용 금속층(51)을 형성하게 된다.
또한 혼합단계(S14)에서, 만약 글라스 프릿의 함유량이 7.0 중량% 미만이면 함유량이 과도하게 떨어져 기판(3)과의 부착성이 떨어지게 되고, 만약 함유량이 15.0 중량%를 초과하면 금속필러인 구리(Cu) 분말의 함유량이 과도하게 줄어 도전성이 떨어지는 문제점이 발생한다.
또한 혼합단계(S14)는 3롤 밀(3-Roll Mill)을 이용하여 혼합 교반된 구리분말, 글라스 프릿 및 비어클을 기계적으로 혼합한다.
이때 도 4에는 도시되지 않았지만, 제1 구리 페이스트 제조단계(S10)는 혼합단계(S14) 이후에 진행되어 혼합 교반된 중간체를 필터링 하여 분술문 및 큰 입자를 제거하는 필터링단계(미도시)와, 필터링단계를 통해 불순물이 제거된 조성물을 탈포장치로 탈포하여 조성물 내 기포를 제거하는 기포제거단계(미도시)를 더 포함할 수 있음은 당연하다.
다시 도 3으로 돌아가서 제2 구리 페이스트 제조단계(S20)를 살펴보면, 제2 구리 페이스트 제조단계(S20)는 전술하였던 도 1과 2의 패턴층(5)의 수축제어용 금속층(53)을 형성하기 위한 페이스트인 제2 구리 페이스트를 제조하는 단계이다.
또한 제2 구리 페이스트 제조단계(S20)는 구리(Cu) 분말 85 ~ 95 중량%와, 비어클 5 ~ 15 중량%로 이루어진다. 이때 비어클은 유기바인더 10 ~ 35 중량%를 유기용매 65 ~ 90 중량%에 용해시켜 제조된다.
일반적으로 소정 입도를 갖는 분말들 사이에는 공극이 형성되기 마련이고, 이러한 공극은 소결 시 해당 분말의 결합반응을 방해하기 때문에 소결의 치밀도를 떨어뜨림과 동시에 수축률을 증가시키는 요인으로 작용한다.
이에 따라 본 발명의 제2 구리 페이스트 제조단계(S20)에서는, 구리(Cu) 분말의 입도 및 함유량 조절을 통해 수축률을 제어하도록 구성하였고, 상세하게로는 제2 구리 페이스트의 구리(Cu) 분말을 입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%로 구성함으로써 상대적으로 입도가 큰 분말들 사이로 작은 입도의 분말들이 유입되어 소결의 치밀도를 높임과 동시에 수축률을 절감시킨다. 이러한 제2 구리 페이스트의 구리(Cu) 분말의 입도 및 함유량은 후술되는 실험예 4, 5를 통해 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
또한 구리(Cu) 분말은 10 ~ 20 vol%의 내부 기공이 형성되어 소결된 전극의 수축률 및 열팽창을 제어하도록 하였다.
한편, 일반적으로 구리 분말(Cu)은 질소 분위기에서 소결 시, 질소가 구리 분말(Cu) 분말의 표면에 존재하는 산소(O2)와 결합함에 따라 연소가 활성화되어 소결이 촉진되는 특성을 갖는다. 즉 구리분말의 표면 산소 함유량의 조절을 통해 소결이 치밀하게 이루어지면서도 수축률을 절감시킬 수 있다.
본 발명은 이러한 특성을 감안하여 제2 구리 페이스트의 구리 분말의 표면 산소함유량을 0.4 ~ 1.0 wt%로 제어함으로써 소결 치밀도를 저하시키지 않으면서 수축률을 절감시키도록 하였다.
이때 만약 구리(Cu) 분말의 표면 산소 함유량이 0.4wt% 미만이면, 질소와 결합하는 산소가 줄어들어 소결이 활발하게 이루어지지 않아 소결치밀도가 떨어지고, 만약 구리(Cu) 분말의 표면 산소 함유량이 1.0wt%를 초과하면, 질소 및 산소의 결합반응이 증가하여 소결이 과도하게 촉진되어 수축률이 높아지는 단점을 갖는다.
이와 같이 본 발명의 제2 구리 페이스트 제조단계(S20)는 1)구리(Cu) 분말을 의 입도 및 함유량 조절과, 2)구리(Cu) 분말의 기공함유량 조절, 3)구리(Cu) 분말의 표면 산소 함유량 조절을 통해 수축률 절감이 가능한 제2 구리 페이스트를 제조한다.
제1 인쇄단계(S30)는 제1 구리 페이스트 제조단계(S10)에 의해 제조된 제1 구리 페이스트를 기 설계된 패턴에 따라 세라믹 재질인 기판(3)의 상면에 인쇄시키는 공정 단계이다. 이때 인쇄방식으로는 스크린 인쇄(Screen print) 방식이 적용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며 공지된 다양한 인쇄 방식이 적용될 수 있음은 당연하다.
제1 건조단계(S40)는 제1 인쇄단계(S30)에 의해 제1 구리 페이스트가 인쇄된 기판을 건조시키는 공정 단계이며, 상세하게로는 용제의 증발이 활발하게 이루어지는 100~150℃의 온도로, 대략 10 ~ 30분 동안 이루어지는 것이 바람직하나, 건조온도 및 시간은 이에 한정되지 않는다.
제1 소결단계(S50)는 질소 퍼징 환경에서, 제1 건조단계(S40)에 의한 기판을 850~ 950℃의 온도로 10 ~ 20분 동안 소결시킴으로써 전술하였던 도 1의 부착제어용 금속층(51)을 형성하는 공정단계이다.
또한 제1 소결단계(S50)는 소결 시 글라스 프릿 및 기판(3)의 부착되는 지점인 계면지점의 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상을 형성하도록 하였다. 이때 글라스 프릿은 용융된 상태로 기판(3)의 산소와 결합하여 기판(3)의 상면을 일부 멜팅시켜 구리(Cu) 분말을 기판(3)에 부착시킨다.
이때 용융각도(Melting-angle)는 용융된 글라스 프릿이 기판으로 흘러내린 정도를 의미한다
즉 기판(3) 및 부착제어용 금속층(51)의 접촉면적은 계면지점의 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)에 비례하고, 접촉면적이 증가할수록 기판(3) 및 부착제어용 금속층(51)의 부착성이 높아지기 때문에 본 발명의 제1 소결단계(S50)에서는 계면지점의 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상을 형성하도록 글라스 프릿의 함유성분 및 함유량을 전술하였던 도 4에서와 같이 조절함으로써 기판(3) 및 패턴층(5)의 부착성을 높이도록 하였다.
이때 만약 계면지점의 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 135° 미만이면 기판(3) 및 부착제어용 금속층(51)의 접촉면적이 줄어들어 부착성이 떨어지게 되고, 만약 계면지점의 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상이면 기판(3) 및 부착제어용 금속층(51)의 접촉면적이 증가하여 부착성을 극대화시킬 수 있게 된다.
도 6의 (a)는 도 3의 제1 소결단계에서 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 90°일 때를 나타내는 예시도이고, (b)는 도 3의 제1 소결단계에서 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 110°일 때를 나타내는 예시도이고, (c)는 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 140°일 때를 나타내는 예시도이다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 금속패턴층(51)의 글라스 프릿이 기판(3)으로 전혀 흘러내리지 않은 상태일 때, 글라스 프릿의 용융각도(Wetting-angle)는 90°를 형성하는 것을 알 수 있고, 다시 말하면, 글라스 프릿의 용융이 활발하게 이루어지지 않음에 따라 기판(3) 및 부착제어용 금속층(51)의 접촉면적이 매우 좁게 형성되어 기판(3)과의 부착성이 떨어지게 된다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 소결단계(S50)에서 계면지점의 글라스 프릿의 용융각도(Wetting-angle)가 110°를 형성하는 경우, 기판(3) 및 부착제어용 금속층(51)의 접촉면적이 ‘A’인 것을 알 수 있으며, 도 6의 (a)와 비교하면, 글라스 프릿의 용융이 도 6의 (a)에서보다는 활발하게 이루어져 유동성 및 접촉면적이 증가한 것을 알 수 있다.
도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 소결단계(S50)에서 계면지점의 글라스 프릿의 용융각도(Wetting-angle)가 140°를 형성하는 경우, 기판(3) 및 부착제어용 금속층(51)의 접촉면적이 ‘B(>A)’로 측정되는 것을 알 수 있으며, 도 6의 (b)와 비교하면, 글라스 프릿의 용융이 도 6의 (b)에서보다 활발하게 이루어져 유동성 및 접촉면적이 더욱 증가한 것을 알 수 있다.
다시 도 3으로 돌아가서, 제2 인쇄단계(S60)를 살펴보면, 제2 인쇄단계(S60)는 제1 소결단계(S50)에 의해 소결된 기판(3)의 부착제어용 금속층(51)의 상면에, 전술하였던 제2 구리 페이스트 제조단계(S20)에 의해 제조된 제2 구리 페이스트를 소정 두께로 인쇄시키는 단계이다.
이때 인쇄 방식으로는 스크린 인쇄(Screen print) 방식이 적용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며 공지된 다양한 인쇄 방식이 적용될 수 있음은 당연하다.
제2 건조단계(S70)는 제1 인쇄단계(S60)에 의해 부착제어용 금속층(51)의 상부에 제2 구리 페이스트를 인쇄시킨 기판을 건조시키는 단계이다.
제2 소결단계(S80)는 질소 퍼징 환경에서, 제2 건조단계(S70)에 의한 기판을 900~ 1000℃의 온도로 130 ~ 150분 동안 소결시킴으로써 전술하였던 도 1의 수축제어용 금속층(53)을 형성하는 공정단계이다.
이하, 본 발명의 일실시예인 금속-세라믹 기판의 제조방법(S1)에 적용되는 제1 구리 페이스트 조성물 및 제2 구리 페이스트 조성물에 관해 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 또한 다음의 실시예들은 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하지 않는다.
표 1은 본 발명의 제1 구리 페이스트의 실시예들 및 비교예들을 나타낸다.
구성 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
Cu 분말 75.0 75.0 75.0 75.0 75.0 75.0
제1구리페이스트 글라스프릿
(15.0중량%)		 Bi2O3 70.0 65.0 70.0 55.0 45.0 80.0
ZnO 9.0 13.0 15.0 10.0 7.0 9.0
B2O5 14.9 13.9 8.9 5.0 3.0 6.0
Bao 0.1 0.1 0.1 15.0 20.0 -
SiO2 2.0 3.0 2.0 15.0 10.0 5.0
Al2O3 1.0 2.0 1.0 - 2.0 -
K2O 3.0 3.0 3.0 - 3.0 --
연화점
(℃)		 455 481 457 529 550 415
비어클 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0
*표 1의 단위는 중량%임.
[실시예 1]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 70.0 중량%와, ZnO 9.0 중량%, B2O5 14.9 중량%, Bao 0.1 중량%, SiO2 2.0 중량%, Al2O3 1.0 중량%, K2O 3.0 중량%를 포함하며, 455℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[실시예 2]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 65.0 중량%와, ZnO 13.0 중량%, B2O5 13.9 중량%, Bao 0.1 중량%, SiO2 3.0 중량%, Al2O3 2.0 중량%, K2O 3.0 중량%를 포함하며, 481℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[실시예 3]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 70.0 중량%와, ZnO 15.0 중량%, B2O5 8.9 중량%, Bao 0.1 중량%, SiO2 2.0 중량%, Al2O3 1.0 중량%, K2O 3.0 중량%를 포함하며, 457℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[비교예 1]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 55.0 중량%와, ZnO 10.0 중량%, B2O5 5.0 중량%, Bao 15.0 중량%, SiO2 15.0 중량%를 포함하며, 529℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[비교예 2]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 45.0 중량%와, ZnO 7.0 중량%, B2O5 3.0 중량%, Bao 20.0 중량%, SiO2 10.0 중량%, Al2O3 2.0 중량%, K2O 3.0 중량%를 포함하며, 550℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[비교예 3]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 80.0 중량%와, ZnO 9.0 중량%, B2O5 6.0 중량%, SiO2 5.0 중량%를 포함하며, 415℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[실험예 1]
실험예 1은 제1 구리 페이스트를 인쇄 및 소결하여 부착제어용 금속층을 형성한 후, 부착제어용 금속층 및 기판의 부착성을 측정하였다.
[실험예 2]
실험예 2는 실험예 1과 동일한 방식으로 시편을 제조한 후, 표면의 소결특성을 측정하였다.
표 2는 표 1의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에 대한 실험예 1, 2의 측정값을 나타낸다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
실험예1 부착성 양호 양호 양호 NG NG NG
실험예2 소결특성 표면 양호 표면 양호 표면 양호 표면 양호 표면 양호 표면 글래스 부유
실시예 1은 455℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿을 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물이고, 부착성 및 소결특성이 양호한 것으로 측정되었다. 이때 실시예 1은 글라스 프릿의 연화점이 소결온도(900℃) 보다 445℃ 낮은 455℃로 형성됨에 따라 소결 시 글라스 프릿의 용융시점이 구리(Cu) 분말의 소결시점보다 적절하게 빠르게 이루어짐으로써 부착성이 우수한 것을 알 수 있고, 표면이 부유하지 않고 양호하여 소결이 효율적으로 진행된 것을 알 수 있다.
실시예 2는 481℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿을 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물이고, 부착성 및 소결특성이 양호한 것으로 측정되었다. 이때 실시예 2는 글라스 프릿의 연화점이 소결온도(900℃) 보다 419℃ 낮은 481℃로 형성됨에 따라 소결 시 글라스 프릿의 용융시점이 구리(Cu) 분말의 소결시점보다 적절하게 빠르게 이루어짐으로써 부착성이 우수한 것을 알 수 있고, 표면이 부유하지 않고 양호하여 소결이 효율적으로 진행된 것을 알 수 있다.
실시예 3은 457℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿을 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물이고, 부착성 및 소결특성이 양호한 것으로 측정되었다. 이때 실시예 3은 글라스 프릿의 연화점이 소결온도(900℃) 보다 443℃ 낮은 457℃로 형성됨에 따라 소결 시 글라스 프릿의 용융시점이 구리(Cu) 분말의 소결시점보다 적절하게 빠르게 이루어짐으로써 부착성이 우수한 것을 알 수 있고, 표면이 부유하지 않고 양호하여 소결이 효율적으로 진행된 것을 알 수 있다.
비교예 1은 529℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿을 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물이고, 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기보다 늦게 이루어짐에 따라 글라스 프릿으로 인한 기판의 멜팅이 일부만 이루어져 부착성이 떨어지되, 소결은 정상적으로 이루어진 것을 알 수 있다.
비교예 2는 550℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿을 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물이고, 비교예 1과 동일한 이유로 소결은 정상적으로 이루어지되, 부착성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
비교예 3은 415℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿을 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물이고, 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기 보다 과도하게 빠르게 이루어짐에 따라 용융된 글라스 프릿이 기판으로 흘러내려 오히려 부착성이 떨어지고, Bi2O3의 함유량이 과도하게 높아 글라스 프릿이 부유하여 소결이 정상적으로 이루어지지 않은 것을 알 수 있다.
표 3은 본 발명의 제1 구리 페이스트의 실시예들 및 비교예들을 나타낸다.
구성 실시예4 실시예5 비교예4 비교예5
제1 구리페이스트 Cu 분말 75.0 75.0 75.0 75.0
글라스프릿
(15.0중량%)		 Bi2O3 70.0 65.0 70.0 65.0
ZnO 9.0 13.0 10.0 13.0
B2O5 14.9 13.9 10.0 13.0
Bao 0.1 0.1 0.1 0.1
SiO2 2.0 3.0 4.9 2.0
Al2O3 1.0 2.0 2.0 4.9
K2O 3.0 3.0 3.0 2.0
연화점
(℃)		 455 481 462 488
비어클 10.0 10.0 10.0 10.0
*표 3의 단위는 중량%임.
[실시예 4]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 70.0 중량%와, ZnO 9.0 중량%, B2O5 14.9 중량%, Bao 0.1 중량%, SiO2 2.0 중량%, Al2O3 1.0 중량%, K2O 3.0 중량%를 포함하며, 455℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[실시예 5]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 65.0 중량%와, ZnO 13.0 중량%, B2O5 13.9 중량%, Bao 0.1 중량%, SiO2 3.0 중량%, Al2O3 2.0 중량%, K2O 3.0 중량%를 포함하며, 481℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[비교예 4]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 65.0 중량%와, ZnO 10.0 중량%, B2O5 10.0 중량%, Bao 0.1 중량%, SiO2 4.9 중량%, Al2O3 2.0 중량%, K2O 3.0 중량%를 포함하며, 462℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[비교예 5]
Cu 분말 75.0 중량%;
Bi2O3 65.0 중량%와, ZnO 13.0 중량%, B2O5 13.0 중량%, Bao 0.1 중량%, SiO2 2.0 중량%, Al2O3 4.9 중량%, K2O 2.0 중량%를 포함하며, 488℃의 연화점을 갖는 글라스 프릿 15.0 중량%;
비어클 10.0 중량%를 포함하는 제1 구리 페이스트 조성물.
[실험예 3]
실험예 3은 제1 구리 페이스트를 인쇄 및 소결한 후 제2 구리 페이스트의 용융각도(Melting-angle)를 측정하였다.
표 4는 표 3의 실시예 4, 5 내지 비교예 4, 5에 대한 실험예 3의 측정값을 나타낸다.
실시예4 실시예5 비교예4 비교예5
실험예3 용융각도
(Melting-angle)		 145° 148° 116° 111°
실시예 4, 5 및 비교예 4, 5는 모두 450 ~ 500℃의 연화점(Ts)을 갖도록 조성되었다.
실시예 4와 비교예 4는 글라스 프릿의 함유량이 대부분 유사하게 구성되었으나, 실시예 4의 글라스 프릿에는 SiO2 2.0 중량%가 함유되되, 비교예 4의 글라스 프릿에는 SiO2 4.9 중량%가 함유되었다.
이에 따라 동일한 조건하에서 소결이 진행되더라도 실시예 4의 용융각도(Melting-angle)는 145°로 이루어져 넓은 면적에서 기판 및 부착제어용 금속층의 접촉이 이루어지게 되나, 비교예 4의 용융각도(Melting-angle)는 116°로 이루어져 실시예 4와 비교하여 기판 및 부착제어용 금속층의 접촉면적이 좁게 형성되어 부착성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
실시예 5와 비교예 5는 글라스 프릿의 함유량이 대부분 유사하게 구성되었으나, 실시예 5의 글라스 프릿에는 Al2O3 2.0 중량%가 함유되되, 비교예 5의 글라 프릿에는 Al2O3 4.9 중량%가 함유되었다.
이에 따라 동일한 조건하에서 소결이 진행되더라도 실시예 5의 용융각도(Melting-angle)는 148°로 이루어져 넓은 면적에서 기판 및 부착제어용 금속층의 접촉이 이루어지게 되나, 비교예 5의 용융각도(Melting-angle)는 111°로 이루어져 실시예 5와 비교하여 기판 및 부착제어용 금속층의 접촉면적이 좁게 형성되어 부착성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제1 구리 페이스트 조성물에 함유되는 글라스 프릿은 연화점(Ts)이 동일한 온도를 형성한다고 하더라도, 함유성분 및 함유량에 따라 동일한 조건하에서 소결이 이루어진다고 하더라도 용융각도(Melting-angle)가 변동될 수 있기 때문에 본 발명에서는 글라스 프릿의 연화점(Ts)을 450 ~ 500℃로 형성함과 동시에 글라스 프릿의 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상을 형성하도록 글라스 프릿의 함유성분 및 함유량을 제한하였고, 상세하게로는 글라스 프릿이 Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%로 이루어지도록 구성함으로써 전술하였던 2개의 목적을 모두 구현할 수 있게 된다.
표 5는 본 발명의 제2 구리 페이스트 조성물의 실시예들 및 비교예들을 나타낸다.
구성 실시예6 실시예7 실시예8 비교예6 비교예7 비교예8 비교예9 비교예10 비교예11 비교예12 비교예13 비교예14
제2구리페이스트 Cu분말
(85.0중량%)		 분말1 20.0 10.0 20.0 10.0 30.0 - 30.0 10.0 - 20.0 20.0 10.0
분말2 60.0 70.0 70.0 60.0 60.0 70.0 70.0 70.0 80.0 80.0 60.0 70.0
분말3 20.0 20.0 10.0 30.0 10.0 30.0 - 10.0 20.0 - 20.0 20.0
표면산소함유량
(wt%)		 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.1 1.5
비어클 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0
*단위는 중량%임.
*분말1 : 입도 1.0 ~ 5.0 um, 분말 2: 입도 5.1 ~ 10.0 um, 분말3 : 입도 10.1 ~20 um
[실시예 6]
분말1 20.0 중량%와, 분말2 60.0 중량%, 분말3 20.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[실시예 7]
분말1 10.0 중량%와, 분말2 70.0 중량%, 분말3 20.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[실시예 8]
분말1 20.0 중량%와, 분말2 70.0 중량%, 분말3 10.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 6]
분말1 10.0 중량%와, 분말2 60.0 중량%, 분말3 30.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 7]
분말1 30.0 중량%와, 분말2 60.0 중량%, 분말3 10.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 8]
분말2 70.0 중량%, 분말3 30.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 9]
분말1 30.0 중량%와, 분말2 70.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 10]
분말1 10.0 중량%와, 분말2 80.0 중량%, 분말3 10.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 11]
분말2 80.0 중량%, 분말3 20.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 12]
분말1 20.0 중량%와, 분말2 80.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.4wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 13]
분말1 20.0 중량%와, 분말2 60.0 중량%, 분말3 20.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 0.1wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[비교예 14]
분말1 10.0 중량%와, 분말2 70.0 중량%, 분말3 20.0 중량%를 포함하며, 표면의 산소함유량이 1.5wt%인 Cu 분말 85.0 중량%;
비어클 15.0 중량%를 포함하는 제2 구리 페이스트 조성물.
[실험예 4]
실험예 4는 제2 구리 페이스트 조성물을 부착제어용 금속층의 상면에 인쇄 및 소결한 후, 소결된 상태인 수축제어용 금속층의 수축률을 측정하였다.
[실험예 5]
실험예 5는 제2 구리 페이스트 조성물을 부착제어용 금속층의 상면에 인쇄 및 소결한 후, 소결된 상태인 수축제어용 금속층의 표면의 소결 치밀도를 측정하였다.
[실험예 6]
실험예 6은 제2 구리 페이스트 조성물을 부착제어용 금속층의 상면에 인쇄 및 소결한 후, 소결된 상태인 패턴층이 기판으로부터 박리되었는지를 측정하였다.
표 6은 본 발명의 실시예 6 내지 8 및 비교예 6 내지 15에 대한 실험예 4 내지 6의 측정값을 나타낸다.
실험예4 실험예5 실험예6
수축률 소결 치밀도 박리
실시예6 3.5% 양호 양호
실시예7 4.0% 양호 양호
실시예8 4.5% 양호 양호
비교예6 2.0% 하 발생
비교예7 7.0% 상 발생
비교예8 2.5% 하 양호
비교예9 9.0% 상 발생
비교예10 8.0% 상 발생
비교예11 7.5% 상 발생
비교예12 8.5% 상 발생
비교예13 4.0% 하 양호
비교예14 6.5% 상 발생
실시예 6 내지 8의 제2 구리 페이스트 조성물들은 모두 구리 분말이 분말1 10 ~ 20 중량%와, 분말2 60 ~ 70 중량%, 분말3 10 ~ 20 중량%로 이루어지도록 구성됨과 동시에 표면 산소함유량이 0.4wt%로 형성됨으로써 수축률이 3.5%, 4.0%, 4.5%로 우수한 것을 알 수 있으며, 소결 또한 양호하게 진행되었으며, 기판으로부터의 박리현상이 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
즉 실시예 6 내지 8은 분말의 입도 및 함유량 조절과, 표면의 산소함유량의 조절을 통해 수축제어용 금속층(53)의 소결 시 수축을 절감시키면서 소결이 적절하게 이루어질 수 있는 것이다.
비교예 6은 비교적 큰 입도의 분말3의 함유량이 적정범위인 10 ~ 20 중량%를 초과하는 30 중량%로 구리 분말에 함유됨에 따라 수축은 현저히 절감시킬 수 있으나, 공극이 비교적 많이 형성되어 소결 치밀도가 떨어지며, 기판과의 박리현상이 발생하는 문제점을 갖는다.
비교예 7은 비교적 작은 입도의 분말1의 함유량이 적정범위인 10 ~ 20 중량%를 초과하는 30 중량%로 구리 분말에 함유됨에 따라 분말들 사이의 공극이 줄어들어 소결 치밀도는 우수하나, 수축률이 과도하게 높아 박리현상이 발생하는 것을 알 수 있다.
비교예 8은 구리 분말에 작은 입도의 분말1이 전혀 함유되지 않음에 따라 수축은 적절하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 박리현상이 발생하지는 않으나, 분말들 사이의 공극이 증가하여 소결 치밀도가 현저히 떨어지는 문제점이 발생한다.
비교예 9는 작은 입도의 분말1의 함유량이 적정범위인 10 ~ 20 중량%를 초과함과 동시에 큰 입도의 분말3이 구리 분말에 전혀 함유되지 않음에 따라 공극이 줄어들어 소결 치밀도는 우수하나, 과도하게 수축이 발생하여 기판으로부터 박리되는 문제점이 발생한다.
비교예 10은 중간 입도의 분말2의 함유량이 적정범위인 60 ~ 70 중량%를 초과함에 따라 소결치밀도는 우수하나, 수축률이 과도하게 증가하여 박리현상이 발생하는 단점을 갖는다.
비교예 11, 12들은 작은 입도의 분말1 및 큰 입도의 분말3이 전혀 구리 분말에 함유되지 않음에 따라 수축률이 매우 증가하여 박리현상이 발생하게 된다.
비교예 13은 분말1, 2, 3의 함유량이 적정범위에 포함되나, 표면 산소함유량이 0.1wt%임에 따라 수축률 및 박리현상은 개선할 수 있으나, 소결이 촉진되지 않아 소결치밀도가 떨어지는 것을 알 수 있다.
비교예14는 분말1, 2, 3의 함유량이 적정범위에 포함되나, 표면 산소함유량이 1.5wt%임에 따라 수축률이 증가하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 금속-세라믹 기판 제조방법(S1)은 구리 페이스트를 이용하여 패턴층을 형성하되, 기판에 접촉되는 패턴층인 부착제어용 금속층을 형성하는 제1 구리 페이스트에 글라스 프릿을 함유함으로써 별도의 부막층 및 접착층을 형성하지 않아도 공정이 가능하여 공정이 간단하고 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명의 금속-세라믹 기판 제조방법(S1)은 부착제어용 금속층을 형성하는 제1 구리 페이스트의 글라스 프릿의 연화점(Ts)을 소결온도 보다 400 ~ 450℃ 낮은 온도로 형성함으로써 소결 시 글라스 프릿의 용융시점이 최적시기에 이루어져 글라스 프릿의 빠른 용융 또는 느린 용융으로 인해 기판과의 부착성이 떨어지는 문제점을 획기적으로 해결할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 금속-세라믹 기판 제조방법(S1)은 글라스 프릿이 소결 시 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상으로 형성되도록 함으로써 부착제어용 금속층 및 기판의 접촉면적을 증가시켜 기판과의 부착성을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 발명의 금속-세라믹 기판 제조방법(S1)은 글라스 프릿이 Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%로 이루어짐으로써 연화점(Ts)이 소결온도 보다 400 ~ 450℃ 낮게 형성되도록 함과 동시에 용융각도(Melting-angle)가 135° 이상으로 이루어지도록 하여 기판과의 부착성을 극대화시킬 수 있다.
또한 본 발명의 금속-세라믹 기판 제조방법(S1)은 부착제어용 금속층의 상부에 소정 두께로 인쇄되는 수축제어용 금속층을 형성하도록 하되, 수축제어용 금속층을 형성하는 제2 구리 페이스트의 구리 분말을 입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%로 구성함으로써 소결의 치밀도를 높임과 동시에 수축률을 절감시켜 패턴층이 기판으로부터 박리되는 현상을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 금속-세라믹 기판 제조방법(S1)은 제1 구리 페이스트의 구리 분말이 10 ~ 20 vol%의 기공 함유량을 가지며, 0.4 ~ 1.0 중량%의 표면 산소함유량을 갖도록 함으로써 수축률을 더욱 절감시킬 수 있다.
1:금속-세라믹 기판 3:기판 5:패턴층
51:부착제어용 금속층 53:수축제어용 금속층
S1:금속-세라믹 기판 제조방법 S10:제1 구리 페이스트 제조단계
S11:구리분말 준비단계 S12:글라스 프릿 제조단계
S13:비어클 제조단계 S14:혼합단계
S20:제2 구리 페이스트 제조단계 S30:제1 인쇄단계
S40:제1 건조단계 S50:제1 소결단계
S60:제2 인쇄단계 S70:제2 건조단계
S80:제2 소결단계

Claims (15)

  1. 세라믹재질의 기판에 패턴을 인쇄하는 금속-세라믹 기판 제조방법에 있어서:
    제1 구리 페이스트를 제조하는 제1 구리 페이스트 제조단계;
    제2 구리 페이스트를 제조하는 제2 구리 페이스트 제조단계;
    상기 기판에 상기 제1 구리 페이스트 제조단계에 의해 제조되는 제1 구리 페이스트를 인쇄하는 제1 인쇄단계;
    상기 제1 인쇄단계에 의한 기판을 소결시키는 제1 소결단계;
    상기 제1 소결단계에 의해 소결된 제1 구리 페이스트로 형성되는 층의 상면에 상기 제2 구리 페이스트 제조단계에 의해 제조되는 제2 구리 페이스트를 기 설정된 두께로 인쇄하는 제2 인쇄단계;
    상기 제2 인쇄단계에 의한 기판을 소결시키는 제2 소결단계를 포함하고,
    상기 제1 구리 페이스트는
    구리 분말 70.0 ~ 85.0 중량%와, 글라스 프릿 8.0 ~ 15.0 중량%와, 비어클 7.0 ~ 15.0 중량%가 혼합 교반되고,
    상기 글라스 프릿은
    Bi2O3 65.0 ~ 75.0 중량%와, ZnO 5.0 ~ 15.0 중량%, B2O5 5.0 ~ 15.0 중량%, Bao 0.1 ~ 0.5 중량%, SiO2 1.0 ~ 3.0 중량%, Al2O3 1.0 ~ 2.0 중량%, K2O 1.0 ~ 3.0 중량%를 포함함으로써 상기 제1 소결단계가 850~ 950℃의 소결온도로 소결공정이 이루어질 때, 상기 글라스 프릿의 함유성분들의 함유량 조절을 통해 상기 글라스 프릿의 연화점(TS)이 450 ~ 500℃를 갖도록 제조되고,
    상기 제2 구리 페이스트 제조단계는
    구리 분말 85.0 ~ 95.0 중량%와, 비어클 5.0 ~ 15.0 중량%를 혼합 교반하여 제2 구리 페이스트를 제조하고,
    상기 제2 구리 페이스트의 구리 분말은
    입도 1.0 ~ 5.0um 분말 10 ~ 20 중량%와, 입도 5.1 ~ 10.0um 분말 60 ~ 70 중량%와, 입도 10.1 ~ 20.0um 분말 10 ~ 20 중량%를 포함함으로써 상기 제2 구리 페이스트의 구리 분말의 기공 함유량이 10 ~ 20 vol%를 갖도록 제조되는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 제1항에 있어서, 상기 제1 구리 페이스트 제조단계는
    상기 구리 분말을 준비하는 구리 분말 준비단계;
    상기 글라스 프릿을 제조하는 글라스 프릿 제조단계;
    상기 비어클을 제조하는 비어클 제조단계;
    상기 구리 분말 70.0 ~ 85.0 중량%와, 상기 글라스 프릿 8.0 ~ 15.0 중량%, 상기 비어클 7.0 ~ 15.0 중량%를 혼합 교반하는 혼합단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판 제조방법.
  5. 청구항 제4항에 있어서, 상기 제1 소결단계에서 인쇄된 제1 구리 페이스트는 135° 이상의 용융각도(Melting-angle)를 형성하는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판 제조방법.
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  8. 청구항 제5항에 있어서, 상기 제2 구리 페이스트의 구리 분말은 표면의 산소함유량이 0.4 ~ 1.0wt%인 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판 제조방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001077511A (ja) * 1999-09-07 2001-03-23 Sumitomo Metal Electronics Devices Inc セラミック基板の製造方法
JP2001307547A (ja) * 2000-04-25 2001-11-02 Murata Mfg Co Ltd 導電性組成物およびそれを用いた印刷回路板
JP2003243804A (ja) * 2002-02-14 2003-08-29 Mitsuboshi Belting Ltd 銅導体ペーストを用いた厚膜回路基板の製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001077511A (ja) * 1999-09-07 2001-03-23 Sumitomo Metal Electronics Devices Inc セラミック基板の製造方法
JP2001307547A (ja) * 2000-04-25 2001-11-02 Murata Mfg Co Ltd 導電性組成物およびそれを用いた印刷回路板
JP2003243804A (ja) * 2002-02-14 2003-08-29 Mitsuboshi Belting Ltd 銅導体ペーストを用いた厚膜回路基板の製造方法

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