KR102484368B1 - 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법 - Google Patents

고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 기판을 준비하는 단계와, 상기 준비된 기판에 단자부 도체를 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 발열체 회로 패턴이 형성된 기판에 절연막을 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 절연막이 형성된 기판에 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서) 및 파워전력 단자를 마운팅하되, 상기 박막형 저항 온도 센서는 센서용 페이스트 형태의 용가재를 프린팅한 후 마운팅하고, 상기 파워전력 단자는 단자용 용가재와 함께 마운팅하는 단계와, 상기 박막형 저항 온도 센서 및 파워전력 단자가 마운팅된 기판을 브레이징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 파워전력 단자 및 Thin Film RTD 센서의 접합 강도가 우수하고, 열화로 인한 금속간 화합물의 성장과 Void의 발생이 없어 장기 신뢰성이 우수하며, 온도 균일성이 우수하여 안정적인 사용이 가능하다는 장점이 있다.

Description

고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법{Manufacturing method of ceramic heater}
본 발명은 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 각 구역별로 분리 형성하고, 이 기판 위에 파워전력 단자 및 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서)를 동시에 저온 브레이징하여 접합함으로써, 제조원가를 절감하고, 접합 강도가 우수하고, 보이드(Void)의 발생이 없어 장기 신뢰성이 우수하며, 온도 균일성이 확보되어 보다 안정적으로 사용할 수 있는 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 포토리소그래피 공정용 히터는 일반적으로 세라믹 기판상에 형성되는 발열체 회로, 상기 기판상에 접합되는 파워전력 단자 및 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서) 등이 솔더링 방식으로 접합되어 구성된다.
또한, 발열체 회로는 온도 균일성과 사용 조건에 따라 유리하게 제작이 되는바, 기판 상에 구역(Zone) 별로 구성된다. 이때, 그 구역의 구성을 제한하지는 않으나, 구성된 구역이 적으면 온도 균일성에 취약하고, 구성된 구역이 많으면 공정이 복잡하고 원가가 현저히 상승하는 문제점이 있다.
즉, 이러한 방식은 공정이 복잡하여 원가가 상승하는 문제점이 있으며, 장기 신뢰성 측면에서 보이드(Void)로 인한 초기 접합강도를 저하시키고, 히터의 고온 사용 환경을 고려할 때 사용시간이 길어짐에 따라 솔더 접합부의 기계적 특성이 저하되어 내구 수명을 저하시키는 원인으로 작용함으로써, 장기 신뢰성이 결여되어 짧게는 6개월 마다 히터를 교체하는 문제점도 있다.
또한, 최근 웨이퍼 미세 회로 패턴의 고집적화 및 고도화 기술이 요구됨에 따라 웨이퍼의 수율 향상 및 미세 회로 패턴 형성 공정이 더욱더 중요시 되고 있는 추세이다.
이러한 배경으로 웨이퍼의 미세회로 패턴 형성을 위해서는 반도체 웨이퍼 포토리소그래피 공정에 고신뢰성 및 온도 균일성 확보된 웨이퍼 베이크 히터가 핵심 부품으로 요구된다.
KR 10-1579885 B1 KR 10-2252979 B1
따라서, 본 발명의 목적은 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 각 구역 별로 분리 배치함으로써, 구역별 동일한 승온 속도와 균일한 온도 분포를 갖는 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 파워전력 단자 및 Thin Film RTD 센서를 세라믹 기판상에 저온에서 동시 브레이징하여 접합함으로써, 원가 절감 뿐만 아니라, 열화로 인한 금속 간 화합물의 성장과 Void의 발생이 없고, 접합 강도가 우수하여 장기 신뢰성이 우수한 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법은, 세라믹 기판을 준비하는 단계와, 상기 준비된 기판에 단자부 도체를 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 발열체 회로 패턴이 형성된 기판에 절연막을 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 절연막이 형성된 기판에 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서) 및 파워전력 단자를 마운팅하되, 상기 박막형 저항 온도 센서는 센서용 페이스트 형태의 용가재를 프린팅한 후 마운팅하고, 상기 파워전력 단자는 단자용 용가재와 함께 마운팅하는 단계와, 상기 박막형 저항 온도 센서 및 파워전력 단자가 마운팅된 기판을 브레이징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 인쇄하고 열처리하는 단계에서, 상기 발열체 회로 패턴은, 기판의 중앙에 배치되는 원 형상의 내부존, 상기 내부존과 이격되어 형성되며, 상기 내부존의 원주 방향을 따라 배치되는 도넛 형태의 중앙존과, 상기 중앙존과 이격되어 형성되며, 상기 중앙존의 원주 방향을 따라 배치되는 도넛 형태의 외부존으로 분리 형성되되, 상기 내부존은 동일 형상의 1구역(1zone)과 2구역(2zone)으로 좌, 우측으로 분리 형성되고, 상기 중앙존은 동일 형상의 3구역(3zone)과 4구역(4zone)으로 상, 하측으로 분리 형성되며, 상기 외부존 역시 동일 형상의 5구역(5zone) 내지 8구역(8zone)으로 상, 하, 좌, 우측으로 분리 형성되고, 상기 분리 형성된 1, 2구역, 3, 4구역 및 5 내지 8구역은 상호 이격되도록 형성되는 것임을 특징으로 한다.
상기 발열체 회로 패턴의 높이는 9~11㎛이고, 폭은 1.2~2mm이며, 면저항값은 180~190mΩ/sq인 것을 특징으로 한다.
상기 1구역 및 2구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 430~450W이고, 상기 3구역 및 4구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 240~260W이며, 상기 5구역 내지 8구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 220~240W으로, 총 출력용량이 2120~2380W로 구성되며, 상기 1구역 및 2구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 저항값은 110~120Ω이고, 상기 3구역 및 4구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 저항값은 180~200Ω이며, 상기 5구역 내지 8구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 저항값은 200~220Ω이고, 각 구역의 저항 편차(R%)는 7% 이내임을 특징으로 한다.
상기 단자부 도체를 형성하는 도체 재료는, 은(Ag) 100wt% 또는, 은 90~95wt%와 팔라듐(Pd) 5~10wt%이고, 상기 발열체 회로 패턴을 형성하는 발열체 재료는, 은 40~50wt% 및 팔라듐 50~60wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 각 열처리 공정은 800~900℃에서 수행하는 것임을 특징으로 한다.
상기 절연막이 형성된 기판에 박막형 저항 온도 센서 및 파워전력 단자를 마운팅하는 단계에서, 상기 기판에 와이어 클립도 마운팅하되, 상기 센서용 페이스트 형태의 용가재를 프린팅한 후, 상기 프린팅된 용가재에 상기 와이어 클립을 마운팅하는 것임을 특징으로 한다.
상기 센서용 용가재는 구리(Cu) 20~30wt%, 인듐(In) 10~30wt%, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf) 및 탄탈럼(Ta) 중 1종 이상의 것 1~5wt% 및 잔부의 은(Ag)으로 구성된 재료를 페이스트 형태로 제조한 것이고, 상기 단자용 용가재는 구리(Cu) 5~10wt%, 망간(Mn) 0.1~0.5wt%, 규소(Si) 0.1~0.5wt%, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf) 및 탄탈럼(Ta) 중 1종 이상의 것 0.1~0.5wt% 및 잔부의 알루미늄으로 구성된 와이어 타입의 용가재임을 특징으로 한다.
본 발명의 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법에 의하면, 원가가 현저히 절감되며, 파워전력 단자 및 Thin Film RTD 센서의 접합 강도가 우수하고, 열화로 인한 금속간 화합물의 성장과 Void의 발생이 없어 장기 신뢰성이 우수하며, 온도 균일성이 우수하여 안정적인 사용이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 세라믹 기판의 제조공정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 세라믹 히터용 와이어 클립의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 발열체 회로 패턴의 구역별 형태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명에 의한 세라믹 기판에 발열체 회로 패턴이 각 구역별로 분리 형성된 상태를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 시험예 1의 시험구와 대조구를 촬영한 사진이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 시험예 2의 온도 시뮬레이션 프로그램을 통한 승온 온도 분포를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명에 의한 시험예 3의 온도 균일 분포도 측정 프로그램으로 온도 균일성을 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 의한 시험구를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명에 의한 면저항 계산을 위한 페이스트 비율에 따른 블렌딩 커브를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 세라믹 히터는 반도체용으로 각 공정에 사용될 수 있으며, 특히 장기 신뢰성이 우수하고, 온도 균일성이 우수한 특징으로 인하여 반도체 웨이퍼 포토리소그래피 공정용 세라믹 히터로 사용됨이 가장 적절하다.
본 발명에 의한 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법은, 도 1과 같이, 세라믹 기판을 준비하는 단계와, 상기 준비된 기판에 단자부 도체를 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 발열체 회로 패턴이 형성된 기판에 절연막을 인쇄하고 열처리하는 단계와, 상기 절연막이 형성된 기판에 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서) 및 파워전력 단자를 마운팅하되, 상기 박막형 저항 온도 센서는 센서용 페이스트 형태의 용가재를 프린팅한 후 마운팅하고, 상기 파워전력 단자는 단자용 용가재와 함께 마운팅하는 단계와, 상기 박막형 저항 온도 센서 및 파워전력 단자가 마운팅된 기판을 브레이징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
세라믹 기판을 준비하는 단계
먼저, 세라믹 기판을 준비한다.
여기서, 상기 기판은 종래 일반적으로 사용되는 질화알루미늄(AlN) 기판을 의미하는바, 상기 질화알루미늄은 열전도율이 좋고 고절연성을 가지고 있어 가장 많이 사용된다.
상기 준비된 기판에 단자부 도체를 인쇄하고 열처리하는 단계
다음으로, 상기 준비된 기판에 단자부 도체를 인쇄하고 열처리한다. 상기 단자부 도체를 인쇄하는 방법은 종래 기술에 의하는 것으로, 은(Ag) 계열의 도체 재료를 페이스트 형태로 제조하여 인쇄하는 것이다. 상기 단자부 도체를 인쇄하는 지점은 후술할 발열체 회로 패턴의 형성 위치와 대응되는 지점임은 당연하다.
본 발명에서는 상기 도체 재료로 은 100wt% 또는, 은 90~95wt% 및 팔라듐(Pd) 5~10wt%인 것을 사용함이 바람직한바, 보다 바람직하게는 은 90~95wt% 및 팔라듐(Pd) 5~10wt%의 것을 사용하는 것이다. 이는 은의 단점인 일렉트로마이그레이션 현상을 억제해주기 위하여 팔라듐을 소량 첨가하는 것이다.
상기 도체 재료에 용매 및 결합제를 혼합하여 페이스트 형태로 제조하는 기술은 이 기술이 속하는 분야에서 공지된 방법에 의하는 것이므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
여기서, 상기 열처리는 800~900℃에서 수행하되, 질소를 퍼지(purge)하여 산소농도 0.5~1%의 분위기에서 수행한다. 상기 열처리 시간은 종래 기술에 의한다. 그 이유는 소결로 내부에 질소를 퍼지하여 산소 농도를 ppm 단위까지 제어를 하게 되면 자체적으로 수산기(OH) 부재인 기판에 더더욱 수산기(OH)가 부재됨으로써, 결합 강도의 저하 요인으로 작용하여, 기판 및 Ag 베이스의 금속 간 밀착력이 현저히 저하되는 문제가 발생하고, 이로 인해 단락이 유발되므로, 질소를 퍼지(purge)하여 산소농도를 0.5~1%로 조절하는 것이 바람직하기 때문이다.
상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 인쇄하고 열처리하는 단계
상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 구역별로 분리되도록 인쇄하고 열처리한다. 이때, 상기 단자부 도체와 발열체 회로 패턴은 오버랩 구간이 발생하여 전기적으로 연결됨은 당연하다.
본 발명에서는 특징적으로 단자부 도체를 발열체 회로 패턴에 비하여 우선 형성하는데, 이는 발열체 회로 패턴을 먼저 형성할 경우 오버랩 구간의 블리스터 현상이 발생하기 때문이다. 이는 금속 화합물 간 고온에서 금속의 치밀화가 진행되어 잔존 유기바인더에 의해 발생하는 가스가 외부로 배출될 경로가 없어 발생되며, 이는 세라믹과 금속 간 밀착력 저하로 단선을 야기시킬 수 있으므로, 단자부 도체를 먼저 형성하는 것이다. 상기와 같이, 단자부 도체를 먼저 형성할 경우, 오버랩 구간의 블리스터가 야기되지 않는다.
여기서, 상기 발열체 회로 패턴은 은(Ag) 계열의 발열체 재료를 페이스트 형태로 하여 방사형 및 대칭형으로 구역별로 각각 배치되도록 인쇄하는 것으로, 보다 구체적으로는 은 40~50wt%, 팔라듐 50~60wt%로 되는 발열체 재료를 페이스트 상태로 제조하여 인쇄하는 것이다. 이는 발열체 회로 패턴의 우수한 발열 특성을 갖도록 하기 위하여 은보다 팔라듐의 함량이 높은 것이 적절하기 때문이다.
이때, 상기 발열체 재료를 페이스트 상태로 제조하는 기술은 이 기술이 속하는 분야에서 공지된 방법에 의하는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 상기 발열체 회로 패턴의 인쇄 형태, 즉 각 구역별 인쇄 형태에 대해서는 하기에서 다시 자세히 설명한다.
여기서, 상기 열처리는 앞선 파워전력 도체의 열처리 공정과 동일하게, 800~900℃에서 질소(N2) 퍼지(purge)를 하여, 산소농도 0.5~1%에서 수행함이 바람직하다.
상기 발열체 회로 패턴이 형성된 기판에 절연막을 인쇄하고 열처리하는 단계
다음으로, 상기 발열체 회로 패턴이 형성된 기판에 절연막을 인쇄하고 열처리한다.
상기 절연막의 인쇄 및 열처리 과정은 종래 공지된 기술에 의하는 것으로, 800~900℃ 범위에서 산화 분위기에서 열처리한다. 상기 절연막은 유리(SiO2) 성분이 다량 포함되므로, 되도록 짧게 열처리함이 바람직하나, 그 열처리 시간을 제한하는 것은 아니다.
상기 절연막이 형성된 기판에 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서) 및 파워전력 단자를 마운팅하되, 상기 박막형 저항 온도 센서는 센서용 페이스트 형태의 용가재를 프린팅한 후 마운팅하고, 상기 파워전력 단자는 단자용 용가재와 함께 마운팅하는 단계
다음으로, 상기 절연막이 형성된 기판에 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서) 및 파워전력 단자를 마운팅한다. 이때, 상기 Thin Film RTD 센서 및 파워전력 단자의 개수는 제한하지 않는다.
이때, Thin Film RTD 센서는, 센서가 접합될 위치에 센서용 페이스트 형태의 용가재를 프린팅한 후 마운팅하고, 상기 파워전력 단자는 상기 단자부 도체가 형성된 위치에 단자용 용가재와 함께 마운팅하는 것이다.
본 발명에서 센서용 페이스트 형태의 용가재는 구리(Cu) 20~30wt%, 인듐(In) 10~30wt%, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf) 및 탄탈럼(Ta) 중 1종 이상의 것 1~5wt% 및 잔부의 은(Ag)으로 구성된 재료를 페이스트 형태로 제조한 것으로, 고상선(solidus)이 550~610℃이고, 액상선(liquidus)이 600~630℃인 것을 사용한다. 이는 접합 강도, Void의 발생, 저항 변화, 절연막 손상, 브레이징 온도 등을 고려한 것이다.
또한, 단자용 용가재는 구리(Cu) 5~10wt%, 망간(Mn) 0.1~0.5wt%, 규소(Si) 0.1~0.5wt%, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf) 및 탄탈럼(Ta) 중 1종 이상의 것 0.1~0.5wt% 및 잔부의 알루미늄으로 구성된 와이어 타입의 용가재로, 고상선(solidus)이 500~550℃이고, 액상선(liquidus)이 600~650℃인 것을 사용한다. 이는 접합 강도, Void의 발생, 저항 변화, 절연막 손상, 브레이징 온도 등을 고려한 것이다.
상기 단자용 용가재는 구조상 전력파워 단자 내부에 0.4~0.6mm 홈 그루브(Groove)의 구조를 형성하고, 이에 용가재를 삽입한 후, 전력파워 단자를 마운팅하는 것이, 용가재의 젖음성, 흐름성을 제어하는데 용이하다.
본 발명에서 파워전력 단자의 소재 재질은 코바(Kovar), 인코넬(Inconel), 니켈(Nikel) 중 어떠한 것이라도 사용할 수 있음은 당연하다.
상기 박막형 저항 온도 센서 및 파워전력 단자가 마운팅된 기판을 브레이징하는 단계
다음으로, 상기 Thin Film RTD 센서 및 파워전력 단자가 마운팅된 기판을 브레이징한다.
상기 브레이징은, 600~700℃의 비교적 저온에서 수행함이 바람직하다.
가장 바람직하게 상기 브레이징은 브레이징로를 승온하면서 세 구간에 걸쳐 유지시간을 두는 것이다. 구체적으로, 상기 브레이징로의 온도는 제1 내지 3단계로 조절하되, 3~5℃/min의 속도로 승온하여 150~250℃에서 10~30분간 유지하는 제1단계와, 5~10℃/min의 속도로 승온하여 500~600℃에서 10~30분간 유지하는 제2단계와, 3~5℃/min의 속도로 승온하여 600~700℃에서 10~30분간 유지하는 제3단계로 조절한다.
상기 제1단계는 용가재에서 발생되는 유기용제와 유기물을 기화시켜 제거하기 위한 구간이며, 제2단계는 브레이징로 내 투입된 제품의 열전대(제품 자체가 브레이징 설정 온도까지 도달하는)를 형성하고, 안정화시키는 구간이고, 제3단계는 용가재를 용융시켜 단자 및 센서를 접합 고정하는 구간으로, 제1단계 및 제2단계 없이 제3단계로 바로 진입할 경우 유기용제 및 유기물의 제거가 충분하지 않아 유기가스에 의해 금속 소재의 단자, 기판 등이 일부 산화되며, 열전대가 온전히 형성되지 않아 접합 강도가 저하되고, 젖음성이 저하되는 등의 단점이 있다.
또한, 상기 브레이징은 10-5Torr 이하, 예시적으로 10-9~10-5Torr의 고진공도에서 수행됨이 바람직한바, 이는 금속의 산화를 방지하기 위함이다.
아울러, 상기 브레이징 후, 단자 및 센서가 접합된 기판을 냉각하고, 상기 단자 및 센서에 전원 공급선 등을 와이어링한다.
상기 냉각은 세라믹과 금속간 열팽창 계수의 차이로 급랭은 지양하며, 200℃까지는 자연냉각하고, 이후 실온까지는 질소 또는 아르곤 가스로 퍼지(purge) 냉각하는 것이 바람직하나, 이를 제한하는 것은 아니다.
한편, 상기 절연막이 형성된 기판에 Thin Film RTD 센서 및 파워전력 단자를 마운팅하는 단계에서, 상기 기판에 상기 센서용 페이스트 형태의 용가재를 와이어 클립(1)을 접합할 지점에도 프린팅하고, 이에 와이어 클립을 마운팅함으로써, 와어이 클립(1) 역시 Thin Film RTD 센서 및 파워전력 단자와 함께 동시에 브레이징 할 수 있다.
상기 와이어 클립(1)은 세라믹 히터용 와이어를 고정하기 위하여 사용되는 것으로, 도 2와 같이, 상기 기판에 고정되는 정착구(10) 및 정착구(10)에 의해 기판에 정착되며 세라믹 히터용 와이어를 고정하는 고정수단(22a)이 형성된 고정부(20)를 포함할 수 있다.
이러한 와이어 클립(1)으로는 이 기술이 속하는 분야에서 공지된 다양한 것을 사용할 수 있는바, 예시적으로 대한민국 등록특허 제10-2265323호 등에 게시된 와이어 클립(1)을 적용할 수 있으나, 이를 반드시 제한하는 것은 아니며, 기타 공지된 와이어 클립(1) 중 어떠한 것이라도 적용 가능함은 당연하다.
다만, 본 발명은 솔더링 방식이 아닌 상기 와이어 클립(1) 역시 용가재를 이용하여 저온 브레이징 방식으로 접합하는 것으로, 상기 Thin Film RTD 센서를 위해 센서용 용가재를 프린팅할 시, 상기 와이어 클립(1)이 접합될 지점에도 센서용 용가재를 함께 프린팅하고, 이에 와이어 클립(1)을 마운팅하여 동시에 저온 브레이징하여 접합함으로써, 그 제조공정을 단순화하는 것이다.
또한, 앞선 종래기술과 같이 기판에 상기 정착구(10)가 수용되는 포켓을 매립하고, 이에 페이스트 상태의 용가재를 프린팅한 후, 와이어 클립(1)을 삽입하여 브레이징할 수도 있는 것으로, 그 실시를 제한하지 않는다.
상기 와이어 클립(1)을 파워전력 단자 및 Thin Film RTD 센서와 함께 접합한 경우, 브레이징 및 냉각 후, 파워전력 단자 및 Thin Film RTD 센서에 연결되는 와이어를 상기 와이어 클립(1)에 고정하는 것은 당연하다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 단자, 센서, 클립을 1회의 브레이징으로 동시에 접합함으로써, 공정이 단순화되며, 제조 비용이 절감되고, 그 접합 강도가 우수한 것은 물론, 주변부의 손상이 없고, 젖음성이 우수하며, Void의 발생이 없어 장기 신뢰성이 우수하다는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 세라믹 히터는 온도의 균일성 확보를 위하여, 상기 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 각 구역 별로 인쇄함이 바람직하다.
더욱 구체적으로, 도 3과 같이, 상기 발열체 회로 패턴이, 기판의 중앙에 배치되는 원 형상의 내부존, 상기 내부존과 이격되어 형성되며, 상기 내부존의 원주 방향을 따라 배치되는 도넛 형태의 중앙존과, 상기 중앙존과 이격되어 형성되며, 상기 중앙존의 원주 방향을 따라 배치되는 도넛 형태의 외부존으로 분리 형성되되, 상기 내부존은 동일 형상의 1구역(1zone)과 2구역(2zone)으로 좌, 우측으로 분리 형성되고, 상기 중앙존은 동일 형상의 3구역(3zone)과 4구역(4zone)으로 상, 하측으로 분리 형성되며, 상기 외부존 역시 동일 형상의 5구역(5zone) 내지 8구역(8zone)으로 상, 하, 좌, 우측으로 분리 형성되고, 상기 분리 형성된 1, 2구역, 3, 4구역 및 5 내지 8구역은 상호 이격되도록 형성됨이 바람직하다.
이렇게 상기 발열체 회로 패턴이 구역별로 분리 형성되어 방사형 및 대칭형으로 구성되면, 온도의 균일성이 확보되어 히터의 장기간 안정적인 사용이 가능해진다.
이때, 각 구역의 발열체 회로 패턴의 높이는 9~11㎛이고, 폭은 1.2~2mm이며, 면저항값이 180~190mΩ/sq인 것이 바람직하다. 다만, 내부와 외부의 온도 편차를 최소화하고, 상기한 면저항값을 확보하기 위하여 구역별로 상기한 범위 내에서 회로 패턴의 높이, 폭을 조절할 수 있음은 당연하다.
이때, 상기 발열체 회로 패턴의 면 저항값은 각기 다른 면 저항값을 갖는 발열체용 페이스트를 블렌딩하여 얻는 것으로, 예시적으로 125mΩ/sq의 면저항값을 갖는 제1페이스트와 300mΩ/sq의 면저항값을 갖는 제2페이스트를 타겟 면저항 값인 180~190mΩ/sq를 갖도록 하기 위해 7:3 내지 6:4의 비율로 재혼합하여 믹스시킴으로써, 사용하는 것이 보다 정교하게 면저항값을 컨트롤할 수 있게 되는 것이나, 이의 실시를 제한하지 않는다. 첨부된 도 10은 면저항 계산을 위한 블렌딩 커브를 나타낸 그래프이다.
블렌딩 공법 시 유의해야 하는 사항으로는 동일한 유기 바인더 및 솔벤트, 소량의 금속 첨가물 미사용 시 블렌딩 페이스트를 소결 후 돌기 현상, 블리스터 현상이 발생할 수 있으므로, 동일한 유기 바인더 및 솔벤트를 사용하여야 한다는 것이다.
또한, 1구역 및 2구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 430~450W이고, 상기 3구역 및 4구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 240~260W이며, 상기 5구역 내지 8구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 220~240W으로, 총 출력용량이 2120~2380W로 구성되고, 상기 1구역 및 2구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 저항값은 110~120Ω이고, 상기 3구역 및 4구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 저항값은 180~200Ω이며, 상기 5구역 내지 8구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 저항값은 200~220Ω으로, 각 구역의 저항 편차(R%)는 7% 이내임이 바람직하다.
이는 온도 시뮬레이션 프로그램을 이용하여, 이러한 히터 출력용량 및 저항값을 갖는 것이, 균일한 승온 시작 온도 분포 및 정적 온도에서의 온도 분포가 적절함을 확인하였기 때문이다.
본 발명에서는 도 4와 같이, 상기 구역별로 분리 형성된 발열체 회로 패턴에는 이와 대응되도록 파워전력 단자가 각 2개씩, 상기 1구역과 3구역 사이, 1구역과 4구역 사이, 2구역과 3구역 사이, 2구역과 4구역 사이, 3구역과 5구역 사이, 3구역과 8구역 사이, 4구역과 6구역 사이, 4구역과 7구역 사이에는 각 1개씩 총 8개의 와이어 클립(1)이, 그리고 각 구역 내 1개씩의 Thin Film RTD 센서가 동시에 브레이징되어 접합되어 형성될 수 있다. 아울러, 상기 Thin Film RTD 센서의 위치 및 개수, 와이어 클립(1)의 위치 및 개수는 제한하지 않는바, 자유롭게 변형 실시할 수 있다.
상기와 같이 발열체 회로 패턴이 방사형 및 대칭형이 되도록 각 구역별로 분리 형성되면, 구역별로 동일한 승온 속도와 균일한 온도 분포를 가져 장기간 안정적인 사용이 가능하다는 장점이 있다.
이하, 구체적인 시험예를 설명한다.
(시험예 1)
AlN 기판상에 단자부 도체를 인쇄 및 열처리하고, 발열체 회로 패턴을 인쇄 및 열처리하여 제조한 시험구(도 9)와, 시험구와 동일한 방법으로 제조하되 발열체 회로 패턴을 인쇄 및 열처리한 후, 단자부 도체를 인쇄 및 열처리한 대조구를 촬영하여 블리스터 현상의 유무를 관찰하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서와 같이, 시험구의 오버랩 구간은 블리스터의 현상이 없었으나, 대조구의 오버랩 구간에는 블리스터가 다수 발생됨을 확인하였다.
(시험예 2)
본 발명에 의해 제조된 시험구(도 9)를 온도 시뮬레이션 프로그램을 통해 승온 온도분포를 확인하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
또한, 도 7에는 종래의 발열체 회로 패턴이 인쇄된 기판(대조구_대칭형이 아님)과 본 발명에 의해 제조된 기판(시험구)를 대조하여 온도분포를 나타내었다.
도 6 및 도 7에서와 같이, 본 발명에 의한 시험구는 대조구에 비하여 월등히 우수한 온도 균일성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
(시험예 3)
본 발명에 의한 시험구(도 9)를 온도 균일 분포도 측정 프로그램 Sensarray 29 포인트로 온도 균일성을 측정하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에서와 같이 본 발명에 의한 시험구는 온도 균일성이 우수함을 확인할 수 있었다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : AlN 히터용 와이어 클립 10 : 정착구
20 : 고정부 22a : 고정수단

Claims (8)

  1. 세라믹 기판을 준비하는 단계와,
    상기 준비된 기판에 단자부 도체를 인쇄하고 열처리하는 단계와,
    상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 인쇄하고 열처리하는 단계와,
    상기 발열체 회로 패턴이 형성된 기판에 절연막을 인쇄하고 열처리하는 단계와,
    상기 절연막이 형성된 기판에 박막형 저항 온도 센서(Thin Film RTD 센서), 파워전력 단자 및 와이어 클립을 마운팅하되, 상기 박막형 저항 온도 센서와 와이어 클립은 센서용 페이스트 형태의 용가재를 프린팅한 후 마운팅하고, 상기 파워전력 단자는 단자용 용가재와 함께 마운팅하는 단계와,
    상기 박막형 저항 온도 센서, 파워전력 단자 및 와이어 클립이 마운팅된 기판을 브레이징하는 단계를 포함하며,
    상기 단자부 도체가 형성된 기판에 발열체 회로 패턴을 방사형 및 대칭형으로 인쇄하고 열처리하는 단계에서,
    상기 발열체 회로 패턴은,
    기판의 중앙에 배치되는 원 형상의 내부존, 상기 내부존과 이격되어 형성되며, 상기 내부존의 원주 방향을 따라 배치되는 도넛 형태의 중앙존과, 상기 중앙존과 이격되어 형성되며, 상기 중앙존의 원주 방향을 따라 배치되는 도넛 형태의 외부존으로 분리 형성되되,
    상기 내부존은 동일 형상의 1구역(1zone)과 2구역(2zone)으로 좌, 우측으로 분리 형성되고, 상기 중앙존은 동일 형상의 3구역(3zone)과 4구역(4zone)으로 상, 하측으로 분리 형성되며, 상기 외부존 역시 동일 형상의 5구역(5zone) 내지 8구역(8zone)으로 상, 하, 좌, 우측으로 분리 형성되고,
    상기 분리 형성된 1, 2구역, 3, 4구역 및 5 내지 8구역은 상호 이격되도록 형성되는 것이고,
    상기 발열체 회로 패턴의 높이는 9~11㎛이고, 폭은 1.2~2mm이며, 면저항값은 180~190mΩ/sq이며,
    상기 1구역 및 2구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 430~450W이고,
    상기 3구역 및 4구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 240~260W이며,
    상기 5구역 내지 8구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 출력용량은 220~240W으로,
    총 출력용량이 2120~2380W로 구성되며,
    상기 1구역 및 2구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 저항값은 110~120Ω이고,
    상기 3구역 및 4구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 저항값은 180~200Ω이며,
    상기 5구역 내지 8구역에 형성된 발열체 회로 패턴의 각 저항값은 200~220Ω이고,
    각 구역의 저항 편차(R%)는 7% 이내임을 특징으로 하는 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단자부 도체를 형성하는 도체 재료는,
    은(Ag) 100wt% 또는, 은 90~95wt%와 팔라듐(Pd) 5~10wt%이고,
    상기 발열체 회로 패턴을 형성하는 발열체 재료는,
    은 40~50wt% 및 팔라듐 50~60wt%인 것을 특징으로 하는 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각 열처리 공정은 800~900℃에서 수행하는 것임을 특징으로 하는 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서용 페이스트 형태의 용가재는 구리(Cu) 20~30wt%, 인듐(In) 10~30wt%, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf) 및 탄탈럼(Ta) 중 1종 이상의 것 1~5wt% 및 잔부의 은(Ag)으로 구성된 재료를 페이스트 형태로 제조한 것이고,
    상기 단자용 용가재는 구리(Cu) 5~10wt%, 망간(Mn) 0.1~0.5wt%, 규소(Si) 0.1~0.5wt%, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf) 및 탄탈럼(Ta) 중 1종 이상의 것 0.1~0.5wt% 및 잔부의 알루미늄으로 구성된 와이어 타입의 용가재임을 특징으로 하는 고신뢰성 및 온도 균일성 갖는 세라믹 히터의 제조방법.
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