KR102571961B1

KR102571961B1 - 복합 재료를 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR102571961B1
Application number: KR1020177035037A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 메이어; 스테판 브리팅; 디에테르 뇌첼; 다비드 비르바겐
Original assignee: 로저스 저매니 게엠베하
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2023-08-28
Also published as: US10448504B2; EP3303259A1; WO2016192965A1; DE102015108668A1; CN107787259A; CN107787259B; KR20180015651A; US20180213639A1; JP2018524250A; EP3303259B1; DE102015108668B4; JP6753869B2

Abstract

본 발명은 복합 재료(5), 특히 회로 기판용 복합 재료(5)를 제조하기 위한 방법으로서, 복합 재료(5)는 추가 층(2), 특히, 금속 피복이 납땜 층(3)에 의해 한쪽 면 또는 양쪽 면에 제공되는 평면의 기저 재료(1), 특히 세라믹을 포함하며,
상기 방법은:
- 기저 재료(1)를 제공하는 방법을 포함하되, 기저 재료(1)는 하나 이상의 면에서 제1 표면(A1)을 가지고;
- 추가 층(2)을 제공하고, 제1 표면(A1)과 추가 층(2)의 제2 표면(A2) 사이에 납땜 층(3)을 배열하여, 추가 층(3)이 제1 표면(A1)에 증착될 때 기저 재료(1)의 제1 표면(A1)은 평면 형태로 납땜 층(3)에 의해 덮히는 단계를 포함하되, 추가 층(2)과 기저 재료(1) 사이의 납땜 층(3)의 두께는 12μ 미만, 특히 7μm 미만이며;
- 제1 표면(A1)에 배열된 추가 층(2)과 기저 재료(1)를 가열하고 납땜 층(3)을 적어도 부분적으로 용융시켜, 기저 재료(1)를 하나 이상의 추가 층(2)에 연결시키는 단계를 포함한다.

Description

복합 재료를 제조하기 위한 방법

본 발명은 복합 재료, 특히 회로 기판용 복합 재료를 제조하기 위한 방법 및 이러한 복합 재료에 관한 것이다.

복합 재료, 가령, 세라믹 기저 재료(ceramic base material)에 배열된 금속 피복(metallisation) 형태의 추가 층을 가진 회로 기판과 같은 복합 재료가 종래 기술에서 다양한 타입으로 공지되어 있는데, 이러한 복합 재료는 전력 전자 분야에서 다양하게 사용된다. 게다가, 한 예로서, 기저 재료에 추가 층을 고정시키도록 구성된 활성 납땜 방법(active soldering method)이 DE 22 13 115호에 기술되어 있다. 특히, 금속 세라믹 기판을 제조하기 위해 특별히 사용되는 상기 방법에서, 650 내지 1,000℃ 사이의 온도에서 적절한 납땜 재료를 이용하여, 금속 포일(metal foil), 예컨대, 구리 포일과 세라믹 기판(ceramic substrate), 예컨대, 알루미늄 니트라이드 세라믹 사이가 억지-끼워맞춤(force-fit)으로 연결된다. 주 구성요소, 가령, 구리, 은 및/또는 금 외에도, 납땜 재료는 활성 금속(active metal)을 포함한다. 이러한 활성 금속, 예를 들어, Hf, Ti, Zr, Nb, 또는 Ce 중 하나 이상의 요소는 화학 반응에 의해 세라믹과 납땜 사이에 연결부(connection)를 형성하는데, 금속과 납땜 사이의 연결은 금속 경화 납땜 연결(metal hard solder connection)이다.

납땜 공정(solder process)에서, 활성 요소(active element)는 세라믹과 반응 층(reaction layer)을 형성하며, 세라믹은 납땜 공정 동안 그 밖의 납땜 요소들에 의해 뿌려질 수 있다(sprinkled). 일반적으로, 활성 요소가 세리그래피(serigraphy)에 의해 입자(particle)로서 제공되는 페이스트(paste)로서, 연결되어야 하는 부분들에 활성 납땜(active solder)이 제공된다.

하지만, 이에 대한 결과로서, 반응 층의 기하학적 형상(geometry)은 열적 및 기계적 성질에 대해 이상적이지 못한 기판/복합 재료를 수반한다. 게다가, 상기 방법은 은(silver)을 상당히 많이 소모하기 때문에 비용이 상대적으로 많이 든다.

더구나, 활성 납땜 조성을 가진 압연 납땜 벨트(rolled solder belt)를 사용하는 방법은 종래 기술에 공지되어 있지만, 이러한 위에서 언급한 단점을 해결하는 데에는 적합하지 못할 뿐만 아니라 또한 반응 층을 이상적으로 배열하는 것도 가능하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 기계적 및 열적으로 높은 응력 저항(stress resistance)을 가지며 비용이 상대적으로 저렴한 복합 재료(composite material), 특히 회로 기판(circuit board)용 복합 재료를 제조하기 위한 방법 뿐만 아니라 이러한 복합 재료를 제공하는 데 있다.

상기 목적은 복합 재료, 특히, 청구항 제1항에 따른 회로 기판용 복합 재료를 제조하기 위한 방법 및 복합 재료에 의해 구현된다. 본 발명의 그 외의 다른 이점 및 특징들은 종속항들과 본 발명의 상세한 설명 및 도면들로부터 자명할 것이다.

본 발명은 복합 재료, 특히 회로 기판용 복합 재료를 제조하기 위한 방법을 제공하는데, 상기 복합 재료는 추가 층(additional layer), 특히, 금속 피복(metallisation)이 납땜 층(solder layer)에 의해 한쪽 면 또는 양쪽 면에 제공되는 평면의 기저 재료(base material), 특히 세라믹(ceramic)을 포함하며, 상기 방법은:

- 기저 재료를 제공하는 방법을 포함하되, 기저 재료는 하나 이상의 면에서 제1 표면을 가지고;

- 추가 층을 제공하고, 제1 표면과 추가 층의 제2 표면 사이에 납땜 층을 배열하여, 추가 층이 제1 표면에 증착될(deposited) 때 기저 재료의 제1 표면은 평면 형태로, 특히 완전히 평면 형태로 납땜 층에 의해 덮히는(covered) 단계를 포함하되, 추가 층과 기저 재료 사이의 납땜 층의 두께는 12μ 미만, 특히 7μm 미만이며;

- 제1 표면에 배열된 추가 층과 기저 재료를 가열하고 납땜 층을 적어도 부분적으로 용융시켜(melt), 기저 재료를 하나 이상의 추가 층에 연결시키는 단계를 포함한다.

납땜 층에 의해 기저 재료의 제1 표면이 평면 형태로, 특히 완전히 평면 형태로 덮히는 것은, 공지의 세리그래피 공정(serigraphy process) 기술 또는 복수의 쉬트(sheet)에 작은 납땜 벨트(solder belt)를 증착시키는 기술과 명백하게 상이하다. 여기서, 용어 "완전히 평면 형태(fully planar)"는, 예를 들어, 작은 경계면(border)이 기저 재료에 남아 있으며, 어떠한 임의의 납땜 층도 가지지 않는 구성을 의미하는데, 상기 경계면의 길이는 수 밀리미터까지, 예를 들어 2, 3, 5, 또는 6mm까지 될 수 있다. 반대로, 용어 "완전히 평면 형태"는 납땜 층의 부분들에 의해 정확하게 또는 부분적으로 제공되는 것이며, 완전히 평면 형태로 덮히는 것은, 심지어, 그 어떠한 이유로, 제1 표면의 아주 작은 부분들이 덮히지 않는다 하더라도, 이러한 부분들까지도 포함하는 것으로 이해해야 한다.

세리그래피 공정에서, 예를 들어, 페이스트/납땜 층이 각각 작은 표면 또는 부분들에서 오직 지점(point)들에만 제공되어, 이로 인해, 상기 공정이 불필요하게 재료의 비용을 높이게 되는데, 이는 이러한 공정 단독으로 인해, 제공되는 납땜 층은 일반적으로 너무 높거나 또는 너무 두껍기 때문이다. 게다가, 상기 공정에 의해 생성된 납땜 층이 두껍기 때문에, 덜 최적의 결과를 구현하게 된다. 가령, 종래 기술에 이미 알려져 있는 납땜 벨트를 제공하는 것은, 일반적으로 쉬트(sheet)에 의해 구현되며, 기저 재료에서 평면 형태로 정확하게 구현되지 않는데, 특히, 완전히 평면 형태로 구현되지는 않는다. 더구나, 납땜 와이어(solder wire)를 제공하는 것은 복잡하여, 쉬트/납땜 와이어에 부착하거나(attached) 서로 정확하게 결합하는 데 있어서 많은 주의를 기울여야 한다. 납땜 층 쉬트가 중첩되면(overlap), 특정 지점들에서 납땜 층이 너무 두껍게 되어 그에 따라 기계적 성질이 나빠진다. 제공되는 납땜 층 쉬트 사이에 간극(gap)이 있으면, 흩뿌림(sprinkling) 현상이 생기고 납땜 층에 실질적인 결함이 발생되어 추후의 접촉 과정이 바람직하지 못하게 된다.

이러한 문제점은, 본 발명에서 제기되는 것과 같이, 한 실시예에서, 한 면의 길이가 약 7.5 x 11.5인치인 대략 직사각형 형태를 가진 기저 재료를 평면 형태로, 특히 완전한 평면 형태로 덮음으로써 해결된다. 한 실시예의 기저 재료의 두께는 0.1 내지 2.5mm 사이, 바람직하게는 0.2 내지 1mm 사이 범위에 있다.

한 실시예에서, 기저 재료는 AlN(질화알루미늄), Si₃N₄, SiC, Al₂O₃, ZrO₂, ZTA(지르코니아 강화된 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 다이옥사이드 강화된 알루미늄 옥사이드), BeO, TiO₂, HPS, HPI 및/또는 TiO_x를 포함하며, 이들은 각각 위에서 언급한 물질/재료들 중 하나 또는 이들의 조합으로 구성된다. HPS 기판은 지르콘 도핑된(doped) Al203 세라믹으로 제조된다. 이러한 기판들은 견고하며 대부분 중간 파워 범위에서 사용된다. 하지만, 본 명세서에서는 명확하게 언급되지는 않겠지만, 그 밖의 세라믹들도 사용될 수 있다.

한 실시예에서, 추가 층은 Cu, Cu 합금, Mo, W, Ta, Nb, Ni, Fe, Al, 알루미늄 합금, 강철 및/또는 Ti 합금을 포함하며, 이들은 각각 위에서 언급한 물질/재료들 중 하나 또는 이들의 조합으로 구성된다. 한 실시예에서, 추가 층의 두께는 약 0.1 내지 1mm 사이, 바람직하게는 0.2 내지 0.8mm 사이 범위에 있다.

최적의(예컨대, 온도 변화 저항, 스트리핑(stripping) 및 전단 저항에 대해) 기계적 성질 뿐만 아니라 예를 들어, 전자 파워 모듈(electronic power module)에서, 열을 우수하게 분산시킬 수 있는 열적 성질을 가진 복합 재료를 제공하기 위하여, 활성 납땜 방법(활성 금속 브레이징(Active Metal Brazing: AMB) 방법)에서 납땜 층은 적절한 두께를 가진 반응 층(reaction layer)이 기저 재료에 구현되도록 형성된다. 반응 층의 바람직한 두께는 약 0.01 내지 10μm 사이, 보다 바람직하게는 약 0.05 내지 1μm 사이의 범위이다.

반응 층의 두께는 기판/복합 재료의 기계적 안정성(mechanical stability)에 상당한 영향을 끼치는데 즉 반응 층이 얇으면 얇을수록 온도 변화 저항 및 스트리핑 전단 저항에 대한 복합 재료의 성질이 더 우수하게 될 것이다. 이것은, 예를 들어 TiN과 같이 형성되는 공정에서, 반응 층의 취성(brittleness) 때문이다. 더구나, 활성 요소(active element)의 특정 분율(fraction)이 납땜 층 내에 유지되며, 냉각된 뒤, 실제 납땜 공정 시에, 금속간 상(intermetallic phase), 가령, CuTi 또는 AgTi이 형성되는데, 이에 따라, 특정 취성으로 인해, 납땜 층의 연성(ductility)에 부정적인 영향을 끼치게 된다.

반응 층을 원하는 두께/크기로 균일하게 형성하기 위하여, 본 발명은 납땜 층의 두께를 12μm 미만, 특히 7μm 미만으로 줄이도록 제안한다. 납땜 층의 바람직한 두께 범위는 2μm 내지 5μm 사이이다.

얇은 반응 층을 생성하기 위하여, 기본적으로 소량의 활성 요소를, 예를 들어, 세리그래피 공정에서 사용되는 페이스트에 주입할(introduce) 수 있지만, 입자에 따라 균일하게 분포된 활성 요소를 제거하여, 반응 층을 균일하게 구성할 수 있다. 더구나, 이를 위하여 균일한 입자 크기 분포를 가지면서도 매우 작은 입자를 형성해야 하는데, 이러한 작업은 기술적으로 매우 난해하며 비용이 상당히 소요된다. 기술된 복합 재료/기판의 경우, 납땜 공정 동안, 특정의 높은 유지 온도를 위해, 납땜의 액체 상태(liquid state)의 시간 제한이 존재하는데, 예를 들어, 구리 금속 피복(metallisation)의 경우, 구리는 납땜에서 연속적으로 용융되며(solved), 따라서, 현재 용융 질량(molten mass)의 고상 온도(solidus temperature)를 높일 것이다.

납땜 층 두께가 12μm 미만 내지 7μm 미만의 특정 값으로 줄어들었기 때문에, 본 발명은 견고하며 안정적인, 균일한 반응 층을 생성하기 위하여 납땜 공정 동안 구현되어야 하는 양의 활성 요소를 표면에 정확하게 제공한다.

한 실시예에서, 납땜 층은, 납땜 재료, 특히, Ag, Cu, Sn, Zn 및/또는 In, 및 위에서 언급한 재료들의 조합을 포함하는 활성 납땜 층이다. 또한, 납땜 층은, 활성 재료, 특히, Ti, Tr, Hf, Cr, Y, Nb, 및/또는 V를 포함하는 활성 재료를 가진다.

한 실시예에서, 활성 납땜 합금 또는 납땜 층은 금속, 가령, 은, 구리, 인듐 및 티타늄으로 구성된다. 납땜은 용융점으로 인해 용융되어 구리 대 은 비율만큼 감소된다. 본 발명에 따르면, 두 금속은 모두 임의의 비율로 납땜 내에 존재할 수 있는데, 상기 비율은 납땜 온도에 직접 영향을 미칠 것이다. 납땜 내의 인듐(In) 또는 주석(Sn)(0 내지 15중량%)은 납땜의 가공 범위/용융 범위를 Ag/Cu 혼합물에 의해 허용될 수 있는 온도보다 더 낮은 온도로 확대시킨다. 게다가, 인듐은 복합 재료의 일부분인 표면의 흩뿌림(sprinkle)을 개선시킨다. 활성 요소로서 티타늄은 활성 요소로 작용할 수 있는 그 밖의 요소(금속)들로 대체될 수 있다. 주로, 이런 요소들은 Zr 및 Hf이다. 하지만, Y, V, Zr, Nb도 활성 요소들로 사용될 수 있으며, 이들의 작동 온도(activation temperature)는 티타늄의 온도보다 훨씬 더 높다. 티타늄 함량은 연결되어야 하는 표면에 대해 조절되어야 하며, 일반적인 경우, 1 내지 10중량% 범위에 있다.

한 실시예에서, TiN의 비중량(specific weight)은 0.01μm의 반응 층 두께에 대해 약 5.21μg/cm²까지이다. 한 실시예에서, TiN의 비중량은 0.05μm의 반응 층 두께에 대해 약 26.05μg/cm² 까지이다. 한 실시예에서, TiN의 비중량은 1μm의 반응 층 두께에 대해 약 521μg/cm² 까지이다. 한 실시예에서, TiN의 비중량은 10μm의 반응 층 두께에 대해 약 5210μg/cm² 까지이다.

바람직하게는, 전체 납땜 층/납땜 합금의 조성은, 납땜 온도가 약 600 내지 700℃ 범위(또는 필요하다면, 심지어 그보다 높은 온도)에서 추가 층/금속 피복 층이 단지 약간 용융되도록(예컨대, 구리) 또는 제공된 납땜 층에 의해 흩뿌려지도록 선택되며, 포함된 활성 요소가, 납땜 온도에서 추가되는 요소와 반응할 수 있도록, 납땜으로 용융된 덩어리(mass)에 의해 완전히 분리된다. 적절한 노에서 사용될 때, 납땜 공정(solder process)은 연속 노(continuous furnace) 뿐만 아니라 적층 공정(stack process)으로 구현될 수 있다.

층 두께는, 납땜 층에 관계 없이, 납땜 온도 범위에서 전체 체적에 걸쳐 가열되어야 한다. 한 실시예에 따르면, 납땜 온도는 약 650 내지 1,000℃ 사이, 바람직하게는 약 700 내지 950℃ 사이인데, 여기서 납땜 온도는 납땜 층의 온도를 의미한다. 가능한 최대한 낮은 납땜 온도가 바람직하다.

한 바람직한 실시예에서, 납땜 층의 한 두께는 약 10 내지 30 μm 사이이지만, 바람직하게는 약 7 내지 12μm 미만, 가령, 예를 들어, 2 내지 10μm 미만, 바람직하게는 2 내지 5μm 사이이다.

한 실시예에 따르면, 고온 유지 시간(hot maintenance time)은 약 10 내지 180 분 사이이며, 납땜 시간(solder time)은 약 5 내지 160 분 사이이다. 여기서, 고온 유지 시간은 노(furnace)를 위해 설정된 온도를 의미한다. 또한, 고온 유지 온도는 노를 위해 설정된 온도이다. 납땜 온도 및 납땜 시간은 납땜 층 내의 온도 및 시간이다. 납땜 공정이 수행될 수 있는 잠재적인 환경(potential atmosphere)은 아르곤, 질소 및/또는 헬륨을 포함하거나 이들로 구성된다.

한 실시예에 따르면, 잠재적인 노 타입은 그래파이트 히터(graphite heater) 또는 금속 히터(metal heater)를 가진 저항 가열 진공 노(resistive heating vacuum furnace)이다. 또한, 다른 가능성은 연속 노(continuous furnace) 또는 충전 노(charge furnace)로서 저항 가열 비활성기체 노(resistive heating inert gas furnace)를 사용하는 것이다. 한 실시예에 따르면, 본 발명은 충전 노로서 유도 가열 비활성기체 노(inductive heating inert gas furnace)를 제공한다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 비활성기체 또는 진공을 가진 고온 프레스(hot press) 또는 수반된 라미네이트(laminate)를 가진 고온 등방성 프레스(hot isostatic press)를 제공한다.

잠재적인 납땜 층 조성은 다음과 같이 구성된다:

예를 들어, 이상적인 공융(eutectic) 및 바람직한 조성은 65 내지 75 중량%의 은(Ag) 및 25 내지 35 중량%의 구리(cu)를 포함한다. 한 실시예에서, 상기 범위는 40 내지 95 중량%의 은(Ag) 및 5 내지 60 중량%의 구리(Cu) 사이이며, 납땜 온도는 최대 900℃이다.

한 바람직한 활성 요소는 티타늄이다. Cr, V, Nb, Y, Ta, Zr, 및/또는 Hf도 사용 가능하다. 여기서, 분율(fraction)은 0.5 내지 10 중량% 사이, 바람직하게는 1 내지 5중량% 사이이다. 활성 요소로서, 분율이 0 내지 15중량% 사이, 바람직하게는 약 1 내지 10중량% 사이인 Sn 및/또는 In도 사용된다. 한 실시예에 따르면, 추가 요소(additive element) 없는 것도 가능하다.

바람직하게는, 납땜 재료/납땜 합금의 납땜 층의 조성은, 예를 들어, 제2 표면에 제공하기 위해, 예를 들어, 압연 클래딩(roll cladding)을 위해, 그리고, 노 납땜 공정을 위해 제공되도록 선택된다. 보다 일반적으로는, 납땜 층, 합금 조성은 AMB 기판에서 제공하도록 활성 납땜 목적을 위해 사용되며, 이와 동시에, 압연 클래딩 공정(roll cladding process)에서 사용될 수도 있다.

얇은 납땜 층에 의해 제공되는 또 다른 이점은 이러한 복합 재료의 우수한 열전도성(thermal conductivity)이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 납땜 층은, 상응하는 순수 원소(pure element)의 열전도성, 가령, 예를 들어, Cu(390 W/mK) 또는 Ag(429 W/mK)에 비해, 더 낮은 열전도성(70 W/mK)을 제공한다. 이러한 양태는, 특히, 본 발명의 한 핵심적인 목적이 전자 파워 모듈(electronic power module)에서 사용하기에 우수한 열 분산(heat dissipation)을 제공하는 복합 재료를 제공하는 데 있기 때문에, 매우 중요하다.

본 방법의 한 실시예에서, 납땜 층을 추가 층의 제2 표면에 제공하는 것은 압연 클래딩에 의해 수행된다. 압연 클래딩은 납땜 층이 압력 및 열을 이용하여 캐리어(carrier) 상에서 압연되는 것을 의미한다. 이는 확산(diffusion) 및 압력 용접(pressure welding)에 의해 분리될 수 없는 연결(inseparable connection)을 형성한다.

한 실시예에서, 압연 클래딩되는 납땜 재료/납땜 층은 한 면에서 추가 층에 직접 제공되거나 또는 양쪽 면에서 캐리어 재료(carrier material), 가령, 개별 금속 포일(예컨대, Cu)에 제공될 수 있다. 이에 따라, 단순히 압연 납땜 벨트를 가진 경우(즉 캐리어 재료가 없는 경우)보다 현저히 얇은 납땜 층이 가능하다. 납땜 층의 두께는, 양쪽 면에 모두 코팅된 캐리어 재료의 경우에서는, 전체 두께를 의미한다.

한 실시예에서, 납땜 층은, 적어도 추가 층의 제2 표면에 제공되거나 또는 심지어 기저 재료의 제1 표면에 제공되기 전에, 캐리어 재료에 제공된다. 캐리어 재료는, 예를 들어, 구리로 형성되며 납땜 층을 포함하고, 보유하거나 및/또는 지지할 수 있도록 형성된 개별 (금속) 포일이다. 달리 말하면, 캐리어 재료는 납땜 층을 처리할(handling) 수 있어야 한다. 바람직하게는, 이런 방식으로, 캐리어 재료에 고정된 납땜 층이 보빈(bobbin) 또는 코일(coil)에 감길 수 있으며, 필요 시에는, 이로부터 처리를 위해 언롤링될 수 있다(unrolled).

또 다른 실시예에서, 캐리어 재료는 추가 층, 예를 들어, 납땜 층이 상부에 배열되어 고정되었던 구리 포일인데, 상기 구리 포일은 추후에 실제 금속 피복(metallisation)을 형성한다.

캐리어 재료가 추가 층에 의해 형성되거나 또는 추가 층에 의해 형성되지 않건 간에 상관없이, 한 실시예에서, 2-단계 압연 공정(roll process)가 구현되는데, 이 2-단계 압연 공정은:

- 납땜 재료의 제1 압연 단계를 수행하여 납땜 벨트를 형성하고, 상기 납땜 벨트를 캐리어 재료의 추가 층의 제2 표면에 제공하는 단계;

- 클래딩된 추가 층 또는 클래딩된 캐리어 재료의 제2 압연 단계를 수행하여, 납땜 층의 두께가 12μm 미만, 특히 7μm 미만이 되게 하는 단계를 포함하되;

필요하다면, 압연 단계, 특히, 제2 압연 단계 동안 또는 압연 단계 사이에, 어닐링(annealing) 단계 또는 중간 어닐링(intermediate annealing) 단계 또는 가열 단계를 포함한다.

한 실시예에서, 두께는 제1 압연 단계 동안 감소하는데, 바람직하게는, 납땜 재료의 초기 두께(initial thickness)에 대해 40%만큼 감소된다. 압연 단계 결과로, 두께가 덜 감소되고, 최종 두께를 조절하도록 구성된다. 상기 공정은 납땜 층이 떨어지거나 또는 분리되지 않도록 수행된다.

한 실시예에서, 2-단계 압연 방법은 다음과 같은 특징을 가진다:

- 상기 방법은, 압연 단계 동안에, 클래딩된 캐리어 재료의 클래딩된 추가 층을 약간, 예를 들어, 5 내지 10%만큼 연신하는(stretching) 단계를 포함한다.

이에 따라, 추가 층과 납땜 층 사이의 연결을 더 향상시킬 수 있으며, 두께가 추가로 감소될 수 있다. 한 실시예에서, 본 발명은 2개보다 많은 단계, 예를 들어, 3, 4, 5, 6, 7 또는 심지어 그보다 더 많은 단계를 가진 압연 공정을 제공한다. 본 방법을 복수의 단계들로 구현하게 되면, 각각의 단계에서, 가열 상태(heat condition) 하에서 두께가 매우 작은 양만큼 감소되는 이점이 있다.

클래딩되고, 연신된 추가 층은 제1 표면에서(제1 표면들 중 한 표면에) 평면 형태로, 특히, 완전히 평면 형태로 증착될 수 있다(deposited). 캐리어 재료가 사용되는 한 실시예에서는, 추가 층의 제2 표면에 증착된다. 대안으로, 기저 재료의 제1 표면들 중 한 표면 또는 제2 표면에 배열되거나/제공될 수도 있다. 이러한 배열 상태에서 기본적으로 고려해야 하는 중요한 사실은 반응 층이 기저 재료의 한 면에 형성되어야 하는데 즉 세라믹을 향해 배열되어야 한다. 캐리어 재료를 사용하면, 필요하다면, 제거되어야 한다. 하지만, 대안으로, 이렇게 제거되어야 하는 과정은, 납땜 방법이 부정적으로 영향을 끼치지만 않는다면, 필요 없을 수도 있다. 특히, 납땜 재료로 두 면에 코팅된 캐리어 재료에 대해, 캐리어 재료를 위한 원료(raw material)는 캐리어 재료가 제거되지 않고도 수행될 수 있도록 선택되어야 한다.

한 실시예에서, 본 발명은 캐리어 포일이 활성 납땜으로 코팅되는 샌드위치 구조(sandwich structure)인 층 구조(layer structure)를 제공하는데, 상기 샌드위치 층 구조에서, 한 면에서는, 활성 납땜 층이 기저 재료의 제1 표면을 향하도록 배열되고, 맞은편 면에서는 일반적인 납땜으로 코팅되는데, 상기 일반적인 납땜은 추가 층 즉 금속 피복(metallisation)으로 우수한 납땜 연결이 가능하도록 선택된다.

한 실시예에서, 본 발명은, 결합되어야 하는 표면들 중 한 표면에 활성 재료가 개별적으로 제공되도록 납땜 층을 제공하기 위하여, 위에서 언급한 방법들의 조합을 제공한다. 따라서, 활성 요소는 납땜 재료의 일부분이 아니라 개별적인 부분인데, 가령, 예를 들어, 결합되어야 하는 표면들 중 한 표면에 제공된 분말(powder)이다.

본 발명은, 일반적으로 10 내지 30μm 사이 및 그보다 위인, 종래 기술에 공지된 납땜 층 두께로서 은-함유 납땜 소모를 현저하게 줄인다. 종래 기술에 공지된 방법들에 비해, 본 발명은 은의 소모를 10 내지 20% 줄일 수 있다.

이러한 복합 재료에 의해 제공된, 앞에서 언급한 비용상의 이점 및 향상된 기계적 성질 외에도, 소위, "제2 에칭 단계(second etching)" 동안, 부식성(corrodibility)이 향상된다. 알루미늄 옥사이드 세라믹에 비해 열전도성이 높은 특징을 가진 알루미늄 니트라이드 세라믹이 존재하면, 알루미늄 니트라이드와 조합된 활성 납땜 성분은 예를 들어, 티타늄 니트라이드와 전기 전도 연결을 생성하는데, 금속 피복 형태로 구조화하기에 필요한 에칭 공정이 2개 이상의 단계에서 구현되어야 하며, 제1 에칭 단계에서는, 회로 기판, 접촉 표면 등을 생성하기 위하여, 금속 피복 형태로 구조화하는 것이 구현되고, 하류에 있는(downstream) 제2 에칭 단계에서는, 알루미늄 니트라이드와 활성 납땜 성부의 화학 반응에 의해, 회로 기판, 접촉 표면 등 사이에 생성된 전기 전도 재료가, 에칭에 의해 제거되어야 한다. 여기서, 12μm 미만, 특히, 7μm 미만의 매우 얇은 납땜 층은 납땜 층이 제거되기 쉽게 한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 방법에 따라 제조된 복합 재료, 특히 회로 기판을 포함한다. 본 발명의 제조 방법에 대한 이점들과 특징들은 본 발명의 복합 재료에도 동일하게 적용되며, 이와 마찬가지로, 본 발명의 복합 재료에 대한 이점들과 특징들도 본 발명의 제조 방법에 동일하게 적용된다.

그 밖의 추가적인 이점들과 특징들은, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 복합 재료 및 복합 재료를 제조하기 위한 방법에 대한 바람직한 실시예를 기술한 하기 설명으로부터 자명해 질 것이다. 본 발명의 다양한 실시예의 특징들은 본 발명에 대해서 서로 조합될 수 있다.

도면에서:
도 1은 복합 재료의 한 실시예의 단면도;
도 2는 2-단계의 압연 공정을 가진 본 발명의 한 실시예를 도시한 다이어그램.

도 1은 양쪽에 제1 표면(A1)을 포함하는 기저 재료(1)를 도시한다. 추가 층(2)이, 기저 재료(1)의 제1 표면(A1) 상에서 납땜 층(3)을 통해, 그리고, 상응하는 제2 표면(A2)을 통해 고정된다(fastened). 한 실시예에서, 기저 재료(1)는 AlN(질화알루미늄), Si₃N₄, SiC, Al₂O₃, ZrO₂, ZTA(지르코니아 강화된 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 다이옥사이드 강화된 알루미늄 옥사이드), BeO, TiO₂, HPS, HPI 및/또는 TiO_x를 포함하며, 이들은 각각 위에서 언급한 물질/재료들 중 하나 또는 이들의 조합으로 구성된다. 하부에 있는 추가 층(2)은 어떠한 임의의 구조화(structuring) 없이 형성되며 열 전도(heat conduction) 및 열 분산(heat dissipation)을 위해 구성되는 것이 바람직한데, 이러한 추가 층(2)은, 한 실시예에서, 금속 층, 가령, 예를 들어, 구리, 구리 합금, Mo, W, Ta, Nb, Ni, Fe, Al, 알루미늄 합금, 강철 및/또는 티타늄 합금으로 형성된 금속 층이다. 반대로, 상부에 있는 추가 층(2)은 구조화된 상태로 형성되며(formed in a structured manner), 소위, 활성 층(active layer)으로서, 회로 기판 트랙(circuit board track), 접촉 표면 등을 생성하고, 현저하게 얇은, 가령, 12μm 미만, 특히, 7μm 미만의 납땜 층(3)으로 인해, 상기 구조화(structuring)는, 예를 들어, 2-단계 에칭 방법(etching method)에서 특히 간단한 방식으로 구현될 수 있다.

도 2는 2-단계 압연 클래딩 방법(roll cladding method)을 도시하고 있는데, 여기서, 압연 납땜 벨트(rolled solder belt)(3')와 추가 층(2)은, 추가 층(2)에 배열된 한 납땜 층(3)으로부터 복합재가 생성되도록, 도면의 좌측 절반 부분에서 연결된다(상기 단계는 도 2에서는 명확하게 도시되지 않는다). 상기 단계에서, 납땜 층(3)은 12μm 미만, 특히, 7μm 미만의 기준값(benchmark value) 위의 범위의 두께를 가진다. 도 2의 중앙 부분에서는, 제2 압연 단계가 개략적으로 도시되는데, 여기서, 힘(F)을 제공함으로써(필요 시에는, 열도 사용함으로써), 그리고, 필요하다면, 납땜 층(3)으로 클래딩된(cladded) 추가 층(2)을 약간, 예를 들어, 5 내지 10%만큼 연신함으로써(stretching), 납땜 층(3)과 추가 층(2) 사이의 연결이 추가로 향상될 수 있다. 특히, 다-단계 방법은 매우 얇은 납땜 층 두께를 구현할 수 있게 해 준다. 그 뒤, 상기 클래딩된 추가 층(2)은 롤드-업될 수 있으며(rolled-up), 필요 시에, 사용될 수 있다. 여기서, 상기 클래딩된 추가 층(2, 3)은 평면 형태로, 특히 완전히 평면 형태로(fully planar) 기저 재료(1)의 제1 표면에 증착되며(deposited), 그 뒤, 노(furnace)(4)에 납땜되어 복합 재료(5)가 된다.

1 : 기저 재료 A1 : 제1 표면
2 : 추가 층 A2 : 제2 표면
3 : 납땜 층 3' : 납땜 와이어
4 : 노 5 : 복합 재료

Claims

복합 재료(5)가 평면의 기저 재료(1)인 세라믹을 포함하고, 추가 층(2)인 금속 피복(metallisation)이 납땜 층(3)에 의해 한쪽 면 또는 양쪽 면에 제공되는, 회로 기판용 복합 재료(5)를 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
- 하나 이상의 면에서 제1 표면(A1)을 갖는 기저 재료(1)를 제공하는 단계;
- 추가 층(2)이 제1 표면(A1)에 증착될 때, 기저 재료(1)의 제1 표면(A1)이 평면 형태로 납땜 층(3)에 의해 덮이도록, 추가 층(2)을 제공하여 제1 표면(A1)과 추가 층(2)의 제2 표면(A2) 사이에 납땜 층(3)을 배치하는 단계 - 상기 납땜 층(3)은 납땜 재료 및 활성 요소를 포함하고, 상기 납땜 층 중의 활성 요소의 분율은 0.5 내지 10중량% 임 -;
- 추가 층(2)의 제2 표면(A2) 상에 납땜 층(3)의 적용은 납땜 와이어(3')를 형성하기 위한 납땜 재료에 대한 제1 압연을 하고 납땜 와이어(3')를 추가 층(2)의 제2 표면(A2)에 적용하여 압연 클래딩(roll cladding)으로 실현되고,
납땜 층(3)의 두께가 12 ㎛ 미만이 되게 수행되도록 납땜 와이어가 적용된 추가 층(2)에 대한 제2 압연을 하는 단계; 및
- 적어도 부분적으로 납땜 층(3)을 용융하기 위해서, 상기 기저 재료(1)와, 상기 제1 표면(A1)에 배열된 추가 층(2)을 가열하고, 기저 재료(1)를 하나 이상의 추가 층(2)에 연결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 기저 재료는 AlN, Si₃N₄, SiC, Al₂O₃, ZrO₂, ZTA(지르코니아 강화된 알루미늄 옥사이드), BeO, TiO₂, 또는 TiO_x를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 추가 층은 Cu, Cu 합금, Mo, W, Ta, Nb, Ni, Fe, Al, 알루미늄 합금, 강철 또는 Ti 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 납땜 층(3)은, 납땜 재료가 Ag, Cu, Sn, Zn 또는 In 을 포함하고 그리고 활성 재료가 Ti, Zr, Hf, Cr, Y, Nb, 또는 V 를 포함하는, 활성 납땜 층인 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 납땜 층(3)은 캐리어 재료에 제공되는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 제2 압연 단계 동안에, 클래딩된 추가 층(2)을 5 내지 10% 만큼 연신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 추가 층(2)에 대한 제2 압연은 납땜 층(3)의 두께가 7 ㎛ 미만이 되게 수행되는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제조하기 위한 방법.
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