KR20020063091A

KR20020063091A - 고온 다층 회로기판 용 알루미나와 텅스텐의 접합기술

Info

Publication number: KR20020063091A
Application number: KR1020010003848A
Authority: KR
Inventors: 이홍로; 고재문
Original assignee: 홍인건설(주)
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-08-01

Abstract

본 발명은 고융점 금속인 텅스텐을 텅스텐-코발트 합금의 박판 형태로 알루미나 소지 위에 도금시킨 후, 박판 위에 미세한 회로를 포토에칭 가공하여, 고온에서도 안정한 신호처리가 가능한 다층의 미세 인쇄회로기판을 제조하는 공정에 이용하기 위하여 개발된 기술로서, 기존의 제조공정 중, 최종적으로 에칭 가공 후에 열처리하는 과정에서 발생하는 금속과 세라믹 기판과의 밀착력 불량과 에칭 가공된 회로의 칫수 변형에 따른 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하고 있으며 ,이와 같은 기술은 그밖에도 금속과 세라믹 사이의 접합강도를 높이는 분야에 광범위하게 이용될 수 있는 특징이 있다. 본 발명에 의해 처음으로 시도되는 OSD법은 층간 복합산화물을 만들어 준 후 이를 매개체로 하여 그 위에 구리 도금층으로 metalizing을 해준 후 최종적으로 텅스텐-코발트의 박판층을 만들어줌으로써, 에칭가공으로 회로의 패턴을 완성하는 최종 단계 이전에, 텅스텐 단일상을 얻기 위해서 필연적으로 거치는 열처리 과정에서 이들 복합산화물이 동시에 융착 되도록 함으로써 층간 밀착강도를 높이는 한편, 이 과정에서 유발되는 패턴의 칫수 변형 문제를 해결하기 위한 기술이다. 이 기술은 본 발명자가 이전에 최초로 시도하여 특허 출원된 ISG법에 의한 삽입층을 활용하는 방법보다도 더욱 작업이 간단하고, 재현성이 우수한 것을 특징으로 하고 있다.

Description

고온 다층 회로기판 용 알루미나와 텅스텐의 접합기술{Attaching technics of tungsten deposited layers on alumina substrate for high temperature multi layered circuit boards}

본 발명의 목적은, (1) OSD법을 이용하여 알루미나 기판에 Al₂O₃-SiO₂-CaO-MgO를 주성분으로 하는 복합산화물층을 비교적 간단하게 형성시키고, 산소를 매개체로 하여 텅스텐 전착층과 알루미나 기판과의 밀착강도가 우수한 미소전자 회로기판을 얻는 데 있고, (2) 미세회로를 패턴화 한 후 열처리 하는 과정에서 필히 수반되는 칫수 변형을 방지하는 데 있다. 밀착강도를 얻기 위해 복합산화물을 융착시키는 열처리를 종전의 방법과 달리 무전해도금 전에 미리 하지 않고, 텅스텐합금의패턴화를 위한 에칭가공에 들어가기 전에 단일상의 텅스텐 금속화를 위해 필연적으로 열처리해주는 과정에서 동시에 부수적으로 열융착 되도록 해줌으로써, 이중 열처리에 따른 번거로움을 줄이고자 하며, 또한 에칭가공이 끝나 패턴 형성을 완료시킨 후에 텅스텐의 단일상을 얻기 위해 열처리 하던 것을 에칭가공 전에 일단 열처리하여 밀착력과 단일상을 얻는 효과를 동시에 달성한 후, 정밀한 미세회로를 가공하기 위한 에칭공정을 도입함으로써 열처리에 따른 칫수 변형문제를 해결하기 위한 것이다.

알루미나 등의 세라믹기판 위에 내열성 재료인 텅스텐 등을 metalizing 시킨 후, 미세회로를 패턴화 하여 전자소자로 이용하는 기술이 최근 많이 시도되고 있으나, 현재까지 이용되는 방법으로는 텅스텐 등의 내열성 재료를 패턴화 한 후 열처리 과정에서 알루미나 기판과의 열팽창 계수가 달라 밀착성이 나빠지고 패턴의 칫수 변화를 유발시키는 단점을 나타내어 문제점으로 대두되고 있다. 본 발명자가 이전에 처음으로 발명하여 시도하였던 sol-gel 법을 이용하는 ISG 방법이나, 일본에서 paste법을 이용하는 OMC 방법과 같은 기존의 기술 대신에, 이러한 문제점들을 해결하기 위해 새로운 OSD(oxide sputtering deposition) 방법을 이용함으로써 이 문제를 해결하였고, 동시에 환경문제도 비교적 적고 재현성이 뛰어난 장점을 갖게 되었다. 기존 방법들을 살펴보면, 우선, 일본에서 개발된 OMC법으로 알려진 방법은 세라믹 표면에 내열성의 특수 유리 성분을 도포 하여 소성 함으로서 표면에 요철을 형성시키어 anchor효과를 부여한 것이다. OMC법은 4원계 세라믹을 합성한 것으로 Al₂O₃-SiO₂-CaO-MgO를 주성분으로 하고 있으며 OMC법에 의한 밀착강도 값은 약700gf의 밀착강도를 나타낸다. 이 방법은 스크린인쇄법에 의해 도포, 소성하는 방법으로 점도가 크기 때문에 스크린인쇄방법으로만 도포가 가능하며 합성한 세라믹의 점도가 크기 때문에 복잡한 형상의 제품에는 적합하지 않고, 판상의 기판에만 적용이 가능하다는 단점이 있으며, 또한 4원계의 세라믹을 합성하기 때문에 공정 과정이 매우 복잡한 것과, paste법에 의해 처리하는 OMC 경우에는 점차 요구되는 칫수의 정밀도를 해결할 수 없는 것이 단점으로 지적된다. 두 번째 방법으로는 본 발명자가 이전에 처음으로 개발하여 특허 출원된 ISG법은 sol-gel 법에 의해 interlayer를 형성시킨 후, 1100℃의 고온에서 열처리를 통해 void를 생성시켜 무전해도금을 한 후 metalizing을 하는 방법으로서, Si(OC₂H₅)₄1∼2mole, Al(NO₃)₃·9H₂O 0.3∼1mole, C₄H₆MgO₄·4H₂O 0.2∼0.5mole의 범위에서 조성의 변화를 시켜가며 800∼1200℃에서 1∼4시간 소성하여 표면개질층에 미세한 void를 형성시킴으로써, 세라믹기판에 직접 무전해 도금을 한 경우보다 10배의 높은 밀착강도를 얻을 수가 있었으며 이때의 밀착강도는 1000gf를 나타냈다. 그러나 sol-gel 법에 의해 interlayer를 형성시킨 후, metalizing을 하는 ISG 방법은, 본 경우와 같이 텅스텐을 기판으로 사용하는 경우에는 텅스텐의 특성상, 단일 금속상으로는 석출이 불가능하기 때문에 metalizing 후에 열처리가 불가피하므로, 결국 이중으로 열처리를 하게되는 번거로움이 따르게 되는 단점을 갖게 된다. 이와 같이 열처리 과정에서 패턴화 시킨 회로의 칫수 변화가 필연적으로 유발되고, 층 간 밀착불량이 발생되는 문제를 해결하기 위하여 본 발명이 연구되기 시작하였으며, 가능한 열처리 과정을 줄일 수 있도록 OSD(oxide sputtering deposit) 방법을 이용하여, 알루미나 기판 표면과 친화력이 강한 복합산화물층을 형성시킨 후, 열처리하지 않고 곧바로 무전해 동도금 처리한 후, 최종 에칭가공 전 텅스텐의 단일상을 얻기 위해 열처리하는 과정에서, 이 층이 동시에 알루미나 기판에 융착되도록 하여 기판과의 밀착강도가 향상되도록 하였다.

기존의 발명된 방법은 SiO₂-Al₂O₃-MgO의 3원계 조성의 sol 용액을 만든 후, 알루미나 표면에 코팅하여 gel화 시킨 후, 1100℃로 가열하여α-cordierite상을 합성해줌으로써 interlayer 중에 미세한 void가 형성되도록 한 후 다시 그 위에 무전해 동도금하여 anchoring 효과에 의해 무전해층과의 밀착력을 향상시키거나, Al₂O₃-SiO₂-CaO-MgO의 4원계 조성의 산화물을 paste 상태로 알루미나 기판 위에 패턴을 형성시킨 후 열소성하여 표면에 요철을 형성하도록 한 후, 그 위에 다시 무전해 동도금하여 무전해층과의 밀착력을 향상시킨 것이다. 그러나α-cordierite상을 합성하여 void를 형성시키는 공정은 시간이 비교적 많이 소요되고, 1100℃로 가열해주어야 하기 때문에 텅스텐의 경우와 같이 알루미나 소자 위에 텅스텐으로 된 기판을 포토에칭에 의해 내열용 회로기판 소재로 가공하는 경우에 적용한다면, 텅스텐 도금 특성상 통상 텅스텐-코발트나 텅스텐-니켈-인 등의 합금층으로 얻어지므로 텅스텐 이외의 원소를 축출시키기 위해 보통 1000℃ 정도의 고온에서 반드시 열처리를 하게되는 데, 이 과정에서 통상, 패턴의 가공된 칫수 변형이 발생되거나, 알루미나 소자와 텅스텐 간의 열팽창계수가 달라 밀착성이 저하되는 문제점이 나타나게 되는 데 그러한 열처리를 두 번 해주어야 하는 불편이 있게된다. paste법에 의해 열소성 시키는 방법에 의해서는 회로 패턴의 분해능을 200㎛ 이내로 정밀도를 높이는 것이 불가능하여 정밀도를 요하는 패턴에는 이용할 수 없는 단점이 있다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위해 텅스텐 박막층과 알루미나 소자간에 접착력을 높이기 위해 sol-gel 법이나 paste를 이용하는 기존의 방법 대신에, SiO₂-Al₂O₃-MgO의 3원계 산화물 피막을 직접 sputtering법을 이용하여, 알루미나 기판 위에 코팅 한 후, 열처리하지 않고, 곧바로 무전해 동도금 하고, 그 위에 다시 텅스텐 도금층을 형성시킨 후, 최종적으로 한 번만 열처리하여 충분한 밀착력을 얻은 후에, 마지막으로 포토에칭에 의해 패턴을 가공함으로써 칫수 변형 문제나 기판과의 박리 현상을 해결하는 방법이다.

도 1은 고온에서도 회로의 신호 처리가 매우 안정적인 특징을 갖는 다층 인쇄 회로기판을 얻기 위한 핵심 기술을 간단하게 도식화 한 그림으로 "1"부분은 알루미나 기판을 나타내고, "2"부분은 본 발명에 따라 기존의 ISG법에 의한 삽입층을 이용하는 대신 OSD법에 의한 삽입층을 직접 도포한 복합산화물층 ,"3"부분은 무전해 구리도금층, "4"부분은 텅스텐 도금층을 나타낸다.

이 발명에서는 Si(OC₂H₅)₄, Al(NO₃)₃·9H₂O, C₄H₆MgO₄·4H₂O를 각각 1: 0.5: 0.2의 몰 비로 조성된 sol 용액에 의해 SiO₂, Al₂O₃, MgO의 3원계 피막을 얻은 후 gel화시킨 후 열처리에 의해 interlayer를 얻는 방법과 달리, SiO₂, Al₂O₃, MgO의 3원계 고체산화분말로 타겟을 만든 후, sputtering 방법에 의해 알루미나 표면 위에 이들 3원계 복합산화물 박막을 피복 시킨 후, 탈지 처리 해준 후, H₃PO₄로 1차 에칭을 하여 그 위에 무전해동도금 처리를 한다. 그런 후, 다시 텅스텐-코발트 도금용액으로부터 텅스텐-코발트 합금도금층을 얻은 후에 1000℃ 정도의 고온에서 열처리를 하여 코발트를 축출하게 되며, 이 과정에서 이미 합성된 3원계 복합산화물 박막층이 융착하게 되어 알루미나 기판과의 밀착성이 좋게 되고, 동시에 그 위에 형성된 무전해 동도금층과도 산소가 결합매개체로 작용하여 접합강도가 좋아지게 된다. 열처리과정을 거쳐 얻어진 텅스텐 박막층은 이미 결합력이 1200gf 정도로 향상되었기 때문에 최종적으로 포토에칭 기술을 이용하여 200㎛ 이내의 정밀도를 갖는 패턴을 가공해주는 과정에서 계속 밀착력이 유지될 수 있으며 결과적으로 열처리에 따른 패턴의 칫수 변형이나, 열팽창계수가 달라 알루미나 소자와 텅스텐 박막층간의 밀착력이 저하되는 문제점을 해결할 수 있게 된다.

본 발명에 의해 알루미나 기판에 텅스텐 등 고융점 내열 금속의 미세회로 패턴을 성형가공 하는 공정에서 발생되었던 두 가지 결정적인 문제가 해결되었는데 이를 요약하면, (1) 텅스텐 층과 알루미나 층간의 밀착력 향상을 위해 OSD법에 의해, 알루미나 기판 위에 SiO₂, Al₂O₃, MgO의 3원계 복합산화물 피막을 입힌 후 텅스텐 단일상을 얻기 위해 1000℃ 정도로 가열 해주는 과정에서 동시에 부수적으로 융착되도록 해줌으로써 1200gf 정도의 밀착력을 얻을 수 있었다. 종전의 본 발명가 처음으로 시도했던 ISG법은 interlayer 층을 sol-gel법에 의해 형성시킨 후 먼저 1100℃ 정도로 열처리해주는 과정에서, 균일한 void가 형성되도록 하고, 그 위에 입혀주는 무전해도금 과정에서 이를 이용한 anchoring 효과를 기대하는 방법인 데 비해 본 발명은 일단 복합산화물 그 상태로 피막을 입힌 후 그 위에 무전해도금을 실시한 후 최종 텅스텐의 단일상을 얻기 위해 1000℃ 정도로 가열하는 과정에서 열융착에 의해 양호한 젖음성을 갖는 것을 이용하여 밀착성을 향상시키는 특징이 있으며, (2) 합금상으로 얻은 텅스텐 박막층을 열처리를 통해 단일상으로 조성을 형성시키과정에서 동시에 밀착강도도 향상되므로, 이 후의 에칭에 의한 미세회로를 가공하는 공정에서 종전의 열처리에 따른 패턴의 칫수 변화에 따른 문제점을 방지할 수 있게 되었다. 본 발명의 효과로는 (1)저온에서 복합산화물층을 sputtering 방법에 의해 양호한 산화물 합성 박막층을 쉽게 얻을 수 있고, (2)재현성이 뛰어나며 피복력이 우수한 장점을 갖으며, (3)텅스텐 층과 알루미나 소지와의 사이에서 복합산화물이 열처리 과정에서 융착되어 강한 밀착강도를 갖게됨으로써, 열처리 과정에서 수반되는 패턴의 칫수 변형을 막을 수 있고, (4) 열처리과정을 통합하여 한번만 실시하여도 가능한 경제성도 갖고 있다.

Claims

고온 다층 회로기판 용 알루미나 소지와 텅스텐 금속 박막층간의 밀착력을 향상시키기 위하여 OSD(oxide sputtering deposition)법에 의한 복합 산화물층을 형성시키는 방법과 이들 내열용 금속박막층을 포토에칭에 의해 패턴화하는 공정에 해당한다.
OSD법에 의해 밀착력을 향상시키기 위한 합성된 복합 산화물 층의 mole％는 다음과 같다.

① SiO₂0.1∼4mole ② Al₂O₃0.1∼5mole ③ MgO 0.1∼5mole 의 범위에 해당한다.
위에 언급한 나 항의 조건에서 얻어진 복합산화물층과 도금방법에 의해 얻어진 고융점 및 일반 금속 도금층 간에 열융착 특성을 이용하여 밀착력 향상을 얻는 경우에 해당된다.
텅스텐 이외의 Re, Ru 및 Mo 등의 내열금속도 통상 합금상으로 얻아지므로, 이들의 단일상을 얻기 위해 열처리하는 과정에서, 항목 나에서 합성된 복합산화물층이 동시에 열융착 되는 효과를 이용할 수 있으므로 적용대상에 포함한다.