KR20060063679A - 세라믹 기판 및 발광 소자 수납용 세라믹 패키지 - Google Patents

세라믹 기판 및 발광 소자 수납용 세라믹 패키지 Download PDF

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마코토 나가이
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Abstract

세라믹 표면에 다층의 금속층을 마련하고, 그 최외층을 금도금층으로 한 경우의 금속층간의 밀착 강도를 높인다.
발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)는, 캐비티(22)에 발광소자(12)를 수납하고, 캐비티(22)의 주위 경사면에 금속층(30)을 구비한다. 이 금속층(30)은 경사면 표면측에서, 텅스텐·몰리브덴을 이용한 W·Mo 메탈라이즈(metallize)층(31)과, 니켈도금층(32)과, 금도금층(33)과, 최외표층의 은도금층(34)의 다층의 금속막층 구조를 가진다. W·Mo 메탈라이즈(metallize)층(31)은 캐비티(22)의 경사면 표면에의 W·Mo의 금속 분말 함유의 활성 금속 페이스트 도포, 고온·고진공하에서 처리하는 메탈라이즈(metallize) 방법을 이용하여 형성되고, 니켈도금층(32)과 금도금층(33) 및 은도금층(34)은, 전해도금법 등의 도금 방법에 의하여 순차적으로 형성된다.
세라믹 패키지, 캐비티, 발광소자, 도금층, 세라믹 기판

Description

세라믹 기판 및 발광 소자 수납용 세라믹 패키지{CERAMIC PACKAGE FOR RECEIVING CERAMIC SUBSTRATE AND LIGHT EMITTING DEVICE }
도 1은 본 발명의 세라믹 기판의 실시예인 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)의 요부를 단면시하여 나타내는 설명도이고,
도 2는 도 1에 있어서 Z부를 확대하여 모식적으로 나타내는 설명도이고,
도 3은 본 발명의 세라믹 기판의 변형예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10A)의 요부를 단면시하여 나타내는 설명도이고,
도 4는 본 발명의 세라믹 기판의 다른 변형예인 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10B)의 요부를 단면시하여 나타내는 설명도이고,
도 5는 도 4에 있어서의 일점쇄선부분(Y)으로 나타낸 부분을 확대하여 나타내는 설명도이다.
도 6은 광택도의 측정 방법을 나타내는 개략도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
10, 10A, 10B : 발광소자 수납용 세라믹 패키지(세라믹 기판)
12 : 발광소자 13 : 납재
14 : 도통 전극층 15 : 바이어(via) 전극
16 : 이면 전극층 20 : 세라믹 기판
22 : 캐비티 22a : 벽면
22b : 저면 30 : 금속층
31 : W·Mo 메탈라이즈(metallize)층 32 : 니켈도금층
33 : 금도금층 34 : 은도금층
40 : 배선부 51 : 제 1 니켈도금층
52 : 은납재로 이루어지는 필렛부 S1~S7 : 세라믹층
222 : 수광기 220 : 투광기
본 발명은, 표면에 금속층을 구비한 세라믹 기판, 및 발광소자 등의 반도체 소자를 수납하기 위한 발광 소자 수납용 세라믹 패키지에 관한 것이다.
근래, 세라믹은 절연성이나 유전(誘電)적 성질 등의 전기적 특성을 가지고 있는 것에서, 세라믹 패키지 등의 전자부품의 재료로서 이용되고 있다. 이러한 전자부품은, 세라믹제의 패키지(이하, 패키지라고도 한다)에, 반도체 소자(예를 들면, 발광소자로서의 다이오드나 사이리스트, 트랜지스터 등)를 수납하고, 패키지 본체에 반도체 소자에 접속되는 회로 등을 배치 설계하는 것에 의하여 구성된다. 이러한 회로의 배치 설계시에는, 패키지 본체의 표면에 회로 패턴으로서 기능하는 금속층을 동이나 은 등의 도체를 이용하여 형성하는 것이 필요해지는 경우가 있다. 또한, 발광소자에서의 빛을 효율적으로 반사시키기 위하여, 발광소자의 주위에 있 어서 패키지 본체의 표면에 상기 빛의 반사체로서 기능하는 금속층을 반사 특성이 양호한 도체(예를 들면, 은)를 이용하여 형성하는 것이 필요해지는 경우가 있다.
이와 같이 패키지 본체의 표면에 금속층이 형성된 경우에는, 금속층과 세라믹과의 열팽창율이 다르기 때문에, 패키지가 온도 변화를 받았을 때에, 세라믹과 금속층과의 계면 부근에서 왜곡이 발생하는 경우가 있다. 또한, 금속층이 복수의 층으로 구성되고, 각 층에 이용되고 있는 금속재료의 열팽창율이 다른 경우에는, 온도 변화에 의하여, 각 층의 계면 부근에서 왜곡이 발생하는 경우가 있다. 이와 같은 사태를 회피하기 위하여, 종래, 세라믹 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하는 메탈라이즈(metallize) 층을 메탈라이즈(metallize) 법으로 형성하고, 이 메탈라이즈(metallize) 층상에 니켈도금층, 은도금층(두께가 0.1~3μm)을 이 순서로 부착하는 것에 의하여, 열응력에 기인한 각 층(메탈라이즈(metallize)층, 니켈도금층, 은도금층)의 벗겨짐을 방지하는 세라믹 패키지가 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2를 참조).
<특허문헌 1> 일본국 특개 2004-207258호 공보
<특허문헌 2> 일본국 특개 2004-207672호 공보
그러나, 상기 종래의 구조에서는 니켈도금층과 은도금층과의 밀착 강도에 대하여는, 더 한층 개선의 여지가 지적되기에 이르렀다. 예를 들면, 캐비티내에 봉지용 수지가 충전되는 경우에는, 열에 의한 봉지용 수지의 팽창이나 수축에 의하여, 캐비티 벽면 표면에 형성된 금속층에 있어서 최외층이 되는 은도금층의 표면에 국 소적인 열응력이 걸리기 때문에, 은도금층의 벗겨짐에 대한 대책의 필요성이 지적되기에 이르렀다.
더욱이, 상기 종래의 구조에서는 발광소자의 빛을 즉시 반사해야 하는 표층의 은도금층의 두께가 0.1~3μm이므로, 예를 들면, 도금층의 두께가 불균일해지는 경우, 하지(下地)의 니켈도금층이나 상기 메탈라이즈(metallize)층이 캐비티의 내면에 노출될 염려가 있다. 이 결과, 실장(實裝)한 발광소자에서의 빛을 효율적으로 반사할 수 없게 된다는 문제점이 있다.
그래서, 본 발명은, 상기한 과제를 감안하여 세라믹 기판 본체의 표면에 형성되는 금속층의 최외층의 벗겨짐을 방지하고, 발광소자를 실장한 경우의 반사 효율을 확실하게 향상할 수 있는 세라믹 기판 및 발광 소자 수납용 세라믹 패키지를 제공하는 것을 목적으로 하고, 이하의 구성을 채택하였다.
본 발명의 세라믹 기판은,
표면에 금속층을 구비한 세라믹 기판이고,
상기 금속층은,
최외층의 측에서 순차적으로, 은으로 이루어지는 은층과, 은 이외의 니켈보다 귀한 금속으로 이루어지는 층과, 니켈로 이루어지는 니켈층으로 구성되어 있는 것을 요지로 하고 있다.
본 발명의 세라믹 기판은,
표면에 금속층을 구비한 세라믹 기판이고,
상기 금속층은,
최외층의 측에서 순차적으로, 은으로 이루어지는 은층과, 금으로 이루어지는 금층과, 니켈로 이루어지는 니켈층으로 구성되어 있는 것을 요지로 하고 있다.
상기 발명의 세라믹 기판에서는, 세라믹 기판 표면에 금속층을 구비하고, 이 금속층은 이종 금속 재료로 이루어지는 이종 금속층을 다층으로 구비하고 있고, 최외층의 측에서 순차적으로 은으로 이루어지는 은층과, 은과는 달리 니켈보다 귀한 금속인 금으로 이루어지는 금층과, 니켈로 이루어지는 니켈층으로 구성되어 있다. 이와 같이, 니켈층과 은층과의 층사이에 금층을 개재시키는 것에 의하여, 니켈층과 금층과의 밀착 강도, 금층과 은층과의 밀착 강도는, 어느 쪽도 니켈층과 은층과의 밀착 강도보다 높아진다. 따라서, 열응력 등에 기인한 니켈층상에 배치되는 각 층(금층이나 최외층인 은층)의 박리를, 보다 확실하게 방지할 수 있다. 이러한 밀착강도의 향상은 본 발명에서의 금층과 은층의 계면에 있어서 금층에의 은(銀)원자의 비집고 들어감에 의한 앵커 효과와, 니켈층과 금층의 계면에 있어서 니켈층에의 금(金)원자의 비집고 들어감에 의한 앵커 효과가, 종래의 층구성에서의 니켈층과 은층의 계면에 있어서 니켈층에의 은원자의 비집고 들어감에 의한 앵커 효과보다 효과가 크기 때문이라고 예상된다. 또한, 니켈층은 니켈을 주성분으로서 구성되어 있으면 되고, 니켈 이외의 금속을 포함한 니켈계의 합금층이어도 좋다. 금속은 금을 주성분으로서 구성되어 있으면 좋고, 금 이외의 금속을 포함한 금(金)계의 합금층이라도 좋다. 은층은 은을 주성분으로서 구성되어 있으면 좋고, 은 이외의 금속을 포함한 은(銀)계의 합금층이어도 좋다.
여기서, 주성분이란 50wt%이상 포함되어 있는 성분인 것을 나타낸다.
은이외의 니켈보다 귀한 금속이란, 니켈의 표준 전극 전위보다 큰 표준 전극 전위를 가지는 금속이고, 구체적으로는, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt 등의 백금족 원소나, Cu, Au를 열거할 수 있다.
다층의 이종 금속층을 구성하는 각 금속층을 도금 방법에 의하여 형성하는 것은, 균일한 층의 형성을 간편하게 행할 수 있는 점에서 매우 적합하다.
상기의 세라믹 기판이 반도체 소자의 수납용의 캐비티를 구비하는 경우에는, 적어도 캐비티의 벽면에 상기의 금속층을 가지는 구성을 채택하는 것도 가능하다. 이 경우에 있어서, 캐비티에 수납되는 반도체 소자는 발광소자로서 좋다. 이렇게 하면, 발광소자에서의 빛은 최외층인 은층에 의하여 효율적으로 외부에 반사된다.
본 발명의 세라믹 기판은,
반도체 소자를 수납하기 위한 세라믹 기판이고,
세라믹으로 이루어지는 기판 본체와,
기판 본체에 형성되는 캐비티와,
상기 캐비티의 내면에 형성되는 금속층을 구비하고,
상기 금속층은,
최외층의 측에서 순차적으로, 은으로 이루어지는 은층과, 금으로 이루어지는 금층과, 니켈로 이루어지는 니켈층으로 구성되어 있는 것을 요지로 하고 있다.
상기 발명의 세라믹 기판에서는, 캐비티의 내면에 금속층을 구비하고, 이 금속층은 이종 금속 재료로 이루어지는 다층 구조이며, 최외층의 측에서 순차적으로 은으로 이루어지는 은층과, 금으로 이루어지는 금층과, 니켈로 이루어지는 니켈층으로 구성되어 있다. 이와 같이, 니켈층과 은층과의 층사이에 금층을 개재시키는 것에 의하여, 니켈층과 금층과의 밀착 강도, 금층과 은층과의 밀착 강도는, 어느 쪽도 니켈층과 은층과의 밀착 강도보다 높아진다. 따라서, 열응력 등에 기인하여, 반도체 소자의 주위에 설치된 은층이나 더욱이 이 은층상에, 또 다른 금속으로 구성되는 금속층이 박리하여 버리는 것을, 보다 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 니켈층은 니켈을 주성분으로서 구성되어 있어면 좋고, 니켈 이 외의 금속을 포함한 니켈계의 합금층이어도 좋다. 금층은, 금을 주성분으로서 구성되어 있으면 좋고 금 이 외의 금속을 포함한 금계의 합금층이어도 좋다. 은층은 은을 주성분으로서 구성되어 있으면 좋고, 은 이외의 금속을 포함한 은계의 합금층이어도 좋다. 본 발명에 있어서 캐비티 내면이란, 캐비티의 벽면 및 저면을 포함한다.
상기한 금속층을 세라믹 표면에 형성하는 경우에는, 텅스텐 또는 몰리브덴으로 구성되는 메탈라이즈(metallize) 층을 세라믹 표면에 형성하고, 해당 메탈라이즈(metallize)층상에 메탈라이즈(metallize)층의 측에서 상기 니켈층과 상기 금층과 상기 은층이 되도록 배치하는 것이 가능하다. 이와 같이 하면, 메탈라이즈(metallize)층과 니켈층과의 밀착성을 확보할 수 있는 것에서, 최외층의 은층의 밀착성 향상 뿐만 아니라, 금속층으로서의 밀착성도 높아진다.
여기서, 니켈층과 은층과의 층간에 개재하는 금층의 층 두께는 니켈층이나 은층의 두께보다 얇아지도록 형성된다. 예를 들면, 이들 각층의 두께는 니켈층이 0.5~20μm, 금층이 0.03~20μm, 은층이 3~20μm로 하는 것이 가능하다.
상기 은층의 두께가 3μm이하가 되면, 예를 들면 도금 얼룩에 의하여, 피착하지 않은 부분이 발생할 염려가 있고, 한편, 은층의 두께가 20μm를 넘어면, 고비용이 되기때문에 상기 범위로 하였다. 이러한 은층의 두께는, 바람직하게는 3μm초과~15μm, 3μm초과~10μm, 4μm~10μm, 보다 바람직하게는 6μm~10μm의 범위이다.
이것에 의하면, 캐비티의 측면에 형성되는 광반사층에 포함되는 은층의 두께가 3μm초과~20μm의 범위에 있기 때문에, 이러한 은층이 예를 들면 도금에 의하여 형성되어 있어도, 도금 얼룩을 저감할 수 있고, 또한 비교적 균일한 두께로 캐비티의 측면에 형성된다. 따라서, 캐비티의 저면상에 실장하는 발광소자에서 발광되는 빛을 효율적으로 반사하여 외부에 방사하는 것도 가능해진다.
또한, 은도금층의 상·하단부의 두께가 얇아지기 쉬우므로, 상기 두께의 하한치는 적어도 은도금층의 상·하단 부근에 있어서 채워지게 된다.
여기서, 니켈도금층(32)의 두께를 상기 범위로 한 것은, 0.5μm미만에서는, 니켈도금층(32)의 두께가 너무 얇기 때문에, 예를 들면 도금 얼룩에 의하여, 니켈도금이 피착하지 않는 부분이 발생할 염려가 있다. 한편, 니켈도금층(32)의 두께가 20μm를 넘어면, 비용 상승이나, 니켈도금의 잔류 응력에 의하여 계면은 벗겨짐이 발생하거나, 표면에 요철이 발생할 경우가 있기 때문에, 금속층 표면(광반사면)의 평활성이 저하하고, 빛의 반사 효율이 저하할 가능성이 있기 때문이다. 이러한 니켈도금층(32)의 두께는 바람직하게는 1.0~15.0μm, 보다 바람직하게는 3.0~11.0μm의 범위이다. 또한, 니켈도금층(32)에, 온도 범위 700~950℃로 열처리를 가하면, 메탈라이즈(metallize)층(31)과의 밀착도 보다 강고해진다. 또한, 니켈도금층(32)의 두께가 상기 범위라면, 니켈도금을 복수회에 걸쳐 실시한 다층의 니켈도금층으로서 형성하여도 좋다.
금도금층(33)의 두께를 상기 범위로 한 것은, 0.03μm미만에서는, 금도금층(33)의 두께가 너무 얇기 때문에, 기대하는 효과인 밀착 강도의 향상을 기대할 수 없다. 한편으로, 0.20μm를 넘어면, 비용 상승이나, 금도금층 표면이 평활해져 버리고, 은도금층(34)과의 밀착 강도 향상의 요인의 하나인 앵커 효과를 기대할 수 없게 되어 밀착 강도가 향상되지 않는다는 불합리가 있기 때문이다. 이러한 금도금층(33)의 두께는 바람직하게는, 0.03~0.10μm의 범위이다.
또한, 본 발명의 세라믹 기판(발광소자 수납용 세라믹 패키지)에는, 상기 은층의 표면의 광택도는, 0.2이상이다. 세라믹 기판(발광소자 수납용 세라믹 패키지)도 포함된다.
이것에 의하면, 상기 광택도의 은층의 표면에 소정의 각도로 조사된 빛의 대부분이 정반사하기 때문에, 추후에 캐비티의 저면상에 실장하는 발광조사에서 발광되는 빛을 더 한층 효율적으로 확실하게 반사하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 은층의 표면의 광택도가 0.2미만이 되면, 반사되는 빛의 정반사하는 비율이 적어지므로, 이러한 범위를 제외한다. 이러한 은층의 표면의 광택도는, 바람직하게는 0.4~1.9, 보다 바람직하게는 0.9~1.9의 범위이다. 이러한 광택도는 후술하는 바와 같이, 그 GAM값이 2에 가까울수록 높고, 또한 GAM값이 0에 가까울수록 낮다는 것을 나타낸다.
또한, 본 발명의 세라믹 기판(발광소자 수납용 세라믹 패키지)에는, 상기 은층의 표면거칠기는 Ra(중심선 평균 거칠기)로 3μm이하이다. 세라믹 기판(발광소자 수납용 세라믹 패키지)도 포함된다.
이것에 의하면, 상기 표면 거칠기의 은층에 소정의 각도로 조사된 빛은, 이러한 은층의 평활한 표면에 의하여, 대부분의 빛이 정반사하기 때문에, 추후에 캐비티의 저면상에 실장하는 발광소자에서 발광되는 빛을 더 한층 효율적으로 확실하게 반사하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 은층의 표면 거칠기(Ra)가 3μm를 넘어면, 조사되는 빛 중 상당량이 난반사하기 때문에, 이러한 범위를 제외하였다. 이러한 은층의 표면 거칠기(Ra)는 바람직하게는 1.5μm이하, 보다 바람직하게는 1μm이하의 범위이다.
또한, 표면 거칠기(Ra)는 JIS-B0601(1994)의 정의에 준한다.
또한, 상기 기판 본체를 형성하는 세라믹 기판 및 발광소자 수납용 세라믹 패키지는, 예를 들면 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹, 저온 소성 세라믹인 글래스 세라믹이다. 또한, 상기 캐비티는 원형, 타원형, 또는 장원형의 저면의 주위에서 경사하여 기판 본체의 표면을 향하여 넓어지는 측면을 가지는 전체가 거의 원추형, 거의 타원추형, 또는, 거의 장원추형의 외에, 원통형, 타원통형, 또는 장원통형의 측면을 가지는 전체가 원주형, 타원주형, 또는 장원주형의 형태도 포함된다. 더욱이, 상기 발광소자에는 발광 다이오드 외에, 반도체 레이저도 포함된다. 아울러, 상기 은층은, 도금법 외에, 증착, 스퍼트링 등에 의하여 형성되어도 좋다.
이상 설명한 본 발명의 구성 및 작용을 더 한층 명백하게 하기 위하여, 이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 도 1은 본 발명의 세라믹 기판의 실시예인 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)의 요부를 단면시하여 나타내는 설명도, 도 2는 도 1에 있어서 Z부를 확대하여 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도시하는 바와 같이, 이 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)에는, 세라믹층을 적층하여 구성되는 기판 본체(20)와, 해당 기판 본체(20)의 표면에 개구하는 캐비티(22)와, 이러한 캐비티(22)의 측면, 및 기판 본체의 표면을 따라 연속하여 형성된 금속층(30)을 구비하고, 해당 기판에 형성한 캐비티(22)의 저면에는 도통 전극층(14)을 형성하였다. 또한, 상기 캐비티 내에는 발광소자(12)가 수납된다. 기판 본체(20)는 알루미나나 질화 알루미늄, 저온 소성 세라믹을 주성분으로 하는 세라믹층 S1~S7을 적층하여 형성되고, 그 내부에는 도시하지 않은 배선층이나 내부 전극이 소요의 패턴으로 형성되고, 이들 사이에 바이어(via) 전극(15)이 개재되고, 또한 관통하고 있다. 기판 본체(20)의 사이즈는, 약 5mm×5mm×0.9mm로 하였다.
상기 캐비티(22)는, 평면시로 원형을 나타내고, 그 저면에는 평면시가 정방형을 나타내는, 예를 들면 발광 다이오드 등의 발광소자(12)가 납재(13) 또는 에폭시계 수지의 접착재를 개재하여 실장되고, 캐비티(22) 저면의 도통 전극층(14)과 도시하지 않은 와이어를 개재하여 도통된다. 또한, 이러한 캐비티(22)의 사이즈는, 내경 약3.6mm×깊이 약0.45mm로 하였다. 상기 납재(13)는, 예를 들면 Au-Sn계의 저융점 합금 등이 이용된다.
발광소자 수납용 세라믹 패키지(10, 세라믹 기판)의 표면에는, 이면 전극층 (16)을 구비한다. 표면 전극층(16)은, 상기 바이어(via) 전극(15)과 접속된다.
발광소자(12)를 수납하는 캐비티(22)는, 그 벽면을 저면에 대하여 30~80도 경사한 경사면으로 하고, 해당 경사면상에는 도 2에 도시하는 바와 같이 금속층(30)을 구비한다. 이 금속층(30)은 캐비티(22)의 경사면 표면측(세라믹 본체측)에서 텅스텐 혹은 몰리브덴으로 이루어지는 메탈라이즈(metallize)층(31)과, 니켈로 이루어지는 니켈(니켈도금)층(32)과, 금으로 이루어지는 금(금도금)층(33)과, 최외표층의 은으로 이루어지는 은(은도금)층(34)으로 형성된다. 상기 금도금층(33)의 층 두께는 니켈도금층(32)나 은도금층(34)보다 층두께가 얇고, 각각의 층두께는 니켈도금층(32)이 6~10μm, 금도금층(33)이 0.05~0.10μm, 은도금층(34)이 6~10μm의 층두께로 하였다.
또한, 은도금층(34)의 표면 거칠기(Ra)는 1.5μm이하의 범위이었다.
더욱이, 상기 은도금층(34)의 표면의 광택도(GAM값)는, 0.4~1.9의 범위이었다.
또한, 상기 광택도(GAM값)는 수식 1에 의하여 산출하였다.
Figure 112005070209614-PAT00001
상기 광택도(GAM값)는, 도 6에 도시하는 방법에 의하여 측정하였다.
미리, 도시하지 않는 정반(定盤) 위에 은도금층을 포함하는 상기 광반사층(210)을, 은도금층을 도면상에서 상방향으로 하여 고정한다. 상기 정반의 상방 45 도의 위치에서 투광기(220)를 수직 방향을 따라 수광기(222)를 배치하였다.
다음에, 상기 광반사층(210)에 대하여, 투광기(220)에서 45도의 입사 각도로 빛(A)을 방사하였다.
이러한 빛(A)은 광반사층(210)의 표층에 위치하는 은도금층에 정반사하기 때문에, 그 태반이 45도의 반사 각도의 빛(C)이 된다. 그러나, 일부의 빛(B)은 은도금층의 표면에 있어서 굴곡이나 표면 거칠기에 의하여, 난반사하는 빛(B)이 되어 수광기(222)에 수광된다. 이러한 빛(B)의 양을 해당 수광기(222)등에서 측정하였다.
상기 수식 1에서 나타내는 바와 같이, 빛(B)이 적어질수록, 광택도는 2에 근접하고, 또한 빛(B)이 많아질수록, 광택도는 0에 근접하게 된다.
상기 광택도가 0.2이상의 범위에 있는 은도금층은, 상기 두께 및 표면 거칠기(Ra)의 범위내이고, 표면이 평활하고 또한 균일한 두께를 가지고 있었다. 이 때문에, 상기 두께(3μm초과~20μm), 광택도(0.2이상), 및 표면 거칠기(Ra, 3μm이하)의 범위에 있는 은도금층을 포함하는 광반사층(210)을, 상기 캐비티(22)의 측면(벽면)에 형성한 경우, 발광소자(12)에서 발광되는 빛을 효율적으로 확실하게 반사하여 외부에 방사하였다.
따라서, 이상과 같은 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)에 의하면, 캐비티(22)에 실장되는 발광소자(12)의 빛을 효율적으로 확실하게 반사하는 것이 가능하였다.
다음에, 세라믹 기판의 일예인 상기 구성의 발광소자 수납용 세라믹 패키지 (10)의 제조공정에 대하여 설명한다. 소성후에 세라믹층 S1~S7이 되는 알루미나 그린 시트중, 미리 세라믹층 S1~S3이 되는 그린 시트에, 캐비티(22)의 벽면의 경사면 형상에 맞춘 테이퍼 형상의 관통공을 펀칭 가공에 의하여 형성하였다. 한편, 소성후에 세라믹층 S4~S7이 되는 그린 시트에 바이어(via) 전극(15)을 위한 관통공을 펀칭 가공에 의하여 형성하였다.
상기 그린 시트에는, 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)의 금속 분말 함유의 도전성 페이스트를 소정 위치에 도포, 또는 인쇄하였다. 구체적으로는 세라믹층 S1~S3이 되는 그린 시트에, 그 경사면의 표면에 상기 메탈라이즈(metallize)층(31)의 전극 패턴에서 상기 도전성 페이스트를 도포 혹은 인쇄하고, 세라믹층 S4~S7이 되는 그린 시트에, 이미 서술한 도통 전극층(14)과 이면 전극층(16)의 도전성 페이스트를 인쇄하였다. 또한, 메탈라이즈(metallize)층(31)과 도통 전극층(14)은 전기적으로 절연되어 있었다. 세라믹층 S4~S7내에 배선층이나 내부 전극을 포함하는 경우에는 원하는 전극 패턴을 인쇄하였다.
바이어(via) 전극(15)에 대하여는, 각각의 세라믹층의 그린 시트의 상태에서 전극 패턴의 인쇄와 동시에 관통공에 상기 도전성 페이스트를 충전하였다. 또한, 그린 시트 적층후의 상태에서 관통공에 상기 도전성 페이스트를 충전하여도 좋다.
이들 그린 시트를 순차 적층하고, 소성하여, 캐비티(22)의 벽면이 그 저면에 대하여 경사한 경사면으로 둘러싸인 세라믹층 적층체를 형성하였다. 여기서, 세라믹층은 알루미나로 이루어지지만, 질화 알루미늄이나 글래스 세라믹 등의 저온 소성 세라믹이어도 좋다.
이어서, 세라믹층 적층체 중 적어도 캐비티(22)의 벽면에 형성된 메탈라이즈(metallize)창(31)상에, 니켈(니켈도금)층(32), 금(금도금)층(33), 은(은도금)층(34)의 순서로 기술한 층두께가 되도록 전해 도금에 의하여, 각 금속(각 금속 도금)층을 형성하고, 금속층(30)을 형성하였다.
특히 금도금층 형성시에는, 소재 표면의 산화물 제거·활성화를 도금과 동시에 행하도록 스트라이크 도금 방법으로 하였다. 도통 전극층(14)과 이면 전극층(16)에 대하여도, 상기 금속층(30)의 형성과 마찬가지의 방법으로 형성하였다. 니켈층(32)과 금층(33) 및 은층(34)은, 전해 도금법이나 무전해 도금법, 증착이나 스퍼트링 등의 적절한 방법에 의하여, 각각의 금속을 이용하여 형성하여도 좋다. 이들 각층(32, 33, 34)도, 메탈라이즈(metallize)층(31)의 경우와 마찬가지로 도통 전극층(14)과는 전기적으로 절연되어 있었다.
상기의 제조방법에서, 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10, 세라믹 기판)를 얻었다. 상기의 제조방법으로 작성한 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10, 세라믹 기판)의 기판 본체(20)에 발광소자(12)를 캐비티(22)의 저면에 형성된 도시하지 않은 금속층에 납재(13)를 개재하여 고정하고, 발광소자(12)와 도통 전극층(14)을 도시하지 않은 와이어를 개재하여 접속하고, 캐비티(22)의 내부에 투명한 열경화수지(예를 들면, 에폭시 수지)를 주입하였다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이 캐비티(22)의 벽면이 되는 주위 경사면에 다층의 금속층(30)을 형성하고, 해당 금속층에 있어서 최외층의 은도금층(34)과, W 또는 Mo 메탈라이즈(metallize)층(31) 측의 니켈도금층(32)과의 사이에, 금도금층(33)을 개재시켰다. 더욱이, 소재 표면의 산화물 제거·활성화가 가능한 스트라이크 도금으로 형성하였다. 이 결과, 금도금층(33)과 최외층의 은도금층(34)과의 밀착성, 금도금층(33)과 니켈도금층(32)과의 밀착성이 높아지고, 결과적으로 최외층의 은도금층(34)의 밀착강도를 높일 수 있게 되었다. 이러한 밀착강도의 향상은, 최외층의 은도금층(34)과 금도금층(33)의 계면에 있어서 금도금층(33)에의 은원자의 비집고 들어감에 의한 앵커 효과와, 금도금층(33)과 니켈도금층(32)의 계면에 있어서 니켈도금층(32)에의 금원자의 비집고 들어감에 의한 앵커 효과가, 종래 기술인 니켈도금층(32)에 은도금층(34)을 직접 형성한 경우의 도금층에 있어서 니켈도금층(32)에의 은원자의 비집고 들어감에 의한 앵커 효과보다도 효과가 있다고 예상된다.
여기서, 상기한 본 실시예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)와 종래품과의 대비에 대하여 설명한다. 종래품은 금속층(30)이 금도금층(33)이 없는 금속층(즉, 니켈도금층(32)에 은도금층(34)을 적층시킨 금속층)인 점에서, 본 실시예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)와 상이하고, 그 외의 점에 대하여는 상기한 본 실시예와 마찬가지의 구성이고, 마찬가지의 제조방법으로 제조한 것이다. 이 종래품에서는, 도통 전극층(14)에 대하여 와이어 본딩을 하였는데, 니켈도금층상의 은도금층에 박리가 보여져 니켈도금층이 노출된다는 불합리가 보여졌다. 그러나, 본 실시예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)에서는, 은도금층(34)의 박리는 보이지 않고 불합리는 발생하지 않았다. 이것은 니켈도금층(32)과의 사이에 금도금층(33)을 개재시킨 것에 의한 상기의 앵커 효과와, 이것에 수반되는 밀착 강도 향상 을 얻을 수 있었기 때문이라고 생각된다.
또한, 금속층(30)에 다이싱 가공을 실시하여 물리적인 층박리의 유무 시험을 행하였는데, 금도금층을 가지지 않는 상기 금속층을 가지는 종래품에서는, 은도금층의 박리·니켈도금층의 노출이 보였지만, 본 실시예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)에서는 이들의 불합리는 보이지 않았다. 이것도 니켈도금층(32)과 은도금층(34)과의 사이에 금도금층(33)을 개재시킨 것에 의한 상기의 앵커 효과와, 이것에 동반하는 밀착 강도 향상을 얻을 수 있었기 때문이라고 생각된다.
다음에, 변형예에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 변형예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10A)의 요부를 단면시하여 나타내는 설명도이다. 이 도 3에 나타내는 바와 같이, 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10A)는 캐비티(22)의 벽면이 캐비티(22)의 저면에 대하여 거의 수직인 점에서, 상기의 실시예와 상위하는 것에 지나지 않고, 캐비티(22)의 벽면에 가지는 금속층(30)의 구성은, 상기 실시예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)와 마찬가지이다. 따라서, 이러한 캐비티 형상을 가지는 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10A)에 있어서도, 최외층의 은도금층(34)의 밀착 강도를 높일 수 있었다.
또한, 이상과 같은 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10A)에 의하여도, 상기 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10)와 마찬가지의 작용을 발휘하고 또한 효과를 연출하는 것이 가능하였다.
다음에, 다른 변형예에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 세라믹 기판의 다른 변형예인 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10B)의 요부를 단면시하여 나타내는 설명도이며, 도 5는 도 4에 있어서 일점쇄선 부분(γ)으로 나타낸 부분을 확대하여 나타내는 설명도이다.
이 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10B)는, 도 4에 도시하는 바와 같이 이미 서술한 변형예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10A)와 마찬가지의 세라믹층 S1~S7의 적층 구성을 구비하는 점, 기판 본체(20)에 있어서 캐비티(22)의 저면에 발광소자(12)를 가지는 점 등에서, 상기의 실시예 및 변형예와 공통하는 것에서, 이하 상위하는 구성에 대하여 설명한다.
이 변형예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10B)는, 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10A)와 마찬가지로 캐비티(22)의 저면에 대하여 거의 수직으로 하지만, 광반사면으로서 기능하는 금속층(30)에 대하여는 경사면을 이루도록 한 점에 특징이 있다. 도 5에 상세하게 도시하는 바와 같이, 이 금속층(30)은 평면시에서는 링형상이고, 캐비티(22)의 벽면(22a) 상단에서 캐비티(22)의 저면(22b)에 걸쳐 경사하고 있다.
캐비티(22)의 벽면(22a)과 저면(22b)에 걸쳐서는, 이들 표면에 거의 L자 형상으로 W, Mo로 이루어지는 메탈라이즈(metallize)층(31)이 형성되고, 이 메탈라이즈(metallize)층(31)은 세라믹층(S3)과 세라믹층(S4)과의 사이에 연장하는 도전 전극층(40)을 포함하고 있다. 그리고, 이 메탈라이즈(metallize)층(31)의 표면을 따라 거의 L자 형상으로 제 1 니켈도금층(51)을 전해 도금 방법으로 형성하였다. 그리고, 이 제 1 니켈도금층(51)의 표면에는, 단면이 거의 직각 삼각형이 되도록 하여, 은납재로 이루어지는 필렛부(52)를 형성하였다. 이 필렛부(52)는, 제 1 니켈도 금층(51)의 코너부에 고체형의 은납재를 배치하고, 원하는 온도로 가열하고, 은납재를 용융시키는 것으로 형성하였다.
그리고, 필렛부(52)의 경사면상에 있어서, 니켈도금층(32)과 금도금층(33)과 은도금층(34)을 이 순서로 필렛부(52)측에서 전해 도금 방법으로 형성하고, 이들 3층의 도금층을 금속층(30)으로 하였다. 이 경우, 니켈도금층(32)을 필렛부(52)의 하단측·상단측에서 외측으로 연장하는 제 1 니켈도금층(51)에 걸쳐 형성하였다. 이 니켈도금층(32)과 제 1 니켈도금층(51)은, 동일 종류의 금속(니켈)의 도금층인 것에서, 이른바 친숙함이 좋아 일체가 되고, 필렛부(52)를 받아들이게 된다. 니켈도금층(32)에 적층하여 형성하는 금도금층(33)과 은도금층(34)을 이미 서술한 두께로 순차적으로 형성하였다. 이 경우, 은도금층(34)의 상·하단부는, 그 두께가 얇아지기 쉽기 때문에, 상기 3μm초과의 두께는, 적어도 이러한 위치에 적용된다.
이상과 같은 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10B)에 있어서도, 금속층(30)에 있어서 최외층의 은도금층(34)과 니켈도금층(32)과의 사이에 금도금층(33)을 개재시키고 있기 때문에, 최외층의 은도금층(34)의 밀착강도를 높이는 가능하였다. 아울러, 메탈라이즈(metallize)층(31)에 제 1 니켈도금층(51)을 형성하고, 이 제 1 니켈도금층(51)상에 형성된 필렛부(52)가 은납재인 것에서, 그것들의 밀착성은 높았다. 더욱이, 니켈도금층(32)은 필렛부(52)상에 형성되고, 필렛부(52)가 은납재인 것에서, 이 필렛부(52)와의 밀착성은 높았다. 이 때문에, 금속층(30)의 니켈도금층(32)은 메탈라이즈(metallize)층(31)에 직접 형성되어 있지 않지만, 개재시킨 제 1 니켈도금층(51)과 필렛부(52)를 개재하여, 메탈라이즈(metallize)층(31)에 대하여도 높은 밀착성을 발휘하였다. 이 결과, 본 변형예의 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10B)에 있어서도, 발광소자 수납용 세라믹 패키지(10, 10A)와 마찬가지의 작용을 발휘하고 또한, 효과를 연출하는 것이 가능하였다.
제 1 니켈도금층(51)은 전해도금법에 의하여 형성되고, 그 층두께는, 0.5~2μm이었다. 이 경우, 제 1 니켈도금층(51)에는, 필렛부(52)의 형성을 위한 은납재의 흐름성 또는 젖음성을 좋게 하기 위하여 코발트(Co)를 함유하고 있지 않았다.
또한, 제 1 니켈도금층(51)에 온도 범위 700~950℃로 열처리를 가하는 것으로 메탈라이즈(metallize)층(31)과의 밀착도 강고해지고 밀착성도 높아졌다.
한편, 금속층(30)에 있어서 니켈도금층(32)은 전해도금법에 의하여 형성되고, 그 층 두께는 1.5~9μm이었다. 니켈도금층(32)의 표면은, 제 1 니켈도금층(51)의 표면과 비교하여 평활해져 있었다. 그 때문에, 그 위에 전해도금층에 의하여 형성되는 금도금층(33) 및 은도금층(34)도 밀착성이 문제가 되지 않을 정도로 평활해지고, 반사효율도 향상하였다. 또한, 니켈도금층(32)에 대하여도, 500~750℃의 범위에서 열처리를 행하여도 좋다. 이 열처리를 제 1 니켈도금층(51)의 경우의 온도 범위보다 낮게 하는 것은, 필렛부(52)를 구성하는 은납재의 융점보다도 낮은 온도 범위가 아니면, 은납재가 용융하여 불합리가 발생하는 경우가 있기 때문이다. 특히, 니켈도금층(32)을 도금액중에 광택제를 첨가하여, 광택 니켈도금으로 형성하면, 평면을 보다 평활하게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 니켈도금층으로서는 제 1 니켈도금층(51)과 니켈도금층(32)으로 나누 어 형성하였기 때문에, 각각의 층에서 도금의 형성 방법을 변경하거나, 열처리를 가하거나 하는 것이 가능하였다. 따라서, 금속층(30)에 있어서 광반사면의 표면의 평활화나, 메탈라이즈(metallize)층과의 밀착성이 높은 금속층(30)의 형성을 달성할 수 있었다.
본 발명은 상기한 실시예·변형예에 한정되는 것은 아니고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종의 양태를 채택하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기의 실시예·변형예에서는, 발광소자(12)를 가지는 발광소자 수납용 세라믹 패키지로서 설명하였지만, 발광소자(12)에 대신하는 다른 반도체 디바이스를 구비한 세라믹 패키지나, 세라믹 기판 표면에 다층의 금속층을 구비하고, 해당 금속층의 최외층을 은도금층으로 하는 세라믹기판에도 적용할 수 있다.
또한, 니켈도금층과 은도금층과의 사이에 개재하는 층으로서는, 니켈보다 귀한 금속이며 또한, 은 이외의 금속으로 구성되는 층이어도 좋고, 예를 들면, Ru, Rh, Pd, Os, lr, Pt 등의 백금족 원소나, Cu등으로 형성되는 층이어도 좋다.

Claims (14)

  1. 표면에 금속층을 구비한 세라믹 기판이고,
    상기 금속층은,
    최외층의 측에서 순차적으로, 은으로 이루어지는 은층과, 금으로 이루어지는 금층과, 니켈로 이루어지는 니켈층으로 구성되어 있는 세라믹 기판.
  2. 반도체 소자를 수납하기 위한 세라믹 기판이고,
    기판 본체와,
    기판 본체에 형성되고, 상기 반도체 소자의 수납용의 캐비티와,
    상기 캐비티의 내면에 금속층을 구비하고,
    상기 금속층은,
    최외층의 측에서 순차적으로, 은으로 이루어지는 은층과, 은 이외의 니켈보다도 귀한 금속으로 이루어지는 층과, 니켈로 이루어지는 니켈층으로 구성되어 있는 세라믹 기판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 은 이외에서 니켈보다 귀한 금속은 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, Au중 적어도 하나인 세라믹 기판.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 은 이외에서 니켈보다 귀한 금속으로 이루어지는 층이 금으로 이루어지는 금층인 세라믹 기판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층은, 텅스텐 또는 몰리브덴으로 구성되는 메탈라이즈(metallize) 층을 구비하고, 상기 메탈라이즈(metallize) 층상에, 상기 니켈층과 상기 금층과 상기 은층이 순차적으로 배치되는 세라믹 기판.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층에 있어서 상기 니켈층과 상기 은층과의 사이에 개재하는 상기 금층은, 그 층의 두께가 상기 니켈층 및 상기 은층의 층두께보다 얇게 되어 있는 세라믹 기판.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    은층의 두께는, 3μm초과~20μm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 니켈층의 두께가 0.5~20μm, 상기 금층의 두께가 0.03~0.20μm, 상기 은층의 두께가 3μm초과~20μm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    은층의 두께는, 3μm초과~10μm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 은층의 표면의 광택도는, 0.2이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 기판.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 은층의 표면 거칠기는, Ra로 3μm이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 기판.
  12. 표면 및 이면을 가지고, 또한 세라믹으로 이루어지는 기판 본체와,
    상기 기판 본체의 표면에 개구하고, 또한 저면에 발광소자를 실장하는 캐비티와, 상기 캐비티의 측면에 형성되는 광반사층을 포함하고,
    상기 광반사층에 포함되는 은층의 두께는, 3μm초과~10μm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자 수납용 세라믹 패키지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 은층의 표면의 광택도는, 0.2이상인 것을 특징으로 하는 발광 소자 수납용 세라믹 패키지.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 은층의 표면 거칠기는, Ra로 3μm이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자 수납용 세라믹 패키지.
KR1020050116162A 2004-12-03 2005-12-01 세라믹 기판 및 발광 소자 수납용 세라믹 패키지 KR101154801B1 (ko)

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JP2004350927 2004-12-03
JPJP-P-2004-00350927 2004-12-03
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