KR20080093594A - 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법에 있어서, 소정의 필러 분말을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 세라믹스 기판에 후막을 인쇄하는 단계와, 상기 세라믹스 기판에 인쇄된 상기 후막을 건조하는 단계와, 건조된 상기 후막 위에 금속 박막을 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 기판 위에 보다 균일한 산화물층을 형성할 수 있으며, 이러한 산화물의 순도를 증가시켜 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합강도를 높여 공정의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
금속 접합, 스크린 인쇄법, 에어로솔 증착
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법을 설명하기 위한 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 알루미나 기판 110 : 후막
120 : Cu2O 페이스트 130 : 스퀴즈
210 : 에어로솔 챔버 211 : 바이브레이터
212 : 노즐 220 : 가스 챔버
230 : 증착 챔버 240 : 포지셔너
250 : 알루미나 기판
본 발명은 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법에 관한 것이다.
최근, 재료의 특성을 극대화하기 위하여 금속과 세라믹의 상호접합에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 마이크로일렉트로닉스(microelectronics) 분야에서도 세라믹 기판에 Au, Pt 및 Ag와 같은 귀금속의 도전성 재료를 접합시켜 회로로 사용하고 있으나 고가의 재료이기 때문에 저가 재료로의 대체가 요구되고 있다.
일반적으로 산화물 등의 세라믹과 금속 간의 결합을 유지하기 위하여 통상 유리질의 바인더(binder)나 반응성이 큰 중간층을 사용하거나, Mo-Mn계와 같은 금속간 화합물을 삽입하여 접합하고 있다.
상기에서 제시한 접합 방법의 기술적 한계를 상세히 서술하면 하기와 같다. 먼저, 유리질 바인더에 의한 접합은 결합력이 약하며 또한 유리질의 중간층이 형성되어 열충격성 및 전기전도도를 감소시키는 단점이 있다. 또한, 반응성이 큰 중간층을 사용하는 경우에는 접합 도중 취성이 큰 금속간 화합물이 형성되어 사용상 장애가 되고 있으며, 높은 열전도도와 전기전도도를 요구하는 부분에는 중간층이 열전도와 전기전도도를 감소시키기 때문에 이의 배제가 요구되고 있다. 또한, Mo-Mn계와 같은 금속간 화합물을 이용한 접합 방법은 금속-금속 간, 금속-세라믹 간, 세라믹-세라믹 간 접합에 널리 활용되는 방법이기는 하나, 접합 공정시 접합에 사용되는 금속 층의 산화를 방지해야 하는 문제로 인해 10-7이하의 극한적인 환원분위기에서만 접합이 용이한 단점과, 접합 시 1200oC 이상의 접합 온도를 요구하고 있어 Cu와 같은 저 융점의 금속을 접합하지 못하는 기술적 한계를 가지고 있다.
또한, 전술한 바와 같은 법들을 후막법이라고 하며 접합되는 금속층의 두께 가 25㎛이하의 것을 사용하는데, 이러한 얇은 막은 하이브리드 회로의 충격전류(surge current)를 낮은 값으로 한정시키게 되는바 큰 충격전류의 도입시 회로나 제품의 순간적인 파손을 야기시키게 되는 단점 또한 보유하고 있다. 따라서 높은 전력의 하이브리드 회로에서 높은 전류밀도와 열전도를 유지할 수 있으며 금속층의 두께가 수 밀리미터 정도인 저가의 후막 금속과 세라믹의 직접접합 기술이 요구되고 있다.
종래에는, 구리 박막(foil)을 이용하여 구리 표면에 대해 화학적 처리, 산소 분압 조절을 이용한 열처리 등을 수행하여 0.7~1.2㎛ 정도의 두께로 산화구리막을 형성시켜 알루미나(Al2O3)기판과 공정 온도(eutetic point)에서 불활성 분위기로 열처리하여 구리 박막과 알루미나 기판을 부착했다.
하지만, 상술한 바와 같은 방법으로 알루미나 기판과 구리 박막의 접합공정을 진행하게 되면, 구리 박막 자체를 산화시킴으로써, 부착면 이면까지 산화되어 마지막에 표면 산화층을 연마(grinding)해야 하는 문제와, 반응에 의한 결과물로 산화구리(Cu2O)막과 더불어 산화제2구리(CuO)막이 형성됨으로 인해 접합강도의 저하가 발생하고, 화학적 반응 및 열처리를 통해 산화막을 형성함으로써 산화 정도에 따른 부착 강도 조절이 용이치 않는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은, 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합강도를 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은, 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법에 있어서, 소정의 필러 분말을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 세라믹스 기판에 후막을 인쇄하는 단계와, 상기 세라믹스 기판에 인쇄된 상기 후막을 건조하는 단계와, 건조된 상기 후막 위에 금속 박막을 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 후막을 건조하는 단계는 60 ~ 80℃에서 8 ~ 12분 동안 건조한다.
본 발명에서, 상기 필러 분말은 Ag, Ti, Ni, Cu, CuO, Cu2O, AgO 중 적어도 하나를 사용한다.
본 발명에서, 상기 필러 분말은 0.1 ~ 10.0㎛의 입도를 갖는다.
본 발명에서, 상기 금속 박막은 구리 박막이고 상기 세라믹스 기판은 알루미나 기판이며, 상기 필러 분말은 Cu2O이다.
본 발명에서, 상기 후막을 인쇄하는 단계에서, 상기 후막이 인쇄되는 양은 건조 후의 무게가 0.3 ~ 6×10-5g/mm2가 되도록 조절된다.
본 발명에서, 상기 열처리 단계는 불활성 분위기 및 1050 ~ 1083℃ 온도에서 1 ~ 60분 동안 수행한다.
본 발명에서, 상기 불활성 분위기는 N2, Ar 및 He 중 적어도 어느 하나의 가스를 이용한다.
본 발명에서, 상기 세라믹스 기판에 후막을 스크린 인쇄법으로 인쇄한다.
또한, 본 발명은 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법에 있어서, 필러 분말을 에어로솔 챔버에 장입한 후 에어로솔을 형성하는 단계와, 상기 에어로솔을 세라믹스 기판에 조사하는 단계와, 상기 에어로솔이 조사되어 형성된 에어로솔층 위에 금속 박막을 적층하는 단계와, 상기 에어로솔층 및 상기 금속 박막이 적층된 상기 세라믹스 기판을 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 필러 분말은 Ag, Ti, Ni, Cu, CuO, Cu2O, AgO 중 적어도 하나이다.
본 발명에서, 상기 금속 박막은 구리 박막이고 상기 세라믹스 기판은 알루미나 기판이며, 상기 필러 분말은 Cu2O이다.
본 발명에서, 상기 에어로솔을 형성하는 단계에서, 상기 필러 분말의 응집을 방지하도록 상기 에어로솔 챔버의 바이브레이터(vibrator) 속도를 150 ~ 350rpm으로 한다.
본 발명에서, 상기 에에로솔을 상기 세라믹스 기판에 조사하는 단계에서, 상기 증착 챔버의 압력을 1 torr 이하로 하고, 상기 에에로솔의 조사 속도는 0.1 ~ 3mm/초로 한다.
본 발명에서, 상기 열처리 단계는 불활성 분위기 및 1050 ~ 1083℃ 온도에서 1 ~ 60분 동안 수행한다.
본 발명에서, 상기 필러 분말은 0.7 ~ 10.0㎛의 입도를 갖는 Cu2O 분말을 사용한다.
본 발명에서, 상기 에어로솔은 불활성 가스를 이용하여 형성한다.
본 발명에서, 상기 에어로솔은 상기 에어로솔 챔버의 노즐을 통해 상기 세라믹스 기판에 조사한다.
본 발명에서, 상기 세라믹스 기판은 상기 증착 챔버의 포지셔너(positioner)에 장착된다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법을 자세히 설명한다.
본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
본 발명의 실시예에서는 구리(Cu) 박막에 알루미나(Al2O3) 기판을 접합하는 DCB(Direct Copper Bonding)를 예를 들어 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 페이스트(paste)법을 이용한 알루미나 기판과 구리 박막의 접합방법에 관하여 설명한다.
소정의 필러 분말을 포함하는 도전성 페이스트를 준비한다. 이때, 필러 분말은 Ag, Ti, Ni, Cu, CuO, Cu2O, AgO 중 적어도 하나를 사용하며, 본 발명의 제 1 실시예에서는 Cu2O 분말을 사용한다. 이러한 Cu2O 분말은 통상적인 분말 제조공정 에 의하여 제조되며, 0.1 ~ 10.0㎛의 입도를 갖고, 바람직하게는 0.1 ~ 3.0㎛의 입도를 갖는다.
이어서, Cu2O 분말을 포함하는 도전성 페이스트는, 유기 바인더 수지를 포함하는데, 이때 유기 바인더 수지로는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지 및 알키드 수지 중 적어도 어느 하나 또는 두 개 이상을 사용할 수 있다. 여기서, 에폭시 수지의 경화제로는 디시안디아마이드(DucyanDiamide), 이미다졸(Imidasol), 포리아민(Polyamine) 및 아민(Amine) 중 적어도 어느 하나 또는 두 개 이상을 사용할 수 있다. 또한, 폴리에스터 수지 및 알키드 수지의 용제로 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 초산셀로솔브, 부틸초산셀로솔브, 부틸카비톨 및 부틸초산카비톨 중 적어도 어느 하나 또는 두 개 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 전술한 바와 같은 Cu2O 분말의 함량은 바인더 및 용재 등의 유기분의 총 중량에 대하여 15 ~ 80%의 비율인 것이 바람직하다. 즉, 고형분의 양이 15% 이하이면 여러 번 인쇄해야 하고, 80% 이상이면 페이스트의 도포 두께 제어가 어렵기 때문이다.
이렇게하여, Cu2O 분말 및 상기와 같은 바인더 수지를 혼합하여 형성된 Cu2O 페이스트를 준비한 상태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, Cu2O 페이스트(120)를 사용하여 스크린 인쇄법으로 알루미나 기판(100)에 후막(110)을 인쇄한다. 구체적으로, 알루미나 기판(100) 위에, 준비된 Cu2O 페이스트(120)를 사용하여 스퀴즈(130) 등을 이용하는 통상적인 스크린 인쇄법으로 후막(110)을 인쇄한다. 이때, 후막이 인쇄되는 양은 건조 후의 무게가 0.3 ~ 6×10-5g/mm2가 되도록 조절되는 것이 바람직하다. 참고로, 알루미나 기판 이외에도 AlN, Si3N4 및 SiC등의 세라믹스 기판을 사용하여도 무방하다.
다음으로, Cu2O 페이스트(120)를 사용하여 알루미나 기판(100)에 인쇄된 후막(110)을 건조한다. 이때, 후막(110)을 건조하기 위한 공정 조건으로는 60 ~ 80℃에서 8 ~ 12분 동안 건조하는 것이 바람직하다. 이러한 범위 이하에서의 열처리시에는 부착 강도가 낮아지거나 후속하는 구리 박막과의 알루미나 기판의 접합 강도가 감소할 수 있으며, 위와 같은 범위 이상에서의 열처리시에는 과도한 공융 반응으로 구리 박막에 핀 홀(pin-hole)이 발생할 수 있다.
이어서, 도시하지는 않았지만, 건조된 후막(110) 위에 구리 박막을 형성하고, 불활성 분위기 및 1050 ~ 1083℃ 온도에서 1 ~ 60분 동안 열처리를 수행하여 알루미나 기판과 구리 박막을 접합시킨다. 이때, 불활성 분위기는 N2, Ar, He 중 어느 하나의 가스를 이용하여 형성할 수 있으며, 바람직하게는 N2 가스를 이용한다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에어로솔(Aerosol) 증착 방법에 의한 알루미나 기판과 구리 박막의 접합방법에 관하여 설명한다.
Cu2O 분말을 에에로솔 챔버(210)에 장입하고, Cu2O 분말의 응집을 방지하도록 에어로솔 챔버의 바이브레이터(211) 속도(vibrator speed)를 150 ~ 350rpm으로 하며, 가스 챔버(220)로부터 유입한 He, O2, Ar 등의 기체가스를 이용하여 에어로솔을 형성한다. 이때, He, O2 , Ar 등의 기체가스는 4.5 ~ 10L/분 로 소진되며, Cu2O 분말은 0.7 ~ 10.0㎛의 입도를 갖는다.
이렇게 형성된 에어로솔을 에어로솔 챔버(210)의 노즐(212)을 통해 분사하여 증착 챔버(230)의 포지셔너(positioner)(240)에 장착된 알루미나 기판(250)의 표면에 조사시킨다. 이때, 증착 챔버(230) 내의 공정 조건으로는, 챔버(230)의 온도는 실온으로 하고, 압력은 1 torr 이하로 하며, 알루미나 기판(250)과 노즐(212)의 분사 거리는 4 ~ 35mm로 조절할 수 있다. 그리고, 알루미나 기판(250)의 표면에 조사되어 형성된 에어로솔층 즉, Cu2O 에어로솔층은 조사 속도(scanning rate)에 따라 조절이 가능하며, 예컨대 0.1 ~ 3mm/초로 했을 때 후속의 열처리 후 안정된 부착 강도를 얻을 수 있다.
그리하여, 전술한 바와 같이, Cu2O 에어로솔층이 형성된 알루미나 기판(250)을 증착 챔버(230)에서 분리한 후, 도시하지는 않았지만, 다시 Cu2O 에어로솔층 위에 구리 박막을 적층하고, Cu2O 에어로솔층 및 구리박막이 적층된 세라믹스 기판을열처리한다. 이때, 열처리는 본 발명의 제 1 실시예에서와 동일하게 불활성 분위기 및 1050 ~ 1083℃에서 1 ~ 60분 동안 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 의하면 알루미나 기판 위에 산화물층을 균일하게 형성할 수 있으며, 또한 산화물의 순도를 증가시켜 알루미 나 기판과 구리 박막의 접합강도를 높일 수 있어 공정의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기판 위에 보다 균일한 산화물층을 형성할 수 있으며, 이러한 산화물의 순도를 증가시켜 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합강도를 높여 공정의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 종래에 금속 박막 자체를 산화시킴으로 인해 부착면의 이면까지 산화되어 마지막 표면 산화층을 연마(grinding)해야 하는 문제가 발생하지 않아 공정의 간소화 및 원가 절감의 향상을 실현한다.
Claims (19)
- 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법에 있어서,소정의 필러 분말을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 세라믹스 기판에 후막을 인쇄하는 단계와,상기 세라믹스 기판에 인쇄된 상기 후막을 건조하는 단계와,건조된 상기 후막 위에 금속 박막을 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 후막을 건조하는 단계는 60 ~ 80℃에서 8 ~ 12분 동안 건조하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 필러 분말은 Ag, Ti, Ni, Cu, CuO, Cu2O, AgO 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 필러 분말은 0.1 ~ 10.0㎛의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 박막은 구리 박막이고 상기 세라믹스 기판은 알루미나 기판이며, 상기 필러 분말은 Cu2O인 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 후막을 인쇄하는 단계에서, 상기 후막이 인쇄되는 양은 건조 후의 무게가 0.3 ~ 6×10-5g/mm2가 되도록 조절된 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열처리 단계는 불활성 분위기 및 1050 ~ 1083℃ 온도에서 1 ~ 60분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 불활성 분위기는 N2, Ar 및 He 중 적어도 어느 하나의 가스를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹스 기판에 후막을 스크린 인쇄법으로 인쇄하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법에 있어서,필러 분말을 에어로솔 챔버에 장입한 후 에어로솔을 형성하는 단계와,상기 에어로솔을 세라믹스 기판에 조사하는 단계와,상기 에어로솔이 조사되어 형성된 에어로솔층 위에 금속 박막을 적층하는 단계와,상기 에어로솔층 및 상기 금속 박막이 적층된 상기 세라믹스 기판을 열처리하는 단계를 포함하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 필러 분말은 Ag, Ti, Ni, Cu, CuO, Cu2O, AgO 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 금속 박막은 구리 박막이고 상기 세라믹스 기판은 알루미나 기판이며, 상기 필러 분말은 Cu2O인 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 에어로솔을 형성하는 단계에서, 상기 필러 분말의 응집을 방지하도록 상기 에어로솔 챔버의 바이브레이터(vibrator) 속도를 150 ~ 350rpm으로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 에에로솔을 상기 세라믹스 기판에 조사하는 단계에서, 상기 증착 챔버의 압력을 1 torr 이하로 하고, 상기 에에로솔의 조사 속도는 0.1 ~ 3mm/초로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 열처리 단계는 불활성 분위기 및 1050 ~ 1083℃ 온도에서 1 ~ 60분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,상기 필러 분말은 0.7 ~ 10.0㎛의 입도를 갖는 Cu2O 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 에어로솔은 불활성 가스를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세라 믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 에어로솔은 상기 에어로솔 챔버의 노즐을 통해 상기 세라믹스 기판에 조사하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 세라믹스 기판은 상기 증착 챔버의 포지셔너(positioner)에 장착된 것을 특징으로 하는 세라믹스 기판과 금속 박막의 접합방법.
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