KR20100017331A - 금속화된 표면을 갖는 세라믹 베이스를 구비한 컴포넌트 - Google Patents

금속화된 표면을 갖는 세라믹 베이스를 구비한 컴포넌트 Download PDF

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Abstract

평평한 금속화된 세라믹 베이스들을 구비한 컴포넌트들의 동작 중에 생성된 열을 방출하는 것은 어렵고, 특히, 세라믹 베이스들이 양쪽 표면들 상에서 금속화된 경우에 그러하다. 본 발명에 따른 컴포넌트(1)는 세라믹 베이스(2)를 구비하고, 상기 세라믹 베이스(2)의 표면(3, 4)은 적어도 하나의 영역에서 금속화된 코팅(5, 6)에 의해 커버되며, 상기 세라믹 베이스(2)는 공간적으로 구조화된다(7).

Description

금속화된 표면을 갖는 세라믹 베이스를 구비한 컴포넌트{COMPONENT HAVING A CERAMIC BASE WITH A METALIZED SURFACE}
본 발명은 세라믹 재료로 이루어진 바디를 갖는 컴포넌트에 관한 것이고, 상기 바디는 그것의 표면 상의 적어도 일 영역에서 금속화된 코팅으로 커버된다.
적어도 하나의 표면 측면 상에서 DCB(직접 구리 본딩(direct copper bonding)) 기술를 사용하여 놓인 구리 또는 구리 합금의 포일 또는 층의 형태로 적어도 하나의 금속화된 코팅을 갖는 세라믹 층으로 구성된 플레이트-형 금속화된 세라믹 기판은 DE 10 2004 012 231 B1으로부터 공지되어 있다.
플레이트-형 금속화된 세라믹 바디들을 구비한 컴포넌트들의 경우에 동작 중 전개된 열의 방출(dissipation)은 어렵고, 특히, 세라믹 바디들이 양쪽 측면들 상에서 금속화된 경우에 그러하다.
본 발명의 목적은 양호한 방열을 갖는, 표면 상에서 금속화된 세라믹 바디를 구비한 컴포넌트를 제안하는 것으로 이루어진다.
이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징들의 도움으로 달성된다. 본 발명의 유리한 개선예들은 종속항들에서 제안된다.
본 발명에 따른 컴포넌트는 공간적으로 구조화된다. 플레이트 대신에, 세라믹 바디가 3차원 구조이다. 그리하여, 임의 형태의 추가 바디들이 예를 들어,플레이트의 형태로 일 바디에 연결될 수 있다. 그러나, 전체 바디는 하나의 피스(piece)이고, 즉, 전체 바디는 개별적인 부분들로 구성되지 않는다. 예를 들어, 추가 플레이트들이 일 플레이트 상에 수직으로 직립한다면, E자-형인 전체 바디가 나타난다. 히트 싱크(heat sink)들은 예를 들어, 그러한 형태를 갖는다.
상기 컴포넌트의 바디는 그 구성에 있어 요구된 속성들, 예를 들어, 절연, 부분적인-방전 저항 및 열적 안정성에 매칭될 수 있는 세라믹 재료로 구성된다. 상기 세라믹 재료는 주성분으로서 50.1 중량% 내지 100 중량% ZrO2/HfO2 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% Al2O3 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% AlN 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% Si3N4 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% BeO, 50.1 중량% 내지 100 중량% SiC 또는 상술된 비율들의 범위내의 임의 조합으로 상기 주성분들 중 적어도 두 가지의 조합, 또한 2차 성분으로서 적어도 하나의 산화 단계의 원소들 Ca, Sr, Si, Mg, B, Y, Sc, Ce, Cu, Zn, Pb 및/또는 개별적으로 49.9 중량% 이하의 비율을 가진 화합물 또는 상술된 비율들의 범위내의 임의 조합의 화합물을 함유한다. 3 중량% 이하의 불순물들의 비율을 감한, 주성분들 및 2차 성분들은 100 중량%의 전체 조성을 제공하기 위하여 서로와의 임의의 조합으로 서로 조합될 수 있다.
금속화가 없는 상기 컴포넌트의 세라믹 재료의 열적 팽창 계수는 12×10-6/K보다 작다. 세라믹 바디의 굽힘 강도(bending strength)는 100 MPa보다 크고, 상기 재료의 열 전도율은 1 W/mK보다 크다. 그 결과, 세라믹 재료의 열적으로 컨디셔닝된 팽창에 의한 금속화된 코팅의 로딩은 낮다. 세라믹을 사용하여, 특히, 구리로의 금속화된 코팅의 경우에, 구리로의 금속화된 코팅의 높은 열 팽창 계수는 감소되고, 그리하여 금속화된 코팅에 연결된 전자 구조 엘리먼트의 반도체 재료들의 열 팽창 계수에 가까워진다. 그 결과, 반도체 구조 엘리먼트의 재료들에서 가열 동안 발생한 응력(stress)들이 회피된다.
금속들 또는 금속 층들은 친화적인 방식(an intimate manner)으로 또는 표면의 전체 또는 일부에 걸쳐 기계적인 폼-로킹(form-locking)을 사용하여 세라믹 바디에 바람직하게 금속화된 코팅으로서 연결되고, 상기 금속들은 캐리어 바디와 동일하거나 상이한 열 전도율을 갖는다. 금속화된 코팅은 예를 들어, 순수하거나 산업적인 품질의 텅스텐, 은, 금, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 또는 강철, 또는 적어도 두 가지 상이한 금속들의 혼합물로 구성될 수 있다. 금속화된 코팅은 예를 들어, 또한 부가적으로 또는 단지 반응 땜납(reaction solder)들, 연질 땜납(soft solder)들 또는 경질 땜납(hard solder)들로 구성될 수 있다.
금속화된 코팅의 금속들 또는 금속 층들은 또한 세라믹 바디 상의 금속화된 코팅의 접착성을 증가시키기 위하여 예를 들어, 유리들 또는 폴리머 재료들과 같은 접착-촉진 물질(adhesion-promoting substance)들 또는 다른 첨가제들과 혼합될 수 있다.
금속화된 코팅의 층 또는 층들은 DCB(직접 구리 본딩) 방법 또는 AMB(활성 금속 브레이징(active metal brazing)) 방법 또는 스크린-프린팅 방법 또는 전기 분해 방법(electrolytic method) 또는 화학 증착 또는 증발 방법을 사용하여, 또는 접착 또는 글루잉(glueing) 또는 이러한 방법들의 조합을 사용하여, 대향하는 그리고/또는 인접한 면(face)들 상에서 상기 바디의 표면에 놓였다.
세라믹 바디 상의 금속화된 코팅은 금속화된 면 당 적어도 하나의 층으로 구성된다. 금속화된 코팅은 평면에 평행한(plane-parallel) 또는 거의 평면에 평행한 형태로 또는 임의의 기하학적인 형태로 돌출하는 방식으로 또는 이러한 형태들의 조합들로 부분적으로 또는 완전히, 표면의 일부 또는 전체 표면에 걸쳐 금속 바디로서 세라믹 바디의 표면을 커버한다.
금속화된 코팅의 상기 적어도 하나의 층의 두께는 ≤ 2 mm이고, 그것의 접착 강도는 20 N/cm보다 크다. 그리하여 열적인 로딩으로 인한 상기 층들의 자가-이탈(self-detachment)이 방지된다.
세라믹 바디는 금속화된 코팅을 가진 자신의 표면들 중 적어도 2개의 표면들 상에서 커버된다. 금속화된 코팅은 100 W/mK의 최소 열 전도율을 갖는다. 그리하여, 구조 엘리먼트들 또는 회로 배열들에 의한 높은 열적 로딩의 경우에, 양호한 방열이 보장된다.
적어도 하나의 표면 상의 적어도 하나의 금속화된 코팅을 가진 컴포넌트의 경우에, 굽힘 강도는 550 MPa보다 더 크다. 열적 로딩의 경우에, 금속화된 코팅의 박리(flaking-off) 및 금속화된 코팅의 장력 및 압력에 의한 세라믹 바디의 파괴가 방지된다.
상기 컴포넌트의 세라믹 바디는 바람직하게 히트 싱크로서 형성된다. 히트 싱크에 의해 이해되는 것은, 전기 또는 전자 구조 엘리먼트들 또는 회로 배열들을 지탱하고 구조 엘리먼트들 또는 회로 배열들에 손상을 줄 수 있는 어떠한 열 축적도 나타나지 않는 방식으로 구조 엘리먼트들 또는 회로 배열들에 나타난 열을 방출할 수 있는 방식으로 형성된 바디이다. 캐리어 바디는 전기적으로 전도성이 없거나 거의 전도성이 없고 양호한 열 전도율을 갖는 재료로 이루어진 바디이다. 그러한 바디의 이상적인 재료는 세라믹 재료이다.
상기 바디는 일 피스로 이루어지고, 전자 구조 엘리먼트들 또는 회로 배열들을 보호하기 위하여 열-방출 또는 열-공급 엘리먼트들을 갖는다. 캐리어 바디는 바람직하게 인쇄 회로 보드이고, 상기 엘리먼트들은 가열 또는 냉각 매체가 작용할 수 있는 보어(bore)들, 채널들, 리브(rib)들 및/또는 틈새(clearance)들이다. 상기 매체는 액체 또는 기체일 수 있다. 캐리어 바디 및/또는 냉각 엘리먼트는 바람직하게 적어도 하나의 세라믹 성분 또는 상이한 세라믹 재료들의 복합물로 구성된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 더 상세히 설명된다. 예시적인 실시예는 본 발명에 따라 플레이트-형이 아닌 세라믹 바디(2)를 갖는 컴포넌트(1)를 보여준다. 플레이트-형이 아니라는 것은 세라믹 바디(2)의 상부 측면(3) 및 하부 측면(4)이 각각 상이한 크기의 표면들을 갖는 방식으로 형성됨을 의미한다. 상기 바 디는 공간적으로 구조화된다. 본 예시적인 실시예에서 상기 컴포넌트(1)의 상부 측면(3)은 평면 표면을 갖는다. 여러 다양한 금속화된 영역들(5)이 이러한 상부 측면(3) 상에 놓인다. 상부 측면(3)은 회로-캐리어이다. 세라믹 바디(2)의 상부 측면(3) 상의 적어도 하나의 금속화된 코팅(5)에 적용된, 본 경우에 제 1 금속화된 코팅(5)의 표면의 일부에 걸쳐 커버하는 적어도 하나의 추가 금속화된 코팅(6)이 존재한다.
본 예시적인 실시예에서, 세라믹 바디(2)는 E자-형이다. 상기 바디는 히트 싱크이다. 세라믹 바디(2)의 하부 측면(4)은 냉각 리브들(7)을 갖는다. 냉각 리브들(7)에는 또한 금속화된 영역들(5)이 제공되고, 상기 금속화된 영역들(5) 상에 전자 컴포넌트들이 예를 들어, 납땜될 수 있다.
세라믹 바디(2)의 표면(3) 상에서, 칩(8)은 납땜된 연결부(9)를 사용하여 금속화된 영역(5) 상에 고정된다. 칩(8)은 라인들(10)을 사용하여 금속화된 영역(5)에 연결된다. 이러한 칩(8)은 열원을 나타내고, 이러한 열원의 열은 냉각 리브들(7)에 의해 소산된다.

Claims (17)

  1. 세라믹 바디(2)를 구비한 컴포넌트(1)로서,
    상기 세라믹 바디(2)는 상기 세라믹 바디(2)의 표면(3, 4) 상의 적어도 하나의 영역에서 금속화된 코팅(5, 6)으로 커버되며,
    상기 세라믹 바디(2)는 공간적으로 구조화되는(7),
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  2. 제1항에 있어서,
    세라믹 재료는 주성분으로서 50.1 중량% 내지 100 중량% ZrO2/HfO2 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% Al2O3 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% AlN 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% Si3N4 또는 50.1 중량% 내지 100 중량% BeO, 50.1 중량% 내지 100 중량% SiC 또는 상술된 비율들의 범위내의 임의 조합으로 상기 주성분들 중 적어도 두 가지의 조합, 또한 2차 성분으로서 적어도 하나의 산화 단계(oxidation stage)의 원소들 Ca, Sr, Si, Mg, B, Y, Sc, Ce, Cu, Zn, Pb 및/또는 개별적으로 49.9 중량% 이하의 비율을 가진 화합물 또는 상술된 비율들의 범위내의 임의 조합의 화합물을 함유하고,
    3 중량% 이하의 불순물들의 비율을 감한, 상기 주성분들 및 상기 2차 성분들은 100 중량%의 전체 조성을 제공하기 위하여 서로와의 임의의 조합으로 서로 조합 되는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 바디(2)의 굽힘 강도(bending strength)는 100 MPa보다 크고, 상기 재료의 열 전도율은 1 W/mK보다 큰,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속화가 없는 상기 세라믹 바디(2)의 세라믹 재료의 열 팽창 계수는 12×10-6/K보다 작은,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속들 또는 금속 층들은 친화적인 방식(an intimate manner)으로 또는 상기 표면의 전체 또는 일부에 걸쳐 기계적인 폼-로킹(form-locking)을 사용하여 상기 세라믹 바디(2)에 상기 금속화된 코팅(5, 6)으로서 연결되고, 상기 금속들은 캐리어 바디와 동일하거나 상이한 열 전도율을 갖는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속화된 코팅(5, 6)은 순수하거나 산업적인 품질의 텅스텐, 은, 금, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 또는 강철, 또는 적어도 두 가지 상이한 금속들의 혼합물들로 구성되거나/구성되고, 부가적으로 또는 단지, 반응 땜납(reaction solder)들, 연질 땜납(soft solder)들 또는 경질 땜납(hard solder)들(9)로 구성되는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속화된 코팅(5, 6)의 금속들 또는 금속 층들은 유리들 또는 폴리머 재료들과 같은 접착-촉진 물질들 또는 다른 첨가제들과 혼합되는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 바디(2) 상의 상기 금속화된 코팅(5, 6)은 적어도 하나의 층으로 구성되고, 이러한 층은 DCB(직접 구리 본딩(direct copper bonding)) 방법 또는 AMB(활성 금속 브레이징(active metal brazing)) 방법 또는 스크린-프린팅 방법 또는 전기 분해 방법(electrolytic method) 또는 화학 증착 또는 증발 방법을 사용하여, 또는 접착 또는 글루잉(glueing) 또는 이러한 방법들의 조합을 사용하여, 대향 하는 그리고/또는 인접한 면들 상에서 상기 바디의 표면 상에 놓이는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속화된 코팅(5, 6)은 금속 바디로서 상기 세라믹 바디(2)의 표면(3, 4) 위에서, 평면에 평행한 또는 거의 평면에 평행한 형태로 또는 임의의 기하학적인 형태로 돌출하는 방식으로 또는 이러한 형태들의 조합들로 부분적으로 또는 완전히, 상기 표면의 일부 또는 전체 표면에 걸쳐 커버하는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속화된 코팅(5, 6)은 20 N/cm보다 큰 접착 강도를 갖는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속화된 코팅(5, 6)의 상기 적어도 하나의 층의 두께는 ≤ 2 mm에 달하는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 표면(3, 4) 상에서 적어도 하나의 금속화된 코팅(5, 6)을 갖는 상기 컴포넌트(1)의 굽힘 강도는 550 MPa보다 큰,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 바디(2) 상의 적어도 하나의 금속화된 코팅(5)에 적용된, 상기 적어도 하나의 금속화된 코팅(5)의 일부 또는 전체 표면에 걸쳐 커버하는 적어도 하나의 추가 금속화된 코팅(6)이 존재하는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속화된 코팅(5, 6)은 100 W/mK의 최소 열 전도율을 갖는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 바디(2) 상의 상기 적어도 하나의 금속화된 코팅(5, 6) 상에 장착된, 적어도 하나의 능동 또는 수동 전자 컴포넌트(8)가 존재하는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 바디(2) 상의 상기 적어도 하나의 금속화된 코팅(5, 6) 상에 장착된, 적어도 하나의 능동 또는 수동 전자 컴포넌트(8)가 존재하고, 상기 적어도 하나의 능동 또는 수동 전자 컴포넌트(8)는 납땜된 그리고/또는 본딩된 연결들(9)에 의해 적어도 하나의 지점에서 상기 세라믹 바디(2) 상에 제공된 상기 적어도 하나의 금속화된 코팅(5)에 전기적으로 그리고/또는 열적으로 연결되는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 리브들(7)이 제공된 상기 세라믹 바디(2)는 히트 싱크로서 형성되는,
    세라믹 바디를 구비한 컴포넌트.
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