KR20120027205A - 금속/세라믹 기판 - Google Patents

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KR20120027205A
KR20120027205A KR1020117026151A KR20117026151A KR20120027205A KR 20120027205 A KR20120027205 A KR 20120027205A KR 1020117026151 A KR1020117026151 A KR 1020117026151A KR 20117026151 A KR20117026151 A KR 20117026151A KR 20120027205 A KR20120027205 A KR 20120027205A
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KR
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ceramic substrate
layer
ceramic
thickness
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KR1020117026151A
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English (en)
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쥐르겐 슐츠-하르데르
라스 뮐러
Original Assignee
쿠라미크 엘렉트로닉스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 다층 판상형 세라믹 물질과 적어도 하나의 금속 피복을 포함하는 금속/세라믹 기판에 관한 것으로서, 상기 금속 피복은 상기 세라믹 물질의 표면 측부 상에 제공되고 직접 접합법 또는 반응성 납땜에 의해 세라믹 물질에 접합되며, 상기 세라믹 물질은 실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 적어도 하나의 내층 또는 기본층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 금속 피복이 제공되는 세라믹 물질의 측부 표면은, 적어도 하나의 기본층 상에 도포되어 옥사이드 세라믹으로 제조된 중간층 상에 형성된다.

Description

금속/세라믹 기판 {METAL/CERAMIC SUBSTRATE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 금속/세라믹 기판에 관한 것으로서, 청구항 제26항의 전제부에 따른 방법에 또한 관련된다.
금속/세라믹 기판 또는 금속 피복을 갖춘 세라믹 기판이 다양한 설계에서 알려져 있으며, 전기 및 전자 회로나 모듈용으로, 이 경우에 특히 고출력 회로 또는 모듈용으로 인쇄 회로 보드나 기판으로 사용되고 있다.
세라믹 기판 상에, 특히, 알루미늄 산화물 세라믹 기판 상에, 스트립 전도체, 커넥터, 등을 형성하는 금속 피복의 직접 접합을 위한 소위 DCB 프로세스가 또한 알려져 있다. 예를 들어, 미국특허공보 제3,744,120호 또는 미국특허공보 제2,319,854호에 설명되어 있는 이러한 프로세스에서, 금속층이나 포일, 예를 들어, 구리층이나 포일이 금속(가령, 구리)와 반응성 기체(산소가 바람직함)의 화학적 화합물의 코팅을 갖춘 그 표면 측부 상에 제공된다. 이러한 코팅은 인접 금속의 박층과 함께 공정(eutectic)(melted-on layer)을 형성하고, 상기 공정은 금속(가령, 구리)의 용융점 아래의 공융점을 가지며, 세라믹 상에 금속층이나 포일을 배치하고 모든 층들을 가열함으로써, 멜티드-온 층 또는 산화물층의 영역에서만 금속을 용융시킴으로써 이들이 함께 접합될 수 있다. 구리 또는 구리 합금이 금속으로 사용될 때, 이 프로세스는 DCB(Direct Copper Bonding) 접합 또는 DCB법으로 불린다.
이러한 DCB법은 예를 들어, 다음과 같은 프로세스 단계들을 포함한다.
- 균일한 구리층이 생성되도록 구리 포일을 산화
- 세라믹층 상에 구리 포일을 배치
- 대략 1025℃ 내지 1083℃ 사이의 프로세스 온도까지(개략적으로 1071℃까지) 복합물을 가열
- 상온으로 냉각.
각각의 경우에 세라믹 물질에 금속 피복, 특히 구리층 또는 구리 포일을 형성하는 구리층이나 구리 포일을 접합하기 위한 상술한 반응성 납땜 방법이 또한 공지되어 있다(독일특허공보 22 13 115호 및 유럽특허공보 153 618호). 특히 금속/세라믹 기판의 제조에 사용되는 이 방법을 이용하여, 금속 포일(가령, 구리 포일)과 세라믹 기판(가령, 알루미늄 나이트라이드 세라믹) 간의 접합이 땜납을 이용하여 대략 800~1000℃ 사이의 온도에서 제조된다. 구리, 은, 및/또는 금과 같은 주성분에 부가한 활성 금속을 또한 함유한다. 예를 들어 Hf, Ti, Zr, Nb, Ce 중 적어도 하나의 원소인 이러한 활성 금속은 화학적 반응을 이용하여 땜납과 세라믹 사이에 접합을 생성하고, 땜납과 금속 간의 접합은 금속 납땜 조인트다.
실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 내층 또는 기본층을 갖는 금속/세라믹 기판이 또한 알려져 있고(유럽특허공보 798 781호), 이는 알루미늄 옥사이드 세라믹(Al2O3 세라믹)에 비해 훨씬 큰 기계적 강도를 나타낸다. DCB법을 이용하여 금속 피복을 도포하기 위해, 순수한 알루미늄 옥사이드 세라믹으로 제조된 중간층이 각각의 경우에 실리콘 나이트라이드 세라믹의 기본층에 도포되어야 한다고 제안되었다. 그러나, 이 프로세스는 세라믹 물질과 금속 피복 간에 완전한 접합을 생성하지 못하며, 특히, 결함없는 접합을 생성하지 못한다. 대신에, 특히 구리 금속 피복을 이용할 때, 수많은 기체 버블이 금속 피복과 세라믹 물질 간에 또한 발생하며, 이러한 버블은 구리 또는 구리 옥사이드 공정(eutectic)(Cu/Cu2O 공정)으로부터의 산소와 실리콘 나이트라이드 세라믹 사이의 반응에 의해, 즉, 아래의 화학식에 따라, 야기된다.
6CuO + Si3N4 -> 3SiO2 + 6Cu + N2
이 반응은 한편으로, 접합에 요구되는 액체 공정 Cu/Cu2 상이 사용되거나 완전히 소모됨을 의미한다. 다른 한편, 결과적인 기체성 질소(N2)가 버블 형성을 야기한다. 이러한 해로운 반응은 순수 알루미늄 옥사이드 세라믹의 중간층에 의해 방지될 수 없다. 본 발명이 근거로 하는 노하우에 따르면, 이는 무엇보다도, 실리콘 나이트라이드 및 알루미늄 옥사이드의 서로 상당히 다른 열팽창계수에 기인한다(각각, 3.0x10-6K-1, 8x10-6K-1). 열팽창계수의 이러한 차이는 예를 들어, 알루미늄 옥사이드 세라믹의 중간층을 연소시키거나 소결하는 동안, 그러나, 금속 피복의 접합 중에도(DCB법), 중간층에 크랙 형성을 야기하여, Cu/Cu2O 공정 및 실리콘 나이트라이드 세라믹 간의 상술한 반응이 이러한 크랙을 통해 이루어질 수 있다.
더욱이, 순수 실리콘 옥사이드(SiO2)로 제조된 적어도 하나의 중간층을 제공하고, 그 후, DCB법을 이용하여 금속 피복을 도포하는 기법이 알려져 있다(EP 0 499 589호). 이 절차는, DCB법에 요구되는 공융 멜트가 SiO2와 반응하여 액체 Cu2O-SiO2를 생성함에 따라, 유용한 결과를 역시나 생성하지 못한다. 따라서, SiO2 중간층은 DCB법을 이용하여 금속 피복의 도포에 사용될 수 없다.
본 발명에 의해 처리되는 문제점은 실리콘 나이트라이드 세라믹의 기본적 장점을 유지하면서, 상술한 단점들을 회피하는 금속/세라믹 기판을 제시하는 데 있다. 이 문제점을 해결하기 위해, 청구항 제1항에 따른 금속/세라믹 기판이 형성된다. 금속/세라믹 기판의 제조 방법이 청구항 제26항의 주제다. 추가적인 실시예가 종속항의 주제다.
지르코늄 옥사이드 및/또는 실리케이트, 특히 지르코늄-실리케이트(ZrSiO4) 및/또는 티타늄 실리케이트 및/또는 하프늄 실리케이트가 중간층용으로 특히 적합하다.
가능하다면 소결 첨가제(가령, 희토류 원소)에 추가하여, 기본층 및/또는 중간층을 형성하는 실리콘 나이트라이드 세라믹은 Li2O, TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2O3, ZrO2, CuO, Cu2O 등과 같은 옥사이드 성분들을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 성분들의 적어도 두가지의 조합이 추가적인 산화물 성분으로 또한 사용될 수 있으며, 이러한 경우에 이러한 추가 산화물 성분의 비율은 중간층 총 중량 대비 최대 20중량%다. 이러한 추가적인 산화물 성분을 이용하여, 다른 것 중에서도 중간층의 성질이 연화점과 관련하여 조정되거나 구체적으로 제어될 수 있다. 더욱이, DCB 프로세스 중 구리 옥사이드(특히 Cu2O)의 반응이 이러한 추가 성분으로 또한 억제될 수 있으며, 이는 가용성의 반응 산물로 나타날 수 있다. 중간층의 희토류 원소는 중간층 연소 중 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층으로부터의 확산으로 인해 또한 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 기판은 세라믹 물질 상에 금속 피복의 높은 접착 또는 박리 강도를 나타낸다. 본 발명에 따른 기판의 추가적인 장점은 중간층이 300 GPa 미만의 탄성계수를 가져서, 알루미늄 옥사이드의 경우 390 GPa의 비교적 높은 탄성계수에 반해, 실리콘 나이트라이드 세라믹과 금속 피복의 금속의 열팽창계수 차이의 최적 균형이 달성된다는 것이다.
중간층의 탄성 계수가 낮다는 것은, 특히, 매우 두꺼운 금속 피복이 가능하다는 것을 의미하며, 즉, 실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 기본층 두께의 세배까지 가능하다는 것을 의미한다.
발명의 추가적인 실시예에서, 기판은 예를 들어, 아래와 같은 방식으로 설계된다.
- 실리케이트층의 실리케이트는 지르코늄 실리케이트, 티타늄 실리케이트, 하프늄 실리케이트 중 적어도 하나다.
- 상기 적어도 하나의 중간층의 열팽창계수가 6x10-6K-1보다 작거나 같다.
- 상기 적어도 하나의 중간층 내 자유 실리콘 옥사이드의 비율은 중간층과 금속 피복 간의 접합에 가까운 위치에서 무시할 수 있을 만큼 작다.
- 상기 적어도 하나의 중간층 내 자유 실리콘 옥사이드의 비율은 중간층과 금속 피복 간의 접합 영역에서 0과 동일하거나 0에 근사한다.
- 실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 적어도 하나의 기본층(5)의 각각의 표면 측부 상에 적어도 하나의 중간층이 제공된다.
- 적어도 하나의 금속 피복이 중간층 각각에 도포된다.
- 세라믹층의 층 순서 및 두께와 관련하여, 세라믹 물질의 표면 측부에 평행하게 이어지는 중앙면에 대칭으로 세라믹 물질이 형성된다.
- 중간층 및 금속 피복의 두께를 포함한, 층의 두께와 층 순서 중 적어도 하나와 관련하여, 기판의 표면 측부에 평행하게 이어지는 중앙면에 대칭으로 세라믹 물질이 형성된다.
- 적어도 하나의 중간층에 사용되는 물질은 300 GPa 미만의 탄성계수를 갖고, 특히 100 내지 300 GPa 범위 내의 탄성계수를 갖는다.
- 적어도 하나의 중간층의 두께는
1) 중간층을 지지하는 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층의 두께보다 작거나,
2) 적어도 하나의 금속 피복의 두께보다 작거나,
3) 중간층을 지지하는 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층의 두께보다 작으면서, 적어도 하나의 금속 피복의 두께보다 작다.
- 적어도 하나의 금속 피복의 두께는 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층의 두께의 세배보다 작거나 같다.
- 적어도 하나의 중간층의 두께는 0.1 내지 10 마이크로미터의 범위 내에 있다.
- 적어도 하나의 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층의 두께는 0.1 내지 2mm 범위 내에 있다.
- 적어도 하나의 금속 피복의 두께는 0.5 내지 1 mm 범위 내에 있다.
- 적어도 하나의 구리 금속 피복이 구리 합금으로 제조된다.
- 기본층과 적어도 하나의 중간층 중 적어도 하나는, 특히, 적어도 하나의 희토류 원소 형태로, 소결 보조제를 함유한다.
- 적어도 하나의 중간층의 세라믹은 Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, Gd의 옥사이드를, 또는, 이 옥사이드들의 2가지 이상의 혼합물을 소결 보조제로 함유한다.
- 상기 소결 보조제의 비율은 1.0 내지 8.0 중량% 범위 내에 있는
- 적어도 하나의 중간층은 Li2O, TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2O3, ZrO2, CuO, Cu2O 중에서 적어도 하나의 옥사이드 성분을 추가 성분으로 함유하고, 상기 추가 성분의 비율은 중간층 총중량 대비 최대 20 중량%다.
- 실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 적어도 하나의 기본층은 45W/mK보다 큰 열전도율을 갖는다.
- 세라믹 물질에 대한 적어도 하나의 금속 피복의 접착 또는 박리 강도가 40N/cm보다 크다.
- 적어도 하나의 중간층과 인접한 금속 피복의 사이에 적어도 하나의 땜납층이 제공된다.
- 상기 땜납층은 땜납으로 적합한 기본 구성요소와 활성 물질을 포함하며, 상기 활성 물질은 Ti, Hf, Zr, Nb, Ce 중 적어도 하나를 포함한다.
- 상기 기판의 외측 치수가 80mm x 80mm보다 크고, 바람직한 경우 100mm x 150mm보다 크며, 이러한 경우에 기판의 상술한 특징들이 각각 개별적으로 제공될 수도 있고 임의의 조합을 통해 제공될 수도 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 기판 제조 방법은 예를 들어, 다음과 같은 방식으로 실행된다.
- 지르코늄 옥사이이드와 실리케이트층 중 적어도 하나로 제조된 층이 중간층용으로 사용되고, 중간층의 열팽창 계수는 6x10-6K-1보다 작거나 같으며, 중간층과 금속 피복 사이의 접합부 가까이에서, 또는, 중간층과 금속 피복 사이의 천이 영역에서 자유 실리콘 옥사이드의 비율이 무시할 수 있을 만큼 작다.
- 중간층과 금속 피복 사이의 접합부 가까이에서, 또는, 중간층과 금속 피복 사이의 천이 영역에서 적어도 하나의 중간층내 자유 실리콘 옥사이드의 비율이 0과 같거나 0에 근사하도록 중간층이 형성된다.
- 적어도 하나의 기본층의 2개의 측부 표면 상에 중간층이 각각 제공되고, 적어도 하나의 금속 피복이 각각의 중간층에 도포된다.
- 적어도 하나의 중간층의 두께는
1) 기본층의 두께보다 작거나,
2) 적어도 하나의 금속 피복의 두께보다 작거나,
3) 기본층의 두께보다 작으면서, 적어도 하나의 금속 피복의 두께보다 작다.
- 기본층의 두께의 세배보다 작거나 같은 두께를 갖는 금속 포일이적어도 하나의 금속 피복용으로 사용된다.
- 적어도 하나의 금속 피복의 두께는 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층의 두께의 세배보다 작거나 같다.
- 적어도 하나의 중간층의 두께는 0.1 내지 10 마이크로미터의 범위 내에 있다.
- 적어도 하나의 희토류 원소의 형태로 적어도 하나의 소결 보조제를 함유한 물질이 기본층과 중간층 중 적어도 하나를 위해 사용되며, 소결 보조제의 비율은 1.0 내지 8.0 중량% 범위 내에 있다.
- 적어도 하나의 중간층은 Li2O, TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2O3, ZrO2, CuO, Cu2O 중에서 적어도 하나의 옥사이드 성분을 추가 성분으로 함유하는 물질이 적어도 하나의 중간층용으로 사용되고, 상기 추가 성분의 비율은 중간층 총중량 대비 최대 20 중량%다.
- 기본층은 중간층을 형성하는 물질로 적어도 하나의 표면 측부 상에서 코팅되고, 이 코팅은 1200 내지 1680℃ 범위 내의 온도에서 연소되거나 치밀 소결(dense sintering)된다.
- 연소 또는 치밀 소결(dense sintering)이 산화 분위기에서 이루어진다.
- 코팅은 졸-겔 프로세스에서, 또는, 수성 분산액으로부터의 디핑(dipping), 또는, 스프레잉에 의해 이루어진다.
- 코팅은 지르코늄 옥사이드와 실리케이트 중 적어도 하나를 함유한 마이크로-나노 분산 혼합물의 이용을 포함한다.
상술한 기판 제조 방법의 특징들이 개별적으로 이용될 수도 있고 임의의 조합으로 이용될 수도 있다.
추가적인 실시예에서, 본 발명의 장점 및 가용한 응용분야는 다음의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백하게 드러날 것이다. 이 경우에, 개별적으로 또는 조합하여 설명되거나 묘사되는 모든 특징들이 본 발명의 기본적인 주제다. 청구항의 기재 내용은 명세서의 일부분으로 구성된다.
본 발명이 예시적 실시예와 함께 도면을 이용하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 기판의 개략적 단면도.
도 2는 포일로부터 형성되고 세라믹 물질에 도포되는 금속 피복의 접착 또는 박리 강도를 결정하는 방법의 개략도.
도 3은 지르코늄 옥사이드 및/또는 적어도 하나의 실리케이트로 제조된 중간층에서 자유 실리콘 옥사이드(SiO2)의 분포 그래프.
도 4는 도 1과 유사한, 본 발명에 따른 기판의 추가적인 실시예 도면.
도 1에 도시되는 금속/세라믹 기판(1)은 판상형 세라믹 물질(2)로 구성되고, DCB법을 이용하여 2개의 표면 측부 각각 상에 두께 dm의 금속 포일(도시되는 실시예에서 구리 포일)에 의해 제공되는 금속 피복(3, 또는, 4)이 제공된다. 세라믹 물질(2)은 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 제조된 내측 세라믹 또는 기본층(5)을 포함하는 복수의 층으로 구성되고, 2개의 표면 측부 각각 상에 지르코늄 옥사이드 및/또는 적어도 하나의 실리케이트로 제조되는 중간층(6, 또는, 7)이 제공되어, 세마믹 물질(2)에 대한 금속 피복(3, 4)의 도포가, 금속 피복(3, 4)을 형성하는 구리의 높은 접착 강도와 함께 결함없이 DCB법을 이용하여 가능하게 된다.
기본층(5)은 두께 dc를 갖고, 예를 들어, 무엇보다도, Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, 및/또는 Gd의 옥사이드 형태로 소결 보조제를 또한 함유한다. 이러한 옥사이드 중 하나 이상의 조합이 소결 보조제로 또한 가능하며, Ho2O3 또는 Er2O3가 특히 사용된다. 중간층(5)에서 소결 보조제의 비율은 기본층(5)을 형성하는 세라믹의 총 중량 대비 1 내지 8 중량%의 범위 내에 있다.
도시되는 실시예에서, 2개의 금속 피복(3, 4)은 동일한 두께 dm을 가지며, 이는 두께 dc의 세배보다 작거나 같다. 그러나, 금속 피복(3, 4)의 두께는 일반적으로 0.1 내지 1 mm 범위 내에 있다. dc의 두께는 예를 들어, 0.1 내지 2 mm 범위 내에 있다.
기본층(5) 및 금속 피복(3, 4)에 비해 훨씬 얇은 중간층(6, 7)은 0.1 내지 10 마이크로미터의 두께를 갖고, 지르코늄 옥사이드 및/또는 적어도 하나의 실리케이트로 제조되며, 각 경우에 중간층(6, 7)은 자유 실리콘 옥사이드(SiO2)를 나타내지 않으며, 적어도, 이러한 금속 피복(3, 4)에 인접한 중간층(6, 7)의 영역에서, 자유로운 SiO2의 비율은 무시할만큼 작다.
지르코늄 옥사이드와 별도로, 지르코늄 실리케이트 및/또는 티타늄 실리케이트 및/또는 하프늄 실리케이트가 중간층(6, 7)용으로 또한 적합하며, 이러한 실리케이트는 6x10-6K-1보다 작거나 같은 열팽창계수를 갖는 실리케이트다. 다른 한편, 알루미늄 옥사이드(Al2O3)의 열팽창계수는 8x10-6K-1이다.
상술한 물질 중 여러 물질의 믹스처가 중간층(6, 7)용으로 또한 적합하고, 그러나 각각의 경우에, 300 GPa보다 작거나 같은 중간층의 탄성계수가 바람직하여, 금속 피복(3, 4)의 금속 또는 구리와 중간층(5)의 Si3N4 간의 서로 다른 열팽창계수 간의 소정의 균형이 각자의 중간층(6, 7)을 통해 달성될 수 있게 된다.
중간층(6, 7)용으로 상술한 물질을 이용함으로써, 이러한 요건들이 중간층의 팽창 거동 또는 탄성과 관련하여 최적으로 충족될 수 있다.
중간층(6, 7)은 추가 성분으로 Li2O, TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2O3, ZrO2, CuO, Cu2O로부터 하나 이상의 첨가제를 함유하는 것이 바람직하며, 관련 중간층의 중량 대비 20중량%의 최대 비율까지 함유하는 것이 바람직하다.
기판(1) 제작 중, 기본층(5)을 형성하는 실리콘 나이트라이드 세라믹(Si3N4 세라믹)으로 제조된 판이 기본 물질로 사용된다. 이는 그 후 적절한 방법을 이용하여 양 측부 상에서 코팅되어, 각각의 경우에 중간층용으로 적합한 성분을 이용하여 각각의 경우에 중간층(6, 7)을 형성하게 된다.
이러한 코팅에 여러가지 기술이 가용한 데, 예를 들어, 각각의 경우에 중간층을 형성하는 물질이 물과 같은 적절한 액체와 혼합되어, 판상형의 기본 물질의 표면 측부 상에 증착된다. 이 후, 각자의 중간층(6, 7)은 이전의 건조 이후 산화 분위기에서 1200 내지 1680℃ 범위 내의 온도에서 연소 및 치밀 소결(dense sintering)된다.
기본 물질의 코팅은 수성 분산액(aqueous dispersions)으로부터 스프레잉, 디핑(딥코팅(dipcoating), 스핀코팅(spincoating))에 의해 중간층(6, 7)의 물질을 함유한 나노-분산 혼합물을 이용하는 과정을 포함한다. 예를 들어, 졸-겔 프로세스같은, 다른 방법도 사용될 수 있다.
중간층(6, 7)이 도포되면, 금속 피복(3, 4)을 형성하는 금속 또는 구리 포일의 접합 또는 도포가, 잘 알려진 DCB법을 이용하여 수행된다.
기판(1)은 대형으로, 예를 들어, 80mm x 80mm보다 큰 치수, 바람직하게는 100mm x 150mm보다 큰 치수로 제조될 수 있어서, 추가적인 공정에 의해, 즉, 금속 피복(3, 4)을 복수 용도로 구성함으로써, 기판(1)으로 복수의 개별 기판의 제조가 가능하게 된다.
상술한 구조를 갖는 기판(1)은 실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 기본층(5)으로 인해 개선된 기계적 강도를 갖는다. 더욱이, 금속 피복(3, 4)과 세라믹 물질(2) 간의 결합에 결함이 생길 위험없이, 종래의 프로세스를 이용하여 구축된 DCB법을 통해 금속 피복(3, 4)을 접합하는 것이 가능하며, 이러한 결함은 세라믹 물질에 금속 피복을 접착시키는 데 심각한 영향을 미치며, 기판의 전기적 강도에 악영향을 미칠 수 있다.
앞서 설명한 구조를 갖는 기판(1)의 경우에, 세라믹 물질(2)에 대한 금속 피복의 충분히 우수한 부착이 달성된다. 이러한 접착 또는 박리 강도는 도 2에 도시되는 방법을 이용하여 측정된다. 설계 측면에서 기판(1)과 일치하는 테스트 시편(1.1)이 금속 피복(3) 및 중간층(6)만을 갖춘 형태로 앞서 설명한 방식으로 제조되며, 금속 피복(3)은 0.3mm의 두께 dm과 1cm의 폭을 갖는 스트립으로 제조된다. 테스트 시편(1.1)을 조이면서 스트립-형상 금속 피복의 상향-지향 단부(3.1) 상에 힘 F가 가해지며, 이러한 힘은 0.5cm/min의 속도로 세라믹 물질(2)로부터 스트립-형상 금속 피복(3)이 제거되도록 하는 크기다. 이를 위해 요구되는 힘 F는 접착 또는 박리 강도를 결정한다. 이는 앞서 설명한 설계의 기판(1)의 경우에 40N/cm보다 크다.
도 3의 그래프는 내층(5)으로부터 금속 피복(3, 4)까지 중간층(6, 7)의 자유 실리콘 옥사이드(SiO2)의 분포(곡선 A)를 도시한다. 곡선 A에서 제시되는 바와 같이, 자유 SiO2의 비율은 각자의 금속 피복(3, 또는 4)에 이르기까지 중간층을 형성하는 지르코늄 옥사이드 및/또는 실리케이트의 비율에 비해 날카롭게 떨어지며, 이 경우에 금속 피복 가까이서 자유 SiO2의 비율은 중간층의 총 중량 대비 0 중량%로 떨어진다. 가능하다면, 상술한 첨가제와 함께, 중간층을 형성하는 지르코늄 옥사이드 및/또는 실리케이트의 비율 분포가 도 3에 곡선 B로 표시된다.
도 4는 도 1과 유사한 추가적인 실시예로서, 금속 피복(3, 4)이 DCB법에 의해 세라믹 물질(2)에 도포되지 않으며, 반응성 납땜 방법을 이용하여 도포되는, 기판(1)과는 다른 기판(1a)을 갖는 실시예다. 이는 세라믹 물질에 도포되는 땜납층(8, 또는, 9)을 포함하며, 이는 2개의 중간층(6, 7)과 Si3N4의 기본층(5)으로 구성되며, 그 사이에는 각자의 금속 피복, 또는, 이러한 금속 피복을 형성하는 금속 또는 구리 포일이 세라믹 물질(2)과 2차원적으로 접착된다.
종래에 사용되는 물질, 예를 들어, Ti, Hf, Zr과 같은 활성 성분과, 구리/은과 같은 기본 성분 또는 땜납 성분을 함유한 땜납이 반응 땜납으로 적합하다. 기판(1a)의 제조는 세라믹 물질이 하나 또는 여러 가지의 이전 절차에서 최초에 제조되도록 이루어진다. 이 후, 금속 피복(3, 4) 도포가 종래의 반응성 납땜 기술을 이용하여 이루어지며, 반응형 땜납층(8, 9)이 페이스트 또는 포일로 도포된다.
스트립 전도체, 접촉면, 등의 제조를 위해, 금속/세라믹 기판이 종래의 기술(예를 들어, 잘 알려진 마스킹 및 에칭 기술)을 이용하여 통상적인 방식으로 구성된다.
본 발명은 예시적인 실시예를 이용하여 설명되었다. 본 발명을 뒷받침하는 기본 아이디어로부터 벗어남이 없이 수많은 변형 및 조정이 가능하다.

Claims (38)

  1. 다층 판상형 세라믹 물질(2)과, 상기 세라믹 물질(2)의 표면 측부 상에 제공되는 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)을 포함하는 금속/세라믹 기판에 있어서,
    상기 금속 피복(3, 4)은 직접 접합법에 의해 또는 반응성 납땜에 의해 상기 세라믹 물질에 접합되고, 상기 세라믹 물질은 실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 적어도 하나의 내층 또는 기본층(5)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)이 제공되는 상기 세라믹 물질(2)의 표면 측부는 적어도 하나의 기본층(5)에 도포되는 옥사이드 세라믹의 중간층(6, 7)으로부터 형성되며,
    상기 적어도 하나의 중간층(6, 7)이 지르코늄 옥사이드층과 실리케이트층 중 적어도 하나인
    금속/세라믹 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실리케이트층의 실리케이트는 지르코늄 실리케이트, 티타늄 실리케이트, 하프늄 실리케이트 중 적어도 하나인
    금속/세라믹 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층(6, 7)의 열팽창계수가 6x10-6K-1보다 작거나 같은
    금속/세라믹 기판.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층(6, 7) 내 자유 실리콘 옥사이드의 비율은 중간층(6, 7)과 금속 피복(3, 4) 간의 접합에 가까운 위치에서 무시할 수 있을 만큼 작은
    금속/세라믹 기판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층(6, 7) 내 자유 실리콘 옥사이드의 비율은 중간층과 금속 피복(3, 4) 간의 접합 영역에서 0과 동일하거나 0에 근사하는
    금속/세라믹 기판.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 적어도 하나의 기본층(5)의 각각의 표면 측부 상에 적어도 하나의 중간층(6, 7)이 제공되는
    금속/세라믹 기판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    적어도 하나의 금속 피복(3, 4)이 중간층(6, 7) 각각에 도포되는
    금속/세라믹 기판.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    세라믹층(5, 6, 7)의 층 순서 및 두께와 관련하여, 세라믹 물질의 표면 측부에 평행하게 이어지는 중앙면에 대칭으로 세라믹 물질(2)이 형성되는
    금속/세라믹 기판.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중간층(6, 7) 및 금속 피복(3, 4)의 두께를 포함한, 층의 두께와 층 순서 중 적어도 하나와 관련하여, 기판의 표면 측부에 평행하게 이어지는 중앙면에 대칭으로 세라믹 물질(2)이 형성되는
    금속/세라믹 기판.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)에 사용되는 물질은 300 GPa 미만의 탄성계수를 갖고, 특히 100 내지 300 GPa 범위 내의 탄성계수를 갖는
    금속/세라믹 기판.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)의 두께는
    1) 중간층을 지지하는 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층(5)의 두께(dc)보다 작거나,
    2) 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)의 두께(dm)보다 작거나,
    3) 중간층을 지지하는 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층(5)의 두께(dc)보다 작으면서, 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)의 두께(dm)보다 작은
    금속/세라믹 기판.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 금속 피복(3, 4)의 두께(dm)는 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층(5)의 두께(dc)의 세배보다 작거나 같은
    금속/세라믹 기판.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)의 두께는 0.1 내지 10 마이크로미터의 범위 내에 있는
    금속/세라믹 기판.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 실리콘 나이트라이드 세라믹 기본층의 두께(dc)는 0.1 내지 2mm 범위 내에 있는
    금속/세라믹 기판.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 금속 피복의 두께(dm)는 0.5 내지 1 mm 범위 내에 있는
    금속/세라믹 기판.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 구리 금속 피복이 구리 합금으로 제조되는
    금속/세라믹 기판.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기본층(5)과 적어도 하나의 중간층(6, 7) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 희토류 원소 형태로 소결 보조제를 함유하는
    금속/세라믹 기판.
  18. 제 17 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)의 세라믹은 Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, Gd의 옥사이드를, 또는, 이 옥사이드들의 2가지 이상의 혼합물을 소결 보조제로 함유하는
    금속/세라믹 기판.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 소결 보조제의 비율은 1.0 내지 8.0 중량% 범위 내에 있는
    금속/세라믹 기판.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)은 Li2O, TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2O3, ZrO2, CuO, Cu2O 중에서 적어도 하나의 옥사이드 성분을 추가 성분으로 함유하고, 상기 추가 성분의 비율은 중간층 총중량 대비 최대 20 중량%인
    금속/세라믹 기판.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 적어도 하나의 기본층은 45W/mK보다 큰 열전도율을 갖는
    금속/세라믹 기판.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    세라믹 물질에 대한 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)의 접착 또는 박리 강도가 40N/cm보다 큰
    금속/세라믹 기판.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)과 인접한 금속 피복(3, 4)의 사이에 적어도 하나의 땜납층(8, 9)이 제공되는
    금속/세라믹 기판.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 땜납층은 땜납으로 적합한 기본 구성요소와 활성 물질을 포함하며, 상기 활성 물질은 Ti, Hf, Zr, Nb, Ce 중 적어도 하나를 포함하는
    금속/세라믹 기판.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 외측 치수가 80mm x 80mm보다 크고, 바람직한 경우 100mm x 150mm보다 큰
    금속/세라믹 기판.
  26. 실리콘 나이트라이드 세라믹으로 제조된 적어도 하나의 내층 또는 기본층(5)을 포함하는 다층 판상형 세라믹 물질(2)과, 상기 세라믹 물질(2)의 표면 측부 상에 제공되는 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)을 갖는 금속/세라믹 기판을 제조하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 금속 피복(3, 4)이 제공될 상기 기본층(5)의 표면 측부 상에 중간층(6, 7)이 형성되고, 상기 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)은 적어도 하나의 금속층 또는 포일의 반응성 납땜 또는 직접 접합법(DCB)에 의해 중간층에 도포되며,
    상기 적어도 하나의 중간층(6, 7) 용으로 지르코늄 옥사이드층과 실리케이트층 중 적어도 하나가 사용되는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    지르코늄 옥사이이드와 실리케이트층 중 적어도 하나로 제조된 층이 중간층(6, 7)용으로 사용되고, 중간층(6, 7)의 열팽창 계수는 6x10-6K-1보다 작거나 같으며, 중간층(6, 7)과 금속 피복(3, 4) 사이의 접합부 가까이에서, 또는, 중간층(6, 7)과 금속 피복(3, 4) 사이의 천이 영역에서 자유 실리콘 옥사이드(SiO2)의 비율이 무시할 수 있을 만큼 작은
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    중간층(6, 7)과 금속 피복(3, 4) 사이의 접합부 가까이에서, 또는, 중간층(6, 7)과 금속 피복(3, 4) 사이의 천이 영역에서 적어도 하나의 중간층(6, 7) 내 자유 실리콘 옥사이드(SiO2)의 비율이 0과 같거나 0에 근사하도록 중간층(6, 7)이 형성되는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  29. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서,
    적어도 하나의 기본층(5)의 2개의 측부 표면 상에 중간층(6, 7)이 각각 제공되고, 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)이 각각의 중간층(6, 7)에 도포되는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  30. 제 26 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)의 두께는
    1) 기본층(5)의 두께(dc)보다 작거나,
    2) 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)의 두께(dm)보다 작거나,
    3) 기본층(5)의 두께(dc)보다 작으면서, 적어도 하나의 금속 피복(3, 4)의 두께(dm)보다 작은
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  31. 제 26 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기본층의 두께(dc)의 세배보다 작거나 같은 두께(dm)를 갖는 금속 포일이적어도 하나의 금속 피복(3, 4)용으로 사용되는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  32. 제 26 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)의 두께는 0.1 내지 10 마이크로미터의 범위 내에 있는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  33. 제 26 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 희토류 원소의 형태로 적어도 하나의 소결 보조제를 함유한 물질이 기본층(5)과 중간층(6, 7) 중 적어도 하나를 위해 사용되며, 소결 보조제의 비율은 1.0 내지 8.0 중량% 범위 내에 있는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  34. 제 26 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간층(6, 7)은 Li2O, TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2O3, ZrO2, CuO, Cu2O 중에서 적어도 하나의 옥사이드 성분을 추가 성분으로 함유하는 물질이 적어도 하나의 중간층(6, 7)용으로 사용되고, 상기 추가 성분의 비율은 중간층 총중량 대비 최대 20 중량%인
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  35. 제 26 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기본층(5)은 중간층(6, 7)을 형성하는 물질로 적어도 하나의 표면 측부 상에서 코팅되고, 이 코팅은 1200 내지 1680℃ 범위 내의 온도에서 연소되거나 치밀 소결(dense sintering)되는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    연소 또는 치밀 소결(dense sintering)이 산화 분위기에서 이루어지는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  37. 제 35 항 또는 제 36 항에 있어서,
    코팅은 졸-겔 프로세스에서, 또는, 수성 분산액으로부터의 디핑(dipping), 또는, 스프레잉에 의해 이루어지는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
  38. 제 26 항 내지 제 37항 중 어느 한 항에 있어서,
    코팅은 지르코늄 옥사이드와 실리케이트 중 적어도 하나를 함유한 마이크로-나노 분산 혼합물의 이용을 포함하는
    금속/세라믹 기판 제조 방법.
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