KR20120061089A - 금속접합 세라믹기판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속접합 세라믹기판에 관한 것이다. 본 발명은 표면에 금속층이 접합되어 회로패턴을 형성하고, 금속층이 다수개가 열 및 행으로 배치되는 금속접합 세라믹기판에 관한 것이다. 본 발명에서는 금속층의 외곽에 위치하도록 세라믹기판의 적어도 일면에 가장자리를 따라 추가 금속층이 형성된다. 그리고, 금속층과 추가 금속층의 경계의 연장선에 해당하는 부분에는 연결부 또는 연결홈이 구비되어 추가 금속층의 강성을 유지하는 역할을 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 세라믹기판의 가장자리 부분에서 자동화 공정 중에 발생할 수 있는 원하지 않은 파손이 발생될 가능성이 최소화되는 효과가 있다.

Description

금속접합 세라믹기판{Metal-bonded ceramic substrate}
본 발명은 세라믹기판에 관한 것으로, 세라믹재료의 높은 취성으로 인해 공정 중 발생할 수 있는 파손을 방지하기 위해 최외곽 구리회로의 설계변경을 통하여 하여 반도체 소자 실장공정의 생산성 향상과 공정효율을 높인 금속접합 세라믹기판에 관한 것이다
종래부터 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 금속이 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4)와 같은 세라믹 소재의 기판에 접합된, 소위 금속접합 세라믹기판이 광범위하게 보급되어 반도체장치의 구성부품으로서 사용되고 있다.
세라믹기판과 금속회로판을 일체로 접합하는 방법으로서, 구리와 같은 금속을 세라믹기판에 접촉 배치한 후 구리의 융점(1083℃)보다는 낮고 구리 및 산소의 공융점(1065℃)보다는 높은 온도로 가열하여 구리판을 기판에 직접 접합시키는 직접접합(Direct bonding copper: DBC)방법이 개발되어 상용화되고 있으며, 최근 들어 보다 많은 열방출 및 강한 기계적인 접합물성을 유지하기 위해 금속회로기판을 납재층을 통하여 접합하는 활성 금속법에 의해 제조된 세라믹 회로기판 역시 개발되어 고신뢰성을 요구하는 전력반도체에 적용되고 있다.
상기 금속접합 세라믹기판은 최근 들어 제조 시에 대형 세라믹기판에 금속판을 접합 시킨 후 원하고자 하는 회로패턴을 인쇄회로기판의 일반적인 패턴구현방식인 화학적으로 금속을 에칭시키는 공법에 의해 구현한다. 이러한 방법은 여러 개의 배열의 회로기판을 동시에 제조할 수 있으며 최종적으로 이산화탄소 등의 레이저 가공을 통해 개별 제품으로 절단하여 사용된다.
이와 같이 개발된 금속접합 세라믹기판은 일반적으로 개별 회로기판으로 절단되어 반도체를 실장하는 이후 공정을 거치지만 반도체를 실장하는 공정의 생산성 및 작업효율을 높이기 위해서 개별 회로기판이 아닌 레이저로 가공된 복합 배열의 기판을 생산하는 데에 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만, 이러한 복합배열의 금속접합 세라믹기판은 레이저로 가공된 상태에서 사용되기 때문에 세라믹재료의 특성상 공정 중 작은 충격에 의해서도 크랙이 발생하여 파손이 되기 쉽다. 따라서 대량생산을 위해 자동화 공정에서 파손으로 인한 불량이 발생되지 않는 기판의 형태에 대해서 연구가 진행되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속접합 세라믹기판에 반도체 실장공정의 자동화를 위한 공정적용 시에 원하지 않은 파손 발생을 효과적으로 방지할 수 있도록 강화된 복합배열의 금속접합 세라믹기판을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 표면에 금속층이 접합되어 회로패턴을 형성하고, 상기 금속층은 다수개가 열 및 행으로 배치되는 금속접합 세라믹기판에 있어서, 상기 금속층이 접합되는 세라믹기판과; 상기 금속층의 외곽에 위치하도록 상기 세라믹기판의 적어도 일면에 가장자리를 따라 형성되는 추가 금속층과; 상기 금속층과 추가 금속층의 경계의 연장선에 해당하는 부분에 구비되고, 상기 추가 금속층보다 상대적으로 작은 폭을 가진 연결부를 포함한다.
상기 금속층의 사이 및 상기 금속층과 추가 금속층의 사이에는 적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성됨을 특징으로 한다.
상기 절단 라인은 상기 금속층의 가장자리에 형성된 외부 절단 라인과 상기 금속층의 사이에 형성된 내부 절단 라인으로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 세라믹기판은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 또는 질화규소(Si3N4)의 세라믹소재로 만들어지고, 상기 금속층 및 추가 금속층은 구리 또는 알루미늄으로 만들어짐을 특징으로 한다.
상기 연결부는 상기 추가 금속층의 폭의 0.1 내지 0.9 를 가지도록 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 표면에 금속층이 접합되어 회로패턴을 형성하고, 상기 금속층은 다수개가 열 및 행으로 배치되는 금속접합 세라믹기판에 있어서, 상기 금속층이 접합되는 세라믹기판과; 상기 금속층의 외곽에 위치하도록 상기 세라믹기판의 적어도 일면에 가장자리를 따라 형성되는 추가 금속층을 포함하고, 상기 금속층과 추가 금속층의 경계의 연장선에 해당하는 부분에는 일정한 깊이로 연결홈이 형성됨을 특징으로 한다.
상기 연결홈의 깊이는 상기 추가 금속층의 두께의 0.1 내지 0.9 를 가지도록 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 세라믹기판의 가장자리 부분에서 자동화 공정 중에 발생할 수 있는 원하지 않은 파손이 발생될 가능성이 최소화되는 효과가 있다. 또한, 금속접합 세라믹기판의 분리 시에도 공정에서 요구되는 힘의 범위를 금속층의 폭 또는 깊이를 조절함으로써 적정하게 유지시킬 수 있으므로 자동화가 필요한 파워모듈의 산업 분야에 효과적으로 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속접합 세라믹기판을 보인 평면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속접합 세라믹기판을 보인 평면도.
도 3은 도 2의 선 Ⅰ-Ⅰ에 따른 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 금속접합 세라믹기판에서 금속층 부분이 절단된 것을 보인 도면.
이하 본 발명에 의한 금속접합 세라믹기판의 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속접합 세라믹기판을 보인 평면도이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 세라믹기판(10)에는 표면에 금속층(20)이 접합되어 회로패턴을 형성하고, 상기 금속층(20)은 다수개가 열 및 행으로 배치된다. 상기 금속층(20)은 상술한 바와 같이 구리와 같은 금속을 세라믹기판(10)에 접촉 배치한 후 구리의 융점(1083?)보다는 낮고 구리 및 산소의 공융점(1065?)보다는 높은 온도로 가열하여 구리판을 기판에 직접 접합시키는 직접접합(Direct bonding copper: DBC)방법에 의한 형성될 수 있다.
참고로, 상기 세라믹기판(10)의 양면에는 상기 금속층(20)이 모두 접합될 수도 있고, 일면에만 금속층(20)이 접합될 수도 있다. 또한, 상기 세라믹기판(10)의 양면에 금속층(20)이 접합된 경우에는 각 면에 접합된 금속층(20)의 회로패턴이 서로 다르게 형성될 수 있다.
한편, 상기 금속층(20)의 외곽에는 회로패턴을 형성하지 않는 추가 금속층(22)이 형성된다. 상기 추가 금속층(22)은 실질적으로 반도체 장비 등에 사용되는 부분은 아니고, 금속접합 세라믹기판의 강성을 높이기 위해 구비된 부분으로서 금속층(20) 부분이 절단된 후에 버려지는 부분이다. 상기 추가 금속층(22)은 상기 금속층(20)의 외곽을 감싸는 스트랩 형상을 가진다.
이와 같이 상기 추가 금속층(22)이 구비됨으로써 세라믹기판(10)의 치수 정밀도가 개선되고 열처리 시 온도편차를 줄여 반도체 칩의 접합특성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 설명하면, 상기 추가 금속층(22)으로 인하여 가운데 부분(금속층이 형성된 부분)과 동일한 조건으로 에칭이 될 수 있어 치수 정밀도가 개선될 수 있다. 또한, 열처리 시 세라믹기판(10)이 받는 온도의 편차에 따라서 납재층의 녹는 정도의 차이가 발생하게 되는데, 세라믹기판(10)의 폭방향으로 온도분포가 비교적 균일하게 나타날 수 있다.
상기 세라믹기판(10), 금속층(20) 및 추가 금속층(22)은 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹기판(10)은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4) 등의 세라믹소재로 만들어지고, 상기 금속층(20) 및 추가 금속층(22)은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)으로 만들어진다.
한편, 본 실시예에서 상기 추가 금속층(22)의 가장자리에는 대략 직사각형 형상의 모서리부(24)가 구비된다. 그리고, 상기 모서리부(24)와 추가 금속층(22)을 연결하는 부분에 연결부(26)가 형성된다.
상기 연결부(26)는 실질적으로 상기 추가 금속층(22)을 가공한 것으로서, 상기 모서리부(24)와 추가 금속층(22)의 사이에 상대적으로 작은 폭으로 형성된 부분이다. 상기 연결부(26)는 상기 금속층(20)과 추가 금속층(22)의 경계의 연장선 상에 형성된다. 즉, 상기 연결부(26)는 상기 세라믹기판(10)에 형성된 절단 라인(30)의 연장선 상에 위치한다.
그리고, 상기 연결부(26)는 상기 추가 금속층(22)보다 상대적으로 작은 폭을 가지는데, 본 실시예에서는 상기 연결부(26)가 추가 금속층(22)의 폭의 0.1 내지 0.9 를 가지도록 형성됨이 바람직하다. 상기 연결부(26)의 폭이 추가 금속층(22)의 0.1 미만이 되면 상기 연결부(26)가 쉽게 끊어질 수 있기 때문에 세라믹기판(10)의 가장자리 영역에서 원하지 않은 파손(unwanted breaking)이 발생할 수 있고, 0.9 를 초과하면 연결부(26)가 잘 휘어지지 않아 금속층(20) 부분을 분리, 절단하는 것이 어렵기 때문이다. 여기에서 제시한 연결부(26)의 폭은 일 예에 불과한 것으로서, 추가 금속층(22)의 재질, 강성 등의 특성에 따라 변경될 수 있음은 당연하다.
이상의 내용을 살펴볼 때, 상기 연결부(26)는 외부에서 가하는 외력에 의하여 휘어질 수는 있으나, 외력에 의해 절단되지 않을 수 있을 정도의 폭을 가지도록 설계하는 것이 필요하다.
한편, 상기 금속층(20)의 사이에는 각각 절단 라인(30)이 형성되어 있다. 또한, 상기 절단 라인(30)은 금속층(20)과 추가 금속층(22)의 사이에도 형성된다. 상기 절단 라인(30)은 금속층(20)을 각각 절단하기 쉽게 하기 위해 형성된 부분이다.
이상에서 설명한 실시예에 의하면, 추가 금속층(22)의 모서리부(24) 측에 연결부(26)를 형성함으로써 세라믹기판(10)의 가장자리 영역의 강성이 확보되어 가장자리 영역에서 원하지 않은 파손이 발생하는 것이 방지될 수 있다. 또한, 상기 연결부(26)의 폭의 적절한 설계를 통해 보다 쉽게 금속층(20) 부분이 분리될 수 있도록 조절하는 것도 가능하다.
다음으로, 본 발명에 의한 금속접합 세라믹기판의 다른 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속접합 세라믹기판을 보인 평면도이고, 도 3은 도 2의 선 Ⅰ-Ⅰ에 따른 단면도이다. 참고로, 본 실시예에서 상술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하였고, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이들 도면에 도시된 바에 따르면, 본 실시예에서는 모서리부(24)와 추가 금속층(22) 사이에 경계영역에 연결홈(28)이 형성된다. 상기 연결홈(28)은 상기 모서리부(24)와 추가 금속층(22)의 경계영역에 해당하는 부분을 소정 깊이만큼 요입하여 형성한 것이다. 상기 연결홈(28)은 상기 연결부(26)와 마찬가지로 상기 세라믹기판(10)의 가장자리 영역의 강성을 향상시키기 위해 형성된 부분이다. 이와 같이 상기 연결홈(28)이 형성됨으로써 상기 금속층(20)과 추가 금속층(22)이 연결된 상태를 유지할 수 있고, 반면에 추가 금속층(22)을 절단하고자 할 때에는 연결홈(28)으로 인하여 세라믹기판(10)이 보다 잘 휘어질 수 있다.
상기 연결홈(28)은 도 3에 도시된 바와 같이 추가 금속층(22)의 두께(H)보다 상대적으로 작은 깊이(h)를 가지고, 소정의 폭(W)을 가진다. 여기에서, 상기 연결홈(28)의 깊이(h)는 바람직하게 추가 금속층(22)의 두께(H)의 0.1 내지 0.9 를 가지도록 형성됨이 바람직하다. 상기 연결홈(28)의 깊이(h)가 추가 금속층(22)의 0.1 미만이 되면 연결된 부분이 쉽게 끊어질 수 있기 때문에 세라믹기판(10)의 가장자리 영역에서 원하지 않은 파손(unwanted breaking)이 발생할 수 있고, 0.9 를 초과하면 연결부가 잘 휘어지지 않아 금속층(20) 부분을 분리, 절단하는 것이 어렵기 때문이다. 여기에서 제시한 연결홈(28)의 깊이는 일 예에 불과한 것으로서, 추가 금속층(22)의 재질, 강성 등의 특성에 따라 변경될 수 있음은 당연하다.
참고로, 실험을 통하여 상기 추가 금속층(22)의 두께(H)가 0.3mm 일 때에는 상기 연결홈(28)의 깊이(h)는 0.05mm 내지 0.25mm 를 가지고 폭(W)은 0.1mm 내지 0.5mm 를 가지는 것이 적절하다는 것을 확인하였다.
이상에서 설명한 실시예에 의하면, 추가 금속층(22)의 모서리부(24) 측에 연결홈(28)을 형성함으로써 세라믹기판(10)의 가장자리 영역의 강성이 확보되어 가장자리 영역에서 원하지 않은 파손이 발생하는 것이 방지될 수 있다. 그리고, 상기 연결홈(28)의 폭의 적절한 설계를 통해 보다 쉽게 금속층(20) 부분이 분리될 수 있도록 조절하는 것도 가능하다. 또한, 상술한 바와 같이 상기 연결부(26)는 추가 금속층(22)의 폭의 0.1 내지 0.9 를 가지고 연결홈(28)의 깊이(h)는 추가 금속층(22)의 두께의 0.1 내지 0.9 를 가지는데, 본 실시예에서는 상기한 범위 내에서 다양한 조합에 의하여 연결부(26) 및 연결홈(28)의 설계가 가능할 것이다.
이상에서 설명한 실시예들을 종합하여 보면, 본 발명에 의한 금속접합 세라믹기판은 최종제품으로의 절단을 위해서 인위적으로 힘을 가할 때 분리가 가능하여야 하고, 또한 제조공정 중에 연결부위에서 파손이 발생하지 않아야 한다. 이러한 설계사양은 상기 연결부(26) 및 연결홈(28)의 폭, 두께 등을 변경함으로써 만족시킬 수 있다. 하기 [표 1] 및 [표 2]는 상기 연결부(26) 및 연결홈(28)의 폭, 두께에 따른 파손도(breakability)를 측정한 데이터이다. 참고로, 추가 금속층의 폭은 8mm 이고, 두께는 0.3mm 이다.
연결부의 폭 파손도
1 0mm 23.68N
2 0.4mm 23.25N
3 0.8mm 24.05N
4 2.0mm 25.42N
5 3.0mm 28.62N
6 4.0mm 31.65N
7 5.0mm 35.35N
8 6.0mm 36.58N
9 7.2mm 37.25N
10 7.6mm 37.23N
11 8.0mm 38.48N
연결홈의 깊이 파손도
1 0mm 38.48N
2 0.03mm 38.25N
3 0.05mm 38.56N
4 0.10mm 35.33N
5 0.15mm 32.25N
6 0.20mm 29.65N
7 0.24mm 27.58N
8 0.27mm 25.55N
9 0.30mm 23.68N
이상의 표에서 알 수 있듯이, 상기 연결부(26)의 폭 및 연결홈(28)의 깊이에 따라서 세라믹기판(10)의 파손에 필요한 힘의 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 연결부(26)의 폭이 커질수록 파손도가 증가하고 연결홈(28)의 깊이가 깊어질수록 파손도는 감소한다. 이는 차후 공정에서 요구되는 공정조건에 따라서 다른 설계가 적용되어 요구하는 힘의 양을 다르게 적용한다면 공정 중의 깨짐을 방지하고 최종 분리작업 시에 요구되는 절단 상태로 조절이 가능할 것이다.
다음으로, 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 금속접합 세라믹기판에서 금속층 부분이 절단된 것을 보인 도면이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 금속접합 세라믹기판은 자동화 공정에 의해 도 4a와 같이 제조된다. 이와 같이 제조된 상태에서 상기 금속층(20) 부분을 반도체 공정에 사용하기 위해 가장자리에 위치한 추가 금속층(22) 부분을 절단하는 공정이 필요하다.
이때, 바람직하게는 상기 연결부(26) 및 연결홈(28) 부분이 외력에 의해 휘어지기는 하나 절단이 되지 않도록 폭 및 두께가 설계된다. 그러므로, 상기 추가 금속층(22) 부분을 절단하기 위해 외력을 가하는 과정에서 상기 연결부(26) 및 연결홈(28)은 절단되지 않고, 내측에 위치한 금속층(20) 부분만 도 4b와 같이 절단될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 세라믹기판 20: 금속층
22: 추가 금속층 24: 모서리부
26: 연결부 28: 연결홈
30: 절단 라인

Claims (10)

  1. 표면에 금속층이 접합되어 회로패턴을 형성하고, 상기 금속층은 다수개가 열 및 행으로 배치되는 금속접합 세라믹기판에 있어서,
    상기 금속층이 접합되는 세라믹기판과;
    상기 금속층의 외곽에 위치하도록 상기 세라믹기판의 적어도 일면에 가장자리를 따라 형성되는 추가 금속층과;
    상기 금속층과 추가 금속층의 경계의 연장선에 해당하는 부분에 구비되고, 상기 추가 금속층보다 상대적으로 작은 폭을 가진 연결부를 포함하는 금속접합 세라믹기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층의 사이 및 상기 금속층과 추가 금속층의 사이에는 적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성됨을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 절단 라인은 상기 금속층의 가장자리에 형성된 외부 절단 라인과 상기 금속층의 사이에 형성된 내부 절단 라인으로 구성됨을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹기판은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 또는 질화규소(Si3N4)의 세라믹소재로 만들어지고, 상기 금속층 및 추가 금속층은 구리 또는 알루미늄으로 만들어짐을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 추가 금속층의 폭의 0.1 내지 0.9 를 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  6. 표면에 금속층이 접합되어 회로패턴을 형성하고, 상기 금속층은 다수개가 열 및 행으로 배치되는 금속접합 세라믹기판에 있어서,
    상기 금속층이 접합되는 세라믹기판과;
    상기 금속층의 외곽에 위치하도록 상기 세라믹기판의 적어도 일면에 가장자리를 따라 형성되는 추가 금속층을 포함하고,
    상기 금속층과 추가 금속층의 경계의 연장선에 해당하는 부분에는 일정한 깊이로 연결홈이 형성됨을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속층의 사이 및 상기 금속층과 추가 금속층의 사이에는 적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성됨을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 절단 라인은 상기 금속층의 가장자리에 형성된 외부 절단 라인과 상기 금속층의 사이에 형성된 내부 절단 라인으로 구성됨을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 세라믹기판은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 또는 질화규소(Si3N4)의 세라믹소재로 만들어지고, 상기 금속층 및 추가 금속층은 구리 또는 알루미늄으로 만들어짐을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결홈의 깊이는 상기 추가 금속층의 두께의 0.1 내지 0.9 를 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 금속접합 세라믹기판.
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