KR20120108446A

KR20120108446A - 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판

Info

Publication number: KR20120108446A
Application number: KR1020110026311A
Authority: KR
Inventors: 조용수; 최홍락; 정재웅; 두세한나; 최익진
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-10-05

Abstract

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 LED 패키지를 포함하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판이 제공되는데, 상기 기판은 유리 50~60 wt% 및 Al₂O₃ 및 SiC 휘스커 50~40 wt%로 이루어지며, 이때 SiC 휘스커는 최대 15 wt% 함유되고, 15 W/mK 이상의 열전도율 및 300 MPa 이상의 굽힘 강도(flexural strength)를 나타내는 것을 특징으로 한다.

Description

전자 패키지용 복합체 세라믹 기판{COMPOSITE CERAMIC SUBSTRATE FOR ELECTRONIC PACKAGE}

본 발명은 전자 패키지용 기판에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고강도 및 고방열 특성을 갖는 신규 조성의 복합체 세라믹으로 이루어진 LED와 같은 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판에 관한 것이다.

최근, 외관 및 가시성 등과 같은 특성이 통합된 이동통신 단말기, 카메라 등과 같은 전자 장치 상에 실장되는 디스플레이에 대한 요구가 있다. 이러한 디스플레이의 발광 장치의 광원으로서 높은 시각 효과를 제공하고 또 적은 전력을 소모하는 LED(Light Emitting Diode)가 각광받고 있으며, 기판 표면 상에 실장된 LED를 갖는 칩 LED 패키지의 사용이 증대되고 있다.

LED가 많은 장점을 갖고 있으나, LED로부터 많은 열이 발생된다. 따라서, LED 패키지용 기판의 경우 LED로부터 발생되는 열을 신속하게 방열시키는 고방열 특성, 즉 높은 열전도도가 요구되고 또 기판의 안정성과 관련하여 높은 기계적 강도가 요구되고 있다.

그러나, 유리를 기반으로 하는 세라믹 재료로 구성되는 기존의 LED 패키지와 같은 전자 패키지용 기판의 경우 열전도도가 대략 5W/mK 정도에 불과하고, 그 기계적 강도가 약해 LED 패키지용 기판으로 사용하기에는 많은 한계를 노출하고 있다. 더욱이, 이들 종래의 기판은 대체로 대략 1,000℃ 이상의 높은 온도에서 소성하는 방법으로 제조되고 있다. 따라서, 기판 제작 관련 설비 운용 가격이 증가되는 문제점이 있어, 이에 대한 개선이 요구된다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 고강도 및 고방열 특성을 갖는 LED 패키지를 포함하는 전자 패키지용 기판을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 대략 900℃ 이하의 저온에서 소성 가능한 LED 패키지를 포함하는 전자 패키지용 기판을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유리를 기반으로 다양한 필러를 이용하여 강도와 방열 특성을 대폭 개선한 나노복합체로 이루어진 LED 패키지용 기판을 제공하는 것이다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 Al₂O₃ 및 SiC 휘스커 40 wt%로 이루어질 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 Al₂O₃ 25 wt% 및 SiC 휘스커 15 wt%로 이루어질 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 SiC 휘스커의 함량이 증대됨에 따라, 상기 기판의 치밀화도가 증대되어, 열전도율 및 굽힘 강도가 증대되는 특성을 나타내는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 유리는 CaCO₃, Al₂O₃, B₂O₃, SiO₂, MgCO₃ 및 Li₂O₃로 이루어지는 유리일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라서, LED 패키지를 포함하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판이 제공되는데, 상기 기판은 유리 50~60 wt% 및 AlN 및 SiC 휘스커 50~40 wt%로 이루어지며, 이때 SiC 휘스커는 최대 15 wt% 함유되고, 15 W/mK 이상의 열전도율 및 300 MPa 이상의 굽힘 강도를 나타내는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 AlN 및 SiC 휘스커 40 wt%로 이루어질 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 AlN 25 wt% 및 SiC 휘스커 15 wt%로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 LED 패키지를 포함하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판은 종래의 것과 비교하여, 그 열전도율 및 강도가 대폭 개선되어, 높은 방열성 및 고강도 요구 조건을 충족시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 기판을 900℃ 이하의 저온 소성을 통해 제조할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 기판 제작 관련 설비의 운용 비용을 절감할 수 있고, 소결온도가 비슷한 금속, 예컨대 Ag와 같은 금속을 동시 소성하여 전극으로 이용할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 SiC 함량이 증가함에 따른 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 LED 패키지용 복합체 세라믹 기판의 치밀화도가 증가하는 것을 보여주는 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 LED 패키지용 복합체 세라믹 기판에서 SiC 함량이 증가함에 따라 열전도율 및 강도가 증가하는 것을 보여주는 그래프이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 커패시터 제조와 관련하여 이미 널리 알려진 기술적 구성 등에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 특별한 어려움 없이 이해할 수 있을 것이다. 한편, 이하의 설명에서, 본 발명을 LED 패키지용 기판에 적용한 예를 설명한다. 그러나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 고방열 및 고강도 특성을 요구하는 전자 패키지용 기판에 널리 적용할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명자는 기존의 유리를 기반으로 하는 LED 패키지용 세라믹 기판의 경우 낮은 열전도도(약 5 W/mK) 및 낮은 기계적 강도(대략 210 MPa)를 갖고 있어서, 효과적으로 방열 성능을 발휘하기 어렵고 또 외부 충격 등에 약해 파손될 수 있다는 문제점에 주목하고, 새로운 유리 기반 복합체 세라믹 기판에 대해 연구를 하였고, 그 결과 유리를 기반으로 Al₂O₃, AlN 및 SiC 휘스커를 최적으로 조합하여 구성하는 경우, 기존의 LED 패키지용 세라믹 기판과 비교하여 높은 열전도도 및 높은 기계적 강도를 달성할 수 있다는 것을 찾아내어 본 발명을 완성하였다.

구체적으로, 본 발명의 한 가지 양태에 따른 LED 패키지용 세라믹 기판의 경우 유리(glass) 50~60 wt% 및 Al₂O₃ 및 SiC 휘스커 50~40 wt%로 이루어지며, 이때 SiC 휘스커는 최대 15 wt% 함유되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양태에 따른 LED 패키지용 세라믹 기판의 경우, 유리(glass) 50~60 wt% 및 AlN 및 SiC 휘스커 50~40 wt%로 이루어지며, 이때 SiC 휘스커는 최대 15 wt% 함유되는 것을 특징으로 한다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 유리의 양과 비교하여 세라믹 필러(filler, 예컨대 AlN)의 양을 증가시키면 강도가 향상되지만, 60 wt%를 초과하거나 50 wt% 미만으로 포함시키면, 소성 온도가 높아져 공정 비용의 상승이 수반된다는 것이 발견되었다. 따라서, 900℃ 이하의 소성 온도에서 제조할 수 있으면서 최적화된 최대 강도를 얻기 위하여, 유리의 함량을 대략 50~60 wt%로 포함시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명자의 관찰에 따르면, Al₂O₃ 또는 AlN을 첨가하여 열전도도를 향상시킬 수 있고 또 SiC 휘스커를 첨가하여, 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 이때, SiC가 소량이라도 첨가되면, 치밀도가 증가하여 방열성 및 강도를 증대시키는 경향을 나타낸다. 즉 기판 중에서 SiC는 랜덤하게 고루 분포되며, SiC의 양이 증가함에 따라 유동성을 갖는 글라스가 형성되어 고방열 및 고강도에 유리한 치밀화된 구조가 생성된다. 이때 SiC 휘스커가 대략 15 wt% 첨가된 경우, 상대밀도(최종적으로 얻어진 재료에서 내부의 기공을 제외한 실제 재료가 차지하는 부분)가 90% 이상으로 충분한 효과를 발휘하였고, 그 이상 첨가되는 경우 기판 제조시 tape casting을 적용하는 경우 casting에 많은 어려움이 발생되므로, 최대 15 wt% 첨가되는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

1. 유리의 제조

유리-세라믹 기판용의 유리 재료로 사용되는 원료, 즉 CaCO₃, Al₂O₃, B₂O₃, SiO₂, MgCO₃ 및 Li₂O₃를 대략 5분 동안 흔든 후, undercover Pt 용기 중에서 1500℃의 온도에서 2시간 동안 용융시킨 다음에, 균일한 분포를 위해 20시간 동안 지르코니아 볼을 이용한 볼 밀링을 수행하여 기판용 유리 파우더를 제조하였다.

2. 복합체 세라믹 기판

(1) pellet 방식

상기 과정에 따라 만들어진 유리 파우더에, AlN(또는 Al₂O₃) 및 SiC 휘스커를 상기한 함량 범위로 혼합한 후, 지르코니아 볼을 이용하여 에탄올 중에서 10시간 동안 볼밀링을 수행하였다. 이어서, 24시간 동안 120℃에서 건조시킨 후, 450℃에서 30분 동안 소성한 후, 850℃에서 30분 동안 소결시켜 기판을 제조하였다(가열 속도: 1℃/min.).

(2) tape casting 방식

상기 pellet 방식 외에도 tape casting 방식으로 기판을 제조하였다. 구체적으로, 상기 과정에 따라 만들어진 유리 파우더에, AlN(또는 Al₂O₃) 및 SiC 휘스커를 상기한 함량 범위로 혼합하고 분산제(SPAN 80 available from BYK)와 혼합한 다음에, 지르코니아 볼을 이용하여 EtOh(에탄올)/톨루엔 중에서 24시간 동안 볼밀링을 수행하여 슬러리(slurry)를 제조하였다. 이어서 바인더(B79)와 가소제(plasticizer, DBP)를 상기 슬러리와 혼합한 후 닥터 블레이드법을 이용하여 테이프 캐스팅을 수행한 후, 120℃에서 15분 동안 건조시켰다(두께 t=100 ㎛: 얻어진 테이프의 평균 두께). 이어서, 건조된 테이프들을 적층하여 70℃에서 10분 동안 압력을 가한 후, 850℃에서 30분 동안 소결하여, 기판을 제조하였다.

상기 제조 방식에 따라 다양한 샘플을 제작하였으며, 이때 유리 함량은 대략 60 wt%로 고정하였다. 샘플의 조성을 다음의 표 1 및 표 2에 요약하였으며, SiC 함량에 따른 미세 구조의 변화를 도 1에 나타내었다.

Sample	Composition (wt%)				소성 조건 (30분-고정)
Sample	Glass	Al₂O₃	AlN	SiC-Whisker	소성 조건 (30분-고정)
A40W0	60	40	0	0	850℃
A40W1	60	39	0	1	850℃
A40W5	60	35	0	5	850℃
A40W10	60	30	0	10	850℃
A40W15	60	25	0	15	850℃

Sample	Composition (wt%)				소성 조건 (30분-고정)
Sample	Glass	Al2O3	AlN	SiC-Whisker	소성 조건 (30분-고정)
N40W0	60	0	40	0	850℃
N40W1	60	0	39	1	850℃
N40W5	60	0	35	5	850℃
N40W10	60	0	30	10	850℃
N40W15	60	0	25	15	850℃

상기 두 발명 중 표 1의 조성을 갖는 세라믹 복합체, 즉 60 wt%의 유리를 포함하는 유리-Al₂O₃-SiC 휘스커의 나노복합체에서 SiC의 함량이 증가함에 따른 나노 복합체의 SEM 이미지를 도 1에 나타내었다.

도 1에 도시한 바와 같이, SiC 휘스커가 복합체에서 랜덤하게 고루 분포되어 있으며, SiC 함량이 증가함에 따라 유동성이 증가하여 더 치밀화된 구조가 얻어졌으며, 따라서 방열성 및 강도가 증가함을 예측할 수 있고, 이는 도 2에 도시한 실험결과와도 부합되는 결과이다.

즉 도 2에는 표 1 및 표 2에 나타낸 조성의 샘플들에 대한 열전도도 및 강도 측정 결과가 도시되어 있다.

열전도율은 열확산도를 측정하는 종래의 flash diffusivity method를 이용하여 측정하였으며, K=αCpρ(α: thermal diffusivity, Cp: heat capacity, ρ:density of material)로부터 K 값을 측정하였다. flexural 강도는 30 mm의 span을 갖는 4-point fixture를 이용하여 측정하였다. 이러한 열전도율 및 flexural 강도 측정 방법 자체는 이미 널리 알려진 방법이므로, 그 설명은 생략한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 두 발명 모두 flexural 강도 및 열전도율이 크게 개선되었으며, 특히 N40W15, A40W15 샘플의 경우 가장 바람직한 특성을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, SiC의 함량이 증가함에 따라 재료의 치밀화 구조가 증대되어, 방열성 및 강도가 개선되었다. 즉 종래의 LED 패키지용 기판의 경우 그 열전도도가 대략 5 W/mK에 불과하고, 또 그 강도 역시 대략 200 MPa 정도에 불과하였지만, 본 발명의 경우 열전도율의 경우 2배 이상, 강도의 경우 300 MPa 이상이었고, 바람직하게는 대략 2배 정도의 개선이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims

LED 패키지를 포함하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판으로서,
상기 기판은 유리 50~60 wt% 및 Al₂O₃ 및 SiC 휘스커 50~40 wt%로 이루어지며, 이때 SiC 휘스커는 최대 15 wt% 함유되고, 15 W/mK 이상의 열전도율 및 300 MPa 이상의 굽힘 강도(flexural strength)를 나타내는 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
청구항 1에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 Al₂O₃ 및 SiC 휘스커 40 wt%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
청구항 2에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 Al₂O₃ 25 wt% 및 SiC 휘스커 15 wt%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 패키지용 기판.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SiC 휘스커의 함량이 증대됨에 따라, 상기 기판의 치밀화도가 증대되어, 열전도율 및 굽힘 강도가 증대되는 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
청구항 4에 있어서, 상기 유리는 CaCO₃, Al₂O₃, B₂O₃, SiO₂, MgCO₃ 및 Li₂O₃로 이루어지는 유리인 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
LED 패키지를 포함하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판으로서,
상기 기판은 유리 50~60 wt% 및 AlN 및 SiC 휘스커 50~40 wt%로 이루어지며, 이때 SiC 휘스커는 최대 15 wt% 함유되고, 15 W/mK 이상의 열전도율 및 300 MPa 이상의 굽힘 강도를 나타내는 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
청구항 6에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 AlN 및 SiC 휘스커 40 wt%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
청구항 2에 있어서, 상기 기판은 유리 60 wt% 및 AlN 25 wt% 및 SiC 휘스커 15 wt%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SiC 휘스커의 함량이 증대됨에 따라, 상기 기판의 치밀화도가 증대되어, 열전도율 및 굽힘 강도가 증대되는 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.
청구항 9에 있어서, 상기 유리는 CaCO₃, Al₂O₃, B₂O₃, SiO₂, MgCO₃ 및 Li₂O₃로 이루어지는 유리인 것을 특징으로 하는 전자 패키지용 복합체 세라믹 기판.