KR20180017635A - 고주파 기판과 그 제조 방법 - Google Patents

고주파 기판과 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180017635A
KR20180017635A KR1020160101769A KR20160101769A KR20180017635A KR 20180017635 A KR20180017635 A KR 20180017635A KR 1020160101769 A KR1020160101769 A KR 1020160101769A KR 20160101769 A KR20160101769 A KR 20160101769A KR 20180017635 A KR20180017635 A KR 20180017635A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
metal plate
aln
layer
aluminum nitride
Prior art date
Application number
KR1020160101769A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102681713B1 (ko
Inventor
이지형
김철남
Original Assignee
주식회사 아모센스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 아모센스 filed Critical 주식회사 아모센스
Priority to KR1020160101769A priority Critical patent/KR102681713B1/ko
Publication of KR20180017635A publication Critical patent/KR20180017635A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102681713B1 publication Critical patent/KR102681713B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4803—Insulating or insulated parts, e.g. mountings, containers, diamond heatsinks
    • H01L21/4807—Ceramic parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/283—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current
    • H01L21/285—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation
    • H01L21/28506—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers
    • H01L21/28512—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers on semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L21/2855—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers on semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table by physical means, e.g. sputtering, evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/15—Ceramic or glass substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
    • H01L23/64—Impedance arrangements
    • H01L23/66—High-frequency adaptations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01013—Aluminum [Al]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01029—Copper [Cu]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01042—Molybdenum [Mo]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/1026—Compound semiconductors
    • H01L2924/1032—III-V
    • H01L2924/10323—Aluminium nitride [AlN]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에서는 질화알루미늄(AlN) 기재와 몰리브덴(Mo) 기재가 은(Ag)과 구리(Cu) 합금인 본딩층에 의해 접합되어 있어 둘 사이의 접합력이 매우 우수하고, 질화알루미늄(AlN)의 낮은 강성을 몰리브덴(Mo) 기재가 보상하고, 몰리브덴의 낮은 열전도율은 질화알루미늄이 보상할 수 있도록 세라믹 기재가 구성된다. 이에 따라, 종전 대전압 대전류를 제어하는 반도체 디바이스에 사용되는 고주파 기판에 주로 사용되던 값비싼 질화규소(Si3N4)를 대체할 수가 있다.

Description

고주파 기판과 그 제조 방법{Substrate for High Frequency and Manufacturing Method therefor}
본 발명은 전기 자동차처럼 대전압 대전류를 제어하는 반도체 디바이스에 사용되는 고주파 기판과 이의 제조 방법에 관한 것이다.
고주파 기판은 세라믹 기재의 양 면에 각각 동박을 붙여 만든다. 사용 용도에 따라, 세라믹 기재를 만드는 재질이 다른데, 일 예로 높은 방열 특성을 요구하는 경우에는 질화알루미늄(AlN)이 사용되고, IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)처럼 차량에 사용되는 고주파 기판은 높은 내구성을 가져야 하기 때문에 질화규소(Si3N4)를 사용한다.
이 질화규소는 비산화물 세라믹으로 높은 강도를 갖고 온도 변화를 되풀이 해도 좀처럼 파괴되지 않는 장점이 있으나, 희귀 금속이라 구하기가 쉽지 않으며, 때문에 가격이 높다는 단점이 있다. 일 예로, 질화규소의 가격은 질화알루미늄과 비교했을 때 약 10배 정도 높은 가격이다.
이와 비교해서, 질화알루미늄은 질화 규소에 비해 강도는 낮으나 열전도율이 상대적으로 높기는 하나, 아직까지는 내구성을 요구하는 자동차용 고주파 기판으로 사용하는데 한계가 있다.
한편, 고주파 기판은 세라믹 기재와 구리 동박을 고온의 소성 공정을 통한 계면 결합을 이용해 만든다.
이처럼, 지금까지 고주파 기판을 제조할 때, 세라믹 기재와 구리 동박을 계면 결합하기 위해 고온의 소성 공정이 요구되고, 고온의 소성 공정 시 Cu 산화 방지를 위해 환원 분위기를 유지해야 한다. 즉, 지금까지 고주파 기판을 제조하기 위해서는 소성 중 환원분위기 조성이 가능한 소성 장치를 준비해야 하므로 소성 장치를 준비하는 비용이 많이 소요되고 이로써 제조비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
한국 등록특허 제10-1108454호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 값 비싼 Si3N4를 대신해 범용적으로 많이 사용되고 가격도 저렴한 AlN을 이용한 새로운 형태의 반도체 기판을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열 팽창과 수축에 따른 온도 사이클로 인해 기판이 휘어지는 문제를 개선하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 구리 동박과 세라믹 기재를 접합 할 때 높은 접합 강도를 확보하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 고주파 기판은 질화알루미늄(AlN) 기재, 상기 질화알루미늄 기재에 접합된 몰리브덴(Mo) 기재, 상기 질화알루미늄 기재에 접합된 제1 금속판, 상기 몰리브덴 기재에 접합된 제2 금속판을 포함한다.
상기 몰리브덴 기재는 알루미늄(Al)과 구리(Cu) 합금인 본딩층에 의해 상기 질화알루미늄 기재에 접합된다.
상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 각각은, 상기 질화알루미늄 기재 그리고 상기 몰리브덴 기재에 알루미늄(Al)과 구리(Cu) 합금인 필러층에 의해 접합된다.
상기 필러층의 두께는 상기 본딩층의 두께보다 얇고, 상기 제1 금속판의 두께는 상기 제2 금속판의 두께보다 얇다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 고주파 기판은 몰리브덴(Mo) 기재, 상기 몰리브덴 기재의 전, 후면에 각각 접합해 상기 몰리브덴 기재를 샌드위치하고 있는 제1 및 제2 질화알루미늄 기재, 상기 제1 질화알루미늄 기재에 접합된 제1 금속판, 상기 제2 질화알루미늄 기재에 접합된 제2 금속판을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 고주파 기판의 제조 방법은 2장의 그린 시트 각각의 양쪽 면에 본딩층을 형성하는 단계와, 상기 2장의 그린 시트 전, 후면에 각각 제1 금속판과 제2 금속판을 배치하고 가열해서, 상기 2장의 그린시트, 상기 제1 금속판, 상기 제2 금속판 서로를 브레이징 접합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 한 형태에서는, 이종의 세라믹 기재를 접합시켜 고주파 기판을 만든다. 이때, 이종의 세라믹 기재는 접합력이 매우 우수한 Ag-Cu 합금에 의해 브레이징 접합되므로 열팽창과 수축을 반복하는 온도 사이클에서도 높은 신뢰성을 갖는다.
또한 이종의 세라믹 기재 중 하나는 AlN 세라믹 기재이고, 다른 하나는 Mo 세라믹 기재여서, AlN의 낮은 강성을 Mo가 보상하고, Mo의 낮은 열전도율은 AlN이 보상해 값 비싼 Si3N4를 대체할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 한 형태에서는 Mo 세라믹 기재를 AlN 세라믹 기재가 샌드위치된 구조를 이뤄 열팽창 계수가 균형을 이루도록 해 휨 문제를 개선한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고주파 기판을 분해해 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 절단한 단면 모습을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 "A" 부분을 확대해서 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2의 "B" 부분을 확대해서 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고주파 기판을 분해해 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 II-II'선을 따라 절단한 단면 모습을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 기판의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7의 S13 단계를 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 9는 도 7의 S15 단계를 모식적으로 설명하는 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고주파 기판의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 절단한 단면 모습을 보여주는 도면이다.
이 도면들을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에에 따른 고주파 기판(10)은 질화알루미늄(AlN) 기재(11), 질화알루미늄 기재에 접합된 몰리브덴(Mo) 기재(13), 상기 질화알루미늄 기재에 접합된 제1 금속판(15a), 상기 몰리브덴 기재에 접합된 제2 금속판(15b)을 포함한다.
질화알루미늄(AlN) 기재(11)는 대중적으로 많이 사용되고 값싼 세라믹 물질인 AlN으로 제조된 것이다. 선택적으로, AlN을 대신해서 세라믹 기재(11)는 알루미나(Al2O3), ZTA(Zirconia Toughened Alumina )처럼 많이 알려진 세라믹 물질로 제조된 것일 수 있다. 이하 설명에서는 특별한 제한이 없는 한 세라믹 기재(11)는 AlN으로 제조된 기재(11)(이하, AlN 기재)인 것을 예시한다.
AlN 기재(11)는 예를 들면, 50mm×30mm, 두께 200 ∼ 300(um)의 크기로 만들어져 있다.
다음으로, AlN 기재(11)에 접합되어 있는 다른 세라믹 기재(13)는 AlN 기재(11)보다 강성(stiffness)이 좋은 물질, 일 예로 몰리브덴(Mo), 카파텅스텐(WCu) 또는 카파몰리브덴(MoCu) 중 어느 하나로 만들어진 것이다. 바람직한 한 형태에서, AlN 기재(11)에 접합되어 있는 세라믹 기재(13)는 WCu 또는 MoCu보다 경제적인 Mo로 제조된 것이며, 이하의 설명에서는 특별한 제한이 없는 한 기재(13)는 Mo를 소결시켜 만든 세라믹인 Mo 기재(13)인 것을 예시한다.
이 실시예에서, Mo 기재(13)는 AlN 기재(11) 단독으로 모자란 강성을 보상하는 한편, Mo 기재(13)의 부족한 열전도성은 AlN 기재(11)가 보충해 주어, 종전 Si3N4 만으로 제조된 세라믹 기재와 동일/유사한 성능을 가질 수 있다. 이에 대해서는 추후에 실험 결과를 가지고 자세히 설명한다.
Mo 기재(13)는 AlN 기재(11)와 마찬가지로 50mm×30mm, 두께 200 ∼ 300(um)의 크기로 만들어져 있다.
바람직하게, AlN 기재(11)와 Mo 기재(13)는 높은 접합력을 가질 수 있도록 본딩층(17)에 의해 브레이징(brazing) 접합을 이루고 있다.
본딩층(17)은 AlN 기재(11)와 Mo 기재(13)가 브레이징 접합하는 과정에서 두 금속이 합금 형태로 만들어진 것이므로, 신뢰성 있게 두 세라믹 기재(11, 13)가 접합되는 것이 가능하다. 이로 인해, 열팽창과 수축을 반복하는 온도 사이클과 지속적인 기계적 충격에서도 두 기재(11, 13)가 박리되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 도 2의 “A” 부분을 확대해서 보여주는 것으로, 본딩층(17)을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 바람직한 한 형태에서, 본딩층(17)은 은(Ag)과 구리(Cu) 합금이다. 이 본딩층(17)은 후술하는 제조 방법에서 설명되는 바처럼, 층상 구조를 가지고 있던 것이 브레이징 과정에서 용융되었다 굳으면서 합금을 만들기 때문에 호피 무늬를 갖게 된다.
다음으로, AlN 기재(11) 위와 Mo 기재(13) 아래로는 각각 금속판(15a, 15b)이 접합되어 있다.
이 금속판(15a, 15b)은 바람직한 한 형태에서 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 제조된 것이며, 이하의 설명에서는 금속판(15a, 15b)이 Cu로 제조된 Cu 금속판인 것을 예시한다.
Cu 금속판(15a, 15b)은 두 세라믹 기재(11, 13)와 마찬가지로 50mm×30mm, 두께 200 ∼ 300(um)의 크기로 만들어져 있고, 필러층(19a, 19b)을 통해 두 세라믹 기재(11, 13)에 각각 접합되어 있다.
전면에 위치하는 Cu 금속판(15a)은 그라운드(GND)를 형성하는 회로 패턴을 이루는 홈(G)을 포함하도록 구성된다. 이 홈(G)은 에칭 공정을 통해 Cu 금속판(15a)에 만들어진다.
Cu 금속판(15a, 15b)의 두께(D2) 즉, AlN 기재(11) 위에 접합되어 있는 상면 Cu 금속판(15a)과 Mo 기재(13) 배면에 접합되어 있는 배면 Cu 금속판(15b)의 두께는 바람직한 한 형태에서 기판(10)의 휨 문제를 개선하기 위해 다를 수 있다.
이 실시예에서, AlN 기재(11)와 Mo 기재(13)가 본딩층(17)에 의해 아무리 잘 접합되어 있더라도, 두 세라믹 기재(11, 13)는 이종이기 때문에, 열 팽창 계수가 다르다. 때문에, 온도 사이클이 반복될수록 열팽창 계수의 차이로 인해서 휘어질 가능성이 있다.
이 실시예에서는 이러한 점을 고려해 상면 Cu 금속판(15a)과 배면 Cu 금속판(15b)의 두께(H1, H2)를 다르게 구성해 휨 문제를 방지한다.
이 실시예에서, 상면 Cu 금속판(15a)과 접합하고 있는 세라믹 기재(11)는 AlN으로 만들어졌고, 배면 Cu 금속판(15b)과 접합하고 있는 세라믹 기재(13)는 Mo로 만들어져 있다.
AlN은 열팽창 계수는 약 4.2(ppm/K)이고, Mo의 열팽창 계수는 약 4.5(ppm/K)으로 AlN보다 크다. 때문에, AlN 기재(11)가 Mo 기재(13)보다 열팽창과 수축의 정도가 작으므로, Mo 기재(13)에 접합하고 있는 배면 Cu 금속판(15b)의 두께(H2)를 상면 Cu 금속판(15a)의 두께(H1)보다 두껍게 해 휨 문제를 개선할 수 있다.
Cu 금속판(15a, 15b)을 세라믹 기재(11, 13)에 각각 접합시키고 있는 필러층(19a, 19b)은 위치에서만 차이가 있을 뿐 Ag-Cu 합금으로 조성되는 것은 동일하고, 또한 이종의 세라믹 기재(11, 13)를 접합시키고 있는 본딩층(17)과도 동일한 조성을 갖는다.
도 4는 도 2의 “B” 부분을 확대해서 보여주는 것으로, 필러층(19b)을 설명하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 필러층(19b)은 Ag-Cu 합금을 이루고 있어 단면 조직이 호피 무늬를 가지며, 조성 역시 이종의 세라믹 기재(11, 13)를 접합시키고 있는 본딩층(17)과 동일하다.
다만, 이 필러층(19a, 19b)을 이종 세라믹 기재(11, 13)를 접합시키고 있는 본딩층(17)과 비교하면, 두께(D3)는 본딩층(17)의 약 1/2(D1X1/2)이라는 점에서 차이가 있다. 이는 브레이징할 때 재료의 차이에서 기인하는데, 이에 대해서는 후술되는 제조 방법을 통해 자세히 설명된다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조로 본 발명의 제2 실시예에 따른 고주파 기판에 대해 설명한다. 도 5는 제2 실시예에 따른 고주파 기판의 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 II-II'선을 따라 절단한 단면 모습을 보여주는 도면이다. 이하의 설명에서, 제1 실시예와 동일한 구성에 대해선 동일한 도면 번호를 사용하였고, 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이 도면들을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에에 따른 고주파 기판(20)은 Mo 기재(13)를 이 Mo 기재(13)의 앞, 뒤에 위치하는 AlN 기재(21a, 21b)가 샌드위치하고 있다는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다.
전면 A lN 기재(21a)는 제1 본딩층(17)에 의해 Mo 기재(13)와 브레이징 접합되어 있고, 후면 AlN 기재(21b)도 제2 본딩층(23)에 의해 Mo 기재(13)와 브레이징 접합되어 있다.
제1 본딩층(17)과 제2 본딩층(23)은 실질적으로 동일한 조성을 갖고 있고 두께(D1, D11) 역시 서로 동일하다. 이에, 전면 AlN 세라믹 기재(21a)와 Mo 기재(13) 사이의 접합력, 그리고, Mo 기재(13)와 후면 AlN 세라믹 기재(21b) 사이의 접합력은 동일하다. 따라서, 3장이 샌드위치되어 있는 세라믹 기재들(21a, 13, 21b)은 온도 사이클이 반복되더라도 휘는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이 제2 실시예에서는 Mo 기재(13)를 사이에 두고, 전면 AlN 기재(21a)와 후면 AlN 기재(21b)가 샌드위치되어 있어, 다른 종류의 세라믹 기재를 접합시켜 사용하더라도 열팽창 계수가 균형을 이루고 있기 때문에 이 역시 휘는 것을 방지한다.
아래의 표 1은 제2 실시예에 따른 고주파 기판(실험예)의 특성을 비교예들과 대비해서 보여준다. 비교예 1은 세라믹 기재를 Si3N4 재질로 만든 종전 대용량 고주파 기판, 비교예 2는 세라믹 기재를 AlN 재질로 만든 고주파 기판이다.
비교예 1 비교예2 실험예
Bending strength(MPa) 690 430 680
Elastic modulus(GPa) 310 308 330
Coefficient of thermal expansion(ppm/K) 3.1 4.5 3.5
Thermal Conductivity(W/mK) 80 170 190
실험결과, 구부림 강도는 비교예 1과 거의 동일한 값을 나타내었고, 비교예보다는 큰 값을 나타내었다. 이 구부림 강도는 수치가 클수록 강도가 큰 것을 의미한다. 본 발명의 제2 실시예(실험예)에 따르면 구부림 강도가 AlN 단독으로 구성했을 때보다 확연히 증가하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 열팽창 계수는 비교예 1에 근접하고, 비교예 2보다는 큰 값을 나타내었다. 열팽창 계수는 낮을수록 열적 안정성, 즉 온도 사이클을 반독하는 동안 휨이 적다는 것을 의미한다. 열팽창 계수의 경우에도 AlN 단독으로 구성했을 때보다 확연히 증가하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 열전도성은 열을 잘 전달하는 성질로 값이 클수록 열이 잘 전달시켜 효과적으로 방열을 할 수 있다. 열팽창 계수는 비교예 1 및 비교예 2보다도 더 높은 값을 나타내었다.
다음으로, 탄성 계수 역시 열팽창 계수와 마찬가지로 비교예 1 및 비교예 2보다도 더 높은 값을 나타내었다.
이상의 실험 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 기판은 종전 AlN만으로 구성된 기판과 Si3N4의 단점을 보완하는 한편, 각 기판의 장점과 동일 유사한 성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다.
일 예로, Al2O3의 장점은 열팽창 계수가 낮고 강성이 높으나, 단점은 열전도성이 낮다는 것이다. 그리고, AlN의 장점은 열전도성은 크나, 단점은 열팽창 계수가 높고 강성이 작다는 것이다.
그런데, 실험 결과에 따르면, 구부림 강도 및 탄성 계수는 Al2O3 기판에 근접한 값을 나타낸 반면, 열팽창 계수는 AlN 기판보다 낮고 Si3N4 기판에 근접한 값을 나타냈으며, 열전도성은 AlN 기판과 Si3N4 기판보다 큰 값을 나타내었다.
이하, 상술한 구조의 고주파 기판을 제조하는 방법에 대해서 도 7을 참조로 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 기판을 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 이하의 설명은 도 1 및 도 2에 도시한 반도체 기판을 기준으로 그 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 기판의 제조 방법은, 이종의 세라믹 기재를 준비하는 단계(S11), 이종의 세라믹 기재의 양면에 각각 본딩층을 형성하는 단계(S13), 이종의 세라믹 기재 위, 아래에 금속판을 위치시킨 상태에서 이들을 동시에 브레이징하는 단계(S15)를 포함한다.
S11 단계에서는 그린 시트(소정 전 세라믹 기재)를 절단하고, 이물질을 제거하는 세정 과정을 포함할 수 있다.
그린 시트의 절단은 레이져 스크라이빙에 의해 진행될 수 있고, 이 과정을 통해 그린 시트가 원하는 사이즈로 재단된다. 세정은 클린징 용액(알코올, 아세톤, 순수물이 일정 조성으로 섞여 있는)에 재단된 그린 시트를 5분 내지 20분 동안 침지하고, 이를 고온(약 600℃)에서 열처리하는 방식으로 이뤄진다.
S13 단계는 재단된 그린 시트의 양면에 각각 브레이징을 위한 필러층을 형성하는 과정이다. 바람직한 한 형태에서, 필러층은 전해 도금법에 의해 제작된다.
도 8은 S13 단계를 모식적으로 보여주는 도면이다. 도 8을 참조로 S13 단계를 자세히 설명한다.
먼저, 도 8의 (A)처럼 세라믹에 금속을 접합시키기 위해서 시드층(110)을 그린 시트(GS)의 양면에 각각 형성한다. 이 시드층(110)은 바람직한 한 형태에서, 스퍼터링법에 의해 만들어진다. 시드층(110)은 세라믹과 접합성이 우수한 티타늄(Ti)으로 이뤄진 Ti층(110a)과 금속과 결합이 잘 되는 Cu로 이뤄진 Cu층(110b)을 포함한다.
Ti층(110)의 두께는 대략 0.1 ∼ 0.3 (um), Cu층(120)의 두께는 대략 0.3∼ 0.7 (um)이다.
Cu층(120)을 Ti층(110) 위에 형성하는 또 다른 이유는 Cu가 Ag와 접하는 경우, 마이그레이션(migration)에 의해 Cu-Ag의 공융점을 낮출 수가 있어서다. 알려진 바로는 Cu의 융점은 1083℃이고, Ag의 융점은 962℃로 매우 높은 편이나. Cu-Ag의 공융점은 780℃로 순수 구리 또는 순수 은보다 낮은 편이다.
다음으로 도 8의 (B)처럼, 시드층(110) 위로는 3층 구조의 메탈층(130)이 만들어진다. 이 메탈층(130)은 바람직하게 시드층(110)을 매개로 전해 도금법에 의해 만들어진다.
제1층(130a)은 2 내지 5(um) 두께를 가지며 재질은 Ag, 제2층(130b)은 2 내지 5(um) 두께를 가지며 재질은 Cu, 제3층(130c)은 2 내지 5(um) 두께를 가지며 재질은 Ag로 만들어진다.
바람직한 한 형태에서, 메탈층(130)을 이루는 Ag와 Cu의 함량비는 6:4 내지 7:3 인 것이 바람직하다. 이 같은 함량비를 가질 때, 시드층(110)과 메탈층(130)의 접합력이 가장 우수하다.
메탈층(130)은 브레이징 과정에서 용융되었다 냉각되면서 Ag와 Cu의 합금층을 형성해 금속판을 신뢰성있게 세라믹 기재에 접합시킨다.
다음으로, S15 단계는 필러층, 즉 브레이징 필러로 이종의 세라믹 기재와 Cu 금속판(200, 300)을 접합하는 과정으로, 도 9는 S15 단계를 모식적으로 설명한다.
도 9의 (A)를 참조하면, 메탈층(130)이 양면에 각각 만들어져 있는 이종의 그린시트(GS1, G2). 즉 재질이 AlN인 그린시트(GS1)와 재질이 Mo인 그린시트(GS2) 2장을 메탈층(130)이 마주하도록 위치시키고, 다른 면으로는 CU 금속판(200, 300)이 메탈층(130)과 맞닿도록 적층시킨 상태에서, Ag와 Cu의 공융점 이상이고, Cu의 융점보다는 낮은 온도, 약 780℃의 온도로 가열해 2장의 그린시트(GS1, GS2)와 CU 금속판(200, 300)을 브레이징 접합시킨다.
도 9의 (B)는 브레이징 후의 모습을 보여준다. 도 9를 참조하면, 그린 시트(GS1, GS2)는 소성후 AlN 기재(11)와 Mo 기재(13)가 되고, 세라믹 기재(11, 13)는 그 사이에 존재하던 두 메탈층(130)이 용융되었다 냉각되면서 Ag와 Cu의 합금이 되고, 이에 의해 접합이 되므로, 이종인 두 세라믹 기재(11, 13)를 신뢰성있게 접합시킬 수 있다.
그리고, 두 세라믹 기재(11, 13)와 Cu 금속판(15a, 15b) 역시 메탈층(130)이 용융되었다 냉각되면서 만들어진 Ag와 Cu 합금의 필러층(19a, 19b)에 의해 각각 접합이 된다.
이에 따라, 높은 접합력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, Ag와 Cu의 합금으로 이뤄진 필러층(19a, 19b)으로 인해 온도 사이클이 반복하면서 반복적으로 발생하는 열이 손쉽게 Cu 금속판(15a, 15b) 쪽으로 전달돼 열 방출 효율을 높일 수 있다.
이상의 설명에서는 다른 종류의 세라믹 기재, 그리고 금속판이 도금법으로 만들어진 메탈층을 통해 접합되는 것으로 설명했으나, 다른 형태로 페이스트 상(象) 또는 필름 상(象)의 브레이징 재료를 사용하는 것도 가능하다. 다만, 도금법으로 만들어진 메탈층과 비교해서 페이스트인 경우는 표면 거칠기가 좋지 않아 이종의 세라믹 기재를 균일하게 접합시키기가 쉽지 않고, 또한 브레이징의 공정 온도도 약 1,000℃ 이상으로 상술한 실시예의 브레이징 공정 온도와 비교해 매우 높은 편이다. 그리고, 필름 형태인 경우는 필름의 가격이 매우 비싸다는 점과, 브레이징의 공정 온도가 마찬가지로 높다는 단점이 있다.
이상의 설명에서는 상술한 제1 실시예에 따른 고주파 기판을 제조하는 방법에 대해서 설명하였다. 제2 실시예의 고주파 기판은 Mo 기재(13)를 AlN 기재(11)를 샌드위치하고 있다는 점에서만 차이가 있으므로, 그린시트를 준비해 순서에 맞춰 적층한 후, 이들을 브레이징하는 것으로 도 4에 도시한 제2 실시예의 고주파 기판을 제조할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 질화알루미늄(AlN) 기재;
    상기 질화알루미늄 기재에 접합된 몰리브덴(Mo) 기재;
    상기 질화알루미늄 기재에 접합된 제1 금속판;
    상기 몰리브덴 기재에 접합된 제2 금속판,
    을 포함하는 고주파 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몰리브덴 기재는 알루미늄(Al)과 구리(Cu) 합금인 본딩층에 의해 상기 질화알루미늄 기재에 접합된 고주파 기판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 각각은, 상기 질화알루미늄 기재 그리고 상기 몰리브덴 기재에 알루미늄(Al)과 구리(Cu) 합금인 필러층에 의해 접합된 고주파 기판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필러층의 두께는 상기 본딩층의 두께보다 얇은 고주파 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속판의 두께는 상기 제2 금속판의 두께보다 얇은 고주파 기판.
  6. 몰리브덴(Mo) 기재;
    상기 몰리브덴 기재의 전, 후면에 각각 접합해 상기 몰리브덴 기재를 샌드위치하고 있는 제1 및 제2 질화알루미늄 기재;
    상기 제1 질화알루미늄 기재에 접합된 제1 금속판;
    상기 제2 질화알루미늄 기재에 접합된 제2 금속판,
    을 포함하는 고주파 기판.
  7. 2장의 그린 시트 각각의 양쪽 면에 본딩층을 형성하는 단계; 그리고,
    상기 2장의 그린 시트 전, 후면에 각각 제1 금속판과 제2 금속판을 배치하고 가열해서, 상기 2장의 그린시트, 상기 제1 금속판, 상기 제2 금속판 서로를 브레이징 접합시키는 단계;
    를 포함하는 고주파 기판의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 본딩층은,
    상기 그린 시트 위로 금속을 스퍼터링법으로 증착한 시드층과, 상기 시드층 위로 전해 도금법으로 형성한 메탈층을 포함하는 고주파 기판의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 브레이징 접합하는 단계는, 시드층을 이루는 금속과 상기 메탈층을 형성하고 있는 금속의 공융점 이상의 온도에서 실시되는 고주파 기판의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 2장의 그린 시트 중 하나는 재질이 질화알루미늄(AlN)이고, 다른 하나는 몰리브덴(Mo)인 고주파 기판의 제조 방법.



KR1020160101769A 2016-08-10 2016-08-10 고주파 기판과 그 제조 방법 KR102681713B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160101769A KR102681713B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 고주파 기판과 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160101769A KR102681713B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 고주파 기판과 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180017635A true KR20180017635A (ko) 2018-02-21
KR102681713B1 KR102681713B1 (ko) 2024-07-05

Family

ID=61524684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160101769A KR102681713B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 고주파 기판과 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102681713B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115989579A (zh) * 2020-10-07 2023-04-18 株式会社东芝 接合体、陶瓷电路基板及半导体装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2661259B2 (ja) * 1989-05-10 1997-10-08 富士通株式会社 窒化アルミニウム基板の製造方法
JPH09275166A (ja) * 1996-02-05 1997-10-21 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化アルミニウム基材を用いた半導体装置用部材及びその製造方法
JP2010120034A (ja) * 2008-11-18 2010-06-03 Nhk Spring Co Ltd ろう付方法及びその方法による接合部材
KR101108454B1 (ko) 2004-04-05 2012-01-31 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Ａｌ／ＡｌＮ 접합체, 전력 모듈용 기판 및 전력 모듈, 그리고 Ａｌ／ＡｌＮ 접합체의 제조 방법
JP2013247158A (ja) * 2012-05-23 2013-12-09 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミックス回路基板
JP2014120738A (ja) * 2012-12-19 2014-06-30 Ngk Spark Plug Co Ltd セラミック基板及びその製造方法
KR20160067172A (ko) * 2013-10-10 2016-06-13 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2661259B2 (ja) * 1989-05-10 1997-10-08 富士通株式会社 窒化アルミニウム基板の製造方法
JPH09275166A (ja) * 1996-02-05 1997-10-21 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化アルミニウム基材を用いた半導体装置用部材及びその製造方法
KR101108454B1 (ko) 2004-04-05 2012-01-31 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Ａｌ／ＡｌＮ 접합체, 전력 모듈용 기판 및 전력 모듈, 그리고 Ａｌ／ＡｌＮ 접합체의 제조 방법
JP2010120034A (ja) * 2008-11-18 2010-06-03 Nhk Spring Co Ltd ろう付方法及びその方法による接合部材
JP2013247158A (ja) * 2012-05-23 2013-12-09 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミックス回路基板
JP2014120738A (ja) * 2012-12-19 2014-06-30 Ngk Spark Plug Co Ltd セラミック基板及びその製造方法
KR20160067172A (ko) * 2013-10-10 2016-06-13 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115989579A (zh) * 2020-10-07 2023-04-18 株式会社东芝 接合体、陶瓷电路基板及半导体装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR102681713B1 (ko) 2024-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6359455B2 (ja) 半導体回路基板およびそれを用いた半導体装置並びに半導体回路基板の製造方法
KR100940164B1 (ko) 서브마운트 및 반도체 장치
KR102300972B1 (ko) 파워 모듈용 기판 유닛 및 파워 모듈
JP6168268B2 (ja) 金属−セラミック基板及びそのような基板を製造するための方法
JP4969738B2 (ja) セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体モジュール
CN108140625B (zh) 带散热片的功率模块用基板及功率模块
EP1667508B1 (en) Ceramic circuit board, method for making the same, and power module
JPH0810710B2 (ja) 良熱伝導性基板の製造方法
US11315868B2 (en) Electronic-component-mounted module design to reduce linear expansion coefficient mismatches
JP2016167502A (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
KR20180017635A (ko) 고주파 기판과 그 제조 방법
KR102709152B1 (ko) 세라믹 기판 제조 방법
JP4244723B2 (ja) パワーモジュール及びその製造方法
JPH08102570A (ja) セラミックス回路基板
US20230028429A1 (en) Metal ceramic substrate and method for manufacturing such metal ceramic substrate
KR20180017634A (ko) 고주파 기판과 그 제조 방법
JPH08274423A (ja) セラミックス回路基板
JP2014192272A (ja) Ｌｅｄ用のメタル基板
KR20180112809A (ko) 기판 플레이트 제조 방법, 기판 플레이트, 반도체 모듈 제조 방법 및 반도체 모듈
JP5614127B2 (ja) パワーモジュール用基板及びその製造方法
US20200280168A1 (en) Adapter element for connecting a component, such as a laser diode, to a heat sink, a system comprising a laser diode, a heat sink and an adapter element and method for producing an adapter element
JP2005243819A (ja) ヒートシンク材およびヒートシンク材の製造方法、ならびにヒートシンク付きセラミックパッケージ
JP2004327732A (ja) セラミック回路基板及び電気回路モジュール
JP7054073B2 (ja) ヒートシンク付き絶縁回路基板
JP7084134B2 (ja) 電子装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right