KR20180091011A - 구리 세라믹 기판, 구리 세라믹 기판을 제조하기 위한 구리 반제품 및 구리 세라믹 기판의 제조 방법 - Google Patents

구리 세라믹 기판, 구리 세라믹 기판을 제조하기 위한 구리 반제품 및 구리 세라믹 기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹캐리어(2), 및 상기 세라믹캐리어(2)의 표면에 접합된 구리층(3, 4)을 포함하는 구리세라믹기판(1)에 있어서, 상기 구리층(3, 4)은 상기 세라믹캐리어와 대면하고 제1 평균입도를 갖는 적어도 하나의 제1 층(5, 6) 및 상기 세라믹캐리어(2)로부터 먼 측에 배치되는 상기 구리층(3, 4)의 표면 상에 배치되고 제2 평균입도를 갖는 제2 층(7, 8)을 포함하고, 상기 제2 입도는 제1 입도보다 작은 것을 특징으로 하는 구리세라믹기판(1)에 관한 것이다.

Description

구리 세라믹 기판, 구리 세라믹 기판을 제조하기 위한 구리 반제품 및 구리 세라믹 기판의 제조 방법
본 발명은 청구항 제1항의 전제부의 특징을 갖는 구리세라믹기판, 청구항 제7항 또는 제9항의 전제부의 특징을 갖는 구리세라믹기판을 제조하기 위한 구리 반제품, 및 청구항 제13항의 전제부의 특징을 갖는 구리세라믹기판의 제조 방법에 관한 것이다.
구리세라믹기판(예컨대, 직접 구리 본딩(Direct Copper Bonding; DCB) 및 활성 금속 브레이징(Active Metal Brazing; AMB))은, 예컨대 전자식 전력모듈을 제조하기 위해 사용되며, 세라믹캐리어 및 상기 세라믹캐리어의 일면 또는 양면에 배치된 구리층의 복합체이다. 상기 구리층은 통상적으로 0.1 내지 1.0 mm의 두께를 갖는 구리시트의 형태로 형성된 구리반제품으로서 미리 제조되며, 접합방법을 통해 상기 세라믹캐리어에 접합된다. 이러한 종류의 접합방법은 DCB 또는 AMB으로도 공지되어 있다. 그러나, 상기 세라믹캐리어가 높은 강도를 갖는다면, 상대적으로 큰 두께를 갖는 구리층도 적용될 수 있으며, 이는 전기적 및 열적 특성의 측면에서 근본적으로 바람직한 점이다.
도 1의 상부 도면은 종래 기술에 따른 구리세라믹기판(1)을 도시한 것이며, 상기 구리세라믹기판(1)은 상이한 표면 상에 배치된 2 개의 구리층(3, 4)을 갖는 세라믹캐리어(2)를 포함하고, 도전경로(Conductor path) 구조도 에칭되어 상기 구리층(3)(도면에서 상부층)을 형성하며, 상기 구리층(4)(도면에서 하부층)은 전체 표면 상에 형성된다.
예를 들어, 뮬라이트(Mullite), Al2O3, Si3N4, AlN, ZTA, ATZ, TiO2, ZrO2, MgO, CaO, CaCO3, 또는 이들 소재 중 적어도 2 종의 혼합물로 형성된 세라믹플레이트가 세라믹캐리어로서 사용된다.
DCB 방법에서, 상기 구리층은 다음과 같은 단계들에 의해 세라믹베이스에 접합된다:
- 균일한 산화구리층이 형성되도록 상기 구리층을 산화시키는 단계;
- 상기 세라믹캐리어 상에 상기 구리층을 배치하는 단계;
- 상기 복합체를 1060 ℃ 내지 1085 ℃의 공정 온도로 가열하는 단계.
이에 따라, 상기 구리층 상에 공융 용융물(Eutectic melt)을 생성되며, 이는 상기 구리층을 상기 세라믹캐리어에 일체로 접합시킨다. 이 공정을 본딩(Bonding)이라고 한다. Al2O3가 상기 세라믹캐리어로 사용되는 경우, 얇은 Cu-Al 스피넬층이 접합으로부터 생성된다.
상기 본딩공정 후에, 필요한 도전경로는 외부를 향하는 상기 구리층의 표면, 즉 자유표면을 에칭함으로써 형성된다. 그 후, 칩을 납땜하고, 칩 상면에 접촉부를 형성하기 위하여 본딩와이어를 적용하여 접속부가 생성되는데, 이를 위해, 상기 구리층의 상기 자유표면의 구조가 가능한 한 균질하고 미세하게 형성되어야 한다. 전력모듈을 생산하기 위해, 상기 구리세라믹기판은 그 후 베이스 플레이트에 접합될 수 있다.
전술한 구리세라믹기판의 이점은 우선적으로 구리의 높은 전류부하 용량을 들 수 있으며, 또한 상기 세라믹캐리어에 의해 우수한 전기적 절연 및 기계적 지지를 얻을 수 있다는 것이다. 상기 구리층과 상기 세라믹캐리어의 높은 접착성은 또한 DCB 기술에 의해 달성될 수 있다. 또한, 사용된 구리세라믹기판은 높은 주변온도에서 안정적이며, 이러한 주변온도는 상기 기판의 사용시 자주 발생한다.
상기 구리세라믹기판의 약점은 열피로 저항(Thermal fatigue resistance)으로, 이는 일시적인 열적 유도응력이 소정 횟수만큼 가해진 후 발생하는 부품의 고장을 나타내는 재료 특성이다. 이 파라미터는 전력모듈의 수명에 있어서 중요한데, 이는 모듈의 작동 중 극단적인 온도 변화가 발생하기 때문이다. 사용된 세라믹소재 및 구리소재의 상이한 열팽창 계수로 인해, 기계적 응력은 사용시 상기 구리세라믹기판에 열적으로 유도되고, 이에 따라 소정 횟수의 사이클 후에 상기 구리층이 상기 세라믹층으로부터 박리되고, 그리고/또는 상기 세라믹층 및/또는 상기 구리층에서 균열이 발생되어, 부품의 고장으로 이어질 수 있다. 열응력에 의한 구리세라믹기판(1)의 휘어짐은 도 1의 하부 도면에 과장되게 도시되어있다. 따라서, 상이한 구리량에 따른 상기 구리층(3, 4)의 상이한 팽창에 의해 상기 구리세라믹기판이 휘게 된다. 상기 구리세라믹기판(1)의 이러한 휘어짐으로 인해, 전단응력, 압축응력 및 인장응력이 상기 구리층(3, 4) 자체에서, 특히 상기 구리층(3, 4)과 상기 세라믹캐리어(2)의 접속부에서 생성되며, 상기 응력들은 상기 구리층(3, 4)과 상기 세라믹캐리어(2) 사이의 접속부를 파괴시킬 수 있고, 상기 구리층(3, 4) 및/또는 상기 세라믹캐리어(2)에서 균열을 발생시킬 수 있다.
이러한 배경에 대하여, 본 발명의 목적은 구리층 및 기판에 요구되는 다양한 요건에 따라 개선된 방식으로 조정될 수 있는 구리세라믹기판 및 구리반제품을 생성하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 종류의 구리세라믹기판을 제조하기 위한 비용 효율적인 방법을 창출하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 청구항 제1항의 특징을 갖는 구리세라믹기판, 청구항 제5항 또는 제7항의 특징을 갖는 구리반제품 및 청구항 제11항의 특징을 갖는 방법이 제안된다. 바람직한 추가적인 특징들은 상기 청구항들에 종속되는 종속항들, 도면 및 관련 설명에서 알 수 있다.
본 발명의 기본 개념에 따르면, 구리층이 세라믹캐리어와 대면하고 제1 평균입도(Average grain size)를 갖는 적어도 하나의 제1 층 및 상기 세라믹캐리어로부터 먼 측에 배치되는 상기 구리층의 표면 상에 배치되고 제2 평균입도를 갖는 제2 층을 포함하고, 상기 제2 입도는 제1 입도보다 작으며, 상기 제1 층의 구리층은 100 μm 초과의 평균입도, 바람직하게는 약 250 내지 1000 μm의 평균입도를 가지고, 상기 제2 층의 구리층은 100 μm 미만의 평균입도, 바람직하게는 약 50 μm의 평균입도를 가지거나, 또는 상기 제1 층은 150 μm 초과의 평균입도, 바람직하게는 약 250 내지 2000 μm의 평균입도를 가지고, 상기 제2 층은 150 μm 미만의 평균입도, 바람직하게는 약 50 μm의 평균입도를 가지는 것이 제안된다.
제안된 해결수단의 이점은, 상기 구리층이 2층 구조의 제안된 상이한 입도로 인해 상기 구리층에 요구되는 요건에 상당히 더 적합하게 설계될 수 있다는 것이다. 이것의 한 가지 특별한 이점은, 상기 구리층이 상기 제1 층에서 상대적으로 큰 평균입도를 가진다는 것이며, 상기 구리층이 상대적으로 큰 입도 및 결과적으로 상대적으로 낮은 내력(Proof stress)으로 인하여 개선된 열피로 저항을 갖기 때문에, 박리 또는 균열이 생길 가능성을 감소시킬 수 있다. 내력 및 입도 사이의 관계는 홀-페치 관계(Hall-Petch relationship)로 설명된다:
Figure pct00001
여기서, σy는 내력, σ0 및 K는 소재에 따른 상수, dK는 입도이다.
그러나, 상기 구리층은 외부를 향하고 상기 세라믹캐리어로부터 먼 측에 배치되는 표면에서 상대적으로 미세한 입도를 갖는 제2 층을 가지고, 이에 따라 이 표면 상에서 구리층은 보다 높은 경도, 강도 및 내력을 가지며, 이는 결국 고부하(예컨대, 진동)를 수반하는 응용 분야에서 바람직하다. 또한, 상대적으로 미세한 입자 구조는 광학시스템에 의한 추가적인 처리에 있어서 바람직하다. 도전체 구조를 생성하기 위한 처리 절차(예컨대, 에칭 공정) 중에 미세한 입도 또한 바람직한데, 이는 결과적으로 예리한 모서리 및 미세한 구조가 더욱 양호하게 생성될 수 있기 때문이다. 이 경우, 거친 입자는 입자경계를 따라 깊은 에칭 크레이터를 발생시킬 수 있어 구리 표면의 거칠기를 증가시킬 수 있다. 이는 균질의 미세한 입도를 시각적으로 보여 주게 된다. 또한, 표면 상의 미세 구조는 본딩와이어에 바람직하다.
전반적으로, 본 발명에 따른 해결수단을 사용함으로써, 구리세라믹기판은 우수한 작업성 및 고강도를 갖는 동시에 높은 열피로 저항을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 구리층의 자유표면이 고품질의 시각적 특성을 가질 수 있다.
어떤 경우든, 상기 구리층에 요구되는 요건은, 일관된 입도를 갖는 구리층을 사용하여 지금까지 가능했던 것보다 상이한 입도를 갖는 2개의 층에 의해 상당히 더욱 양호하게 충족될 수 있다. 따라서, 특정 한도 내에서 상기 2개의 층의 입도를 선택함으로써, 상기 구리층은 다른 특성 중 하나에 필연적으로 악영향을 미치는 특성 중 하나와 관련한 최적화 없이 요구되는 요건에 개별적으로 최적화될 수 있다. 실제로, 입도는 특성변수로서 사용되며, 이를 통해 상기 구리층의 특성은 만족되어야 할 상이한 요건에 대해 의도적으로 동일한 소재를 사용함으로써 개선될 수 있다.
이 경우, 상대적으로 미세한 입자 구조를 갖는 더욱 얇은 제3 층이 결과적으로 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고 상기 제1 층 및 상기 세라믹캐리어 사이에 확실하게 제공될 수 있다. 상기 제2 층에 대해 상기 세라믹캐리어와 대면하는 상기 제1 층이 보다 거친 입자 구조를 갖는 것이 중요하다. 이 경우, 상기 제1 층은 상기 제2 층 및 상기 제3 층 사이에 배치되고, 실제로는 상기 구리층의 코어를 형성하며, 따라서 열응력 하에서 상기 기판의 변형 거동에 결정적이다. 이 경우, 본 발명의 이점이 이용되는데, 제1 구리층의 거친 입자 구조에 기인하는 구리층의 휘어짐 및 그에 관련된 구리층의 응력이 감소되기 때문에, 상기 제1 층은 상기 세라믹캐리어에 직접적으로 안착되지 않으며, 상기 제3 층에 의해 상기 세라믹캐리어로부터 분리된다. 상기 제1 층이 충분히 두꺼워서 열응력에 의해 발생한 구리층의 재료 응력에 긍정적인 영향을 미치고, 특히 상기 재료 응력을 감소시키는 것이 중요하다.
예를 들어, 상기 구리층의 상이한 구조는 상기 구리층의 특정한 열처리를 통해 특히 간단하게 달성될 수 있다. 또는, 예컨대 도금에 의해, 상이한 입도를 갖는 적어도 2 개의 상이한 구리소재가 서로 접합되어 구리층을 형성 할 수 있다. 이 경우, 미리 제조된 밴드 형태의 상이한 구리소재는 선행 공정 단계에서 서로 접합되어 구리반제품을 형성할 수 있다. 또는, 보다 큰 입도를 갖는 제1 층이 먼저 상기 세라믹캐리어에 도포될 수 있고, 이에 후속하여 상대적으로 미세한 입도를 갖는 제2 층이 상대적으로 큰 입도를 갖는 제1 층에 도포될 수 있다.
또한, 동일한 또는 임의의 소정의 입도를 갖는 2 개의 상이한 구리소재가 서로 접합될 수 있으며, 그 소재들의 고온 특성들은 열처리 중에 제1 층에는 큰 입도를 갖는 구조가 생성되고, 제2 층에는 작은 입도를 갖는 구조가 생성되도록 조정된다. 이상적으로, DCB 또는 AMB 방법 자체의 본딩공정은 고온 처리를 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 두 표면의 상이한 구조는 특수 열처리와 함께 2 개의 상이한 구리소재를 사용하여 달성될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 층의 구리소재는 Cu-ETP이고, 상기 제2 층에서 외부를 향하는 표면 상의 구리소재는 Cu-OF, 더욱 바람직하게는 Cu-OFE인 것이 제안된다. 응고도표(Solidification diagram)에서, Cu-OF 및 Cu-OFE는 특히 뚜렷한 계단형 융점을 가지며, 즉 용융 온도 이하 또는 그 이상이 될 때 급격히 응고되고 용융된다. Cu-ETP는 구리(Cu) 산화물의 일부를 포함하며, 이에 따라 Cu-ETP는 응고도표 상의 하향 경사진 용융범위 내에서 응고 또는 용융된다. Cu-OF의 융점이 Cu-ETP의 고상선 온도(Solidus temperature)보다 높기 때문에, Cu-ETP가 용융되는 동안 모든 Cu-OF가 응고된다. Cu-ETP를 제1 층으로 사용하는 이점은, DCB 방법의 본딩온도에 상응하는 Cu-ETP의 고상선 온도가 초과될 때, Cu-OF에 의해 형성된 구리층의 자유표면이 완전히 응고되어있는 동안 상기 구리층은 상기 세라믹캐리어와 접합되기 위해 제1 층의 영역에서 용융되기 시작한다는 점이다. Cu-ETP 상에 구리(Cu) 산화물이 용융됨으로써, 특히 제1 구리 층 및 세라믹캐리어 사이의 접합 및 접착 강도가 개선될 수 있다. 또한, 후속되는 냉각시, Cu-ETP는 상기 자유표면의 Cu-OF보다 더 거친 입자 구조를 형성하며, 그 결과 열피로 저항이 전술한 원리에 따라 자동적으로 개선된다.
이하, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 구리세라믹기판을 도시한다.
도 2는 상이한 구리소재로 형성된 2 개의 층을 포함하는 구리반제품을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 구리세라믹기판의 단면도이다.
전력모듈은 전력전자공학 분야의 반도체 장치이며 반도체 스위치로 사용된다. 전력모듈은 히트싱크로부터 전기적으로 절연된 하우징 내에 복수의 전력 반도체(칩)를 포함한다. 이들은 베이스 플레이트를 향해 열이 출력되는 것과 전기 절연을 보장하기 위해 납땜 또는 접착제 결합에 의해 전기 절연판(예컨대, 세라믹으로 형성된 것)의 금속화 표면에 적용된다. 금속화 층과 상기 절연판으로 형성된 복합체는 구리세라믹기판이라고 불리며, DCB 기술 (Direct Copper Bonding; 직접 구리 본딩)에 의해 산업 규모에서 제조된다.
칩들 사이의 접촉은 얇은 본딩와이어를 포함하는 접합부에 의해 이루어진다. 또한, 상이한 기능(예컨대, 센서 및 저항기)을 갖는 추가적인 어셈블리가 존재하고 일체화될 수 있다.
DCB 기판을 제조하기 위해, 본딩 공정에서 세라믹캐리어(예컨대, Al2O3, Si3N4, AIN, ZTA 및 ATZ)가 그 상부면 및 하부면에서 구리층에 의해 서로 접합된다. 이 공정을 위한 준비단계에서, 상기 구리층은 상기 세라믹캐리어 상에 배치되기 전에 표면 상에서 산화(예컨대, 화학적 또는 열적 산화)될 수 있고, 이어서 상기 세라믹캐리어 상에 배치될 수 있다. 접합은 1060 ℃ 내지 1085 ℃의 고온 공정에서 진행되며, 상기 구리층의 표면에 공융 용융물이 생성되고, 상기 용융물은 상기 세라믹캐리어와 접합된다. 예를 들어, 산화 알루미늄(Al2O3)상의 구리(Cu)인 경우, 이 접합은 얇은 Cu-Al 스피넬층으로 구성된다.
도 1은 종래 기술에 따른 구리세라믹기판(1)을 도시하며, 이는 세라믹캐리어(2) 및 상기 세라믹캐리어(2)의 표면 상에 유지되는 2 개의 구리층(3, 4)을 포함한다.
도 3은 본 발명에 따라 개발되고 세라믹캐리어(2) 및 2 개의 구리층(3, 4)을 포함하는 구리세라믹기판(1)을 도시한다. 본 발명에 따라 개발된 도 3의 2 개의 구리층(3, 4)은 각각 상기 세라믹캐리어(2)와 대면하고 상대적으로 거친 미세구조를 갖는 제1 층(5, 6)을 포함한다. 바람직하게, 상기 제1 층(5, 6)은 상기 구리층(3, 4)이 상기 세라믹캐리어(2)에 안착되며 상기 세라믹캐리어(2)와 접합되는 층이다.
상기 구리층(3, 4)의 상기 제1 층(5, 6)은 각각 자유 외부 표면 상에서 100 또는 150 μm 미만, 바람직하게는 약 50 μm 미만의 상대적으로 미세한 평균입도를 갖는 상대적으로 미세한 미세구조를 갖는 상기 제2 층(7, 8)에 의해 덮여있다. 그러나, 상기 2 개의 구리층(3, 4)의 상기 제1 층(5, 6)은 100 또는 150 μm 초과, 바람직하게는 약 250 내지 1000 μm 또는 250 내지 2000 μm의 상대적으로 큰 평균입도를 갖는 상대적으로 거친 미세구조를 갖는다. 따라서, 상기 구리층(3, 4)의 미세구조는 상기 세라믹캐리어(2)와 대면하는 상기 제1 층(5, 6)에서, 외부를 향하는 층(7, 8)에서의 입도보다 평균적으로 10 배 큰 입도를 갖는다. 상기 제1 층(5, 6)은 상기 제2 층(7, 8)보다 실질적으로 두꺼울 수 있고, 상기 구리층(3, 4)의 베이스 층을 형성할 수 있다. 상기 제2 층(7, 8)은 실질적으로 얇을 수 있고, 약 50 내지 100 μm의 두께를 가지며, 상기 구리층(3, 4)의 자유표면을 형성할 수 있다. 상대적으로 큰 입도를 갖는 상기 제1 층(5, 6)의 상당히 큰 두께로 인해 상기 구리층(3, 4)의 기계적 거동이 상기 구리층(3, 4)이 전체적으로 상대적으로 낮은 내력을 가져서 상대적으로 높은 열피로 저항을 가질 정도까지 변경되는 반면, 실질적으로 더 미세한 미세구조를 갖는 상기 제2 층(7, 8)은 단순히 자유표면을 형성한다.
상기 구리층(3, 4)은 예컨대, 처음에 기술된 DCB 방법 이후에 상기 세라믹캐리어(2)에 접합될 수 있는데, 여기서 상기 2 개의 구리층(3, 4)상에 안착되는 상기 2 개의 제1 층(5, 6)은 상기 세라믹캐리어(2)의 각 표면에지영역(9, 10)에 일체형 접합을 통해 상기 세라믹캐리어(2)에 접합된다. 상기 제1 층(5, 6)의 상기 2 개의 구리층(3, 4)이 250 내지 1000 μm 또는 250 내지 2000 μm의 큰 입도를 갖는 상당히 상대적으로 거친 미세구조를 갖기 때문에, 상기 구리층(3, 4)은 전술한 홀-페치 관계로 인해 외부면 상에 배치된 상기 제2 층(7, 8)의 영역에서보다 낮은 내력을 가지며, 따라서 외면에서와 같이 이 표면 상에서 50 μm의 동일한 입도를 갖는 경우보다 더 높은 열피로 저항으로 상기 세라믹캐리어(2)에 접합된다. 따라서, 제안된 설계에 의해 형성되고 상기 세라믹캐리어(2)와의 접속면에서 상대적으로 큰 입도를 갖는 구리층(3, 4)은 특히 표면에지영역(9, 10) 사이의 접속에서 높은 열피로 저항을 위해 설계되었다. 반대로, 50 μm의 상대적으로 미세한 입도를 갖는 상기 제2 층(7, 8)의 상대적으로 미세한 미세구조로 인해, 그 외 외부면 상의 상기 구리층(3, 4)은 전도체 구조를 도입하기 위해 상당히 간단하고 정확하게 처리된다. 또한, 이 표면의 층은 상대적으로 큰 경도, 강도 및 내력을 가지므로, 상기 구리세라믹기판(1)의 수명이 외부 영향에 따라 증가될 수 있다. 또한, 상기 표면을 형성하는 상기 제2 층(7, 8)의 상대적으로 미세한 구조는 와이어를 접속하는데 바람직하다.
상이한 층(5, 6, 7, 8)에서의 구리층(3, 4)의 상이한 미세구조는 특별히 수행된 열처리, 2 개의 상이한 구리소재의 사용, 또는 두 가지 방법을 조합하여 사용함으로써 달성될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 2 개의 구리층(3, 4)은 구리소재인 Cu-OF, 바람직하게는 Cu-OFE로 형성된 층을 구리소재인 Cu-ETP로 형성된 층으로 도금(예컨대, 롤-본딩(Roll-bonding))하여 생성되며, 이에 따라 도 2에 도시된 구리반제품(11, 12)을 형성된다. 여기서, Cu-ETP에 의해 형성된 제1 층(5, 6) 및 Cu-OF에 의해 형성된 제2 층(7, 8)은 동일하거나 또는 적어도 유사한 입도를 갖는다. DCB 방법에서는, 예컨대 상기 세라믹캐리어(2) 상에 미리 산화된 구리반제품(11, 12)을 배치하고, 1060 ℃ 내지 1085 ℃의 공정 온도로 가열한다. 이렇게 함으로써, 이 경우에서 Cu-ETP에 의해 형성되는 제1 층(5, 6)의 구리(Cu) 산화물이 용융되어 상기 표면에지영역(9, 10)에서 상기 세라믹캐리어(2)에 접속부를 형성한다. 열의 적용 및 2 개의 구리소재의 상이한 재결정 거동으로 인해, Cu-ETP 내의 입자가 차후 거칠어지는 정도로 구조가 변하며, Cu-OF 또는 Cu-OFE는 상대적으로 미세한 미세구조를 갖는다.
Cu-OF 또는 Cu-OFE, 및 Cu-ETP는 높은 도전성을 갖는 구리(Cu)소재이며, 58 MS/m 이상의 전도도를 갖는다. 그러나, 이보다 낮은 전도성을 갖는 물질도 고려될 수 있다. 또한, 상기 2 개의 구리(Cu)소재는 용접, 납땜, 스테이플링(stapling), 접착제 본딩, 또는 추가적인 제조 방법과 같은 다른 접합방법을 통해 서로 접합될 수 있다. 또한, 상기 구리층(3, 4)은 상기 구리층(3, 4)의 재료 특성들을 더욱 개선하려는 의도가 있다면 필요한 경우 추가적인 구리(Cu)소재들 또는 층들에 의해 보충될 수 있다.
바람직하게, 상기 2 개의 구리층(3, 4)은 각각의 경우에 구리(Cu)소재를 도금함으로써 구리반제품(11, 12)으로서 미리 제작된다. 본딩 후, 상기 구리반제품(11, 12)은 상이한 구리(Cu)소재의 제안된 사용 및 본딩 중에 열을 가함으로 인해, 이미 일면에 약 50 μm의 미세한 입도를 갖는 미세구조를 갖고, 타면에 250 내지 1000 μm의 상대적으로 큰 입도를 갖는 미세구조를 갖는다. 이 경우, 상기 본딩은 의도적으로 동시에 열처리를 포함하며, 이 열처리 중에 상기 세라믹캐리어(2)와 대면하는 상기 구리층(3, 4)의 상기 제1 층(5, 6)의 입자가 더욱 커지고, 이는 결과적으로 상기 구리층(3, 4)의 열피로 저항, 특히 접속부(9, 10)의 영역에서 상기 세라믹캐리어(2)에 대한 열피로 저항이 더욱 증가한다는 점에서 긍정적이다. 동시에, 상기 열처리는 세라믹캐리어(2)로부터 먼 측에 배치되는 상기 구리반제품(11, 12) 또는 상기 구리층(3, 4)의 층(7, 8)에서의 입도가 현저하게 증가하게 하지 않으며, 이에 따라 상기 표면 상의 상기 구리층(3, 4)의 특성이 바람직하지 않게 변경되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 2 개의 상이한 구리(Cu)소재가 도금에 의해 서로 접합되어, 완성된 소재의 고온 특성이 상기 세라믹캐리어(2)와 대면하는 표면에 열을 가하는 동안 상기 구리층(3, 4)에 낮은 내력을 갖는 거친 구조가 생성되고, 요구되는 표면 특성을 갖는 상대적으로 미세한 구조가 자유표면 상에 생성되도록 구체적으로 설정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 특정 용도에 바람직한 경우, 보다 미세한 구조를 갖는 추가적인 층이 거친 구조를 갖는 상기 제1 층(5, 6) 및 상기 세라믹캐리어(2) 사이에 존재할 수 있다. 그러나, 열피로 응력 하에서 균열 형성의 감소 및 박리 방지와 같은 주요 장점은 여전히 유지되며, 이 경우에서의 상기 구리층(3, 4)의 상기 제1 층(5, 6)도 내력이 감소되어 열피로 저항이 증가한 코어를 형성하기 때문이다.
또한, 이 경우 바람직하게는 접합의 생성과 함께 본딩 또한 열처리로서 사용되며, 이를 사용하면 상기 구리층(3, 4)의 상기 두 표면에 본 발명에 따라 제안된 상이한 입도를 달성하는 것이 특히 간단하고, 상기 2 개의 상이한 구리소재를 사용함으로써 효과를 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
바람직하게, 상기 2 개의 구리층(3, 4)은 2 개의 제안된 구리소재를 도금함으로써 제조된 구리반제품(11, 12)으로서 미리 제작된다. 이렇게 함으로써, 상기 세라믹캐리어(2)에 대면하고 Cu-ETP에 의해 형성되는 상기 제1 층(5, 6)이 실질적으로 두껍게 되도록, 그리고 Cu-OF에 의해 형성되는 실질적으로 얇은 제2 층(7, 8)에 대한 일종의 캐리어 기능을 형성하도록 설계된다.
상기 구리반제품(11, 12)은 0.1 내지 1.0 mm의 두께를 가질 수 있고, 상기 세라믹캐리어(2) 상에 대면적으로 배치되며, DCB 방법에 의해 상기 세라믹캐리어(2)에 접합된다. 이후, 상기 대면적의 구리세라믹기판(1)을 상대적으로 작은 단위로 절단하고, 추가적으로 처리한다.
상기 개선된 구리세라믹기판(1) 및 상기 구리반제품(11, 12)으로서 미리 제조된 구리 시트와 함께, 본 발명은 또한 상기 구리세라믹기판(1)을 제조하기 위한 바람직한 비용 효율적인 방법을 제공한다. 이 방법에서, 상기 제안된 구리세라믹기판(1)은, 2 개의 층(5 및 6, 또는 7 및 8)에서의 상이한 입도가 자동으로 조정되는 열처리에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 구리층(3, 4)은 상기 세라믹캐리어(2)에 접합되기 전에 열처리될 수 있거나, 또는 미세구조에 영향을 주기 위해 본딩 방법 중에 열이 적용될 수 있다. 또한, 상기 구리층(3, 4)은 이미 상이한 미세구조를 가지거나 또는 이후 열처리 중에 상이한 미세구조를 형성하는 2 개의 상이한 구리(Cu)소재를 도금함으로써 접합될 수 있다.

Claims (14)

  1. 세라믹캐리어(2), 및
    상기 세라믹캐리어(2)의 표면에 접합된 구리층(3, 4)을 포함하는 구리세라믹기판(1)에 있어서,
    상기 구리층(3, 4)은 상기 세라믹캐리어와 대면하고 제1 평균입도(Average grain size)를 갖는 적어도 하나의 제1 층(5, 6) 및 상기 세라믹캐리어(2)로부터 먼 측에 배치되는 상기 구리층(3, 4)의 표면 상에 배치되고 제2 평균입도를 갖는 제2 층(7, 8)을 포함하고,
    상기 제2 입도는 제1 입도보다 작으며,
    상기 제1 층(5, 6)은 100 μm 초과의 평균입도, 바람직하게는 약 250 내지 1000 μm의 평균입도를 가지고,
    상기 제2 층(7, 8)은 100 μm 미만의 평균입도, 바람직하게는 약 50 μm의 평균입도를 가지거나,
    또는
    상기 제1 층(5, 6)은 150 μm 초과의 평균입도, 바람직하게는 약 250 내지 2000 μm의 평균입도를 가지고,
    상기 제2 층(7, 8)은 150 μm 미만의 평균입도, 바람직하게는 약 50 μm의 평균입도를 가지는 것을 특징으로 하는 구리세라믹기판(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구리층(3, 4)의 상기 제1 및 제2 층(5, 6, 7, 8)은 적어도 2 개의 상이한 구리소재에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 구리세라믹기판(1).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층(5, 6)의 상기 구리소재는 Cu-ETP인 것을 특징으로 하는 구리세라믹기판(1).
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 층(7, 8)의 상기 구리소재는 Cu-OF, 더욱 바람직하게는 Cu-OFE인 것을 특징으로 하는 구리세라믹기판(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(5, 6)은 상기 제2 층(7, 8)보다 낮은 내력(Proof stress)을 갖는 것을 특징으로 하는 구리세라믹기판(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층(5, 6)의 융점은 1060 ℃ 내지 1085 ℃인 것을 특징으로 하는 구리세라믹기판(1).
  7. 구리세라믹기판(1)을 제조하기 위한 구리반제품(Copper semi-finished product)(11, 12)에 있어서,
    상기 구리반제품(11, 12)은 제1 평균입도를 갖는 적어도 하나의 제1 층(5, 6) 및 제2 평균입도를 갖는 제2 층(7, 8)을 포함하고, 상기 2 개의 평균입도는 상이하며,
    상기 제1 층(5, 6)은 100 μm 초과의 평균입도, 바람직하게는 약 250 내지 1000 μm의 평균입도를 가지고, 상기 제2 층(7, 8)은 100 μm 미만의 평균입도, 바람직하게는 약 50 μm의 평균입도를 가지거나, 또는
    상기 제1 층(5, 6)은 150 μm 초과의 평균입도, 바람직하게는 약 250 내지 2000 μm의 평균입도를 가지고,
    상기 제2 층(7, 8)은 150 μm 미만의 평균입도, 바람직하게는 약 50 μm의 평균입도를 가지는 것을 특징으로 하는 구리반제품(11, 12).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 2 개의 층(5, 6, 7, 8)은 상이한 구리소재에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 구리반제품(11, 12).
  9. 구리세라믹기판(1)을 제조하기 위한 구리반제품(11, 12)에 있어서,
    상기 구리반제품(11, 12)은 제1 구리소재로 형성된 제1 층(5, 6) 및 제2 구리소재로 형성된 제2 층(7, 8)을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 구리소재는 열이 인가된 후에 상이한 입도를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 구리반제품(11, 12).
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 2 개의 상이한 구리소재는 도금을 통해 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 구리반제품(11, 12).
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2 개의 상이한 구리소재는 Cu-OF, 바람직하게는 Cu-OFE, 및 Cu-ETP인 것을 특징으로 하는 구리반제품(11, 12).
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리반제품(11, 12)의 상기 2 개의 층(5, 6, 7, 8)은 상이한 열처리를 거치는 것을 특징으로 하는 구리반제품(11, 12).
  13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 특징을 갖는 구리세라믹기판(1)을 제조하는 방법에 있어서,
    구리층(3, 4)의 2 개의 층(5, 6, 7, 8)의 상이한 입도는 상기 구리층(3, 4)을 세라믹캐리어(2)에 접합하기 위한 본딩(Bonding)방법에서 열을 가함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 구리층(3, 4)은 제7항에 따른 구리반제품(11, 12), 또는 제7항에 종속되는 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 구리반제품(11, 12)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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