KR20180111943A - 구리-세라믹 복합재 - Google Patents

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헤레우스 도이칠란트 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 - 알루미늄 산화물을 포함하는 세라믹 기판으로서, 알루미늄 산화물은 0.01 ㎛ 내지 25 ㎛의 범위의 입도들, 중간 값 d50 과 산술 평균 값 darith 을 갖는 입도들의 수량 분포, 및 0.75 내지 1.10의 범위에 있는 d50 대 darith의 비율을 가지는, 상기 세라믹 기판과, - 세라믹 기판 상에 제공되는 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 코팅을 포함하는 구리-세라믹 복합재에 관한 것이다.

Description

구리-세라믹 복합재
본 발명은 구리-세라믹 복합재에 그리고 또한 이 복합재를 포함하고 전력 전자기기 컴포넌트들에서 사용될 수 있는 모듈에 관한 것이다.
세라믹 회로 지지체들은 높은 열전도율, 높은 치수 안정성 또는 기계적 강도 그리고 또한 높은 절연 강도 때문에 고전력 전자기기 분야에서 특히 흥미롭다.
직접 구리 본딩 (Direct copper Bonding) (보통 DCB 공정이라 지칭됨) 또는 활성 금속 브레이징 (active metal brazing) (보통 AMB 공정이라 지칭됨) 과 같은 다양한 공정들이 세라믹 기판을 금속화하는데 이용 가능하다.
세라믹 기판의 금속화 후에 획득되는 복합 재료는 금속-세라믹 기판 또는 금속-세라믹 복합재라고 또한 지칭된다. 그것이, 예를 들어, DCB 공정에 의해 생산되면, "DCB 기판"이란 용어는 또한 종종 사용된다.
DCB 공정은 산소가 1083℃의 구리의 융점을 1065℃의 공융 융점으로 낮춘다는 사실을 이용한다. 세라믹 기판의 금속화 전의 구리 포일들의 산화 또는 (예를 들어 1065℃부터 1080℃까지의 범위의 온도에서의) 고온 공정 동안의 산소의 도입은 얇은 공융 용융 층을 형성한다. 이것은 세라믹 기판의 표면과 반응하여서, 세라믹과 금속은 서로 단단히 본딩될 수 있다.
DCB 공정들은, 예를 들어, US 3,744,120 또는 DE 23 19 854에 기재되어 있다.
금속화는, 예를 들어, 세라믹 기판의 일측 상에서만 수행될 수 있거나 ("단일 층 본딩 (single layer bonding)" SLB) 또는 대안으로서 세라믹 기판의 양측 상에서 동시에 수행될 수 있다 ("이중 층 본딩 (double layer bonding)" DLB). 먼저 기판의 제 1 측을 제 1 SLB 단계에 의해 금속화하고 또한 그 뒤에 추가의 SLB 단계에서 기판의 반대면을 또한 금속화하는 것도 가능하다.
도체 트랙들의 형성을 위한 도포된 금속 코팅을, 예를 들어 에칭 공정들에 의해, 구조화하는 것이 또한 공지되어 있다.
전력 전자기기의 많은 응용들에서, 금속-세라믹 복합재는 고온 변화 응력들을 받고, 그 경우에 (예컨대, -40℃부터 +150℃까지의 범위의) 상당한 온도 변화들이 일어날 수 있다.
세라믹 기판의 그리고 금속 코팅의 상이한 열 팽창 계수들로 인해, 상당한 기계적 응력들이 온도 변동들의 경우에 이들 층들 사이의 천이에서 일어나고 이것들은 세라믹 표면으로부터의 금속의 적어도 부분적 분리로 궁극적으로 이어진다. 주변 지역에서의 미시적 수준의 금속 층의 특정 구조화가 인장 응력 및 압축 응력을 감소시킬 수 있고 따라서 열 충격 저항성을 개선할 수 있다는 것이 알려져 있다. DE 40 04 844 A1 및 DE 43 18 241 A1은 세라믹 기판들 상의 금속 코팅들을 기재하는데, 그 코팅들은 그것들의 에지들에 오목부들 또는 구멍들의 형태로 주변 약화부분들을 가진다.
작동 시 발생하는 온도 변화 응력들은 세라믹에서의 균열로 이어질 수 있다. 더구나, 수송 동안 또는 전자 컴포넌트들 속으로의 설치 동안, 세라믹에서 균열을 또한 초래하는 기계적 응력들이 발생할 수도 있다.
온도 변화 응력들 또는 다른 기계적 응력들의 결과로서 세라믹에서의 균열을 가능한 한 최소화하기 위하여, 금속-세라믹 복합재의 세라믹 기판은 (예를 들어 매우 높은 굴곡 파단 강도 (flexural fracture strength) 형태의) 매우 높은 기계적 강도를 가져야 한다.
작동 시, 구조화된 금속 코팅은 예를 들어, 칩들과 같은 전자 컴포넌트들과 접촉하게 된다. 이들 전자 컴포넌트들의 영역들에서, 상당한 열 발생이 있을 수도 있다. 이 열은 세라믹 기판을 통해 가능한 한 빨리 방열되어야 한다.
그러므로, 원칙적으로, 세라믹 기판이 양호한 기계적 강도뿐만 아니라 매우 높은 열전도율도 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 실제로는, 양 속성들을 동시에 최적화하는 것은 어려운 것으로 알려져 있다. 하나의 파라미터에서의 개선은 다른 파라미터의 희생으로 흔히 달성된다.
전자기기에서의 응용들을 위한 구리-세라믹 복합재의 다른 관련 속성들은 또한 높은 온도 변화 저항성, 세라믹 표면에의 금속 코팅의 매우 강한 본딩으로서, 심지어 오랜 온도 변화 응력들 하에서 충분히 강하게 유지되어야 하는 그러한 본딩, 및 본딩 와이어들에 관한 구리 코팅의 양호한 본딩 거동이다.
DE 10 2012 110 322에서, 금속-세라믹 복합재의 세라믹 기판은 그것의 입자 구조 (즉, 미시적 수준에서의 그것의 구조) 에 관해 더 상세히 정의된다. 세라믹 기판은 지르코늄 산화물로 보강된 알루미늄 산화물을 포함하며, 알루미늄 산화물의 평균 입도는 2~8 ㎛의 범위에 있고 Al2O3 입자들의 입자 경계들의 길이 대 모든 입자 경계들의 총 길이의 비율은 > 0.6이다. DE 10 2012 110 322에 따르면, 이 입자 구조는 열전도율을 개선하는데 기여한다.
본 발명의 목적은 개선된 속성 프로필, 특히 높은 기계적 강도 및 높은 열 전도율을 갖는 금속-세라믹 복합재를 제공하는 것이다.
그 목적은:
- 알루미늄 산화물을 포함하는 세라믹 기판,
- 세라믹 기판 상에 존재하는 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅을 포함하고,
알루미늄 산화물은 0.01 ㎛부터 25 ㎛까지의 범위의 입도들을 가지는, 구리-세라믹 복합재에 의해 달성된다.
구리-세라믹 복합재의 세라믹 기판은 작은 미세결정들 (crystallites) (그것들은 또한 입자 (grain) 들이라고 지칭됨) 로 이루어지는 일반적으로 다결정 재료이다. 미시적 수준에서, 다결정 재료들은 그것들의 입자 구조 (예컨대, 입도 분포 (grain size distribution) 들, 입자들의 형상, 텍스처,... 등) 의 측면에서 더 상세히 특성화될 수 있다.
본 발명의 맥락에서 0.01 ㎛ 내지 25 ㎛의 범위의 입도들을 갖는 알루미늄 산화물 (Al2O3) 을 포함하는 세라믹 기판이 높은 기계적 강도 및 높은 열전도율 둘 다를 나타낸다는 것이 확인되었다.
기계적 강도에서의 개선은 특히 개선된 굴곡 파단 강도에서 나타난다. 본 발명에 따르면, 세라믹의 개선된 굴곡 파단 강도가 3-점 굽힘 시험 (bending test) 에서 파단으로 이어지는 힘이 증가됨을 의미한다. 세라믹의 굴곡 파단 강도 결정의 일 예가 DIN EN 843-1 (2008) 에서 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지될 것이다. 시험편 기하구조는 바람직하게는 시험편들이 20 x 40 x 0.38 mm³ 또는 20 x 40 x 0.63 mm³의 치수들을 가진다는 점에서 DIN EN 843-1 (2008) 에서의 시험편 기하구조로부터 벗어나 있다.
본 발명에 따르면, 열 충격 저항성은 구리-세라믹 기판의 세라믹으로부터의 층간박리 (delamination) 에 대한 구리 층의 저항성 또는 저항 능력이며, 그 저항성은 세라믹에 대한 구리 층의 적어도 하나의 온도 변화에 후속하여 결정된다. 개선된 열 충격 저항성이, 견뎌낸 온도 변화들의 수가 증가한다는 것을 의미한다.
본 발명에 따르면, 개선된 와이어 본딩은 본드 와이어를 구리-세라믹 복합재의 구리 표면으로부터 분리하는데 필요한 힘이 증가됨을 의미한다.
본 발명에 따르면, 개선된 구리 접착 강도는 본딩된 구리 포일을 구리-세라믹 복합재의 세라믹 표면으로부터 분리하는데 필요한 힘이 증가되도록 하는 구리-세라믹 복합재에 대한 구리의 접착 강도이다. 예시적인 측정 방법이 DE102004012231B4 (DE 102004012231B4의 도 2 및 도 3) 에서 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다.
알루미늄 산화물의 입도들은 바람직하게는 0.3 ㎛부터 23 ㎛까지의 범위, 더 바람직하게는 0.5 ㎛부터 20 ㎛까지의 범위에 있다.
본 발명의 맥락에서, 이들 값들은 입도 분포에 대한 엄밀한 하한 및 상한으로서 간주되는 것이 아니라, 그 대신 +/- 10%만큼 변할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시형태에서, 이들 값들은 알루미늄 산화물의 입도 분포의, 입도가 아래로 떨어지지 않는 하한과 초과되지 않는 상한이다. 이 바람직한 실시형태에서, 알루미늄 산화물은 그러므로 전술한 범위들 밖에 놓이는 입자들을 갖지 않는다. 따라서, dmin(Al2O3) 이 ≥ 0.01 ㎛이고 dmax(Al2O3) 가 ≤ 25 ㎛이며, 더 바람직하게는 dmin(Al2O3) 가 ≥ 0.3 ㎛이고 dmax(Al2O3) ≤ 23 ㎛이며, 더욱 더 바람직하게는 dmin(Al2O3) 가 ≥ 0.5 ㎛이고 dmax(Al2O3) 가 ≤ 20 ㎛이며, 여기서 dmin(Al2O3) 및 dmax(Al2O3) 는 알루미늄 산화물의 최소 입도 및 최대 입도들인 것이 바람직하다.
적합한 Al2O3 입도 분포를 갖는 세라믹 출발 재료의 사용은 구리-세라믹 복합재에서의 원하는 Al2O3 입도들이 설정되는 것을 가능하게 한다. 이러한 세라믹 재료들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다. 입도들의 미세 조정은 세라믹 출발 재료의 열처리에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.
본 기술분야의 통상의 기술자에게 원론적으로 알려진 바와 같이, 입도 분포의 결정은 입자들의 수 (즉, 수 분포 (number distribution)) 에 기초하여 또는 대안적으로 입자들의 질량 (즉, 질량 분포) 또는 체적에 기초하여 수행될 수 있다. 본 발명의 목적들을 위해, 입도들의 분포는 입자들의 수에 기초하여 결정된다.
바람직한 실시형태에서, 세라믹 기판의 알루미늄 산화물은 5% 이하의 입자들이 0.1 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 0.3 ㎛ 미만, 더욱 더 바람직하게는 0.5 ㎛ 미만의 입도를 가지거나; 및/또는 적어도 95%의 입자들이 15 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 10 ㎛ 미만, 더욱 더 바람직하게는 7 ㎛ 미만의 입도를 가지는 입도들의 수 분포를 가진다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 입도 분포의 특성 값들은, 특히, 그의 d50, d5 및 d95이다. 흔히 중간값이라고 또한 지칭되는 d50은, 다음과 같이 정의된다: 50%의 입자들이 d50 보다 더 작은 직경을 가진다. 유사하게, d5는 5%의 입자들이 이 d5보다 더 작은 직경을 갖는 값이고, d95는 95%의 입자들이 이 d95보다 더 작은 직경을 갖는 값이다. 입도 분포의 산술 평균 darith 은 개개의 입자들의 입도들의 합을 입자들의 수에 의해 나눈 것이다.
입도 분포의 대칭성은 이 분포의 중간값 d50 대 산술 평균 darith 의 비율에 의해 (즉, 비율 d50/darith 에 의해; 이하 입도 수 분포의 대칭 값이라 또한 지칭됨) 에 의해 표현될 수 있다. 이 비율의 값이 1.0에 가까울수록, 입도 분포는 더욱 더 대칭적이다.
본 발명의 맥락에서 놀랍게도 확인된 바와 같이, 세라믹 기판에서의 알루미늄 산화물의 입도 분포가 가능한 한 대칭이면 기계적 강도의 그리고 열전도율의 추가의 최적화가 달성될 수 있다. 그러므로, 하나의 바람직한 실시형태에서, 세라믹 기판의 Al2O3는 은 d50 대 darith의 비율 (즉, d50/darith) 이 0.75부터 1.10까지의 범위, 더 바람직하게는 0.78부터 1.05까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.80부터 1.00까지의 범위에 있는 중간값 d50 및 산술 평균 darith 을 갖는 입도들의 수 분포를 가진다.
알루미늄 산화물의 입도 분포의 대칭성이 예를 들어 출발 기판의 생산에서 이미 조정될 수 있게 하는 적절한 방법들이, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 입도 분포의 대칭성은 출발 기판의 생산 시 소결 시간 및 소결 온도에 의해 영향을 받을 수 있다. 전술한 대칭 값들이 최종 구리-세라믹 복합재에서 실현될 수 있게 하는 Al2O3 기판들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다.
알루미늄 산화물의 입도 분포의 폭이 특정 조건들을 충족시키면 기계적 강도의 그리고 열전도율의 추가의 최적화가 달성될 수 있다는 것이 놀랍게도 확인되었다. 너무 좁은 입도 분포가 선택되면, 열전도율에 해로운 결과들이 있을 수도 있는 반면, 너무 넓은 입도 분포는 기계적 강도에 해로울 수도 있다. 입도 분포의 폭은 d5 대 d95의 비율로 표현될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 알루미늄 산화물은 d5 대 d95의 비율이 0.1부터 0.4까지의 범위, 더 바람직하게는 0.11부터 0.35까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.12부터 0.30까지의 범위에 있도록 하는 d5 및 d95를 갖는 입도들의 수 분포를 가진다.
알루미늄 산화물의 입도들의 수 분포는 바람직하게는 d95 가 ≤ 15.0 ㎛, 더 바람직하게는 4.0 ㎛부터 15.0 ㎛까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 4.5 ㎛부터 10.0 ㎛까지의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 5.0 ㎛부터 8.0 ㎛까지의 범위이다. 알루미늄 산화물의 입도 수 분포의 d5는 바람직하게는 ≥ 0.1 ㎛이며; d5는 더 바람직하게는 0.1 ㎛부터 2.5 ㎛까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.3 ㎛부터 2.5 ㎛까지의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 0.5 ㎛부터 2.0 ㎛까지의 범위에 있다.
알루미늄 산화물의 입도 수 분포의 바람직한 d50 는 예를 들어, 1.0 ㎛부터 3.0 ㎛까지의 범위에 있다.
본 발명의 목적을 위해, 알루미늄 산화물의 입도 수 분포의 d5, d95 및 d50 값들은 그것들이 다음의 조건을 충족하도록 선택되는 것이 바람직할 수 있다:
9.5 ≥ (d95 - d5)/d50 ≥ 0.7
기계적 강도의 추가의 최적화는, 알루미늄 산화물의 입자들이, 세라믹 기판의 표면에 평행한 평면에서의 그것들의 이차원 투영에서, 가능한 한 원형 또는 둥근 형상을 가진다면 달성될 수 있다. 개개의 Al2O3 입자의 형상은 최대 입자 직경 dK,max 대, dK,max의 길이의 절반에서 결정되는 dK,max에 수직으로 뻗어있는, 입자 직경 dK,ortho 의 비율 (즉, RK = dK,ortho/dK,max) 인 그의 형상 계수 RK 에 의해 표현될 수 있다.
Al2O3 입자들의 형상 계수들 RK 의 산술 평균으로부터, 알루미늄 산화물의 평균 입자 형상 계수 Ra(Al2O3) 가 획득된다. 예를 들어, 알루미늄 산화물 재료가, 높은 분율의 세장형 입자들을 포함하는 경우, 이 구리의 평균 입자 형상 계수는 상대적으로 낮은 값을 가질 것이다. 한편, 평균 입자 형상 계수가 1.0의 값에 더 접근할수록, 상대적으로 둥근, 원형 입자들의 분율은 더 높아진다.
알루미늄 산화물의 평균 입자 형상 계수 Ra(Al2O3) 는 바람직하게는 ≥ 0.40, 더욱 더 바람직하게는 ≥ 0.60, 또는 ≥ 0.80이다. 알루미늄 산화물 입자들의 형상이 예를 들어 출발 기판의 생산에서 이미 설정될 수 있게 하는 적절한 방법들이, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 예를 들어, Al2O3 입자들의 형상은 출발 기판의 생산 시 소결 시간 및 소결 온도에 의해 영향을 받을 수 있다. 전술한 형상 계수 Ra(Al2O3) 가 최종 구리-세라믹 복합재에서 실현될 수 있게 하는 Al2O3 기판들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다.
구리-세라믹 복합재에서의 세라믹 기판의 적합한 두께가 본 기술분야의 기술자들에게 공지되어 있다. 세라믹 기판은 그의 면적의 적어도 70%, 더 바람직하게는 그것의 면적의 적어도 90%에 걸쳐 0.2~1.2 mm의 범위의 두께를 보통 가진다. 세라믹 기판의 두께는, 예를 들어, 약 0.38 mm 또는 약 0.63 mm이다.
세라믹 기판의 두께 (Dcer) 와 세라믹 기판에서의 알루미늄 산화물의 입도 수 분포의 중간값 d50 은 Dcer 대 d50의 비율 (즉 Dcer/d50) 이 0.001부터 0.01까지의 범위, 더 바람직하게는 0.002부터 0.009까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.004부터 0.008까지의 범위에 있도록 바람직하게 선택된다. 이 목적을 위해, 세라믹 기판의 두께 Dcer 는 한 장소에서 결정되고 알루미늄 산화물의 입도 수 분포의 중간값 d50 에 의해 나누어진다. 비율 Dcer/d50 은 세라믹 기판의 면적의 적어도 70%, 더 바람직하게는 적어도 90%에 걸쳐 바람직하게는 0.05부터 0.40까지의 범위에 있다.
알루미늄 산화물은 지르코늄 산화물 (ZrO2) 로 선택적으로 보강될 수 있다. 그런 ZrO2-보강 Al2O3는, 그것의 총 질량을 기준으로, 0.5~30 중량%의 비율로 지르코늄 산화물을 보통 포함한다. 지르코늄 산화물은 차례로 선택적으로, 하나 이상의 도핑 산화물(들), 특히 이트륨 산화물, 칼슘 산화물, 세륨 산화물 또는 마그네슘 산화물로, 지르코늄 산화물 및 알루미늄 산화물의 총 질량을 기준으로 보통 0.01 중량%까지 또는 심지어 5 중량%까지의 비율로, 도핑될 수 있다.
세라믹 기판은 바람직하게는 적어도 65 중량%의 Al2O3를 포함한다. Al2O3를 보강하기 위해 존재하는 ZrO2가 없으면, 세라믹 기판은 적어도 95 중량%, 바람직하게는 96 중량%의 Al2O3를 포함할 수도 있다.
ZrO2-보강 알루미늄 산화물 (위에서 언급된 바와 같이, ZrO2가 선택적으로 도핑됨) 이 사용되면, 세라믹 기판은 적어도 96 중량%, 더 바람직하게는 적어도 98 중량%의 이 ZrO2-보강 Al2O3 를 포함할 수도 있다.
세라믹 기판은, 예를 들어, 열전도율이 ≥ 20 W/mK, 및/또는 굴곡 파단 강도가 ≥ 400 MPa 일 수 있다.
세라믹 기판은 개개의 기판의 형태로 존재할 수 있다. 대안으로서, 세라믹 기판이 세라믹 기판을 둘 이상의 지역들로 나누는 하나 이상의 (바람직하게는 선형) 우선적인 파단 선들을 가지는 것과 금속 코팅 (예컨대, 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅) 이 적어도 이들 지역들 중 하나에 도포되는 것이 또한 가능하다. 우선적인 파단 선들을 갖는 그런 다중 기판의 구조에 관해, DE 43 19 944 A1 및 DE 199 27 046 A1이 예로서 참조될 수도 있다.
금속-세라믹 복합재에서의 세라믹 기판 (개별 기판으로서 또는 다중 기판으로서 중 어느 일방으로서) 의 적합한 치수들 (길이 x 폭) 은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 세라믹 기판은 (180~200 mm) x (130~150 mm) 또는 (180~200 mm) x (270~290 mm) 의 길이 x 폭의 치수들을 가질 수 있다. 더 작은 치수들, 예를 들어 (8~12 mm) x (8~12 mm) 도 가능하다.
위에서 언급된 바와 같이, 세라믹 기판 상에 구리 또는 구리 합금의 코팅이 있다.
세라믹 기판의 금속화를 위해 예를 들어 직접 구리 본딩 (통상 DCB 공정이라고 지칭됨) 또는 액티브 금속 브레이징 (통상 AMB 공정이라고 지칭됨) 과 같은 이용 가능한 다양한 공정들이 있다.
구리의 또는 구리 합금의 입도들은 바람직하게는 10 ㎛ 내지 300 ㎛의 범위, 더 바람직하게는 15 ㎛부터 250 ㎛까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 20 ㎛부터 210 ㎛까지의 범위에 있다. 이 입도 범위에서, 구리 또는 구리 합금은 심지어 구리-세라믹 복합재가 많은 온도 변화 응력들을 받을 때에도 세라믹 기판에 대해 양호한 접착을 나타낸다. 동시에, 구리 또는 구리 합금은 이들 입도들에서 효율적인 와이어 본딩을 가능하게 한다. 금속 코팅은 본드 와이어에 대한 매우 강한 본드가 형성될 수 있을 때 양호한 와이어 본딩을 나타내고 이로써 본드 와이어의 원치 않는 분리의 위험이 최소화된다. 본 발명의 맥락에서, 이들 값들은 입도 분포에 대한 엄밀한 상한 및 하한으로서 간주되는 것이 아니라, 그 대신 +/- 10%만큼 변할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시형태에서, 이들 값들은 구리의 또는 구리 합금의 입도 분포의 입도가 아래로 떨어지지 않는 하한과 초과되지 않는 상한이다. 이 바람직한 실시형태에서, 구리 또는 구리 합금은 그러므로 전술한 범위들 밖에 있는 입자들을 갖지 않는다. 따라서 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 10 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 300 ㎛, 더 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 15 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 250 ㎛, 더욱 더 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 20 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 210 ㎛ 이며, 여기서 dmin(Cu) 와 dmax(Cu) 는 구리의 최소 입도 및 최대 입도이다.
적합한 입도 분포를 갖는 구리 출발 포일의 사용은 구리-세라믹 복합재에서의 원하는 입도들이 설정되는 것을 가능하게 한다. 이러한 구리 포일들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다. 입도들의 미세 조정은 그 출발 포일의 열처리에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 구리 또는 구리 합금은 5% 이하의 입자들이 15 ㎛ 미만, 바람직하게는 20 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 25 ㎛ 미만의 입도를 가지거나; 및/또는 적어도 95%의 입자들이 250 ㎛ 미만, 바람직하게는 230 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 200 ㎛ 미만의 입도를 가지는 입도들의 수 분포를 가진다.
구리의 또는 구리 합금의 입도들의 수 분포는 바람직하게는 d95 가 ≤ 250 ㎛, 더 바람직하게는 140 ㎛부터 250 ㎛까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 140 ㎛ 내지 230 ㎛의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 150 ㎛ 내지 200 ㎛의 범위이다. 구리의 또는 구리 합금의 입도 수 분포의 d5는 바람직하게는 ≥ 15 ㎛이며; d5는 더 바람직하게는 15 ㎛부터 80 ㎛까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 20 ㎛부터 75 ㎛까지의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 25 ㎛ 내지 70 ㎛의 범위에 있다. 구리의 또는 구리 합금의 열 충격 저항성 및 본딩 거동의 추가의 최적화는 이런 식으로 달성될 수 있다.
구리의 또는 구리 합금의 입도 수 분포의 바람직한 d50 은, 예를 들어, 55 ㎛부터 115 ㎛까지의 범위에 있다.
본 발명의 목적을 위해, 구리의 또는 구리 합금의 입도 수 분포의 d5, d95 및 d50 값들은 그것들이 다음의 조건을 충족하도록 선택되는 것이 바람직할 수 있다:
4.0 ≥ (d95 - d5)/d50 ≥ 0.5
바람직한 실시형태에서, 구리 또는 구리 합금은 d50 대 darith의 비율 (즉, d50/darith; 이하 구리의 또는 구리 합금의 입도 수 분포의 대칭 값 S(Cu) 라고 또한 지칭됨) 이 0.75부터 1.10까지의 범위, 더 바람직하게는 0.78부터 1.05까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.80부터 1.00까지의 범위에 있도록 하는 중간값 d50 과 산술 평균 darith 을 갖는 입도들의 수 분포를 가진다. 열 충격 저항성 및 와이어 본딩 속성들의 추가의 최적화는 이런 식으로 달성될 수 있다. 구리에서의, 예를 들어 구리 출발 포일에서의 입도 분포의 대칭성이 설정될 수 있게 하는 적절한 방법들은, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 구리 포일에서의 입도 분포의 대칭성은 적합한 가공 온도 또는 압연 공정에 의해 영향을 받을 수 있다. 전술한 대칭 값들이 최종 구리-세라믹 복합재에서 실현될 수 있게 하는 구리 출발 포일들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 구리 또는 구리 합금은 d5 대 d95의 비율이 0.1부터 0,4까지의 범위, 더 바람직하게는 0.11부터 0.35까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.12부터 0.30까지의 범위에 있는 d5 및 d95를 갖는 입도들의 수 분포를 가진다. 열 충격 저항성 및 와이어 본딩 속성들의 추가의 최적화는 이런 식으로 달성될 수 있다.
구리의 또는 구리 합금의 평균 입자 형상 계수 Ra(Cu) 는 바람직하게는 ≥ 0.40, 더욱 더 바람직하게는 ≥ 0.60 또는 ≥ 0.80이다. 위에서 언급된 바와 같이, 개개의 입자의 형상은, 최대 입자 직경 dK,max 대 dK,max의 길이의 절반에 대해 결정되는, dK,max에 수직으로 뻗어있는 입자 직경 dK,ortho 의 비율 (즉, RK = dK,ortho/dK,max) 인 그의 형상 계수 RK 에 의해 표현될 수 있다. 구리의 평균 입자 형상 계수 Ra(Cu) 는 입자들의 형상 계수들 RK 의 산술 평균으로부터 획득된다. 구리에서의 입자들의 형상이, 예를 들어 구리 출발 포일에서처럼 조기에 설정될 수 있게 하는 적절한 방법들이, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 구리 포일에서의 입자 형상은 적합한 가공 온도 또는 압연 공정에 의해 영향을 받을 수 있다. 전술한 평균 입자 형상 계수 Ra(Cu) 가 최종 구리-세라믹 복합재에서 실현될 수 있게 하는 구리 출발 포일들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다.
구리-세라믹 복합재에서의 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅의 적합한 두께가 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 구리의 또는 구리 합금의 일부는 코팅에서의 일부 장소들에서, 특히 주변 지역들에서 다시 제거되어, 예를 들어 주변의 약한 지점들을 형성할 수 있다. 그러므로 금속 코팅의 두께가 달라지는 것이 본 발명의 맥락에서 가능하다. 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은 그의 면적의 적어도 70%에 걸쳐 0.2~1.2 mm의 범위의 두께를 보통 가진다. 예를 들어, 두께는 약 300 ㎛가 되는 것이 가능하다.
구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅의 두께 (DCu) 와 구리의 또는 구리 합금의 입도 수 분포의 중간값 d50 은 DCu 대 d50의 비율이 0.05부터 0.40까지의 범위에 있도록 바람직하게 선택된다. 이 목적을 위해, 구리의 또는 구리 합금의 두께 DCu 는 코팅에서의 하나의 장소에서 결정되고 구리의 또는 구리 합금의 입도 수 분포의 중간값 d50 에 의해 나누어진다. 비율 DCu/d50 은 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅의 면적의 적어도 70%, 더 바람직하게는 적어도 90%에 걸쳐 바람직하게는 0.05부터 0.40까지의 범위에 있다.
코팅의 구리는 바람직하게는 순도가 ≥ 99.50%, 더 바람직하게는 ≥ 99.90%, 더욱 더 바람직하게는 ≥ 99.95% 또는 심지어 ≥ 99.99% 이다.
구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은 DCB 공정에 의해 세라믹 기판에 바람직하게 도포된다. 위에서 나타낸 바와 같이, 통상적인 DCB 공정이, 예를 들어, 다음의 공정 단계들:
- 구리 포일을 산화시켜 그의 표면 상에 구리 산화물 층이 형성하는 단계;
- 세라믹 기판 상에 산화구리 층을 갖는 구리 포일을 놓는 단계;
- 온도 < 1083℃ (예컨대, 1065~1080℃의 범위의 온도) 로 복합재를 가열하는 단계,
- 실온으로 냉각시키는 단계
를 가질 수 있다.
DCB 공정의 결과로서, 스피넬 미세결정들 (예컨대, 구리-알루미늄 스피넬들) 이 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅과 세라믹 기판 사이에 존재할 수 있다.
구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은, 예를 들어, 세라믹 기판의 일측에만 도포되었다. 대안으로서, 세라믹 기판의 양측들 (즉, 상측 및 하측) 에 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅이 제공되어 있는 것이 가능하다. 세라믹 기판 (1) 이 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅 (2) 을 그의 하측과 또한 그의 상측 양자 모두에 가지는 예시적인 구리-세라믹 복합재가 도 1에 도시된다. 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅 (2) 이 각각에 제공되는 복수의 지역들을 세라믹 기판 (1) 이 가지는 예시적인 구리-세라믹 복합재가 도 2에 도시된다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 개개의 금속화된 지역들은 우선적인 파단 선들 (도 2에서 도시되지 않음) 에 의해 서로 분리될 수 있어서, 이들 지역들은 이들 우선적인 파단 선들을 따라 파단함으로써 개별화될 수 있다.
전기 접촉 영역들을 형성하기 위해, 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은 구조화를 적어도 부분적으로 가질 수 있다. 금속 코팅의 구조화는 공지된 방식으로, 특히 에칭 공정에 의해 (예를 들어 에칭 마스크를 사용하여) 수행될 수 있다.
에칭 공정에서, 구리 또는 구리 합금은 부지역들에서 완전히 제거되어, 세라믹 기판의 표면은 이들 부지역들에서 노출될 수 있다. 더욱이, 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅이, 구리 또는 구리 합금이 도입될 오목부의 지역에서 단지 부분적으로만 제거되고 그러므로 이 지역에서의 세라믹 기판의 표면이 여전히 구리 또는 구리 합금으로 코팅되어 있는 것에 의해 에칭 공정에서 획득될 수 있는 하나 이상의 오목부들 (바람직하게는 둥근 오목부들) 을 가지는 것이 또한 가능하다. 대안으로서 또는 추가적으로, 구리 또는 구리 합금을 통해 아래로 세라믹 표면까지 오목부들을 에칭하는 것이 가능하다. 이러한 오목부들의 가능한 배열에 관해, 바람직하게는 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅들의 주변 지역에서, 예를 들어, DE 40 04 844 C1 및 DE 43 18 241 A1이 참조될 수도 있다.
구리-세라믹 복합재의 속성들에서의 추가의 개선이 세라믹 기판에서의 구리의 또는 구리 합금의 입자 속성들과 알루미늄 산화물의 입자 속성들이 서로 조화되면 실현될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, d50(Al2O3) 대 d50(Cu) 의 비율은 0.008부터 0.055까지의 범위, 더 바람직하게는 0.010부터 0.045까지의 범위에 있다. 구리-세라믹 복합재에서의 구리-세라믹 접착 및 열 충격 저항성의 추가의 최적화는 이런 식으로 달성될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 구리 또는 구리 합금은 중간값 d50, 산술 평균 darith 및 대칭 값 S(Cu) = d50/darith를 갖는 입도들의 수 분포를 가지고 알루미늄 산화물은 중간값 d50, 산술 평균 darith 및 대칭 값 S(Al2O3) = d50/darith를 갖는 입도들의 수 분포를 가지며, 여기서 S(Al2O3) 와 S(Cu) 는 다음의 조건:
0.7 ≤ S(Al2O3)/S(Cu) ≤ 1.4
을 충족시킨다.
더 바람직하게는, S(Al2O3) 와 S(Cu) 는 다음의 조건:
0.74 ≤ S(Al2O3)/S(Cu) ≤ 1.35;
더욱 더 바람직하게는 다음의 조건
0.80 ≤ S(Al2O3)/S(Cu) ≤ 1.25
을 충족시킨다.
구리-세라믹 복합재의 열 충격 저항성은 이런 식으로 개선될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 알루미늄 산화물의 평균 입자 형상 계수 Ra(Al2O3) 와 구리의 또는 구리 합금의 평균 입자 형상 계수 Ra(Cu) 는 다음의 조건 0.5≤Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤2.0
을 충족시킨다.
더욱 더 바람직하게는
0.75≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤1.5
그리고 더욱 더 바람직하게는
0.80≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤1.20
을 충족시킨다.
구리-세라믹 복합재의 열 충격 저항성에서의 추가의 최적화가 이런 식으로 실현될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 알루미늄 산화물은 dmin(Al2O3) 부터 dmax(Al2O3) 까지의 범위의 입도들을 가지며, 구리 또는 구리 합금은 dmin(Cu) 부터 dmax(Cu) 까지의 범위의 입도들을 가지고,
dmin(Al2O3) 대 dmax(Cu) 의 비율 및 dmax(Al2O3) 대 dmin(Cu) 의 비율은 아래의 조건 (i) 및 (ii) :
(i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 1 x 10-5 및
(ii) 2.5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu)
를 충족시킨다.
더욱 더 바람직하게는, dmin(Al2O3) 대 dmax(Cu) 의 비율과 dmax(Al2O3) 대 dmin(Cu) 의 비율은 아래의 조건 (i) 및 (ii) :
(i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0.001 및
(ii) 1.5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu)
를 충족시키며;
가장 바람직하게는 아래의 조건 (i) 및 (ii) :
(i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0.002 및
(ii) 1.0 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu)
를 충족시킨다.
특히 바람직한 실시형태에서
(i) 0.005 ≥ dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0.002 및
(ii) 1.0 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu) ≥ 0.05
를 충족시킨다.
빈번한 온도 변화 응력들을 또한 견디는 금속 코팅과 세라믹 기판 사이의 강한 본드가 이런 식으로 실현될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 10 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 300 ㎛, 더 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 15 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 250 ㎛, 더욱 더 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 20 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 210 ㎛ 이며, 여기서 dmin(Cu) 와 dmax(Cu) 는 구리의 최소 입도 및 최대 입도이다.
본 발명은 또한, 위에서 설명된 바와 같은 적어도 하나의 금속-세라믹 복합재 및 하나 이상의 본드 와이어들을 포함하는 모듈을 제공한다. 본드 와이어 또는 본드 와이어들은 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅에 보통 접합된다. 와이어들을 금속 코팅에 접합하는 적합한 본딩 방법들이 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 그 모듈은 하나 이상의 칩들과 같은 하나 이상의 전자 컴포넌트들을 추가로 포함할 수 있다.
세라믹 기판의 알루미늄 산화물의 그리고 또한 금속 코팅의 구리의 또는 구리 합금의 입자 구조들은 본 발명의 목적들을 위해 다음과 같이 결정된다:
세라믹 기판의 알루미늄 산화물의 입도 분포
주사 전자 현미경사진 (SEM 이미지) 이 세라믹 기판의 표면에서 촬영된다. 연마된 섹션 형태의 특수 시험편 준비는 필요하지 않다. SEM 이미지는, 이전에 구리로 덮였고 에칭에 의해 노출된 세라믹 기판 상의 한 장소에서 촬영된다.
입도들은 라인 인터셉트 방법에 의해 결정된다. 라인 인터셉트 방법들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있고, 예를 들어, ASTM 112-13에 기재되어 있다.
배율은 적어도 50 개 Al2O3 입자들이 라인들의 패턴에 의해 인터섹트되도록 선택된다. 세라믹 기판이 상이한 화학 조성물을 갖는 입자들, 예를 들어 ZrO2 입자들을 또한 포함하면, 이것들은 이차 전자 콘트라스트에 의해 SEM 이미지에서 Al2O3 입자들로부터 손쉽게 구별될 수 있고 따라서 후속 계산들에서 포함되지 않는다.
본 발명의 목적을 위해, 광학 현미경사진에서 2 개의 평행 라인들이 x 방향으로 그려졌고 두 개의 평행 라인들이 y 방향으로 그려졌다. 그 라인들은 이미지를 동일 폭의 세 개의 스트립들로 나눈다. 이는 도 3에서 개략적으로 도시된다. 입자가 이들 라인들 중 하나에 의해 길이 (L) 에 걸쳐 인터섹트될 때, 이 길이 (L) 는 입도로서 취해진다. 입도는 따라서 이들 라인들 중 하나에 의해 인터섹트되는 각각의 입자에 대해 획득된다. 두 개의 라인들의 교차점에서, 두 개의 값들이 하나의 입자에 대해 획득되고 이들 양자 모두는는 입도 분포의 결정에 투입된다.
입도 분포가 인터섹트된 입자들의 입도들로부터 획득되고, 이 분포로부터 d5, d50 및 d95 값들과 또한 산술 평균 darith 을 결정하는 것이 차례로 가능하다.
위에서 설명되고 본 기술분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 공지된 바와 같이, 다음은 흔히 중간값이라고 또한 지칭되는 d50에 적용된다: 50%의 입자들이 d50 보다 더 작은 직경을 가진다. 유사한 방식으로, d5는 5%의 입자들이 이 d5보다 더 작은 직경을 가지는 값이고, d95는 95%의 입자들이 d95보다 더 작은 직경을 가지는 값이다.
입도 분포의 산술 평균은 개개의 입자들의 입도들의 합을 교차된 입자들의 수에 의해 나눔으로써 주어진다.
구리 또는 구리 합금의 입도 분포
광학 현미경사진이 (코팅된 기판 표면에 평행한) 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅의 표면에서 취해진다. 연마된 섹션 형태의 특수 시험편 준비는 필요하지 않다.
입도들은 라인 인터셉트 방법에 의해 결정된다. 라인 인터셉트 방법들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있고, 예를 들어, ASTM 112-13에 기재되어 있다.
배율은 적어도 50 개 입자들이 라인들의 패턴에 의해 인터셉트되도록 선택된다.
라인 인터셉트 방법에 의한 추가의 평가에 관해, 알루미늄 산화물의 경우에 위에서 언급된 것이 참조될 수도 있다.
구리 또는 구리 합금의 입도들뿐만 아니라 또한 Al2O3의 입도들은 따라서 코팅된 기판 표면에 평행하게 뻗어있거나 또는 코팅된 기판 표면과 공면인 평면에서 결정된다.
개개의 입자들의 형상 계수, 평균 입자 형상 계수
알루미늄 산화물
입도 분포의 결정에서 사용되었던 SEM 이미지가 채용된다.
개개의 입자의 형상 계수를 결정하기 위해, 다음의 절차가 채용된다.
그것의 가장 긴 치수 dK,max 는 결정된다. dK,max에 수직으로 뻗어있는 입자 직경 dK,ortho 은 그 뒤에 dK,max의 길이의 절반에 대해 결정된다. 개개의 입자의 형상 계수 RK 는 dK,ortho 대 dK,max의 비율, 즉, RK = dK,ortho/dK,max에 의해 주어진다.
이는 도 4에서 타원 입자 구조를 갖는 입자에 대해 개략적으로 도시된다. 이차원 투영에서의 입자의 형상이 원의 형상에 더 가까울수록, 입자의 형상 계수는 값 1.0에 더 접근한다. 형상 계수는 그러므로 또한 입자들의 진원도 (circularity)/원형률 (roundness) 의 척도이다.
형상 계수는 SEM 이미지에서 적어도 50 개 입자들에 대해 결정된다. 라인 인터셉트 방법에서 라인들에 의해 또한 인터셉트되었던 입자들이 보통 평가된다.
알루미늄 산화물의 평균 입자 형상 계수는 그러면 개개의 Al2O3 입자들의 형상 계수들의 산술 평균 (즉, 개개의 형상 계수들의 총수를 조사되는 입자들의 수에 의해 나눈 것) 에 의해 주어진다.
구리, 구리 합금
입도 분포의 결정에 사용되었던 광학 현미경사진이 채용된다.
개개의 입자들의 형상 계수의 그리고 또한 구리 또는 구리 합금의 평균 입자 형상 계수의 결정에 관해, Al2O3의 경우 위에서 언급된 것이 참조될 수도 있다.
구리의 또는 구리 합금의 입자 형상 계수들 그리고 또한 Al2O3의 입자 형상 계수들 양쪽 모두는 따라서 코팅된 기판 표면에 평행하게 뻗어있거나 또는 코팅된 기판 표면과 공면인 평면에서 결정된다.
본 발명의 구리-세라믹 기판들을 생산하는데 바람직하게 사용되는 본딩 공정이 아래에서 설명된다:
구리 코팅을 세라믹 기판에 도포하기 위한 본 발명의 맥락에서 바람직하게 사용되는 전형적인 공정이, 예를 들어, 문서 US 3,744,120, US 3,994,430, EP 0 085 914 A 또는 DE 23 19 854 A에서 공지되어 있고, 이들의 대응하는 개시는 본 발명 속에 참조로 원용된다.
예를 들어, 직접 구리 본딩 공정 (DCB 공정) 형태로 거기에 개시된 모든 생산 공정들에 대해, 본질적으로 균일한 산화구리 층이 획득되는 식으로 구리 포일이 먼저 산화되는 것이 일반적이다. 결과적인 구리 포일은 그 다음에 세라믹 기판 상에 배치되고 세라믹 기판 및 구리 포일의 복합재는 약 1025℃부터 1083℃까지의 범위의 공정 또는 본딩 온도로 가열되며, 그 결과 금속화된 세라믹 기판이 형성된다. 본딩 후, 구리 포일은 따라서 코팅을 나타낸다. 최종적으로, 결과적인 금속화된 세라믹 기판은 냉각된다.
세라믹 기판과 구리 포일의 접합은 노에서 수행되며, 본딩 노들이 일반적으로 사용된다. 흔히 터널 가마들이라고 또한 지칭되는 해당 본딩 노들은, 특히, 세장 터널형 노 공간 (또한 머플 (muffle) 이라고 지칭됨) 과, 가열 디바이스에 의해 가열되는 노 공간을 통해 처리되는 재료를 수송하기 위한, 예를 들어 가요성 및 내열 컨베이어 벨트 형태의 수송 엘리먼트를 갖는 운반 디바이스를 포함한다. 세라믹 기판들은 컨베이어 벨트 상의 지지체 상에 구리 포일과 함께 배치되고, 그 뒤에 컨베이어 벨트에 의해 구동되는, 본딩 노에서 요구 본딩 온도가 달성되는 가열 지역을 통해 진행된다. 본딩 공정의 끝에, 본 발명에 따른 세라믹 기판 및 구리 포일의 결과적인 복합재는 다시 냉각된다.
이 공정은 일측이 금속화된 세라믹 기판들을 생산하기 위해 그리고 또한 양측이 금속화된 기판들을 생산하기 위해 원칙적으로 채용될 수 있다. 양측이 금속화된 기판들의 생산은 2-스테이지 본딩 공정에 의해, 즉, 2-스테이지 단일 층 공정 (SLB 공정) 에 의해 일반적으로 수행된다. 본 발명의 맥락에서, 2-스테이지 본딩 공정을 사용하는 것에 바람직하다.
본 발명에 따라 양측이 금속화되는 세라믹 기판들을 생산하기 위한 이 2-스테이지 본딩 공정에서, 세라믹은 노를 2회 통과하여 세라믹 기판의 반대측들 상의 구리 포일들에 접합된다. 이 목적을 위해, 세라믹 기판이 먼저 지지체 상에 배치되고 그 뒤에 상부면, 즉, 지지체로부터 멀어지는 방향을 향하는 측이 구리 포일로 덮인다. 가열 작용의 결과로서, 세라믹 기판의 이 측은 금속 층에 접합되고 결과적인 배열체는 그 뒤에 냉각된다. 기판은 그 뒤에 뒤집어지고 기판의 타측에, 제 2 본딩 단계에서, 동일한 방식으로 금속 층, 즉, 구리 포일이 제공된다.
개별 카드들 또는 떼어낼 수 있는 복수의 개별 카드들을 갖는 큰 카드들을 생산하는 것이 가능하다.
예들
다음의 예들은 세라믹 기판에서의 알루미늄 산화물의 입자 구조가 구리-세라믹 복합재의 기계적 강도 및 열전도율에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다.
5 개의 구리-세라믹 시험편들이 DCB 공정에 의해 생산되고 그것들의 세라믹 기판에서의 알루미늄 산화물의 입도 분포에 있어서 상이하였다:
구리-세라믹 복합재 1, 이하 "K-K-V 1" (본 발명에 따름)
구리-세라믹 복합재 2, 이하 "K-K-V 2" (비교예 시험편)
구리-세라믹 복합재 3, 이하 "K-K-V 3" (비교예 시험편)
구리-세라믹 복합재 4, 이하 "K-K-V 4" (비교예 시험편)
구리-세라믹 복합재 5, 이하 "K-K-V 5" (비교예 시험편)
이들 5 개 구리-세라믹 복합재들의 각각에서, 세라믹 기판의 상측과 또한 하측 양자 모두에 구리 코팅이 제공되었다. 구리 코팅은 먼저 SLB 공정에 의해 세라믹 기판의 일측에 본딩되었다. 세라믹 기판의 반대측에는 그 뒤에 구리 포일이 세라믹의 양측 각각에 본딩되는 구리-세라믹 기판을 형성하기 위해서 추가의 구리 코팅이 SLB 공정에 의해 제공되었다. 시험편들 중 각각의 시험편 상의 두 개의 구리 코팅들 중 하나의 구리 코팅이 그 뒤에 에칭 공정에 의해 구조화되었다 (모든 시험편들에 대해 동일한 구조화). 모든 세 개의 예들에서, 기판들은 96 중량%의 Al2O3을 포함하였지만, 그것들의 입자 구조가 상이하였다.
이들 5 개 구리-세라믹 복합재들의 각각에서, 세라믹 기판은 다음의 치수들을 가졌다:
세라믹 기판의 두께: 0.38 mm;
세라믹 기판의 길이 x 폭: 190 x 140 mm2
각각의 경우에서의 구리 코팅은 0.3 mm의 두께를 가졌다.
도 5는 작업예 (working example) K-K-V 1의 Al2O3 입도들이 결정되었던 K-K-V 1의 세라믹 기판의 표면의 SEM 이미지를 도시한다.
시험편 K-k-V-1 내지 K-K-V 5에서의 Al2O3의 입도 범위들 및 입도 분포들의 대칭 값들이 표 1에 나열되어 있다.
이들 5 개 시험편들의 각각에 대해, 구리-세라믹 복합재에서 세라믹 기판의 굴곡 파단 강도 및 열전도율 양자 모두의 결정들이 이루어졌다.
굴곡 파단 강도의 결정에서 파단을 초래하는 힘은 3-점 굽힘을 통해 결정되었다. 측정은 DIN EN 843-1 (2008) 에 기초하였으며, 그 시험편 기하구조는 시험편들이 20 x 40 x 0.38 mm3 또는 20 x 40 x 0.63 mm3의 치수들을 가졌다는 점에서 DIN EN 843-1 (2008) 과는 상이하였다.
결과들은 아래의 표 1에서 요약된다:
표 1: 구리-세라믹 복합재의 세라믹 기판의 기계적 강도 및 열전도율
기계적 강도 열전도율
시험편 K-K-V 1
(본 발명에 따름)		 입도 범위: 0.63~13.3 ㎛ ++ ++
대칭 값 d50/darith: 0.86
시험편 K-K-V 2
(비교예)		 입도 범위: 0.74~15.1 ㎛ ++ -
대칭 값 d50/darith: 0.66
시험편 K-K-V 3
(비교예)		 입도 범위: 0.58~9.7 ㎛ - ++
대칭 값 d50/darith: 1.31
시험편 K-K-V 4
(비교예)		 입도 범위: 3.1~28.4 ㎛ + +
대칭 값 d50/darith: 0.84
시험편 K-K-V 5
(비교예)		 입도 범위: 0.003~1.49 ㎛ +++ -
대칭 값 d50/darith: 0.85
덧붙여, 기계적 강도 및 열전도율에 대한 알루미늄 산화물의 입도 분포의 폭의 영향이 조사되었다. 그 결과들은 표 2에 의해 도시된다.
표 2: Al2O3 입도 분포의 폭의 영향
Al2O3 분포 d5/d95 의 폭 기계적 강도 열전도율
0.24 + +
0.03 + -
0.61 - +
표 2가 도시하는 바와 같이, 세라믹 기판의 일부 상의 기계적 강도 및 열전도율의 추가의 최적화는 입도 분포의 폭이 본 발명에 따른 범위 내에 있다면 달성될 수 있다.

Claims (9)

  1. 구리-세라믹 복합재로서,
    - 알루미늄 산화물을 함유하는 세라믹 기판으로서,
    상기 알루미늄 산화물은
    - 0.01 ㎛부터 25 ㎛까지의 범위의 입도들을 가지고
    - 중간값 d50 및 산술 평균 darith 을 갖는 상기 입도들의 수 분포를 가지며, d50 대 darith의 비율은 0.75부터 1.10까지의 범위에 있는, 상기 세라믹 기판; 및
    - 상기 세라믹 기판 상에 존재하는 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅을 포함하는, 구리-세라믹 복합재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 d50 대 darith의 비율은 0.78부터 1.05까지의 범위, 더 바람직하게는 0.80부터 1.00까지의 범위에 있는, 구리-세라믹 복합재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물은 d5 값 및 d95 값을 갖는 입도들의 수 분포를 가지고, 비율 (d5 대 d95) 은 0.1부터 0.4까지의 범위, 더 바람직하게는 0.11부터 0.35까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.12부터 0.30까지의 범위에 있는, 구리-세라믹 복합재.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물의 입도들은 0.3 ㎛ 내지 23 ㎛의 범위, 더 바람직하게는 0.5 ㎛ 내지 20 ㎛의 범위에 있는, 구리-세라믹 복합재.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 적어도 65 중량%의 양의 알루미늄 산화물을 함유하는, 구리-세라믹 복합재.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은 DCB 공정에 의해 상기 세라믹 기판에 도포되는, 구리-세라믹 복합재.
  7. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은 전기 접촉 영역들을 형성하기 위한 구조화를 적어도 부분적으로 가지는, 구리-세라믹 복합재.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은 그의 면적의 적어도 70%에 걸쳐 0.2~1.2 mm의 범위의 두께를 가지거나; 및/또는 상기 세라믹 기판은 그의 면적의 적어도 70%에 걸쳐 0.2~1.2 mm의 범위의 두께를 가지는, 구리-세라믹 복합재.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 구리-세라믹 복합재 및 하나 이상의 본드 와이어들을 포함하는, 모듈.
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