KR20180111944A - 구리-세라믹 복합재 - Google Patents

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KR20180111944A
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카이 헤르브슈트
크리슈티안 무쉘크나우츠
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헤레우스 도이칠란트 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은: - 세라믹 기판; 구리 또는 구리 합금이 10 ㎛ 내지 300 ㎛의 입도들과, 중간값 d50 및 산술 평균 darith 을 가지며 d50 대 darith의 비율 (d50/darith) 은 0.75와 1.10 사이인 입도들의 수 분포를 갖는 구리 또는 구리 합금 코팅을 포함하는 구리-세라믹 복합재에 관한 것이다.

Description

구리-세라믹 복합재
본 발명은 구리-세라믹 복합재와 또한 이 복합재를 포함하는 그리고 전력 전자기기 컴포넌트들에서 사용될 수 있는 모듈에 관한 것이다.
세라믹 회로 보드들은 높은 열전도율, 높은 치수 안정성 및 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 용어가 또한 종종 사용된다.
DCB 공정은 산소가 구리의 융점을 1083℃로부터 1065℃의 공융 융점으로 낮춘다는 사실을 이용한다. 얇은 공융 용융 층이 세라믹 기판의 금속화 전의 구리 포일들의 산화에 의해 또는 (예를 들어 1065℃부터 1080℃까지의 범위의 온도에서의) 고온 공정 동안의 산소의 공급에 의해 형성된다. 이 층은 세라믹 기판의 표면과 반응하여, 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). 덧붙여서, 먼저 기판의 제 1 측을 제 1 SLB 단계에 의해 금속화하고 또한 그 뒤에 추가의 SLB 단계에서 기판의 반대측을 금속화하는 것도 가능하다.
도체 트랙들을 형성하기 위한 도포된 금속 코팅을, 예를 들어 에칭 공정들에 의해, 구조화하는 것이 또한 공지되어 있다.
전력 전자기기의 많은 응용들에서, 금속-세라믹 복합재는 (예컨대, -40℃부터 +150℃까지 범위의) 상당한 온도 변화들이 일어날 수 있는 고온 변화 응력들을 받는다.
세라믹 기판의 그리고 금속 코팅의 상이한 열 팽창 계수들의 결과로서, 상당한 기계적 응력들이 온도 변동들의 경우에 이들 층들 사이의 천이에서 일어나고 이것들은 궁극적으로 세라믹 표면으로부터의 금속의 적어도 부분적 분리로 이어진다. 인장 및 압축 응력들의 기울기는 감소될 수 있고, 열 충격 저항성은 따라서, 그것의 주변 지역에서의 금속 층의 특정 구조화에 의해 개선될 수 있다고 알려져 있다. DE 40 04 844 및 DE 4318241 A1은 세라믹 기판들 상의 금속 코팅들을 기재하는데, 그것들은 그것들의 에지들에 오목부 또는 구명의 형태로 주변 약화부분들을 가진다.
고전력 전자기기의 모듈들 또는 컴포넌트들에서의 추가의 사용을 위해, 금속 코팅은 와이어들 (흔히 "본드 와이어들"이라고 또한 지칭됨) 에 접합될 수 있다. 금속 코팅과 본드 와이어 사이의 이 연결은, 본드 와이어의 바람직하지 않은 분리의 위험이 최소화되도록, 매우 강해야 한다.
따라서 금속 코팅이 세라믹 기판에 대한 양호한 접착력을 가질뿐만 아니라 또한 금속 와이어들의 양호한 본딩을 가능하게 하는 것이 원칙적으로 바람직하다. 그러나, 세라믹 기판들과 본드 와이어들은 재료들의 측면에서 크게 상이하므로, 양 요건들을 동시에 맞추는 것은 계속 난관으로 남아 있다.
전자기기들에서의 응용들을 위한 구리-세라믹 복합재의 다른 관련 속성들은 추가로 그것의 열전도율 및 기계적 강도 (특히 세라믹 기판의 열전도율 및 기계적 강도) 와 또한 세라믹 표면에의 금속 코팅의 매우 단단한 본딩이며, 이 본딩이 심지어 오랜 온도 변화 응력들 하에서도 충분히 강하게 유지되는 것이다.
DE 10 2012 110 322에서, 금속-세라믹 복합재의 세라믹 기판은 그것의 입자 구조 (즉, 미시적 수준에서의 그의 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 양호한 열 충격 저항성 및 양호한 와이어 본딩 거동을 갖는 금속-세라믹 복합재를 제공하는 것이다.
그 목적은:
구리-세라믹 복합재로서,
- 세라믹 기판,
- 세라믹 기판 상에 존재하고 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 코팅을 포함하고,
구리 또는 구리 합금은 10 ㎛부터 300 ㎛까지의 범위의 입도들을 가지는, 구리-세라믹 복합재에 의해 달성된다.
구리-세라믹 복합재의 구리 코팅은 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, 구리 또는 구리 합금으로 구성되고 10 ㎛부터 300 ㎛까지의 범위의 입도를 갖는 코팅이, 심지어 구리-세라믹 복합재가 오랜 기간에 걸쳐 온도 변화 응력들을 받을 때에도, 여전히 세라믹 기판에 대해 양호한 접착을 나타낸다는 것이 확립되었다. 동시에, 이들 입도를 갖는 구리 또는 구리 합금은 효율적인 와이어 본딩을 가능하게 한다.
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 변화 후에 결정된다. 개선된 열 충격 저항성은, 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 복합재에의 구리의 접착 강도이다. 예시적인 측정 방법이 DE 102004012231 B4 (DE 102004012231 B4의 도 2 및 도 3) 로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹의 개선된 굴곡 파단 강도 (flexural fracture strength) 는 3-점 굽힘 시험 (bending test) 에서 파단으로 이어지는 힘이 증가됨을 의미한다. 세라믹의 굴곡 파단 강도의 결정은, 예를 들어, DIN EN 843-1 (2008) 로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 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) 로부터 벗어나 있다.
구리의 또는 구리 합금의 입도들은 바람직하게는 15 ㎛부터 250 ㎛까지의 범위, 더 바람직하게는 20 ㎛부터 210 ㎛까지의 범위에 있다.
본 발명의 목적들을 위해, 이들 값들은 입도 분포에 대한 엄밀한 하한 및 상한으로서 간주되는 것이 아니라, 그 대신 +/- 10%만큼 변할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시형태에서, 이들 값들은 입도들이 그 아래 및 그 위로는 되지 않아야 하는 구리의 또는 구리 합금의 입도 분포의 하한 및 상한이다. 이 바람직한 실시형태에서, 구리 또는 구리 합금은 그러므로 전술한 범위들 밖에 놓이는 입자들을 갖지 않는다. 따라서 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 10 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 300 ㎛ 이고, 더 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 15 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 250 ㎛이고, 더욱 더 바람직하게는 dmin(Cu) ≥ 20 ㎛ 및 dmax(Cu) ≤ 210 ㎛ 이며, 여기서 dmin(Cu) 와 dmax(Cu) 는 구리의 최소 입도 및 최대 입도이다.
구리-세라믹 복합재에서의 원하는 입도들은 적합한 입도 분포를 갖는 구리 출발 포일의 사용에 의해 설정될 수 있다. 이러한 구리 포일들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다. 입도의 미세 조정은 그 출발 포일의 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 대안으로서 입자들의 질량 (즉, 질량 분포) 또는 체적에 기초하여 수행될 수 있다. 본 발명의 목적들을 위해, 입도들의 분포는 입자들의 수에 기초하여 결정된다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 입도 분포의 특성 값들은, 특히, 그것의 d50, d5 및 d95이다. 흔히 중간값이라고 또한 지칭되는 d50은 50%의 입자들이 d50보다 더 작은 직경을 갖는 값이다. 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 나눔으로써 주어진다.
입도 분포의 대칭성은 이 분포의 중간값 d50 대 산술 평균 darith 의 비율에 의해 (즉, 비율 d50/darith 에 의해; 이하 입도 분포의 대칭 값 S 이라 또한 지칭됨) 에 의해 표현될 수 있다. 대칭 값 S 가 1.0에 가까울수록, 입도 분포는 더욱 더 대칭적이다.
본 발명의 맥락에서 놀랍게도 발견된 바와 같이, 구리의 또는 구리 합금의 입도 분포가 고도로 대칭적일 때 열 충격 저항성 및 와이어 본딩 속성들의 추가의 최적화가 달성될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 구리 또는 구리 합금은 그러므로 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 있도록 하는 중간값 d50 및 산술 평균 darith 을 갖는 입도들의 수 분포를 가진다. 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.
더욱이, 입도 분포의 폭이 특정 조건을 충족시킬 때 열 충격 저항성 및 와이어 본딩 속성들의 추가의 최적화가 달성될 수 있다는 것이 본 발명의 맥락에서 놀랍게도 발견되었다. 너무 좁은 입도 분포가 선택되면, 이는 온도 변화 저항성에 불리한 영향을 가질 수 있는 반면, 너무 넓은 입도 분포는 와이어 본딩 속성들에 불리할 수 있다. 입도 분포의 폭은 d5 대 d95의 비율로 표현될 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 있도록 하는 d5 및 d95를 갖는 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 ㎛부터 230 ㎛까지의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 150 ㎛부터 200 ㎛까지의 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 ㎛부터 70 ㎛까지의 범위에 있다.
구리의 또는 구리 합금의 입도 수 분포의 바람직한 d50 는, 예를 들어, 55 ㎛부터 115 ㎛까지의 범위에 있다.
본 발명의 맥락에서, 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
온도 변화 저항성의 추가의 최적화는, 구리 코팅의 입자들이, 세라믹 기판의 표면에 평행한 평면에서의 그것들의 이차원 투영에서, 바람직하게는 원형 또는 둥근 형상을 가질 때 달성될 수 있다. 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 또는 구리 합금의 평균 입자 형상 계수 Ra(Cu) 는 구리 입자들의 형상 계수들 RK 의 산술 평균으로부터 획득된다. 구리 재료가, 예를 들어, 높은 비율의 세장형 입자들을 포함한다면, 이 구리의 평균 입자 형상 계수는 상대적으로 낮은 값을 가질 것이다. 한편, 평균 입자 형상 계수가 값 1.0에 더 접근할수록, 둥근, 원형 입자들의 비율은 더 높아진다. 구리의 또는 구리 합금의 평균 입자 형상 계수 Ra(Cu) 는 바람직하게는 ≥ 0.40, 더욱 더 바람직하게는 ≥ 0.60 또는 ≥ 0.80이다. 구리에서의 입자들의 형상이, 예를 들어 구리 출발 포일에서처럼 이미 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 기술자에게 공지되어 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 구리의 또는 구리 합금의 일부가 다시 코팅에서의 일부 장소들에서, 특히 주변 지역들에서 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 그 면적의 적어도 70%에 걸쳐 0.2~1.2 mm의 범위의 두께를 보통 가진다. 예를 들어, 두께는 약 300 ㎛ 일 수 있다.
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 이루어진 코팅은 DCB 공정에 의해 세라믹 기판에 바람직하게 도포된다. 위에서 설명된 바와 같이, 통상적인 DCB 공정이, 예를 들어, 다음의 공정 단계들:
- 구리 포일을 산화시켜 그의 표면 상에 산화구리 층을 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 제공되는 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 표면이 이들 부지역들에서 노출될 수 있다. 더욱이, 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅이, 구리 또는 구리 합금이 도입될 오목부의 지역에서 부분적으로만 제거되고 그러므로 이 지역에서의 세라믹 기판의 표면이 여전히 구리 또는 구리 합금으로 덮여 있는 것에 의해 에칭 공정에서 획득될 수도 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.
세라믹 기판에 적합한 재료들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있다. 세라믹 기판은 바람직하게는 산화물, 질화물, 탄화물 또는 이들 재료들 중 적어도 두 개의 재료들의 혼합 또는 복합재를 포함한다. 세라믹 기판은 하나의 층으로만 또는 대안적으로 복수의 층들로 이루어질 수 있다.
적합한 산화물들로서, 예로 알루미늄 산화물 (Al2O3) 또는 BeO 가 언급될 수도 있다. 산화물이 알루미늄 산화물이면, 이는 선택적으로 지르코늄 산화물 (ZrO2) 로 보강될 수 있다. 그런 ZrO2-보강 Al2O3는, 그의 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, 보통, 지르코늄 산화물 및 알루미늄 산화물의 총 질량을 기준으로, 0.01 중량%까지 또는 심지어 5 중량%까지의 비율로, 도핑될 수 있다.
세라믹 기판이 질화물을 함유하면, 이는, 예를 들어, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물 또는 티타늄 질화물일 수 있다. 예를 들어, 세라믹 기판은, 알루미늄 질화물의 적어도 하나의 층과 Al2O3의 적어도 하나의 층을 포함하는 다층 세라믹 기판일 수 있으며, 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅이 Al2O3의 층 상에 존재한다.
세라믹 기판이 탄화물을 포함하면, 이는, 예를 들어, 탄화 규소일 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 세라믹 기판은 알루미늄 산화물 (Al2O3) 을 포함한다. 위에서 언급된 바와 같이, 알루미늄 산화물은 ZrO2-보강 Al2O3일 수 있다.
세라믹 기판은 바람직하게는 적어도 65 중량%의 Al2O3를 함유한다. Al2O3를 보강하기 위한 ZrO2 가 없으면, 세라믹 기판은 적어도 95 중량%, 바람직하게는 96 중량%의 Al2O3를 함유할 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.
알루미늄 산화물의 입도들은 바람직하게는 0.01 ㎛부터 25 ㎛까지의 범위, 더 바람직하게는 0.3 ㎛부터 23 ㎛까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.5 ㎛부터 20 ㎛까지의 범위에 있다. 이 범위에서의 입도들로, 구리-세라믹 복합재의 세라믹 기판은 높은 기계적 강도뿐만 아니라 또한 높은 열전도율을 가진다. 본 발명의 맥락에서, 이들 값들은 입도 분포에 대한 엄밀한 하한 및 상한으로서 간주되지 것이 아니라, 그 대신, +/-10% 만큼 변할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시형태에서, 이들 값들은 알루미늄 산화물의 입도 분포의, 입도가 아래로 떨어질 수 없는 하한과 초과되지 않는 상한이다. 이 바람직한 실시형태에서, 알루미늄 산화물은 그러므로 전술한 범위들 밖에 놓이는 입자들을 갖지 않는다. 따라서, 바람직하게는 dmin(Al2O3) 가 ≥ 0.01 ㎛ 및 dmax(Al2O3) 가 ≤ 25 ㎛ 이고, 더 바람직하게는 dmin(Al2O3) 가 ≥ 0.3 ㎛ 및 dmax(Al2O3) 가 ≤ 23 ㎛ 이고, 더욱 더 바람직하게는 dmin(Al2O3) 가 ≥ 0.5 ㎛ 및 dmax(Al2O3) 가 ≤ 20 ㎛ 이며, 여기서 dmin(Al2O3) 및 dmax(Al2O3) 는 알루미늄 산화물의 최소 입도 및 최대 입도들이다.
구리-세라믹 복합재에서의 원하는 Al2O3 입도들은 적합한 Al2O3 입도 분포를 갖는 구리 출발 재료의 사용에 의해 설정될 수 있다. 이러한 세라믹 재료들은 상업적으로 입수가능하거나 또는 표준 방법들에 의해 획득될 수 있다. 입도들의 미세 조정은 세라믹 출발 재료의 열처리에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 입도들의 분포는, 본 발명의 맥락에서, 입자들의 수 (즉, 입도 수 분포) 에 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 가지며; 그리고/또는 적어도 95%의 입자들이 15 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 10 ㎛ 미만, 더욱 더 바람직하게는 7 ㎛ 미만의 입도를 가지는 입도들의 수 분포를 가진다.
금속-세라믹 복합재에서의 세라믹 기판의 기계적 강도 및 열전도율에서의 개선 또는 최적화가, Al2O3의 입도 분포의 d5 및 d95 값들이 특정 요건들을 충족시킬 때 달성될 수 있다.
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 범위에 있다. 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. 금속-세라믹 복합재에서의 세라믹 기판의 기계적 강도 및 열전도율의 추가의 최적화가 이런 식으로 달성될 수 있다.
알루미늄 산화물의 입도 수 분포의 바람직한 d50 는, 예를 들어, 1.0 ㎛부터 3.0 ㎛까지의 범위에 있다.
본 발명의 맥락에서, 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
바람직한 실시형태에서, 알루미늄 산화물은 d50 대 darith의 비율 (즉, d50/darith; 이하 알루미늄 산화물의 입도 수 분포의 대칭 값 S(Al2O3) 이라고 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. 금속-세라믹 복합재에서의 세라믹 기판의 기계적 강도 및 열전도율의 추가의 최적화가 이런 식으로 달성될 수 있다.
알루미늄 산화물에서의 입도 분포의 대칭성이 예를 들어 출발 기판의 생산에서처럼 이미 설정될 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.
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. 금속-세라믹 복합재에서의 세라믹 기판의 기계적 강도 및 열전도율의 추가의 최적화가 이런 식으로 달성될 수 있다.
알루미늄 산화물의 평균 입자 형상 계수 Ra(Al2O3) 는 바람직하게는 ≥ 0.40, 더 바람직하게는 ≥ 0.60, 더욱 더 바람직하게는 ≥ 0.80이다. 위에서 나타낸 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. 알루미늄 산화물의 평균 입자 형상 계수 Ra(Al2O3) 는 입자들의 형상 계수들 RK 의 산술 평균으로부터 획득된다. 알루미늄 산화물 입자들의 형상이 예를 들어 출발 기판의 생산에서처럼 조기에 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 두께는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 세라믹 기판은 그의 면적의 적어도 70%, 더 바람직하게는 그의 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.
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 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅이 이들 지역들 중 적어도 하나의 지역에 도포된 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.
구리-세라믹 복합재의 속성들에서의 추가의 개선이 세라믹 기판에서의 구리의 또는 구리 합금의 입자 속성들과 알루미늄 산화물의 입자 속성들이 서로 매칭될 때 실현될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, d50(Al2O3) 대 d50(Cu) 의 비율은 0.008부터 0.055까지의 범위, 바람직하게는 0.010부터 0.045까지의 범위에 있다. 금속-세라믹 복합재에서의 금속-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 갖고 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.
0.75 ≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤ 1.5 가 더 바람직하고
0.80 ≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤ 1.20 가 더욱 더 바람직하다.
구리-세라믹 복합재의 열 충격 저항성의 추가의 최적화는 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 갖고 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.
dmin(Al2O3) 대 dmax(Cu) 의 비율과 dmax(Al2O3) 대 dmin(Cu) 의 비율은 더욱 더 바람직하게는 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.
더욱 많은 온도 변화 응력들을 견디는 금속 코팅과 세라믹 기판 사이의 강한 본드가 이런 식으로 실현될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 바람직하게는 dmin(Cu) 가 ≥ 10 ㎛ 및 dmax(Cu) 가 ≤ 300 ㎛, 더 바람직하게는 dmin(Cu) 가 ≥ 15 ㎛ 및 dmax(Cu) 가 ≤ 250 ㎛ 이며, 더욱 더 바람직하게는 dmin(Cu) 가 ≥ 20 ㎛ 및 dmax(Cu) 가 ≤ 210 ㎛ 이며, 여기서 dmin(Cu) 와 dmax(Cu) 는 구리의 최소 입도 및 최대 입도이다.
본 발명은 또한, 위에서 설명된 바와 같은 적어도 하나의 구리-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 전자 컴포넌트들, 예컨대, 하나 이상의 칩들을 추가로 포함할 수 있다.
세라믹 기판의 구리의 또는 구리 합금의 그리고 또한 알루미늄 산화물의 입자 구조들은 본 발명의 맥락에서 다음과 같이 결정된다:
구리 또는 구리 합금의 입도 분포
광학 현미경사진이 (코팅된 기판 표면에 평행한) 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅의 표면에서 촬영된다. 연마된 섹션 형태의 특수 시험편 준비는 필요하지 않다.
입도들은 라인 인터섹트 방법에 의해 결정된다. 라인 인터섹트 방법들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지되어 있고, 예를 들어, ASTM 112-13에 기재되어 있다.
배율은 적어도 50 개 입자들이 라인들의 패턴에 의해 인터섹트되도록 선택된다.
본 발명의 목적을 위해, 광학 현미경사진에서 각각의 경우에 2 개의 평행 라인들이 x 방향으로 그려졌고 두 개의 평행 라인들이 y 방향으로 그려졌다. 그 라인들은 그 이미지를 각각의 경우에 세 개의 동일 폭 스트립들로 나눈다. 예시 목적으로, 이는 도 3에서 개략적으로 도시된다.
입자가 이들 라인들 중 하나에 의해 길이 L 에 걸쳐 인터섹트될 때, 이 길이 L 은 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 두 값들은 모두 입도 분포의 결정에 투입된다.
인터섹트된 입자들의 입도들로부터, d5, d50 및 d95 값들과 또한 산술 평균 darith 이 차례로 결정될 수 있게 하는 입도 분포가 생긴다.
위에서 나타낸 바와 같이 그리고 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 일반적으로 공지된 바와 같이, 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 평균은 개개의 입자들의 입도들의 합을 인터섹트된 입자들의 수에 의해 나눔으로써 주어진다.
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 인터섹트 방법에 의해 결정된다. 라인 인터섹트 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 포함하면, 이것들은 이차 전자 콘트라스트에 의해 SEM 이미지에서 Al2O3 입자들로부터 손쉽게 구별될 수 있고 따라서 후속 계산들에서 포함되지 않는다.
라인 인터섹트 방법에 의한 추가의 평가에 관해, 구리 코팅에 관해 위에서 언급된 것이 참조될 수도 있다.
구리의 또는 구리 합금의 입도들 뿐만 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
구리, 구리 합금
입도 분포의 결정에 사용되었던 광학 현미경사진이 채용된다.
개개의 입자의 형상 계수를 결정하기 위해, 다음의 절차가 채용된다.
그의 가장 긴 치수 dK,max 가 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)/원형율 (roundness) 의 척도이다.
형상 계수는 광학 현미경사진에서 적어도 50 개 입자들에 대해 결정된다. 라인 인터섹트 방법에서 라인들에 의해 또한 인터섹트되었던 입자들이 보통 평가된다.
구리의 또는 구리 합금의 평균 입자 형상 계수는 그러면 개개의 입자들의 형상 계수들의 산술 평균 (즉, 개개의 형상 계수들의 합을 조사되는 입자들의 수에 의해 나눈 것) 에 의해 주어진다.
알루미늄 산화물
입도 분포의 결정에서 사용되었던 SEM 이미지는 채용된다.
개개의 입자들의 형상 계수의 그리고 Al2O3의 평균 입자 형상 계수의 결정에 관해, 구리에 관해 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 채용되는 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 발명에 참조로 원용된다.
거기에 개시된 이들 생산 공정들에 대해, 예를 들어, 직접 구리 본딩 공정 (DCB 공정) 에서, 본질적으로 균일한 산화구리 층이 획득되는 방식으로 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. 결과적인 금속화된 세라믹 기판은 그 뒤에 냉각된다.
세라믹 기판과 구리 포일의 접합은 노에서 수행되며, 본딩 노들이 일반적으로 사용된다. 흔히 터널 가마들이라고 또한 지칭되는 대응 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, 요구 본딩 온도가 달성되는 본딩 노에서의 가열 지역을 통해 진행한다. 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. 여기서, 양측이 금속화된 기판들의 생산은 일반적으로, 2-스테이지 본딩 공정에 의해, 즉, 2-스테이지 단일 층 공정 (SLB 공정) 에 의해 수행된다. 본 발명의 맥락에서, 2-스테이지 본딩 공정을 사용하는 것이 바람직하다.
양측이 금속화되는 본 발명에 따라 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 상측, 즉, 지지체로부터 멀어지는 방향을 향하는 측이 구리 포일로 덮인다. 세라믹 기판의 이 측은 가열 작용에 의해 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 구리 코팅에서의 입도 분포가 구리-세라믹 복합재의 열적 충격 저항성 및 와이어 본딩 거동에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다.
입도 분포들의 측면에서 상이한 5 개의 구리-세라믹 시험편들이 DCB 공정에 의해 생산되었다:
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 2, 이하 "K-K-V 4" (비교예 시험편)
구리-세라믹 복합재 3, 이하 "K-K-V 5" (비교예 시험편)
세라믹 기판의 상측 및 하측 양자 모두에 이들 5 개의 구리-세라믹 복합재들의 각각에 구리 코팅이 제공되었다. 구리 코팅은 먼저 SLB 공정에 의해 세라믹 기판의 일측에 본딩되었다. 세라믹 기판의 반대측에서는 그 뒤에 구리 포일이 세라믹의 양측에 본딩되는 구리-세라믹 기판을 형성하기 위한 SLB 공정에 의해 추가의 구리 코팅이 제공되었다. 두 개의 구리 코팅들 중 하나는 각각의 경우에 그 뒤에 각각의 시험편에서의 에칭 공정에 의해 구조화 (모든 시험편들에 대해 동일한 구조화) 되었다.
이들 5 개의 구리-세라믹 복합재들의 각각에서, 구리 코팅의 두께는 0.3 mm이였고 구리 코팅의 길이 x 폭은 181 x 132 mm2 였다. 그 예에서, 구리는 순수 구리이다.
더욱이, 모든 5 개의 시험편들은 Al2O3 세라믹 기판 (Al2O3 함량: 96 중량%) 을 함유하였으며, 세라믹 기판의 두께는 0.38 mm; 세라믹 기판의 길이 x 폭은 190 x 140 mm2 이었다.
구리 코팅은 본 발명에 따른 효과, 즉 양호한 온도 변화 저항성이, 2-스테이지 SLB 본딩 (본 발명에 따른 구리-세라믹 기판) 후에 실현되고, 금속 코팅에 대한 와이어들의 양호한 본딩이 2-스테이지 SLB 본딩 (본 발명에 따른 구리-세라믹 기판) 후에 실현되도록 선택되었다.
도 5는 예시적인 K-K-V 1의 구리 입도들이 결정되게 하였던 K-K-V 1의 구리 코팅의 표면의 광학 현미경사진을 도시한다.
시험편 K-k-V-1 내지 K-K-V 5의 입도 범위들 및 입도 분포들의 대칭 값들이 표 1에 나열되어 있다.
열 충격 저항성 뿐만 아니라 또한 와이어 본딩 속성들이 이들 5 개의 시험편들의 각각에 대해 결정되었다.
열 충격 저항성은 다음과 같이 결정되었다:
구리-세라믹 기판의 열 충격 저항성을 결정하기 위해, 개개의 기판을 큰 카드로부터 바람직하게 떼어낸다. 개개의 기판은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지된 장치에서 다음으로 이루어진 온도 변화 사이클을 겪었다:
● 150℃에서 (바람직하게는 온도 변화 캐비닛의 제 1 챔버에서) 15 분 동안 보관
● -40℃ (마이너스 40℃) 에서 (바람직하게는 온도 변화 캐비닛의 제 2 챔버에서) 15 분 동안 보관
● 15 초의 이송 시간이 하나의 챔버에서 다른 챔버 속으로의 이송에 발생.
5 개 사이클들의 과정 (150℃ 에서 -40℃ 로의 보관과 되돌아감이 한 사이클에 대응) 에 걸쳐, 구리와 세라믹 사이의 계면에서의 본딩 영역이 각각의 경우에 초음파 현미경에 의해 층간박리에 대해 조사되었다.
와이어 본딩 속성들은 다음과 같이 결정되었다:
구리-세라믹 기판의 와이어 본딩 속성들을 결정하기 위해, 개개의 기판을 큰 카드로부터 바람직하게 떼어낸다. 와이어 (그 예에서, 예를 들어, 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지된 방법들에 따른 구리 와이어) 가 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 공지된 장치에서의 본딩된 구리-세라믹 기판의 구리 표면 상에서 개개의 기판에 본딩되었다. 본 발명의 맥락에서, 본 발명에 따르면, 제품 파라미터들 및 후속 DCB 공정이 본 발명에 따라 선택되었을 때, 시험편 K-K-V 1은 시험편 K-K-V 2 및 K-K-V 3에 비해 와이어 본딩 속성들을 현저히 개선하였다는 것이 밝혀질 수 있다.
결과들은 다음의 표 1에 요약된다:
표 1: 구리-세라믹 복합재들의 열 충격 저항성 및 와이어 본딩 속성들
열 충격 저항성 와이어 본딩
시험편 K-K-V 1
(본 발명에 따름)		 입도 범위: 32~1.49 ㎛ ++ ++
대칭 값 d50/darith: 0.93
시험편 K-K-V 2
(비교예)		 입도 범위: 18~167 ㎛ - ++
대칭 값 d50/darith: 0.62
시험편 K-K-V 3
(비교예)		 입도 범위: 23~201 ㎛ ++ -
대칭 값 d50/darith: 1.37
시험편 K-K-V 4
(비교예)		 입도 범위: 43~470 ㎛ + +
대칭 값 d50/darith: 0.89
시험편 K-K-V 5
(비교예)		 입도 범위: 4~175 ㎛ + +
대칭 값 d50/darith: 0.94
더욱이, 열 충격 저항성 및 와이어 본딩에 대한 입도 분포의 폭의 영향이 조사되었다. 그 결과들은 표 2에 의해 도시된다.
표 2: 입도 분포의 폭의 영향
분포 d5/d95 의 폭 열 충격 저항성 와이어 본딩
0.27 + +
0.03 - +
0.50 + -
표 2가 보여주는 바와 같이, 입도 분포의 폭이 본 발명에 따른 범위 내에 있을 때 열 충격 저항성의 그리고 와이어 본딩 거동의 추가의 최적화가 달성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 구리-세라믹 복합재로서,
    - 세라믹 기판; 및
    - 상기 세라믹 기판 상에 존재하고 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 코팅을 포함하고,
    상기 구리 또는 구리 합금은
    - 10 ㎛부터 300 ㎛까지의 범위의 입도들; 및
    - 중간값 d50 및 산술 평균 darith 을 갖는 상기 입도들의 수 분포를 가지고, d50 대 darith의 비율 (d50/darith) 은 0.75부터 1.10까지의 범위에 있는, 구리-세라믹 복합재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 d50 대 darith의 비율 (d50/darith) 은 0.78부터 1.05까지의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.80부터 1.00까지의 범위에 있는, 구리-세라믹 복합재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구리 또는 상기 구리 합금은 d5 및 d95를 갖는 입도들의 수 분포를 가지고, 상기 d5 대 d95의 비율은 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 구리의 또는 상기 구리 합금의 입도들은 15 ㎛부터 250 ㎛까지의 범위, 더 바람직하게는 20 ㎛부터 210 ㎛까지의 범위에 있는, 구리-세라믹 복합재.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리 또는 구리 합금으로 구성된 코팅은 DCB 공정에 의해 상기 세라믹 기판에 도포되는, 구리-세라믹 복합재.
  6. 제 1 항 내지 제 5 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.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 산화물, 질화물, 탄화물 또는 이들 재료들 중 적어도 두 개의 재료들의 혼합 또는 복합재를 포함하는, 구리-세라믹 복합재.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 적어도 65 중량%의 Al2O3를 함유하는, 구리-세라믹 복합재.
  9. 제 1 항 내지 제 8 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.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 구리-세라믹 복합재 및 적어도 하나의 본드 와이어들을 포함하는, 모듈.
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