KR20200002941A - 절연 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 한 면에 형성된 제 1 구리판재와, 상기 세라믹 기판의 다른 면에 형성된 제 2 구리판재가 접합된 절연 기판에 관한 것이다. 각 구리판재는 Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn 및 Cr 중에서 선택된 금속 성분의 합계 함유량이 0.1 ~ 2.0ppm이고, 구리의 함유량이 99.96mass% 이상인 조성을 가지며, 각 구리판재 표면의 EBSD에 의한 집합 조직 분석을 통해 얻어진 결정 방위 분포 함수를 오일러 각(φ1, Φ, φ2)으로 나타낼 때, φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만이고, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만이며, 또한, 각 구리판재의 평균 결정 입경이 50㎛ ~ 400㎛이다.

Description

절연 기판 및 그 제조 방법

본 발명은 절연 기판, 특히 전원 장치용 절연 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전원 장치는 고전압, 대전류를 사용하기 때문에, 반도체 소자가 발하는 열에 의해 재료 특성이 열화되는 것을 해결할 필요가 있다. 그래서 최근 절연성 및 방열성이 뛰어난 세라믹 기판을 구리판에 접합한 절연 기판을 사용하는 절연 및 방열 대책이 강구되고 있다.

세라믹 기판과 구리판을 접합할 때에는 주로 은 경납땜 재료 등을 통해 접합하는 접합 방법, 경납땜 재료를 통하지 않고 구리의 공정 반응을 이용하여 접합하는 접합 방법 등이 이용된다. 세라믹 기판에는 질화 알루미늄, 알루미나, 질화규소 등이 이용되는데, 이들의 열팽창 계수는 구리판을 구성하는 구리판재의 열팽창 계수와 다르다. 이 때문에 반도체 소자의 발열 시 열팽창 계수의 차이로 인해 절연 기판 전체에 커다란 변형이 생긴다는 경향이 있다. 또한, 세라믹 기판과 구리판재에서, 구리판재 쪽이 높은 열팽창 계수를 가지므로 열처리를 하면 세라믹 기판에는 인장 응력이 가해지고 구리판에는 압축 응력이 가해진다. 이로 인해 절연 기판 전체에 높은 변형이 가해져 절연 기판이 열팽창에 의해 변형되어 치수가 변화될 뿐만 아니라 세라믹 기판과 구리판이 박리되기 쉬워진다. 따라서 가열하더라도 가능한 한 변형되지 않는 절연 기판이 필요로 되고 있다.

또한, 구리판에 사용되는 고순도의 구리는, 접합 시의 700℃ 이상의 고온에서는 결정립이 크게 성장하여 조직이 균질하지 못하게 되며 또한, 연신율이나 인장 강도도 저하된다. 이로 인해 본딩성이 저하되고 또 변형이 일어났을 때 입계 파괴의 기점이 되는 것과 같은 문제가 있다. 따라서 절연 기판을 구성하는 고순도의 구리를 이용하여 구리판의 인장 강도 및 연신율을 향상시키면서도 결정립을 적절하게 미세화함으로써, 열팽창에 의한 변형에 따른 부하에 대한 저항력을 증대시키고 입계 파괴를 방지하며, 본딩성이 향상되는 것을 기대할 수 있다.

예를 들어 특허문헌 1에는, 방열 기판에 사용되는 순구리판으로 순도 99.90mass% 이상의 순구리로 구성되며, X선 회절 강도의 비율을 특정한 순구리판이 개시되어 있다. 순구리판을 구성하는 무산소 구리에 있어서, 100㎛ 이하의 결정 입경, X선 회절 강도의 비율을 규정함으로써 순구리판의 에칭성이 향상된다.

또한, 특허문헌 2에는 방열용 전자 부품 및 대전류용 전자 부품 등에 적합한 구리 합금판으로, 인장 강도가 350MPa 이상이며 소정 위치의 결정 방위의 집적도를 제어한 구리 합금판이 개시되어 있다. 소정 위치의 결정 방위의 집적도를 제어함으로써, 구리 합금판의 반복 굽힘 가공성 등이 향상된다.

특허문헌 1: 특개 2014-189817호 공보 특허문헌 2: 특허 제 5,475,914호 공보

그러나 특허문헌 1에 개시된 순구리판은 에칭에 의해 표면에 요철이 발생하기 어렵기 때문에 다른 부재와의 밀착성이 우수하나, 고온에서 다른 부재와 접합하는 것에 대해서는 전혀 검토하고 있지 않다. 또한, 특허문헌 2에 개시된 구리 합금판은 내열성에 대해 검토하고 있으나, 200℃에서 30분간 열처리에 의한 내열성만 고려하였다. 또한, 특허문헌 2에 개시된 구리 합금판은 인장 강도가 350MPa 이상으로, 절연 기판에 사용되는 구리판재로 적합한 150 ~ 330MPa의 범위에 대응하지 않는다. 또한, 특허문헌 1과 2 모두에서 구리판을 절연 기판에 접합한 후의 결함에 대해서는 어떠한 언급도 하고 있지 않다. 그러므로 반도체 소자가 발열했을 때, 구리판재와 세라믹 기판의 열팽창 계수의 차이로 인해 생기는 절연 기판의 변형, 세라믹 기판과 구리판의 박리 문제, 이들을 700℃ 이상의 고온에서 접합할 때 생기는 결정립 성장으로 인한 조직의 불균질화, 본딩성의 저하 문제에 대해서는 여전히 해결되지 않았다.

상기 사정을 감안하여 본 발명의 목적은 내열 특성이 우수하면서도 또한, 미세한 결정립을 갖는 구리판재를 구비한 절연 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

[1] 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 한 면에 형성된 제 1 구리판재와, 상기 세라믹 기판의 다른 면에 형성된 제 2 구리판재가 접합된 절연 기판에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 구리판재는, Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn 및 Cr 중에서 선택된 금속 성분의 합계 함유량이 0.1 ~ 2.0ppm, 구리의 함유량이 99.96mass% 이상인 조성을 가지며, 또한, 상기 제 1 및 제 2 구리판재 표면의 EBSD에 의한 집합 조직 분석을 통해 얻어진 결정 방위 분포 함수를 오일러 각(φ1, Φ, φ2)으로 나타낼 때, φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만이고, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 1.0 이상 15.0 미만인 압연 집합 조직을 가지며, 또한

상기 제 1 및 제 2 구리판재의 평균 결정 입경이 50㎛ 이상 400㎛ 이하인, 절연 기판.

[2] [1]에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 구리판재의 평균 결정 입경이 100㎛보다 크며 400㎛ 이하인, 절연 기판.

[3] [1] 또는 [2]에 있어서,

상기 세라믹 기판은, 질화 알루미늄, 질화 규소, 알루미나 및 알루미나와 지르코니아의 화합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 세라믹 재료를 이용하여 형성된, 절연 기판.

[4] [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 구리판재의 인장 강도는 210MPa 이상 250MPa 이하인, 절연 기판.

[5] [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 구리판재의 연신율이 25% 이상 50% 미만인, 절연 기판.

[6] [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 구리판재의 전도율이 95% IACS 이상인, 절연 기판.

[7] [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 절연 기판의 제조 방법에 있어서,

상기 제 1 구리판재의 재료인 제 1 피압연재 및 상기 제 2 구리판재의 재료인 제 2 피압연재에 대해, 승온 속도 10℃/초 ~ 50℃/초, 도달 온도 250℃ ~ 600℃, 유지 시간 10초 ~ 3,600초, 냉각 속도 10℃/초 ~ 50℃/초의 조건에서 어닐링 처리를 실시하는 어닐링 공정과,

상기 어닐링 공정 후, 상기 제 1 피압연재와 상기 제 2 피압연재의 총 가공률이 10 ~ 65%인 냉간 압연을 실시하는 냉간 압연 공정과,

상기 냉간 압연 공정 후, 상기 세라믹 기판의 한 면에는 상기 제 1 피압연재를, 상기 세라믹 기판의 다른 면에는 상기 제 2 피압연재를 경납땜 재료로 각각 접합하여, 상기 제 1 구리판재와 상기 제 2 구리판재가 각각 접합된 절연 기판을 형성하는 접합 공정을 포함하며,

상기 접합 공정은, 승온 속도 10℃/초 ~ 100℃/초, 도달 온도 400℃ ~ 600℃, 유지 시간 10초 ~ 300초의 조건에서 열처리를 하는 제 1 가열 처리와, 승온 속도 10℃/초 ~ 100℃/초, 도달 온도 750℃ ~ 850℃, 유지 시간 100초 ~ 7,200초의 조건에서 열처리를 하는 제 2 가열 처리로 구성되는, 절연 기판의 제조 방법.

본 발명에 따르면 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 한 면에 형성된 제 1 구리판재와, 상기 세라믹 기판의 다른 면에 형성된 제 2 구리판재가 접합된 절연 기판에서, 상기 제 1 및 제 2 구리판재는 Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn 및 Cr 중에서 선택된 금속 성분의 합계 함유량이 0.1 ~ 2.0ppm, 구리의 함유량이 99.96mass% 이상인 조성을 가지며, 또한, 상기 제 1 및 제 2 구리판재 표면의 EBSD에 의한 집합 조직 분석을 통해 얻어진 결정 방위 분포 함수를 오일러 각(φ1 , Φ, φ2)으로 나타낼 때, φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만이고, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 1.0 이상 15.0 미만인 압연 집합 조직을 가지며, 또한, 상기 제 1 및 제 2 구리판재의 평균 결정 입경이 50㎛ 이상 400㎛ 이하임으로써 내열 특성이 우수한 절연 기판을 얻을 수 있다.

또 본 발명에 따르면, 제 1 및 제 2 구리판재가 우수한 내열 특성을 나타내므로 절연 기판 전체의 부하 응력이 감소하고, 열팽창에 의한 부하에 대한 저항력이 증가한다. 이로 인해 제 1 및 제 2 구리판재와 세라믹 기판의 열팽창 계수의 차이로 인해 발생되는 절연 기판의 변형을 억제할 수 있으며, 나아가 세라믹 기판과 제 1 및 제 2 구리판재의 박리, 즉 본딩성 저하를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 절연 기판에 사용되는 구리판재 표면의 압연 집합 조직을 EBSD로 측정하고 ODF로 분석한 결과의 일례를 나타낸 결정 방위 분포도이다. 도 1(A)는 φ2 = 20°의 결정 방위 분포도이고, 도 1(B)는 φ2 = 35°의 결정 방위 분포도이다.

아래에서 본 발명의 절연 기판에 대한 상세 내용과 실시예에 대해 설명한다. 덧붙여 아래에서 「 ~ 」를 이용하여 표현된 수치 범위는 「 ~ 」의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로 포함하는 범위를 의미한다.

<절연 기판>

본 발명의 절연 기판은, 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 한 면에 형성된 제 1 구리판재와, 상기 세라믹 기판의 다른 면에 형성된 제 2 구리판재가 접합된다. 즉, 절연 기판은 제 1 구리판재와 제 2 구리판재의 사이에 세라믹 기판이 배치되며, 제 1 구리판재와 세라믹 기판과 제 2 구리판재가 이 순서로 각각 압연 접합된 적층 구조를 가진다. 제 1 구리판재와 세라믹 기판, 세라믹 기판과 제 2 구리판재는 서로 접합된 층 구조이면 된다. 제 1 구리판재와 세라믹 기판, 세라믹 기판과 제 2 구리판재는 예를 들어, 경납땜 재료, 접착제, 납땜 등으로 접합될 수 있으며, 그 중에서도 경납땜 재료를 통해 접합되는 것이 바람직하다. 또한, 절연 기판의 두께는 사용 상황에 따라 적절하게 선택할 수 있는데, 예를 들면 0.3mm ~ 10.0mm인 것이 바람직하고, 0.8mm ~ 5.0mm인 것이 더욱 바람직하다. 덧붙여 특별히 언급하지 않는 한 편의상 제 1 급 구리판재 및 제 2 구리판재를 다음에서 단순히 ‘구리판재’라고 할 수도 있다.

[세라믹 기판]

본 발명의 절연 기판에 사용되는 세라믹 기판은, 높은 절연성을 갖춘 세라믹 재료로 형성되어 있으면 따로 한정하지 않는다. 이러한 세라믹 기판은 예를 들어, 질화 알루미늄, 질화 규소, 알루미나 및 알루미나와 지르코니아 화합물의 적어도 1종을 주성분으로 하는 세라믹 재료를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다. 세라믹 기판의 두께에 대해서는 따로 한정하지는 않으나, 예를 들면, 0.05mm ~ 2.0mm인 것이 바람직하며, 0.2mm ~ 1.0mm인 것이 더욱 바람직하다.

[구리판재]

일반적으로 구리판재란 (가공 전이며 소정의 조성을 갖는) 구리 소재가 소정의 형상(예를 들면, 판, 띠, 포일, 봉, 선 등)으로 가공된 재료를 의미한다. 그 중에서 ‘판재’란, 특정 두께를 가지며 형상적으로 안정되어 있고, 또 면 방향으로 확산되어 있는 재료를 가리키며, 넓은 의미로는 띠 모양 재료를 포함한다. 본 발명에서 ‘구리판재’는 소정의 조성을 갖는 구리로 형성된 해당 ‘판재’를 의미한다.

[구리판재의 성분 조성]

본 발명의 절연 기판에는 구리 함유량이 99.96mass% 이상인 구리판재, 바람직하게는 99.99mass% 이상인 구리판재를 사용한다. 구리 함유량이 99.96mass% 미만이면, 열전도율이 저하되어 원하는 방열성을 얻을 수 없다. 또한, 상기 구리판재는 Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn 및 Cr 중에서 선택된 금속 성분의 합계 함유량이 0.1ppm ~ 2.0ppm인 것이다. 이들 금속 성분의 합계 함유량의 하한값에 대해서는 따로 한정하지 않으나, 불가피한 불순물을 고려하여 0.1ppm으로 설정하였다. 한편, 이들 금속 성분의 합계 함유량이 2.0ppm을 초과하면 원하는 방위 밀도를 얻을 수 없다. 따라서 절연 기판에 가해지는 열팽창에 의한 부하에 대한 저항력이 증대되는 효과를 얻을 수 없어, 절연 기판이 변형되거나 세라믹 기판과 구리판재가 박리되어 버리는 것과 같은 경우가 생긴다. 또한, 상기 구리판재에는 구리와, Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn 및 Cr 중에서 선택된 금속 성분 이외에, 나머지 부분으로서 불가피한 불순물이 포함될 수도 있다. 불가피한 불순물은 제조 공정 상 불가피하게 포함될 수 있는 함유 수준의 불순물을 의미한다. 제 1 구리판재의 성분 조성과 제 2 구리판재의 성분 조성은 같을 수도 있고 다를 수도 있으나, 제조 효율의 관점에서 이들은 동일한 것이 좋다.

구리판재의 상기 금속 성분의 정량 분석에는 GDMS법을 이용할 수 있다. GDMS법이란 Glow Discharge Mass Spectrometry의 약자로, 고체 시료를 음극으로 하여 글로우 방전을 이용하여 시료 표면을 스퍼터링하고, 방출된 중성 입자를 플라즈마 내부의 Ar이나 전자와 충돌시킴으로써 이온화시켜, 질량 분석기에서 이온 수를 측정하여 금속에 포함된 극미량 원소의 비율을 분석하는 기술이다.

[압연 집합 조직]

본 발명의 절연 기판에 사용되는 구리판재는, 이 구리판재 표면의 EBSD에 의한 집합 조직 분석을 통해 얻어진 결정 방위 분포 함수(ODF : crystal orientation distribution function)를 오일러 각(φ1, Φ, φ2)으로 나타낼 때, φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만이고, 또한, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만인 압연 집합 조직을 가진다. 오일러 각(φ1, Φ, φ2)은, 압연 방향을 RD 방향, RD 방향에 대해 직교하는 방향(판 폭 방향)을 TD 방향, 압연면(RD면)에 수직인 방향을 ND 방향으로 하여, RD 방향을 축으로 한 방위 회전을 Φ, ND 방향을 축으로 한 방위 회전을 φ1, TD 방향을 축으로 한 방위 회전을 φ2로 표현했다. 방위 밀도는 집합 조직에서 결정 방위의 존재 비율 및 분산 상태를 정량적으로 분석할 때 사용되는 매개 변수로, EBSD 및 X선 회절을 하여, (100), (110), (112) 등의 세 종류 이상의 정극점도의 측정 데이터를 기반으로, 급수 전개법에 의한 결정 방위 분포 분석법에 의해 산출된다. EBSD에 의한 집합 조직 분석을 통해 얻어지는 φ2를 소정의 각도로 고정한 결정 방위 분포도에서, RD면 내에서의 방위 밀도 분포가 표시된다. 제 1 구리판재가 갖는 압연 집합 조직과 제 2 구리판재가 갖는 압연 집합 조직은 같을 수도 있고 다를 수도 있지만, 제조 효율의 관점에서 이들은 동일한 것이 좋다.

EBSD 법이란, Electron BackScatter Diffraction의 약자로, 주사 전자 현미경(SEM) 내에서 시료에 전자선을 조사했을 때 생기는 반사 전자를 이용하는 결정 방위 분석 기술이다. EBSD에 의한 분석 시 측정 면적 및 스캔 단계는, 시료의 결정립의 크기에 따라 결정할 수 있다. 측정 후 결정립의 분석에는 예를 들면 TSL사의 해석 소프트웨어 OIM Analysis(상품명)를 이용할 수 있다. EBSD에 의한 결정립의 분석을 통해 얻은 정보는, 전자선이 시료에 침입하는 수십 나노미터의 깊이까지의 정보를 포함한다. 두께 방향의 측정 개소는 시료 표면으로부터 판 두께의 1/8배 ~ 1/2배의 위치 부근으로 설정하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 절연 기판에 사용되는 구리 재료 표면의 압연 집합 조직을 EBSD로 측정하고 ODF로 분석한 결과의 일례를 나타내는 결정 방위 분포도이다. 도 1(A)는 φ2 = 20°의 결정 방위 분포도이며, 도 1(B)는 φ2 = 35°의 결정 방위 분포도이다. 결정 방위 분포도에서는, 결정 방위 분포가 임의인 상태를 방위 밀도 1이라고 했을 때 그에 대해 몇 배 집적되었는지를 등고선으로 표시했다. 도 1에서 흰 부분은 방위 밀도가 높은 것을 나타내고, 검은 부분은 방위 밀도가 낮은 것을 나타내며, 그 이외의 부분은 흰색에 가까울수록 방위 밀도가 높은 것을 나타낸다. 본 발명에서는, 도 1(A)에서 점선으로 둘러싸인 영역(φ1 = 20° ~ 40°, Φ = 55° ~ 75°, φ2 = 20°)의 방위 밀도의 평균값이 15 미만이고, 도 1(B)에서 점선으로 둘러싸인 영역(φ1 = 75° ~ 90°, Φ = 20° ~ 40°, φ2 = 35°)의 방위 밀도의 평균값이 15 미만인 압연 집합 조직을 가진다. 도 1(A)에서는 전자의 방위 밀도의 평균값이 8이며, 도 1(B)에서는 후자의 방위 밀도의 평균값이 4인 결정 방위 분포도를 나타낸다.

본 발명에서 절연 기판에 사용되는 구리판재는 EBSD에 의한 집합 조직 분석을 통해 얻어진 결정 방위 분포 함수에서 φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만이고, 또한, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0 0.1 이상 15.0 미만인 압연 집합 조직을 가진다. 이처럼 방위 밀도를 적절하게 제어함으로써 상기 구리판재는 고온(예를 들면 700℃ 이상)에서의 열처리 시 결정립의 성장이 억제되어 내열 특성이 뛰어난 효과를 발휘한다. φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 15.0 이상인 경우에는 결정 방위를 충분히 제어하지 못하기 때문에 고온(예를 들면 700℃ 이상)에서의 열처리 시 결정립의 성장을 억제할 수 없어 내열 특성이 떨어지게 된다. 따라서 절연 기판에 가해지는 열팽창에 의한 부하에 대한 저항력이 증대하여, 절연 기판의 변형되거나 세라믹 기판과 구리판재가 박리되는 경우가 생긴다. 또한, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 15.0 이상인 경우에도 마찬가지로, 결정 방위를 충분히 제어하지 못하기 때문에 내열 특성이 떨어지게 된다. 따라서 절연 기판에 가해지는 열팽창에 의한 부하에 대한 저항력이 증대하여, 절연 기판이 변형되거나 세라믹 기판과 구리판재가 박리되는 경우가 생긴다. 덧붙여 φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값 각각의 하한값인 0.1은, EBSD에 의한 집합 조직 분석에서 분석할 수 있는 방위 밀도의 최소값으로 규정하였다.

[평균 결정 입경]

본 발명의 절연 기판에 사용되는 구리판재의 평균 결정 입경은 50㎛ 이상 400㎛ 이하이며, 100㎛보다 크고 400㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 결정 입경이 50㎛ 미만이면 결정 방위를 충분히 제어할 수 없어 내열 특성이 떨어지게 된다. 한편, 평균 결정 입경이 400㎛를 초과하면 충분한 인장 강도와 연신율을 얻지 못해 절연 기판에 가해지는 열팽창에 의한 부하에 대한 저항력이 증대하여, 절연 기판이 변형되거나 세라믹 기판과 구리판재가 박리되는 경우가 생긴다. 또 구리판재와 세라믹 기판의 계면에서, 구리판재의 결정립계가 계면과 접하는 부분에는, 결함(보이드)이 생기기 쉽다. 평균 결정 입경이 100㎛ 이하인 경우 세라믹 기판과 접촉하는 구리판재의 결정립계가 현저하게 증가하여, 접합 강도가 저하될 우려가 있다. 따라서 평균 결정 입경은 100nm보다 큰 것이 바람직하다. 덧붙여 평균 결정 입경은 구리판재의 RD면에서의 EBSD 분석을 통해 측정할 수 있는데, 예를 들어 측정 범위의 전체 결정립 입경의 평균을 평균 결정 입경으로 정의할 수 있다. 또한, 제 1 구리판재가 갖는 평균 결정 입경과 제 2 구리판재가 갖는 평균 결정 입경은 같을 수도 있고 다를 수도 있지만, 제조 효율의 관점에서 이들은 동일한 것이 좋다.

[판의 두께]

제 1 구리판재와 제 2 구리판재의 두께(판의 두께)에 대해서는 따로 한정하지는 않으나, 0.05mm ~ 7.0mm인 것이 바람직하며, 0.1mm ~ 4.0mm인 것이 더욱 바람직하다. 제 1 구리판재의 두께와 제 2 구리판재의 두께는 같을 수도 있고 다를 수도 있으나, 접합 열처리 및 히트 사이클 시험에서 각각의 구리판재의 체적이 크게 다르면 열팽창량의 차이에 의해 판이 뒤틀릴 수 있다. 따라서 절연 기판의 회로 설계에 따라 판의 두께는 각각 적절히 맞추는 것이 바람직하다.

[특성]

(인장 강도)

구리판재의 인장 강도는 210MPa 이상 250MPa 이하인 것이 바람직하다. 인장 강도가 210MPa 미만이면 최근 요구되는 강도로는 충분하지 않다. 한편, 인장 강도가 250MPa를 초과하면 연신율 및 가공성이 저하되는 경향이 있다.

(연신율)

구리판재의 연신율은 25% 이상 50% 미만인 것이 바람직하다. 연신율이 25% 미만이면, 절연 기판에 가해지는 열팽창에 의한 부하 응력에 대해, 절연 기판이 변형되거나 세라믹 기판과 구리판재가 박리되는 경우가 발생할 우려가 있다. 한편, 연신율이 50%를 초과하면 강도가 불충분한 경향이 있다.

구리판재의 전도율은 95% IACS 이상인 것이 바람직하다. 전도율이 95% 미만이면 열전도율이 낮아져, 우수한 방열 특성을 얻을 수 없는 경향이 있다.

다음으로 본 발명에 따른 절연 기판의 제조 방법의 일례를 설명한다.

[절연 기판의 제조 방법]

본 발명에 따른 절연 기판의 제조 방법은, 어닐링 공정[공정 A], 냉간 압연 공정[공정 B], 접합 공정[공정 C]을 포함한다. 이들 공정에서의 처리가 이 순서로 실시됨으로써, 제 1 구리판재, 세라믹 기판, 제 2의 구리판재가 접합된 본 발명에 따른 절연 기판을 얻을 수 있다.

먼저, 어닐링 공정[공정 A]에서는, 상기의 성분 조성을 갖는 구리 소재로 제조한 피압연재, 즉 제 1 구리판재의 재료인 제 1 피압연재 및 제 2 구리판재의 재료인 제 2 피압연재에 대해, 승온 속도 10℃/초 ~ 50℃/초, 도달 온도 250℃ ~ 600℃, 유지 시간 10초 ~ 3,600초, 냉각 속도 10℃/초 ~ 50℃/초의 조건에서 어닐링 처리를 실시한다. 어닐링 공정[공정 A]에서, 어닐링 조건이 상기 규정 범위 밖이면, 얻어지는 구리판재의 평균 결정 입경이 거칠고 엉성하며, 결정 방위를 충분히 제어하지 못하게 되어, 절연 기판의 내열 특성이 떨어지는 경향이 있다. 예를 들어, 도달 온도가 너무 높거나 승온 속도가 너무 느리면, 결정 방위를 충분히 제어하지 못하여, φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 현저하게 높아지는 경향이 있다. 또한, 도달 온도가 너무 낮으면 어닐링 공정에서의 뒤틀림이 완화되지 않기 때문에, 이후의 냉간 압연에 이어 접합 열처리 전의 뒤틀림도 커지게 된다. 이 때문에 압연 집합 조직은 규정 범위 내여도 재결정이 촉진되어, 결정립이 거칠고 엉성해질 우려가 있다.

냉간 압연 공정[공정 B]에서는, 어닐링 공정([공정 A]) 후에 제 1 구리판재의 재료인 제 1 피압연재와 제 2 구리판재의 재료인 제 2 피압연재의 총 가공율이 10 ~ 65%인 냉간 압연을 실시한다. 냉간 압연 공정[공정 B]에서, 냉간 압연 조건이 상기 규정 범위 밖이면, 얻어지는 구리판재의 평균 결정 입경이 거칠고 엉성하며, 결정 방위를 충분히 제어하지 못하게 되어, 절연 기판의 내열 특성이 떨어지는 경향이 있다. 예를 들어, 총 가공율이 현저하게 높은 경우, 결정 방위를 충분히 제어하지 못하여, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 현저하게 높아지는 경향이 있다. 한편, 총 가공율이 너무 낮으면 결정립의 성장을 억제하지 못하여 결정립이 거칠고 엉성해질 우려가 있다.

접합 공정[공정 C]은, 냉간 압연 공정([공정 B]) 후에 세라믹 기판의 한 면에는 제 1 구리판재의 재료인 제 1 피압연재를, 세라믹 기판의 다른 면에는 제 2의 구리판재의 재료인 제 2 피압연재를, 예를 들면 Ag-Cu-Ti계 등의 경납땜 재료를 통해 각각 접합하여, 제 1 구리판재와 제 2 구리판재가 각각 접합된 절연 기판을 형성한다. 접합 공정[공정 C]은, 승온 속도 10℃/초 ~ 100℃/초, 도달 온도 400℃ ~ 600℃, 유지 시간 10초 ~ 300초의 조건에서 열처리를 하는 제 1 가열 처리와, 승온 속도 10℃/초 ~ 100℃/초, 도달 온도 750℃ ~ 850℃, 유지 시간 100초 ~ 7,200초의 조건에서 열처리를 하는 제 2 가열 처리로 구성된다. 접합 공정[공정 C]에서, 접합 조건이 상기 규정의 범위 밖이면 얻어지는 구리판재의 평균 결정 입경이 거칠고 엉성해지거나 과도하게 미세해지며, 결정 방위를 충분히 제어하지 못하게 되어, 절연 기판의 내열 특성이 떨어지는 경향이 있다. 예를 들어, 제 1 가열 처리 및 제 2 가열 처리의 승온 속도가 너무 빠르면, 결정 방위를 충분히 제어하지 못하여, φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 현저하게 높아지는 경향이 있다. 한편, 제 1 가열 처리의 도달 온도가 너무 낮으면, 압연 집합 조직은 규정 범위 내여도 냉간 압연에 의한 뒤틀림이 완화되지 않는다. 이로 인해 제 2 가열 처리에서 재결정이 뒤틀림에 의해 촉진되어 결정립이 거칠고 엉성해질 우려가 있다. 또 제 2 가열 처리의 도달 온도가 너무 높으면, 결정립의 성장을 억제하지 못하여 결정립이 거칠고 엉성해질 우려가 있다. 한편, 제 2 가열 처리의 도달 온도가 너무 낮으면, 구리판재와 세라믹 기판의 계면이 활성되지 않아 이들을 잘 접합하기 어렵다.

[피압연재의 제조 방법]

본 발명에 따른 절연 기판의 제조 방법에서, 어닐링 공정[공정 A]에서 사용하는 제 1 피압연재 및 제 2 피압연재는 상기의 성분 조성을 갖는 구리 소재로 제조한 피압연재라면 따로 한정되지 않는다. 이러한 피압연재는 예를 들면 다음의 공정을 거쳐 제조할 수 있다. 아래에서 본 발명에 따른 절연 기판의 어닐링 공정[공정 A]에서 사용할 수 있는 피압연재의 제조 방법의 일례를 설명한다.

본 발명의 절연 기판을 구성하는 세라믹 기판에 접합되기 전의 구리판재, 즉 제 1 구리판재가 되는 제 1 피압연재 및 제 2 구리판재가 되는 제 2 피압연재(이하, 제 1 피압연재와 제 2 피압연재를 간단히 ‘피압연재’라고 하기도 함)의 제조 방법으로는, 예를 들어 용해 및 주조 공정[공정 1], 균질화 열처리 공정[공정 2], 열간 압연 공정[공정 3], 냉각 공정[공정 4], 면삭 공정[공정 5], 제 1 냉간 압연 공정[공정 6], 제 1 어닐링 공정[공정 7], 제 2 냉간 압연 공정[공정 8], 제 2 어닐링 공정[공정 9], 마무리 압연 공정[공정 10], 최종 어닐링 공정[공정 11], 표면 산화막 제거 공정[공정 12]으로 구성된 처리가 순차적으로 이루어진다.

먼저 용해 및 주조 공정[공정 1]에서는, 구리 소재를 용해하고 주조하여 잉곳을 얻는다. 구리 소재는 Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn 및 Cr 중에서 선택된 금속 성분의 합계 함유량이 0.1 ~ 2.0ppm, 구리의 함유량이 99.96mass% 이상인 조성을 갖는다. 균질화 열처리 공정[공정 2]에서는, 얻어진 잉곳에 대해 유지 온도 700 ~ 1,000℃, 유지 시간 10분 ~ 20시간의 균질화 열처리를 실시한다. 열간 압연 공정[공정 3]에서는, 총 가공율이 10 ~ 90%가 되도록 열간 압연을 실시한다. 냉각 공정[공정 4]에서는, 10℃/초 이상의 냉각 속도로 급랭시킨다. 면삭 공정[공정 5]에서는, 냉각된 재료의 양면을 각각 약 1.0mm씩 면삭한다. 이를 통해, 얻어진 판재 표면의 산화막이 제거된다.

제 1 냉간 압연 공정[공정 6]에서는, 총 가공율이 75% 이상이 되도록 냉간 압연을 수차례 실시한다.

제 1 어닐링 공정[공정 7]에서는 승온 속도 1 ~ 100℃/초, 도달 온도 100 ~ 500℃, 유지 시간 1 ~ 900초이고 또한, 냉각 속도 1 ~ 50℃/초인 조건에서 열처리를 실시한다.

제 2 냉간 압연 공정[공정 8]에서는, 총 가공율이 60 ~ 95%가 되도록 냉간 압연을 실시한다.

제 2 어닐링 공정[공정 9]에서는, 승온 속도 10 ~ 100℃/초, 도달 온도 200 ~ 550℃, 유지 시간 10초 ~ 3,600초이고 또한, 냉각 속도 10 ~ 100℃/초인 조건에서 열처리를 실시한다.

마무리 압연 공정[공정 10]에서는, 총 가공율이 10 ~ 60%가 되도록 냉간 압연을 실시한다. 최종 어닐링 공정[공정 11]에서는, 도달 온도가 125 ~ 400℃인 조건에서 열처리를 실시한다. 표면 산화막 제거 공정[공정 12]에서는, 얻어진 판재 표면의 산화막 제거와 표면 세정을 목적으로 산세 및 연마를 실시한다. 덧붙여 상기 압연 공정에서 가공율R(%)은 아래 식으로 정의된다. 이렇게 하여 구리판재의 원료가 되는 피압연재를 제조할 수 있다.

R = (t₀-t)/t₀×100

식에서 t0는 압연 전의 판 두께이며, t는 압연 후의 판 두께이다.

실시예

다음에서 본 발명을 실시예에 근거하여 더욱 상세히 설명하기로 하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

(실시예 1 ~ 11 및 비교예 1 ~ 17)

먼저 표 1에 나타낸 것과 같이 소정의 성분 조성을 갖는 두께 1.0mm의 피압연재(공시재)를 두 개 제작하여, 각각을 제 1 피압연재 및 제 2 피압연재로 설정했다. 또한, 세라믹 재료로는 질화 규소를 이용하여 형성된 두께 0.5mm의 세라믹 기판을 사용했다.

다음으로 구리판재가 되는 위에서 제작한 각 피압연재에 대해, 표 2에 나타낸 조건으로 어닐링 처리를 실시했다[공정 A]. 어닐링 처리 후 얻어진 각 피압연재에 대해 표 2에 나타낸 총 가공율(즉, 제 1 피압연재 및 제 2 피압연재 전체의 가공율)로 냉간 압연을 실시했다[공정 B]. 냉간 압연 후 얻어진 각 피압연재에 대해 세라믹 기판의 한 면에는 제 1 구리판재에 해당하는 제 1 피압연재를, 세라믹 기판의 다른 면에는 제 2 구리판재 해당하는 제 2 피압연재를 Ag-Cu-Ti계의 경납땜 재료를 가지고 각각 접합하여, 제 1 구리판재와 제 2 구리판재가 각각 접합된 절연 기판을 제작했다[공정 C]. [공정 C]에서는 표 2에 나타낸 제 1 가열 처리 및 제 2 가열 처리 조건으로 가열 처리를 실시했다. 이상의 공정을 거쳐 샘플이 되는 절연 기판을 제작했다.

<측정 방법 및 평가 방법>

[구리판재의 정량 분석]

제작한 각 구리판재의 정량 분석에는 GDMS 법을 이용하였다. 각 실시예 및 각 비교예에서는 V.G.Scientific사 제품 VG-9000을 사용하여 분석을 실시하였다. 각 구리판재에 포함된 Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn, Cr의 함유량(ppm) 및 Cu의 함유량(mass%)을 표 1에 나타낸다. 덧붙여 각 구리판재에는 불가피한 불순물이 포함될 수 있다. 표 1의 공란은 해당하는 금속 성분이 0ppm이었음을 의미한다. 또한, GDMS 법에 의한 측정값이 0.1ppm 미만인 경우 금속 성분의 함유량은 0ppm로 했다.

<구리판재의 방위 밀도>

샘플인 각 절연 기판으로부터 박리시킨 각 구리판재의 압연 집합 조직의 방위 밀도 분석에는 EBSD 법을 이용하였다. 각 실시예 및 각 비교예의 EBSD 측정 시, 결정립을 200개 이상 포함하는 측정 시료면을 측정했다. 측정 시료면의 측정 면적 및 스캔 단계는 공시재의 결정립 크기에 따라 결정했다. 측정 후 결정립의 해석에는 TSL사의 해석 소프트웨어 OIM Analysis(상품명)를 이용하였다. EBSD에 의한 결정립의 분석을 통해 얻은 정보는, 전자선이 공시재에 침입하는 수십 나노미터의 깊이까지의 정보를 포함한다. 또한, 판 두께 방향의 측정 개소는 공시재 표면으로부터 판 두께(t)의 1/8배 ~ 1/2배의 위치 부근으로 설정했다.

[구리판재의 평균 결정 입경]

샘플인 각 절연 기판으로부터 박리시킨 각 구리판재의 평균 결정 입경은, 압연면의 EBSD 측정에서, 결정립을 200개 이상 포함하는 측정 시료면을 측정했다. 측정 결과의 분석 시 측정 범위 내의 전체 결정립으로부터 평균 결정 입경을 산출했다. 결정 입경의 해석에는 TSL사의 해석 소프트웨어 OIM Analysis(상품명)를 이용하였다. EBSD에 의한 결정립의 분석을 통해 얻은 정보는 전자선이 공시재에 침입하는 수십 나노미터의 깊이까지의 정보를 포함한다. 또한, 판 두께 방향의 측정 개소는 공시재 표면으로부터 판 두께(t)의 1/8배 ~ 1/2배의 위치 부근으로 설정했다. 평균 결정 입경이 50㎛ 이상 400㎛ 이하의 범위에 있는 경우, 결정립이 양호하게 미세화되어 있다고 평가했다.

[구리판재의 전도율(EC)]

샘플인 각 절연 기판으로부터 박리시킨 각 구리판재의 전도율은 시그마 테스터(과전류를 이용한 IACS% 측정)를 이용하여 측정하였다. 각 구리판재의 전도율이 95% IACS 이상인 경우를 ‘양호’로, 95% IACS 미만인 경우를 ‘불량’으로 평가했다.

[구리판재의 인장 강도]

샘플인 각 절연 기판에서 구리판재를 박리시켜, 잘라낸 시험편을 JIS Z2241에 준하여 측정하고 그 평균값을 나타냈다. 구리판재의 인장 강도가 210MPa 이상인 경우를 ‘양호’로, 210MPa 미만인 경우를 ‘불량’으로 평가했다.

[구리판재의 연신율]

인장 강도 측정 시 JIS Z2241에 준하여 측정하고 그 평균값을 나타냈다. 구리판재의 연신율이 25% 이상인 경우를 ‘양호’로, 25% 미만인 경우를 ‘불량’으로 평가했다.

[절연 기판의 내열 특성]

각 절연 기판의 샘플을 -40℃ ~ 250℃(1 사이클 -40℃ : 30분 유지/250℃ : 30분 유지)의 조건에서 1200 사이클 처리하는 히트 사이클 시험을 실시했다. 히트 사이클 시험 후, 세라믹 기판에 균열이 발생했는지 여부를 육안으로 관찰했다. 균열이 발생하지 않은 경우를 ‘○’으로, 균열이 발생한 경우를 ‘×’로 평가했다.

표 3에 구리판재의 방위 밀도, 평균 결정 입경, 전도율, 인장 강도, 연신율, 절연 기판의 내열 특성의 결과를 나타낸다.

표 1 ~ 표 3에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 ~ 11에서는 절연 기판의 제조 조건, 절연 기판을 구성하는 구리판재의 성분 조성, 방위 밀도 및 평균 결정 입경이 모두 적정 범위 내이기 때문에 내열 특성이 우수한 절연 기판을 얻을 수 있었다. 특히, 실시예 1 ~ 5, 7 ~ 11에서는 절연 기판이 구비하는 구리판재의 전도율, 인장 강도, 연신율이 모두 양호했다. 덧붙여 표 2 내에 나타내지는 않았지만, 실시예 5에서는 평균 결정 입경이 100㎛보다 작아 다른 실시예보다 접합 강도가 낮은 경향이 관찰되었다.

한편, 비교예 1 ~ 17에서는 절연 기판의 제조 조건, 절연 기판을 구성하는 구리판재의 성분 조성 중 한쪽 또는 양쪽이 적정 범위 밖이기 때문에, 방위 밀도, 평균 결정 입경의 모두 또는 하나가 적정 범위 밖이며, 나아가 절연 기판의 히트 사이클 시험에서 모두 균열이 발생되었다.

이처럼 성분 조성, 방위 밀도 및 평균 결정 입경이 엄격하게 제어된 구리판재를 사용하여 형성된 본 발명의 절연 기판은, 우수한 내열 특성을 나타내므로 절연 기판 전체의 부하 응력이 감소되어, 열팽창에 의한 부하에 대한 저항력이 증대된다. 이를 통해 구리판재와 세라믹 기판의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 절연 기판의 변형이 억제되며, 나아가 세라믹 기판과 구리판재가 박리되는 것, 즉 본딩성 저하를 억제할 수 있다.

Claims (7)

1. 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 한 면에 형성된 제 1 구리판재와, 상기 세라믹 기판의 다른 면에 형성된 제 2 구리판재가 접합된 절연 기판에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 구리판재는, Al, Be, Cd, Mg, Pb, Ni, P, Sn 및 Cr 중에서 선택된 금속 성분의 합계 함유량이 0.1 ~ 2.0ppm, 구리의 함유량이 99.96mass% 이상인 조성을 가지며, 또한, 상기 제 1 및 제 2 구리판재 표면의 EBSD에 의한 집합 조직 분석을 통해 얻어진 결정 방위 분포 함수를 오일러 각(φ1, Φ, φ2)으로 나타낼 때, φ1 = 75°~ 90°, Φ = 20°~ 40°, φ2 = 35°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만이고, φ1 = 20°~ 40°, Φ = 55°~ 75°, φ2 = 20°의 범위에서의 방위 밀도의 평균값이 0.1 이상 15.0 미만인 압연 집합 조직을 가지며, 또한
   상기 제 1 및 제 2 구리판재의 평균 결정 입경이 50㎛ 이상 400㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 기판.
2. 청구항 1 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 구리판재의 평균 결정 입경이 100㎛보다 크며 400㎛ 이하인, 절연 기판.
3. 청구항 1항 또는 2 항에 있어서,
   상기 세라믹 기판은, 질화 알루미늄, 질화 규소, 알루미나 및 알루미나와 지르코니아의 화합물 중 적어도 1종을 주성분으로 하는 세라믹 재료를 이용하여 형성된, 절연 기판.
4. 청구항 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 구리판재의 인장 강도는 210MPa 이상 250MPa 이하인, 절연 기판.
5. 청구항 1항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 구리판재의 연신율이 25% 이상 50% 미만인, 절연 기판.
6. 청구항 1항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 구리판재의 전도율이 95% IACS 이상인, 절연 기판.
7. 청구항 1항 내지 6 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 기판의 제조 방법에 있어서,
   상기 제 1 구리판재의 재료인 제 1 피압연재 및 상기 제 2 구리판재의 재료인 제 2 피압연재에 대해, 승온 속도 10℃/초 ~ 50℃/초, 도달 온도 250℃ ~ 600℃, 유지 시간 10초 ~ 3,600초, 냉각 속도 10℃/초 ~ 50℃/초의 조건에서 어닐링 처리를 실시하는 어닐링 공정과,
   상기 어닐링 공정 후, 상기 제 1 피압연재와 상기 제 2 피압연재의 총 가공률이 10 ~ 65%인 냉간 압연을 실시하는 냉간 압연 공정과,
   상기 냉간 압연 공정 후, 상기 세라믹 기판의 한 면에는 상기 제 1 피압연재를, 상기 세라믹 기판의 다른 면에는 상기 제 2 피압연재를 경납땜 재료(brazing material)로 각각 접합하여, 상기 제 1 구리판재와 상기 제 2 구리판재가 각각 접합된 절연 기판을 형성하는 접합 공정을 포함하며,
   상기 접합 공정은, 승온 속도 10℃/초 ~ 100℃/초, 도달 온도 400℃ ~ 600℃, 유지 시간 10초 ~ 300초의 조건에서 열처리를 하는 제 1 가열 처리와, 승온 속도 10℃/초 ~ 100℃/초, 도달 온도 750℃ ~ 850℃, 유지 시간 100초 ~ 7,200초의 조건에서 열처리를 하는 제 2 가열 처리로 구성되는, 절연 기판의 제조 방법.

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