KR20200005665A

KR20200005665A - 금속-세라믹 기판의 레이저 어블레이션 방법； 해당 기판

Info

Publication number: KR20200005665A
Application number: KR1020197037491A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 로그; 보그단 리스카
Original assignee: 헤레우스 도이칠란트 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2020-01-15
Also published as: JP2020524607A; JP7223715B2; EP3417982A1; CN110785255A; US20200398372A1; EP3615259B1; TWI773776B; US11383321B2; EP3615259A1; WO2018234457A1; TW201919810A; CN110785255B

Abstract

본 출원은 금속-세라믹 기판의 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법에 관한 것으로, 레이저는, 어블레이션 에지(ablation edge) 부근의 레이저 어블레이션에 의해 방출된 금속 입자로부터 분리될 수 있는, 금속-세라믹 기판 위에서의 고체 금속 입자의 형성이 필수적으로 회피되는 공정 조건 하에서 사용된다. 또한, 본 출원은 세라믹 기판과 세라믹 기판의 적어도 한 면 위의 금속화(metallization)를 포함하는 세라믹-금속 기판에 관한 것으로, 세라믹 기판과 금속화는 플러시 절단 에지(flush cutting edge)를 갖는다.

Description

금속-세라믹 기판의 레이저 어블레이션 방법； 해당 기판

본 발명은 금속-세라믹 기판의 레이저 절단(laser cutting) 방법에 관한 것이다. 본 발명의 추가 주제는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 금속-세라믹 기판 및 금속-세라믹 기판을 절단하기 위한 레이저의 용도이다.

레이저 빔 절단(laser beam cutting)으로도 알려져 있는 레이저 절단은 재료 어블레이션(material ablation)을 통한 연속 또는 펄스 레이저 광선에 의한 고형물의 분리를 나타낸다. 거의 모든 유형의 재료, 예를 들어, 금속, 유전체 및 유기 재료는 최첨단 기술에 따라 레이저 광선에 의해 절단될 수 있다. 특히 레이저 빔으로 금속 재료를 절단할 때 생기는 한 가지 문제는 미립자 방출(particulate emission)로서, 이는 레이저 절단선 가까이에 바람직하지 않은 금속 증착물(metal deposit)을 생기게 할 수 있다. 상응하는 증착물은 전자 부품, 예를 들어, DCB 기판에서 구리 층을 처리하는 데 특히 문제가 된다. 이러한 증착물은 전기 절연의 감소와 분리 거리(isolation distance)의 감소를 일으킬 수 있고, 이는 궁극적으로 DCB 기판에 기초한 회로의 파괴로 이어질 수 있다.

직접 구리 접합 기판(Direct Copper Bonding Substrates)(DCB, DBC라고도 불림)은 파워 일렉트로닉스 응용(power electronics applications)을 위해 가장 널리 사용되는 회로 캐리어(circuit carrier)이다. DCB 기술은 공융 결합(eutectic bond)이 고온에서 구리(일반적으로 구리 호일)와 세라믹 사이에 생성되는 접합 기술이다. DCB 기판은 양호한 열적 디커플링(thermal decoupling)을 필요로 하는 고전력 응용(high power applications)에 적합하다.

DCB는, 절연 층으로 작용하는 Al₂O₃{또는 ZTA, AlN, 규소 질화물(Si₃N₄)과 같은 다른 세라믹 재료}와 같은 세라믹 기판과, 전기 전도도를 보장하는 구리 화합물로 이루어진다. DCB 기판은 전력 전자 모듈의 백본(backbone)이고, 예를 들어, 인쇄 회로 기판(PCB)에 비해 매우 강력하다. 첫 번째, 이것은 반도체 칩을 운반하고 열을 방산하는 작용을 한다. 한편, 이것은 히트 싱크(heat sink)와 인버터 하우징(inverter housing)에 대한 절연을 보장한다.

최적의 신뢰성과 성능을 위해, 모듈은 열 분배(distribution)와 온도 저항성 및 부하 역전 안정성(load reversal stability) 면에서 양호한 특성을 가져야 한다. 이 때, 개별 층의 박리 현상이 특별한 과제를 부여한다.

예를 들어, DCB 공정에 의해 얻어진 금속-세라믹 기판은 일반적으로 기능성 리세스(functional recess)를 갖는다. 이들은, 예를 들어, 금속-세라믹 기판이 스크루잉(screwing) 또는 스루홀 도금(through-hole plating){비아스(vias)}에 의해 고정되는 홀이다.

이러한 리세스의 삽입은 일반적으로 금속 코팅을 에칭한 다음, 세라믹 기판을 절단함으로써(예를 들어, 레이저 어블레이션에 의해) 실행된다. 이는 금속-세라믹 기판의 에지(edge) 구조를 생기게 하고, 금속 에지는 세라믹 에지에 대해 다시 설정된다.

세라믹 에지에 대해 다시 설정된 금속 에지는, 생성된 금속-세라믹 기판이 덜 안정하고 기판으로부터 금속 층의 박리가 온도 및 부하 변화 동안 일어날 수 있다는 단점을 갖는다. 다시 설정된 금속 에지의 다른 단점은, 예를 들어, 크랙의 형성에 의해 나타날 수 있는 세라믹 기판의 감소된 기계적 안정성이다.

또한, 금속-세라믹 기판으로의 리세스의 종래의 도입은 상기 기술된 바와 같이 금속 코팅을 에칭하는 것과 세라믹 기판의 레이저 어블레이션의 두 단계 공정을 필요로 하고, 이는 경제적인 관점에서 불리하다.

이러한 선행 기술로부터 출발하여, 본 발명은 처음에는, 안정한 전기 절연을 갖는, 금속 층 및/또는 세라믹 기판에 리세스가 있는 금속-세라믹 기판이 제공될 수 있는 금속-세라믹 기판을 레이저 어블레이션하기 위한 방법을 제공하는 목적을 갖는다.

본 발명의 다른 목적은, 바람직하게는 기계적으로 안정하고 바람직하게는 크랙이 없는, 금속 층 및/또는 세라믹 기판에 리세스를 갖는 금속-세라믹 기판을 제공하는 것이다.

세라믹 기판과 그 위에 제공된 적어도 하나의 금속 층을 포함하는 금속-세라믹 기판의 레이저 어블레이션 방법은, 금속-세라믹 기판의 경제적인 생산을 가능하게 하도록 의도된다.

이러한 목적은 금속-세라믹 기판을 어블레이션하기 위한 방법에 의해 이루어진다. 본 발명에 따른 방법은, 방법이, 어블레이션 에지 부근의 레이저 어블레이션에 의해 방출된 금속 입자로부터 분리될 수 있는, 금속-세라믹 기판 위에서의 고체 금속 입자의 형성이 필수적으로 회피되는 공정 조건 하에서 사용되는 레이저로 실행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 목적은 금속 층과 세라믹 기판의 동시 레이저 어블레이션을 허용하는 공정 조건 하에서 사용되는 레이저를 사용하여 금속-세라믹 기판을 어블레이션하는 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법이, 어블레이션 에지 부근의 레이저 어블레이션에 의해 방출된 금속 입자로부터 분리될 수 있는, 금속-세라믹 기판 위에서의 고체 금속 입자의 형성이 필수적으로 회피되는 공정 조건 하에서 실행되는 경우, 금속-세라믹 기판 위에서 금속 입자의 증착에 의해 절연 특성이 저해되지 않기 때문에, 안정된 절연 특성을 갖는 금속-세라믹 기판이 얻어진다.

본 발명에 따른 방법이 금속 층과 세라믹 기판의 동시 레이저 어블레이션이 가능한 공정 조건 하에서 실행되는 경우, 한편으로 추가 방법 단계를 요구하는 경제적인 방법이 회피되고, 이와 동시에 금속화(metallization) 및 세라믹 기판의 플러시 에지(flush edge)를 갖는 금속-세라믹 기판이 얻어진다. 결과적으로, 기계적으로 안정하고 온도 및 부하 변화 동안 기판으로부터 금속 층의 박리를 회피하는 금속-세라믹 기판이 제공된다.

본 발명에 따른 방법에 의해 처리되는 금속-세라믹 기판은 레이저 어블레이션에 의해 형성된 에지의 측면 위에 금속 입자가 필수적으로 없다. 본 발명의 맥락에서, "금속 입자가 필수적으로 없는(essentially free of metal particles)"이라는 용어는, 레이저 어블레이션에 의해 형성된 금속 입자의 잔류물이 너무 적어서 금속-세라믹 기판의 절연 특성이 파워 일렉트로닉스 응용을 위한 회로 캐리어로서 금속-세라믹 기판의 사용을 방해하는 정도로 손상되지 않음을 의미한다.

특히, 본 발명에 따른 방법은, 레이저 어블레이션에 의해 형성된 에지의 측면 상의 레이저 어블레이션을 통한 금속 입자가 필수적으로 회피된다는 사실을 기초로 한다. 본 발명의 맥락에서, "레이저 어블레이션에 의해 형성된 에지의 측면 상의" 영역은, 특히, 본 발명에 따른 공정 조건과 다른 조건이 사용될 때 금속 입자의 증착이 발생하는 금속-세라믹 기판의 영역으로서 이해되어야 한다.

증착물은 리세스 및/또는 레이저 어블레이션에 의해 생성된 리세스의 각각의 에지에 필수적으로 평행한 영역에서, 리세스의 에지로부터 계산된, 일반적으로 최대 200 ㎛, 바람직하게는 최대 100 ㎛, 바람직하게는 최대 50 ㎛, 바람직하게는 최대 45 ㎛, 더 바람직하게는 최대 40 ㎛, 더 바람직하게는 최대 35 ㎛, 훨씬 더 바람직하게는 최대 30 ㎛의 폭으로 연장된다.

이 범위는 레이저 어블레이션에 의해 금속-세라믹 기판에서 생성된 리세스와 관련된다. 따라서, 본 발명의 맥락에서, "레이저 어블레이션에 의해 형성된 에지의 측면 위에 금속 입자가 필수적으로 없는"("어블레이션 에지 부근의")이라는 용어는, 표면적의 50% 미만, 바람직하게는 표면적의 40% 미만, 더 바람직하게는 표면적의 20% 미만, 더 바람직하게는 표면적의 10% 미만, 더 바람직하게는 표면적의 5% 미만이 상기 언급된 폭의 범위에서 레이저 어블레이션에 의해 생성된 금속 입자로 덮여있음을 의미하는 것으로 이해된다.

다음에서, 금속-세라믹 기판의 레이저 어블레이션에서 금속 입자의 형성이 필수적으로 방지될 수 있고 금속 층과 세라믹 기판의 동시 레이저 어블레이션이 가능한, 레이저의 바람직한 구현예가 기술된다.

본 발명의 맥락에서, 레이저는 n-sec 레이저, p-sec 레이저 또는 f-sec 레이저로부터 선택될 수 있지만, 본 발명에 따라 p-sec 레이저의 사용이 바람직하다.

또한, p-sec 레이저는 펄스 지속시간(pulse duration), 즉, 바람직하게는 0.1 내지 100 ps, 더 바람직하게는 0.5 내지 50 ps, 더욱 더 바람직하게는 1 내지 30 ps의 레이저 펄스의 지속시간을 갖는 것이 더 바람직하다. 선택된 펄스 지속시간으로, 필수적으로 금속의 잔류물이 발생하지 않고, 이에 따라 금속-세라믹 기판의 표면 위에 증착되는 금속 입자가 필수적으로 형성되지 않도록 레이저 공정을 안내하는 것이 가능하다. 본 발명의 맥락에서, 필수적으로 차가운 분진(cold dust)만 형성되고 용융 상(melting phases)은 형성되지 않으며, 빔 소스(beam source)부터 기판 표면까지 선택된 거리가 충분히 크기 때문에, 공정 가스(process gas)의 사용이 가능하지만, 반드시 필요한 것은 아니다.

레이저의 처리 속도(processing speed)는 바람직하게는 적어도 0.2 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.50 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.60 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.70 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.80 m/초, 더 바람직하게는 적어도 1.00 m/초이다.

레이저의 처리 속도는 바람직하게는 최대 10.00 m/초, 더 바람직하게는 최대 8.00 m/초, 더 바람직하게는 최대 6.00 m/초, 더 바람직하게는 최대 5.00 m/초, 더 바람직하게는 최대 4.00 m/초이다.

레이저의 처리 속도는 바람직하게는 0.50 내지 10.00 m/초, 더 바람직하게는 0.60 내지 8.00 m/초, 더 바람직하게는 0.70 내지 6.00 m/초, 더욱 더 바람직하게는 0.80 내지 5.00 m/초, 더 바람직하게는 1.00 내지 4.00 m/초이다.

본 발명에서, 레이저 출력(laser power)(W = 와트)과 레이저의 최대 처리 속도(m/초) 사이에 기술적 관계가 존재하고, 이에 의해 처리 속도는 유효 레이저 속도로 정의되는 것으로 추가적으로 밝혀졌다 {본 발명에서, 유효 레이저 속도는 어블레이션 동안 적용되는 유효 레이저 속도이다(교차 횟수를 고려하는 상대 레이저 속도와 비교해서)(유효 레이저 속도 = 상대 레이저 속도 / 금속화 동안의 교차)}.

본 발명에서, 유효 레이저 속도(실제 레이저 속도)가 정의되지만, 본 발명의 수치 결과는 금속화 동안 한 번을 초과하는 교차가 실행되는 경우에 상대 레이저 속도에 대해서 또한 유효하다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 레이저의 유효 최대 처리 속도와 레이저 출력(laser power)은 다음의 관계를 따르는 것으로 밝혀졌다:

y ≤ 4.7 ln x - 15 (1)

x = 레이저 출력(W 단위); 및

y = 최대 레이저 처리 속도(유효)(m/초 단위).

이 관계는, 주어진 레이저 출력에 의해 레이저의 최대 처리 속도 y가 바람직하게는 상기 기재된 요건(1)을 충족시킨다는 것을 의미한다.

본 발명의 더 바람직한 구현예에서, 레이저의 유효 최대 처리 속도와 레이저 출력은 일반적으로 다음의 관계를 따르는 것으로 밝혀졌다:

y ≤ 5.0 ln x - 18 (2)

x = 레이저 출력(W 단위); 및

y = 최대 레이저 처리 속도(유효)(m/초 단위).

이 관계는, 주어진 레이저 출력에 의해 레이저의 최대 처리 속도 y가 더 바람직하게는 상기 기재된 요건(2)을 충족시킨다는 것을 의미한다.

레이저의 최저 처리 속도는 바람직하게는 상기 기재된 바와 같다: 레이저의 처리 속도는 바람직하게는 적어도 0.20 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.50 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.60 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.70 m/초, 더 바람직하게는 적어도 0.80 m/초, 더 바람직하게는 적어도 1.00 m/초이다.

따라서, 다음의 표에 요약된 본 발명의 바람직한 구현예가 있다:

x = 레이저 출력(W 단위); 및

y = 최대 레이저 처리 속도(유효).

상세하게는, 다른 경우에 바람직한 추가 구현예는 청구된 발명에 의해 보호되지만, 고정된 레이저 출력은 다음과 같이 적용된다:

레이저의 최저 처리 속도: 0.2 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.5 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.60 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.70 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.80 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 1.00 m/초

또한, 다른 경우에 훨씬 더 바람직한 추가 구현예는 청구된 발명에 의해 보호되지만, 고정된 레이저 출력은 다음과 같이 적용된다:

레이저의 최저 처리 속도: 0.2 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.50 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.60 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.70 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 0.80 m/초

레이저의 최저 처리 속도: 1.00 m/초

본 발명에 따라, 금속-세라믹 기판의 표면 위에 증착된 금속 입자의 형성은 지나치게 낮은 처리 속도, 특히, 0.5 m/s 미만의 레이저의 처리 속도에서 일반적으로 회피될 수 없는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 0.5 m/s 초과의 레이저의 처리 속도가 본 발명에 따라 바람직하다.

레이저 어블레이션에 의해 생성된 금속 입자는 본 발명의 맥락에서 금속화 및 세라믹 기판 모두 위에 증착될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 레이저의 한 번의 교차 또는 여러 번의 교차로 금속-세라믹 기판을 절단하는 것이 가능하다.

이에 의해, 금속화와 금속-세라믹 기판뿐만 아니라, 금속화만을 절단하는 것이 가능하다.

펄스 에너지, 즉, 단일 레이저 펄스의 에너지 함량은 바람직하게는 10 내지 500 μJ, 더 바람직하게는 50 내지 400 μJ, 더욱 더 바람직하게는 100 내지 350 μJ이다.

p-sec 레이저는 바람직하게는 20 내지 400 W, 더 바람직하게는 40 내지 200 W, 더욱 더 바람직하게는 50 내지 180 W, 훨씬 더 바람직하게는 60 내지 160 와트, 훨씬 더 바람직하게는 80 내지 130 와트, 훨씬 더 바람직하게는 90 내지 120 와트의 출력을 갖는다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 사용된 레이저는 IR 레이저이다.

본 발명의 근본적인 과제는 특히 IR 레이저, 더 바람직하게는 p-sec IR 레이저의 사용에 의해 해결되고, 여기에서, 이론에 얽매이지는 않지만, p-sec IR 빔의 광은 세라믹 기판의 표면으로 또는 금속 코팅의 표면에서 특히 효과적으로 결합되고, 즉, 세라믹 기판 또는 금속 코팅에 의해 특히 효과적으로 흡수되는 것으로 가정된다. 또한, IR 레이저는 높은 에너지 효율을 갖고, 이는 또한 상기 과제를 해결하는 데 유리하다.

금속-세라믹 기판의 금속 재료를 처리하기 위해 IR 레이저를 사용하는 추가 이점은, IR 레이저 광이 다이오드 광으로부터 직접 생성될 수 있는 반면, 녹색 레이저 광은 처음에는 60%의 효율로 IR 레이저 광으로부터 생성되고 UV 레이저 광은 다시 또한 60%의 추가 효율로 녹색 레이저 광으로 생성되어야 한다는 점이다.

예를 들어, CO₂ 레이저와 대조적으로 p-sec IR 레이저는 처리될 금속 재료로부터 상당히 더 멀리 배열될 수 있고, 그 결과, 더 높은 초점 심도(depth)가 구현될 수 있다.

또한, IR 레이저에 의해, CO₂ 레이저에 비해서 충분히 높은 초점 심도가 이루어질 수 있다.

IR 레이저가 본 발명에 사용되는 경우, IR 레이저의 주파수는 바람직하게는 350 내지 650 kHz, 더 바람직하게는 375 내지 625 kHz, 더욱 더 바람직하게는 400 내지 600 kHz이다.

IR 레이저가 본 발명에 사용되는 경우, IR 레이저의 펄스 에너지는 바람직하게는 100 내지 300 μJ, 더 바람직하게는 125 내지 275 μJ, 더욱 더 바람직하게는 150 내지 250 μJ이다.

본 발명에 따른 방법은 공정 가스의 존재 하에 실행될 수 있다. 공정 가스는, 예를 들어, 산소이다.

본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 레이저 처리에 의해서 발생한 분진을 흡수하는 흡입 장치를 갖는 장치에서 수행된다.

부분적으로는, 금속-세라믹 기판의 금속 재료에 윤곽(contour)을 도입할 필요가 있고, 이는 직선과 다르다. 이들은, 예를 들어, 금속 재료의 코너에서 홀(hole) 또는 라운딩(rounding)일 수 있다. 이러한 윤곽은 본 발명에 따른 방법에서 레이저를 사용하여 금속 재료를 절단함으로써 얻어질 수 있다. 금속 재료와 세라믹 재료의 레이저 어블레이션에 의해 금속-세라믹 기판에서 상응하는 윤곽을 생성하는 것이 또한 가능하다.

본 발명의 맥락에서, 금속-세라믹 재료의 금속 재료가 레이저를 사용하여 절단되면, 절단 에지는 금속 층 또는 금속-세라믹 기판에 수직으로 형성된 직각으로부터 일반적으로 최대 30°, 더 바람직하게는 최대 25°를 벗어나는 각도를 갖는다. 이는 하단보다 레이저 입구(laser entrance)의 상단에서 더 큰 홀을 생기게 한다.

IR 레이저, 특히, p-sec-IR 레이저로 금속-세라믹 기판의 금속 재료와 세라믹 재료를 본 발명에 따라 분리하는 것의 추가 이점은, 하단에서, 즉, 레이저 출구 측(laser exit side)에서, 용융 상에 의해 형성된 버(burr)가 생성되지 않고, 이는 추가 절차 단계에서 제거되어야 한다는 것이다.

상기 기술된 구현예를 고려하면, 금속 코팅과 세라믹 기판을 동일한 레이저로 동일한 공정 파라미터 하에서 처리하는 것이 가능하다. 결과적으로, 구조화된 금속 코팅을 갖는 금속-세라믹 기판을 생산하는 것은 비용 효율적으로 실현될 수 있다. 상세하게는,

I) 상부 금속 코팅을 부분적으로만 어블레이트하거나 또는 세라믹까지 절단하며, 예를 들어, 에칭 공정으로는 불가능한, 금속 코팅에 미세 구조를 생성하고;

II) 금속 코팅과 세라믹 기판을 하부 금속 코팅까지 절단하며 {따라서, 스루홀을 위한 기초가 생성될 수 있다. 적합한 블라인드 홀(blind hole)을 전도성 재료로 충전하면, 스루홀이 만들어진다. 충전 재료는, 예를 들어, 금속 페이스트, 금속 몰딩, 예를 들어, 실린더, 또는 갈바니 전기에 의해 생성된 재료(galvanically generated material)이다};

III) 예를 들어, 스크루잉을 위한, 기능성 리세스를 제조하기 위해 금속 코팅과 세라믹 기판을 완전히 절단하는 것이

가능하다.

본 발명에 따른 공정 파라미터는 금속화와 세라믹 기판의 동시 레이저 어블레이션에 적합하다.

바람직한 구현예에서, 특히 구리의, 금속화만이 본 발명에서 어블레이트된다.

금속-세라믹 기판을 레이저 어블레이션하는 본 발명의 방법은 공정 가스의 존재 하에 실행될 수 있고, 여기에서, 예를 들어, 산소 또는 압축 공기가 공정 가스로 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 공정 가스를 사용하는 것이 필수적은 아니지만, 빔 소스를 오염으로부터 보호하기 위해 권장할 수 있다. 이러한 경우, 압축 공기의 사용이 바람직한 대안일 것이다.

본 발명에 따른 방법에서, 레이저 처리에 의해 분진이 생기기 때문에, 사용된 장치가 레이저 처리에 의해 생성된 분진을 흡수하는 흡입 장치를 갖는다면 특히 바람직하다.

흡입 장치는, 예를 들어, 투사된 레이저 광을 둘러싸고 그 하부 에지가 금속-세라믹 기판의 표면으로부터 바람직하게는 0.5 내지 10 cm, 더 바람직하게는 0.75 내지 7.5 cm, 더 바람직하게는 1 내지 5 cm의 거리에 있는 흡입 튜브 또는 흡입 박스에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 맥락에서 금속-세라믹 기판의 레이저 어블레이션은, 예를 들어, 금속-세라믹 기판의 금속 표면 위에서 레이저 빔의 작용에 의해 실행될 수 있다. 이는, 상기 공정 파라미터를 선택함으로써 금속-세라믹 기판의 표면 위에 증착하는 금속 입자의 형성을 감소시킨다.

본 발명의 맥락에서 금속-세라믹 기판의 레이저 어블레이션은, 예를 들어, 세라믹 기판 위에서 레이저 빔의 작용에 의해서 또한 일어날 수 있다. 이 접근법은, 금속-세라믹 기판을 고정하기 위한 리세스가 레이저 어블레이션을 통해 생성되어야 한다면, 이 경우에 고정을 위해 사용된 수단(예를 들어, 스크류)이 주로 금속 재료와 접촉하여 있어서 고정 수단과의 응력으로 인한 세라믹 재료의 박편화(flaking)가 감소하기 때문에, 바람직하다.

본 발명의 다른 목적은 상기 기술된 방법에 의해 얻어진 금속-세라믹 기판이다. 이 금속-세라믹 기판은 특히 레이저 어블레이션에 의해 생성된 리세스 상의 금속 층과 세라믹 층에 대해 플러시 에지(flush edge)를 갖는다. 리세스는 이 경우에 또한 금속-세라믹 기판의 말단 에지(terminal edge)일 수 있다.

"금속 층과 세라믹 기판의 플러시 에지"라는 용어는, 본 발명의 맥락에서 금속 에지와 세라믹 기판의 에지가 바람직하게는 최대 20 ㎛, 더 바람직하게는 최대 15 ㎛, 더 바람직하게는 최대 10 ㎛, 더욱 더 바람직하게는 최대 5 ㎛의 에지에 평행한 최대 오프셋(offset)을 갖는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명의 금속-세라믹 기판은 IR 레이저로 처리하여 얻어지는 윤곽을 가질 수 있고, 이는 직선에서 벗어나고 레이저 빔을 사용하여 세라믹 기판을 절단함으로써 형성되었다. 또한, 본 발명에 따른 금속-세라믹 기판은 코너에서 홀 및/또는 라운딩을 나타내는 것이 가능하고, 이들은 세라믹 기판을 통한 절단으로 인해 생성되었다.

p-sec IR 레이저를 이용한 IR 레이저 방법에 의해 얻어진 금속-세라믹 기판은 바람직하게는 최대 30°, 더 바람직하게는 최대 25°만큼 직각에서 벗어나는 각도로 절단 에지(cutting edge)를 갖는다. IR 레이저 방법에 의해 금속-세라믹 기판 안에 홀이 도입되면, 이들의 크기는 세라믹 기판의 두 면 위에서 다를 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 금속-세라믹 기판은 홀 및/또는 라운딩에서 버(burr)를 나타내지 않는다.

본 발명에 따른 IR 레이저 방법으로 인해, 세라믹 기판의 금속 코팅 위에 코딩(coding)을 갖는 금속-세라믹 기판이 얻어질 수 있다. 이러한 코딩은 IR 레이저에 의한 금속 코팅의 어블레이션에 의해 생기는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법으로, 또한, 세라믹 기판 상의 금속화가 적어도 하나의 에지 감쇠(edge attenuation)를 갖거나 또는 금속화가 전자 부품, 특히, 칩을 수용하기 위한 적어도 하나의 리세스를 갖는 금속-세라믹 기판이 얻어질 수 있고, 여기에서, 리세스는 레이저 처리에 의해 생성되었다.

본 발명에 따른 세라믹-금속 기판은, 바람직하게는 DCB 기판(직접 구리 접합 기판), AMB 기판{활성 금속 브레이징(brazing) 기판} 또는 DAB 기판(직접 알루미늄 접합 기판)이다. 본 발명의 추가 구현예에서, 세라믹-금속 기판은 이전에 공개된 국제 특허 출원 PCT/EP2016/082161이 아닌, 선행 기술에 따른 세라믹-금속 기판일 수 있다.

다음에, 본 발명의 맥락에서 바람직하게 사용될 세라믹 기판이 보다 상세히 설명된다:

세라믹 기판은 바람직하게는 금속 산화물, 반금속 질화물, 및 금속 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 함유한다.

금속 산화물과 금속 질화물은 바람직하게는 산화알루미늄, 질화알루미늄 및 질화규소로 이루어지는 군으로부터 선택된다.

적어도 하나의 화합물은 바람직하게는 0.01 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위의 입자 크기(grain size)를 갖는다. 특히, 적어도 하나의 화합물은 산화알루미늄이고, 여기에서, 산화알루미늄은 더 바람직하게는 0.01 ㎛ 내지 25 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는다.

또한, 적어도 하나의 화합물은 바람직하게는 중간 값(median value)(d₅₀)과 산술 평균 값(arithmetic mean value)(d_arith)을 갖는 입자 크기의 수 분포(number distribution)를 갖고, 이에 의해 d₅₀ 대 d_arith의 비는 바람직하게는 0.50 내지 1.50의 범위, 바람직하게는 0.75 내지 1.10의 범위, 더 바람직하게는 0.78 내지 1.05의 범위, 특히 바람직하게는 0.80 내지 1.00의 범위에 있다.

더 바람직하게는, 적어도 하나의 화합물은 산화알루미늄이고, 산화알루미늄은 바람직하게는 중간 값(d₅₀)과 산술 평균 값(d_arith)을 갖는 입자 크기의 수 분포를 갖고, 이에 의해 d₅₀ 대 d_arith의 비는 바람직하게는 0.75 내지 1.10의 범위, 바람직하게는 0.78 내지 1.05의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.80 내지 1.00의 범위에 있다.

본 발명의 맥락에서, 이들 값은 입자 크기 분포에 대한 엄격한 상한 및 하한으로 간주되지 않아야 하지만, +/- 10%만큼 변할 수 있다. 그러나, 바람직한 구현예에서, 이것은 언더컷(undercut)되지 않은 하한이고, 초과되지 않는 상한이다.

이 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 입자 크기 분포의 결정은 입자의 수(즉, 수 분포)를 참조하거나 또는 대안적으로 입자의 질량(mass)(즉, 질량 분포) 또는 부피를 참조하여 이루어질 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 입자 크기의 분포는 입자의 수를 기초로 결정된다.

일반적으로 알려진 바와 같이, 입자 크기 분포의 특징적인 값은 그것의 d₅₀ 값, d₅ 값, 및 d₉₅ 값을 포함한다. 흔히 중간 값으로 불리는 d₅₀ 값에 대해서, 입자의 50%는 d₅₀ 값보다 작은 직경을 갖는다.

입자 크기 분포의 산술 평균 값(d_arith)은, 개별 입자의 입자 크기의 합을 입자의 수로 나누어서 얻어진다.

입자 크기 분포의 대칭은, 그 분포의 중간(d₅₀) 대 산술 평균(d_arith)의 비{즉, 입자 크기 수 분포의 대칭 값으로도 불리는 몫(quotient) d₅₀/d_arith으로}로 표현될 수 있다. 이 몫의 값이 1.0에 가까울수록, 입자 크기 분포는 더 대칭적이다.

전문가는, 예를 들어, 출발 기판을 제조하는 동안, 세라믹 기판, 특히 산화알루미늄에서 입자 크기 분포의 대칭을 조절하기 위해 적합한 방법에 익숙하다. 예를 들어, 입자 크기 분포의 대칭은 출발 기판을 제조하는 동안 소결(sintering) 지속시간과 소결 온도에 의해 영향을 받을 수 있다.

본 발명은 또한 금속-세라믹 기판을 어블레이션하기 위해 전술한 특징을 갖는 레이저의 용도에 관한 것이다.

상기 기재된 모든 구현예에서, 바람직하게는 DCB 기판이 사용된다.

도 1의 다이어그램은 레이저 출력(W)과 레이저 속도(m/초) 사이에 동일한 관계를 보여준다.

실시예

본 발명은, 본 발명을 예시하는 다음의 실시예를 참조하여 추가로 설명된다.

여러 개의 DCB 기판이 이 기술분야의 당업자에게 알려진 표준 절차에 따라 제조된다. Al₂O₃ 세라믹이 기판으로 사용되고, 기판 위에 금속 코팅을 제조하기 위해 구리 호일이 사용된다.

0.25 내지 0.40 mm의 두께를 갖는 Al₂O₃ 세라믹 기판이 사용된 반면, 0.38 내지 0.63 mm의 두께를 갖는 금속 구리 코팅이 사용된다.

실험은 레이저에 대해 다음의 파라미터 세트로 수행하였다.

레이저 출력 전력: 최대 100 W까지 가변적

레이저 소스: IR

펄스 길이: 0.1 내지 100 ps

펄스 에너지: 10 내지 500 μJ

스폿(Spot) 직경: 30 ㎛

주파수 레이저: 350 내지 650 kHz

실험에서, 세라믹 기판(Al₂O₃) 위에 금속(구리)이 어블레이트된다.

생성된 금속 세라믹 기판은 다음과 같이 평가된다:

상기 도시된 표는, 금속(구리)이 어블레이트된 금속 세라믹 기판의 외관이 오른쪽에서 왼쪽으로 개선되었음을 입증한다 (이는, 높은 레이저 출력에서 낮은 레이저 출력까지, 낮은 레이저 속도에서 높은 레이저 속도까지를 의미한다).

한편, 경제적인 합리적 처리는, 왼쪽에서 오른쪽으로 상기 도시된 표를 생기게 한다 (이는, 금속 세라믹 기판 위에서 더 적은 수의 레이저 통로를 갖는 것을 의미한다).

굵게 표시된 값이 바람직하다.

상기 도시된 표에 제공된 데이터를 기초로, 레이저 출력(W)과 레이저 속도(m/초, 유효) 사이의 수학적 관계가 유도될 수 있다.

도 1의 다이어그램은 레이저 출력(W)과 레이저 속도(m/초) 사이에 동일한 관계를 보여준다: 도 1의 이러한 다이어그램에서, 레이저 출력과 레이저 속도의 사용할 수 없는 조합 및 바람직한 범위{+ 내지 +++ 및, 외삽된(extra)}는 로그 함수로 제공되고, 이는 다음과 같이 정의된다:

일반적인 허용 범위: y ≤ 4.7 ln x - 15

바람직한 범위: y ≤ 5.0 ln x - 18,

x = 레이저 출력(W 단위); 및

y = 레이저 속도(유효).

이것은, 100 W의 레이저 출력으로, 본 발명에 따른 레이저 속도는 6.6 m/초 미만(일반적인 허용 범위) 및 5.0 m/초 미만(바람직한 범위)이다.

레이저 출력과 레이저 속도(유효) 사이의 이러한 관계를 고려하여, 추가 실시예를 실행하고 다음의 결과가 나타난다:

상기 결과를 기초로, 다음의 진술을 유도할 수 있다:

(1) 레이저 출력

30 W 이상의 레이저 출력이 바람직하다.

60 W 이상의 레이저 출력이 더 바람직하다(경제적인 이유 때문에).

80 W 이상의 레이저 출력이 더 바람직하다.

(2) 레이저 속도

0.2 m/초 이상의 레이저 속도(유효)가 바람직하다.

0.5 m/초 이상의 레이저 속도가 더 바람직하다.

0.75 m/초 이상의 레이저 속도가 더 바람직하다.

상기 제시된 결과는 다음의 실시예를 기초로 한다:

제1 실시예 - 본 발명에 따른

a. 상기 기재된 바와 같은 파라미터

b. 레이저 출력: 70 와트

c. 레이저 속도(유효): 1.0 m/초

d. 세라믹 두께 0.63 mm; 구리 두께 0.30 mm

e. 결과:

i. 양호한 광학적 외관

ii. 오직 소수의 용융 상(melting phase); 오직 소수의 구리 산화

iii. 표면의 낮은 광학적 조도(optical roughness)

iv. 허용되는 처리 속도

제2 실시예 - 본 발명에 따른

a. 상기 기재된 바와 같은 파라미터

b. 레이저 출력: 100 와트

c. 레이저 속도(유효): 1.5 m/초

d. 세라믹 두께 0.38 mm; 구리 두께 0.30 mm

e. 결과:

i. 허용되는 광학적 외관

ii. 더 많은 용융 상 및 구리 산화

iii. 표면의 더 높은 광학적 조도

iv. 낮은 처리 속도

제3 실시예 - 본 발명에 따른

a. 상기 기재된 바와 같은 파라미터

b. 레이저 출력: 50 와트

c. 레이저 속도(유효): 3.0 m/초

d. 세라믹 두께 0.63 mm; 구리 두께 0.25 mm

e. 결과:

i. 매우 양호한 광학적 외관

ii. 용융 상 및 구리 산화가 거의 없음

iii. 표면의 광학적 조도가 거의 없음

iv. 매우 낮은 처리 속도; 경제적인 이유로 이 절차는 덜 적합함.

제4 실시예 - 본 발명에 따르지 않는

a. 상기 기재된 바와 같은 파라미터

b. 레이저 출력: 60 와트

c. 레이저 속도(유효): 6 m/초

d. 세라믹 두께 0.38 mm; 구리 두께 0.20 mm

e. 결과:

i. 구리가 매우 느리게 어블레이트된다

ii. 처리 속도가 지나치게 낮다

iii. 잔류물이 거의 없음

iv. 표면의 매우 낮은 광학적 조도

v. 처리 속도가 너무 낮아서 경제적인 이유로 공정이 적용될 수 없다

제5 실시예 - 본 발명에 따른

a. 상기 기재된 바와 같은 파라미터

b. 레이저 출력: 90 와트

c. 레이저 속도(유효): 0.25 m/초

d. 세라믹 두께 0.63 mm; 구리 두께 0.30 mm

e. 결과:

i. 많은 용융 상이 표면 위에 남아 있다

ii. 구리가 높은 정도로 산화된다

iii. 잔류물이 거의 없음

iv. 표면의 매우 높은 광학적 조도

v. 품질의 요건이 낮은 응용에 대해서는 높은 경제 효율로 파라미터 영역이 제공된다

제6 실시예 - 본 발명에 따르지 않는

a. 상기 기재된 바와 같은 파라미터

b. 레이저 출력: 100 와트

c. 레이저 속도(유효): 0.15 m/초

d. 세라믹 두께 0.63 mm; 구리 두께 0.40 mm

e. 결과:

i. 구리 어블레이션의 품질이 매우 좋지 않다. 이러한 공정 파라미터의 사용은 예상되지 않는다

ii. 처리하는 동안 재료가 매우 따뜻해진다

iii. 공정 파라미터는 기술적으로 실행 가능하지 않다

Claims

금속-세라믹 기판의 어블레이션(ablation) 방법으로서, 상기 방법은
어블레이션 에지(ablation edge) 부근의 레이저 어블레이션(laser ablation)에 의해 방출된 금속 입자로부터 분리될 수 있는, 금속-세라믹 기판 위에서의 고체 금속 입자의 형성이 필수적으로 회피되는 공정 조건 하에서 사용되는 레이저로 실행되는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제1항에 있어서,
레이저는 다음 식 (1):
y ≤ 4.7 ln x - 15 (1)
x = 레이저 출력(W 단위); 및
y = 레이저 처리 속도(유효)(m/초 단위)
에 해당하는 레이저 출력(W)과 레이저의 최대 처리 속도(m/초) 사이의 관계로 사용되는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
레이저는 다음 식 (2):
y ≤ 5.0 ln x - 18 (2)
x = 레이저 출력(W 단위); 및
y = 레이저 속도(유효)(m/초 단위)
에 해당하는 레이저 출력(W)과 레이저의 최대 처리 속도(m/초) 사이의 관계로 사용되는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저는 p-sec 레이저인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저의 처리 속도는 적어도 0.50 m/초인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,
p-sec 레이저는 0.10 내지 100.00 ps의 펄스 지속시간(pulse duration)을 갖는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
p-sec 레이저는 10.00 내지 500.00 μJ의 펄스 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
p-sec 레이저는 20.00 내지 400.00 W의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
p-sec 레이저는 IR-P-sec 레이저인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
금속은 구리 층 또는 구리 호일이고, 세라믹 기판 위에 부착되는(applied onto) 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
금속-세라믹 기판은 직접 구리 접합(DCB) 기판인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판의 어블레이션 방법.
세라믹 기판과 세라믹 기판의 적어도 한 면 위의 금속화(metallization)를 포함하는 금속-세라믹 기판으로서,
세라믹 기판과 금속화는 리세스(recess)를 갖고, 리세스는 세라믹 기판의 금속화 에지(metallization edge)와의 플러시 에지(flush edge)를 갖는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판.
제12항에 있어서,
리세스는 레이저 어블레이션에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹 기판.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 수득될 수 있는, 세라믹-금속 기판.
금속-세라믹 기판의 어블레이션을 위해 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 특징을 갖는 레이저의 용도.