KR20200128450A - 피코 레이저를 사용하여 금속-세라믹 기판을 생성하기 위한 방법 - Google Patents

피코 레이저를 사용하여 금속-세라믹 기판을 생성하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속화된 세라믹 기판을 프로세싱하는 방법, 및 그 방법에 의해 얻어지는 금속-세라믹 기판에 관한 것이다.

Description

피코 레이저를 사용하여 금속-세라믹 기판을 생성하기 위한 방법 {Method for the Production of a Metal-Ceramic Substrate Using a Pico-Laser}
본 발명은 금속화된 세라믹 기판을 프로세싱하기 위한 방법 및 이러한 방법에 의해 얻어지는 금속-세라믹 기판에 관한 것이다.
예를 들어, DCB, AMB 및 DAB 프로세스에 의해 얻어지는 금속-세라믹 기판(metal-ceramic substrate)은 당업자에게 알려져 있다. 이들 금속-세라믹 기판은 보통 소위 “다중-사용(multiple-use)”으로 생산된다. 이러한 다중-사용에서, 세라믹 기판은 세라믹 층의 적어도 하나의 표면 측에, 그러나 바람직하게는 세라믹 층의 양 표면 측에 개별적인 금속화(metallization)를 나타내며, 그 사이에 소정의(predetermined) 파단 라인이 세라믹 층을 따라 이어지고, 그에 따라 이 소정의 파단 라인을 통해 파단되어 대면적(large-area) 금속-세라믹 기판이 단일 기판으로 분리될 수 있으며, 그 후 이는 회로 또는 모듈의 회로 보드를 각각 형성할 수 있다.
다중-사용에서 그러한 금속-세라믹 기판의 제조 프로세스의 부분적인 단계는 다중-사용으로부터의 단일 파트의 분리이며, 이는 일반적으로 레이저에 의해 행해진다. 이러한 경우, 예를 들어 250 내지 400 와트를 이용하는 CO2 공진기(resonator)가 보통 사용된다. 레이저로 인해, 서로 근접하게 배열된 블라인드 홀이 생성된다. 이들 블라인드 홀은 소정의 파단 라인을 형성한다(천공).
이 단계에서 사용되는 이동 시스템(locomotor system)에는 일반적으로 금속-세라믹 기판 및 강성 레이저(rigid laser) 용 x-y 데스크가 구비되며, 이는 약 10.6 μm의 파장을 갖는 CO2 레이저가 섬유 광 전도성이 아니며, 광(optic)의 이동에 의해 광학 경로의 길이가 길어서 빔 품질이 변하기 때문이다.
레이저를 포커싱하기 위해 렌즈가 사용된다. 차례로, 이들을 보호하기 위해, 레이저 광과 함께 프로세스 가스 노즐로부터 나오는 프로세스 가스(예를 들어, 압축된 공기 또는 산소)가 사용된다. 이러한 방식으로, 기판으로부터 방출된 부분적으로 용융된 재료가 렌즈를 오염시키는 것이 방지된다(프로세스 가스는 노즐로의 오염물의 진입을 방지한다). 그러나, 동시에, 프로세스 가스는 또한 용융된 재료를 레이저 콘(cone) 밖으로 블로잉하는 역할을 한다.
스코어링에 대한 상이한 요구가 빈번하게 존재하기 때문에(한편으로는 소정의 파단 라인의 생성이 요구되고, 다른 한편으로는 절단 또는 드릴링, 즉 기판의 절단이 요구됨), 금속-세라믹 기판을 프로세싱하기 위한 대응하는 디바이스는 종종, 2개의 상이한 프로세스 노즐을 구비한다.
공지된 방법의 단점은, 레이저 노즐이 기판의 표면에 충분히 근접하게 도달하지 않기 때문에, 칩 및 와이어 본드와 같은 장착 기판(populated substrate)의 프로세싱이 더 어렵게 된다는 것이다. 그 결과, 레이저 콘이 충분히 블로잉되지 않을 수 있고, 레이저 콘에 유리 상(glass phase)이 남아 있게 된다.
공지된 방법의 단점은 레이저 먼지 및 스플래시가 세정 단계에 의해 표면으로부터 제거되어야만 한다는 것이다.
공지된 방법의 단점은 추가로, 세라믹을 절단하는 경우 기계적으로 제거되어야만 하는 세라믹 버(burr)를 절단할 때 발생한다. 이로 인해 프로세스의 복잡성이 증가하고 제품 스크랩(scrap)이 증가할 위험이 있다.
일반적으로 사용되는 CO2 공진기는 또한 구리의 프로세싱을 허용하지 않으므로 구리를 절단할 수 없다.
사용되는 CO2 공진기의 다른 단점은 세라믹의 진입 지점(penetration point)(초기 홀(hole))이 명확하게 가시적이라는 것이다. 이로 인해 더욱 방해가 되는 용융 상 및 잔류물이 발생한다. 불량한 외관으로 인해, 이 초기 홀은 일반적으로 고장 부분(failure part)의 영역에 배치되어야 하며, 이는 또한 프로그램 생성을 위한 노력이 증가하며 더 긴 프로세스 시간을 수반함을 의미한다.
또한, 금속-세라믹 기판이 배면(backside)으로부터 레이저-에칭될 수 있게 하는 방법에 대한 필요성이 있다. 제조 프로세스로 인해, 이는 금속-세라믹 기판의 오목한 면이다. 그로 인해, 기판의 코너(corner)와 에지(edge)는 일부 재료 조합에서 위쪽을 향한다. 금속-기판 세라믹의 편향(deflection)이 감소될 수 있지만, 일반적인 CO2 레이저를 이용하여 충분한 초점 심도(depth of focus)를 생성하는 것은 불가능하다. 따라서, 종종 에지 영역에서, 불완전한 레이저-프로세싱 및 스크랩이 발생한다.
이러한 선행 기술에 기초하여, 본 발명은 바람직하게는 상기 기재된 선행 기술의 단점을 피하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 레이저 시스템마다 높은 비용 효율 및 높은 처리 능력으로 수행될 수 있는, 세라믹 또는 금속-세라믹 기판을 프로세싱하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 프로세스는 Al2O3, ZTA(지리코늄 도핑된 Al2O3), AlN 및 Si3N4 타입의 세라믹에 특히 적합해야 한다. 프로세스는 바람직하게는 기판상의 잔류물, 즉 레이저 먼지 또는 절단 버(burr)의 형성 없이 수행되어야 한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 가능한 정확하게 파단되는 소정의 파단 라인 또는 레이저 스크라이빙 라인(scribing line)의 도입을 가능하게 하는 것이 바람직하며, 이는 충분한 레이저 깊이의 도입 및 충분한 노치 효과를 생성하는 미세-균열(micro-crack)의 도입을 필요로 한다. 또한, 레이저 스크라이빙 라인은 후속 갈바니 프로세스에서 금속화되지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 금속-세라믹 기판의 구리를 통한 절삭 및 절단을 가능하게 하는 것이 더 바람직하다.
마지막으로, 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 레이저 콘이 블로잉되지 않을 때 발생하는 단점을 수용하지 않고, 예를 들어 칩 및 와이어 본드가 구비된 세라믹 기판을 프로세싱하는 것을 가능하게 해야 한다.
이들 목적은 금속-세라믹 기판을 프로세싱하기 위한 방법에 의해 달성되며, 여기에서 방법은
*a. 금속-세라믹 기판에 레이저 빔을 사용하여 소정의(predetermined) 파단 라인으로서 레이저 스크라이빙 라인을 생성하는 단계; 및/또는
b. 레이저 빔을 사용하여 금속-세라믹 기판을 적어도 부분적으로 절단하는 단계를 포함한다.
이어서, 본 발명에 따른 방법은 프로세싱이 레이저를 사용하여 수행되고, 레이저 스크라이빙 라인이 소정의 파단 라인으로서 생성될 때 또는 절단 시에, 레이저의 펄스 지속 시간(pulse duration)은 세라믹 재료의 용융 상(melting phase)이 실질적으로 형성되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 한다.
이와 무관하게, 본 발명에 따른 방법은 또한, 일반적으로, 소정의 파단 라인으로서 레이저 스크라이빙 라인을 생성하는 경우, 또는 금속-세라믹 기판이 절단되는 경우에, 레이저의 프로세스 조건은 세라믹 재료의 용융 상이 실질적으로 전혀 형성되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 한다.
유리 상(glass phase)은 레이저에 의해 가열되고 융합되지만, 스크라이빙 라인으로부터 제거되지 않고 레이저 스크라이빙 라인에서 응고되는 레이저 스크라이빙 라인 내의 잔류물이다.
본 발명의 맥락에서, 용어 “세라믹 재료의 용융 상이 실질적으로 없는"은, 레이저 스크라이빙 라인이 바람직하게는 30 부피% 미만, 더욱 바람직하게는 20 부피% 미만, 한층 더 바람직하게는 15 부피% 미만 및 바람직하게는 0.1 부피% 초과, 더욱 바람직하게는 0.5 부피% 초과, 더욱 바람직하게는 1.0 부피% 초과의 용융 상을 포함하는 것으로 이해된다.
이러한 양의 용융 상이 표면에 형성된다(표면적 범위). 이러한 용융 상은 바람직한 노치 효과 및 세라믹의 후속 파단에 대한 응력(stress) 상승을 야기하는 미세-균열을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 맥락에서, 레이저 스크라이빙 라인이 소량의 용융 상, 즉 특히 상기 기술된 최소량을 포함하는 것이 바람직하다.
레이저가 특정 프로세스 조건하에서 작동되는 경우, 세라믹 물질의 과량의 용융 상의 형성을 피할 수 있다. 이는 특히
(a) 레이저의 펄스 지속 시간;
(b) 금속-세라믹 기판 내로의 레이저의 침투 깊이; 및
(c) 레이저 전력(power)
을 포함한다.
다음에서, 세라믹의 프로세싱 동안 용융 상의 형성이 실질적으로 방지될 수 있는 레이저의 바람직한 구현예가 설명된다.
본 발명에 따른 방법에서, 소정의 파단 라인으로서 레이저 스크라이빙 라인이 생성되는 동안, 레이저 스크라이빙 라인은 레이저의 하나의 교차점(crossing) 또는 여러 교차점에서 생성될 수 있다(실시예 a). 또한, 금속-세라믹 기판의 절단은 레이저의 여러 교차점에서 달성될 수 있다(실시예 b).
본 발명의 맥락에서, 레이저는 n-sec 레이저, p-sec 레이저 또는 f-sec 레이저로부터 선택될 수 있지만, 본 발명에 따르면 p-sec 레이저의 사용이 바람직하다.
또한, p-sec 레이저는 펄스 지속 시간, 즉 바람직하게는 0.1 내지 100 ps, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 50 ps, 더욱 더 바람직하게는 1 내지 30 ps의 레이저 펄스의 지속 시간을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 선택된 펄스 지속 시간에 의해, 용융 상이 실질적으로 발생하지 않도록 레이저 프로세스를 안내할 수 있고, 따라서 기판 표면상에 침전되는 레이저 스플래시 및 레이저 먼지가 실질적으로 형성되지 않는다. 동시에, 레이저 스크라이빙 라인에서 충분한 노치 효과가 펄스 지속 시간에 의해 달성된다. 본 발명의 맥락에서, 본질적으로 저온의 먼지만이 형성되고 용융 상은 형성되지 않기 때문에, 그리고 빔 소스로부터 기판 표면까지의 충분히 큰 선택된 거리로 인해 프로세스 가스의 사용이 가능하지만, 이는 절대적으로 필요한 것은 아니다.
펄스 에너지, 즉 단일 레이저 펄스의 에너지 함량은 바람직하게는 10 내지 500 μJ, 더욱 바람직하게는 50 내지 400 μJ, 한층 더 바람직하게는 100 내지 350 μJ이다.
p-sec 레이저는 바람직하게는 20 내지 400 와트(W), 더욱 바람직하게는 40 내지 200 W, 한층 더 바람직하게는 50 내지 180 W, 더욱 더 바람직하게는 60 내지 160 W, 더욱 더 바람직하게는 80 내지 130 W, 더욱 더 바람직하게는 90 내지 120 W의 전력을 갖는다.
레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 적어도 0.05 m/sec, 더욱 바람직하게는 적어도 0.1 m/sec, 더욱 바람직하게는 적어도 0.15 m/sec, 한층 더 바람직하게는 적어도 0.20 m/sec, 더욱 바람직하게는 적어도 0.25 m/sec이다.
레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 최대 20.0 m/sec, 더욱 바람직하게는 최대 19.0 m/sec, 추가로 바람직하게는 최대 18.0 m/sec, 추가로 바람직하게는 최대 17.0 m/sec, 추가로 바람직하게는 최대 16.0 m/sec이다.
레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 0.05 내지 20.0 m/sec, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 19.0 m/sec, 더욱 바람직하게는 0.15 내지 18.0 m/sec, 추가로 바람직하게는 0.20 내지 17.0 m/sec, 더욱 바람직하게는 0.25 내지 16.0 m/sec이다.
프로세싱 속도는 레이저가 세라믹에 위로 움직이는 실제 속도에 해당한다. 대응하는 유사한 결과는 본 발명에 따른 상기 정의된 실제 속도가 2 내지 50, 바람직하게는 2 내지 40, 더욱 바람직하게는 2 내지 30, 추가로 바람직하게는 2 내지 20의 레이저 교차 수로 나뉘어진 유효 속도가 선택되는 경우에 얻어질 수 있다.
놀랍게도, 레이저에 의해 사용되는 공진기 전력 x(와트)와 레이저의 최대 실제 프로세싱 속도 y(m/sec) 사이에는 관계가 있다는 것 또한 발견되었다.
일반적으로, 관계는 하기의 식을 따른다:
Figure pat00001
여기서, 최대 프로세싱 속도는 세라믹의 두께와는 무관하다.
실제 프로세싱 속도가 상기에 일반적으로 명시된 또는 상기 식에 의해 계산된 것보다 더 높은 경우, 레이저 스크라이빙 라인을 따라 세라믹 기판을 효과적이고 안전하게 파단할 수 없다.
추가로 바람직한 구현예에서, 레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 적어도 0.05 m/sec에서 최대 프로세싱 속도(m/sec)까지이고, 이는 상기 언급된 식에 의해 정의되며:
Figure pat00002
여기서, x는 레이저(W)의 공진기 전력에 해당한다.
추가로 바람직한 구현예에서, 레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 적어도 0.1 m/sec에서 최대 프로세싱 속도 (m/sec)까지이고, 이는 상기 언급된 식에 의해 정의되며:
Figure pat00003
여기서, x는 레이저(W)의 공진기 전력에 해당한다.
추가로 바람직한 구현예에서, 레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 적어도 0.15 m/sec에서 최대 프로세싱 속도 (m/sec)까지이고, 이는 상기 언급된 식에 의해 정의되며:
Figure pat00004
여기서, x는 레이저(W)의 공진기 전력에 해당한다.
추가로 바람직한 구현예에서, 레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 적어도 0.20 m/sec에서 최대 프로세싱 속도 (m/sec)까지이고, 이는 상기 언급된 식에 의해 정의되며:
Figure pat00005
여기서, x는 레이저(W)의 공진기 전력에 해당한다.
추가로 바람직한 구현예에서, 레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 적어도 0.25 m/sec에서 최대 프로세싱 속도 (m/sec) 단위의 최대 프로세싱 속도인 것이 바람직하며, 그 최대 프로세싱 속도는 위에서 언급된 공식에 의해 정의된다.
Figure pat00006
여기서, x는 레이저(W)의 공진기 전력에 해당한다.
레이저의 스폿 직경은 바람직하게는 20 내지 80 μm, 더욱 바람직하게는 30 내지 70 μm, 더욱 더 바람직하게는 40 내지 60 μm이다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 사용되는 레이저는 IR 레이저이다.
본 발명의 기본적인 목적은 특히, IR 레이저, 더욱 바람직하게는 p-sec IR 레이저의 사용에 의해 달성되고, 여기에서 이론에 구애됨 없이, p-sec IR 빔의 광(light)은 세라믹 기판의 표면 또는 금속 코팅의 표면에 특히 효과적으로 결합되는 것으로, 즉 세라믹 기판 또는 금속 코팅에 의해 특히 효과적으로 흡수되는 것으로 추정된다. 또한, IR 레이저는 높은 에너지 효율을 가지며, 이는 또한 상기 목적을 해결하는데 유리하다.
세라믹 기판 또는 금속-세라믹 기판을 프로세싱하기 위해 IR 레이저를 사용하는 추가적인 이점은, IR 레이저 광이 다이오드 광으로부터 직접 생성될 수 있는 반면, 녹색 레이저 광은 먼저 IR 레이저 광으로부터 60%의 효율로 생성되며 이어서 UV 레이저 광이 녹색 레이저 광으로부터 또한 60%의 추가적인 효율로 생성되어야만 한다.
예를 들어, CO2 레이저와는 달리 p-sec IR 레이저는 구조화될 금속-세라믹 기판으로부터 상당히 멀리 떨어져서 배치될 수 있고, 그 결과 더 높은 초점 심도를 얻을 수 있다.
또한, IR 레이저를 사용하여, CO2 레이저에 비해 충분히 높은 초점 심도를 얻을 수 있다.
본 발명에서 IR 레이저가 사용되는 경우, IR 레이저의 주파수는 바람직하게는 350 내지 650 kHz, 더욱 바람직하게는 375 내지 625 kHz, 더욱 더 바람직하게는 400 내지 600 kHz이다.
본 발명에서 IR 레이저가 사용되는 경우, IR 레이저의 펄스 에너지는 바람직하게는 100 내지 300 μJ, 더욱 바람직하게는 125 내지 275 μJ, 더욱 더 바람직하게는 150 내지 250 μJ이다.
대안 a. 및 b.에 따른 본 발명의 방법은 프로세스 가스의 존재하에 수행될 수 있다. 프로세스 가스는 예를 들어, 산소이다.
대안 a. 및 b.에 따른 본 발명의 방법은 바람직하게는 레이저 프로세싱에 의해 야기되는 먼지를 흡수하는 흡인 디바이스를 갖는 디바이스에서 수행된다.
세라믹 기판 또는 금속-세라믹 기판의 프로세싱의 구현예는 아래에서 더 상세히 설명된다.
구현예 a.: 금속-세라믹 기판에서의 소정의 파단 라인으로서의 레이저 스크라이빙 라인
본 발명에 따른 방법은 금속-세라믹 기판에서 소정의 파단 라인으로서 레이저 스크라이빙 라인을 생성하는 제1 구현예에 적합하다.
금속-세라믹 기판에서의 소정의 파단 라인으로서 생성될 레이저 스크라이빙 라인은 금속-세라믹 기판에서 연속적으로 또는 불연속적으로 생성될 수 있다. 금속-세라믹 기판의 후속 파단이 쉽게 이루어질 수 있도록 하기 위해, 레이저 스크리이빙 라인의 깊이는 세라믹 기판의 층 두께의 5 내지 50%, 더욱 바람직하게는 8 내지 45%, 더욱 더 바람직하게는 10 내지 40%인 경우가 바람직하다.
종래의 세라믹 기판에서, 레이저 스크라이빙 라인이 소정의 파단 라인으로서 생성되는 경우, 사용되는 레이저 파라미터, 즉 예를 들어, 펄스 지속 시간, 주파수 및 전력은 세라믹 기판의 평면 표면에 각각 수직인 적어도 20 μm, 더욱 바람직하게는 적어도 30 μm, 한층 더 바람직하게는 적어도 50 μm의 스크라이빙 라인의 깊이가 생성되도록 이루어진다.
본 발명에 따른 방법으로 인해, 스크라이빙 라인은 필요에 따라 이들 깊이로부터 벗어난 깊이를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 파단의 개시를 용이하게 하거나 또는 절단 및 스크라이빙 외형(contour) 사이의 전이(transition)에서 파괴 패턴을 최적화하기 위해 스크라이빙 라인의 초기 영역에서의 스크라이빙 깊이가 더 높아지도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 금속-세라믹 기판의 외측 외형이 둥글게 되어 작은 곡률 반경으로 인해 절단되어야만 하는 경우에 금속-세라믹 기판의 코너에 홀이 만들어질 수 있고, 여기에서 스크라이빙 라인으로부터의 파괴 패턴이 중단되고 홀의 다른 쪽에서 다시 시작될 것이다. 그 후, 레이저 스크라이빙 라인에 균열을 재도입하는 영역에서, 바람직하게는 균열 재도입의 이러한 프로세스를 용이하게 하기 위해 더 높은 스크라이빙 깊이가 생성될 수 있다.
본 발명에 따라 생성되는 스크라이빙 라인은 바람직하게는 20 내지 70 μm, 더욱 바람직하게는 25 내지 65 μm, 한층 더 바람직하게는 30 내지 60 μm의 폭을 갖고, 바람직하게는 금속-세라믹 기판의 x/y 방향으로 연장된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 레이저 스크라이빙 라인에서 아치(arch) 또는 반경(radii)의 형성은 바람직하게는 제공되지 않는다. 바람직하게는, 마킹(marking)의 목적을 위해, 외형이 금속-세라믹 기판에 레이저에 의해 도입된다.
이미 언급된 바와 같이, 소정의 파단 라인으로서의 레이저 스크라이빙 라인의 생성 동안, 바람직하게는 세라믹 물질의 용융 상이 레이저 처리(lasering) 동안에 실질적으로 형성되지 않도록 선택된 레이저의 펄스 지속 시간이 사용된다.
따라서, 스크라이빙 라인은 스크라이빙 라인의 측면 상에 글레이징(glazing)(소위 레이저 스로업(throw up)을 실질적으로 갖지 않는다. 스크라이빙 라인 자체 내에는, 바람직하게는 유리 상의 잔류물(즉, 레이저에 의해 용융되지만 제거되지 않는 물질)이 실질적으로 존재하지 않지만, 적어도 거의 없다. 또한, 본 발명에 따른 방법에서, 레이저 먼지는 실질적으로(적어도 거의) 레이저 스크라이빙 라인의 측면 상에 침착되지 않는다.
본 발명에 따라 얻어진 레이저 스크라이빙 라인은 바람직하게는 레이저 처리 동안의 열 응력으로 인해 발생하는 미세-균열을 가지며, 스크라이빙 라인의 후속 파단에 유리하다. 또한, 레이저 스크라이빙 라인은 바람직하게는 후속 갈바니 프로세스 단계에서 금속화되지 않는다.
본 발명의 맥락에서, 레이저 스크라이빙 라인은 금속-세라믹 기판 위에 레이저의 하나의 교차점에 의해 생성된다. 대안적인 접근법에서, 레이저 스크라이빙 라인은 특정한 에너지 입력, 즉 시간당 에너지를 감소시키기에 바람직할 수 있는 레이저의 여러 교차점에 의해 소정의 파단 라인으로서 생성된다. 그러나, 교차 수는 재료, 즉 금속 코팅 또는 사용된 세라믹 및 원하는 프로세싱 깊이에 따라 달라진다.
레이저의 프로세싱 속도는 실제 프로세싱 조건, 즉 사용된 레이저 및 금속 코팅 및 세라믹에 사용되는 재료뿐만 아니라 원하는 프로세싱 깊이에 따라 달라진다.
레이저의 프로세싱 속도는 바람직하게는 상기 언급한 바와 같다.
IR 레이저의 사용과 관련된 다른 이점은 2개의 스크라이빙 라인 사이의 교차점을 피하는 것이다. 2개의 레이저 스크라이빙 라인이 교차할 때, CO2 레이저를 사용하여 2개의 레이저 펄스가 동일한 위치에 중첩될 수 있다. 이는 불릿 홀(bullet hole)의 깊이을 증가시킨다. 극단적인 경우에는 반대쪽의 세라믹 면까지 이어지는불릿이 생길 수 있다. 이는 파단 거동 또는 기판의 후속적인 기계적 강도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, p-sec IR 레이저를 사용할 때 IR 레이저 기술의 매우 높은 정밀도뿐만 아니라, 모든 스크라이빙 라인이 여러 번 교차되어 선호하는 스크라이빙 라인이 생기지 않기 때문에 스크라이빙 라인 중 하나가 단순히 중단되거나 교차 영역의 파라미터가 조정됨으로써, 교차 영역에서의 스크라이빙 깊이가 증가하는 것을 피할 수 있다.
CO2 레이저의 사용에 대한 또 다른 이점은 본 발명에 따라 제공되는 IR 레이저, 특히 p-sec IR 레이저를 갖는 세라믹의 전-레이저 처리(pre-lasering)를 가능하게 한다는 것이다. 금속-세라믹 기판의 분야에서, 전-레이저 처리된 세라믹을 사용하는 제품이 있다. 여기서, 세라믹은 금속과 세라믹의 접합(bonding) 프로세스 전에 이미 레이저 처리된다. 예는 비아(비아들) 또는 돌출 금속(리드-오프(lead-off))을 갖는 제품을 포함한다. CO2 레이저로 프로세싱하는 경우, 레이저 처리 동안에 발생하는 먼지 및 레이저 스로 업은 다시 제거되어야만 한다. 이는 예를 들어, 디스크 브러시, 초음파 세정 시스템, 랩핑(lapping) 또는 다른 기계적 방법으로 수행된다. 화학적 프로세스는 높은 화학 저항으로 인해 알루미나의 경우에는 유용하지 않다. 적절한 IR 레이저를 사용함으로써, 제거되어야만 하는 먼지 및 스로 업이 발생되지 않는다. 따라서, 적절한 정화를 피할 수 있다.
구현예 b.: 레이저 빔을 사용한 금속-세라믹 기판의 절단
부분적으로, 직선 라인과 다른 금속-세라믹 기판에 외형을 도입할 필요성이 있다. 이들은 예를 들어, 금속-세라믹 기판의 중심에 있는 홀 또는 금속-세라믹 기판의 코너에 있는 라운딩(rounding)일 수 있다. 이러한 외형은 레이저를 사용하여 금속-세라믹 기판의 세라믹을 절단함으로써 얻어질 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 세라믹 기판이 레이저에 의해 절단되는 경우, 세라믹의 초기 절단이 일어나는 진입 지점이 없다. 따라서, 본 발명의 맥락에서, 외형 외부에서 찌르거나 기동 경사(starting ramp)로 실제 절단 외형에 접근할 필요가 없다.
본 발명의 맥락에서, 세라믹 기판이 레이저를 사용하여 절단되는 경우, 절단 에지는 바람직하게는 최대 30°, 더욱 바람직하게는 최대 25°로 직각으로부터 일반적으로 벗어난 각도를 갖는다. 그 결과 상단의 홀이 하단의 홀보다 크다.
IR 레이저, 특히 p-sec IR 레이저를 이용한 세라믹 기판의 본 발명의 분리의 추가적인 이점은 하단에, 즉 레이저 출사면(exit side)에 용융 상으로 형성된 버(burr)가 발생하지 않으며, 이는 추가 절차 단계에서 제거되어야 한다.
구현예 a. 및 b.의 이점
상기 설명된 구현예 a. 및 b.를 고려하면, 금속 코팅 및 세라믹 기판을 동일한 레이저로 프로세싱하는 것이 가능하다. 그 결과, 구조화된 금속 코팅을 갖는 금속-세라믹 기판의 생산은 비용-효율적으로 실현될 수 있다. 구체적으로는,
I) 상부 금속 코팅을 부분적으로만 절삭하거나 또는 세라믹으로 절단하여, 예를 들어 에칭 프로세스로는 불가능한 금속 코팅 내에 미세 구조를 생성하는 것이 가능하고;
II) 금속 코팅 및 세라믹 기판을 하부 금속 코팅으로 절단하는 것이 가능하고(따라서, 비아-홀(via-hole)을 위한 기초가 생성될 수 있다. 전도성 재료로 적절한 블라인드 홀을 채우는 경우, 스루 홀이 만들어진다. 충진 물질은 예를 들어, 금속성 페이스트 또는 갈바니 전기에 의해 생성된 물질이다);
III) 세라믹 기판 상단에 금속 코팅이 없는 경우(예를 들어, 이미 에칭되었거나 심지어 도포되지 않았기 때문에), 금속 코팅 및 세라믹 기판을 절단하거나 금속 코팅 또는 세라믹 기판만을 절단하는 것이 가능하다.
구현예 a. 및 b.에 따른 금속-세라믹 기판을 프로세싱하는 본 발명의 방법은 바람직하게는 프로세스 가스의 존재하에 수행되며, 여기에서 예를 들어, 산소 또는 압축된 공기가 프로세스 가스로서 사용될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 프로세스 가스의 사용이 필수적인 것은 아니지만, 오염으로부터 빔 소스를 보호하는데 바람직할 수 있다. 이 경우, 압축된 공기의 사용은 바람직한 대안일 것이다.
본 발명에 따른 방법에서, 레이저 프로세싱에 의해 먼지가 생성되기 때문에, 사용되는 디바이스가 레이저 프로세싱에 의해 생성되는 먼지를 흡수하는 흡인 디바이스를 갖는 것이 특히 바람직하다.
흡인 디바이스는 예를 들어, 투사된 레이저 광을 둘러싸며 그 하부 에지가 바람직하게는 0.5 내지 10 cm, 더욱 바람직하게는 0.75 내지 7.5 cm, 더욱 바람직하게는 1 내지 5 cm의 금속-세라믹 기판의 표면으로부터의 거리에 있는 흡인 튜브 또는 흡입 박스에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 설명된 방법에 의해 얻어지는 금속-세라믹 기판이다.
본 발명에 따른 금속-세라믹 기판은 예를 들어, 세라믹 기판의 평면 표면에 각각 수직인 적어도 20 μm, 더욱 바람직하게는 적어도 30 μm, 한층 더 바람직하게는 적어도 50 μm의 깊이를 갖는 연속적인 또는 단절된 스크라이빙 트렌치를 가질 수 있다.
0.38 mm의 층 두께를 갖는 세라믹 기판의 경우, 레이저 스크라이빙 라인의 타겟 깊이는 바람직하게는 30 내지 120 μm, 더 바람직하게는 40 내지 110 μm, 한층 더 바람직하게는 50 내지 100 μm이다.
0.63 mm의 층 두께를 갖는 세라믹 기판의 경우에, 레이저 스크라이빙 라인의 목표 깊이는 바람직하게는 40 내지 140 μm, 더욱 바람직하게는 50 내지 130 μm, 더욱 더 바람직하게는 60 내지 120 μm이다.
또한, 금속-세라믹 기판은 바람직하게는 15 내지 75 μm, 더욱 바람직하게는 20 내지 70 μm, 더욱 더 바람직하게는 25 내지 65 μm의 스크라이빙 트렌치의 폭을 갖는다.
*본 발명에 따른 방법에 의해 프로세싱된 세라믹 기판은 스크라이빙 라인의 측면에 글레이징을 실질적으로 없으며, 스크라이빙 라인 내에 실질적으로 유리 상의 잔류물이 없다. 스크라이빙 라인의 영역에 형성된 미세-균열로 인해, 세라믹 기판의 파단은 어려움 없이 가능하다.
본 발명의 금속-세라믹 기판은 직선으로부터 벗어나고 레이저 빔을 사용하여 세라믹 기판을 절단하여 형성된, IR 레이저로 처리하여 얻어진 외형을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 금속-세라믹 기판은 세라믹 기판을 절단함으로써 형성된 코너에 홀 및/또는 라운딩을 가질 수 있다.
p-sec IR 레이저를 이용한 IR 레이저 방법에 의해 얻어지는 금속-세라믹 기판은 바람직하게는 최대 30°, 더욱 바람직하게는 최대로 25°로 직각으로부터 벗어난 각도로 절단된 에지를 갖는다. 홀이 IR 레이저 방법에 의해 금속-세라믹 기판 내로 도입되는 경우, 그 크기는 세라믹 기판의 2개의 측면에서 다를 수 있다. 그러나, 바람직하게는 금속-세라믹 기판은 홀 및/또는 라운딩에 버가 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 IR 레이저 방법으로 인해, 세라믹 기판의 금속 코팅 상에 코딩을 갖는 금속-세라믹 기판을 얻을 수 있다. 이러한 코팅은 바람직하게는 IR 레이저에 의한 금속 코팅의 절삭에 의해 수행된다.
본 발명에 따른 방법으로, 더욱이, 세라믹 기판상의 금속화가 적어도 하나의 에지 감소를 갖거나, 또는 금속화가 전자 부품, 특히 칩을 수용하기 위한 적어도 하나의 오목부를 갖는 금속-세라믹 기판이 획득가능하고, 여기서, 오목부는 레이저 처리에 의해 생성되었다.
본 발명은 다음의 예를 참조하여 더 상세히 설명된다.
실시예 1:
(1) 금속-세라믹 기판:
DCB 방법에 의해 얻어진 금속-세라믹 기판에 대해 하기 테스트를 수행하였다.
세라믹 기판은 Al2O3 세라믹 재료이다. 세라믹 기판의 층 두께는 0.38 mm(테스트 시리즈 1) 및 0.63 mm(테스트 시리즈 2)이었다.
(2) 레이저
후속 테스트를 하기의 레이저로 수행하였다:
전력: 100 W
레이저 소스: IR
펄스 지속 시간 레이저: 0.1 내지 100 ps
펄스 에너지 레이저: 10 내지 500 μJ
스폿 직경: 30 μm
주파수 레이저: 350 내지 650 kHz
상기 설명된 레이저에 의해 세라믹 기판에 레이저 스크라이빙 라인이 생성되었고, 그 후 세라믹 기판이 레이저 스크라이빙 라인에서 파단되었다.
(3) 결과
Figure pat00007
평가:
+: 양호한 파단 거동
0: 평균 파단 거동
-: 불량한 파단 거동
테스트 시리즈는 15 m/sec까지 사이의 IR 레이저의 실제 속도가 파단 거동에 적합함을 보여준다. IR 레이저의 실제 속도가 더 높으면 불량한 파단 거동을 초래한다.
IR 레이저의 이러한 속도로, 레이저 스크라이빙 라인 내의 유리 상은 본질적으로 회피되고, 충분한 미세-균열이 형성되어 세라믹을 절단하는 것이 가능하다.
0.05 m/sec 미만의 실제 속도는 너무 깊은 스크라이빙 라인(너무 많은 유리 상의 형성)이 발생하기 때문에 불리하다. 또한, 0.05 m/sec 미만의 실제 속도는 경제적인 이유로 불리하다.

Claims (13)

  1. 금속-세라믹 기판을 프로세싱하기 위한 방법에 있어서,
    a. 금속-세라믹 기판에 레이저 빔을 사용하여 소정의(predetermined) 파단 라인으로서 레이저 스크라이빙 라인을 생성하는 단계; 및/또는
    b. 레이저 빔을 사용하여 금속-세라믹 기판을 적어도 부분적으로 절단하는 단계를 포함하며,
    프로세싱은 p-sec IR 레이저를 이용하여 수행되고, 레이저 스크라이빙 라인을 소정의 파단 라인으로서 생성할 때 또는 절단할 때 세라믹 재료의 용융 상이 실질적으로 형성되지 않도록 선택되는 레이저의 펄스 지속 시간이 사용되는 것을 특징으로 하며, 레이저는 적어도 0.05 m/sec, 그리고 최대 19 m/sec의 프로세싱 속도를 갖는 것인, 금속-세라믹 기판을 프로세싱하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    레이저 스크라이빙 라인이 연속적으로 또는 불연속적으로 형성되는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    레이저가 0.1 내지 100 ps의 펄스 지속 시간을 갖는 것인 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    소정의(predetermined) 파단 라인으로서의 레이저 스크라이빙 라인의 생성 시, 레이저 스크라이빙 라인은 레이저의 여러 교차점(crossing)에서 생성되고/되거나 금속-세라믹 기판의 적어도 부분적 절단은 레이저의 여러 교차점에서 발생하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    IR 레이저가 60 내지 160 와트의 전력을 갖는 것인 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    IR 레이저의 주파수가 350 내지 650 kHz인 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    IR 레이저의 펄스 에너지가 100 내지 300 μJ인 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    IR 레이저의 스폿 직경이 20 내지 100 μm인 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    레이저 프로세싱으로 인한 먼지를 흡수하는 흡인 디바이스를 갖는 디바이스에서 수행되는 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 기재된 방법에 의해 얻을 수 있는 금속화된 세라믹 기판.
  11. 제10항에 있어서,
    세라믹 기판은 연속적인 스크라이빙 트렌치(scribing trench)를 갖는 금속화된 세라믹 기판.
  12. 제10항에 있어서,
    세라믹 기판이 세라믹 기판의 평면 표면에 각각 수직인 적어도 20 μm의 깊이를 갖는 연속적인 스크라이빙 트렌치를 갖는 금속화된 세라믹 기판.
  13. 제10항에 있어서,
    세라믹 기판이 직선으로부터 벗어나고 레이저 빔을 사용하여 세라믹 기판을 절단하여 생성된 외형을 갖는 금속화된 세라믹 기판.
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