KR20200137763A - 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판이 개시된다. 본 발명에 따른 세라믹 인쇄회로기판은 세라믹 기판과, 접합층, 전기전도성 금속 소재로 상기 세라믹 기판의 일면 또는 양면에 회로 패턴으로 형성된 전도층을 포함한다. 활성금속 페이스트의 Ag를 제거하고, Ag를 박막의 형태로 형성하므로서 비용을 절감하고 세라믹 기판과 동박 사이에 메탈층을 삽입 형성하므로서 신뢰성을 향상시킨다.

Description

전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판{Ceramic Printed Circuit Board for Electronic Component Packaging}

본 발명은 전력용 반도체 모듈을 포함한 전자부품 실장용 기판에 관한 것으로, 상면에 실장된 전기 또는 전자소자에서 발행하는 열을 효과적으로 방출시캄과 동시에 열 충격을 흡수하여 열피로를 감소시키고 기판의 균열을 방지하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판에 관한 것이다.

전기의 사용이 급증하며 반도체 모듈의 신뢰성 향상을 위하여 소자 방열의 중요성이 증대되고 있다. 이런 모듈은 전력용 반도체, 열전반도체, LED 등 다양한 산업분야에 적용되고 있으며 방열특성을 위한 다양한 소재가 개발되고 있다.

전력 반도체 모듈은 직류 혹은 교류 형태의 전압, 전류를 시스템에서 요구하는 적합한 형태와 크기로 변환하는 전력 변환의 핵심 반도체 소자로서, 인버터, 전력 레귤레이터 또는 컨버터와 같이 고전압 또는 대전류가 인가되어 처리되는 부품으로서, 가정용 세탁기 냉장고 등 산업용 설비에서부터 전기 자동차, 고속 철도 차량 등 폭넓게 사용되고 있다.

열전반도체는 신재생에너지 분야의 한 축으로서 제벡효과와 펠티어 효과를 이용하여 능동적 방열을 하거나 열을 전기로 변환한다.

LED는 광소자로서 종래의 백열전구 및 형광등을 대체하는 반도체 조명으로, 스포츠, 가로등, 보안등 등 대전력 조명에서 방열의 중요성이 증대되고 있다.

위와 같은 산업분야에서 세라믹 인쇄회로기판은 세라믹으로 절연층을 형성하고 접합 또는 증착된 전기전도층이 회로를 구성함으로서 각 소자를 동작시키는 모듈을 구성한다.

한편, 전자 부품 소자의 경박 단소화 및 고성능화의 경향에 따라 크기는 작아지고 고성능화에 따른 발열량은 크게 증가하고 있다. 이에 따라 소형화, 고집적화 및 고성능화에 따른 방열 문제를 해결하기 위한 노력이 경주되고 있다.

대표적으로, 도 1을 참조하면, 전력 반도체 모듈(100)은 내장된 전력 반도체 소자(130)의 동작에 의해 발생하는 열을 세라믹 인쇄회로기판(101)을 거쳐 금속 베이스 플레이트(120)를 통해 방열시키는 구조를 가진다. 세라믹 절연 회로기판(101)은 기판 상에 실장될 전력 반도체 소자를 전기적으로 연결하기 위한 소정의 전기 회로가 구리 소재를 이용하여 소정의 패턴으로 형성되어 있는 것이다.

보다 상세히 설명하면, 전력반도체 모듈(100)은 금속 베이스 플레이트(120), 전력반도체 소자(130)가 실장되는 세라믹 절연기판(110), 세라믹 절연기판(110)의 하면에 형성되고 금속 베이스 플레이트(120)와 접합되는 제1 동막(111)과 절연기판(110)의 상면에 형성되어 전기 회로를 형성하는 제2 동박(113), 금속 베이스 플레이트(120)와 제1 동박(111)을 접합하는 제1 솔더층(112), 전력 반도체 소자(130)를 제2 동막(113)의 상면에 접합하는 제2 솔더층(114)을 구비한다.

전력반도체 모듈(100)은 내장된 전력반도체 소자(130)의 동작에 의해 발생하는 열을 세라믹 인쇄회로기판(101)을 통해 방열시키는 구조를 가진다.

전력반도체 모듈(100)은 다양한 조건에서 동작하면서 전력반도체 소자(130)에 의한 고온 발열 조건에 처하기 때문에, 갑작스런 온도변화에 대한 열변형 현상인 열충격에 대한 높은 신뢰성이 요구된다. 열충격은 전력반도체 모듈(100)의 크랙(Crack)에 의한 박리를 일으키는 등 내구성에 중대한 영향을 주기 때문이다.

결국, 전력반도체 모듈(100)을 포함한 세라믹 인쇄회로기판 적용 산업에서 열충격에 대한 내구성은 세라믹 인쇄회로기판에서 발생하는 열의 방열 특성에 관계된다.

등록특허공보 10-1947481호(2019.05.10) 등록특허공보 10-1856107호(2018.05.09) 등록특허공보 10-1856106호(2018.05.09)

본 발명의 목적은, 상면에 실장된 전기/전자 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시킴과 동시에 열충격을 흡수하여 기판의 균열을 방지하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판은 질화 알루미늄(AlN), 질화 실리콘(Si₃N₄)와 같은 세라믹기판과 세라믹기판 상면에 0.2~0.8 mm 두께의 동박이 접합된 구조를 갖는 것이 바람직하다.(도 2)

전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판의 구성은, 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판 상에 형성된 제1 접합 층; 제1 접착층 상에 활성금속이 포함된 접합재 층; 및 동박을 준비하여 활성금속브레이징법 (AMB; Active Metal Brazing)을 이용하여 형성된 전기전도층을 포함한다.

여기서, 제1 접합층은, 물리기상증착법인 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 티타늄, 질화티타늄 또는 산화티타늄으로 형성되는 것이 바람직하다.

실시 예에 따라 제1 접합층 상면에 Ag를 포함하는 소정 금속의 제2 접합층을

형성하는 것을 포함할 수 있다. 이를 통해 활성금속 접합재의 귀금속을 대체하여 저가의 활성금속 접합재를 사용함으로서 원가를 낮출 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판은 세라믹 기판과, 전기 전도층으로 동작하는 동박과 금속의 후막으로 물리기상증착되어 상기 세라믹 기판과 구리층 사이의 열팽창계수를 보상한 제1 메탈층을 포함한다.

본 발명에 따른 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판은 제1 접합층 및 제2 접합층 상면에 전기전도층이 형성되어 전력반도체 모듈을 포함한 열전반도체 모듈, LED 모듈 등에 적용될 수 있으며, 그 상면에 실장된 전기 또는 전자소자들의 많은 에너지 소모에 따라 발생하는 열을 효과적으로 흡수하여 방열처리 할 수 있다.

이러한 방열특성은 전기전도층이 두께 0.2~0.8mm의 구리 막으로 형성되고, 절연층이 세라믹이 열전도율이 높은 질화알루미늄 및 질화실리콘으로 형성되기 때문에 가능하다.

특히, 인쇄회로기판은 뛰어난 방열특성으로 모듈의 열충격을 효과적으로 흡수하며, 열에 따른 세라믹 소재와 구리 막의 열팽창계수 차이 등에 의한 열 파괴 현상을 현저하게 줄이므로서 모듈의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 전력 반도체 모듈의 단면도,
도 2는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판의 제1 접합층과 제 2 접합층 및 동박층으로 구성된 구조를 나타낸 단면도
도 3은 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판의 제1 접합층 및 Ag 층, 제2 접합층 및 동박으로 구성된 구조를 나타낸 단면도,
도 4는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판의 제1 접합층, 제1 메탈층, Ag 층, 제2 접합층 및 동박으로 구성된 구조를 나타낸 단면도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 설명한다.

본 발명은 전력 반도체, 열전반도체 및 LED 등의 모듈 제조에 있어서 반도체 소자 실장용 세라믹 인쇄회로기판에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 세라믹 기판과 회로층을 형성하는 동박의 접합은 활성금속브레이징법으로 제조된다. 재료의 접합은 일반적으로 솔더링, 브레이징 및 웰딩법을 이용하여 접합된다. 솔더링 및 브레이징법의 경우 접합재를 이용하여 접합되고 브레이징법이 솔더링법과 비교하여 공정온도가 높다. 웰딩의 경우 접합재 없이 접합하고자하는 두 재료의 계면을 녹여 접합하는 방법이다.

본 발명에서는 세라믹 기판과 금속을 접합하므로 웰딩법은 적용이 불가하며 저온공정인 솔더링법보다 고온공정인 브레이징법이 바람직하다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 인쇄회로기판의 구성 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 인쇄회로기판은 세라믹 기판(110), 기판(110)상에 형성된 제1 접합층(140), 제1 접합층(140) 상에 형성된 활성금속 및 Ag가 포함된 제2 접합층(141), 및 그 상면에 전기전도층인 동박(142)으로 구성된다. 전기전도층(142)은 실장될 소자(130)를 전기적으로 연결하기 위한 소정의 패턴으로 형성되어, 전기도선, 고전원전압 노드, 또는 저전원전압 노드가 된다. 전기전도층을 형성하는 동박의 두께는 소자(130)의 동작 전력에 따라 상이하며, 동박의 두께는 0.2mm 내지 0.8mm 두께가 바람직하다.

일반적인 세라믹 기판(110)과 동박(142)의 접합 공정으로 일반적인 활성금속브레이징법이 적용된다. 활성금속브레이징법은 활성금속과 Ag 및 솔벤트로 구성된 활성금속브레이징 페이스트를 매개로 세라믹기판(110)과 동박(142)이 접합된다. 이때 활성금속브레이징법의 공정온도는 800 ~ 900℃ 범위에서 이뤄진다. 이 경우 일반적인 활성금속브레이징 페이스트에는 Ag가 약 70% 이상 포함되어 있다.

활성금속브레이징법에서 접합 기구는 접합층 내에 형성된 Ti와 Ag, Cu 등으로 이루어진 금속간 화합물을 형성하므로서 접합된다. 이때, 접합층내에는 질화 티타늄 등의 상이 형성되며 위와 같은 금속간 화합물과 질화 티타늄 등의 제어에 따라 접합력이 달라진다.

본 발명에서는 세라믹 기판(110)상에 제1 접합층으로 질화티타늄 내지 산화티타늄을 적용하는 것을 특징으로 한다. 질화 티타늄 내지 산화 티타늄은 물리기상증착법인 마그네트론 스퍼터링법으로 형성하는 것이 바람직하다. 제2 접합층의 구성 재료에 따라 600 ~ 950℃ 범위가 바람직하다.

도 3을 참조하여 본 발명의 세라믹 인쇄회로기판을 설명한다. 도 3은 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판의 제1 접합층 및 Ag 층, 제2 접합층 및 동박으로 구성된 구조를 나타낸 단면도이다. Ti, Zr 및 Ag와 솔벤트로 구성된 활성금속브페이징 페이스트는 귀금속인 Ag가 포함되어 가격이 매우 비싸다. 가격 경쟁력 확보를 위한 재료비용을 줄이기 위하여 Ag막(151)을 마그네트론 스퍼터링법으로 증착하고 Ag가 없는 저가의 브레이징 페이스트를 사용함을 특징으로 한다. 마그네트론 스퍼터링법으로 증착되는 Ag 막(151)의 두께는 0.5마이크로 내지 2 마이크로 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 공정의 순서는 세라믹기판(110)을 준비하는 단계; 제1 접합층을 형성하는 단계; Ag 막(151)을 형성하는 단계; 동박(142)을 준비하여 브레이징법을 적용하는 단계의 순서로 이뤄진다.

도 4를 참조하여 본 발명의 세라믹 인쇄회로기판을 설명한다. 도 4는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판의 제1 접합층, 제1 메탈층, Ag 층, 제2 접합층 및 동박으로 구성된 구조를 나타낸 단면도이다. 전력반도체 모듈을 예를 들어 설명하면 신뢰성에 영향을 미치는 요소는 소자에서 발생하는 열에 의해 세라믹 크랙(Crack)이 발생하며 크랙이 발생하는 이유는 구성 소재의 열팽창계수 차이에 의해 계면 열피로가 증가하기 때문이다. 위와 같은 원인을 극복하기 위하여 구성소재의 계면 열팽창계수를 가능한 정합되도록 구성하는 것이 바람직하다.

전기전도성을 갖는 금속 중 세라믹과 정합되는 소재로 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)가 있다. 텅스텐은 4.5ppm, 몰리브텐 4.8ppm이다. 금속층의 형성을 위하여 마그네트론 스퍼터링법을 이용하고 각각의 두께는 10마이크로 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 공정의 순서는 세라믹기판(110)을 준비하는 단계; 제1 접합층을 형성하는 단계; 텅스텐 내지 몰리브텐의 제1 메탈층 (161)을 형성하는 단계; 제1 접합층을 형성하는 단계; 및 제2 접합층을 형성하는 단계; 동박(142)을 준비하여 브레이징법을 적용하는 단계의 순서로 이뤄진다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범의에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

110 : 세라믹 기판 111 : 제1 동막
112 : 제1 솔더층 　 113 : 제2 동막
114 : 제2 솔더층 120 : 금속 베이스 플레이트
130 : 소자 140 : 제1 접합층 　
142 : 동박 151 : Ag 막
152 : 활성금속층 162 : 제1 메탈층

Claims (6)

1. 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로기판으로서, 세라믹 기판 상면에 질화티타늄 내지 산화티타늄으로 구성된 제1 접합층, 활성금속 내지 Ag 및 솔벤트로 구성된 제2 접합층 및 동박으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로 기판.
2. 청구항 1에 있어서,
   제1 접합층 상면에 Ag막을 형성하고, 그 상면에 활성금속 및 솔벤트로 구성된 제2 접합층 및 동박으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로 기판.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 Ag 막은 마그네트론 스퍼터링법으로 형성되고, 그 두께는 0.5마이크로 내지 2마이크로로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로 기판.
4. 청구항 1에 있어서,
   제1 접합층 상면에 제1 메탈층을 형성하고 그 상면에 활성금속 및 솔벤트로 구성된 제2 접합층 및 동박으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로 기판.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 메탈층은 텅스텐 내지 몰리브텐 또는 텅스텐-몰리브텐 복합재로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로 기판.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 메탈층은 마그네트론 스퍼터링법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자부품 실장용 세라믹 인쇄회로 기판.

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