KR20210144343A - 인쇄회로기판의 제조 방법 - Google Patents

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KR20210144343A
KR20210144343A KR1020200061574A KR20200061574A KR20210144343A KR 20210144343 A KR20210144343 A KR 20210144343A KR 1020200061574 A KR1020200061574 A KR 1020200061574A KR 20200061574 A KR20200061574 A KR 20200061574A KR 20210144343 A KR20210144343 A KR 20210144343A
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이준호
고정민
조남태
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법은 세라믹 기판을 제조하는 기판 제조 단계; 상기 세라믹 기판의 양면에 증착층을 증착하는 증착 단계; 및 증착층 상에 금속 시트를 위치시켜 접합하는 접합 단계를 포함하고, 상기 증착층은 Ag 및 Ti를 포함하며, 상기 Ag의 단위 면적당 증착량은 3.50g/m2 이상 및 6.10g/m2이하이고, 상기 Ti의 단위 면적당 증착량은 0.61g/m2 이상 및 1.30g/m2이하이다.

Description

인쇄회로기판의 제조 방법{METHOD FOR PREPARING PRINTED CIRCUIT BOARD}
본 발명은 인쇄회로기판의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 층간 접합력을 향상시킬 수 있는 인쇄회로기판의 제조 방법에 관한 것이다.
최근의 전자기기는 갈수록 소형화, 경량화, 고기능화되고 있다. 이를 위해, 소형 기기를 중심으로 빌드-업 인쇄회로기판(Build-up Printed Circuit Board)의 응용분야가 빠르게 확대됨에 따라 다층 인쇄회로기판의 사용이 급속히 늘어 가고 있다.
다층 인쇄회로기판은 평면적 배선부터 입체적인 배선이 가능하며, 특히 산업용 전자 분야에서는 IC(integrated circuit), LSI(large scale integration) 등 기능소자의 집적도 향상과 함께 전자 기기의 소형화, 경량화, 고기능화, 구조적인 전기적 기능통합, 조립시간 단축 및 원가절감 등에 유리한 제품이다.
인쇄회로기판은 알루미나(Al203), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4) 등의 세라믹 기판의 양면에 구리 시트(Copper Sheet)을 접합하여 제조할 수 있다.
인쇄회로기판의 접합법은 다음과 같이 크게 3가지로 나눌 수 있다. 주로 Ag으로 구성된 페이스트를 이용하는 활성금속법(Active metal brazing, AMB), 세라믹 기판의 산화층을 이용하여 접합하는 다이렉트 접합법(Direct bonding), 금속의 증착 및 확산 반응을 이용하는 확산 접합법이 있다.
그 중 활성금속법은 전력반도체 모듈의 동작시 Ag가 가장자리(Edge) 부분으로 확산하는 문제가 있고, 다이렉트 접합법은 산화층에 의해 열전도도가 낮아지는 문제가 있다. 이에 반해 확산 접합법은 고상반응에 의해 수백 나노미터 두께의 얇은 증착층을 형성할 수 있어 활성금속법에 비해 사용되는 Ag 등의 금속의 양이 극히 적고, 결합력이 우수하기 때문에 열충격 특성이 우수한 인쇄회로기판의 제조가 가능하다는 장점이 있다.
인쇄회로기판은 전압 인가에 의해 반복적으로 열에 노출되거나 주변 환경 변화에 의해 열충격 환경에 놓이게 된다. 이 때, 세라믹 기판과 구리 시트의 열 팽창 계수가 다르기 때문에 열응력이 발생하고, 반복적인 열충격으로 인해 박리가 일어나기 쉽다.
이에, 열충격 환경에서도 박리가 발생하지 않도록 강한 층간 접합력을 갖는 인쇄회로기판에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들은 열충격 환경에서도 박리가 발생하지 않도록 강한 층간 접합력을 갖는 인쇄회로기판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법은, 세라믹 기판을 제조하는 기판 제조 단계; 상기 세라믹 기판의 양면에 증착층을 증착하는 증착 단계; 및 증착층 상에 금속 시트를 위치시켜 접합하는 접합 단계를 포함하고, 상기 증착층은 Ag 및 Ti를 포함하며, 상기 Ag의 단위 면적당 증착량은 3.50g/m2 이상 및 6.10g/m2이하이고, 상기 Ti의 단위 면적당 증착량은 0.61g/m2 이상 및 1.30g/m2이하이다.
상기 Ag의 단위 면적당 증착량은 4.00g/m2 이상 및 4.60g/m2이하일 수 있다.
상기 Ti의 단위 면적당 증착량은 1.02g/m2 이상 및 1.20g/m2이하일 수 있다.
상기 세라믹 기판은 Si3N4, AlN 및 Al2O3중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 시트는 Cu, Al, Ni 및 Fe 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 증착 단계는, 상기 세라믹 기판의 양면에 Ti를 포함하는 제1 층을 증착하는 단계 및 상기 제1 층에 Ag를 포함하는 제2 층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접합 단계는, 상기 증착층 상에 위치한 상기 금속 시트를 열간 가압하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열간 가압으로 인해, 상기 세라믹 기판, 상기 증착층 및 상기 금속 시트 각각에 포함된 물질 간의 확산이 발생할 수 있다.
상기 접합 단계에서, 상기 증착층에 포함된 물질과 상기 세라믹 기판에 포함된 물질이 반응하여 접합층이 형성되고, 상기 접합층은 TiN을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, Ag 및 Ti를 이용한 확산 접합법을 통해 인쇄회로기판을 제조하여, 세라믹 기판과 금속 시트 간의 접합력을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판, 증착층 및 금속 시트를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판, 접합층 및 금속 시트를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판 및 증착층의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판, 접합층 및 금속 시트의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판, 증착층 및 금속 시트를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법은, 세라믹 기판(100)을 제조하는 기판 제조 단계, 세라믹 기판(100)의 양면에 증착층(200)을 증착하는 증착 단계 및 증착층(200) 상에 금속 시트(300)를 위치시켜 접합하는 접합 단계를 포함한다. 증착층(200)은 Ag 및 Ti를 포함하며, 상기 Ag의 단위 면적당 증착량은 3.50g/m2 이상 및 6.10g/m2이하이고, 상기 Ti의 단위 면적당 증착량은 0.61g/m2 이상 및 1.30g/m2이하이다. 본 명세서에서 단위 면적당 증착량은, 세라믹 기판(100)의 상기 양면 중 일면의 단위 면적에 대해 증착된 상기 Ti나 상기 Ag의 질량을 의미한다. 다시 말해, 증착된 상기 Ti나 상기 Ag의 총 질량을 상기 세라믹 기판(100)의 상기 일면의 면적으로 나눈 값을 의미한다.
세라믹 기판(100)은 Si3N4, AlN 및 Al2O3중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 금속 시트(300)는 Cu, Al, Ni 및 Fe 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Si3N4는 일반적으로 굽힘 강도(flexural strength)가 600 내지 1,400 MPa로 세라믹 가운데 가장 우수하며, 열팽창 계수가 3.2*10-6/K로 낮기 때문에 고온에서의 적용이 가능한 소재이다. 또한, 밀도가 약 3.2g/cm3이고 열전도도가 30 내지 178 W/(m·K)의 범위를 가지며, 열 충격저항성(Thermal shock resistance)가 800 내지 1000 K 범위로 열충격에 매우 강하고 고온 강도가 크다. 즉, Si3N4는 효과적인 방열 재료에 해당하고, 이를 포함하는 세라믹 기판으로 제조된 인쇄회로기판은 방열회로기판으로 기능할 수 있다.
한편, 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300)의 두께에 특별한 제한은 없으나, 본 실시예에 따르면, 세라믹 기판(100)의 두께는 0.25mm 내지 0.35mm일수 있으며, 금속 시트(300)의 두께는 0.2mm 내지 1.2mm 일 수 있다.
먼저 세라믹 기판(100)을 제조하는 상기 기판 제조 단계에 대해 설명한다.
상기 기판 제조 단계는, Si3N4 분말을 포함한 슬러리 준비 공정, 테이프 캐스팅(Tape casting) 공정, 타발(Punching) 공정, 탈지(Burnout) 공정, 소결(Sintering) 공정 등을 거쳐 이루어질 수 있다.
슬러리 준비 공정으로써, Si3N4 분말에 유기용매, 소결 조제, 가소제 및 분산제를 첨가 및 혼합하여 슬러리를 제조한다. 상기 Si3N4 분말은 볼밀(Ball Mill) 등을 통해 제조될 수 있으며, Si3N4 분말의 평균 입경은 0.8㎛ 이하인 것이 바람직하다. Si3N4 분말은 β- Si3N4 α- Si3N4 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Si3N4 분말로서 β- Si3N4와 α- Si3N4를 혼합해 사용하는 경우에는, 상기 β- Si3N4의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 적절히 선택할 수 있다. 상기 유기 용매는 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 메틸에틸케톤(MEK), 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트(PGMEA), 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르(PGME), 에탄올, 부탄올 및 메탄올으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 상기 소결 조제로는 희토류 원소 산화물, 알칼리토류 금속 산화물 및 이들의 조합이 사용될 수 있다. 상기 가소제는 일례로 디-2-에틸헥실프탈레이트, 디-노말-부틸 부탈레이트, 부틸 프탈릴 부틸 글리콜레이트 및 프탈산 다이옥틸로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 상기 분산제는 폴리에스터계 분산제, 폴리아크릴레이트계 분산제, 폴리우레탄계 분산제 및 폴리에테르계 분산제로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
테이프 캐스팅(Tape casting) 공정으로써, 이후 상기 슬러리를 폴리머 필름 위에 일정한 두께로 도포한 뒤 건조 챔버에 통과 시켜 Si3N4 테이프를 제조한다.
타발(Punching) 공정으로써, 상기 Si3N4 테이프를 압착(Pressing) 및 절삭(Cutting)하여 Si3N4 그린시트(Green sheet)를 제조한다.
탈지(Burnout) 공정으로써, 상기 Si3N4 그린시트를 열처리할 수 있다. 탈지 공정은 대기 또는 질소 분위기 중에서 열처리에 의하여 이루어지며, 상기 열처리 온도는 400 내지 700 ℃인 것이 바람직하고, 열처리 시간은 6 내지 9 시간인 것이 바람직하다.
소결(Sintering) 공정으로써, 상기 탈지된 Si3N4 그린시트를 소결할 수 있다. 소결 단계는 가스압소결법(Gas pressure sintering, GPS)에 의하여 수행될 수 있으며, 가스압 소결로의 온도를 1600 내지 2000 ℃로 하여, 질소 분위기 하에서 8 내지 10 기압 조건으로 처리하여 이루어질 수 있다.
이후 연삭 등의 후가공을 거쳐 Si3N4를 포함하는 세라믹 기판(100)을 제조할 수 있다.
다음 상기 증착 단계에 대해 설명한다.
상기 증착 단계는, 세라믹 기판(100)의 양면에 Ti를 포함하는 제1 층(210)을 증착하는 단계 및 제1 층(210)에 Ag를 포함하는 제2 층(220)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 층(220), 제1 층(210), 세라믹 기판(100), 제1 층(210), 제2 층(220)이 차례로 형성될 수 있다.
구체적으로, 물리적 기상증착(Physical vapor deposition, PVD)을 위한 스퍼터링(Sputtering) 또는 화학적 기상증착(Chemical vapor deposition, CVD) 방법을 통해 세라믹 기판(100) 상에 제1 층(210)과 제2 층(220)을 차례로 증착할 수 있다.
다음 상기 접합 단계에 대해 설명한다.
상기 접합 단계는, 증착층(200) 상에 위치한 금속 시트(300)를 열간 가압(Hot pressing)하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 약 10-1 내지 10-5torr의 진공 분위기 및 450 내지 1100 ℃의 온도에서 1 내지 25 MPa의 압력으로, 금속 시트(300)를 세라믹 기판(100)이 위치한 방향으로 열간 가압(Hot pressing)할 수 있다. 한편, 본 실시예에 따르면, 금속 시트(300), 세라믹 기판(100) 및 금속 시트(300)를 1세트라고 했을 때, 여러 세트로 쌓아 접합할 수 있다. 각 세트 사이에는 금속 시트(300)끼리 응착되지 않도록 카본 시트(carbon sheet) 등이 삽입될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판, 접합층 및 금속 시트를 나타내는 단면도이다. 특히, 도 2는 상기 접합 단계 이후의 모습을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 열간 가압은 확산 접합법에 의한 것으로써, 상기 열간 가압으로 인해 세라믹 기판(100), 증착층(200) 및 금속 시트(300) 각각에 포함된 물질 간의 확산이 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 층(210)에 포함된 Ti와 세라믹 기판(100)의 Si3N4가 하기 반응식 1과 같이 반응할 수 있다.
[반응식 1]
4Ti+Si3N4 →3Si+4TiN
즉, 상기 접합 단계 이후, 증착층(200)에 포함된 물질과 세라믹 기판(100)에 포함된 물질이 반응하여 접합층(200a)을 형성할 수 있고, 접합층(200a)은 TiN을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 접합층(200a)은 TiN을 포함하는 층으로, 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300) 간의 강한 접합 매개층으로써 작용할 수 있다. 즉, 확산 접합법을 통해 접합층(200a)이 형성됨으로써, 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300)의 접합이 이루어질 수 있다.
한편, 상술한 바 대로, 상기 증착 단계에 있어서 제2 층(220)에 포함된 Ag는 단위 면적당 증착량이 3.50g/m2 이상 및 6.10g/m2인 것이 바람직하며, 4.00g/m2 이상 및 4.60g/m2이하인 것이 더욱 바람직하다. 서로 다른 재료를 포함하는 층끼리의 접합에 있어 응력 전달의 경우, 상대적으로 강도가 약한 재료를 포함하는 층에 응력 전달이 발생하여 쉽게 탈착이 될 수 있다. 따라서, 상대적으로 강도가 약한 재료를 포함하는 층의 강도를 증가시키는 것은 서로 다른 재료를 포함하는 층끼리의 접합에서 접합력을 향상시키는데 보다 효과적일 수 있다. 제2 층(220)에 포함된 Ag는, 상기 열간 가압 시, Cu를 포함하는 금속 시트(300) 쪽으로 확산되어 계면에서의 약한 금속 시트(300)의 강도를 보완할 수 있다. 상기와 같은 원리로 제2 층(220)에 포함된 Ag는 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300) 간의 접합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 층(220)에 포함된 Ag는 제1 층(210)에 포함된 Ti 및 금속 시트(300)에 포함된 Cu와 함께 Cu-Ti-Ag 3원계로 이루어진 액상을 형성하여 젖음성을 향상시켜 반응층 형성을 촉진하는데 도움이 될 수 있다.
제2 층(220)에 포함된 Ag의 단위 면적당 증착량이 3.50g/m2 미만인 경우, 금속 시트(300)의 강도를 충분히 증가시키지 못해 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300) 간의 접합력이 좋지 못한 문제가 있다. 반면, 제2 층(220)에 포함된 Ag의 단위 면적당 증착량이 6.10g/m2 초과인 경우, 필요 이상의 Ag가 증착되어 확산되지 않는 Ag 잔존물을 형성하기 때문에 오히려 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300) 간의 접합력이 감소하는 문제가 있다.
한편, 제1 층(210)에 포함된 Ti는 단위 면적당 증착량이 0.61g/m2 이상 및 1.30g/m2 이하이다. 보다 바람직하게는, 1.02g/m2 이상 및 1.30g/m2 이하인 것이 바람직하며, 1.04g/m2 이상 및 1.20g/m2이하인 것이 더욱 바람직하다. Ti의 단위 면적당 증착량은 접합층(200a)의 두께에 관여되어, 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300) 간의 접합력에 영항을 미친다.
제1 층(210)에 포함된 Ti의 단위 면적당 증착량이 0.61g/m2 미만인 경우, 접합층(200a)의 두께가 충분하지 못해 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300) 간의 접합력이 좋지 못하다. 구체적으로, 접합력이 9N/mm 미만일 수 있다. 반면, 제1 층(210)에 포함된 Ti의 단위 면적당 증착량이 1.30g/m2 초과인 경우, 포화 값에 도달하여 접합력의 증가 정도가 미비하며, 원재료가 낭비되는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법은, Ag의 단위 면적당 증착량을 3.50g/m2 이상 및 6.10g/m2이하로 조절하고, Ti의 단위 면적당 증착량을 0.61g/m2 이상 및 1.30g/m2 이하로 조절함으로써, 층간 접합력이 우수한 인쇄회로기판을 제조할 수 있다. 종국적으로, 이러한 인쇄회로기판은 반복적인 열충격 환경에 노출되어도 박리가 발생하지 않는다.
이후, 접합된 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300)에 대해 인쇄(Resist printing) 공정, 에칭(Etching) 공정, 도금(Ni Plating) 공정 등을 거쳐 인쇄회로기판이 제조될 수 있다.
그러면 이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법에 대하여 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 설명한다.
실시예 1: Ti 1.076g/m 2 , Ag 4.005g/m 2
볼밀(Ball Mill)을 통해 평균 입경은 0.8㎛ 이하의 Si3N4 분말을 제조한다. Si3N4 분말에 톨루엔, 메탄올, 에탄올 등의 유기용매, Y2O3, MgO 등의 소결조제, Dioctyl Phthalate(DOP), Polyethylen glycol(PEG) 등의 가소제 및 BYK-111 등의 분산제를 첨가하여 슬러리를 제조한 후 건조 챔버에 통과시켜 Si3N4 테이프를 제조한다. Si3N4 테이프를 압착(Pressing) 및 절삭(Cutting)하여 Si3N4 그린시트(Green sheet)를 제조하고, 600°C에서 12시간 열처리하여 탈지 공정을 실시하였다. 그 후 가스압 소결법으로 질소 분위기 하에서 1850°C, 1 MPa 조건으로 소결하여 138*190*0.32 mm3 크기의 세라믹 기판을 제조하였다.
상기 세라믹 기판에 대해 스퍼터링(Sputtering) 방법을 통해 70초 동안 0.0282g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하였다. 다음 제1 층 상에 30초 동안 0.105g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성하였다. 여기서, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.076g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 4.005g/m2이다.
이후, 제2 층 상에 Cu를 포함하는 금속 시트를 위치시킨 후, 약 10-4torr의 분위기에서 980°C 온도, 15 MPa의 압력으로 열간 가압을 실시하였다.
상기 일련의 공정을 통해 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4을 포함하는 시편을 제조하였다.
실시예 2: Ti 1.194g/m 2 , Ag 4.005g/m 2
0.0313g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.194g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 4.005g/m2이다.
실시예 3: Ti 1.030g/m 2 , Ag 5.339g/m 2
0.0270g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하고, 0.1400g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.030g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 5.339g/m2이다.
실시예 4: Ti 1.220g/m 2 , Ag 5.339g/m 2
0.0320g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하고, 0.1400g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.220g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 5.339g/m2이다.
실시예 5: Ti 1.003g/m 2 , Ag 4.005g/m 2
0.0263g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.003g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 4.005g/m2이다.
실시예 6: Ti 0.961g/m 2 , Ag 4.005g/m 2
0.0252g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 0.961g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 4.005g/m2이다.
비교예 1: Ti 0.374g/m 2 , Ag 2.868g/m 2
0.0098g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하고, 0.0752g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 0.374g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 2.868g/m2이다.
비교예 2: Ti 0.599g/m 2 , Ag 2.868g/m 2
0.0157g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하고, 0.0752g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 0.599g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 2.868g/m2이다.
비교예 3: Ti 0.843g/m 2 , Ag 2.868g/m 2
0.0221g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하고, 0.0752g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 0.843g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 2.868g/m2이다.
비교예 4: Ti 1.034g/m 2 , Ag 2.868g/m 2
0.0342g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하고, 0.0752g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.304g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 2.868g/m2이다.
비교예 5: Ti 1.041g/m 2 , Ag 6.808g/m 2
0.0273g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성하고, 0.1785g의 Ag를 증착하여 제2 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.041g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 6.808g/m2이다.
비교예 6: Ti 0.599g/m 2 , Ag 4.005g/m 2
0.0157g의 Ti를 증착하여 제1 층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu의 금속 시트, TiN의 접합층 및 Si3N4의 세라믹 기판을 포함하는 시편을 제조하였다. 이때, Ti의 단위 면적당 증착량은 0.599g/m2이고, Ag의 단위 면적당 증착량은 4.005g/m2이다.
평가예 1: 접합력 측정
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6의 시편들에 대해 접합력(N/mm)을 측정하였다. ASTM D6682에 준하여 실험을 진행하였으며, 구체적으로, 구리/질화규소/구리 접합 샘플의 에칭을 통해 너비 5 mm, 길이 100 mm 의 구리 스트립(strip)이 세라믹기판과 접합된 샘플을 준비하였다. 만능 시험기 (장비 업체 및 모델명: Ametek, LS5)의 그립(grip)으로 Cu 스트립(strip)을 잡을 수 있도록, 시험 전에 Cu 스트립(strip) 끝의 약 10 mm를 수동으로 분리하였다. 만능시험기에 시편을 고정시켜 Cu 스트립(strip)을 그립(grip)으로 잡고, 50 mm/min의 속도로 분리하며 이에 대한 응력을 측정하여 접합강도를 계산하였다.
실시예 1 내지 4의 시편들에 대한 접합력을 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
Ti 증착량(g) 0.0282 0.0313 0.0270 0.0320
Ag 증착량(g) 0.105 0.105 0.1400 0.1400
Ti 단위 면적당 증착량(g/m2) 1.076 1.194 1.030 1.220
Ag 단위 면적당 증착량(g/m2) 4.005 4.005 5.339 5.339
접합력(N/mm) 21.4 22.1 16.3 20.3
비교예 1 내지 5의 시편들에 대한 접합력을 하기 표 2에 기재하였다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
Ti 증착량(g) 0.0098 0.0157 0.0221 0.0342 0.0273
Ag 증착량(g) 0.0752 0.0752 0.0752 0.0752 0.1785
Ti 단위 면적당 증착량(g/m2) 0.374 0.599 0.843 1.304 1.041
Ag 단위 면적당 증착량(g/m2) 2.868 2.868 2.868 2.868 6.808
접합력(N/mm) 0.6 3.7 4.8 7.5 15.6
실시예 5, 실시예 6 및 비교예 6의 시편들에 대한 접합력을 하기 표 3에 기재하였다.
실시예 5 실시예 6 비교예 6
Ti 증착량
(g)		 0.0263 0.0252 0.0157
Ag 증착량(g) 0.105 0.105 0.105
Ti 단위 면적당 증착량(g/m2) 1.003 0.961 0.599
Ag 단위 면적당 증착량(g/m2) 4.005 4.005 4.005
접합력(N/mm) 9.6 9.4 8.6
우선, 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 4의 시편들을 비교하면, Ag의 단위 면적당 증착량이 3.50g/m2 이상인 실시예 1, 2의 시편들은 각각 21.4 N/mm 및 22.1N/mm의 우수한 접합력을 보인 반면, Ag의 단위 면적당 증착량이 3.50g/m2 미만인 비교예 1 내지 4의 시편들은 모두 7.5 N/mm 이하의 낮은 접합력을 보였다. 특히, Ti의 단위 면적당 증착량은 비교예 4의 시편이 실시예 1 및 2의 시편보다 높았음에도 적은 Ag 함량으로 인해 비교예 4의 시편이 훨씬 더 낮은 접합력을 보였다. 이는 Ag의 증착량에 따라 금속 시트의 강도가 향상되어 나타난 결과로 판단된다.
다음, 실시예 1,3 및 비교예 5의 시편들을 비교하면, Ti의 단위 면적당 증착량에 큰 차이가 없다. 그러나, Ag의 단위 면적당 증착량이 6.10g/m2 이하인 실시예 1, 3의 시편들은 각각 21.4 N/mm 및 16.3N/mm의 우수한 접합력을 보인 반면, 비교예 5의 시편은 오히려 접착력이 15.6N/mm로 감소하였다. 이는 과량의 Ag 증착으로 인해 계면에 Ag 잔존물이 형성되어 나타난 결과로 판단된다.
다음, 실시예 1, 2, 5, 6 및 비교예 6의 시편들을 비교하면, Ag의 단위 면적당 증착량은 거의 동일하다. Ti의 단위 면적당 증착량이 0.61g/m2 이상인 실시예 1, 2, 5, 6의 시편들은 최소 9.4N/mm 이상의 접합력을 보인 반면, Ti의 단위 면적당 증착량이 0.61g/m2 미만인 비교예 6의 시편은 8.6N/mm 이하의 낮은 접합력을 보였다. 이는 Ti의 증착량에 따라 접합층의 강도가 향상되어 나타난 결과로 판단된다. 특히, Ti의 단위 면적당 증착량이 1.02g/m2 이상인 실시예 1, 2의 시편들은 각각 21.4N/mm 및 22.1N/mm의 우수한 접합력을 보였다.
다음, 실시예 1, 2, 4의 시편들을 살펴보면, Ti의 단위 면적당 증착량이 1.30g/m2 이하인 실시예 1, 2, 4의 시편들은 모두 20N/mm 이상의 우수한 접합력을 보였다. 다만, Ti의 단위 면적당 증착량이 1.02g/m2 이상이 되면 Ti의 증착량이 증가하여도 접합력 향상 폭이 미비하여 포화값에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이에 원재료의 비용 낭비를 막음과 동시에 최적의 계면간 접합력을 갖추기 위해서, Ti의 단위 면적당 증착량은 1.30g/m2 이하인 것이 바람직하다.
평가예 2: 주사전자현미경(SEM) 사진
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 세라믹 기판 및 증착층의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 세라믹 기판, 접합층 및 금속 시트의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 구체적으로, 도 3은 증착 단계 이후 및 접합 단계 이전의 단면 사진이며, 도 4는 접합 단계 이후의 단면 사진이다.
도 3을 참고하면, 세라믹 기판(100) 상에 Ti를 포함하는 제1 층(210)과 Ag를 포함하는 제2 층(220)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 다음, 도 4를 참고하면, 확산 접합법을 통한 접합 단계 이후에 접합층(200a)이 형성되어, 세라믹 기판(100)과 금속 시트(300)가 접합된 것으로 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 세라믹 기판
200: 증착층
200a: 접합층
210: 제1 층
220: 제2 층
300: 금속 시트

Claims (9)

  1. 세라믹 기판을 제조하는 기판 제조 단계;
    상기 세라믹 기판의 양면에 증착층을 증착하는 증착 단계; 및
    증착층 상에 금속 시트를 위치시켜 접합하는 접합 단계를 포함하고,
    상기 증착층은 Ag 및 Ti를 포함하며,
    상기 Ag의 단위 면적당 증착량은 3.50g/m2 이상 및 6.10g/m2이하이고,
    상기 Ti의 단위 면적당 증착량은 0.61g/m2 이상 및 1.30g/m2이하인 인쇄회로기판의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 Ag의 단위 면적당 증착량은 4.00g/m2 이상 및 4.60g/m2이하인 인쇄회로기판의 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 Ti의 단위 면적당 증착량은 1.02g/m2 이상 및 1.20g/m2이하인 인쇄회로기판의 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 세라믹 기판은 Si3N4, AlN 및 Al2O3중 적어도 하나를 포함하는 인쇄회로기판의 제조 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 금속 시트는 Cu, Al, Ni 및 Fe 중 적어도 하나를 포함하는 인쇄회로기판의 제조 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 증착 단계는,
    상기 세라믹 기판의 양면에 Ti를 포함하는 제1 층을 증착하는 단계 및 상기 제1 층에 Ag를 포함하는 제2 층을 증착하는 단계를 포함하는 인쇄회로기판의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 접합 단계는, 상기 증착층 상에 위치한 상기 금속 시트를 열간 가압하는 단계를 포함하는 인쇄회로기판의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 열간 가압으로 인해, 상기 세라믹 기판, 상기 증착층 및 상기 금속 시트 각각에 포함된 물질 간의 확산이 발생하는 인쇄회로기판의 제조 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 접합 단계에서, 상기 증착층에 포함된 물질과 상기 세라믹 기판에 포함된 물질이 반응하여 접합층이 형성되고,
    상기 접합층은 TiN을 포함하는 인쇄회로기판의 제조 방법.

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