KR20220093219A - 금속-세라믹 기판 가공처리 방법, 그 방법을 위한 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 금속-세라믹 기판 - Google Patents

금속-세라믹 기판 가공처리 방법, 그 방법을 위한 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 금속-세라믹 기판 Download PDF

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로저스 저매니 게엠베하
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Abstract

금속-세라믹 기판(1)을 가공처리하는 방법은,
- 금속-세라믹 기판(1)을 제공하는 단계 - 상기 금속-세라믹 기판(1)은, 주 연장 평면(HSE)을 따라 연장되고 주 연장 평면(HSE)에 수직으로 연장되는 적층 방향(S)을 따라 중첩되어 배치되는, 적어도 하나의 금속 층(21) 및 하나의 세라믹 요소(11)를 포함함 -, 및
- 레이저 광(10), 특히 초단파 펄스(UKP) 레이저에 의한 처리 공정을 통해 금속-세라믹 기판(1)에 리세스(15), 특히 관통 리세스(15)를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

금속-세라믹 기판 가공처리 방법, 그 방법을 위한 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 금속-세라믹 기판
본 발명은 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 방법(a method of processing metal-ceramic substrates), 그 방법을 위한 장치, 및 그 방법에 의해 제조된 금속-세라믹 기판에 관한 것이다.
전자 모듈은 예를 들어 전력 전자 모듈과 같이 종래 기술에서 잘 알려져 있는 것이다. 이러한 전자 모듈은 일반적으로 도체 트랙을 통해 공통 금속-세라믹 기판에 상호 연결된 절환 가능하거나 제어 가능한 전자 부품을 사용한다. 금속-세라믹 기판의 필수 구성요소에는 절연 층 및 금속화 층이 있으며, 상기 절연 층은 금속-세라믹 기판의 경우, 세라믹을 포함하는 재료로 제조되고, 그리고 상기 금속화 층은 바람직하게는 금속-세라믹 기판의 한 구성요소 면에 구조화되고 형성되어 도체 트랙을 형성한다.
일반적으로, 금속-세라믹 기판은 구조화 전후에 더 작은 금속-세라믹 기판으로 분리되는 대형 카드로 구현된다. 이러한 대형 카드는 레이저 광으로 가공처리되어 미리 결정된 절단선 및/또는 분리점이 생성된다. 그 다음, 각각의 금속-세라믹 기판은 예를 들어 그들을 절단하여 대형 카드에서 분리되어, 제공될 수 있다. 초단파 펄스 레이저를 사용하는 방식이 예를 들어 WO 2017/108 950 A1에 기재된 바와 같이 이 기술 분야에서는 유리한 것으로 입증되어 있다.
US 2016 0 207 143 A1에는, 레이저 광으로 공작물을 가공처리하는 방법이 공지되어 있으며, 여기서 공작물은 스테이지 상에 위치한다. 또한 레이저 광에 의한 드릴 구멍 생성에 관한 것을 기재한 EP 0 826 457 A1도 있다.
이러한 선행 기술에 기초하여, 본 발명은 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 공정을 개선하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본원의 목적은 청구항 1에 따른 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 방법, 청구항 9에 따른 상기 방법에 적합한 장치, 및 청구항 10에 따른 상기 방법에 의해 제조된 금속-세라믹 기판에 의해 달성된다. 추가 실시예는 종속항 및 상세한 설명으로부터 취해진다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 본원의 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 방법은,
- 금속-세라믹 기판을 제공하는 단계 - 상기 금속-세라믹 기판은, 특히 양측이 주 연장 평면을 따라 연장되고 주 연장 평면에 대해 수직으로 연장하는 적층 방향을 따라 중첩하여 배치되는, 적어도 하나의 금속 층 및 하나의 세라믹 요소를 포함함 -, 및
- 레이저 광, 특히 초단파 펄스(UKP) 레이저에 의한 처리 공정에 의해 금속-세라믹 기판에 리세스, 특히 관통 리세스를 형성하는 단계를 포함한다.
선행 기술에서 공지된 방법과 대조적으로, 레이저 광은 리세스, 특히 UKP 레이저를 형성하는 데 사용된다. 이러한 맥락에서, 당업자는 리세스가 금속-세라믹 기판에 의해 둘러싸이거나 에워싸이는 영역, 바람직하게는 한 평면에서 50% 이상, 보다 바람직하게는 75% 이상, 매우 바람직하게는 완전히 싸이는 영역이고, 금속 및/또는 세라믹이 없는 영역인 것으로 이해한다. 예를 들어, 리세스는 레이저 광에 의해 생성된 곡선 또는 다각형 윤곽으로 둘러싸여 있다. 이와 관련하여, 예를 들어 적절한 필름 및/또는 솔더 페이스트 및/또는 기타 전도성 재료가 도입된 후, 리세스가, 관통-구멍 도금으로 및/또는 바람직하게는 나사 및/또는 볼트와 같은 고정 요소가 금속-세라믹 기판을 하우징 및/또는 다른 구성요소에 고정하기 위해 그를 통과하는 관통 영역으로 사용되는 것을 생각해 볼 수 있다. 레이저 광을 사용한 제조는 특히 리세스를 형성할 때 품질 및 제조 시간의 면에서 유리한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 초단파 펄스 레이저 광을 사용하면 금속-세라믹 기판에 대한 후처리 단계의 수를 줄일 수 있다. 또한, 바람직하게 리세스에 대한 원하는 형상 및 윤곽을 실현하기 위해, 예를 들어 대응하는 미러 요소를 통해, 금속-세라믹 기판의 상부 면 위로 레이저 광을 스캔 방식으로 가이드하는 것이 가능하다.
리세스는 전체 금속-세라믹 기판을 통해, 즉 금속-세라믹 기판의 상부 면으로부터 금속-세라믹 기판의 후면까지 연장되는 것이 특히 바람직하다. 금속-세라믹 기판은 바람직하게는 레이저 광에 의한 처리 공정을 이행하는 동안 지지체 또는 유지 요소에 의해 유지 또는 고정된다.
또한, 금속-세라믹 기판은 세라믹 층의 상부 표면에 결합되는 적어도 하나의 금속 층을 포함하고, 금속 층 및 세라믹 층은 주 연장 평면을 따라 연장되고 주 연장 평면에 수직으로 적층 방향을 따라 중첩 방식으로 배치된다. 적어도 하나의 금속 층에 대해 고려할 수 있는 재료에는 구리, 알루미늄, 몰리브덴 및/또는 이들의 합금이 있을 뿐만 아니라 CuW, CuMo, CuAl, AlCu 및/또는 CuCu 와 같은 라미네이트, 특히 제1 구리층 및 제2 구리층을 갖는 구리 샌드위치 구조가 있고, 상기 제1 구리층의 입자 크기는 제2 구리층과 상이한 것이다. 또한 바람직하게는 적어도 하나의 금속 층이 표면 개질되는 것이다. 고려할 수 있는 표면 개질은 예를 들어 귀금속, 특히 은 및/또는 금, 또는 ENIG("무전해 니켈 침지 금")로 밀봉하거나, 크랙 형성 또는 확장을 억제하기 위해 제1 또는 제2 금속화 층에 에지 밀봉을 하는 것이다.
예를 들어, 세라믹 요소는 적어도 하나의 세라믹 층 또는 적어도 하나의 세라믹 층을 포함하는 복합재 이다. 바람직하게는, 세라믹 층 중 적어도 하나는 Al2O3, Si3N4, AlN, HPSX 세라믹(즉, 예를 들어 9% ZrO2 = HPS9를 갖는 Al2O3 또는 25% ZrO2 = HPS25를 갖는 Al2O3 인, x 퍼센트의 ZrO2를 포함하는 Al2O3 매트릭스를 갖는 세라믹), SiC, BeO, MgO, 고밀도 MgO(>이론 밀도의 90%), TSZ(정방정형 지르코니아) 또는 ZTA를 세라믹 재료로 사용한다. 또한 절연층은 재료 구성이 서로 다른 여러 세라믹 층이 서로 중첩 방식으로 배치되고 함께 접합되어 다양한 원하는 속성이 결합되게 절연층을 형성하는, 복합 또는 하이브리드 세라믹으로 설계될 수 있음을 고려해 볼 수도 있다. 바람직하게는 열 저항을 가능한 한 낮추기 위해, 열 전도성이 높은 세라믹을 사용한다.
세라믹 요소 또는 세라믹 층은 바람직하게는 유리가 없거나, 50% 이상의 유리로 구성된 재료를 의미하는 것으로 이해한다. 따라서, 세라믹 요소는 바람직하게는 유리-프리(glass-free) 세라믹 요소이다. 바람직하게, 동일한 윤곽을 따라 금속-세라믹 기판을 반복적으로 횡단함으로써 생성되는 리세스가 제공된다.
바람직하게, 금속층은 AMB 공정 및/또는 DCB 공정에 의해 절연층에 접합된다.
당업자는 "DCB 공정"(직접 구리 접합 기술) 또는 "DAB 공정"(직접 알루미늄 접합 기술)이 예를 들어 금속 층 또는 시트(예: 구리 시트(sheet) 또는 포일(foil) 또는 알루미늄 시트 또는 포일)를 상호 및/또는 세라믹 또는 세라믹 층에, 이들의 표면 측면에 층 또는 코팅(융합 층)이 있는 금속 또는 구리 시트 또는 금속 또는 구리 포일을 사용하여, 접합하는 작용을 하는 공정인 것으로 이해 한다. 예를 들어 US 3 744 120 A 또는 DE 23 19 854 C2에 기술된 이러한 공정에서는, 이런 층 또는 코팅(융합 층)은 금속(예: 구리)의 용융 온도 아래의 용융 온도로 공융 혼합물(eutectic)을 형성하여, 세라믹 위에 포일을 놓고 모든 층을 가열함으로써, 이들은 본질적으로 융합 층 또는 산화물 층의 영역에서만 금속 또는 구리를 용융함으로써 서로 접합될 수 있다.
특히 DCB 공정은 예를 들어 다음과 같은 공정 단계가 있다.
Figure pct00001
균일한 산화 구리 층이 형성되도록 하는 방식으로 구리 포일을 산화시키는 단계;
Figure pct00002
세라믹 층에 구리 포일을 배치하는 단계;
Figure pct00003
복합재를 약 1025℃ 내지 1083℃, 예를 들어 약 1071℃의 공정 온도로 가열하는 단계;
Figure pct00004
실온으로 냉각하는 단계.
능동 납땜 공정(an active soldering process), 예를 들어 금속 층 또는 금속 포일, 특히 구리 층 또는 구리 포일과 세라믹 물질을 접합하기 위한, 특히 금속-세라믹 기판을 제조하는 데에도 사용하는 공정인, 능동 납땜 공정에 의해, 약 650℃ 내지 1000℃의 온도에서, 구리, 은 및/또는 금과 같은 주요 구성요소 외에 활성 금속을 포함하는 납땜 합금을 사용하여, 예를 들어 구리 포일과 같은 금속 포일과 예를 들어 질화 알루미늄 세라믹과 같은 세라믹 기판 사이의 접합을 생성한다. 이러한 활성 금속은 예를 들어 Hf, Ti, Zr, Nb, Ce 그룹 중의 적어도 하나의 원소이며, 화학 반응에 의해 납땜 합금과 세라믹 사이의 연결을 확립하고, 반면에, 납땜 합금과 금속 사이의 연결은 금속 납땜으로 연결한다. 대안적으로, 후막 공정(thick film process)도 접합에 고려해 볼 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 레이저 광은 적어도 하나의 피벗 가능한 미러 요소 또는 반사 요소를 통해 금속-세라믹 기판 상으로 지향되고, 특히, 적어도 하나의 피벗 가능한 미러 요소 또는 반사 요소에 의해 금속-세라믹 기판 위로 이동하게 제공된다. 대응하는 스캐닝 장치에 의해, 예를 들어 레이저 빔 또는 레이저 광을 추가 리세스의 계획된 코스, 즉 처리 영역에 걸쳐 가능한 한 제위치에 정확하게 이동시킬 수 있다. 이러한 맥락에서, 특히, 적어도 하나의 미러 요소는 적어도 하나의 미러 요소에서의 반사가 있는 동안 손실을 감소시키기 위해 사용되는 레이저 광의 펄스 지속시간 및/또는 파장에 적응되는 것을 고려해 볼 수 있다. 또한, 적어도 하나의 미러 요소는 레이저 빔을 적어도 부분적으로, 바람직하게는 추가 렌즈를 통과한 후 및/또는 통과하기 전에 포커싱하기 위해 오목 미러 및/또는 유전체 미러로 하는 것을 고려해 볼 수 있다. 특히 렌즈를 통해 포커싱하여, 입사 레이저 펄스의 강도가 유리한 방식으로 증가될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 미러 요소가 적어도 2개의 축을 중심으로 피벗될 수 있는 것이 특히 바람직하다. 이것은 미러 요소의 각각의 방향에 의해 금속-세라믹 기판의 상부 면 상의 모든 지점이 광선에 의해 검출될 수 있다는 것을 보장할 수 있게 한다. 바람직하게, 정확히 하나의 미러 요소가 포함된다.
양호하게, UKP 레이저는 레이저 소스가 0.1 내지 800ps, 바람직하게는 1 내지 500ps, 보다 바람직하게는 10 내지 50ps의 펄스 지속 시간을 갖는 광 펄스를 제공하는 것이다. 특히 상기 처리 속도로 이러한 펄스를 사용하여, 미리 결정된 절단선 내에서의 용융 세라믹과 크랙 형성 사이에서 특히 바람직한 비율을 갖는, 미리 결정된 절단선 또는 미리 결정된 절단점 및/또는 리세스를 생성하는 것이 특히 유리하다는 것이 밝혀졌으며, 따라서, 예를 들어, 미리 결정된 절단선의 경우, 미리 결정된 절단선을 따른 특별히 신뢰할 수 있거나 성공적인 절단이, 절단 작업을 하는 동안 단일 금속-세라믹 기판에 손상 없이 보장 될 수 있다. 바람직하게는, 리세스에 대한 미리 결정된 절단선은 예를 들어 동일한 레이저 시스템으로 실현된다.
바람직하게는, 주 연장 평면에 평행하게 연장되는 리세스의 단면은 동일한 평면을 따라 측정된 레이저 광의 단면보다 크다. 바람직하게, 리세스의 단면은 제1 직경을 갖고 그리고 레이저 광의 단면은 제2 직경을 가지며, 여기서 제1 직경에 대한 제2 직경의 비는 0.2 미만, 바람직하게는 0.1 미만, 더 바람직하게는 0.05보다 작다. 이와 같이, 예를 들어 금속-세라믹 기판의 상부 면을 따라 레이저 광을 이동시킴으로써, 리세스의 후속 단면의 형상을 결정하는 컷-아웃 윤곽을 정의할 수 있다. 특히, 이러한 공정은 나중에 제조되는 금속-세라믹 기판에서 고정 장치 또는 고정구가 결합을 하기 위해 통과하는 리세스를 형성하는 역할을 한다. 상응하는 큰 단면을 갖는 이러한 리세스는 일반적으로 관통 도금을 형성하는 역할을 하지 않지만, 바람직하게 금속-세라믹 기판을 다른 구성요소에 단순히 고정하기 위해서 제공되는 것이다.
바람직하게, 레이저 광이 렌즈를 통해 금속-세라믹 기판의 처리 영역으로 지향되며, 렌즈와 금속-세라믹 기판의 상부 면 사이의 거리는 처리 공정을 이행하는 동안 변한다. 특히, 렌즈와 금속-세라믹 기판의 상부 면 사이의 거리는 리세스가 형성되는 영역의 외측, 즉 처리 영역의 외측 영역을 지칭한다. 렌즈와 금속-세라믹 기판의 상부 면 사이의 거리를 변경하면, 처리 과정에서, 유리한 방식으로 금속-세라믹 기판에서 절제(ablation)가 발생 한다는 사실을 고려할 수 있고, 그 결과로, 렌즈와 금속-세라믹 기판의 상부 면 사이의 거리의 상응하는 감소 없이, 렌즈의 초점이 금속-세라믹 기판 물질의 절제가 이미 일어나 있는 영역으로 떨어질 것이다. 렌즈와 금속-세라믹 기판의 상부 면 사이의 거리의 상응하는 조정된 변화에 의해, 레이저 광의 초점이 바람직하게 절제될 금속-세라믹 기판 재료의 영역에 위치하거나 또는 절제될 경계층 바로 위 및/또는 아래에 위치하게 보장할 수 있다. 이 목적을 위해, 렌즈와 금속-세라믹 기판 사이의 거리는 바람직하게 적층 방향을 따라 변한다. 특히, 렌즈와 금속-세라믹 기판 사이의 거리의 (전체) 변화는 기본적으로 적층 방향으로 치수가 정해진 금속-세라믹 기판의 두께에 대응한다.
또한, 처리 중에 레이저 광의 기울기가 변하는 것을 고려할 수 있다. 이것은 예를 들어 리세스 내부의 윤곽을 필요에 따라 형성할 수 있게 한다. 또한, 리세스의 내부에 계단 형상의 윤곽이 나타나도록 리세스를 형성하는 것도 고려해 볼 수 있다. 이것은 예를 들어 금속-세라믹 기판의 상부 면에 패스너의 헤드를 접시 구멍으로 만들 수 있는 여유 공간을 제공할 수 있게 한다. 여기서는, 예를 들어, 이 제1 섹션을 파스너의 헤드 형상에 맞추기 위한 처리를 하는 동안 제1 섹션에서 리세스 내부의 다른 경사각을 제공하는 것이 유리할 수 있다.
바람직하게, 레이저 광은 적어도 때때로, 바람직하게는 전체 처리를 하는 동안 금속-세라믹 기판에 수직으로 입사하는 것이 바람직하다. 이것은 적층 방향에서 볼 때 실질적으로 일정한 단면을 갖는 원통형 리세스를 생성하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 주 연장 평면에 수직인 방향에 대한 리세스의 내측 경사는 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 보다 바람직하게는 2.5% 미만이다.
바람직하게, 금속-세라믹 기판은 금속-세라믹 기판에서 금속이 없는 영역에서만 처리된다. 예를 들어, 리세스는 동일한 윤곽을 따라 금속-세라믹 기판을 반복적으로 횡단하여 생성하게 의도되었다.
예를 들어, 추가 레이저 광이 제공되고, 레이저 광 및 추가 레이저 광에 의해 리세스가 형성되는 것도 고려해 볼 수 있다. 이것은 리세스의 생성을 크게 가속화 할 수 있다. 레이저 광과 추가 레이저 광은 공통 윤곽의 다른 지점에서 금속-세라믹 기판을 동시에 처리하는 것을 고려할 수 있고, 레이저 광과 추가 레이저 광은 모두 공통 윤곽을 따라 리세스를 형성한다.
또한, 바람직하게 렌즈의 초점거리는 300mm 보다 큰 것이 사용 된다. 초점거리가 비교적 큰, 특히 300mm 초과, 바람직하게는 350mm 초과, 더욱 바람직하게는 430mm 초과하는 초점거리의 경우, 바람직하게, 리세스에 추가하여, 주 연장부에 수직으로 진행하는 방향에 대한 기울기가 비교적 작은 미리 결정된 절단선을 생성하는 데 레이저 광을 사용하는 것이 가능하다. 이것은 유리하게, 특히 전체 대형 카드 전반에 걸쳐 금속-세라믹 기판의 균일한 절단 행동을 보장한다. 바람직하게, 동일한 레이저 시스템을 사용하여, 한편으로는 미리 결정된 절단선을 생성하고, 다른 한편으로는 금속-세라믹 기판에 리세스를 생성하는 데 사용되는 레이저 광을 제공한다. 바람직하게, 레이저 매개변수를 변경하고 및/또는 필터를 사용함으로써, 한편으로는 미리 결정된 절단선을 생성하고, 다른 한편으로는 리세스를 생성하기 위한 특성을 변경할 수 있다.
특히, 렌즈와 금속-세라믹 기판 사이의 거리는, 특히 렌즈 및/또는 금속-세라믹 기판이 서로 대향하여 이동할 때, 금속-세라믹 기판의 두께보다 큰 값으로 렌즈의 초점 거리 밑으로 떨어지지 않게 제공된다. 이것은 특히 재료가 층별로 절제되고 그리고 레이저 광의 초점이 추적되는 경우, 레이저 광이 항상 초점을 유지하도록 보장할 수 있다.
바람직하게는, 거리 변경이 연속적으로 또는 개별적인 단계에서 수행되게 제공된다. 특히, 리세스 깊이, 특별히 현재 리세스 깊이는 금속-세라믹 기판을 처리하여 리세스를 생성하는 것과 동시에 측정되어, 렌즈와 금속-세라믹 기판 사이의 거리가 리세스 깊이의 현재 값에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 리세스 깊이는 카메라 및/또는 다른 레이저 시스템에 의해 광학적으로 측정된다. 대안적으로 또는 추가로, 레이저 광은 폐쇄된 윤곽을 따라 이동하며, 렌즈와 금속-세라믹 기판 사이의 거리에서의 개별적인 변경 단계는 폐쇄된 윤곽의 각각의 횡단 또는 일정 수의 횡단 후에 일어날 수 있음을 고려해 볼 수 있다.
바람직하게, 적어도 하나의 후면 금속화를 포함하는 금속-세라믹 기판이 제공되며, 특히 적어도 하나의 후면 금속화 및 적어도 하나의 금속화는 세라믹 요소의 반대 측에 배치 된다. 후면 금속화로 연장되고, 그것을 추가로 절제하는 리세스를 형성하여서, 특히 세라믹 요소로부터 멀어지는 방향으로 향하는 후면 금속화의 측면에서, 후면 금속화가 버가 없는(burr-free) 리세스를 유리하게 생성 할 수 있다. 이 방식에서는, 방법이, 예를 들어 CO2 레이저를 사용하는 것과 같은 기존 방법과 특히 다르게, 리세스의 디버링(deburring)이 수행되는 최종 후처리 단계가 생략된다. 이것은 리세스가 제공되는 금속-세라믹 기판을 생성하는 제조 공정을 가속화 한다.
바람직하게, 레이저 광은 리세스를 형성하기 위해 곡선 윤곽을 따라 적어도 섹션으로 안내 된다. 특히, 곡선형 윤곽은 레이저 광이 가이드되는 이동 방향에 대응하여, 리세스의 에지에 대해 적어도 단면적으로 원형 또는 둥근 코스가 생성된다. 대안적으로, 레이저 광의 이동 방향의 대응하는 조정, 특히 미러 정렬에 의해 실현되는, 리세스에 대한 다각형 또는 각진 또는 직선 에지 윤곽을 고려해 볼 수 있다.
또한, 바람직하게, 진공 기구에 의해 제거되는 금속-세라믹 기판의 분리된 구성요소가 제공 된다. 예를 들어, 이러한 목적을 위해 흡입 장치가 제공되며, 이것은 바람직하게 캐리어에 통합되고, 처리 영역 또는 리세스에 대한 계획 영역 아래에 배치된다. 레이저 광이 나중 리세스와 경계를 이루는 대응 윤곽을 따르는 경우, 리세스의 경계 또는 나중 경계에 의해 둘러싸이는 금속-세라믹 기판의 영역이 절결 된다. 제조된 리세스가 있는 나머지 금속-세라믹 기판으로부터 금속-세라믹 기판의 절단 영역을 분리하는 것을 가능하게 하거나 용이하게 하기 위해서, 유리하게 금속-세라믹 기판의 나머지 또는 분리된 부분을 진공 기구를 통해서 캐리어에 고정할 수 있고, 반면에 금속-세라믹 기판은 캐리어에서 분리된다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치이다. 이 방법에 대해 기술된 모든 기능 및 이점은 장치와 동일하게 적용되며, 그 반대의 경우도 동일하다.
본 발명의 또 다른 양태는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속-세라믹 기판이다. 이 방법에 대해 설명된 모든 기능과 이점은 금속-세라믹 기판과 마찬가지로 전송할 수 있으며, 그 반대도 가능하다.
추가 이점 및 특징은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 주제의 바람직한 실시예에 대한 다음과 같은 설명으로부터 이해할 수 있을 것이다. 개별 실시예에 따른 개별적인 특징들은 본 발명의 범위 내에서 서로 조합될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 방법의 개략도 이다.
도 2는 본 발명의 제2 예시적인 실시예에 따른 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 방법의 개략도 이다.
도 3은 본 발명의 제3 예시적인 실시예에 따른 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 방법의 개략도 이다.
도 4는 본 발명의 제4 예시적인 실시예에 따른 금속-세라믹 기판을 가공처리하는 방법의 개략도 이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 금속-세라믹 기판(1)을 가공처리하기 위한 방법을 개략적으로 도시한다. 그러한 금속-세라믹 기판(1)은 바람직하게는 각각의 경우에 금속-세라믹 기판(1)에 연결될 수 있는 전자 또는 전기 부품의 캐리어 요소로서 기능한다. 이러한 금속-세라믹 기판(1)의 필수 구성요소는 주 연장 평면(HSE)을 따라 연장되는 세라믹 요소(11) 및 세라믹 요소(11)에 접합된 적어도 하나의 금속층(21)이다. 세라믹 요소(11)는 세라믹을 포함하는 적어도 하나의 재료로 제조된다. 이 경우, 적어도 하나의 금속층(21)과 세라믹 요소(11)는 주 연장 평면(HSE)에 대해 수직으로 연장되는 적층 방향(S)을 따라 서로 겹쳐서 중첩하여 배치되고, 제조된 상태에서는, 적어도 접합 표면을 경유하는 영역에서 서로 물질적으로 접합하게 된다. 세라믹 요소(11)는 적어도 하나의 세라믹 층을 포함하고, 또한 예를 들어 중간 금속화가 형성되거나 하이브리드 세라믹을 형성하는 복수의 세라믹 층으로 형성될 수 있다. 다음으로, 바람직하게는, 적어도 하나의 금속층(21)은 전기 구성요소에 대한 도전성 경로 또는 접속점을 형성하도록 패터닝 된다. 예를 들어, 이러한 구조는 적어도 하나의 금속 층(21)으로 에칭된다. 그러나, 사전에 적어도 하나의 금속 층(21)과 세라믹 요소(11) 사이에는 영구 접합, 특히 물질 접합이 형성되어야 한다.
적어도 하나의 금속층(21)을 세라믹 요소(11)에 영구적으로 접합하기 위해서, 특히 DCB 또는 DAB 접합 공정에서, 금속-세라믹 기판(1)을 제조하기 위한 시스템은 세라믹 요소(11)와 적어도 하나의 금속층(21)의 적층된 조립체는 접합을 달성하기 위해 가열되는 노(furnace)를 포함한다. 예를 들어, 적어도 하나의 금속층(21)은 구리로 이루어진 금속층이고, 적어도 하나의 금속층(21)과 세라믹 요소(11)는 DCB(Direct Copper Bonding) 접합 방법을 사용하여 함께 접합된다. 대안적으로, 적어도 하나의 금속층(21)은 능동 납땜(active soldering) 방법 또는 후막(thick film) 방법에 의해 세라믹 요소(11)에 접합될 수 있다.
특히 DCB 공정, 능동 납땜 공정 및/또는 후막 공정에 의한 접합 후에, 금속-세라믹 기판(1)은 대형 카드로서 제공된다. 이러한 대형 카드는 각각의 경우에 단일화된 금속-세라믹 기판(1)을 제공하기 위해 후속 공정에서 단일화 되어야 한다. 바람직하게, 그러한 분리를 위해, 레이저 광(10)에 의해, 특히 초단파 펄스 레이저 광에 의해 대형 카드를 처리하게 된다. 이에 따라, 레이저 광(10)에 의한 분리를 바로 실현할 수 있고 및/또는 후속 공정에서 대형 카드가 절단되는 미리 결정된 절단선을 형성하여, 분리된 금속-세라믹 기판(1)을 형성할 수 있다. 초단파 펄스 레이저에 의해, 당업자는 특히 펄스 길이가 1나노초 미만인 레이저 펄스를 방출하는 그러한 레이저 소스로 이해한다. 바람직하게, 펄스 지속 시간은 0.1과 100ps 사이 이다. 더욱이, 펄스 지속 시간은 펨토초 범위, 즉 펄스 길이가 0.1 내지 100fs 인 것을 생각할 수 있다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 금속-세라믹 기판(1)은 캐리어(40)에 배치 된다.
특히, 레이저 광(10), 특히 UKP 레이저의 레이저 광(10)은 금속-세라믹 기판(1)에 리세스(15), 특히 관통 리세스(15)를 생성하는 데 사용된다. 리세스(15)는, 예를 들어, 관통 도금에 사용되는 관통 구멍 유형 및/또는 하우징 또는 다른 구성 요소에 전원 모듈로 접합되는 금속-세라믹 기판(1)이 접속 또는 결합 영역을 제공하기 위한 관통 구멍으로 제공되는 리세스(15)이다. 이러한 맥락에서, 리세스(15)는 미리 결정된 절단선의 생성 전 및/또는 생성 후에 일시적으로 생성되는 것을 고려해 볼 수 있다. 바람직하게, 동일한 레이저 광(10), 즉 동일한 광원으로부터의 광이 리세스(15) 및 미리 결정된 절단선을 생성하는 데 사용된다. 미리 결정된 절단선을 생성하기 위한 펄스 강도, 펄스 지속 시간 및/또는 펄스 파워는 리세스(15)를 생성하기 위한 것과 다르다는 것을 생각할 수 있다.
또한, 용이하게 캐리어(40)에 의해 고정되는 방식으로 배치되는 금속-세라믹 기판(1)이 제공된다. 특히 금속-세라믹 기판(1) 위에서 볼 수 있는 특정 경로를 갖는, 금속-세라믹 기판(1)에 미리 결정된 절단선 및/또는 리세스(15)를 생성하기 위해, 금속-세라믹 기판(1) 상에서 이동하는 레이저 광(10) 또는 레이저 빔이 제공 된다. 즉, 금속 세라믹 기판(1)을 레이저 광(10) 또는 그 배향에 대하여 이동시키는 대신에, 레이저 광(10) 또는 레이저 빔의 정렬은 금속-세라믹 기판(1) 위를 횡단하는 레이저 광(10)이 각각의 충돌 지점에서 미리 결정된 절단선 및/또는 리세스(15)를 생성하도록 수행되는 것을 예상할 수 있다. 미리 결정된 절단선 및/또는 리세스(15)는 연속적 및/또는 단속적이며, 즉 미리 결정된 절단선이 천공으로 존재하는 것을 고려해 볼 수 있다.
레이저 광(10)을 정렬하기 위해, 특히 레이저 광(10)이 미러 요소(30)로 지향되도록 제공된다. 레이저 빔(10)은 미러 요소(30)에서 반사되고, 이어서 금속-세라믹 기판(1)에 충돌한다. 이와 관련하여, 미러 요소(30)는 레이저 광(10)을 금속-세라믹 기판(1) 상의 특정 처리 영역 또는 특정 영역에 위치시키기 위해 피벗 가능하게 장착되고, 특히 적어도 2개의 축을 중심으로 피벗 가능하게 장착되게 제공된다. 또한, 바람직하게 렌즈(20)가 미러 요소(30)와 금속-세라믹 기판(1) 사이에 배치되어 제공된다. 특히, 렌즈(20)는 특히 대형 카드로서, 실질적으로 금속-세라믹 기판(1)의 길이 및/또는 폭에 대응하는 길이에 걸쳐, 레이저 광(10)의 입사 방향에 실질적으로 수직인 평면을 따라 연장된다. 즉, 금속-세라믹 기판(1) 상을 이동하는 레이저 광(10)은 처리 영역에 관계없이 항상 동일한 렌즈(20)를 통과한다.
특히, 초점 거리가 300mm 보다 크고, 바람직하게는 350mm 보다 크고, 더 바람직하게는 420mm 보다 큰 렌즈(20)를 사용하는 것이 유리 한 것으로 입증되어 있다. 다음으로, 렌즈(20)의 초점 거리에 기본적으로 대응하는 금속 세라믹 기판(1)으로부터의 거리(A)에 렌즈(20)를 배치함으로써, 금속-세라믹 기판(1)의 주 연장 평면(HSE)에 대한 수직선에 대해 비교적 약간 경사진 미리 결정된 절단점 또는 미리 결정된 절단선 또는 리세스(15)를 생성하는 것이 가능하게 된다. 그렇지 않으면, 본질적으로 V-형 또는 노치-형의 미리 결정된 절단선 또는 리세스(15)의 경사각이 예정 된다. 이것은 특히 금속-세라믹 기판(1)의 에지에 형성된 미리 결정된 절단선 또는 리세스(15)에 적용된다. 따라서 이러한 경사진 위치는 특히 레이저 광(10) 또는 레이저 빔이 금속-세라믹 기판(1)의 전체 범위에 걸쳐 균일하게 금속-세라믹 기판(1)에 수직으로 충돌할 수 없다는 사실에 의해 야기된다. 그러나, 300mm 이상의 초점 거리를 사용함으로써, 이러한 스큐(skew)는 특히 금속-세라믹 기판(1)의 에지 영역에서, 금속-세라믹 기판(1)의 수직 방향을 측정 또는 참조하는 경사각이 12°보다 작게, 바람직하게는 10°보다 작게하는 방식으로 감소된다. 특히, 금속-세라믹 기판(1)의 중심에서 미리 결정된 절단선의 방향에 대한 경사각의 편차가 12°를 초과하지 않도록 설정되어야 한다. 따라서, 유리하게, 절단 동작이 전체 금속-세라믹 기판(1)에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포되는 것을 생성하는 것이 가능하다.
또한, 바람직하게, 렌즈(20)와 금속-세라믹 기판(1)의 상부 면(OS) 사이의 거리(A)는 리세스(15)를 제조하기 위한 공정 중에 변경되어, 특히 감소되어, 제공된다. 따라서 유리하게, 금속 세라믹 기판(1)을 처리하는 동안 이미 만들어진 리세스(15)의 깊이에 따라, 렌즈(20)에 의해 야기되는 레이저 광(10)의 초점을 추적하는 것이 가능하다. 즉, 거리(A)를 변경함으로써, 금속 세라믹 기판(1)에 있어서의 연속적인 절제를 고려하여 리세스(15)를 형성하는 것이 가능하여, 적어도 하나의 금속층(21) 및/또는 세라믹 요소(11)의 절제가 증가함에 따라, 레이저 광(10)의 초점은 금속-세라믹 기판(1) 및/또는 금속-세라믹 기판의 이면으로 더 이동한다. 이러한 방식으로, 레이저 파워는 현재 절제되고 있는 재료의 영역에서 가능한 한 크게 유지되므로, 재료의 절제와 관련된 레이저 효율의 감소가 절제 깊이의 증가에 따라 일어나지 않게 된다. 이것은 유리하게, 리세스(15)의 형성을 가속화 하는 가속화된 절제 공정으로 이어진다. 특히, 거리(A)를 변경함으로써, 적층 방향(S)을 따른 초점의 이동이 발생하게 제공된다. 여기서, 렌즈(20)와 금속-세라믹 기판(1)의 상부 면(OS) 사이의 거리(A)의 변화는 바람직하게 지속적으로 및/또는 연속적 또는 불연속적인 단계로 수행된다. 거리(A)를 변경하기 위해서, 렌즈(20)는 바람직하게 주 연장 평면(HSE)에 수직한 방향을 따라 변위된다. 대안적으로 및/또는 보완적으로, 캐리어(40) 및 그에 따른 금속-세라믹 기판(1)을 적층 방향(S)에 대해 평행한 방향을 따라 변위시켜서, 렌즈(20)와 금속-세라믹 기판(1)의 상부 면(OS)과의 사이의 거리(A)를 감소시키는 것을 고려해 볼 수 있다. 특히, 렌즈(20)의 초점 거리가 일정하게 제공된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속-세라믹 기판(1)의 제조 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2에 도시된 방법은 흡입 장치(25)가 추가로 제공된다는 점에서 도 1에 도시된 예시적인 실시예와 다른 것이다. 흡입 장치(25)는 예를 들어 캐리어(40)에 통합되고, 계획된 리세스(15)가 실현되는 처리 영역 아래에 배치된다. 흡입 장치(25)에 의해, 유리하게, 금속-세라믹 기판(1)의 절제된 입자를 흡입하는 음압을 야기하게 할 수 있고, 및/또는 금속 세라믹 기판(1)을 처리하는 동안 및/또는 리세스(15)를 형성하는 동안 분리된 금속-세라믹 기판(1)의 일부 영역이 리세스(15)를 사용하여 금속-세라믹 기판(1)으로부터 분리될 수 있게 보장 할 수 있다. 특히, 이것은 주 연장 평면(HSE)에 평행한 방향으로 레이저 광(10)의 단면보다 단면이 훨씬 큰 리세스(15)를 형성하는 처리 공정에 관한 것이다. 레이저 광(10)의 직경 및/또는 단면이 리세스(15)의 단면보다 작은 경우, 레이저 광(10)은 주 연장 평면(HSE)에 평행한 면에서 예를 들어 리세스(15)의 윤곽을 정의하는 처리 방향(B)을 따라 처리하는 동안의 이동 경로를 따라 이동한다. 정의된 윤곽으로 둘러싸인 금속-세라믹 기판(1)의 일부 영역은 진공 기구에 의해 잔여 피스로서 캐리어(40)에 고정되고, 반면에 금속-세라믹 기판(1)의 나머지 완성된 부분은 캐리어(40)에서 해제된다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속-세라믹 기판(1)에 리세스(15)를 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 특히, 도 3은 금속-세라믹 기판(1)의 평면도이고, 이동 방향(B)을 따른 레이저 광(10)의 이동을 나타내며, 원형 또는 아치형의 윤곽을 형성하고 있다. 또한, 레이저 광(10)은 특히 반경이 감소 및/또는 증가하면서 나선형 윤곽을 따르는 것을 생각해 볼 수 있다. 특히, 대응하여 선택된 처리 방향(B)을 통해 리세스(15)에 대한 원형 윤곽을 실현하는 것을 목표로 한다. 그 중에서, 주 연장 평면(HSE)에 평행하게 이어지는 평면에서, 리세스(15)는 제1 직경(D1)을 갖고, 레이저 광(10)은 제2 직경(D2)을 갖게 제공된다. 이 경우, 제1 직경(D1)에 대한 제2 직경(D2)의 비는 0.2 미만, 바람직하게는 0.1 미만, 보다 바람직하게는 0.05 미만이다. 원형 이동 방향(B)에 대한 대안으로서, 다각형 이동 방향(B) 및/또는 적어도 부분적으로는 선형 이동 방향(B)도 생각해 볼 수 있다.
도 4는 바람직한 제4 실시예에 따른 금속-세라믹 기판(1)을 처리하기 위한 방법을 개략적으로 도시한다. 특히, 도 4는 주 연장 평면(HSE)에 수직인 단면을 따른 금속-세라믹 기판(1)의 단면도를 도시한다. 이와 관련하여, 특히 관통 구멍 또는 관통 리세스(15)를 생성하기 위해 레이저 광(10)을 처리하는 동안, 후면 금속화(30)가 또한 레이저 광(10), 특히 초단파 펄스 레이저로부터의 레이저 광(10)을 통해 제거되게 제공된다. 리세스(15)를 생성 할 때 초단파 펄스 레이저를 사용하여, 유리하게, 예를 들어 CO2 레이저로 제조할 때 통상적으로 형성되는 버(burrs)의 형성을 피할 수 있다. 따라서, 상응하는 방식으로, 형성된 버를 디버링(deburring)하기 위한 후처리 단계를 피할 수 있다. 이것은 리세스(15)를 갖는 금속-세라믹 기판(10)을 제조하기 위한 시간과 관련하여 유리한 것으로 입증되어 있다. 특히, 리세스(15)는 예를 들어 볼트 및/또는 나사를 수용하기 위한 고정 요소를 수용하기 위해 제공되며, 고정 요소는 금속-세라믹 기판(1)을 예를 들어 하우징 또는 다른 구성요소에 고정하기 위한 리세스(15)를 통해 연장된다.
1 금속-세라믹 기판
10 레이저 광
11 세라믹 요소
15 리세스(recess)
20 렌즈
21 금속층
25 흡입(suction) 장치
30 후면 금속화
OS 상부 면
HSE 주 연장 평면
S 적층 방향
B 처리 방향
D1 제1 직경
D2 제2 직경

Claims (15)

  1. 금속-세라믹 기판(1)을 가공처리하는 방법으로, 상기 방법은,
    - 금속-세라믹 기판(1)을 제공하는 단계 - 상기 금속-세라믹 기판(1)은, 주 연장 평면(HSE)을 따라 연장되고 주 연장 평면(HSE)에 수직으로 연장되는 적층 방향(S)을 따라 중첩되어 배치되는, 적어도 하나의 금속 층(21) 및 하나의 세라믹 요소(11)를 구비함 -, 및
    - 레이저 광(10), 특히 초단파 펄스(UKP) 레이저에 의한 처리를 통해 금속-세라믹 기판(1)에 리세스(15), 특히 관통 리세스(15)를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주 연장 평면(HSE)에 평행하게 연장된 상기 리세스(15)의 단면은 동일한 평면을 따라 측정된 상기 레이저 광(10)의 단면보다 더 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 리세스(15)의 단면은 제1 직경을 갖고, 상기 레이저 광의 단면은 제2 직경을 가지며, 상기 제1 직경에 대한 제2 직경의 비는 0.2 미만의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광(10)은 렌즈(20)를 통해 금속-세라믹 기판(1)의 처리 영역으로 지향되고, 렌즈(20)와 금속-세라믹 기판(1)의 상부 면(OS) 사이의 거리(A)는 처리 공정 중에 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 렌즈(L)의 초점 길이는 300mm 초과, 바람직하게는 350mm 초과, 더욱 바람직하게는 430mm 초과하는 길이인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 거리(A)의 변경은 연속적으로 또는 불연속적 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속-세라믹 기판(1)은 적어도 하나의 후면 금속화(30)를 포함하고, 특히 적어도 하나의 후면 금속화(30) 및 적어도 하나의 금속화(21)는 세라믹 요소(11)의 반대편 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광(10)은 곡선 윤곽을 따라 적어도 섹션으로 가이드되어 리세스(15)를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 금속-세라믹 기판(1)의 분리된 구성요소는 바람직하게 진공 기구에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 리세스(15)는 동일한 윤곽을 따라 레이저 광(10)으로 금속-세라믹 기판(1)을 반복적으로 횡단하여서 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 광(10)은 처리 공정을 이행하는 동안 금속-세라믹 기판(1)의 상부 면에 수직으로 입사하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 레이저 광이 제공되고, 레이저 광(10) 및 추가 레이저 광에 의해 리세스(15)가 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 금속-세라믹 기판(1)의 세라믹 요소는 유리-프리(free) 인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 리세스가 있는 금속-세라믹 기판(1).
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