KR20230065162A - 금속 부품 및 세라믹 기판 - Google Patents

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KR20230065162A
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아야코 사카이
유이치 나카무라
게이타 사토
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신꼬오덴기 고교 가부시키가이샤
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Abstract

기둥 형상 금속 부품은, 제1 주면(main surface); 및 상기 제1 주면과는 반대 측의 제2 주면을 포함한다. 상기 제1 주면은 제1 홈을 포함한다. 상기 금속 부품은 상기 제1 주면으로부터 상기 제2 주면까지 상기 금속 부품을 관통하는 관통 구멍을 포함한다.

Description

금속 부품 및 세라믹 기판{METAL COMPONENT AND CERAMIC SUBSTRATE}
본 발명은 금속 부품 및 세라믹 기판에 관한 것이다.
도전층을 포함하는 세라믹 기판이 제안된다. 일부 경우에, 세라믹 기판에 형성된 개구부를 통해 땜납 재료를 이용해서 금속 부품이 도전층에 접합된다.
JP2019-212668A JP2009-188389A
땜납 재료를 이용해서 기판의 개구부 내에 위치하는 도전부에 금속 부품을 접합할 경우, 땜납에 함유된 플럭스가 휘발하기 어려운 상태가 되어, 접합층은 땜납에 다수의 보이드를 포함하게 되고, 이는 접합 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 특히, 200℃ 이상의 고온 환경에서 장기간 사용하면, 땜납의 피로로 인해 접합 신뢰성이 저하된다.
본 발명의 목적은 고온 환경에서의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 금속 부품 및 세라믹 기판을 제공하는 것이다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 기둥 형상 금속 부품은,
제1 주면(main surface); 및
상기 제1 주면과는 반대 측의 제2 주면을 포함하고,
상기 제1 주면은 제1 홈을 포함하고,
상기 금속 부품은 상기 제1 주면으로부터 상기 제2 주면까지 상기 금속 부품을 관통하는 관통 구멍을 포함한다.
본 발명에 따르면, 고온 환경에서의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 세라믹 기판의 개략을 나타내는 단면도.
도 2는 제1 실시형태에서의 금속 부품을 나타내는 상면도.
도 3은 제1 실시형태에서의 금속 부품을 나타내는 하면도.
도 4는 제1 실시형태에서의 금속 부품을 나타내는 정면도.
도 5는 제1 배선층을 나타내는 하면도.
도 6은 제1 실시형태에서의 제1 배선층과 금속 부품 사이의 접합 구조를 나타내는 단면도.
도 7은 제1 실시형태에서의 제1 배선층과 금속 부품 사이의 접합 구조를 나타내는 단면도.
도 8은 제1 실시형태에서의 제1 배선층과 금속 부품 사이의 접합 구조를 나타내는 단면도.
도 9는 제2 실시형태에서의 금속 부품을 나타내는 상면도.
도 10은 제2 실시형태에서의 제1 배선층과 금속 부품 사이의 접합 구조를 나타내는 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 구체적으로 설명한다. 또한, 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 또한, 본 명세서에서는, X1-X2 방향, Y1-Y2 방향, 및 Z1-Z2 방향을 서로 직교하는 방향으로서 정의한다. X1-X2 방향 및 Y1-Y2 방향을 포함하는 평면을 XY 평면으로 기술하고, Y1-Y2 방향 및 Z1-Z2 방향을 포함하는 평면을 YZ 평면으로 기술하고, Z1-Z2 방향 및 X1-X2 방향을 포함하는 평면을 ZX 평면으로 기술한다. 편의상 Z1-Z2 방향을 상하 방향으로 정의하고, Z1 측을 상측으로 정의하며, Z2 측을 하측으로 정의함에 유의한다. 또한, '상면도'는 Z1 측에서 대상물을 보는 것을 의미하고, '평면 형상'은 Z1 측에서 본 대상물의 형상을 의미한다. 그러나, 금속 부품과 세라믹 기판은 거꾸로 된 상태로 사용될 수도 있거나, 임의의 각도로 배치될 수 있다.
(제1 실시형태)
우선, 제1 실시형태를 설명한다. 제1 실시형태는 세라믹 기판에 관한 것이다.
[세라믹 기판의 구성의 개요]
우선, 제1 실시형태에 따른 세라믹 기판의 개요에 대해서 설명한다. 도 1은 제1 실시형태에 따른 세라믹 기판의 개략을 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹 기판(1)은 제1 배선층(11), 제1 세라믹층(12), 제2 배선층(13), 제2 세라믹층(14), 제3 배선층(15), 제3 세라믹층(16), 전극(17) 및 제4 세라믹층(18)을 포함한다. 제1 세라믹층(12), 제2 세라믹층(14), 제3 세라믹층(16), 및 제4 세라믹층(18)은 세라믹 절연 기재를 구성한다.
제1 배선층(11)은 제2 세라믹층(14)의 한쪽의 면(Z2 측의 면)에 형성되어 있다. 제1 배선층(11)의 재료로서는, 예를 들면 텅스텐(W)을 사용할 수 있다. 제1 배선층(11)의 재료로서는, 몰리브덴(Mo) 등을 사용할 수도 있다. 제1 배선층(11)의 두께는, 예를 들면 약 5㎛로 설정될 수 있다. 제1 배선층(11)은 도전층의 일례이다.
제2 세라믹층(14)의 재료로서는, 예를 들면 산화나트륨(Na2O), 산화알루미늄(Al2O3), 산화붕소(B2O3), 이산화규소(SiO2) 등을 사용할 수 있다. 제2 배선층(14)의 두께는, 예를 들면 약 10㎛로 설정될 수 있다.
제2 세라믹층(14)에는, 제1 배선층(11)의 상면(Z1 측의 면)을 노출하기 위한 제1 비아 구멍(14x)이 형성되어 있다. 제1 비아 구멍(14x)은 제2 세라믹층(14)을 관통하도록 형성된다.
제2 배선층(13)은 제2 세라믹층(14)의 다른 쪽의 면(Z1 측 면)에 형성된다. 제2 배선층(13)은 제1 비아 구멍(14x) 내에 충전되는 비아 필 및 제2 세라믹 상에 형성된 배선 패턴을 포함한다. 제2 배선층(13)은 제1 비아 구멍(14x) 내에 노출된 제1 배선층(11)에 전기적으로 접속된다. 제2 배선층(13)을 구성하는 배선 패턴의 두께는, 예를 들면 약 5㎛로 설정될 수 있다.
제3 세라믹층(16)은 제2 배선층(13)을 덮도록 제2 세라믹층(14) 상에 형성된다. 제3 세라믹층(16)의 재료로서는, 예를 들면, 산화나트륨(Na2O), 산화알루미늄(Al2O3), 산화붕소(B2O3), 이산화규소(SiO2) 등을 사용할 수 있다. 제3 배선층(16)의 두께는, 예를 들면 약 10㎛로 설정될 수 있다. 제3 세라믹층(16)에는, 제2 배선층(13)의 상면(Z1 측의 면)을 노출하기 위한 제2 비아 구멍(16x)이 형성되어 있다. 제2 비아 구멍(16x)은 제3 세라믹층(16)을 관통하도록 형성된다.
제3 배선층(15)은 제3 세라믹층(16) 상에 형성된다. 제3 배선층(15)은 제2 비아 구멍(16x) 내에 충전되는 비아 필 및 제3 세라믹층(16) 상에 형성되는 배선 패턴을 포함한다. 제3 배선층(15)은 제2 비아 구멍(16x) 내에 노출된 제2 배선층(13)에 전기적으로 연결된다. 제3 배선층(15)을 구성하는 배선 패턴의 두께는, 예를 들면 약 5㎛로 설정될 수 있다.
제4 세라믹층(18)은 제3 배선층(15)을 덮도록 제3 세라믹층(16) 상에 형성된다. 제4 세라믹층(18)의 재료로서는, 예를 들면 산화나트륨(Na2O), 산화알루미늄(Al2O3), 산화붕소(B2O3), 이산화규소(SiO2) 등을 사용할 수 있다. 제4 배선층(18)의 두께는, 예를 들면 약 10㎛로 설정될 수 있다. 제4 세라믹층(18)에는 제3 배선층(15)의 상면(Z1 측의 면)을 노출하기 위한 제3 비아 구멍(18x)이 형성된다. 제3 비아 구멍(18x)은 제4 세라믹층(18)을 관통하도록 형성된다.
전극(17)은 제3 비아 홀(18x) 내에 충전된 비아 필을 포함한다. 전극(17)의 Z1 측의 면(17a)은 제4 세라믹층(18)의 Z1 측의 면(16a)과 거의 동일 평면으로 되어 있다. 즉, 전극(17)의 표면(17a)은 제4 세라믹층(18)의 표면(16a)으로부터 노출된다. 전극(17)은 제3 비아 구멍(18x) 내에 노출된 제3 배선층(15)에 전기적으로 연결된다. 전극(17)의 두께는, 예를 들면 약 5㎛로 설정될 수 있다.
제1 세라믹층(12)은 제1 배선층(11)을 덮도록 제2 세라믹층(14)의 한쪽의 면(Z2 측의 면)에 형성된다. 제1 세라믹층(12)에는 개구부(12x)가 형성되고, 제1 세라믹층(12)의 개구부(12x) 내에 제1 배선층(11)의 일부가 노출된다. 제1 세라믹층(12)의 재료로서는, 예를 들면 산화나트륨(Na2O), 산화알루미늄(Al2O3), 산화붕소(B2O3), 이산화규소(SiO2) 등이 사용될 수 있다. 제1 배선층(12)의 두께는, 예를 들면 약 15㎛로 설정될 수 있다. 제1 세라믹층(12)은 절연층의 일례이다.
개구부(12x)의 내측에는 금속 부품(120)이 설치된다. 금속 부품(120)은 땜납 접합층(30)에 의해 제1 배선층(11)에 접합된다. 땜납 접합층(30)은 융점이 250℃ 이상이고 열팽창 계수가 낮은 것이 바람직하다. 땜납 접합층(30)의 조성은 Au-Sn, Sn-Sb, Sn-Cu, Sn-Bi, 또는 이것에 Ag, Ge, Sb, Ni 등을 첨가하여 얻어진 것이 바람직하다.
[금속 부품의 구성]
다음으로, 금속 부품(120)의 구성에 대해 설명한다. 도 2는 제1 실시형태의 금속 부품을 나타내는 상면도이다. 도 3은 제1 실시형태의 금속 부품을 나타내는 하면도이다. 도 4는 제1 실시형태의 금속 부품을 나타내는 정면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 실시형태의 금속 부품(120)은 원통 형상을 갖는다. 금속 부품(120)은 제1 주면(121), 제1 주면(121)과는 반대 측의 제2 주면(122), 및 측면(123)을 갖는다.
제1 주면(121)에는, 각각 중심으로부터 외측 가장자리까지 방사상으로 연장되는 복수의 제1 홈(126)이 형성된다. 도 2에서, 제1 홈(126)은 예를 들면 둘레 방향으로 45도 간격으로 8개 형성된다. 다만, 제1 주면(121)에 형성되는 제1 홈(126)의 개수가 8개로 한정되는 것은 아니다. 제1 홈(126)의 개수는 8개 미만일 수도 있고, 8개 초과일 수도 있지만, 적어도 4개의 제1 홈(126)이 둘레 방향으로 90도 간격으로 형성된다. 예를 들면, 제1 홈(126)의 깊이는 50㎛ 내지 100㎛이고, 그 폭은 100㎛ 내지 300㎛이다.
금속 부품(120)에는 제1 주면(121)으로부터 제2 주면(122)으로 금속 부품(120)을 관통하는 복수의 관통 구멍(127)이 형성된다. 제1 주면(121)에서, 제1 홈(126)과 관통 구멍(127)의 위치가 서로 어긋나 있다. 즉, 제1 홈(126)과 관통 구멍(127)의 위치가 서로 겹치지 않는다. 예를 들면, 총 4개의 관통 구멍(127)이 둘레 방향으로 90도 간격으로 형성된다. 예를 들면, 관통 구멍(127)의 직경은 100㎛ 내지 300㎛이다.
측면(123)에는, 복수의 제2 홈(128)이 형성된다. 복수의 제2 홈(128)은 제1 주면(121)과 제2 주면(122)을 연결한다. 즉, 측면(123)은 제1 주면(121)과 제2 주면(122)을 연결하고, 복수의 제2 홈(128)은 제1 주면(121)으로부터 제2 주면(122)까지 연장된다. 예를 들면, 총 8개의 제2 홈(128)이 둘레 방향으로 45도 간격으로 형성된다. 제2 홈(128)은 각각 제1 주면(121)에서의 제1 홈(126)과 연결된다. 예를 들면, 제2 홈(128)의 깊이는 50㎛ 내지 100㎛이고, 그 폭은 100㎛ 내지 300㎛이다.
금속 부품(120)의 직경은 개구부(12x)의 직경보다 작다. 금속 부품(120)과 개구부(12x)의 내벽면 사이에는, 극간(143)이 존재한다(도 6 및 도 7 참조).
[제1 배선층의 구성]
다음으로, 제1 배선층(11)의 구성에 대해서 설명한다. 도 5는 제1 배선층을 나타내는 하면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 배선층(11)은 개구부(12x) 내로 돌출되는 볼록부(130)를 갖는다. 볼록부(130)는 원통 형상을 갖는다. 예를 들면, 볼록부(130)의 높이는 50㎛ 내지 100㎛이다. 볼록부(130)의 직경은 개구부(12x)의 직경보다 작고, 볼록부(130)와 개구부(12x)의 내벽면 사이에는 극간(142)이 존재한다(도 7 및 도 8 참조). 예를 들면, 극간(142)의 크기는 50㎛ 내지 100㎛이다. 극간(142)은 제2 극간의 일례이다. 볼록부(130)에는, 예를 들면 니켈 도금 또는 니켈 도금 상의 금 도금을 실시하는 것이 바람직하다.
볼록부(130)의 Z2 측의 면(131)에는 중심으로부터 외측 가장자리까지 방사상으로 연장되는 복수의 제3 홈(136)이 형성되어 있다. 예를 들면, 총 8개의 제3 홈(136)이 둘레 방향으로 45도 간격으로 형성되어 있다. 예를 들면, 제3 홈(136)의 깊이는 50㎛ 내지 100㎛이고, 그 폭은 100㎛ 내지 300㎛이다.
[제1 배선층과 금속 부품 사이의 접합 구조]
다음으로, 제1 배선층(11)과 금속 부품(120) 사이의 접합 구조에 대해 설명한다. 도 6 내지 도 8은 제1 배선층(11)과 금속 부품(120) 사이의 접합 구조를 나타내는 단면도이다. 도 6은 도 2, 3 및 5의 VI-VI선에 따른 단면도에 해당한다. 도 7은 도 2, 3 및 5의 VII-VII선에 따른 단면도에 해당한다. 도 8은 도 2, 3 및 5의 VIII-VIII선에 따른 단면도에 해당한다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 금속 부품(120)은, 제1 주면(121)이 볼록부(130)의 면(131)에 대향하도록 개구부(12x)에 삽입된다. 예를 들면, 상면도에서, 금속 부품(120)의 관통 구멍(127)과 볼록부(130)의 제3 홈(136)은 서로 겹쳐질 수 있다. 땜납 접합층(30)이 제1 주면(121)과 면(131) 사이에 설치된다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 금속 부품(120)과 개구부(12x)의 내벽면 사이에는 극간(143)이 존재한다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 홈(128)이 형성된 부분에서, 금속 부품(120)과 개구부(12x)의 내벽면 사이에는 극간(143)보다 큰 극간(141)이 존재한다. 극간(141)은 제1 극간의 일례이다.
금속 부품(120)을 제1 배선층(11)에 접합할 경우, 제1 배선층(11)과 금속 부품(120) 사이에 땜납 접합층(30)으로 되는 땜납 재료를 배치하고, 가열에 의해 땜납 재료를 용융시킨 후, 냉각에 의해 땜납 접합층(30)을 형성한다. 땜납 재료는 플럭스를 포함하며, 용융 시 플럭스가 휘발된다. 본 실시형태에서, 휘발된 플럭스는, 예를 들면 제3 홈(136) 및 관통 구멍(127)을 통해 개구부(12x)의 외부로 배출되고, 또한 제1 홈 또는 제3 홈(136) 및 제2 홈(128)을 통해 개구부(12x)의 외부로 배출된다. 이러한 이유로, 땜납 접합층(30)에는 보이드가 존재하기 어렵다. 즉, 본 실시형태에 따르면, 땜납 접합층에서 보이드를 감소시킬 수 있다.
또한, 용융된 땜납 재료는 제1 주면(121)과 면(131) 사이에 모이고, 또한 극간(141), 극간(142), 및 관통 구멍(127) 내로 흐른다. 이 때문에, 땜납 접합층(30)과 제1 배선층(11) 사이에 큰 접촉 면적을 얻을 수 있음과 함께, 땜납 접합층(30)과 금속 부품(120) 사이에도 큰 접촉 면적을 얻을 수 있다. 따라서, 우수한 앵커 효과를 얻을 수 있다.
또한, 땜납 접합층(30)의 두께(Z1-Z2 방향의 치수)는 XY 평면에 평행한 평면 내에서 균일하지 않다. 예를 들면, 제1 주면(121)과 면(131) 사이에 위치하는 부분, 제3 홈(136)으로 슬롯으로 된 부분, 및 제1 홈(126)으로 슬롯으로 된 부분 간의 두께는 서로 다르다. 일반적으로, 200℃ 이상의 고온에서의 사용 시, 땜납 접합층의 경년 변화 등에 따라 금속간 화합물이 성장하고, 금속간 화합물의 성장과 함께 땜납 접합층에 피로 불량이 발생할 수 있다. 한편, 본 실시형태에서는, 땜납 접합층(30)의 두께가 균일하지 않기 때문에, 금속간 화합물의 성장에 따른 땜납 접합층(30)의 피로 파괴를 억제할 수 있다.
이와 같이, 제1 실시형태에 따르면, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 금속 부품(120)을 통해 제1 배선층(11)에 전원이 공급될 수 있다.
(제2 실시형태)
다음으로, 제2 실시형태를 설명한다. 제2 실시형태는 금속 부품의 구성이 제1 실시형태와 상이하다. 도 9는 제2 실시형태에서의 금속 부품을 나타내는 상면도이다.
제2 실시형태에서, 금속 부품(220)은 금속 부품(120) 대신에 개구부(12x)의 내측에 설치된다. 금속 부품(220)은 땜납 접합층(30)에 의해 제1 배선층(11)에 접합된다.
금속 부품(220)에는, 관통 구멍(127) 대신에, 제1 주면(121)으로부터 제2 주면(122)까지 관통하는 복수의 관통 구멍(227)이 형성된다. 제1 주면(121)에서, 제1 홈(126) 및 관통 구멍(227)의 위치는 서로 겹친다. 예를 들면, 총 4개의 관통 구멍(227)이 둘레 방향으로 90도 간격으로 형성된다. 예를 들면, 관통 구멍(227)의 직경은 100㎛ 내지 300㎛이다.
금속 부품(220)의 다른 구성은 금속 부품(120)의 구성과 유사하다.
다음으로, 제1 배선층(11)과 금속 부품(220) 사이의 접합 구조에 대해 설명한다. 도 10은 제1 배선층(11)과 금속 부품(220) 사이의 접합 구조를 나타내는 단면도이다. 도 10은 도 9의 X-X선에 따른 단면도에 해당한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 금속 부품(220)은, 제1 주면(121)이 볼록부(130)의 면(131)에 대향하도록 개구부(12x) 내에 삽입된다. 예를 들면, 상면도에서, 금속 부품(220)의 관통 구멍(227)과 볼록부(130)의 제3 홈(136)은 둘레 방향으로 서로 어긋날 수 있다.
다른 구성은 제1 실시형태와 유사하다.
금속 부품(220)을 제1 배선층(11)에 접합할 때, 제1 배선층(11)과 금속 부품(220) 사이에 땜납 접합층(30)이 되는 땜납 재료를 배치하고, 가열에 의해 땜납 재료를 용융시킨 후, 냉각에 의해 접합층(30)을 형성한다. 땜납 재료는 플럭스를 함유하며, 용융 시 플럭스가 휘발된다. 본 실시형태에서, 휘발된 플럭스는, 예를 들면 제1 홈(126) 및 관통 구멍(227)을 통해 개구부(12x) 외부로 배출되고, 또한 제1 홈(126) 또는 제3 홈(136) 및 제2 홈(128)을 통해 개구부(12x) 외부로 배출된다.
따라서, 제2 실시형태에서도, 제1 실시형태와 마찬가지로 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 본 개시에 있어서, 세라믹 기판의 평면 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 세라믹 기판의 평면 형상은 직사각형 또는 원형일 수 있다.
금속 성분의 재료는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 텅스텐-구리 합금의 기재에 니켈 도금을 실시한 재료를 사용할 수 있다.
또한, 금속 부품의 형상은 원기둥 형상으로 한정되지 않고, 다각 기둥 형상 등일 수 있다.
바람직한 실시형태 등을 상세하게 설명하였지만, 본 개시는 상술한 실시형태 등에 한정되지 않고, 특허청구범위에 정의된 범주에서 일탈하지 않고 상술한 실시형태 등에 대해서 다양한 변경 및 치환이 가능하다.

Claims (10)

  1. 기둥 형상 금속 부품으로서,
    제1 주면(main surface); 및
    상기 제1 주면과는 반대 측의 제2 주면을 포함하고,
    상기 제1 주면은 제1 홈을 포함하고,
    상기 금속 부품은 상기 제1 주면으로부터 상기 제2 주면까지 상기 금속 부품을 관통하는 관통 구멍을 포함하는 금속 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주면 및 상기 제2 주면에 연결되는 제2 홈을 포함하는 측면을 더 포함하는 금속 부품.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 홈과 상기 제2 홈은 연결되는 금속 부품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주면에서, 상기 제1 홈과 상기 관통 구멍의 위치가 서로 어긋나 있는 금속 부품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주면에서, 상기 제1 홈과 상기 관통 구멍의 위치가 서로 겹쳐 있는 금속 부품.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 제1 홈은 상기 제1 주면 상에 중심으로부터 외측 가장자리까지 방사상으로 연장되는 금속 부품.
  7. 세라믹 기판으로서,
    세라믹 절연 기재;
    상기 세라믹 절연 기재의 한쪽의 면에 설치된 도전층;
    상기 세라믹 절연 기재의 한쪽의 면에 설치되고 상기 도전층을 덮는 절연층으로서, 상기 도전층의 일부를 노출하기 위한 개구부를 포함하는 상기 절연층;
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 금속 부품으로서, 상기 개구부 내에 배치되는 상기 금속 부품; 및
    상기 금속 부품의 제1 주면을 상기 도전층에 접합하는 땜납 접합층을 포함하는 세라믹 기판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 부품과 상기 개구부의 내벽면 사이에 제1 극간이 존재하는 세라믹 기판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 도전층은 상기 개구부 내로 돌출되는 볼록부를 갖고,
    상기 볼록부와 상기 개구부의 내벽면 사이에 제2 극간이 존재하는 세라믹 기판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 볼록부는 상기 볼록부의 상기 금속 부품에 대향하는 면에 형성된 제3 홈을 포함하는 세라믹 기판.
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