KR20230098154A - 구리-세라믹 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세라믹 지지체(2) 및 상기 세라믹 지지체(2)의 표면에 접합된 적어도 하나의 구리층(3, 4)을 포함하는 구리-세라믹 기판(1)으로서, 상기 구리층(3, 4)은 Cu 함량이 적어도 99.5% Cu이고, 상기 구리층(3, 4)은 Ag 함량이 적어도 50 ppm이며, 상기 구리층(3, 4)은 Ag 함량이 3000 ppm 이하인, 구리-세라믹 기판(1)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 세라믹 담체 및 상기 세라믹 담체의 표면에 접합된 적어도 하나의 구리층을 포함하고, 상기 구리층은 Cu 함량이 적어도 99.5%이고, Ag 함량이 적어도 50 ppm이며, Ag 함량이 3000 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판에 관한 것이다.
구리-세라믹 기판들(예컨대, DCB, AMB)은, 예를 들어, 전자 전력 모듈을 제조하기 위해 사용되고, 일면 또는 양면 상에 구리층들을 갖는 세라믹 담체의 복합체이다. 상기 구리층들은 일반적으로 두께가 0.1 내지 1.0 mm인 동박 형태의 구리 반제품으로서 조립되고 접합 방법을 사용하여 상기 세라믹 담체에 접합된다. 이러한 연결 방법은 또한 DCB(직접 구리 접합) 또는 AMB(활성 금속 경납땜)로 공지되어 있다. 하지만, 더 높은 강도의 세라믹 담체의 경우, 두께가 훨씬 더 큰 구리 가닥(plies) 또는 구리층이 또한 적용될 수 있으며, 이는 전기적 및 열적 특성과 관련하여 기본적으로 유리하다.
예를 들어, 멀석, Al2O3, Si3N4, AlN, ZTA, ATZ, TiO2, ZrO2, MgO, CaO, CaCO3, 이들 재료들 중 적어도 2개의 혼합물로 만들어진 세라믹판이 세라믹 담체로서 사용된다.
적어도 상기 세라믹 담체로부터 멀리 대면하는 개방 표면 상에, 예를 들어, 평균 입자 크기가 100 μm 이하인 미세 구조를 갖는 구리층을 포함한 구리-세라믹 기판은, 시각적 검사, 50 μm 미만의 와이어 직경에 대한 미세 와이어 접합을 갖는 접합 능력, 매우 미세한 구조에 대한 에칭 거동, 입계 구성, 아연도금성 및 일반적으로 추가 처리에 대한 적합성과 관련하여 근본적인 이점을 갖는 것으로 공지되어 있다. 이에 따라, 상기 구리층에, 주로 개방 표면 상에서, 미세하고 균질한 구조가 유리하다. 또한, 미세한, 따라서 더 단단한 구조는 기계적 손상(예컨대, 긁힘)에 대한 더 높은 기계적 저항성을 제공한다.
상기 DCB 방법 동안의 공정 제어는 1050℃ 초과의 온도 대신에 구리의 융점 바로 아래에서 발생한다. 상기 AMB 방법 동안의 납땜 공정들은 800℃ 이상의 온도에서 발생한다. AMB 및 DCB 제조 공정에서의 열 효과는 구리를 거칠게 만들며, 이러한 경향은 순도가 증가함에 따라 강화된다. 따라서, 거친 입자 형성에 대한 더 높은 저항의 구리 또는 구리 합금이 요구된다.
구리, 즉 순도가 감소된 구리에서 더 높은 농도의 합금 원소들은 구리-세라믹 기판의 최종 사용에서의 요건들에 대응하여 적어도 55 MS/m의 범위인 구리층의 전도성 요건들과 완전히 상반된다. 또한, 상기 구리-세라믹 기판은 제조하기에 경제적이어야 한다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 미세하고 균질한 미세구조 및 높은 전도성을 갖고, 제조비용이 저렴한 구리-세라믹 기판을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 청구항 제1항의 특징을 가지는 구리-세라믹 기판을 제안하여 상기 목적을 달성할 수 있다. 추가의 바람직한 개발이 종속항들에서 발견될 수 있다.
따라서, 세라믹 담체 및, 상기 세라믹 담체의 표면에 접합되는 적어도 하나의 구리층을 포함하는 구리-세라믹 기판이 제안된다. 상기 구리층은 Cu(구리) 함량이 적어도 99.5%이다. 상기 구리층은 추가로 Ag(은) 함량이 적어도 50 ppm이고 Ag 함량이 3000 ppm 이하이다. 상기 구리층은 다른 요소들의 추가 부분들을 수득할 수 있다.
바람직한 구현예들에서, 상기 구리-세라믹 기판은 상기 세라믹 담체의 표면에 각각 접합되는 2개의 구리층을 포함한다.
또한, 상기 구리층은 Cu(구리) 함량이 적어도 99.7%, 예를 들어, 99.8%인 바람직한 구현예가 제안된다.
상기 구리-세라믹 기판의 구리층 또는 구리층들에서, 미세 입자 형성은 제안된 부분들에 의해 달성될 수 있다. 미세하고 균질한 구조가 상기 구리층 내에 형성된다. 100 μm 이하의 평균 입자 크기를 달성할 수 있고, 또한 요구되는 높은 공정 온도에서 유지될 수 있다.
바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 구리층은 평균 입자 크기가 40 μm 내지 100 μm, 더 바람직하게는 40 μm 내지 80 μm인 것이 제안된다. 상기 평균 입자 크기는 추가로 바람직하게는 40 μm 내지 60 μm, 예를 들어, 50 μm일 수 있다. 상기 평균 입자 크기의 표준 편차는, 예를 들어, 30 μm 미만일 수 있다.
이에 따라, 구리층들, 특히 구리 기판 또는 구리층들의 개방 표면적은 다양한 적용을 위해 미세하고 균질한 미세구조의 높은 요건들을 충족한다. 따라서, 상기 구리층은 미세 와이어 접합 동안 시각적 검사 및 접합 능력에 특히 매우 적합하다. 또한, 미세하고 균질한 미세구조로 인해, 상기 구리층은, 특히 평탄한 입계 트렌치(trench) 및 연관된 낮은 거칠기 때문에, 매우 미세한 구조에 대해 특히 양호한 에칭 거동 및 갈바닉 코팅 방법에 대에 특별한 적합성을 나타낸다. 표면 및 구조의 균질하고 일정한 기계적 특성들은 추가 처리 동작들에서 균일한 특성들을 달성하는 것을 돕는다.
대응하는 추가 처리 동작은, 예를 들어, 초음파 방법에 의한 와이어 접합일 수 있으며, 여기서, 예를 들어, 직경이 10 내지 100 μm의 범위인 본딩 와이어(bonding wire)는 정밀한 정확도로 결합되어야 한다. 이 경우, 본딩 와이어들의 접촉점에서의 구조적 균질성이 매우 중요하다. 미세 입자 형성의 결과로서, 상기 구리층의 증가된 강도는 또한 홀 페치(Hall-Petch) 관계에 따라 달성될 수 있다.
상기 구리층의 표면은 칩의 납땜에 특히 적합하며, 특히 상기 칩의 점진적인 소형화의 경우에, 균질하고 미세한 구조는 납땜된 칩의 영역에서 응력 구배를 감소시킬 수 있고, 이는 거칠고 비균질한 구조에 비해 납땜의 품질 및 납땜 이음의 수명을 증가시키기 때문이다.
제안된 구리-세라믹 기판은 높은 구리 함량으로 인해 구리층/층들에서 55 MS/m 초과의 높은 전도도를 동시에 제공한다.
특정 비용 우위는 상기 구리-세라믹 기판이 활성 금속 경납땜(AMB) 및 직접 구리 접합(DCB) 둘 모두에 의해 제조될 수 있다는 사실로부터 기인한다. 특히, 상기 구리-세라믹 기판은 또한 1000℃ 이상의 더 높은 납땜 온도를 요구하는 은-무함유 납땜을 갖는 AMB에 의해 제조될 수 있다. 상기 구리-세라믹 기판은 또한 추가적인 열 접합 방법, 예를 들어, 열 확산 접합을 통해 제조될 수 있다. 이에 따라, 제안된 구리-세라믹 기판은 거친 입자 형성에 대한 높은 저항성을 갖는다.
상기 구리층은 0.4 μm 내지 0.6 μm의 압입 깊이에 대해서 적어도 0.7 GPa의 압입 경도를 갖는 것이 제안된다.
상기 구리층은 0.1 μm 내지 0.25 μm의 압입 깊이에 대해서 적어도 0.8 GPa의 압입 경도를 갖는 것이 추가로 제안된다.
특히 깊이-분해 QCSM 방법에 의해 결정될 수 있는 1 μm 미만의 낮은 압입 깊이에 대한 구리층의 높은 표면 경도는 추가 처리 동안 또는 이러한 공정으로의 이송 동안 기계적 효과에 대한 더 높은 저항(예를 들어, 긁힘에 대한 더 높은 저항)을 발생시킨다. 따라서, 더 높은 표면 품질이 보장될 수 있다. 마찬가지로, 표시된 영역 내에서 이에 상응하게 높은 표면 경도는 복수의 추가 처리 방법들에 유리하다.
추가적인 개발에 따르면, 상기 구리층은 Ag 함량이 800 ppm 이하인 것이 제안된다. 이는 특히 비용 감소를 발생시킬 수 있다.
상기 구리층은 P(인) 함량이 30 ppm 이하인 것이 추가로 제안된다. 인의 존재가 제안된 합금의 긍정적인 입자 미세화 거동을 억제할 수 있다는 것이 인지되었다. 이는 특히 규칙적으로 더 많은 인을 함유할 수 있는 상업적으로 거래되는 구리에 적용된다. 제안된 P 함량의 제한에 의해서 부정적인 영향을 효과적으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
상기 구리층은 P 함량이 적어도 0.1 ppm인 것이 추가로 제안된다. 상기 인 함량의 추가적인 감소는 상기 구리층의 특성의 추가적인 개선을 달성하지 않는다.
추가의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 구리층은 O(산소) 함량이 10 ppm 이하, 더 바람직하게는 5 ppm 이하이다. 이에 상응하게 낮은 산소 함량은 충분한 수소 저항을 달성하여, 다양한 방법 단계가 수소 분위기에서 발생할 수 있다. 동시에, 낮은 산소 함량, 특히 5 ppm의 최대 O는 상기 구리층의 전도도에 긍정적인 영향을 미친다.
상기 구리층은 O 함량이 적어도 0.1 ppm인 것이 추가로 제안된다. 상기 산소 함량의 추가적인 감소는 상기 구리층의 특성의 추가적인 개선을 달성하지 않는다.
추가로 다음과 같이,
상기 구리층은 원소 Cd, Ce, Ge, V, Zn의 함량이 각 경우에 최소 0.01 ppm 내지 최대 1 ppm이고, 여기서
추가의 바람직한 구현예에 따른 구리층은 원소 Cd, Ce, Ge, V, Zn의 함량이 모두 합쳐 0.1 ppm 이상 5 ppm 이하인 것이 제안된다. 그 결과, 높은 전도도 및 이에 상응하는 미세한 미세구조의 달성이 단순화될 수 있다.
추가로 다음과 같이,
상기 구리층은 원소 Bi, Se, Sn, Te의 함량이 각 경우에 최소 0.01 내지 최대 2 ppm이고, 여기서
추가의 바람직한 구현예에 따른 구리층은 원소 Bi, Se, Sn, Te의 함량이 모두 합쳐 0.1 ppm 이상 8 ppm 이하인 것이 제안된다. 그 결과, 높은 전도도 및 이에 상응하는 미세한 미세구조의 달성이 단순화될 수 있다.
추가로 다음과 같이,
상기 구리층은 원소 Al, Sb, Ti, Zr의 함량이 각 경우에 최소 0.01 ppm 내지 최대 3 ppm이고, 여기서
추가의 바람직한 구현예에 따른 구리층은 원소 Al, Sb, Ti, Zr의 함량이 0.1 ppm 이상 10 ppm 이하인 것이 제안된다. 그 결과, 높은 전도도 및 이에 상응하는 미세한 미세구조의 달성이 단순화될 수 있다.
추가로 다음과 같이,
상기 구리층은 원소 As, Co, In, Mn, Pb, Si의 함량이 각 경우에 최소 0.01 내지 최대 5 ppm이고, 여기서
추가의 바람직한 구현예에 따른 구리층은 원소 As, Co, In, Mn, Pb, Si의 함량이 모두 합쳐 0.1 ppm 이상 20 ppm 이하인 것이 제안된다. 그 결과, 높은 전도도 및 이에 상응하는 미세한 미세구조의 달성이 단순화될 수 있다.
추가로 다음과 같이,
상기 구리층은 원소 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, S의 함량이 각 경우에 최소 0.01 내지 최대 10 ppm이고, 여기서
추가의 바람직한 구현예에 따른 구리층은 원소 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, S의 함량이 모두 합쳐 0.1 ppm 이상 50 ppm 이하인 것이 제안된다. 그 결과, 높은 전도도 및 이에 상응하는 미세한 미세구조의 달성이 단순화될 수 있다.
추가로, 상기 구리층은 추가의 불순물을 포함하는 원소 Cd, Ce, Ge, V, Zn, Bi, Se, Sn, Te, Al, Sb, Ti, Zr, As, Co, In, Mn, Pb, Si, B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, S의 함량이 50 ppm 이하인 것이 제안된다. 그 결과, 높은 전도도 및 이에 상응하는 미세한 미세구조의 달성이 단순화될 수 있다.
전술한 내용은 각 경우에 중량 분율을 의미한다.
전술한 과제해결 수단에 의해 본 발명은 미세하고 균질한 미세구조 및 높은 전도성을 갖고 제조비용이 저렴한 구리-세라믹 기판을 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 구현예들을 사용하여 아래에서 설명된다. 아래와 같이:
도 1은 1개의 구리층을 갖는 구리-세라믹 기판을 도시한 도면이다.
도 2는 2개의 구리층을 갖는 구리-세라믹 기판을 도시한 도면이다.
도 3은 DCB 공정에 따른 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 미세 구리층을 도시한 현미경 사진이다.
도 4는 AMB 공정에 따라 본 발명에 따른 구리-세라믹 기판의 미세 구리층을 도시한 현미경 사진이다.
도 5는 DCB 공정 및 AMB 공정에 따라 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 구리층들의 입자 크기 분포를 도시한 도면이다.
도 6은 기준 구리와 비교하여 DCB 공정 및 AMB 공정에 따라 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 구리층의 나노경도를 도시한 도면이다.
도 7은 DCB 공정 및 AMB 공정에 따라 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 구리층의 결정 쌍정(crystal twin)의 면적 부분의 비교를 도시한 현미경 사진이다.
도 1은 1개의 구리층을 갖는 구리-세라믹 기판을 도시한 도면이다.
도 2는 2개의 구리층을 갖는 구리-세라믹 기판을 도시한 도면이다.
도 3은 DCB 공정에 따른 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 미세 구리층을 도시한 현미경 사진이다.
도 4는 AMB 공정에 따라 본 발명에 따른 구리-세라믹 기판의 미세 구리층을 도시한 현미경 사진이다.
도 5는 DCB 공정 및 AMB 공정에 따라 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 구리층들의 입자 크기 분포를 도시한 도면이다.
도 6은 기준 구리와 비교하여 DCB 공정 및 AMB 공정에 따라 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 구리층의 나노경도를 도시한 도면이다.
도 7은 DCB 공정 및 AMB 공정에 따라 구리-세라믹 기판에서 본 발명에 따른 구리층의 결정 쌍정(crystal twin)의 면적 부분의 비교를 도시한 현미경 사진이다.
전력 모듈은 전력 전자제품의 반도체 구성요소이고 반도체 스위치로서 사용된다. 이들은 하나의 하우징 내에서 열 싱크로부터 전기적으로 절연되는 복수의 전력 반도체(칩)을 함유한다. 이들은 납땜 또는 접합에 의해 전기 절연판(예를 들어, 세라믹 재료로 만들어짐)의 금속화된 표면에 적용되어, 한편으로는 기초 판을 향한 열 방출이 보장되고, 다른 한편으로는 전기 절연이 보장된다. 금속화층 및 절연판의 복합재는 구리-세라믹 기판(1)이라고 하며, 소위 DCB 기술(직접 구리 접합) 또는 소위 AMB 기술(활성 금속 경납땜)을 사용하여 산업적 규모로 제조된다.
칩들은 얇은 본딩 와이어들로 접합함으로써 접촉된다. 또한, 상이한 기능들(예컨대, 센서, 저항기)을 갖는 추가적인 모듈들이 존재하고 통합될 수 있다.
DCB 기판을 제조하기 위해, 세라믹 담체(2)(예컨대, Al2O3, Si3N4, AIN, ZTA, ATZ)는 접합 공정에서 구리층들(3, 4)을 사용하여 상부 및 하부에서 서로 결합된다. 상기 공정을 위한 준비에서, 상기 구리층들(3, 4)은, 상기 세라믹 담체(2) 상에 배치되기 전에, (예컨대, 화학적으로 또는 열적으로)표면 산화되고, 이어서 상기 세라믹 담체(2) 상에 배치될 수 있다. 접합부(접합)는 1050℃ 이상의 고온 공정으로 제조되며, 여기서 상기 구리층(3, 4)의 표면 상에 공융 용융물이 생성되며, 상기 공융 용융물은 상기 세라믹 담체(2)와 접합을 형성한다. 알루미늄 산화물(Al2O3) 상의 구리(Cu)의 경우, 예를 들어, 상기 연결은 얇은 Cu-Al 스피넬 층으로 구성된다.
AMB 기판을 제조하기 위해, 상기 구리층들(3, 4)은 적합한 경납땜(brazing solder)에 의해 세라믹 담체(2) 상에 납땜된다. 납땜 공정은 진공 또는 적합한 보호 분위기, 예를 들어, 수소에서, 800℃ 초과의 온도에서 일어난다. 이들은 배치 공정 또는 연속 공정일 수 있다. 은-무함유 납땜(예컨대, CuAlTiSi 납땜)의 사용은 요구되는 공정 온도를 증가시키며, 따라서 이러한 납땜 공정은 최대 1050℃의 온도에서 발생할 수 있다.
또한, 상기 구리-세라믹 기판(1)을 제조하기 위해 방법이 사용될 수 있으며, 여기서 구리와 세라믹 사이의 접합은 확산-기반 접합 공정(예컨대, 열 확산 접합)을 통해 생성된다. 본원의 공정 온도은 또한 마찬가지로 1000℃ 이상이다.
도 1은 세라믹 담체(2) 및 제안된 구리층(3)을 갖는 구리-세라믹 기판(1)의 예시적인 구현예의 개략도를 도시한다. 상기 구리층(3)은 적어도 99.5%의 높은 구리 함량(Cu)을 가지며, 50 ppm 이상의 Ag 및 3000 ppm 이하의 은 함량이 제공된다.
상기 구리층(3)은, 예를 들어, 처음에 기재된 DCB 방법에 따라 또는 AMB 방법으로 상기 세라믹 담체(2)에 결합될 수 있으며, 따라서 상기 구리층은 표면 에지 구역(5)에서 일체형 조인트(joint)에 의해 상기 세라믹 담체(2)에 결합된다.
도 2는 도 1의 예시적인 구현예와 유사한 세라믹 담체(2)를 갖는 구리-세라믹 기판(1)의 예시적인 구현예의 개략도를 도시하며, 이와 대조적으로, 2개의 제안된 구리층들(3 및 4)이 제공된다. 상기 구리층들(3 및 4)은 적어도 99.5% Cu의 높은 구리 함량을 가지며, 여기서 50 ppm 이상의 Ag 및 3000 ppm 이하의 Ag의 은 함량이 제공된다.
상기 구리층들(3 및 4)은, 예를 들어, 처음에 기재된 DCB 방법에 따라 또는 AMB 방법으로 상기 세라믹 담체(2)에 결합될 수 있으며, 따라서 상기 구리층들은 각각의 표면 에지 구역들(5 및 6)에서 일체형 조인트(joint)에 의해 상기 세라믹 담체(2)에 접합된다.
제안된 Cu 및 Ag 함량, 특히 제안된 O 함량이 10 ppm 이하, 더 바람직하게는 5 ppm 이하인 구리층(3 및 4)은 고전도성 Cu 재료이고, 55 MS/m, 바람직하게는 적어도 57 MS/m, 및 특히 바람직하게는 적어도 58 MS/m의 전도도를 갖는다.
Ag의 첨가, 최대 30 ppm으로 인 함량의 제한, 구리층(3, 4) 내 추가적인 원소의 존재는 비교적 작은 Ag 함량으로도 AMB 방법 또는 DCB 방법에서의 열 효과로 인한 구리층(3, 4) 구조의 조대화를 상쇄하기에 충분하게 하여, 구리-세라믹 기판(1)의 구리층(3, 4)이 미세하고 균질한 구조를 갖게 할 수 있다. 이는 특히, 예를 들어, 매우 미세한 구조들의 에칭에 적합하다. 또한, 상기 미세한 구조는 상기 구리층(3, 4)의 증가된 강도를 발생시키고, 따라서 홀 페치(Hall-Petch) 관계에 따라 기계적 손상에 대한 증가된 저항을 발생시킨다.
상기 구리층(3 및 4)의 구리 반제품들은 두께가 0.1 내지 1.0 mm일 수 있고 상기 세라믹 담체(2) 상에 큰 치수로 배치되고 DCB 방법에 의해 상기 세라믹 담체(2)에 접합된다. 그런 다음, 대면적 구리-세라믹 기판(1)이 더 작은 단위로 절단되고 추가로 처리된다. 대안적으로, 상기 접합은 AMB 방법에 의해 실시될 수 있다.
상기 구리층(3, 4)을 위한 상기 구리 반제품들은, 예를 들어, 산소를 배제하는 생산 방법들로 생성될 수 있다.
또한, 구리층(3 및 4)은 각각의 경우에 최소 0.01 내지 최대 1 ppm의 원소 Cd, Ce, Ge, V, Zn의 함량 및/또는 각각의 경우에 최소 0.01 내지 최대 2 ppm의 원소 Bi, Se, Sn, Te의 함량, 및/또는 각각의 경우에 최소 0.01 내지 최대 3 ppm의 원소 Al, Sb, Ti, Zr의 함량 및/또는 각각의 경우에 최소 0.01 내지 최대 5 ppm의 원소 As, Co, In, Mn, Pb, Si의 함량, 및/또는 각각의 경우에 최소 0.01 내지 최대 10 ppm의 원소 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, S의 함량을 가질 수 있다. 열거된 추가 원소는 주조 직전에 용융 공정 동안 도핑에 의해 미세구조 내로 의도적으로 도입될 수 있거나, 또는 구리 반제품의 제조 동안 상기 구리층(3 및 4)에 이미 존재할 수 있다. 임의의 경우에, 추가의 불순물을 포함하여 상기 원소들의 함량은 바람직하게는 50 ppm 이하이어야 한다.
또한, 추가의 바람직한 구현예에 따른 구리층(3, 4)은 원소 Cd, Ce, Ge, V, Zn의 함량을 모두 합하여 적어도 0.05 ppm 내지 5 ppm 이하로, 원소 Bi, Se, Sn, Te의 함량을 모두 합하여 적어도 0.1 ppm 내지 8 ppm 이하로, 원소 Al, Sb, Ti, Zr의 함량을 모두 합하여 적어도 0.1 ppm 내지 10 ppm 이하로, 원소 As, Co, In, Mn, Pb, Si의 함량을 모두 합하여 적어도 0.1 ppm 내지 20 ppm 이하로, 및 원소 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, S의 함량을 모두 합하여 적어도 0.1 ppm 내지 50 ppm 이하로 가질 수 있다.
요소들의 기재된 정량적 함량들은 미세구조의 제안된 평균 입자 크기를 생성하는 것을 도울 수 있다. 이러한 미세조직의 형성은 특히 원소에 의한 미세조직의 입자 미세화 및 결합과정에서 미세구조에서의 2차 재결정의 감소에 의한 것이다.
도 3은 DCB 방법으로 제조된 구리-세라믹 기판(1)의 구리층(3, 4) 중 하나의 현미경 사진을 도시한다. 상기 예시적인 구현예에서, 구리층(3, 4)의 구조는 28.5 μm의 표준 편차를 갖는 56.5 μm의 평균 입자 크기를 특징으로 하고, 따라서 100 μm의 평균 입자 크기의 요건에 미치지 못한다. 입자 크기는 선형 절편법(linear intercept method, DIN EN ISO 2624)에 따라 측정하였다.
도 4는 AMB 방법으로 제조된 구리-세라믹 기판(1)의 구리층(3, 4) 중 하나의 현미경 사진을 도시한다. 구리층(3, 4)의 구조는 상기 예시적인 구현예에서 34.6 μm의 표준 편차를 갖는 78 μm의 평균 입자 크기를 특징으로 하며, 따라서 100 μm의 평균 입자 크기의 요건에 미치지 못한다. 입자 크기는 선형 절편법(linear intercept method, DIN EN ISO 2624)에 따라 측정하였다.
도 3 및 도 4에 따른 두 예시적인 구현예의 입자 크기 분포를 도 5에 도시하였다. DCB 방법 및 AMB 방법에 따른 제조의 경우 둘 모두에서, 단일모드 입자 크기 분포는 구리층(들)(3, 4)에서 생성된다.
도 6에서, GPa에서의 관통 경도는 DCB 방법에 따른 구리층(3, 4)(흑색 원), AMB 방법에 따른 구리층(백색 원) 및 기준 구리층(흑색 사각형)에 대한 깊이-분해 QCSM 방법에 의해 나노경도 측정치(μm)의 정규 변위에 걸쳐 플롯팅된다. 상기 나노경도 측정은 복수의 응력 수준으로 실시되었으며, 최대 시험 하중은 100 mN이다. 베르코비치(Berkovich) 압자를 압자로서 사용하였다. 이에 따라, 압입 경도는 압입 깊이의 함수로서 플롯팅된다. 본 발명에 따른 구리-세라믹 기판(1)의 구리층(3, 4)의 표면은 기준 구리보다 양쪽 생산 경로에 걸쳐 최대 3.5 μm의 모든 압입 깊이에 걸쳐 더 높은 압입 경도를 나타낸다. 제안된 합금으로 구리층(3, 4)의 낮은 압입 깊이 또는 표면 근처 영역에 대해 유의적으로 개선된 압입 경도가 달성될 수 있음이 밝혀졌다. 무엇보다도, 이는 긁힘에 대한 내성을 증가시키고 추가 가공 작업에서 기계적 효과에 대한 저항성에 유리하다. 예를 들어, 2 μm 미만, 추가로, 예를 들어 1 μm 또는 심지어 0.5 μm의 표면 근방 영역에 대한 높은 압입 경도의 이러한 특성은 또한 초음파 용접 방법에서 매우 미세한 본딩 와이어의 적용에 유리하다.
또한, AMB 방법뿐만 아니라 DCB 방법에 따라 제조된 본 발명에 따른 구리-세라믹 기판(1)의 구리층(3, 4) 구조는 쌍을 이루는 쌍정 형성(twin formation)이 증가된 것을 특징으로 한다. 쌍정은 쌍정 위치로 접힌 입자의 중심 영역에 대응하는 스트립으로서 현미경 사진에서 검출될 수 있다. 미세구조는 구리-세라믹 기판(1)의 선택된 생산 경로, 예를 들어, DCB(도 7a) 또는 AMB(도 7b)에 따라 약간 상이할 수 있다.
쌍정 형성은 구리 재료에서 실제로 공지된 현상이다. 구리-세라믹 기판(1)의 경우, 열적으로 활성화된 접합 공정에서 강화된 쌍정 형성이 관찰된다. 따라서, 재결정화 과정에서 열 쌍정 형성이 발생한다. 이는 열적으로 유도된 쌍정 형성(어닐링 쌍정)이다. 쌍정 형성은 특히 미세 구조의 경우에 재료의 경도에 긍정적인 영향을 미친다.
쌍정은 도 7에서 어둡게 음영 처리되었다. 도 7a에 따르면, DCB 방법에 따른 구리층(3, 4)의 구조에 대해, 19.4%의 쌍정이의 면적 비율이 수득된다. 도 7b의 예시적인 구현예에 대응하는 AMB 방법에 따른 구리층(3, 4)의 경우, 21.6%의 쌍정의 표면 부분이 수득된다. 언급된 면적 부분은 기준 구리와 약간만 차이가 있지만, 더 작은 쌍정이 더 많아, 더 적은 수의 큰 쌍정보다 경도 증가에 더 큰 영향을 미친다.
Claims (10)
- 구리-세라믹 기판(1)으로서,
세라믹 담체(2) 및
상기 세라믹 담체(2)의 표면에 접합된 적어도 하나의 구리층(3, 4)을 포함하고,
여기서, 상기 구리층(3, 4)은 Cu 함량이 적어도 99.5%이고,
상기 구리층(3, 4)은 Ag 함량이 적어도 50 ppm이며, 그리고
상기 구리층(3, 4)은 Ag 함량이 3000 ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 평균 입자 크기가 40 μm 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제2항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 평균 입자 크기가 40 μm 내지 80 μm인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 0.4 μm 내지 0.6 μm의 압입 깊이에 대해 적어도 0.7 GPa의 압입 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 0.1 μm 내지 0.25 μm의 압입 깊이에 대해 적어도 0.8 GPa의 압입 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 P 함량이 30 ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 P 함량이 적어도 0.1 ppm인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 O 함량이 10 ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 O 함량이 적어도 0.1 ppm인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층(3, 4)은 추가의 불순물을 포함하는 원소 Cd, Ce, Ge, V, Zn, Bi, Se, Sn, Te, Al, Sb, Ti, Zr, As, Co, In, Mn, Pb, Si, B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni 및 S의 함량이 50 ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 구리-세라믹 기판(1).
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