KR900003845B1 - 질화 알루미늄(ain)회로 기판 - Google Patents

질화 알루미늄(ain)회로 기판 Download PDF

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Abstract

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Description

질화 알루미늄(AlN)회로 기판
제 1 도는 질화알루미늄 회로 기판의 구조를 도시하는 횡단면도이다.
제 2 도는 판형 리이드프레임(lead frame)을 이용하는 본 발명의 평면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : AlN판 2 : Si요소
3 : 금속화된 층 4 : 납땜층
5, 6 : 리이드프레임 8 : 도금층
본 발명은 질화 알루미늄 회로 기판에 관한 것인데 특히, 리이드프레임과 기판사이의 넓은 접착 면적에서 균열의 발생이 없게 한 질화 알루미늄 회로 기판에 관한 것이다.
종래에는 반도체용 회로 기판으로서, 저렴한 알루미나(Al2O3)기판이 이용되었는데, 기판상에 회로가 형성되고 회로상에는 반도체 장치를 포함하는 여러 요소가 장착되어 있다.
최근에 반도체 장치가 큰 출력을 내는 경향에 따라 장치의 열 방출값이 커지게 되었다.
이로 인하여 Al2O3기판이 열방출 특성에 충분히 효율적으로 적응치 못하다는 문제가 있었다.
상기 경향으로 리이드프레임의 크기가 커지게 되었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자는 Al2O3대신에 우수한 열방출 특성을 갖는 질화알루미늄(AlN)을 이용하는 회로 기판을 만들고자 한다.그러나 AlN 회로 기판은 다음을의 새로운 문제를 야기한다.
회로 기판면의 선정된 위치상에 전극으로서 작용하는 리이드프레임이 접착된다.
종래의 금속화된 층은 Al2O3기판면상에 형성되고 리이드프레임으로서 사용되는 전자전도 물질이 금속화된 층을 통해 접착된다.
이 경우에 납땜 특성이 좋다는 이유로하여 용접 밀폐용 Fe-Ni-Co 합금이 이용되어진다.
AlN 회로 기판면상에 종래의 금속화된 층을 형성하고 리이드프레임을 접착하여 갖추어진 AlN 회로 기판에서 온도의 증가에 따라 접착부에서 균열이 생기게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에서의 상기 문제를 해결하고, 리이드프레임이 접착되며 접착부에서 균열의 발생이 없는 AlN 회로 기판을 제공하는 것이다.
본 발명자는 AlN 기판의 열팽창 계수와 리이드프레임의 열팽창 계수 사이의 차에 의해 균열이 발생하고 AlN의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖는 금속물질을 이용함으로써 균열의 발생이 저지된다는 것을 알게되었다.
더 상세하게는 질화 알루미늄 회로 기판은 질화알루미늄판의 접착면상에 형성된 금속화된 층을 통해 질화알루미늄판에 접착된 전도 물질과 질화 알루미늄핀으로 구성되는데 금속 물질로 된 상기 전도물질은 2×l0-6-6×10-6/℃의 열팽창 계수를 갖는다.
이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 회로 기판은 전술한 리이드프레임을 구성하는 전도물질에 의하여 특징지어지지만 꼭 그 형태로 국한되지는 않는다.
제 1 도는 본 발명이 플랫패키지(flat package)에 적용되어질 때의 기관의 횡단면도이다.
Si로 구성된 반도체 요소(2)는 AlN판(1)면에 사전 선정된 부분에 접착 되어진다.
Si 반도체 요소(2)는 금속화된 층(3)과 납땜층(4)을 통해 판(1)에 접착된다. 금속화된 층은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등으로 구성되고 "알루미나 세라믹 투메탈 시일즈 바이더 Mo-Mn 프로세서(Alumina Ceramic-to-Metal seals by the Mo-Mn Process)", 요교-교까이-시(Yogyo-Kyokai-Si),79(9)1971, PP 330-339, 에이치. 다까시오(H,TAKASHIO)에 서술된 것 처럼 종래의 금속화된 방법을 이용하여 형성된다. 납땜 물질로서 은납과 같은 보통 납 같은 종래의 납땜 물질이 이용되어진다.
Si와 AlN의 열팽창 계수가 같으므로 Si와 AlN판 사이에 완충층을 제공할 필요는 없다.
제 1 도에서 전도 물질인 리이드프레임(5)(6)은 Si요소(2)의 경우와 유사하게 금속화된 층(3)과 납땜층(4)를 통해 관(1)의 양끝에 접착된다.
리이드프레임(5)(6)을 구성하는 물질은 전술한 것처럼 AlN(4.6×104-6/℃)과 유사한 열팽창 계수를 갖는 것이 필요하다.
열팽창 계수는 2×10-6/℃-6×10-6℃의 범위에 있는데 특히 4×10-6/℃-5×10-6/℃의 범위를 갖는다.
상기 요구 조건에 부가적으로 전도물질은 높은 열전도율(특히 50W/m.k 이상)과 낮은 전기저항을 갖는다.
전도물질의 특별한 예로서 다음과 같은 것들이 있다. 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), Co-Sm이 첨가된 몰리브덴, 도프(dope) 몰리브덴(총 0.5% 정도로 K,Si 및 알루미나를 함유) 같은 몰리브덴계 합금, 도프 텅스텐(Al,Si 및 K의 적은양을 함유), 쏘리에티드(thoriated) 텅스텐(무게로 0.5-1.5%의 tho2를 함유)과 같은 텅스텐계 합금, 인바아(Invar)강(Ni을 34-37% 함유)과 Fe-Ni합금(도시바 케이.케이에 의해 생산되고 상표명이"NSD"이며 Ni를 42% 함유하며 5×10-6/℃의 열팽창 계수를 가짐) 크로움계 합금, 인청동, 베림륨(beryllium)동, 황동과 같은 구리계 합금, 구리, 구리(KOV-Cu 크래드(clad)금속 : KOV는 도시바 케이.케이의 상표명)와 용접 밀폐용 Fe-Ni-Co 합금의 크래드금속, Mo-Cu 크래드금속, W-Cu크래드금속 등등.
상기 전도 물질중 특히 몰리브텐이 좋다.
AlN 판상의 금속층으로서 다음을 함유한 전도되는 금속화된 층이 이용되어진다.
(i) 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨(Tantalum)으로 구성되는 첫번째 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소.
(ⅱ) 주기율표에 있는 IIa촉 원소, IIIa 및 IIIb족 원소, IVa족 원소, 희토류 원소, 악티늄 원소로 구성되는 두번째 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소.
전도 금속층의 상기 원소에서 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 탄탈륨(Ta)의 첫번째 그룹에 속하는 원소는 열팽창 계수에서 AlN 물질과 정확하게 같고 열저항이 우수하여 열저항 특성과 순환하는 열저항 특성을 향상시킨다.
상기 원소는 한 원소 또는 둘 이상 원소의 조합으로서 금속화된 층의 충전재내에 포함되어진다.
더 상세하게는 첫번째 그룹에 속하는 상기 원소는 각 원소, 각 원소가 있는 혼합물 또는 고용체, 또는 상기 원소로 구성되는 그룹에서 선택된 둘 또는 그 이상 원소의 혼합물, 혼합물과 고용체의 형태로 금속화된 층에 존재한다.
혼합물은 상기 원소중 산화물, 질화물, 탄화물, 질화산, 탄화질화물, 탄화산화물, 탄화질화산, 붕소화물,규화물 등이다.
전술한 원소에 부가적으로 이러한 혼합물은 두번째 그룹(후술됨)애 속하는 적어도 하나의 원소나 두번째 그룹에 속하는 것과는 다른 적어도 하나의 원소에 포함되는 복합혼합물 또는 고용체이다.
원소로서 Mo의 경우를 취할때, Mo는 Mo 또는 Mo-Al 고용체의 형태로 전도되는 금속화된 층에 존재한다.
전도되는 금속화된 층의 원소에서 IIIb족 원소(B,Al,Ga,In,Tl), IVa족 원소(Ti,Zr,Hf), IIIa족 원소(Sc,Y,Te), 회토류 원소(Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Ln) 및 악티늄족 원소(Ac,Th,Pa,U,Np,Pu,Am,Cm,Bk,Cf,Es,Fm, Md,No,Lr)에 속하는 원소는 AlN에 비해 습기진데서 전도능력이 우수하고, 전도되는 금속화된 층과 AlN판 사이에서 점착력을 향상시킨다.
AL,Ti,Zr,Hf,Y,Ce,Dy,Th,Sm은 두번째 그룹에 속하는 원소보다 특히 전도능력이 우수하다. 첫번째 그룹에 속하는 원소에서와 동일한 방법으로 두번째 그룹에 속하는 원소도 하나의 원소 또는 둘 이상의 원소의 혼합물의 형태로 금속화된 층을 포함된다.
상기 원소는 혼합물과 고용체, 각 원소로 구성되는 그룹에서 선택된 둘 이상 원소의 혼합물 또는 각 원소를 포함하는 혼합물 또는 고용체, 각 원소의 형태로 금속화된 층에서 존재한다.
성분상(成分相)으로서 Ti의 경우에 Ti는 TiN,TiO2등의 형태로 전도되는 금속화된 층에 존재한다.
본 발명에서 첫번째 그룹과 두번째 그룹에 속하는 원소의 성분비가 상세하게 명시되어 있지 않다. 사용된 원소 또는 조합의 종류에 따라 성분비가 정확히 결정된다.
첫번째 그룹에 속하는 원소대 두번째 그룹에 속하는 원소의 비가 원자비로 90 : 10에서 10 : 90이다. 열방출을 나타내는 50W/m.k 이상의 열팽창 계수를 갖는 AlN기판이 충분히 작용을 한다.
다음 경우에 본 발명을 이용하는 것이 효과적이다. 접착면적이 넓어서 핀형이 아니고 판형 리이드프레임을 이용하는 경우에 경우에 열팽창 계수 사이에 차가 문제가 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 전도물질이 이용되어진다. 이 경우에 본 발명은 접촉면적이 4mm2일 때 효과적이고, 8mm2일 때 더 효과적이고, 16mm2일 때 훨씬 효과적이다.
판형 리이드프레임을 이용하는 경우에 리이드프레임상에 Si판을 제공하고 Si판상에 여러 원소를 제공하는 것이 가능하므로 본 발명은 큰 용량을 갖는 회로 기판의 개발에 기여한다.
제 2 도에서 판형 리이드프레임(5)은 도시된 것 처럼 도금층과 금속층(3)을 통해 AlN판에 접착된다.
[실시예1]
제 1 도에서 도시된 플랫패키지 회로 기판이 갖추어진다. 회로 기판은 AlN판 (1)으로서 100W/m.k의 열전도율을 갖는 AlN판을 이용하고, AlN판(1)상의 선정된 부분에 몰리브덴으로된 금속화된 층(3)을 제공하며, 금속화된 층(3)상에 도금층(8)을 제공하고, 은동합금으로 된 은납층(4)으로 구성되며, AlN간에 Si펠레트(pellet)원소(2)와 리이드프레임(5)(6)을 접착하여 갖추어진다.
리이드프레임이 접착된 접착면적은 각각 16mm2이다. 리이드프레임(5)(6)용 물질로서 5.1×10-6/℃의 열팽창계수를 갖는 몰리브덴이 사용되어진다. 회로 기판 전체는 용접 밀폐되어 플랫패키지를 이룬다.
리이드프레임(5)(6)이 접착된 AlN판의 접착부 상의 균열발생을 발견하기 위해 상기 얻어진 판의 100개의 바디(body)상에서 관찰이 이루어진다.
대조로 회로 기판과 패키지는 리이드프레임(5)(6)과 같은 Fe-Ni-Co 합금(7.0×10-6/℃의 열팽창 계수를 가짐)을 이용하는 것을 제외하고는 상기에서와 같은 방법으로 갖추어지고, 상기와 동일한 관찰로 이 패키지상의 100바디중 80바디에서 균열의 발생이 발견되었다.
[실시예2]
제 2 도에서 도시된 것 처럼 회로 기판은 다음 방법으로 갖추어진다.
150W/m.k의 열전도율을 갖는 12.7mm×12.7mm의 AlN판(1)의 선정된 부상에 몰리브덴으로 된 금속층이 있고, 금속층상에 니켈 도금층이 있으며, 도금층상에 은동 합금으로 된 은납층이 있다.
3.0mm×3.4mm의 리이드프레임(5)(6)이 AlN판에 접착된다.
리이드프레임의 접착면적이 41mm2이다. 리이드프레임용 물질로서 5.1×10-6/℃의 열팽창 계수를 갖는 몰리브덴이 사용된다.
회로 기판 전체는 용접 밀폐되어 플랫패키지를 이룬다. 대조로 7.0×10-6/℃의 열팽창 계수를 갖는 Fe-Ni-Co 합금의 리이드프레임을 이용하는 것을 제외하고는 상기와 같은 방법으로 갖추어진다.
실시예 1에서와 같은 관찰 테스트와 장력테스트는 이러한 패키지의 준비 후, -50℃×0.5 시간에서 200사이클(Cycle)의 TCT와 125℃×0.5 시간에서 1사이클 후, -50℃×0.5 시간에서 500 사이클의 TCT후에 즉시 행해진다.
장력테스는 코바(KOVAR)(도시바 케이.케이에 의해 생산된 Ni-Co-Fe 합금의 상표명)로 된 핀이 납땜에 의해 리이드프레임상에 제공되고, 장력이 수직방향으로 폴게이지(pullgauge)를 사용하여 핀에 제공되는 방법으로 행해진다.
100바디당 균열의 발생을 일으키고 10바디당 평균 장력을 가져야 하는 것이 표 1에 도시된다.
[표 1]
Figure kpo00001
[실시예 3]
실시예 2와 동일한 금속물질을 이용하여 다음 실험이 행해진다.
1) Mo와 Fe-Ni-Co 합금으로 된 두 종류의 핀이 금속화된 층을 통해 AlN 판면에 접착된다. 상기 두판은 접착부에서 균열이 발생하지 않게 하기 위해 나타난다.
2) Mo와 Fe-Ni-Co 합금으로 된 두 종류의 좁은 판이 4mm2이하의 접착부에서 금속화된 층을 통해 AlN 판면에 접착된다. 상기 두 판은 접착부에서 균열이 발생하지 않게한다.
3) 접착면적이 3mm2, 6mm2,10mm2으로 변하며 몰리브덴과 KOV(도시바 케이.케이에 의해 생산된 Ni 29%, Co 17% 나머지 Fe인 것의 상표명)를 이용하는 것은 제외하고는 실시예 2와 동일한 패키지가 갖추어진다.
패키지의 준비 후 즉시 관찰 테스트가 행해진다. 패키지의 10바디당 균열의 발생을 일으키는 패키지의 수가 표 2에 도시된다.
[표 2]
Figure kpo00002
(수량=10)
[실시예 4]
1시간 동안 질소중에서 1700℃의 온도로 AlN 판상에서 Mo-TiN 합금(Mo : TiN의 비가 2 : 1)의 금속화된 층을 이루는 것과 니켈 일렉트로리스(electroless) 도금을 하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 플랫패키지가 갖추어진다.
반면에 금속화된 층으로서 H2-N2의 습기진 기체 상태로 1500℃에서 Mn의 8%를 함유하는 Mo-Mn 합금을 이용하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 패키지가 갖추어진다.
외관상으로 이러한 패키지 사이의 차가 없다. 그러므로 Mo-Mn 합금을 이용하는 패키지의 장력은 약 1kg.f/mm2만큼 작고 Mo-Mn 합금을 이용하는 모든 패키지는 실시예 2에서 행해진 것처럼 TCT의 200사이클 이후에 금속화된 층에서 금속층이 벗겨지거나 균열의 발생이 있다.
전술한 것처럼 질화알루미늄 회로 기판은 리이드프레임과 같은 전도물질이 질화알루미늄과 유사한 열팽창계수를 갖는 금속 물질로 구성되고 원소에서 발생한 열이 회로 기판의 온도를 상승시킨다 할지라도 초과스트레스가 회로 기판에 작용하지 않으므로 균열의 발생이 없고 우수한 열방출 특성을 갖는다.
따라서 회로 기판의 신뢰도가 훨씬 향상되고 산업적 가치가 크게 된다.

Claims (11)

  1. 질화알루미늄판의 접착면상에 형성된 금속화된 층(3)을 통해 질화알루미늄판에 접착된 전도물질(5)과 질화알루미늄판(1)으로 구성되는데 있어서, 2×10-6/℃∼6×10-6/℃의 열팽창 계수를 갖는 금속물질로된 전도물질인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 기판.
  2. 제 1 항에 있어서, 열팽창 계수가 4×10-6∼5×10-6/℃ 범위인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 회로 기판.
  3. 제 1 항에 있어서, 전도물질이 판형 리이드프레임 인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 회로 기판.
  4. 제 3 항에 있어서, 질화알루미늄과 리이드프레임과 접착 면적이 4mm2이하인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 회로 기판.
  5. 제 4 항에 있어서, 질화알루미늄과 리이드프레임의 접착면적이 8mm2이하인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 회로 기판.
  6. 제 5 항에 있어서, 질화알루미늄과 리이드프레임의 접착면적이 16mm2이하인 것을 특징으로 하는 질화암루미늄 기판.
  7. 제 1 항에 있어서, 금속화된 층이 몰리브덴과 텅스텐에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 기판.
  8. 제 1 항에 있어서, 전도물질이 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴계 합금, 텅스텐계 합금, 니켈계 합금, 크로움계 합금, 구리계 합금, 구리, 구리와 용접 밀폐용 Fe-Ni-Co 합금의 크래드 금속, Mo-Cu 크래드 금속과 W-Cu 크래드 금속으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 회로 기판.
  9. 제 8 항에 있어서, 전도물질이 몰리브덴인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 기판.
  10. 제 8 항에 있어서, 전도물질이 인바아강 인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 기판.
  11. 제 1 항에 있어서, (i) 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨으로 구성되는 첫번째 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소와, (ii) 주기율표에 있는 IIa족 원소, IIIa와 IIIb족 원소, IVa족 원소, 희토류 원소, 악티늄족 원소로 구성되는 두번째 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 함유하는 전도되는 금속화된 층인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 회로 기판.
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