KR910000336B1 - 전자기기 장치 - Google Patents

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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

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Description

전자기기 장치
제1도는 본 발명의 전자기기 장치의 점화장치의 주요부를 나타내는 단면도.
제2도는 종래의 점화장치의 주요부를 나타내는 단면도.
제3도는 각종 소재의 온도와 열팽창률 관계를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 세라믹기판 13 : 도금층
14 : 땜납층 15 : 점화시기제어부품
16 : 수용용기 17 : 접착제
본 발명은 파워트랜지스터와 같은 대전력 소비형의 반도체 소자를 탑재한 전자기기 장치에 관한 것으로서, 특히 반도체 소자로부터의 방열성이 뛰어나며 또한 반도체 소자 탑재용 세라믹기판과 금속제 수용용기와의 접합부에서의 내히트 사이클 특성이 뛰어난 신뢰성이 높은 전자기기 장치에 관한 것이다.
차량 등에 탑재되는 엔진 점화제어장치, 소위 점화장치는, 파워트랜지스터와 같은 반도체 소자에 의해 점화코일(ignition coil)에 전류를 단속적으로 흐르게 하여 스파크플러그의 점화시기를 제어하는 것이다.
이 점화장치로서는 파워트랜지스터와 같은 점화시기제어부품이 탑재된 절연성 기판을 알루미늄 다이캐스트제 등의 용기 내에 수용하고, 이 용기 내에 구동회로를 별도 수용함으로써 구성되어 있다.
제2도는 종래의 점화장치의 구성의 한 예를 나타내는 것이다.
점화시기제어부품(1)은, 양면에 금속화층(2)(3)이 형성된 알루미나제 세라믹기판(4)의 한쪽의 금속화층(2)위에 몰리브덴 등의 히트 싱크(heat sink)(5)를 끼워서 땜납 또는 놋쇠재(6)로 접합되어 있다.
한편, 세라믹기판(4)의 다른 쪽 면의 금속화층(3)은 이 점화시기제어부품(1)이 탑재된 세라믹기판(4)을 수용하는 금속제 수용용기(7)에 땜납(8)으로 접합되어 있다.
이와 같은 알루미나제의 세라믹기판을 사용한 점화장치에서는 전술한 것처럼 몰리브덴 등의 히트 싱크를 필요로 하고 있다.
이것은 알루미나의 열전도율이 작아서 방열성이 불충분하기 때문에 히트 싱크의 존재는 원가상승의 원인이 되었다
그래서, 알루미나제 세라믹기판 대신에 방열성이 뛰어난 베릴리아제 세라믹기판을 사용하기도 하였지만, 베릴리아는 독성이 있어서 취급에 주의를 요하며 또한 비싸다는 문제가 있었다.
이 때문에, 최근 열전도율이 크며 고절연성일 뿐만 아니라 독성이 없는 질화 알루미늄제 세라믹기판을 점화장치용 기판으로서 사용하는 것이 검토되고 있다.
질화 알루미늄제 세라믹기판은 알루미나제 세라믹기판에 비하여 열전도율이 크며, 파워트랜지스터와 같은 방열량이 큰 반도체 소자의 탑재용 기판으로서 매우 적합할 뿐만 아니라 제3도에 나타낸 각 소재의 온도에 대한 열팽창률의 그래프에서도 명백한 것처럼, 점화시기제어부품, 즉 반도체소자의 소재로된 실리콘과 근사한 열팽창률을 가지므로 냉열사이클이 반복되어도 부품쪽의 땜납층이나 금속화층에 크랙 등의 결점이 생길 우려가 거의 없다는 잇점이 있다.
그러나, 질화 알루미늠제 세라믹기판을 점화장치용 기판으로서 사용하는 경우에는 이것을 수용하는 금속제 수용용기와의 접합도 고려하지 않으면 안된다.
예를 들면, 점화장치용의 수용용기로서는 방열성이나 가격면에서 일반적으로 알루미늄제인 것이 사용되고 있다.
여기에서, 알루미늄과 질화 알루미늄과의 열팽창률에는 제3도의 그래프에서도 명백한 것처럼 큰 차이가 있다.
이 때문에 부품이 탑재된 질화 알루미늄제 세라믹기판과 알루미늄제 수용용기를 땜납 등으로 접합할 때나 냉열사이클의 부가에 따라 양자의 열팽창률의 차이에 기인하는 열응력에 의한 비뚤어짐이 발생하여 땜납주위에 크랙이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.
땜납층에 발생된 크랙 등의 결점은 열전도성을 저하시켜서 반도체 소자의 기능을 저하시키고, 또한 장치파괴를 유발시킨다.
이와 같이, 질화 알루미늄제 세라믹기판을 사용한 점화장치는 장치전체로서의 내히트 사이클 특성이 나쁘며, 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있었다.
이와 같은 문제는 점화장치에 한정되지 않으며, 방열량이 많은 대전력 소비형의 반도체 소자를 질화 알루미늄제 세라믹기판에 탑재시키고, 이것을 금속제 용기 내에 수용한 구조인 전자기기 장치 전반에서의 문제이다.
따라서, 본 발명의 목적은 질화 알루미늄제 세라믹기판과 알루미늄 등으로 된 수용용기와의 열팽창계수의 차이에 기인하는 열응력에 의한 비뚤어짐을 완화시켜 내히트 사이클 특성을 향상시킨 점화장치와 같은 대전력 소비형 반도체소자를 사용하는 전자기기 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 질화 알루미늄제 세라믹기판을 사용하여 방열성을 향상시키는 동시에 부품점수를 감소시켜서 단가절감을 도모시킨 점화장치와 같은 대전력 소비형 반도체 소자를 사용한 전자기기 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 전자기기 장치는 질화 알루미늄 소결체로 된 세라믹기판과, 이 세라믹기판상의 필요로 하는 위치에 형성된 금속화층과, 이 금속화층 위에 탑재된 반도체 소자와, 전술한 반도체 소자가 탑재된 세라믹기판을 수용하고 전술한 세라믹기판의 부품 탑재면과 반대되는 면에 내열성 접착제로 접합되어 있는 금속제 수용용기를 구비하고, 이 금속제 수용용기 내가 수지로 봉해져 있는 것이다.
본 발명에 사용하는 질화 알루미늄 소결체는 질화 알루미늄 분말에 산화이트륨과 같은 희토류 원소의 화합물, 산화칼슘과 같은 알칼리 토류원소의 화합물, 알루미나 등을 소결조제로서 첨가한 혼합분말을 출발원료로서 사용하여 제조된다.
또한, 전술한 희토류 원소 및 알칼리 토류원소의 화합물로서는 산화물에 한정되지 않으며, 규화물, 탄화물, 질화물, 불화물, 또는 가열에 의해 이들의 화합물이 되는 물질을 함유한 것이다.
또한, 전술한 소결조제의 첨가량은 0.1-20중량% 정도가 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.5-10중량%이다.
본 발명의 질화 알루미늄 소결체로 된 세라믹기판은 전술한 출발원료에 유기계 바인더를 첨가하고 통상의 방법에 따라 소정의 형상으로 형성하여 상압소결 또는 분위기 가압소결시킴으로써 얻어진다.
또한, 포토프레스법 등의 소결방법을 사용하여 제작해도 좋다.
또한, 질화 알루미늄제 세라믹기판의 물성으로서는 방열성면에서 열전도율이 50w/m.k 이상인 것이 바람직하다.
세라믹기판이의 금속화층은 예를 들어 아래와 같은 방법에 따라 형성된다.
① 세라믹기판상에 동판 등의 금속판을 직접접촉 배치하여 가열 접합시키는 소위 DBC 법을 사용한다.
② 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈 등의 고융점 금속과, 티탄, 지르코늄, 알루미늄 등의 주기율표의 제Ⅲ족 원소 및 제Ⅳa족 원소의 산화물이나 질화물 등의 화합물을 주성분으로 하는 금속화용 조성물을 사용한 금속화법을 사용한다.
특히 전술한 ②의 금속화법을 사용하여 형성시킨 금속화층은 질화 알루미늄제 세라믹기판과의 접합강도가 크며, 땜납이나 놋쇠땜 등에 대한 신뢰성이 뛰어나므로 본 발명에 적용시킨 것이다.
또한, 전술한 ①의 금속화법에 의해 금속화층을 형성하는 경우에는 금속화층위에 재차 니켈이나 금 등의 금속 도금층을 형성시킨 뒤에 점화시기제어부품을 탑재한다.
본 발명의 특징적인 부분인 세라믹기판과 금속재 수용용기를 접합하기 위한 내열성 접착제는 질화 알루미늄 세라믹기판 및 금속제 수용용기에 대한 흡습성, 열전도성 등에 의해 선택된다.
또한, 내열성 접착제의 내열 온도로서는 반도체 소자로부터의 열발산시에 연화나 분해가 발생되지 않으면 좋으며, 통상 150℃ 정도의 내열 온도를 가지고 있으면 충분하다.
본 발명의 전자기기 장치의 구체적인 예의 하나인 점화장치에 있어서는 일반적으로 방열성이나 가격면에서 알루미늄 다이캐스트제의 수용용기가 사용되고 있다.
그리고, 질화 알루미늄이나 알루미늄에 대한 흡습성이 뛰어난 점과 열전도성이 뛰어난 점에서 전술한 내열성 접착제로서는 실리콘계인 것이 적합하다.
실리콘계의 접착제는, 일반적으로 180℃ 정도의 내열온도를 가지며, 5-15w/m.k 정도의 열전도성을 가지고 있다.
실리콘계의 접착제로서는 예를 들어 실리콘수지계, RTV형(상온가류형) 실리콘 고무계, HTV형(가열가류형) 실리콘 고무계 등이 예시된다.
또한, 이들 이외에 폴리아미드 이미드계, 폴리이미드계 등, 다른 유기계 내열성 접착제를 사용할 수도 있다.
이와 같이 질화 알루미늄제 세라믹기판과 금속제 수용용기의 접합을 내열성 접착제로 함으로써 히트 사이클 과정에서 열팽창률의 차이에 기인하여 발생되는 열응력에 따른 비뚤어짐은 내열성 접착제층이 쿠션층이 되어 대폭 완화된다.
따라서 내히트 사이클 특성이 뛰어난 것이 된다.
이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명의 전자기기 장치의 한 예인 점화장치의 주요부를 나타내는 단면도이다.
도면에서 "11"은 질화 알루미늄 소결체로 된 세라믹기판으로서, 이 세라믹기판(11)위의 필요로 하는 위치에 금속화층(12) 및 도금층(13)이 차례로 형성되어 있다.
이 도금층(13)위에는 땜납층(14)에 의해 반도체 소자, 구체적으로는 점화시기제어 부품(15)이 접합되어 탑재되어 있다. 점화시기제어부품(15)이 탑재된 세라믹기판(11)은 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16) 내에 수용되어 있다.
세라믹기판(11)의 부품 탑재면과 반대되는 면과 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16)는 실리콘 수지계의 내열성 접착제(17)에 의해 접합되어 있다.
또한, 이 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16)내에는 도시를 생략한 구동회로가 별도로 수용되어 있으며, 이 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16)내에는 도시를 생략한 봉하는데 쓰이는 수지로 봉해져 있다.
이어서, 전술한 구성의 점화장치의 구체적인 제조예와 그 특성의 평가결과에 대하여 설명하기로 한다.
우선, 질화 알루미늄 분말에 소결조제로서 산화이트륨을 4중량% 첨가하여 충분히 혼합시켜 출발원료로 하였다.
이 출발원료에 유기계 바인더로서 파라핀을 첨가 혼합하여 닥터브레이드법에 의해 기관형상의 성형체를 제작하였다.
이 성형체를 질소분위기 중에서 1850℃, 3시간의 조간에서 소성하여 열전도율이 70w/m.k의 질화 알루미늄제 세라믹기판(11)을 얻었다.
이어서, 몰리브덴과 질화티탄의 1:1(중량비) 혼합분말에 적정량의 에틸 셀룰로오스를 첨가하여 페이스트 상태로 한 것을 세라믹기판(11)의 부품 탑재면에 필요로 하는 패턴이 되도록 스크린 인쇄로 도포하였다.
이어서, 질소 분위기 중에서 1700℃, 한시간의 조건으로 가열 소성하여 금속화층(12)을 형성하였다.
이 금속화층 위에 재차 무전해 도금법으로 금도금층(13)을 형성하였다.
이어서, 이 도금층(13)위에 점화시기제어부품(15)을 땜납으로 접합하여 탑재하였다.
이어서, 이와 같이하여 점화시기제어부품(15)을 탑재한 세라믹기판(11)을 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16)내에 수용하고, 세라믹기판(11)의 부품탑재면의 반대측면과 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16) 사이에 내열성 접착제로서 실리콘 수지계 접착제 TSE-3380(상품명, 도시바 실리콘(주)제품)을 개재시켜서 120℃로 2시간 방치하여 양자를 접합하였다.
이 접착제는 20-40μm의 두께를 가지고 있었다.
또한, 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16)내에는 별도로 구동회로를 설치하였다.
이후, 알루미늄 다이캐스트제 수용용기(16)내를 수지로 봉하여 점화장치를 제작하였다.
이와 같이하여 얻은 점화장치와, 본 발명과의 비교로서 질화 알루미늄제 세라믹기판을 내열성 접착제 대신에 땜납으로 알루미늄 다이캐스트제 수용용기에 접합시킨 것 이외에는 실시예와 동일하게 하여 제작한 점화장치를 10개씩 사용하여 -65℃∼150℃ 및 150℃∼-65℃를 1사이클로 하여 히트 사이클 시험을 하였다.
그 결과, 본 실시예의 점화장치는 1000사이클의 시험 뒤에도 크랙 발생률이 0%였던 것에 대하여, 비교를 위해 제작한 점화장치는 1000사이클의 시험 후에 알루미늄 다이캐스트제 수용용기쪽의 땜납층에 크랙이 발생한 것이 4%였다.
또한, 크랙의 유무는 광학현미경, 형광탐상법 및 내전압측정에 의해 판정한 것이다.
또한, 전술한 점화장치의 제조과정에 있어서, 금속화층과 질화 알루미늄제 세라믹기판의 접합강도를 평가하였다.
접합강도는 금속화층위에 형성된 금도금층 위에 코팔제와이어를 땜납하고, 이 와이어를 금속화층과 수직방향으로 인장시켜 기판에서 금속화층이 박리할 때의 인장강도로서 평가하였던 바, 2kg/mm2이상인 것이 판명되었다.
전술한 실시예의 점화장치와 같이 본 발명의 전자기기 장치는, 질화 알루미늄제 세라믹기판과 이것을 수용하는 금속제 수용용기의 열팽창차에 기인하는 열응력에 의한 비뚤어짐이 내열성 접착제층에 의해 완화되므로, 내히트 사이클 특성이 뛰어난 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면 질화 알루미늄제 세라믹기판의 열전도율이 크다는 특성을 충분히 살릴 수 있어서 방열성이 뛰어나며 신뢰성이 높은 전자기기 장치를 제공할 수 있다.
또한, 질화 알루미늄제 세라믹기판은 종래의 알루미나제 세라믹기판에 비하여 훨씬 방열성이 뛰어나므로 히트 싱크를 필요로 하지 않으며, 또한 세라믹기판에 형성하는 금속화층도 한쪽면만으로도 좋으므로, 그 만큼 원가절감을 도모할 수 있다.
더욱이, 전술한 실시예에서는 점화장치에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 대전력 소비명인 반도체 소자를 사용하며, 또한 금속제 용기에 수용하는 구조의 각종 전자기기 장치에 대해서도 유효하다.

Claims (7)

  1. 질화 알루미늄 소결체로 된 세라믹기판과, 이 세라믹기판상의 필요한 위치에 형성된 금속화층과, 이 금속화층 위에 탑재된 반도체 소자와, 반도체 소자가 탑재된 세라믹기판을 수용하여 세라믹기판의 반도체소자 탑재면과 반대쪽면에 내열성 접착제로 접합되어 있는 금속제 수용용기를 구비하고, 이 금속제 수용용기 내가 수지로 봉해져 있는 것을 특징으로 하는 전자기기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 내열성 접착제가 실리콘계 접착제인 것을 특징으로 하는 전자기기 장치.
  3. 제2항에 있어서, 금속제 수용용기가 알루미늄제인 것을 특징으로 하는 전자기기 장치.
  4. 제1항에 있어서, 질화 알루미늄 소결체로 된 세라믹기판은 20중량% 이하의 소결조제 성분을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 전자기기 장치.
  5. 제4항에 있어서, 소결조제는 희토류 원소의 화합물, 알칼리 토류원소의 화합물 및 산화 알루미늄에서 선택된 적어도 한 종류인 것을 특징으로 하는 전자기기 장치.
  6. 제1항에 있어서, 금속화층은 MO, W 및 Ta에서 선택된 적어도 한 종류와 주기율표의 제Ⅲ족 원소 및 제Ⅳa원소에서 선택된 적어도 한 종류를 구성원소로서 함유하는 층인 것을 특징으로 하는 전자기기 장치.
  7. 제1항에 있어서, 전자기기 장치는 반도체 소자로서 점화시기제어 부품이 탑재된 점화장치인 것을 특징으로 하는 전자기기 장치.
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