KR910007470B1 - 질화 알루미늄 회로기판 - Google Patents

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Abstract

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Description

질화 알루미늄 회로기판
제1도, 제2도 및 제3도는 본 발명에 의한 실시예의 질화 알루미늄 회로기판의 단면을 나타내는 도면.
제4도는 제2도의 실시예 2와 대비되는 비교예에 따른 회로기판의 단면을 나타내는 도면.
제5도 및 제6도는 종래의 질화 알루미늄 회로기판의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 메탈라이즈 페이스트 5, 18, 19 : 볼록부
7, 12 : 메탈라이즈층 8 : 반도체소자
11, 11' : 질화 알루미늄기판 11a, 11a : 볼록부 상부표면
11b : 기저부 외부 가장자리측면 13, 13' : 기저부
13a : 기저부 상부표면 13b : 볼록부측면
14, 14', 15, 15' : 가장자리부 16, 16' : 돌출 시작부
본 발명은 이그나이트 같은 발열량이 큰 부품을 탑재하기에 적합한 질화 알루미늄 회로기판에 관한 것이다.
지금까지는 이그나이트용 절연기판과 같은 발열량이 큰 부품을 탑재하기 위한 기판으로서 방열성이 우수한 베리어로된 세라믹 기판과 일반적으로 절연기판으로써 사용되고 있는 비교적 값이 싼 알루미나로된 기판이 사용되어 왔다.
그러나 베리어로된 기판은 독성이 있기 때문에 취급시 주의를 필요로 하고 또한 값이 비싼 결점이 있다.
또 알루미나로된 기판은 열전도율이 낮기 때문에 방열성이 불충분한 관계로 기판상에 탑재된 Si칩으로부터 발생되는 열을 방열할 수가 없다는 때문에 그 대책으로써 알루미나 기판상에 열전도성이 우수한 구리, 몰리브덴등이 함유된 소정의 두께의 금속층을 형성시킬 필요가 있는데 이는 제조 코스트를 높게하는 문제점이 있다.
이때문에 최근 열전도율이 높고 전기 절연성이 우수하며 독성이 없는 질화 알루미늄 세라믹 기판이 이용되기 시작했다.
그런데 이와 같은 세라믹 기판에 각종 부품을 탑재하기 위해서는 질화알루미늄 기판의 표면에 텅스텐 또는 몰리브덴등의 도전성의 메탈라이즈 층을 형성하여 이 메탈라이즈 층의 표면에 니켈등의 도금을 한 도체층을 형성하고 이 도체층에 반도체 소자 및 전극을 겸하는 리드 프레임 등을 탑재하고 있다.
이 메탈라이즈층의 형상은 질화 알루미늄 기판의 표면에 페이스트상의 금속조성물을 도포하고 이것을 조성하여 메탈라이즈부를 형성시키는 것에 의해 이루어지고 있다.
그러나 종래의 질화 알루미늄 기판은 제5도에 나타낸 바와같이 표면(1b)에 도포된 메탈라이즈 페이스트(2)가 기판의 주변부(1a)에서 아래로 흘려 내려지고 이것에 의해 내전압이 저하되기도 하고 메탈라이즈 조성물의 흘려내려진 부분에 균열이 생겨 메탈라이즈 불량이 생길 수가 있다.
질화 알루미늄을 절연성 기판으로써 사용하는 경우 방전성이 우수하기 때문에 출력이 큰 소자를 탑재하게 되어 이와같은 메탈라이즈 부분의 밑으로 흘려내림에 의한 내전압 저하가 일어나기가 쉽다.
또 종래의 질화 알루미늄 세라믹 기판은 제5도에 표시된 바와같은 직육면체상으로 가장자리 부분은 예각으로 되어 있기 때문에 제조공정중에 가장자리부가 마모되거나 갈라지기가 쉽기 때문에 불량 발생율이 크고 질화 알루미늄의 원료 가격이 높기 때문에 제품의 원가 상승을 초래하는 큰 요인이 되고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로 내전압이 충분히 높기 때문에 고출력의 반도체 소자를 탑재할 수 있고 불량 발생율이 적은 질화알루미늄 소결체로된 세라믹 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 질화 알루미늄 세라믹기판과 그 표면에 메탈라이즈 페이스트를 도포하고, 이것을 소성시켜 형성된 메탈라이즈 층으로된 회로기판에 있어서, 상기 메탈라이즈 페이스트를 도포하는 면이 질화 알루미늄 소결체의 한면에 형성된 볼록부 상부면이고, 볼록부의 질화 알루미늄 소결체의 한면으로부터의 돌출시작부는 원만한 곡면을 가지며 볼록부 상부면의 가장자리부 및 기판 가장자리부는 원만한 곡면을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 질화 알루미늄 소결체는 질화 알루미늄 분말에 산화이트륨 등의 금속산화물등을 소결조제로써 첨가하고 이 혼합분말에 바인더를 첨가하여 소정의 형상으로 성형한뒤 상압소결법 및 분위기 가압 소결법에 의해 제조되는 것으로 방열성의 문제 때문에 열전도율이 50W/m·k이상의 것이 사용된다.
또 이형상에 의해서는 프레스 성형법을 적용하는 것도 가능하며 경우에 따라서는 절단,연마등에 의해 가공하여 소정의 형상으로 한다.
본 발명에 따른 질화 알루미늄 소결체의 한면에 형성된 볼록부의 형상은 볼록부의 상부면이 실제장착되는 면이 될 수 있는 것이라면 어떠한 형상이라도 좋으며 볼록부 측면과 질화 알루미늄 기판의 한면이 형성하는 각도는 적어도 90°이상인 것이 바람직하다.
또 이볼록부와 볼록부의 기저부의 단차에 의해 기저부 외부둘레의 질화 알루미늄 소결체면에의 메탈라이즈 조성물등의 아래로 흘려내림의 방지 및 내전압 향상 효과를 가져오게 된다.
이 볼록부 상부면의 면적과 높이는 기판의 크기 및 탑재되는 부품의 크기, 사용내전압등에 의해 달라지나 그 면적이 너무 적어도 실제 장착면이 감소하며 반대로 너무크면 상기 효과가 얻어지지 않기 때문에 기저부의 질화 알루미늄 기판의 면적의 50-98% 정도가 바람직하며 볼록부의 돌출시작부와 질화 알루미늄 기판의 기저부 외부 가장자리 측면과의 거리는 적어도 0.1mm 이상인것이 바람직하고 또 볼록부의 높이는 0.2mm이상이면 충분하다.
또 볼록부 상부면의 가장자리부, 기저부 상부 표면 외부둘레 가장자리부 및 볼록부의 돌출시작부의 곡율반경은 각각 0.01∼0.5mm의 범위인것이 바람직하다.
상기와 같은 볼록부가 상압소결법 및 분위기 가압소결법에 의한 것이라면 성형체 제작시에 용이하게 성형할 수 있으며 핫프레스로도 용이하게 성형할 수 있다.
메탈라이즈층의 성형은 질화 알루미늄 소결체의 한면에 형성된 볼록부의 상부면에 대하여 행하여진다.
즉, 페이스트상의 메탈라이즈 조성물을 볼록부의 상부면에 스크린 인쇄법에 의해 도포하고 그후 이것을 소성하여 경화시켜서 행해진다.
이때 메탈라이즈 페이스트는 질화알루미늄 기판의 볼록부의 상부면의 주변부로부터 아래로 흘려내리는 가능성이 있으나 볼록부의 돌출시작면 및 저면에서 완전히 정지하여 질화 알루미늄 기판의 외부둘레면까지 아래로 흘려내리지 않기 때문에 내전압성이 저하되지 않는다.
또 상기 볼록부의 돌출시작부를 완만한 곡면으로 했기 때문에 비록 기판 단부에 하중이 걸려도 볼록부의 돌출시작부에의 응력의 집중이 완화되고 균열이 생기기 어렵게 된다.
또 마찬가지로 볼록부 상부면 단부 및 기판 단부를 완만한 곡면으로 했기 때문에 비록 이 부분에 충격이 가해져도 잘 마모가 되지 않는다.
하기에서 실시예에 의한 발명의 상세한 설명을 한다.
여기에서 제1도, 제2도 및 제3도는 각각 본 발명에 의한 실시예의 회로기판의 단면을 나타내며 제4도는 실시예 2와 대비되는 비교예의 기판의 단면도이며 제5도 및 제6도는 종래의 질화 알루미늄 회로기판의 단면도이다.
[실시예 1]
질화 알루미늄 분말 96중량%를 소결조제인 산화 이트륨분말 4중량%과 충분히 혼합하여 이 혼합분말 100중량부에 대해 유기 바인더 30중량부를 첨가혼합하여 제1도에 나타낸 바와 같이 10mm×10mm의 기저부(4)의 외부둘레 단부로부터 0.5mm의 간격을 생기게 하여 높이 0.5mm의 볼록부(5)를 가지는 성형체를 프레스 성형에 의해 만들었으며 전체의 높이는 3mm로 했다.
이 성형체를 탈지한뒤 질소가스 분위기하에서 180℃의 온도에서 2시간 소결하여 질화 알루미늄 소결체로 된 세라믹 회로기판(6)을 제조한 결과 이 기판의 열전도율은 170w/m·K이었다.
이 세라믹 회로기판(6)의 볼록부(5)의 표면에 메탈라이즈 조성물을 스크린 인쇄에 의해 베다 인쇄하고 가열소성하여 도전성 메탈라이즈층(7)을 형성하고 이 도전성 메탈라이즈층(7)위에 니켈도금을 한 후 반도체소자(8)를 납땜하여 탑재된 반도체 장치를 제작했다.
이렇게하여 얻어진 반도체 장치 100개에 대하여 내전압 측정을 행한 결과 메탈라이즈 조성물의 아래로 흘려내림에 의한 내전압의 저하가 생기지 않았다.
이것은 메탈라이즈 조성물의 도포단부로부터 기저부 외부둘레면까지의 거리를 충분히 확보 가능하고 다수밑으로 흘러내림이 발생해도 볼록부 측면 및 기저부 상부면에 의해 흘려내려짐의 진행을 방지할 수 있기 때문에 내전압 특성이 크게 개선된다.
실시예 2
제2도는 실시예 2의 회로기판을 나타내며 열전도율이 50w/m·k이상의 질화 알루미늄 기판(11)의 표면에 텅스텐 또는 몰리브덴 성분의 메탈라이즈층(12)을 형성하고 이 표면에 도시하지는 않았지만 니켈, 기타의 금속으로된 도전층을 개입시켜 실리콘 칩등의 반도체 소자를 장착한 구성으로 하였다.
질화 알루미늄 기판(11)의 볼록부 상부표면(11a)은 기저부 상부표면(13a)과 대략 평행이지만 볼록부 상부표면(11a)에 대하여 볼록부 측면(13b)의 경사각도는 약 60°로 되어 있다.
또 질화 알루미늄 기판(11)의 기저부 외부 가장자리측면(11b)으로부터 기판중심에의 볼록부 돌출부까지의 기저부 상부표면(13a)의 거리는 0.2mm이고 또 볼록부 높이(h)는 0.3로 했다. 이때 질화 알루미늄 기판(11)의 볼록부 상부표면(11a)의 가장자리부분 즉, 볼록부 상부표면(11a)과 볼록부측면(13b)이 교차하는 가장자리부(14), 및 기저부 상부표면(13a)과 기저부 외부 가장자리측면(11b)이 교차하는 가장자리부(15)는 각각 반경이 0.2mm의 완만한 곡면으로 되어 있다.
메탈라이즈층(12)의 형성은 상기 페이스트상 메탈라이즈 조성물을 질화 알루미늄 기판(11)의 볼록부 상부표면(11a)의 외부둘레 가장자리까지 인쇄법에 의해 소정의 두께로 도포하고 그후 이것을 소성하여 경화하는 것에 의해 행하여진다.
이때 메탈라이즈 페이스트는 질화 알루미늄 기판의 볼록부 상부표면(11a)의 외부둘레 가장자리부터 아래로 흘러내려질 가능성이 있으나 볼록부측면(13b)과 기저부 상부표면(13a)에서 정체된 질화 알루미늄 기판(11)의 기저부 외부 가장자리측면 (11b)까지 흘려내려짐은 없는데 이는 질화 알루미늄 기판(11)이 기저부와 볼록부에 의해 형성되는 계단 부분에 의해 흘려내려짐의 진행을 방해하기 때문에 이것에 의해 탑재되는 반도체 소자의 전압을 크게 취할 수 있으며 내전압 특성도 종래에 비교하여 양호하게 된다.
또 볼록부 상부표면의 가장자리부(14), 기저부 상부표면의 가장자리부(15)가 모두 완만한 곡면으로 되어 있기 때문에 이 부분의 마모가 전혀 생기지 않았고 또 볼록부 돌출시작부(16)도 완만한 곡면으로 되어있기 때문에 응력집중에 의한 이 부분의 균열의 발생도 극히 작았다.
[비교예 1]
비교예로써 제4도에 나타낸 바와 같이 전기 실시예 2와 대략 동일한 형상 및 치수의 질화 알루미늄 기판(11')에 있어서 기저부(13')의 상부표면의 가장자리부 (15'), 볼록부 상부표면(11a')의 가장자리부(14') 및 볼록부 돌출시작부(16')를 각각 곡면으로 하지 않게 하여 만들었고 상기 실시예 1과 비교한 결과 실시예 2와 비슷한 형태로 질화 알루미늄 기판(11)의 기저부 외부 가장자리측면(11b')으로 메탈라이즈 페이스트가 흘려내리지는 않았으나 보다 작은 충격 및 하중에 의한 가장자리부(14')(15')의 마모가 발견되었고 볼록부의 돌출시작부(16')에서는 자주 균열이 생겼다.
[실시예 3]
실시예 3은 실시예 1 및 실시예 2이외의 본 발명의 질화 알루미늄 기판의 예이다.
제3a도는 본 발명의 질화 알루미늄 세라믹 기판의 볼록부와 기저부를 연결하는 면이 직선이 아닌 만곡된 현상(17)으로된 예이며 이것에 의해서도 실시예 1 및 실시예 2와 동일 효과를 얻었다.
제3b도는 본 발명의 질화 알루미늄 세라믹 기판의 형상이 상하 대칭인 한 예이다.
이 경우에는 기판의 상하 양면에 볼록부(18)(19)를 가지고 있는데 이 경우에는 상하 어느면에서도 사용하는 것이 가능하기 때문에 메탈라이징 처리등의 공정에 있어서 상하의 구별없이 사용 가능하여 공정관리를 스무드하게 할 수 있고 기타의 장점은 실시예 1 및 실시예 2와 다름없다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 회로기판은 질화 알루미늄 소결체의 한면에 형성된 볼록부 상부면을 실제 장착되는 면으로 하고 있기 때문에 충분한 방열성이 얻어지며 볼록부 상부면에의 메탈라이즈 조성물을 인쇄할때에 아래로 흘려내려짐이 기저부 외부 가장자리측면까지 미치는 것을 방지할 수 있으며 양호한 내전압을 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면 질화 알루미늄 기판의 메탈라이즈 페이스트 도포용 볼록부 상부표면의 가장자리부분을 비롯하여 기저부 상부표면의 외부둘레 가장자리부, 또한 볼록부의 기저부로부터 볼록부의 기저부로부터 볼록부의 측면부를 완만한 곡면으로 했기 때문에 그 부분의 마모 및 균열의 발생을 방지할 수 있고 메탈라이즈 불량에 의한 내전압 저하방지는 물론 제품 품질의 수준을 유지하는 것이 보다 용이하게 된다

Claims (5)

  1. 질화알루미늄 기판(6)의 표면에 메탈라이즈 조성물을 도포하고 이것을 소성하여 메탈라이즈층(7)을 형성하여 이루어지는 질화 알루미늄 회로기판에 있어서, 상기 메탈라이즈 조성물 도포용 표면이 상기 질화알루미늄 기판(6)의 한면에 형성되는 동시에 상기 질화 알루미늄 기판의 와부둘레에 설치한 기부표면(13a)의 영역을 제거하여 형성된 돌출부(5) 윗면인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 회로기판.
  2. 제1항에 있어서, 질화 알루미늄 기판(11)의 한면에 형성된 볼록부(5)의 돌출시작부(16)가 완만한 곡면을 가지고 볼록부 상부면의 외부둘레 가장자리부(14) 및 기저부의 외부둘레 가장자리부(15)가 완만한 곡면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 회로기판.
  3. 제2항에 있어서, 볼록부의 돌출시작부(16)와 기저부 외부 가장자리측면(11b)까지의 거리(S)가 0.1mm이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 회로기판.
  4. 제2항에 있어서 볼록부 상부표면(11a)과 기저부 상부표면(13a)이 거의 평행이고 기저부 상부표면에서 볼록부 상부표면의 높이(h)가 0.2mm이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 회로기판.
  5. 제2항에 있어서, 볼록부의 돌출시작부(16), 볼록부 상부면 외부둘레 가장자리부(14) 및 기저부 외부둘레 가장자리부(15)의 곡면의 곡율반경이 0.01∼0.5mm의 범위인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 기판.
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