KR920007021B1 - Ceramic-metal composite - Google Patents
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Abstract
내용 없음.No content.
Description
제1도는 이 발명의 한 실시예에 의한 세라믹-금속복합기판을 표시하는 단면도.1 is a cross-sectional view showing a ceramic-metal composite substrate according to one embodiment of the present invention.
제2도는 이 발명에 의한 기판의 내열사이클과 구속부재의 두께의 관계에 대한 한 예를 표시하는 특성도.2 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the heat resistance cycle of the substrate and the thickness of the restraining member according to the present invention.
제3도는 이 발명의 다른 실시예를 표시하는 단면도.3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the present invention.
제4도는 이 발명의 또다른 실시예를 표시하는 단면도.4 is a sectional view showing yet another embodiment of the present invention.
제5도는 종래의 세라믹-금속복합기판을 표시하는 단면도.5 is a cross-sectional view showing a conventional ceramic-metal composite substrate.
제6도는 일반적으로 세라믹-금속복합기판의 한 실시상태를 표시하는 사시도.6 is a perspective view generally showing one embodiment of a ceramic-metal composite substrate.
제7도는 종래의 세라믹-금속복합기판에 발생한 균열을 표시하는 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a crack occurring in a conventional ceramic-metal composite substrate.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 세라믹기재 2A, 2C, 2D : 동 또는 동합금부재1:
3 : 구속부재3: restraining member
이 발명은 반도체의 실장에 사용되는 세라믹과 금속의 접합에 의하여 제조되는 세라믹-금속복합기판에 관한 것으로 특히 반도체나 세라믹의 파괴를 방지하는 기판구조에, 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
제5도는 일본특개소 60-155580호 공보에 개시된 종래의 세라믹기재와 금속부재가 직접 접합된 반도체실장용의 복합기판을 나타내는 단면도이며, 도면에서, 1은 세라믹기재의 알루미나부재, 2A, 2B는 알루미나부재(1)에 형성된 금속부재로서 전기회로를 형성하기 위한 예컨대 터프피치(tough pitch)전해동판, 7A, 7B는 알루미나부재(1)와 동판(2A), (2B)을 직접 접합한 접합면이다.5 is a cross-sectional view showing a composite substrate for semiconductor mounting in which a conventional ceramic substrate disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-155580 and a metal member are directly bonded. In the drawing, 1 is an alumina member of ceramic substrate, 2A and 2B. For example, a tough pitch electrolytic copper plate for forming an electric circuit as a metal member formed on the
제6도는 종래의 반도체실장용기판을 사용한 한 실시상태를 표시하는 사시도이며, 반도체를 실장한 모듈구조의 한 예를 표시한다.6 is a perspective view showing an embodiment using a conventional semiconductor mounting substrate, and shows an example of a module structure in which a semiconductor is mounted.
도면에서, 4는 반도체, 5는 반도체(4)를 동판(2b)에 실장하기 위한 땜납, 6a, 6b는 각각 반도체(4)를 동작시키기 위하여 동판(2b)과 전기적으로 절연된 별도의 동판(2a), (2c)에 접속한 예컨대 알루미늄제의 본딩와이어이다.In the figure, 4 is a semiconductor, 5 is solder for mounting the semiconductor 4 to the
상기과 같이 구성된 모듈의 반도체 특히 대전력반도체를 동작시키면, 반도체(4)는 대량의 열을 발생한다. 또 당연한 일이지만 상기 모듈은 반복사용된다.When the semiconductor, especially the high power semiconductor, of the module configured as described above is operated, the semiconductor 4 generates a large amount of heat. Of course, the module is used repeatedly.
따라서 반도체실장용기판으로서는 다음과 같은 것이 요구된다. 즉 반도체(4)에서 발생하는 열을 충분히 방산시킬 수 있을것, 반도체(4)의 동작·비동작에 수반하는 열사이클에 의하여 발생하는 기판의 열팽창·수축으로 인하여 반도체(4)를 파괴하지 않을것, 또한 이 열사이클에 의하여 알루미나부재 자체가 파괴되지 않아야 된다.Therefore, as the semiconductor mounting substrate, the following is required. That is, the heat generated in the semiconductor 4 can be sufficiently dissipated, and the semiconductor 4 should not be destroyed due to thermal expansion and contraction of the substrate generated by the thermal cycle accompanying the operation and non-operation of the semiconductor 4. In addition, the alumina member itself should not be destroyed by this heat cycle.
그런데 상기와같은 기판구조에서는 세라믹기재(1)는 일반적으로 열팽창계수가 작고 상기 실시예의 알루미나세라믹에서는 7×10-6이므로 열팽창계수가 17×10-6의 동판(2A), (2B)과 직접 접합한 경우 열팽창계수차에 의하여 접합면(7A), (7B)의 근방에 응력이 발생하였다. 이와 같은 접합체가 열사이클을 받으면 상기 접합면(7A), (7B) 근방에는 큰 응력이 반복 발생하고 단단하나 취약한 알루미나부재(1)는 그 응력에 견디지 못하고 균열이 발생하며 결국에는 분리된다는 문제점이 있었다. 제7도의 단면도에 전형적인 균열형상을 표시한다. 8A, 8B, 8C, 8D가 균열이다. 이와 같이 균열(8A)∼(8D)은 응력이 집중하는 세라믹 부재(1)와 동판(2A), (2B)의 각부에 발생하였다. 또 동판(2A), (2B)은 알루미나부재(1)에 경고하게 접합되어 있으므로 그 열팽창계수는 동단체(銅單體)의 경우에 비하여 작게는 되어 있지만 열팽창 계수가 5×10-6인 작은 실리콘반도체(4)를 예컨대 납땜으로 실장하면 반도체(4)에도 균열이 발생한다는 문제점이 있었다. 이들 문제점은 반도체(4)의 동작전류를 상승시키기 위하여 동판(2A), (2B)을 두껍게한 경우 또는 대면적의 반도체(4)를 실장할때에 현저하게 나타난다.However, in the substrate structure as described above, the
상기 균열의 발생은 알루미나부재(1)를 두껍게 함으로써 약간의 개선은 되지만 반도체(4)로부터의 방열특성은 알루미나부재(1)의 열저항이 높기 때문에 열화된다.The cracks are slightly improved by thickening the
예를들면 0.4㎜의 판두께의 알루미나부재(1)를 0.63㎜로 증가시킴으로써 -40℃∼150℃의 내열사이클 특성은 1.2배 정도 향상되나 반대로 열의 방산을 방해하는 열저항치는 약 1.6배로 높아져 반도체(4)의 기능이나 세라믹부재(1)의 비용등을 고려한 경우 효율적인 방법이 아니다.For example, by increasing the 0.4 mm
따라서, 이들 문제를 피하기 위하여는 반도체(4)의 파워나 형상을 제한하는 동판(2A), (2B)을 얇고 폭넓게 하여서 실장밀도를 내리는등의 대책이 필요하며 모듈의 고기능화, 고밀도화에 있어서 큰 장애로 되어 있었다.Therefore, in order to avoid these problems, measures such as lowering the mounting density by thinning and widening the
이 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 과혹한 사용환경하에서도 예컨대 반도체에서 발생하는 열을 방출시키고 또한 세라믹부재등이 파괴되지 않는 신뢰성 높은 세라믹-금속복합기판을 얻는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain a highly reliable ceramic-metal composite substrate that emits heat generated from a semiconductor, for example, even under severe use conditions, and does not destroy a ceramic member. do.
이 발명의 세라믹-금속복합기판은 세라믹기재에 동 또는 동합금부재를 접합하여서 형성하는 보합기판에 있어서, 몰리브덴, 텅스텐 및 그 합금중 어느 하나로 되고 상기 동 또는 동합금부재의 두께의 1/20∼1/3 두께인 구속부재를 상기 동 또는 동합금부재에 접속하여 설치한 것이다.The ceramic-metal composite substrate of the present invention is a hybrid substrate formed by joining a copper or copper alloy member to a ceramic substrate, wherein the molybdenum, tungsten, or an alloy thereof is formed, and 1/20 to 1 / of the thickness of the copper or copper alloy member. A three-thick restraint member is connected to the copper or copper alloy member.
이 발명에서는 동 또는 동합금부재의 두께의 1/20∼1/3 두께의 구속부재를 설치함으로써 기판의 열전도나 전기전도특성을 확보하는 동시에 세라믹기재나 실장되는 반도체에 가해지는 응력을 저감시켜 세라믹기재나 반도체의 파괴를 방지한다.In the present invention, by providing a restraining member having a thickness of 1/20 to 1/3 of the thickness of the copper or copper alloy member, the thermal or electrical conductivity of the substrate is ensured, and the stress applied to the ceramic substrate or the semiconductor to be mounted is reduced. Prevent the destruction of semiconductors.
다음은 이 발명의 한 실시예를 도면에 의하여 설명한다.The following describes one embodiment of this invention with reference to the drawings.
제1도는 이 발명의 한 실시예의 세라믹-금속복합기판을 표시하는 단면도이며, 도면에서, 1은 세라믹소재로서 이 경우는 평판상의 알루미나부재, 2A는 알루미나부재(1)의 한면에 직접 접합된 제1동부재, 2B는 알루미나부재(1)의 다른면에 직접 접합된 제2동부재, 2C는 반도체의 대용량화를 위하여 알루미나부재(1)의 한면쪽에 추가한 제3동부재이며, 반도체(도시생략)는 상기 종래의 기판과 마찬가지로 이 제3동부재(2C)상에 실장된다. 3은 구속부재로 이 경우는 제1, 제3동부재(2A), (2C)간에 접합된 제1, 제3동부재(2A), (2C)의 총두께의 1/20∼1/3두께의 몰리브덴부재이다.1 is a cross-sectional view showing a ceramic-metal composite substrate of one embodiment of the present invention, in which 1 is a ceramic material, in which case a flat alumina member and 2A are directly bonded to one side of the
상기와 같이 구성된 기판이 온도환경의 변화나 반도체동작에 의하여 열사이클을 받으면 종래의 기판과 마찬가지로 열팽창계수의 차에 의하여 열팽창계수가 큰 동부재(2A), (2B), (2C)는 알루미나부재(1)보다 더 팽창·수축하려고 한다. 그러나 이 실시예에서는 팽창계수가 낮고 고강도이며 열저항이 낮으며 또한 다른 부재와 일체화할 수 있는 재료인 얇은 몰리브덴부재(3)를 구속부재로서 추가한 구조로 하고 있다. 몰리브덴은 열팽창계수가 약 5×10-6(1℃)이며 동의 약 17×10-6(1℃)와의 차는 크고 가열냉각중에는 양자의 접합계면에는 큰 응력이 발생하나 몰리브덴의 내력 특히 얇은 압연재의 내력은 50㎏/㎟이상이기 때문에 동(내력 약 10㎏/㎟)쪽이 바로 소성변형하고 몰리브덴이 구속부재(3)로서 작용하여 알루미나부재(1)로 큰 응력이 가해지는 것을 방지할 수 있다. 그리고 몰리브덴과 동의 접합계면에 가해지는 응력은 종래예 이상이 되지만 양자가 연성의 금속재료이므로 균열은 발생하지 않는다. 몰리브덴부재(3)를 기판구성재료로서 경고하게 일체화하기 위하여는 예를들면 미리 몰리브덴부재(3)와 제1, 제3동부재(2A), (2C)를 폭발압점등의 방법으로 접합한 후 상기 복합재료를 알루미나부재(1)에 일본특개소 60-155580호 공보에 개시된 예를들면 DBC법등을 사용하여 접합하는 방법이 이용된다.When the substrate configured as described above receives a thermal cycle due to a change in temperature environment or a semiconductor operation, the
또 기판구조는 종래예와 같이 세라믹기재(1)를 중심으로하는 대칭구조로 하여도 세라믹기재 10등의 균일에 대한 효과가 나타난다. 그런데 새로이 구속부재를 설치하는데 따른 부품점수의 증가, 재료비용의 증가 및 열저항의 증가등의 문제가 발생하게 된다.In addition, even when the substrate structure has a symmetrical structure centered on the
한편, 반도체의 대용량화에 따라서 체적을 증가시킬 필요가 있는 것은 반도체측의 동부재이다. 반도체측의 동부재두께는 총체적으로 0.3㎜이상이 필요하며 5㎜이하가 적당하고, 0.3㎜∼1㎜의 범위가 바람직하다.On the other hand, it is the eastern material on the semiconductor side that needs to increase in volume as the capacity of the semiconductor is increased. The thickness of the eastern material on the semiconductor side is generally 0.3 mm or more, preferably 5 mm or less, and preferably in the range of 0.3 mm to 1 mm.
따라서 이 실시예에서는 반도체를 실장하는 쪽만 제1, 제3동부재(2A), (2C) 및 몰리브덴부재(3)를 적층한 구조로 하고 반대측은 제1도와 같이 제2동부재(2B)단체의 구조로 하고 있다. 이 결과 성능이 좋고 또한 간단하며 염가인 구조로 되어 있다. 그리고 제2동부재(2B)는 후공정의 납땜을 위하여, 또 제2동부재(2B)가 없는 경우는 균형을 잡기 위하여 몰리브덴부재(3)를 약간 두껍게 하여야 되므로 설치되어 있다. 두께는 알루미나부재(1)의 균열발생방지를 위하여 0.3㎜이하가 적당하고 몰리브덴부재(3)의 두께 등의 걸맞게 선정할 필요가 있다.Therefore, in this embodiment, only the semiconductor mounting side has a structure in which the first,
예를들면 반도체측의 제1, 제3동부재(2A), (2C)의 두께를 0.3㎜, 몰리브덴부재(3)의 두께를 0.1㎜로 한 경우 반대측의 제2동부재(2B)는 0.1㎜의 두께가 적당하다.For example, when the thickness of the first and
이와 같은 구조의 복합기판으로 함으로써 기판의 가열·냉각중에도 굽힘이 발생하지않는 기판을 얻을 수 있다.By using the composite substrate having such a structure, it is possible to obtain a substrate which does not bend during heating and cooling of the substrate.
이상과 같이 실시예에 의하면 간단한 구조로 과혹한 사용환경하에서도 반도체에서 발생하는 열을 방산하고 알루미나부재(1)등이 파괴되지 않는 신뢰성높고 대용량 파워트랜지스터 모듈용 기판에 적용할 수 있는 세라믹-금속복합기판을 얻게 된다.As described above, according to the embodiment, the ceramic-metal can be applied to a reliable and high-capacity power transistor module substrate that dissipates heat generated in a semiconductor even in a harsh use environment and does not destroy the
제2도는 이 발명에 의한 몰리브덴부재(3)의 두께와 내열사이클회수의 관계에 대한 한예를 표시하는 특성도이다. 횡축에 몰리브덴부재(3)의 두께를 종축에 내열사이클회수(알루미나부재(1)가 균열되기까지의 열사이클회수)를 나타낸다.2 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the thickness of the
대칭구조의 세라믹-금속복합기판의 열사이클시험결과를 표시하는 것으로 몰리브덴부재(3)가 개재되는 2층으로된 동부재의 총두께는 1.0㎜, 알루미나부재(1)의 두께는 0.63㎜, 열사이클조건은 -40℃∼150℃이다.The thermal cycle test results of the symmetrical ceramic-metal composite substrate are shown. The total thickness of the two-layer eastern material with
제2도에서 몰리브덴부재(3)의 두께를 0.05㎜이상으로 함으로써 내열사이클 특성이 급격하게 개선되는 것을 알수 있다.In FIG. 2, it can be seen that the heat resistance cycle characteristics are drastically improved by making the thickness of the
이와 같이 몰리브덴·동간에서 발생하는 응력을 동의 변형으로 흡수시킴으로써 동·알루미나간의 응력을 저하시키고, 동부재의 두께의 1/10 정도의 얇은 몰리브덴부재(3)를 추가하는 것만으로 내열사이클특성을 10배이상 향상시킬 수 있음이 실증되었다. 이 효과는 동부재의 두께가 1.0㎜일때에만 성립되는 것이 아님은 말할 것도 없다. 몰리브덴부재(3)의 두께로서는 동부재의 총두께의 1/20∼1/3이 적당하며 이 범위내에서 몰리브덴두께를 변화시킴으로써 내열 사이클특성, 열저항, 기판비용을 변화시킬 수 있다. 1/20이하의 두께의 몰리브덴부재(3)에 의하면 내열사이클특성의 개선이 충분하지 않고, 1/3 이상의 두께의 몰리브덴부재(3)에 의하면 열저항이 높아지는 결과 반도체로부터의 열방산이 불충분하므로 고기능화에 지장이 있고 또 기판비용도 고가로 되므로 공업용 이용 가치가 저하한다. 또 반대측에 배치하는 제2동부재(2B)의 두께는 0.3㎜ 이상에서는 굽힘이 발생하므로 문제가 있다.In this way, the stress generated in molybdenum and copper is absorbed by copper strain to reduce the stress between copper and alumina, and the heat resistance cycle characteristics are increased by 10 times only by adding a
그리고 세라믹과 동을 접합한 구조재에 있어서, 열팽창 차에 의한 내부응력을 완화시키는 방법으로서 양자의 접합면 사이에 예를들면 알루미늄, 동등의 비교적 연한 금속층, 니오브 혹은 니오브/몰리브덴, 니오브/텅스텐의 적층 중간층을 수 ㎜설치하는 방법이 제안되어 있다(일본잡지 : 금속 1986년 5월호 45∼50쪽).In the structural material in which ceramic and copper are bonded, a method of alleviating internal stress due to thermal expansion difference is, for example, lamination of aluminum, an equivalent relatively soft metal layer, niobium or niobium / molybdenum, niobium / tungsten between the bonding surfaces of both. A method of installing a few millimeters of the intermediate layer has been proposed (Japanese Magazine: Metal May 1986, pages 45-50).
그런데 반도체 실장용 기판으로서는 상술한 바와같이 수 ㎜가 되는 중간층을 설치하는 것은 열방산성이 대단히 약화되고 대용량 고기능화할 수 없으므로 문제가 된다.However, as the above-mentioned substrate for mounting a semiconductor, providing an intermediate layer of several millimeters as described above is problematic because heat dissipation is greatly weakened and a large capacity cannot be improved.
또 상기 실시예에서는 몰리브덴부재(3)를 동일 두께의 제1, 제2동부재(2A), (2C)사이에 설치하였으나 제1, 제2동부재(2A), (2C)의 두께가 달라도 같은 효과를 기대할 수 있다. 또한 제1, 제2동부재(2A), (2C)를 일체화하여도 몰리브덴부재(3)를 단일 동부재의 표면 혹은 동부재와 알루미나부재 사이에 배치하여도 같은 효과를 기대할 수 있따.In the above embodiment, the
제3도는 몰리브덴부재(3)를 제4동부재(2D)의 표면에 배치한 경우 이 발명의 다른 실시예를 표시하는 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the present invention when the
이 실시예에 있어서는 열팽창계수가 작은 몰리브덴부재(3)가 표면에 있기 때문에 이 위에 실장하는 반도체(도시생략)와의 열팽창의 매칭(matching)이 더욱 양호하게 된다.In this embodiment, since the
제4도는 몰리브덴부재(3)를 제4동부재(2D)와 알루미나부재(1)간에 배치한 경우의 이 발명의 또다른 실시예를 표시하는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing still another embodiment of the present invention in the case where the
이 실시예에 있어서는 몰리브덴부재(3)가 알루미나부재(1)와 접하고 있기때문에 알루미나부재(1)의 균열이 더욱 방지할 수 있게 된다. 또 몰리브덴부재는 1층일 필요는 없으며 요는 그 총두께가 동부재의 1/20∼1/3이 되도록 하고 반도체의 특성, 세라믹부재의 특성에 따라 배치하면 된다.In this embodiment, since the
또한 세라믹-금속복합기판의 접합방법은 상술한 바와같이 예를들면 폭발압접, DBC법등의 종래 방법을 이용할 수 있으나, 이 발명의 기판은 각각 공고히 접합되고 서로 구속하는 것이 필요하므로 융점이 낮고 연성의 예컨대 공정(eutectic) 땜납과 같은 연성납에 의한 접합방법은 피하는 것이 좋다.The ceramic-metal composite substrate can be bonded by using conventional methods such as explosion welding, DBC, etc. as described above. However, since the substrates of the present invention need to be firmly bonded and constrained to each other, the melting point is low and ductile. For example, a method of joining by soft solder such as eutectic solder is preferably avoided.
그리고 또한 상기 실시예에서는 세라믹기재(1)로서 알루미나부재, 구속부재(3)로서 몰리브덴부재를 이용하는 경우를 기술하였으나, 알루미나부재 대신에 질화알루미늄부재나 실리콘카바이드부재등의 열팽창계수가 작고 취약성의 절연기판재료에 있어서도 동부재의 1/20∼1/3 범위내의 얇은 구속부재에 의하여 같은 효과를 기대할 수 있다. 또 몰리브덴부재 대신에 대략 같은 정도의 열팽창계수, 내력, 열전도율을 가진 텅스텐부재를 이용할 수도 있다. 또 세라믹부재, 동부재, 구속부재는 각각 100% 동일재료로 만들 필요도 없고 특히 동부재, 구속부재는 열팽창계수, 전기전도도, 내력 등의 물성치가 대폭 변화하지 않는한 상기 성분을 주성분으로하는 합성물질 예를들면 동합금, 몰리브덴 합금, 텅스텐합금이라도 된다.In addition, in the above embodiment, the case where the alumina member is used as the
이상과 같이 이 발명에 의하면 세라믹기재에 동 또는 동합금부재를 접합하여서 형성하는 복합기판에 있어서, 몰리브덴, 텅스텐 및 그 합금중 어느 하나로 되고 상기 동 또는 동합금부재의 두께의 1/20∼1/3 두께의 구속부재를 상기 동 또는 동합금부재에 접속하여서 설치함으로써 취약성 재료인 세라믹기재에 발생하는 열응력을 저하시키고, 과혹한 사용환경하에서도 세라믹기재나 실장되는 반도체의 파괴를 방지할 수 있는 세라믹-금속복합기판을 얻는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, in a composite substrate formed by joining copper or copper alloy members to a ceramic substrate, one of molybdenum, tungsten, and alloys thereof is 1/20 to 1/3 thickness of the thickness of the copper or copper alloy members. By connecting the restraining member to the copper or copper alloy member to reduce the thermal stress generated in the ceramic substrate, which is a fragile material, and to prevent the destruction of the ceramic substrate or the semiconductor to be mounted even under severe use environments. It is effective to obtain a composite substrate.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (4)
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JP63-184033 | 1988-07-22 | ||
JP63184033A JP2738840B2 (en) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | Ceramic-metal composite substrate |
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JP63332253A JPH02177463A (en) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | Manufacture of ceramic-metal composite board |
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Family Applications (1)
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-
1989
- 1989-07-19 KR KR1019890010225A patent/KR920007021B1/en not_active IP Right Cessation
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KR900009505A (en) | 1990-07-04 |
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