KR960006709B1 - 집적 회로용 복합기판 - Google Patents

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KR960006709B1 KR1019880001677A KR880001677A KR960006709B1 KR 960006709 B1 KR960006709 B1 KR 960006709B1 KR 1019880001677 A KR1019880001677 A KR 1019880001677A KR 880001677 A KR880001677 A KR 880001677A KR 960006709 B1 KR960006709 B1 KR 960006709B1
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마이클 홀러란 루이스
알버트 메르켈 그레고리
죤 파이슬리 로버트
앤 윅셀 캐드린
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코닝 글라스 웍스
알프레드 엘. 마이클슨
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Abstract

내용 없음

Description

짐적 회로용 복합기판
본 발명은 집적회로용 복합 기판, 특히 집적회로 팩케이지에서 기판으로 사용하기 위한 무기세라믹적충구조물에 관한 것이다.
작동 속도를 고속화하고 회로 밀도를 더 높이고저 하는 요구가 증가함에 따라, 고 실행능(high performance)의 응용 목적을 위해 집적회로의 팩케이징(packaging)에 사용하기 위한 신규의 물질 및, 집적회로 제작에 관한 새로운 이론이 치속적으로 발전되어 왔다. 예를들면 단일 실리콘 또는 갈륨 비화물 웨퍼(wafer) 또는 칩상에 다수의 트랜지스터와 같은 기본 활성 전자 유니트를 팩케이징하기 위한 기술이 발전되어 왔다. 그 결과 얻어진 장치(직접 회로)의 실행능력은 이 장치들이 전기적으로 다른 장치 및 작동 매체에 연결되어야 나타난다. 집적회로는 과열, 물리적 오염물, 및 환경으로부터 보호되어야만 한다. 필수적인 접속부(connections) 및 이를 보호하기 위해 상기 유니트를 하나의 팩케이지 단위로 케이싱 한다.
상기 팩케이지를 구성하는 한가지 부품은 기판 또는 "칩 캐리어"로서, 이것은 전기적 절연체로 구성된 얇은 판 또는 웨퍼로 구성되어 있고, 그 위에 하나 또는 그 이상의 많은 칩들이 장착되어 있으머, 칩들 상호간 및 이 전기적 장치를 구성하고 있는 다른 부품들을 전기적으로 상호 연결하는 금속화된 송신선(transmission lines)을 위한 기판으로 작용한다.
오늘날 제작된 가장 큰 용량의 집적 회로로는 유기 플라스틱들로 제조된 팩케이지를 이용한다. 또한, 긴수명 및 높은 신뢰성을 요구하는 응용분야용으로는 무기 세라믹 물질로 제작된 용접밀봉한(hermetically sealed) 팩케이지가 사용되어 왔다. 이러한 팩케이지들은 흔히 알루미나(Al2O3)로부터 제조되어 왔다.
이 전자 장치가 작동하는 속도는 일반적으로 상호 접속부를 따라 시그날이 전파될 수 있는 속도 및 이 시그날이 전달되는 거리에 의해 제한된다. 시그날 속도를 증가시킬 수 있는 두가지 방법으로; (1) 상호 접속부의 전기저항을 감소시키고; (2) 상호 접속부를 통과해 전파되는 시그날의 속도가 주변 매질의 유전 상수의 제곱근에 반비례하기 때문에 매우 낮은 유전 상수를 갖는 기판 물질을 사용하는 방법이 있다.
회로 밀도는 다음 세가지 방법으로 증가시킬 수 있다;
(1) 칩의 단위 면적당 다수의 회로 부품을 사용하며;
(2) 칩 부품의 수를 증가시키기 위해 칩의 크기(dimensions)를 확대시키고;
(3) 기판당 다수의 칩들을 사용하는 방법으로서, 이렇게 함으로써 칩들이 별도의 칩 캐리어들 상에 장착 될때애 비해 칩간의 거리가 더 가까운 위치에 놓이기 때문에 시그날 속도를 가속화시키는 장점이 있다. 그러나 회로 밀도를 증가시키는 것은 팩케이지시에 두가지의 큰 난점을 약기시킨다.
첫째, 회로 밀도가 높아질수록 더 많은 수의 접속부들이 필요하게 되며, 접속부들이 교차되는 것을 방지하려면(결과적으로 짧은 회선을 갖도록) 다중층의 기판을 사용할 필요가 있다. 이와같은 적층형 기판 구조는 그 기판 내부에 서로 다른 면을 통과하는 금속화된 통로들을 포함하고 있다. 이러한 구조는 금속화된 접속부들과 기판 물질을 함께 소성(co-firong)시켜야만 한다. 이러한 요건 때문에 접속부에 적합한 금속은 기판이 소결되는 온도보다 더 높은 용용점을 갖는 금속들중에서 선택하도록 제한된다. 오늘날 고 실행능의 응용 용도를 위해 다중충 기판에 사용되는 유일한 세라믹 물질은 Al2O3이다. Al2O3는 1600℃ 또는 그 이상의 소결 온도를 필요로 하기 때문에 상호 접속부(interconnects)용으로 적합한 물질들은 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 내열 금속으로 제한되어 있다. 이러한 금속들은 구리, 은 또는 금 보다 더 높은 전기 저항성을나타낸다. 따라서 시그날 후술한 내열성이 금속들을 사용했을때 보다 빠르지 않다.
두번째로는, 회로밀도가 증가되었기 때문에 팩케이지로부터 더 효율적으로 열을 제거할 필요가 있다. 칩상의 개폐 속도(switching speeds)가 높고, 많은 수의 부품 및 칩들이 연결되어 있기 때문에 열의 발생이 더 커진다. 과도하게 일이 생성되면 열팽창의 차이로 인해 기판 및 칩간의 납땜 결합이 파괴되거나 또는 칩이 파괴될 수 있다. 결국 열을 제거시키는 방법은 많은 고성능 응용분야에서 주된 관심사이며, 특히 Al2O3보다 더 높은 열 전도율을 나타내는 물질로 기판을 제작함으로써 이를 개선할 수 있다.
상술한 사항으로부터 Al2O3와 비교해 볼때 하기한 특성을 갖는 물질들로 기판을 제작함으로써, 집적회로 팩케이지 분야에서 상당히 진보된 결과를 얻을 수 있는 것이 분명하다고 판단된다:
(1) 상호 접속부용으로 낮은 전기저항도를 갖는 금속을 사용하기 위해서는 낮은 소결온도, 구체적으로1050℃ 이하의 낮은 소결온도를 지니고 있고;
(2) 낮은 유전 상수, 바람직하기로는 6 이하를 갖고; 그리고
(3) 내체로 높은 열 전도율을 지닌 물질이어야 함.
낮은 유전 상수 및 낮은 소성 온도를 나타내는 것으로서 현재 유용한 물질은 독점적은 아니지만 우선적으로 규산염 계열의 유리류 및 유리-세라믹류 중에서 발견된다. 그러나 불행히도 이러한 물질들은 원래 매우 낮은 열 전도율, 즉 최소한 Al2O3의 열 전도율에 비해 한단계 적은 열 전도울을 갖음이 입증되었다. 결국 이들 물질을 사용하는 방법은 열을 제거하는 단계가 별로 중요한 요소가 아니거나, 열 싱크(sinks) 및 외부의 냉각 메카니즘을 사용하여 열을 제거할 수 있는, 비교적 전자장치의 작동속도를 중요시하는 응용목적용으로만 한정된다. 반면 상술한 장치들은 효율적으로 열을 제거할 수 있으나, 값이 비싸고 많은 응용분야에 사용할 수 없다.
역으로 높은 열 전도율을 나타내는 물질들은 금속의 형태 및 특정 세라믹으로 얻을 수 있으며, 이들은 단순한 입체 화학적 특성, 공유 결합 및 낮은 평균 원자 질량을 갖는 것을 특징으로 한다. 그러나 상기 금속들은 전기적으토 전도성이 있기는 해도 팩케이지 기판으로는 적합하지 않다. 또한 높은 열 전도율을 갖고 있는 것으로 입증된 대부분의 세라믹들이 전기적으로 절연성이 있을지라도, 유전 상수가 Al2O3보다 상당히 낮은 것은 거의 없으며, 모두 1050℃ 이상의 소결온도를 필요로 한다. 이러한 후자의 특성 때문에 함께 소성되는 기판내의 상호 접속부로서 더 내열성이 있고 동시에 더 전기적으로 저항성이 큰 금속을 사용할 필요가 한다. 이러한 이유로 인해 상당히 전도성인 세라믹 팩케이지들은 전기적 장치의 작동속도를 향상시키는 것보다 열을 제거하는 것이 더욱 중요한 응용분야에만 제한적으로 사용된다.
본 발명은 낮은 유전상수를 갖는 매트릭스 내에서 비교적 단순한 배열로 높은 전기 전도율의 상호 접속부에 더욱 빠른 시그날 속도를 제공하며, 또한 일의 제거 정도를 향상시키기 위해 높은 열 전도율의 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 집적회로 팩케이지용 복합 기판의 제작방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명의졔품은 한층의 재료는 25W/m.K 이하의 열 전도율(k)를 갓으며, 다른충의 재료는 50W/m.K 이상의 열전도율를 갖는 층들을 함께 결합시킨, 최소한 이 두개의 층으로 구성된 적충체를 포함한다. 본 발명은 또한 이 두층들을 서로 결합시키기 위한 방법에 관한 것이다.
낮은 열 전도율을 갖는 층은 전부는 아니지만 그 대부분이 금속화된 상호 접속부를 위한 기판으로 작용하며, 가장 바람직하게는 높은 열 전도율을 갖는 층을 포함한 재료보다 낮은 유전상수를 갖는 재료로부더 제조되며, 그럼으로써 상호 접속부를 지나는 시그날의 임피던스(impedance)를 최소화시킬 수 있다. 낮은 열전도율을 갖는 층은 그 표면만을 급속화시킬 수도 있고, 또는 내부가 급속증착된 다중층의 소체(boby)를 포함할 수도 있다. 또한 낮은 열 전도율을 갖는 상기 소체의 금속증착이 구리, 금, 팔라듐 또는 은을 포함하는 금속들처럼 매우 높은 전기 전도율을 나타내는 재료들로 구성되면, 그 전자 장치의 작동속도가 향상된다. 그러나 상기와 같은 금속들뿐만 아니라 상기의 낮은 열전도율을 갖는 소체는 1050℃ 이하의 온도에서 소결될 수 있는 재료로부터 제조되어야만 한다. 낮은 열전도율을 갖는 층은 유리, 유리-세라믹, 또는 유리-결합된 세라믹들로 구성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 이들 각각이 낮은 유전 상수와 낮은 소결 온도를 갖고 있다는 장점 때문이다. 또한 낮은 열 전도율을 지닌 층을 포함하는 재료의 열팽창 선형계수는 이층이 결합될 높은 일 전도율의 층을 구성하고 있는 재료에 의해 나타나는 계수와 크게 다르지 않은 것이 바람직한데, 그 이유는 이 복합 소체의 열순환으로 인한 응력을 최소화 시키기 위함이다.
높은 열 전도율의 층을 포함하고 있는 재료의 일팽창 선형계수는 낮은 열 전도율의 층의 계수와 비교적 근사하여야 하며, 바람직하게는 실리콘 또는 갈륨 비화물과 같은 집적회로 칩의 계수와 유사해야 한다. 이러한 기준은 특히 효율적이고 균일하게 열 제거를 촉진시키기 위해 높은 열 전도율의 층에 상기 칩을 직접 장착시키는 팩케이지 배열에서 특히 유용하다. 높은 열 전도율의 층이 전기적 절연 물질로 구성되어 있는경우, 이것은 급속화된 상호 접속부 또는 입출력(I/0) 납과 접촉상태이거나 또는 이들을 포함 또는 포함하지 않을 수도 있다. 한편, 급속 또는 전기 전도성 서어밋(cermet)이 높은 열 전도율을 지닌 층으로 사용되는 경우, 기판 디자인 및 제작에 상당한 주의가 필요한데, 그 이유는 접속부 또는 I/0 납과 접촉 상태인 상기 높은 열 전도울의 층이 낮은 열 전도율의 층으로부터 떨어져 있도록 제작하기 위해서이다. 높은 열 전도율의 층으로 사용하기에 적합하다고 사료되는 금속들 층에는, 텅스텐이 가장 바람직한 것으로 선택되는데, 그 까닭은 이 급속이 비교적 낮은 열 팽창계수(∼46×10-7/℃)와 높은 열 전도율(182W/m.K)을 갖고있기 때문이다. 높은 열 전도율의 층으로 사용될 수 있는 세라믹 물질중에는 약 42∼45×10-7/℃의 열팽창 선형계수를 갖고 있는 알루미늄 니토라이드(50-200W/m.K)와 약 36×10-7/℃의 열팽창 선형계수를 갖는 실리콘 카바이드(50-270W/m.K)가 가장 바람직한 것으로 판단되었으며, 그 이유는 그들의 일팽창 선형계수가 각각 실리콘 및 갈륨 비화물(∼35×10-7/℃와 ∼6O×10-7/℃의 선형계수와 거의 유사하기 때문이다. BeO는 그 독성 및 높은 열팽창 계수로 인해 AlN 또는 SiC 보다 덜 효용적인 것으로 사료된다.
최종적으로 상기 층들을 함께 결합시키기 위해 사용되는 재료는 다음 다섯가지 기준에 부합되어야 한다;
(1) 이재료는 용접밀봉 상태를 제공해야 한다;
(2) 얻어진 결합은 강력해야 한다;
(3) 이 봉함 물질은 팩케이지의 다른 부품들을 변형시키지 않도록 하기위해, 또는 열에 의해 이들이 손상받지 않도록 하기 위해 충분히 낮은 온도에서 유동성이 있어야 한다;
(4) 이 재료는 팩케이지의 어떠한 부품과도 반응을 하지 않으면서 대기압중에서 필요한 밀봉상태를 형성할 수 있어야 한다.
(5) 이 봉함재료의 열팽창 선형계수는 함께 결합되는 층의 열팽창 선형계수와 유사해야 한다.
상술한 요건을 만족시키는 봉함재료로는 유리 류, 불투명 봉함 유리류(devitrifying sealing glasses), 금속땜납류 및 금속-유리 혼합물들이 해당된다.
당 실험실의 작업으로부터 본 발명의 직접회로 팩케이지용 복합 기판의 바람직한 부품은 알루미늄 니트라이드, 실리콘 카바이드, 및 텅스텐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 높은 열전도율을 나타내는 층, 알루미노 실리케이트 유리-세라믹으로 구성된 낮은 열전도율을 나타내는 층. 그리고 보로 실리케이트 유리로 구성된 결합 물질로 주로 구성된다는 것을 알게 되었다. 알루미노 실리케이트 유리-세라믹이1000℃ 이하의 온도에서 소결될 수 있고 높은 전기적 전도성을 갖으나 내열성이 덜하기 때문에, 금속 증착용으로 구리, 금, 팔라듐 및 은을 포함하는 금속들을 사용할 수 있다. 이들을 사용함으로써 시그날 속도가 상당히 증가된다. 또한 이 유리-세라믹의 유전 상수가 6이하(Al2O3∼10)이기 매문에, 팩케이지내의 시그날 라인들은 공간적으로 서로 근접위치에 배열될 수 있다. 또한 금속화된 상호 접속부를 따라 지나는 시그날 속도도 증가될 것이다. 상기 두가지 요인으로 인해 장치의 속도가 보다 빨라진다. 또한 AlN, SiC와 텅스텐의 높은 열전도율은 열이 생성되는 것을 감소시키고 실제 장치(칩 또는 집적회로)가 더 큰 파우워 레벨에서 작동할 수 있도록 해주며, 및/또는 장치 그 자체상에 높은 밀도의 활성 게이트(gate)를 갖도록 해준다.
상기에서 언급한 바와같이, 금속 텅스텐 및 무기 세라믹 류 AlN과 SiC가 실리콘 및 갈륨 비화물에 필적하는 열팽창 계수를 나타내기 때문에, 이들이 높은 열전도율을 나타내는 바람직한 재료들을 구성하며, 무기세라믹 재료와 텅스텐은 또한 전기적으로 절연성이 있는 장점을 갖고 있다. 1986.12. 3 출원된 프로노브 바단과 그레고리에이미켈 명의의 미합중국 출원 번호 제937,209호(현재 미합중국 특허 제4,719,187호)에 의해 제조된 AlN을 주성분으로 하는 세라믹류가 70W/m.K 이상의 높은 열전도율을 갖고 있기 때문에 특히 바람직하다. 이들 소체(body)들은 주로 Ba,Ca,Sr,Y, 란타나이드 희토류 급속 및 이들 금속의 혼합물로부터 선택된 금속 약 0.02-25중량%, 그리고 약 0.005-10%의 불소를 포함한 AlN으로 구성되어 있다.
또한 그들의 열팽창 선형계수 및 비교적 낮은 소결온도 때문에 Li2O, Na2O와 K2O가 거의 없는 조성을 갖으며, 내재한 주요 결정상이 코르디어라이트(2MgO,2Al2O3,5SiO2) 및/또는 윌레마이트(2ZnO,SiO2)로 구성된 알루미노 실리케이트 유리-세라믹류는 그들의 낮은 전기적 소멸인자(electrical dissipation factors), 비교적 낮은 소결온도 그리고 그들의 열팽창 계수를 변화시키고 조절하는 것이 용이하다는 점때문에 특히 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 윌레마이트(willemite) 및 코르디어라이트(cordierite)라는용어들은 상술한 고유의 입체 화학적 조성물을 의미할 뿐 아니라 그들의 고용체도 포함하는 의미이다. 특히 주요 결정상으로서 윌레마이트를 함유한 적절한 유리 세라믹류는 루이스 엠 홀러란과 프란시스 더블유. 마린 명의로 1986.10.27에 출원된 미합중국 특허출원 제923,432호(현재 미합중국 특히 제4,714,687호)에 개시되어 있다. 이 유리 세라믹류는 산화물의 중량에 대해 약 15-45중량%의 ZnO,10-30중량%의 Al2O3, 그리고 30-55중량%의 SiO2로 주로 구성되며, 임의로 15% 이하의 MgO가 첨가될 수도 있다. 이와같이 첨가함으로써 2차 결정상으로 코르디어라이트가 생성될 수 있다.
최종적으로, 보로실리케이트 유리류의 열팽창 선형계수가 실리콘 및 갈륨 비화물과 필적할 수 있고 그들의 연화점이 비교적 낮기 때문에, 보로실리케이트 유리류들은 결합 또는 봉함용 매질로 특히 바람직하다. 따라서 이와같은 유리류는 약 25-45×10-7/℃의 열팽창 선형계수(25℃-300℃)를 나타내며 약 650°-900℃사이의 연화점을 갖는다. 결정화된 상태로 적절한 선형팽창 계수를 나다내는 불투명 봉함 유리류, 예를들면, 일반적인 납 티타늄 보로실리케이트계 내의 조성물들을 또한 사용할 수 있다.
실험실 작업에 따르면 특허출원 번호 제937,209호에 의해 제조된 AlN-기체의 세라믹이 상기의 높은 열전도율을 나타내는 재료를 구성하고 있다. 95중량%의 AlN 및 5중량%의 CaF2로 구성된 출발 조성물(약2-3% 산소가 항유된 AlN)을 Al2O3, 보올을 사용하여 볼마쇄시켜 평균 직경 10미크론 이하의 분말을 얻었다. 이 분말의 슬러리는 유기 기초제 시스템중에서 이 분말을 고체 : 유기물의 중량비가 3 : 2가 되도록 혼합함으로써 제조했다. 상기 유기 시스템은 일차적으로 결합제(폴리비닐 부티랄), 용매(톨루엔 및 에탄올),그러고 계면활성제(포스페이트 에스테르)로 구성되어 있다, 이 슬립을 밤새 볼마쇄시킨 후, 폴리에틸렌 캐리어 필름 또는 테이프 상에 조절기 날을 사용하여 야 0.005-0. 02" 두께로 연속 도포시켰다. 실온 공기중에서 유기 물질을 증발시켜 건조시킨후, 이 테이프를 약 3"×3"의 디멘션을 갓는 사각형으로 자르고 이 사각형 8 내지 10개를 쌓아올린 후 이 더미를 75°-85℃ 온도에서 2500psi로 압착시켰다.
압착된 테이프 더미(stacks)를 공기중의 50℃/시간에서 500℃ 정도로 가열시키고 이 온도에서 5시간동안 유지시켜 유기 성분을 태워 버렸다. 그후 이 샘플들을 거의 이론밀도에 이르록 4시간동안 질소대기중1900℃에서 소결시켰다. 소성후 이 AlN은 일반적으로 0.4중량% 이하의 산소,0.02중량% 이하의 칼슘 및 0.01중량% 이하의 불소를 포함하고 있었다.
3종류의 상이한 유리-세라믹 조성물들이 낮은 열 전도율과 낮은 유전 상수를 갖는 재료로 사용되었다.이들의 조성은 산화물 중량에 대한 중량부로 표 (1)에 나타내었다. 언급된 전체 성분의 함량이 거의 100에 가까우므로 모든 실행목적상 개별적인 성분별 보고치는 중량%로 생각할 수도 있다. 적절한 제재의 배치(batch)들을 서로 혼합하고 균질한 용융물을 얻기 위해 함께 볼마쇄시키며, 이를 플래티늄 도가니에 투입시켰다. 이 도가니를 약 1650℃에서 작동하는 회화로에 넣고 약 6시간동안 여기에서 방치시키고 난뒤, 얻어진 용융물을 스틸 주형에 쏟아 부어 유리 슬랩(slab)을 얻고, 이 슬랩을 약 700℃-800℃에서 작동하는 아닐러(annealer)에 즉각 옮기거나, 상기 용응물을 냉수욕에 다소 얇은 스트림 상태로 쏟아넣어 이 스트림을 작은 유리 입자 상태로 파열시켰다.
상기 슬랩을 압착시키고, Al2O3볼을 사용하여 볼마쇄시킨 후 이 입자의 평균 크기를 약 3.5미크론으로 잘게 마쇄시켰다. 얻어진 입자들을 동일한 유기 기초제 시스템과 혼합시키되 상술한 AlN 재료에 대한것과 같은 동일한 비율로 혼합하였다. 또한 유사한 방식으로, 그로부터 테이프를 제조하고 3" 정사각형으로 자른뒤 이 사각형들의 더미를 압착했다. 그후 압착된 사각형들을 공기중 50℃/시간에서 500℃로 가열하고 이 온도에서 5시간동안 유지시키면서 유기 성분을 제거한 후 온도를 약 925℃-975℃로 올리고 약 0.5-2시간동안이 온도에서 유지시켰다. 실시예 1 및 2는 상당히 결정성이 있는 것으로서 주된 결정상으로서 코르디어 라이트를 주로 포함하고 있었다. 실시예 3은 또한 상당히 결정성이며 약간량의 아연 실리케이트를 갖고 있고 주 결정상으로 코르디어 라이트를 함유하고 있었다.
[표Ⅰ]
Figure kpo00001
AlN 및 세종류의 유리-세라믹으로 구성된 소결시킨 조각들을 0.6" 입방으로 자른뒤, 미합중국 표준 채제200호(74미크론)를 통과시킨 SiC 입자를 사용하여 상기 AlN 사각형의 양측면을 추가로 마쇄시켰다. 이AlN 사각형의 최종 두꼐는 약 0 04-0.05"의 범위였다. 텅스텐 막대(99.9% 순도)를 두꼐 0.25"를 갖는0.5" 입방으로 잘랐다. 잘라 마쇄시킨 후, 이 샘플들은 증류수중에서 초음파를 사용하여 세척하고 이소프로판올로 세정후, 건조시켰다.
하기 표(II)의 수록된 것은 상기 재료의 각각에 대해 25°-300℃의 온도범위에서 열팽창 선형계수를 ×10-7/℃의 단위로 표시한 것이며, 유전 상수, 그리고 열 전도율을 W/m. K 단위로 수록한 것이고, 이들은 통상적인 측정 기법을 이용해 측정되었다.
[표Ⅱ]
Figure kpo00002
취급이 용이하고, 입수가 용이하기 때문에, 3종류의 보로 실리케이트 유리류들을 결합 매체로 사용하였다. 코닝 글래스 윅스(코닝, 뉴욕)의 카탈로그에는 결합 매체로서 추천할 수 있는 화학적, 물리적 기준을 설명한 다양한 조성의 32종에 이르는 보로 실리케이트 유리가 수록되어 있다.
실험실 작업용으로 선택된 3종은 코닝 코드 7544, 코닝 코드 7740 및 코닝 7761이다. 또한 본 발명자들은 미합중국 특허 제3,488,216호에 제시된 일종의 불투명 유리 프리트(frit)를 사용하었는데, 그 내부에 납 티타네이트(PbO,TiO2)로 구성된 주 결정상이 생성되어 있다. 상기 3종의 보로 실리케이트 유리류의 조성 및 불투명 유리 프리트의 조성을 그의 연화점 및 25°-300℃의 온도 범위에서 ×10-7/℃ 단위로 표시한 보로실리케이트 유리의 열팽창 선형계수와 함께 표(III)에 나타내었다. 상기 유리 프리트가 너무 급속히 불투명화되기 매문에, 그의 연화점 및 열팽창 선형계수를 측정하는 것은 매우 어렵다. 그러나 미합중국 특허 제3,488,216호에 제시된 프리트들은 통상적으로 보로 실리케이트 유리 제품을 광택 내기 위해 사용한다. 표(III)은 또한 유리의 연화점 및 불투명 프리트의 성숙은도(Cryst.)를 나타내고 있다.
[표 III]
Figure kpo00003
Figure kpo00004
상기 표로부터 알수 있는 바와같이, 상기 조성물들은 낮은 열 전도율의 유리 세라믹 재료와 AIN 및 텅스텐 사이에 해당하는 열팽창 계수를 나타내며, 연화 또는 결정화 온도는 950℃ 이하이다. 또한 각각의 조성물은 기후 변화에 대한 내성도 우수함을 알 수 있다.
3종의 시판 유리류의 프리트들은 제품들을 평균 입자 크기 5미크론 이하의 입자들로 간단히 압착하고, 마쇄시켜 제조되었다. 불투명 봉함 유리에 있어서, 적절한 조성물을 한배치 혼합하고, 그 성분들을 철저히 혼합한후, 플래티늄 도가니에 넣고 이를 약 1200℃에서 약 2시간동안 용웅시켰다. 이 용응물을 적은 스트림상태로 냉수욕내에 넣었다. 얻어진 유리 입자들은 평균 입자 크기 5미크론 이하로 볼마쇄시켰다.
이하의 실시예에서 4종류의 프리트 각각의 슬러리는 이소프로판을 중에 고형분 : 이소프로판올이 2 : 1의중량비로 분산되도록 분산시키고 30분간 볼마쇄하여 제조했다. 각각의 AlN 또는 텅스텐/유리-세라믹 복합물은, AlN 또는 텅스텐 판의 표면상에 상기 프리트 슬러리를 적하관(eye dropper)을 사용해 얇은 층으토 도포시키고, 이 습윤 표면위에 유리-세라믹 판을 위치시킴으로써 제조했다. 공기중에서 건조시킨 후, 조립한 단위체를 공기중(산화성 대기) 또는 92% 질소, 8% 수소 형성 기체(환원성 대기)중 하나에서 규정된 최대 온도까지 약 200℃/시간의 비율로 가열하고 1시간동안 이 온도에서 유지시킨 뒤, 약 100℃/시간으로 500℃로 냉각시켜,1시간동안 이 온도를 유지시킨 뒤, 약 150℃/시간으로 실온까지 냉각시켰다. 형성 기체는 AlN 또는 텅스텐에 구리카 금속증착된 유리-세라믹을 결합시키기 위해 필요한 조건인 낮은 산소 부분압조건을 시율레이션시키기 위해 사용했다.
(실시예 I-Ⅲ)
AlN 및 유러세라믹 번호 3의 판들로써, 그 사이에 기착된 번호 7574의 보로 실리케이트 유리 슬러리를갓고 있는 판들을 공기중에서 800℃ 및 950℃의 최대온도로 소성시키고, 850℃에서, 형성 기체중에서 소성시켰다. 모든 샘플들이 양호한 결합을 나타내었다. 7574 유리는 투명상태를 유지했으며 AIN 및 유리 세라믹 둘 모두에 잘 결합되었고 비교적 잘 소결되었다.
(실시예 Ⅳ-Ⅶ)
AlN 및 번호 3의 유리-세라믹판들로써, 그 사이에 보로 실리케이트 유리 번호 7740의 슬러리가 기착되어 있는 판들을 공기중에서 최대온도 750℃, 800℃, 850℃와 950℃로 소성시켰다. 800℃, 850℃ 그리고 950℃로 소성시킨 조합체들은 쉽게 분리되어 AlN 판의 표면 근처에서 파열되는 경향이 있고 단지 얇은 조각의 유리가 AlN에 부착되어 있다.
7740 유리는 약간 투명한 불투명성을 나타내며 공극이 없는 상태로 잘 소결되었다. 반대로 750℃에서 소성시킨 조립체들은 강력한 결합을 나타내었다. 입자 크기 및 프리트 적하량(loading)을 최적화시킴으로써, 유리 7740을 결합 매체로서 매우 만족하게 사용할 수 있음을 알았다.
(실시예 Ⅷ-XI)
AlN과 번호 3의 유리세라믹의 판들로써, 그 사이에 보로 실리케이트 유리 번호 7761의 슬러리가 기착되어 있는 판들을 공기중에서 800℃, 850℃ 그리고 950℃로 소성시키고 850℃에서는 형성 기체중에서 소성시켰다. 모든 샘플들이 우수한 결합을 나다내었다. 7761 프리트는 연화되었고 완전히 치밀하고 투명한 유리로 소결되었으며, AlN 및 유리-세라믹 번호 3둘 모두에 대해 최적의 접착성과 습윤성을 나타내었다.
(실시예 XII)
AlN 판과 번호 2의 유리-세라믹 판을 포함하며, 이 판들 사이에 불투명한 사각형 유리 프리트 테이프가 삽입되어 있는 복합체를 620℃의 최대온도로 공기중에서 소성시키되, 다음과 같은 시간-온도 예정표에 의해 실시한다; 온도를 약 175℃/분의 속도로 580℃로 상승시켰다: 이 온도를 5분간 유지시켰다: 온도를약 10℃/분의 속도로 620℃로 올렸다: 이 온도를 15분간 유지시켰다; 온도를 약 100℃/분의 속도로 실온으로 내렸다.
상기 조립체는 함께 결합되어 있는 반면, 부분품 사이의 봉함은 용접밀봉 상태가 아니었다. 상기 불투명 유리 프리트의 형태는 상기 소성 공정동안 수축된 듯 했다.
(실시예 XIII)
AlN 판과 번호 2의 유리-세라믹 판을 포함하며 그 사이에 사각형의 불투명한 유리 피리트 테이프를 가지고 있는 복합체를 질소 내기중에서 620℃의 최대 온도로 소성시키되, 하기한 시간-온도 예정표에 따라소성을 실시했다: 온도를 약 100℃/분의 속도로 580℃의 상승시켰다: 이 온도를 10분간 유지시켰다: 그 온도를 약 10℃/분의 속도로 620℃로 상승시켰다: 이 온도를 30분간 유지시켰다; 이 온도를 약 50℃/분의 속도로 실온까지 저하시켰다. 소성시킨 조립체는 실시예 XII에서 기술된 것과 거의 유사한 봉함을 나타내었다.
(실시예 XIV-XV)
텅스텐 판과 번호 3의 유리세라믹 판으로 구성되어 있으며, 그 사이에 보로 실리케이트 유리번호 7574의 슬러리가 기착되어 있는 적층체를 형성 기체중의(텅스텐의 산화를 방지하기 위한 것) 850℃에서 소성시키고, 텅스텐 판과 번호 3의 유리세라믹 판으로 구성되어 있으며 그 사이에 보로 실리케이트 유리 번호 7721의 슬러리가 기착되어 있는 적층체를 형성 기체중의 850℃에서 유사하게 소성시켰다. 소성시킨후, 텅스텐의 외측 표면은 산화되지 않은 것으로 나타났다. 상기 두 조립체들은 약간 어렵기는 하나 손으로 분리시킬 수있었다. 그러나 각각의 경우에, 먼저 텅스텐/봉함 유리 잔극을 따라 파열이 전파되었고 이는 유러-세라믹판으로 연결되었으며 유리-세라믹의 일부가 상기 금속에 결합된 상태를 유지하고 있었다. 따라서 유리대금속의 결합 메카니즘, 금속 표면의 적절한 제작방법 및 봉함 유리 조성물의 최적화 방법을 이해함으로써 결합상태가 우수한 텅스텐/유리-세라믹 복합 기판을 제작할 수 있다고 사료된다.
(실시예 XVI)
평균 직경 5미크론 이하인 보로 실리케이트 유리 번호 7574 분말의 슬러러는 유기 기초제 시스템중에 고형분; 유기물 중량비를 3 : 2로 하여 상기 분말을 분산시킴으로써 제조했다.
상기 유기 시스템은 주로 결합제(폴리비닐 부티랄), 용매(톨루엔 및 에탄올) 그리고 계면활성제(포스페이트 에스테르)로 구성되어 있다. 얻어진 슬립을 밤새 볼마쇄시킨 후 약 0.005-0.02"의 두께로 폴리에틸렌캐리어 필름 또는 테이프상에 조절기 날을 사용하여 도포시켰다.
공기중의 실온에서 유기 물질을 증발시켜 건조시킨 후, 상기 테이프를 약 3"×3"의 크기를 갖는 사각형들로 자르고 이 사각형 3매를 쌓아 올려 75°-85℃의 온도에서 2500psi로 압착시켰다. 압착원 더미를 50℃/시간의 속도로 공기중에서 500극C로 가열시키고 이 온도에서 5시간동안 유지시켜 유기 성분을 완전 연소시켰다.
AlN잔과 번호 2의 유리-세라믹 판으로 구성되어 있으며 그 사이에 상기한 사각형의 7574 테이프를 갖고 있는 복합체를 공기중에서 하기한 시간-온도 예정표에 따라 750℃의 최대온도로 소성시켰다; 온도를 약 150℃/분의 속도로 720℃로 상승시켰다: 이 온도를 7분간 유지시켰다; 온도를 약 7℃/분의 속도로 750℃로 상승시켰다; 이 온도를 20분간 유지시켰다; 이 온도를 약 75℃/분의 속도로 실온까지 저하시켰다. 소성시킨 조립체는 양호한 접착성을 나타내었으며, 상기 봉함제는 황색 발포 현상을 나타내고 있다.
(실시예 XVII)
5미크론 이하의 평균 직경을 갖고 있는 보로 실리케이트 유리번호 7574 분말을 기초제로서 아밀 아세테이트중에 분산시켜 고점성의 페이스트를 제조했다.
이 페이스트를 얇은층 상태로 AlN잔의 표면에 도포시키고 이 페이스트 층의 상부에 번호 1의 유리-세라믹 잔을 위치시켰다. 이 조럽체를 상기 실시예 XVII에서 사용된 시간-온도 예정표에 따라 750℃의 최대온도로 소성시켰다. 소성시킨 조립체는 우수한 결합을 나타내었으며, 상기 봉함제는 어떠한 발포도 없었다.
(실시예 XVIII)
상기 실시예 XVII에서 기술한 페이스트를 얇은 층으로 AlN판 표면에 도포시키고, 이 페이스트의 층 상부에 번호 3의 유리-세라믹 판을 위치시켰다. 이 조립체를 실시예 XVIv의 시간-온도 예정표에 따라 750℃의 최대 온도로 소성시켰다. 소성시킨 조립체는 초기에는 양호한 접착성을 나타내었지만 실온으로 냉각시키는동안 분리되었다. 이러한 분리현상은 AlN의 선형계수(∼45×10-7/℃)와 번호 3의 유리-세라믹의 선형계수(∼28×10-7/℃)가 서로 불일치하기 때문에 나타난 것으로 사료된다.
상기 실시예들에서는 높은 열 전도율을 지닌 하나의 층 및 낮은 열 전도율을 지닌 다른 한층으로 구성된 2-성분 적층체를 제조한 경우를 예시하고 있으나 다수의 2-성분 적층체를 포함하는 구조물들이 본 발명의 방법에 의해 제작될 수 있다는 것을 알수 있을 것이다. 또한 높은 열 전도율의 재료로 구성된 층을 포함하는 조립체는 낮은 열 전도율의 재료로 구성된 두층 사이에 끼워 넣을 수(sandwich) 있다.

Claims (9)

  1. 최소한 2종의 무기 세라믹층이 무기 세라믹 결합매체와 함께 결합되어 구성된 적층 구조물로서, 일차층의 재료는 50W/m.K 이상의 열전도율을 나타내며, 이차층의 재료는 25W/m.K 이하의 열전도율을 나타내고 10이하의 유전상수, 1050℃ 이하의 소결온도와 상기 1차층의 열팽창 선형계수와 유사한 선형계수를 갖으며, 상기 결합매체의 재료는 상기 2차층의 소결온도 이하의 온도에서 유동성을 나타내고, 상기 1차 및 2차층의 열팽창 선형계수와 유사한 선형계수를 갓는 것을 특징으로 하는 적층구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차층의 재료가 전기적으로 절연성이 있는 것인 적층 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 1차층의 재료가 텅스텐, AlN, 및 SiC로 구성된 그룹으로부터 선택된 것인 적층구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2차층의 재료가 유리, 유리세라믹 및 유리 결합된 세라믹으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 적층구조물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유리-세라믹은 LiO2, Na2O와 K2O가 거의 없으며, 주요 결정상이 코르디어라이트, 윌레마이트 및 이들 상의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 것인 적층구조물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 윌레마이트를 포함하고 있는 유리-세라믹은 주로 산화물의 중량%로 표시할때 약 15-45%의 ZnO, 10-30% Al2O3그리고 30-55%의 SiO2로 구성된 것을 특징으로 하는 적층구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 결합매체는 보로 실리케이트 유리 및 불투명 봉함 유리로 구성된 그룹으로부터 선택된 것인 적층구조물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 불투명 봉함 유리가 납 티타늄 보로 실리케이트계 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 적층구조물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 일차층은 50W/m.K 이상의 열 전도율을 나타내며, 25W/m.K 이하의 열 전도율을 나타내며 10이하의 유전상수와 1050℃ 이하의 소결온도를 갖고 상기 일차층의 열팽창 선형계수와 유사한 열팽창 선형계수를 갖는 재로로 구성된 두개의 층사이에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 적층구조물.
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