WO2018135755A2 - 세라믹 회로기판 및 이의 제조방법 - Google Patents

세라믹 회로기판 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2018135755A2
WO2018135755A2 PCT/KR2017/014487 KR2017014487W WO2018135755A2 WO 2018135755 A2 WO2018135755 A2 WO 2018135755A2 KR 2017014487 W KR2017014487 W KR 2017014487W WO 2018135755 A2 WO2018135755 A2 WO 2018135755A2
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metal
aluminum nitride
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박미소
곽만석
김경환
이승상
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주식회사 케이씨씨
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    • H05K2203/1105—Heating or thermal processing not related to soldering, firing, curing or laminating, e.g. for shaping the substrate or during finish plating

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic circuit board and a method of manufacturing the same.
  • Ceramic has high heat resistance, high mechanical strength and high insulation resistance, so that a high voltage is applied or a high output semiconductor device substrate is used.
  • Such ceramic materials include alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), zirconia (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC) and silicon nitride (Si 3 N 4 ). Therefore, it is used in automobiles, high-speed rail, industrial parts and the like.
  • Double aluminum nitride is excellent in thermal conductivity of 150-250W / mK it can be useful as a substrate for mounting a semiconductor device that emits a lot of heat during operation.
  • the electrode layer is formed by heating aluminum nitride to form an alumina film on the surface and heating and bonding copper metal plate thereon.
  • the method includes TiAgCu metal powder.
  • AMB Active Metal Bonding
  • Japanese Unexamined Patent Application Publication No. Hei 5-320943 includes a specific content of Al 2 O 3 , SiO 2 , WO or the like, thereby excellent bonding of an aluminum nitride substrate and a tungsten metal layer.
  • a method of implementing strength and heat resistance is disclosed.
  • the patent is not applicable to metals other than tungsten, there may be a limit to the use range.
  • Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 50-75208 discloses a specific portion so as to form an Al 2 O 3 on the surface by heating the aluminum nitride to increase the adhesion strength in forming the tungsten or molybdenum metal layer on metallizing aluminum nitride substrate Al 2 O 3
  • a method of improving the bonding strength while forming a spinel structure with Mn-Ti in a paste is disclosed.
  • the method despite the use of expensive pastes, is limited in achieving satisfactory bond strength.
  • Patent Document 1 JP-A 5-320943
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-75208
  • the present invention provides a ceramic circuit board having high bonding strength and thermal characteristics between a metal layer and an aluminum nitride substrate in manufacturing a ceramic circuit board for semiconductor device mounting.
  • the present invention provides a method of manufacturing a ceramic circuit board which can reduce the manufacturing cost while achieving the above effects.
  • the present invention is an aluminum nitride substrate; Comprising a bonding layer comprising a metal oxide of the spinel structure formed on the aluminum nitride substrate and a metal layer formed on the bonding layer, comprising at least one of the glass layer (glass frit) in the bonding layer and the metal layer It provides a ceramic circuit board.
  • the present invention is applied to the CuO powder on the aluminum nitride substrate and oxidized heat treatment to form a bonding layer comprising a CuAl 2 O 4 of the spinel structure and to print a metal paste on the CuAl 2 O 4 of the spinel structure It provides a method for producing a ceramic circuit board comprising firing to form a metal layer.
  • the ceramic circuit board of the present invention includes a bonding layer comprising a metal oxide having a spinel structure on the aluminum nitride substrate, a metal layer on the bonding layer, and glass powder in at least one of the bonding layer and the metal layer. Due to the combination of the spinel structure of the bonding layer, the glass powder and the paste component of the metal layer, strong bonding strength between the metal layer and the aluminum nitride substrate can be realized, and the thermal characteristics can be further improved. In addition, it is possible to reduce the manufacturing cost of the ceramic circuit board while achieving such excellent physical properties.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross section of a ceramic circuit board according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a process flowchart illustrating a method of manufacturing a ceramic circuit board according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a view showing a bonding strength test of the ceramic circuit board of the present invention.
  • a ceramic circuit board (AlN) 100 is formed on an aluminum nitride substrate 101 and the aluminum nitride substrate 101 and includes a spinel structured metal oxide. Bonding layer 102 and a metal layer 103 formed on the bonding layer 102.
  • the aluminum nitride substrate 101 has excellent thermal conductivity and good electrical insulation, and may be an optimal material for mounting a semiconductor device that emits a large amount of heat during operation.
  • the bonding layer 102 including the spinel structured metal oxide may include CuAl 2 O 4 , and the bonding layer 102 may have a thickness in the range of 10 to 1,000 nm. And may range from 10 to 400 nm, and may range from 50 to 200 nm. If the thickness of the bonding layer 102 is less than the above range, the formation region of the metal oxide of the spinel structure is narrow, and thus it may be difficult to implement the excellent bonding strength desired by the present invention. If it exceeds the above range, bubbles may partially occur after printing.
  • the spinel structure CuAl 2 O 4 may be formed by coating CuO powder on the aluminum nitride substrate 101 and subjecting it to an oxidative heat treatment.
  • the metal layer 103 may include a metal powder including Cu, Ag, or a mixture thereof, the thickness thereof may be in the range of 3 to 300 ⁇ m, may be in the range of 5 to 200 ⁇ m, and in the range of 10 to 100 ⁇ m. Can be.
  • At least one of the bonding layer 102 and the metal layer 103 may include a glass powder.
  • the weight ratio of the metal oxide to the glass powder may be 1: 2.53 to 4.18. If the glass powder is out of the above numerical range, the resistance of the electrode circuit is increased, which may cause a problem in current movement.
  • the weight ratio of the metal powder to the glass powder may be 1: 0.05 to 0.1. If the glass powder is out of the above numerical range, the resistance of the electrode circuit is increased, which may cause a problem in current movement, and the physical properties of solderability and wire bondability are remarkably low, making it difficult to mount a chip or component. Problems with assembly can occur.
  • the glass powder may include a calcium silicate-based glass powder having an average particle diameter of 1.5 to 10.5 ⁇ m.
  • the ceramic circuit board of the present invention includes a bonding layer 102 including a metal oxide having a spinel structure on the aluminum nitride substrate 101 and a metal layer 103 on the bonding layer 102, and the bonding layer 102.
  • the glass powder is included in at least one of the metal layer 103 and the metal layer 103 and the aluminum nitride substrate due to the combination of the spinel structure of the bonding layer 102, the glass powder, and the paste component of the metal layer 103.
  • a strong bonding strength of 101 can be achieved.
  • the thermal characteristics such as TCT (Thermal Cycle Test) physical properties can be further improved, the metal layer 103 can be improved from the ceramic circuit board even if it is repeatedly used by applying a current for a long time, thereby improving reliability.
  • a bonding layer including CuAl 2 O 4 having a spinel structure by applying CuO powder on an aluminum nitride substrate and subjecting it to oxidation treatment (step (a)) ; And printing a metal paste on CuAl 2 O 4 of the spinel structure and baking to form a metal layer (step (b)).
  • FIG. 2 is a process flowchart illustrating a method of manufacturing a ceramic circuit board according to an embodiment of the present invention.
  • the step (a) is coated with a CuO powder on an aluminum nitride substrate (a1), by oxidizing heat treatment (a2) ) May be a step of forming a bonding layer including CuAl 2 O 4 having a spinel structure.
  • the CuO powder applied on the aluminum nitride substrate may have an average particle diameter of 1 to 50 ⁇ m, 2 to 40 ⁇ m, and 3 to 20 ⁇ m.
  • the CuO powder per aluminum nitride substrate 1cm2 5X10 - 3 mg to 10X10 - may be applied in an amount of 3 mg. If the amount of CuO powder is less than the above range, the amount of CuO powder to be applied is too small, the amount of CuAl 2 O 4 formed may be too small, on the contrary, if the amount of CuO powder exceeds the above range partially bubble after printing There may be a problem that occurs.
  • the oxidative heat treatment may be performed for about 10 to 30 minutes in the temperature range of 1000 to 1200 °C, more specifically in the temperature range of 1100 °C to 1150 °C.
  • the oxidation heat treatment process can be carried out, for example, in a box furnace. According to one embodiment of the present invention, an optimum bonding strength and thermal characteristics may be realized within the oxidation heat treatment temperature range, particularly within the temperature range of 1100 to 1150 ° C.
  • a CuAl 2 O 4 having a spinel structure can be formed on the aluminum nitride substrate, and the formation mechanism of CuAl 2 O 4 is shown in Schemes 1 and 2 below.
  • x is 0-2.
  • Al nitride may be oxidized on the surface of the aluminum nitride substrate to form Al 2 O 3 (Scheme 1).
  • the formed Al 2 O 3 may react with the coated CuO to form a CuAl 2 O 4 having a spinel structure (Scheme 2).
  • the reaction may not be performed. If the oxidizing heat treatment time is too short, the reaction may not be performed. If the oxidizing heat treatment time is too long, when Al 2 O 3 film is formed on the aluminum nitride surface, Al and O may not be contacted to grow the Al 2 O 3 film. The speed can be lowered.
  • the oxidation heat treatment temperature is less than the temperature range, the oxidation reaction may not be performed, and when the oxidation heat treatment temperature is exceeded, the Al 2 O 3 film may be thickened to decrease adhesion to the oxide layer having a weak affinity with AlN.
  • step (b) is performed by printing a metal paste on CuAl 2 O 4 having the spinel structure (b1) and baking the same as shown in FIG. 2. (b2) forming the metal layer.
  • the metal paste may include 80 to 90 wt% of a metal powder including Cu, Ag or a mixture thereof, and 10 to 20 wt% of a mixture of a glass powder and a binder.
  • the binder may include an organic binder that is commonly used, and examples of the organic binder may include polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethyl cellulose, and acrylic resin.
  • the glass powder may include a calcium silicate-based glass powder having an average particle diameter of 1.5 to 10.5 ⁇ m.
  • the metal paste printing method may be printed by, for example, screen printing or jet injection (b1), and for example, about 100 to 150 to about 1 to 30 minutes after printing. Can be dry.
  • the metal layer may be formed by baking (b2) for about 30 to 180 minutes at a temperature range of about 800 to 1,000 under a nitrogen atmosphere, and repeatedly laminating it.
  • the CuAl 2 O 4 of the spinel structure by the firing can be strongly bonded to the metal powder and glass powder contained in the metal paste.
  • the glass powder can penetrate into the CuAl 2 O 4 structure of the spinel structure, by this penetration can be a strong bonding.
  • the bonding layer including CuAl 2 O 4 having a spinel structure on the ceramic circuit board may also include glass powder.
  • the weight ratio of CuAl 2 O 4 to glass powder of the spinel structure may be 1: 2.53 to 4.18.
  • the weight ratio of the metal powder to the glass powder included in the metal layer may be 1: 0.05 to 0.1.
  • the bonding layer may include not only glass powder included in the metal paste, but also metal powder.
  • a spinel structure CuAl 2 O 4 was formed on an aluminum nitride (AlN) substrate.
  • a copper paste (Tanaka Co., Ltd.) containing about 85% by weight of Cu powder, and about 15% by weight of a mixture of glass powder and ethyl cellulose (binder) on the spinel-structured CuAl 2 O 4 was screen printed. After the printing and dried for about 10 minutes at about 100 to 150 °C, and then fired for about 30 minutes at about 900 to 1000 °C under a nitrogen atmosphere, it was laminated three times to form a metal layer to prepare a specimen.
  • a specimen was prepared in the same manner as in Example 1 except that the oxidation heat treatment temperature was performed at 1100 ° C.
  • a specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxidation heat treatment temperature was performed at 1150 ° C.
  • a specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxidation heat treatment temperature was performed at 1200 ° C.
  • the specimen was prepared in the same manner as in Example 1 except that the oxidation heat treatment temperature was performed at 1000 ° C., and Ag powder was used instead of the Cu powder.
  • the specimen was prepared in the same manner as in Example 1 except that the oxidation heat treatment temperature was performed at 1100 ° C., and Ag powder was used instead of the Cu powder.
  • the specimen was prepared in the same manner as in Example 1 except that the oxidation heat treatment temperature was performed at 1150 ° C., and Ag powder was used instead of the Cu powder.
  • the specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxidation heat treatment temperature was performed at 1200 ° C., and the Ag paste was used instead of the Cu powder.
  • a metal paste containing 85% by weight of Cu powder and 15% by weight of a mixture of glass powder and ethyl cellulose was screen printed onto an aluminum nitride (AlN) substrate. After the printing and dried for about 10 minutes at about 100 to 150 °C, and then fired for about 30 minutes at about 900 to 1000 °C under a nitrogen atmosphere, it was laminated three times to form a metal layer to prepare a specimen.
  • AlN aluminum nitride
  • a specimen was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that Ag powder was used instead of the Cu powder.
  • Bond strength was evaluated by the pull test method.
  • a Cu wire metal foil, which is melted at 300 ° C. on a specimen (5 ⁇ 5 mm SQ size) obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 and melted at 300 ° C.
  • a Cu plating pattern 204
  • TCT Thermal Cycle Test evaluation is performed by thermal shock test in units of 100, 300, 500, 1000, 1500, and 2000 cycles at a temperature of -55 ° C to 150 ° C. The number of cycles (number of occurrences) of delamination was confirmed by scanning acoustic microscopy.
  • Tables 1 and 2 below are evaluation results for Experimental Examples 1 and 2, and Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, which were screen printed using Cu paste, are screen printed using Ag paste in Table 1 below. 5 to 8 and Comparative Example 2 are shown in Table 2 below.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Example 4 Comparative Example 1 CuO Powder Coating O O O O X Oxidation Heat Treatment Temperature (°C) 1000 1100 1150 1200 X Bond strength (N / mm) 1 time 5.1 9.6 12.7 3.8 2.3 Episode 2 6.5 10.5 10.0 4.6 1.2 3rd time 5.6 10.8 9.5 4.4 1.6 4 times 5.2 11.9 12.0 3.3 2.1 5 times 5.9 9.8 10.8 3.7 1.9 TCT (Number of Peelings) 1,000 cycle 2,000 cycle 2,000 cycle 1,000 cycle 300 cycle
  • Example 1 to the present invention of printing Cu paste 4 shows that the bonding strength and the TCT results are remarkably superior to those of Comparative Example 1 in which the Cu paste is printed on the aluminum nitride substrate without performing coating and oxidizing heat treatment.
  • Example 1 to 4 in Table 1 the bonding strength was improved by 1.5 to 5 times in one full test compared to Comparative Example 1, and Examples 1 to 4 were five in the full test. It can be seen that compared to about 2 to 5 times improved.
  • Comparative Example 1 showed peeling phenomenon in 300 cycles, but in Examples 1 to 4, peeling phenomenon appeared in 1000 or 2000 cycles. Therefore, Examples 1 to 4 it can be seen that the thermal properties are improved up to 6 times or more compared to Comparative Example 1.
  • Examples 2 and 3 in which the oxidative heat treatment was performed at 1100 and 1150 ° C. after the application of CuO powder, showed that the bond strength during the full test was higher than that of Examples 1 and 4 where the oxidative heat treatment was performed at 1000 and 1200 ° C. It can be seen that the improvement is about 2 to 3 times, and when the TCT is measured, it can be seen that the peeling phenomenon occurs more than 2 times slowly.
  • the oxidative heat treatment is performed at 1100 and 1150 ° C., optimum bonding strength and thermal properties can be achieved.
  • Example 5 Example 6
  • Example 7 Example 8 Comparative Example 2 CuO powder coating O O O O X Oxidation Heat Treatment Temperature (°C) 1000 1100 1150 1200 X Bond strength (N / mm) 1 time 5.96 8.9 12.10 4.58 2.34 Episode 2 6.29 11.7 11.70 4.17 2.45 3rd time 6.15 12.2 13.82 3.45 1.76 4 times 7.21 13.1 12.34 3.89 3.56 5 times 6.22 9.1 13.38 3.07 3.73 TCT (Number of Peelings) 1,000 cycle 2,000 cycle 2,000 cycle 1,000 cycle 300 cycle
  • Examples 5 to 8 of the present invention were bonded to Comparative Example 2 in which the Ag paste was printed on the aluminum nitride substrate without performing the coating and oxidizing heat treatment of the CuO powder.
  • the strength and TCT results are remarkably excellent.
  • Example 2 to 8 in Table 2 the bonding strength was improved by about 2 to 5 times in one full test compared to Comparative Example 2, and Examples 5 to 8 were five in the full test. It can be seen that it is similar to 2 or about 4 times better.

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Abstract

본 발명은 질화 알루미늄 기판; 상기 질화 알루미늄 기판 상에 형성되는 스피넬 구조의 금속 산화물을 포함하는 접합층 및 상기 접합층 상에 형성되는 금속층을 포함하고, 상기 접합층 및 금속층 중 적어도 하나는 유리분말(glass frit)을 포함하는 세라믹 회로기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

세라믹 회로기판 및 이의 제조방법
본 발명은 세라믹 회로기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
세라믹은 내열성, 기계적 강도가 우수하고 절연저항이 높아 고전압이 인가되거나 고출력의 반도체 소자 기판 재료로 사용된다. 이러한 세라믹 소재로는 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 지르코니아(ZrO2), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4) 등 있으며, 각각의 굴곡강도와 열전도도 특성에 따라 자동차, 고속철도, 산업 부품 등에 사용되고 있다. 이중 질화 알루미늄은 열전도도가 150-250W/mK로 우수하여 동작 시 많은 열을 방출하는 반도체 소자를 탑재하는 기판으로 유용하게 사용될 수 있다.
질화 알루미늄을 회로기판으로 사용하기 위해 전극층을 형성하는 방법에는 질화 알루미늄을 가열하여 표면에 알루미나 막을 형성시키고 이 위에 구리 금속판을 가열하여 접합하는 DBC(Direct Bonding Cooper)법, TiAgCu 금속분말을 포함하고 있는 브레이징 페이스트를 인쇄한 후 그 위에 구리금속을 가열하여 접합하는 AMB(Active Metal Bonding)법, 텅스텐, 몰리브덴, 구리 등의 금속분말 페이스트를 인쇄/소성하여 전극층을 형성하는 메탈라이징 방법이 있다.
이 중, 메탈라이징 방법으로서, 예를 들면, 일본 공개특허공보 특개평 5-320943호에 Al2O3, SiO2, WO 등의 페이스트를 특정함량 포함함으로써 질화 알루미늄 기판과 텅스텐 금속층과의 우수한 접합 강도 및 내열성을 구현하는 방법이 개시되어 있다. 하지만, 상기 특허는 텅스텐 이외의 금속에 대해서는 적용이 불가능하며, 사용 범위에 한계가 있을 수 있다.
또한, 일본 공개특허공보 특개소 50-75208호에는 메탈라이징 질화 알루미늄 기판에 몰리브덴 또는 텅스텐 금속층을 형성하는데 있어 밀착강도를 높이기 위해 질화 알루미늄을 가열하여 표면에 Al2O3를 형성시켜 Al2O3와 페이스트 내 Mn-Ti와 스피넬 구조를 형성하면서 접합 강도를 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법은 고가의 페이스트를 사용함에도 불구하고, 만족할 만한 접합 강도를 구현하는데 한계가 있다.
따라서, 질화 알루미늄 기판과 금속층의 우수한 접합 강도 및 열적 특성을 만족할 수 있는 세라믹 회로기판의 개발이 필요한 실정이다.
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 특개평 5-320943호
(특허문헌 2) 일본 공개특허공보 특개소 50-75208호
본 발명은 반도체 소자 실장용 세라믹 회로기판을 제조하는데 있어, 금속층과 질화 알루미늄 기판과의 높은 접합 강도와 열적 특성을 갖는 세라믹 회로기판을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 효과를 달성하면서 제조비용도 절감할 수 있는 세라믹 회로기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 질화 알루미늄 기판; 상기 질화 알루미늄 기판 상에 형성되는 스피넬 구조의 금속 산화물을 포함하는 접합층 및 상기 접합층 상에 형성되는 금속층을 포함하고, 상기 접합층 및 금속층 중 적어도 하나에 유리분말(glass frit)을 포함하는 것인 세라믹 회로기판을 제공한다.
또한, 본 발명은 질화 알루미늄 기판 상에 CuO 분말을 도포하고 산화 열처리하여 스피넬 구조의 CuAl2O4를 포함하는 접합층을 형성하는 것 및 상기 스피넬 구조의 CuAl2O4 상에 금속 페이스트를 인쇄하고 소성하여 금속층을 형성하는 것을 포함하는 것인세라믹 회로기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 세라믹 회로기판은 질화 알루미늄 기판 상에 스피넬 구조의 금속 산화물을 포함하는 접합층 및 상기 접합층 상에 금속층을 포함하고, 상기 접합층 및 금속층 중 적어도 하나에 유리분말을 포함한다. 접합층의 스피넬 구조, 유리분말 및 금속층의 페이스트 성분과의 결합으로 인해, 금속층과 질화 알루미늄 기판과의 강한 접합 강도를 구현할 수 있고, 열적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 우수한 물성 효과를 달성하면서도 세라믹 회로기판의 제조비용도 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판의 단면을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 회로기판의 접합 강도 테스트를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
1. 세라믹 회로기판
본 발명의 일 실시형태에 따른 세라믹 회로기판(AlN)(100)은 도 1에서 나타내는 바와 같이, 질화 알루미늄 기판(101), 상기 질화 알루미늄 기판(101) 상에 형성되고 스피넬 구조의 금속 산화물을 포함하는 접합층(102) 및 상기 접합층(102) 상에 형성되는 금속층(103)을 포함한다.
상기 질화 알루미늄 기판(101)은 열전도도가 우수하고 전기 절연성이 좋아, 동작 시 많은 열을 방출하는 반도체 소자를 탑재하는 기판으로 최적인 소재일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스피넬 구조의 금속 산화물을 포함하는 접합층(102)은 CuAl2O4를 포함할 수 있고, 상기 접합층(102)은 두께가 10 내지 1,000 nm 범위일 수 있고, 10 내지 400 nm 범위일 수 있으며, 50 내지 200 nm 범위일 수 있다. 만일 접합층(102)의 두께가 상기 범위 미만인 경우 스피넬 구조의 금속 산화물의 형성 영역이 좁아, 본 발명이 목적하는 우수한 접합 강도를 구현하는데 어려움이 있을 수 있다. 상기 범위를 초과하는 경우, 인쇄 후 부분적으로 기포가 발생될 수 있다.
상기 스피넬 구조의 CuAl2O4는 상기 질화 알루미늄 기판(101) 상에 CuO 분말을 도포하고 산화 열처리하여 형성된 것일 수 있다.
상기 금속층(103)은 Cu, Ag 또는 이들의 혼합물을 포함하는 금속분말을 포함할 수 있으며, 그 두께가 3 내지 300 ㎛ 범위일 수 있고, 5 내지 200 ㎛ 범위일 수 있으며, 10 내지 100 ㎛ 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판에 있어서, 상기 접합층(102) 및 금속층(103) 중 적어도 하나는 유리분말(glass frit)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 접합층(102)에 유리분말이 포함될 때에는 금속 산화물 대 유리분말의 중량비가 1: 2.53 내지 4.18일 수 있다. 만약 유리분말이 상기 수치 범위를 벗어나면 전극 회로의 저항이 높아져 전류이동에 문제가 발생할 수 있다.
상기 금속층(103)에 유리분말이 포함될 때에는 금속분말 대 유리분말의 중량비가 1: 0.05 내지 0.1일 수 있다. 만약 유리분말이 상기 수치 범위를 벗어나면 전극 회로의 저항이 높아져 전류이동에 문제가 발생할 수 있으며, 납땜성(Sodlerability)과 와이어 접합성(Wire bondability)의 물성이 현저하게 떨어져 칩이나 부품 실장이 어려워 모듈 조립에 문제가 발생할 수 있다.
상기 유리분말은 평균입경이 1.5 내지 10.5 ㎛인 칼슘 실리케이트계 유리분말을 포함할 수 있다. 일반적으로, 질화 알루미늄 기판의 경우 유리상이 부족하여 금속층(103)과 접합강도가 낮은 문제가 있다. 본 발명의 세라믹 회로기판은 질화 알루미늄 기판(101) 상에 스피넬 구조의 금속 산화물을 포함하는 접합층(102) 및 상기 접합층(102) 상에 금속층(103)을 포함하고, 상기 접합층(102) 및 금속층(103) 중 적어도 하나에 유리분말이 포함됨으로써, 접합층(102)의 스피넬 구조, 유리분말 및 금속층(103)의 페이스트 성분과의 결합으로 인해, 금속층(103)과 질화 알루미늄 기판과(101)의 강한 접합 강도를 구현할 수 있다. 또한, TCT(Thermal Cycle Test) 물성 등의 열적 특성을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 장기간 전류를 인가하여 반복 사용하여도 금속층(103)이 세라믹 회로기판으로부터 이탈되지 않아 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
2. 세라믹 회로기판의 제조방법
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판을 구성하는 상기 요소들 각각에 대한 구체적인 내용을 하기 제조 공정을 참고로 하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판의 제조방법은 질화 알루미늄 기판 상에 CuO 분말을 도포하고 산화 열처리하여 스피넬 구조의 CuAl2O4를 포함하는 접합층을 형성하는 것(단계 (a)); 및 상기 스피넬 구조의 CuAl2O4 상에 금속 페이스트를 인쇄하고 소성하여 금속층을 형성하는 것(단계 (b))을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2와 함께 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)는 질화 알루미늄 기판 상에 CuO 분말을 도포하고(a1), 산화 열처리하여(a2) 스피넬 구조의 CuAl2O4를 포함하는 접합층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 질화 알루미늄 기판 상에 도포되는 CuO 분말은 평균입경이 1 내지 50 ㎛ 인 것일 수 있고, 2 내지 40 ㎛ 인 것일 수 있으며, 3 내지 20 ㎛ 인 것일 수 있다. 상기 CuO 분말은 질화 알루미늄 기판 1㎠ 당 5X10- 3 mg 내지 10X10- 3 mg의 양으로 도포될 수 있다. 만일 상기 CuO 분말의 양이 상기 범위 미만인 경우 도포되는 CuO 분말의 양이 너무 적어 CuAl2O4 형성되는 양이 너무 적을 수 있고, 반대로 CuO 분말의 양이 상기 범위를 초과하는 경우 인쇄 후 부분적으로 기포가 발생하는 문제가 있을 수 있다.
상기 산화 열처리는 1000 내지 1200℃의 온도범위, 더욱 구체적으로 1100℃ 내지 1150℃의 온도범위에서 약 10분 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 상기 산화 열처리 공정은 예를 들면 박스 용광로(furnace)에서 진행될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화 열처리 온도 범위 내에서, 특히 1100 내지 1150℃의 온도범위 내에서 최적의 접합 강도 및 열적 특성을 구현할 수 있다.
상기 산화 열처리에 의해 질화 알루미늄 기판 상에 스피넬 구조의 CuAl2O4를 형성할 수 있으며, 상기 CuAl2O4의 형성 메커니즘은 하기 반응식 1 및 2와 같다.
[반응식 1]
AlN + O2 → Al2O3 + NOx
상기 식에서, x는 0 내지 2이다.
[반응식 2]
CuO + Al2O3 → CuAl2O4
구체적으로, 상기 질화 알루미늄 기판 상에 CuO 분말 도포 후, 산화 열처리 공정에 의해, 질화 알루미늄 기판 표면은 질화 알루미늄이 산화되어 Al2O3가 형성될 수 있다(반응식 1). 또한, 상기 형성된 Al2O3는 도포된 CuO와 반응하여 스피넬 구조의 CuAl2O4가 형성될 수 있다(반응식 2).
만일, 상기 산화 열처리 시간이 너무 짧으면 상기 반응이 이루어지지 않을 수 있고, 산화 열처리 시간이 너무 길면 질화 알루미늄 표면에 Al2O3 막 형성 시, Al과 O의 접촉이 불가하여 Al2O3 막의 성장 속도가 낮아질 수 있다.
또한, 산화 열처리 온도가 상기 온도범위 미만인 경우 산화반응이 이루어지지 않을 수 있고, 상기 온도범위를 초과하는 경우 Al2O3 막이 두꺼워져 AlN과 친화력이 약한 산화층과 밀착이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 회로기판의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (b)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 스피넬 구조의 CuAl2O4 상에 금속 페이스트를 인쇄하고(b1) 소성하여(b2) 금속층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 금속 페이스트는 Cu, Ag 또는 이들의 혼합물을 포함하는 금속분말 80 내지 90 중량%, 및 유리분말과 바인더의 혼합물 10 내지 20 중량%를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 통상적으로 사용되는 유기물 바인더를 들 수 있으며, 상기 유기물 바인더는 예를 들어, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐부티랄(PVB), 에틸셀룰로오스 및 아크릴수지 등을 들 수 있다. 또한, 상기 유리분말은 평균입경이 1.5 내지 10.5 ㎛인 칼슘 실리케이트계 유리분말을 포함할 수 있다.
상기 금속 페이스트 인쇄 방법은 예를 들면, 스크린 인쇄(Screen Printing) 또는 제트분사(Jet Injection)의 방법으로 인쇄할 수 있으며(b1), 인쇄 후 예를 들어 100 내지 150 에서 약 1분 내지 30분 동안 건조할 수 있다.
그 다음 질소 분위기 하에서 약 800 내지 1,000의 온도범위에서 약 30분 내지 180분 동안 소성하고(b2), 이를 반복 적층 함으로써 금속층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소성에 의해 스피넬 구조의 CuAl2O4이 금속 페이스트 내에 포함된 금속분말 및 유리분말과 강하게 결합할 수 있다. 또한, 상기 유리분말은 스피넬 구조의 CuAl2O4 구조 내로 침투할 수 있으며, 이러한 침투에 의해 강한 접합이 이루어질 수 있다.
이에 따라, 상기 세라믹 회로기판 상의 스피넬 구조의 CuAl2O4를 포함하는 접합층도 유리분말을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 스피넬 구조의 CuAl2O4 대 유리분말의 중량비는 1: 2.53 내지 4.18일 수 있다.
또한, 상기 소성에 의한 강한 접합 후, 상기 금속층에 포함되는 상기 금속분말 대 유리분말의 중량비는 1: 0.05 내지 0.1일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 상기 금속 페이스트에 포함된 금속분말이 Ag인 경우, 즉 Ag 페이스트를 사용한 경우, 소성에 의해 Ag가 접합층에 형성된 CuAl2O4의 Cu 자리에 치환되어 AgAl2O4의 구조를 형성하면서, Ag 페이스트와 강한 접합이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 접합층은 금속 페이스트에 포함된 유리분말뿐만 아니라, 금속분말도 포함될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기와 같은 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
질화 알루미늄(AlN) 기판상에 평균입경이 5 ㎛인 CuO 분말을 질화 알루미늄 기판 1 ㎠ 당 7.5X10- 3 mg의 양으로 도포하고 약 1000℃의 박스 용광로(furnace)에서 약 45분 동안 산화 열처리하여 질화 알루미늄(AlN) 기판상에 스피넬 구조의 CuAl2O4를 형성하였다.
상기 스피넬 구조의 CuAl2O4 상에 Cu 분말 약 85 중량%, 및 유리분말 및 에틸 셀룰로오스(바인더)의 혼합물이 약 15 중량%이 포함된 구리 페이스트(다나까社)를 스크린 인쇄하였다. 상기 인쇄 후 약 100 내지 150 ℃에서 약 10분간 건조한 후, 질소 분위기 하에서 약 900 내지 1000 ℃에서 약 30분 동안 소성하고, 이를 3회 반복 적층하여 금속층을 형성시켜 시편을 제조하였다.
실시예 2
산화 열처리 온도를 1100 ℃에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
실시예 3
산화 열처리 온도를 1150 ℃에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
실시예 4
산화 열처리 온도를 1200 ℃에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
실시예 5
산화 열처리 온도를 1000 ℃에서 수행하고, 금속 페이스트를 Cu 분말 대신 Ag 분말을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
실시예 6
산화 열처리 온도를 1100 ℃에서 수행하고, 금속 페이스트를 Cu 분말 대신 Ag 분말을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
실시예 7
산화 열처리 온도를 1150 ℃에서 수행하고, 금속 페이스트를 Cu 분말 대신 Ag 분말을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
실시예 8
산화 열처리 온도를 1200 ℃에서 수행하고, 금속 페이스트를 Cu 분말 대신 Ag 분말을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
비교예 1
질화 알루미늄(AlN) 기판상에 Cu 분말 85 중량%, 및 유리분말 및 에틸 셀룰로오스의 혼합물이 15 중량% 포함된 금속 페이스트를 스크린 인쇄하였다. 상기 인쇄 후 약 100 내지 150 ℃에서 약 10분간 건조한 후, 질소 분위기 하에서 약 900 내지 1000 ℃에서 약 30분 동안 소성하고, 이를 3회 반복 적층하여 금속층을 형성시켜 시편을 제조하였다.
비교예 2
금속 페이스트를 Cu 분말 대신 Ag 분말을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법을 수행하여 시편을 제조하였다.
실험예 1: 접합 강도 평가
풀 테스트(pull test) 방법에 의해 접합 강도를 평가하였다.
구체적으로, 도 3에 나타낸 바와 같이 실시예 1 내지 8, 및 비교예 1과 2에서 얻은 시편 (5x5 mm SQ 사이즈) 위에 300 ℃에서 용융되는 솔더를 녹여 Cu 도금 패턴과 매칭되는 Cu 와이어(금속박, 204)를 붙이고 도 3에서 나타내는 화살표 방향을 향하여 UTM 장비로 당겨서 접합 강도를 측정하였다.
실험예 2: TCT 평가
TCT(열 사이클 테스트: Thermal Cycle Test) 평가는 -55 내지 150℃의 온도에서 100, 300, 500, 1000, 1500 및 2000 사이클 단위로 열 충격 테스트를 실시하여, 질화 알루미늄 기판과 금속의 박리현상(delamination)이 몇 번째 사이클에서 나타나는지(발생하는 횟수)를 주사 초음파 현미경(scanning acoustic microscopy)으로 확인하였다.
하기 표 1 및 2는 실험예 1 및 2에 대한 평가 결과로서, Cu 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄한 실시예 1 내지 4 및 비교예 1은 하기 표 1에, Ag 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄한 실시예 5 내지 8 및 비교예 2는 하기 표 2에 나타내었다.
물성 평가 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1
CuO 분말도포유무 O O O O X
산화 열처리 온도 (℃) 1000 1100 1150 1200 X
접합강도(N/mm) 1회 5.1 9.6 12.7 3.8 2.3
2회 6.5 10.5 10.0 4.6 1.2
3회 5.6 10.8 9.5 4.4 1.6
4회 5.2 11.9 12.0 3.3 2.1
5회 5.9 9.8 10.8 3.7 1.9
TCT(박리현상이 발생한 횟수) 1,000 cycle 2,000 cycle 2,000 cycle 1,000 cycle 300 cycle
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 질화 알루미늄 기판에 CuO 분말 도포 및 산화 열처리하여 질화 알루미늄 기판 상에 스피넬 구조의 CuAl2O4를 형성한 후, Cu 페이스트를 인쇄한 본 발명의 실시예 1 내지 4는 질화 알루미늄 기판 상에 CuO 분말의 도포 및 산화 열처리를 수행하지 않고 상기 Cu 페이스트를 인쇄한 비교예 1에 비해 접합 강도 및 TCT 결과가 현저히 우수함 알 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 상기 표 1에서 실시예 1 내지 4는 비교예 1에 비해 풀 테스트 1회 때에는 1.5배 내지 5배까지 접합 강도가 향상되었고, 풀 테스트 5회 때에는 실시예 1 내지 4가 비교예 1에 비해 약 2배 내지 5배까지 향상됨을 알 수 있다.
또한, TCT의 경우, 비교예 1은 300회 사이클 때에 박리현상이 나타났으나, 실시예 1 내지 4의 경우 1000회 또는 2000회 사이클 때에 박리현상이 나타남을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1 내지 4는 비교예 1에 비해 최대 6배 이상까지 열적 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
한편, 산화 열처리 온도에 따라 풀 테스트 및 TCT 결과가 현저히 달라짐을 알 수 있다.
구체적으로 살펴보면, CuO 분말 도포 후, 산화 열처리를 1100 및 1150℃에서 수행한 실시예 2 및 3은 산화 열처리를 1000 및 1200℃에서 수행한 실시예 1 및 실시예 4에 비해 풀 테스트 시 접합 강도가 약 2배 내지 3배 정도 향상되었음을 알 수 있고, TCT 측정 시, 박리현상이 2배 이상 천천히 발생함을 알 수 있다.
따라서, CuO 분말 도포 후, 산화 열처리를 1100 및 1150℃에서 수행하는 경우, 최적의 접합 강도 및 열적 특성을 달성할 수 있음을 알 수 있다.
물성 평가 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 비교예 2
CuO 분말도포 유무 O O O O X
산화 열처리 온도(℃) 1000 1100 1150 1200 X
접합강도(N/mm) 1회 5.96 8.9 12.10 4.58 2.34
2회 6.29 11.7 11.70 4.17 2.45
3회 6.15 12.2 13.82 3.45 1.76
4회 7.21 13.1 12.34 3.89 3.56
5회 6.22 9.1 13.38 3.07 3.73
TCT(박리현상이 발생한 횟수) 1,000 cycle 2,000 cycle 2,000 cycle 1,000 cycle 300 cycle
금속 페이스트를 Cu 분말 대신 Ag 분말을 사용한 경우에도, 본 발명의 실시예 5 내지 8이 질화 알루미늄 기판 상에 CuO 분말의 도포 및 산화 열처리를 수행하지 않고 상기 Ag 페이스트를 인쇄한 비교예 2에 비해 접합 강도 및 TCT 결과가 현저히 우수함 알 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 상기 표 2에서 실시예 5 내지 8은 비교예 2에 비해 풀 테스트 1회 때에 약 2배 내지 5배까지 접합 강도가 향상되었고, 풀 테스트 5회 때에 실시예 5 내지 8이 비교예 2와 비슷하거나 약 4배까지 향상됨을 알 수 있다.
또한, TCT의 경우, 비교예 2는 300회 사이클 때에 박리현상이 나타났으나, 실시예 5 내지 8의 경우 1000회 또는 2000회 사이클 때에 박리현상이 나타남을 알 수 있다. 따라서, 실시예 5 내지 8은 비교예 2에 비해 최대 6배 이상까지 열적 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 산화 열처리 온도에 따라 풀 테스트 및 TCT 결과가 현저히 달라짐을 알 수 있다.
구체적으로 살펴보면, CuO 분말 도포 후, 산화 열처리를 1100 및 1150℃에서 수행한 실시예 6 및 7은 산화 열처리를 1000 및 1200℃에서 수행한 실시예 5 및 실시예 8에 비해 풀 테스트 시 접합 강도가 약 2배 정도 향상되었음을 알 수 있고, TCT 측정 시, 박리현상이 2배 이상 천천히 발생함을 알 수 있다.
따라서, Ag 페이스트를 사용한 경우에도, CuO 분말 도포 후, 산화 열처리를 1100 및 1150℃에서 수행하는 경우, 최적의 접합 강도 및 열적 특성을 달성할 수 있음을 알 수 있다. 즉, Ag 페이스트를 적용할 경우, 접합층에 포함된 CuAl2O4의 Cu 자리에 Ag가 치환되어 AgAl2O4 구조를 형성하면서 Ag 페이스트와 강한 접합이 이루어졌음을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 질화 알루미늄 기판;
    상기 질화 알루미늄 기판 상에 형성되는 스피넬 구조의 금속 산화물을 포함하는 접합층 및
    상기 접합층 상에 형성되는 금속층을 포함하고,
    상기 접합층 및 금속층 중 적어도 하나에 유리분말(glass frit)을 포함하는 것인 세라믹 회로기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스피넬 구조의 금속 산화물은 CuAl2O4를 포함하는 것인 세라믹 회로기판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합층은 스피넬 구조의 CuAl2O4 및 유리분말을 포함하고, 상기 CuAl2O4 대 유리분말의 중량비는 1: 2.53 내지 4.18인 것인 세라믹 회로기판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속층은 Cu, Ag 또는 이들의 혼합물을 포함하는 금속분말 및 유리분말을 포함하고, 상기 금속분말 대 유리분말의 중량비는 1: 0.05 내지 0.1인 것인 세라믹 회로기판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합층의 두께는 10 내지 1000 nm 범위이고, 상기 금속층의 두께는 3 내지 300 ㎛ 범위인 것인 세라믹 회로기판.
  6. 질화 알루미늄 기판 상에 CuO 분말을 도포하고, 산화 열처리하여 스피넬 구조의 CuAl2O4를 포함하는 접합층을 형성하는 것 및
    상기 스피넬 구조의 CuAl2O4 상에 금속 페이스트를 인쇄하고 소성하여 금속층을 형성하는 것을 포함하는 것인 세라믹 회로기판의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 페이스트는 금속분말 80 내지 90 중량% 및 유리분말과 바인더의 혼합물 10 내지 20 중량%를 포함하는 것인 세라믹 회로기판의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 CuO 분말은 평균입경이 1 내지 50 ㎛ 인 것인 세라믹 회로기판의 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 CuO 분말의 도포량은 1㎠ 당 5X10- 3 mg 내지 10X10- 3 mg인 것인 세라믹 회로기판의 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 산화 열처리의 온도는 1000 내지 1200℃인 것인 세라믹 회로기판의 제조방법.
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