WO2020235865A1 - 세라믹 기판 제조 방법 - Google Patents

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이지형
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Abstract

구리 시트를 에칭한 후 세라믹 기판에 접합하여 세라믹 기판의 전체 공정 시간을 단축하면서 신뢰성 및 제품 수명에 개선하도록 한 세라믹 기판 제조 방법을 제시한다. 제시된 세라믹 기판 제조 방법은 구리 시트를 에칭하여 금속 기재를 준비하는 단계, 세라믹 기재를 에칭하여 단위 세라믹 기재를 준비하는 단계, 금속 기재 및 단위 세라믹 기재를 조립하는 단계, 금속 기재 및 단위 세라믹 기재를 접합하여 적층체를 형성하는 단계, 적층체의 표면에 금속 페이스트를 부분 인쇄하는 단계 및 금속 페이스트를 소결하는 단계를 포함한다.

Description

세라믹 기판 제조 방법
본 발명은 세라믹 기판 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 기재의 표면에 회로가 형성된 세라믹 기판을 제조하는 세라믹 기판 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹 기판은 세라믹 기재에 동박과 같은 금속박을 일체로 부착하여 구성된다. 세라믹 기판은 AMB(Active Metal Brazing), DBC(Direct Bond Copper) 등의 제조 공정을 통해 생성되며, 제조 공정상의 차이에 따라 세라믹 AMB 기판, 세라믹 DBC 기판 등으로 구분될 수도 있다.
세라믹 AMB 기판은 세라믹 기재의 표면에 금속화(또는, 금속 배선화)를 수행하지 않고, 세라믹 기재의 표면에 직접 금속을 브레이징(Brazing)하는 AMB(Active Metal Brazing) 방식으로 제조된다.
세라믹 AMB 기판은 높은 방열 특성 및 신뢰성을 갖기 때문에 자동차, 풍력 터빈, 고전압 DC 전송 등과 같은 애플리케이션에 적용된다.
하지만, 세라믹 기판은 0.8T 이상의 구리로 전극회로를 형성하는 경우 에칭 공정시 에칭 시간이 증가하고, 회로간 거리(간격) 등의 문제점이 있다.
또한, 세라믹 AMB 기판은 부분 도금시 구리 회로를 형성한 후 포토리소그래피(Photolithography)를 이용한 무전해도금으로만 제작이 가능하기 때문에, 구리 회로의 측면이 도금되지 않도록 처리한 후에 무전해도금 공정을 수행해야 하는 문제점이 있다.
또한, 세라믹 AMB 기판은 DSC(Dual side cooling)으로 제조되는 경우 두 기판 사이에 스페이서를 개재하고, 솔더링을 통해 두 기판과 스페이서를 접합한다. 이때, 세라믹 AMB 기판은 스페이서의 열팽창계수, 열전도도가 세라믹 AMB 기판과 상충되기 때문에 제조 후에 많은 문제점을 내포한다.
또한, 세라믹 AMB 기판은 솔더링을 통해 기판과 스페이서를 접합하기 때문에 접합력이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 구리 시트를 에칭한 후 세라믹 기판에 접합하여 세라믹 기판의 전체 공정 시간을 단축하면서 신뢰성 및 제품 수명에 개선하도록 한 세라믹 기판 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 구리 시트를 에칭한 후 부분 도금하여 회로 패턴과 구리 시트 사이의 밀착력을 향상시키면서 무전해도금으로 인한 번짐 불량을 제거하도록 한 세라믹 기판 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 열전도도 및 열팽창계수가 매칭된 스페이서를 이용한 브레이징(Brazing) 공법으로 세라믹 기판을 접합하여 세라믹 기판의 신뢰성을 확보하도록 한 세라믹 기판 제조 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 구리 시트를 에칭하여 금속 기재를 준비하는 단계, 세라믹 기재를 에칭하여 단위 세라믹 기재를 준비하는 단계, 금속 기재 및 단위 세라믹 기재를 조립하는 단계, 금속 기재 및 단위 세라믹 기재를 접합하여 적층체를 형성하는 단계, 적층체의 표면에 금속 페이스트를 부분 인쇄하는 단계 및 금속 페이스트를 소결하는 단계를 포함한다.
조립하는 단계에서는 브레이징 지그를 이용해 단위 세라믹 기재의 양면에 금속 기재가 배치되도록 조립하고, 금속 페이스트는 은 페이스트일 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 구리 시트의 일부에 금속을 플레이팅하여 플레이팅 기재를 형성하는 단계, 플레이팅 기재를 에칭하여 금속 기재를 준비하는 단계, 세라믹 기재를 에칭하여 단위 세라믹 기재를 준비하는 단계 및 금속 기재 및 단위 세라믹 기재를 조립하는 단계를 포함한다. 플레이팅 기재를 형성하는 단계에서는 니켈 및 은을 부분 전해도금하여 금속 플레이팅을 형성하고, 조립하는 단계에서는 브레이징 지그를 이용해 단위 세라믹 기재의 양면에 금속 기재가 배치되도록 조립할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 세라믹 기판들 사이에 스페이서를 배치하는 단계 및 스페이서 및 세라믹 기판을 브레이징하여 접합하는 단계를 포함하고, 배치하는 단계에서는 기준값 이상의 열전도도 및 열팽창계수를 갖는 스페이서를 배치한다. 이때, 스페이서의 열전도도 기준값은 240W/m.K이고, 스페이서의 열팽창계수 기준값은 6.8ppm/m.K일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세라믹 제조 방법은 구리 시트를 에칭한 후 세라믹 기판에 접합함으로써, 세라믹 기판의 전체 공정 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 제조 방법은 구리 시트를 에칭한 후 세라믹 기판에 접합함으로써, 스트레스 릴리프 에지(Stress relief Edge) 구조를 형성하여 신뢰성 및 제품 수명에 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 제조 방법은 구리 시트를 에칭한 후 부분 도금함으로써, 회로 패턴과 구리 시트 사이의 밀착력을 향상시키면서 무전해도금으로 인한 번짐 불량을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 제조 방법은 구리 시트를 에칭한 후 부분 도금함으로써, 회로 패턴이 두꺼운 구리로 형성되는 경우에도 적용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 제조 방법은 열팽창계수 6.8ppm/m.K, 열전도도 240W/m.K로 열 특성이 매우 우수한 스페이서를 이용한 브레이징(Brazing) 공법으로 세라믹 기판들을 접합함으로써, 접합력이 매우 우수하고, 세라믹 기판의 고신뢰성 및 고열특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적은 세라믹 기판 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 일반적인 세라믹 기판 제조 방법은 원재료(Raw Materials) 준비 공정, 브레이징(Brazing) 공정, 포토리소그래피(Photolithography) 공정, 플레이팅(Plating) 공정, 구리 에칭(CU Etching) 공정, 시드 에칭(Seed Etching) 공정, TiN 에칭 공정, 레이저 스크리빙(Laser Scribing) 공정, 브레이킹(Breaking) 공정을 통해 세라믹 AMB 기판(10)을 제조한다.
원재료 준비 공정에서는 구리 시트(11) 및 세라믹 기재(12)를 원재료로 준비한다. 원재료 준비 공정에서는 세라믹 기재(12)의 상면 및 하면에 구리 시트(11)를 각각 적층한다.
브레이징 공정에서는 일정한 온도를 가하여 원재료 준비 공정에서 적층된 구리 시트(11) 및 세라믹 기재(12)를 접합한다. 브레이징 공정에서는 구리 시트(11) 및 세라믹 기재(12)를 접합하여 세라믹 기재(12)의 양면에 구리 시트(11)가 적층 및 접합된 적층체(13)를 형성한다.
포토리소그래피 공정, 플레이팅 공정, 구리 에칭 공정, 시드 에칭 공정, TiN 에칭 공정 및 레이저 스크리빙 공정을 통해 적층체(13)에 소정 형상의 회로 패턴을 형성한다.
브레이킹 공정에서는 회로 패턴이 형성된 적층체(13)를 단위 크기로 브레이킹하여 최종적인 세라믹 AMB 기판(10)을 생성한다.
하지만, 일반적인 세라믹 기판 제조 방법은 0.8T 이상의 구리로 전극회로를 형성하는 경우 에칭 공정시 에칭 시간이 증가하고, 회로간 거리(간격) 등의 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 구리 시트를 에칭한 후 세라믹 기판에 접합하여 세라믹 AMB 기판을 제조함으로써 상술한 문제점을 해결한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 원재료(Raw Materials) 준비 공정, 조립(assembly) 공정, 브레이징 공정, 부분 인쇄(Partial Ag Print) 공정 및 소결(Paste Sintering) 공정을 통해 세라믹 AMB 기판을 제조한다.
원재료 준비 공정에서는 구리 시트(110)를 소정 크기 및 형상으로 에칭하여 금속 기재(112)를 준비한다. 원재료 준비 공정에서는 패턴이 형성된 세라믹 기재(120)를 소정 크기 및 형상으로 에칭하여 단위 세라믹 기재(122)를 준비한다. 이때, 원재료 준비 공정에서는 단위 세라믹 기재(122)의 상면 및 하면에 배치되는 금속 기재(112)를 서로 다른 크기 또는 다른 형상으로 에칭할 수 있다.
조립 공정에서는 금속 기재(112) 및 단위 세라믹 기재(122)를 조립한다. 이때, 조립 공정에서는 브레이징 지그를 이용해 단위 세라믹 기재(122)의 양면에 금속 기재(112)가 배치되도록 조립한다.
브레이징 공정에서는 단위 세라믹 기재(122)의 양면에 금속 기재(112)가 조립된 상태에서 일정한 온도를 가하여 금속 기재(112) 및 단위 세라믹 기재(122)를 접합한다. 브레이징 공정에서는 금속 기재(112) 및 단위 세라믹 기재(122)를 접합하여 단위 세라믹 기재(122)의 양면에 금속 기재(112)가 접합된 적층체(130)를 형성한다. 이때, 브레이징 공정에서는 용가재를 이용해 금속 기재(112)와 단위 세라믹 기재(122)를 접합한다. 여기서, 용가재는 구리(Cu) 및 은(Ag)을 도금하여 형성된 다층 구조인 것을 일례로 한다.
부분 인쇄 공정에서는 적층체(130)의 표면에 은 페이스트(140)를 부분 인쇄한다. 소결 공정에서는 N 2 Reflow 공법을 통해 은 페이스트(140)를 소결하여 최종 상태의 세라믹 AMB 기판(100)을 제조한다.
이처럼, 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 구리 전극을 사전에 금형 타발 방식과 같이 에칭하여 세라믹에 접합하는 공법으로 전체 공정시간을 단축(Seed Etching, TiN Etching 등 공정 생략)함과 동시에 Stress Relief Edge 구조를 형성하여 신뢰성 및 제품 수명에 개선을 갖는 세라믹 AMB 기판을 제조할 수 있다.
한편, 일반적인 세라믹 기판 제조 방법은 부분 도금시 구리 회로를 형성한 후 포토리소그래피(Photolithography)를 이용한 무전해도금으로만 제작이 가능하기 때문에, 구리 회로의 측면이 도금되지 않도록 처리한 후에 무전해도금 공정을 수행해야 하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 구리 시트를 에칭한 후 부분 도금하여 세라믹 AMB 기판을 제조함으로써 상술한 문제점을 해결한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 부분 플레이팅(Partial Ni-Ag Plating) 공정, 원재료 준비 공정, 조립 공정을 통해 세라믹 AMB 기판을 제조한다.
부분 플레이팅 공정에서는 구리 시트에 니켈(Ni) 및 은(Ag)을 부분적으로 플레이팅한다. 이때, 부분 플레이팅 공정에서는 부분 전해도금을 통해 구리 시트에 니켈(Ni) 및 은(Ag)을 부분적으로 플레이팅한 플레이팅 기재(210)를 생성한다.
원재료 준비 공정에서는 플레이팅 기재(210)를 소정 크기 및 형상으로 에칭하여 금속 기재(212)를 준비한다. 원재료 준비 공정에서는 패턴이 형성된 세라믹 기재(220)를 소정 크기 및 형상으로 에칭하여 단위 세라믹 기재(222)를 준비한다.
조립 공정에서는 금속 기재(212) 및 단위 세라믹 기재(222)를 조립한다. 이때, 조립 공정에서는 브레이징 지그를 이용해 단위 세라믹 기재(222)의 상면 및 하면에 금속 기재(212)가 배치되도록 조립하여 최종 세라믹 AMB 기판(200)을 제조한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 구리 전극을 사전에 금형 타발 방식과 같이 에칭하여 세라믹에 접합하는 공법으로 전체 공정시간을 단축(Seed Etching, TiN Etching 등 공정 생략)함과 동시에 Stress Relief Edge 구조(도 4의 A)를 형성하여 신뢰성 및 제품 수명에 개선을 갖는 세라믹 AMB 기판(200)을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 사전에 각각 원재를 금형타발로 형성하고, 에칭으로 식각한 전극 구리를 이미 패턴 형성된 세라믹에 한 번에 접합하여 세라믹 AMB 기판을 제조하기 때문에 기존 에칭법으로 구리 전극을 형성하는 제조 방법에서 불가능한 두꺼운 구리 전극 제품을 제조할 수 있고, 응력완화 구조 효과, 접합면 공극결함 등 많은 효과를 갖는다.
한편, 일반적인 세라믹 기판 제조 방법에서는 스페이서의 열팽창계수, 열전도도가 세라믹 AMB 기판과 상충되기 때문에, DSC(Dual Side Cooling)용 세라믹 AMB 기판은 많은 문제점을 내포하며, 솔더링을 통해 기판과 스페이서를 접합하기 때문에 접합력이 떨어지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 열전도도 및 열팽창계수가 매칭된 스페이서를 이용한 브레이징(Brazing) 공법으로 세라믹 기판들을 접합하여 DSC용 세라믹 AMB 기판을 제조함으로써 상술한 문제점을 해결한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 열팽창계수 6.8ppm/m.K, 열전도도 240W/m.K로 열 특성이 매우 우수한 스페이서(300)를 이용한 브레이징(Brazing) 공법으로 세라믹 기판(400)들을 접합하여 DSC용 세라믹 AMB 기판(500)을 제조한다. 여기서, 세라믹 기판(500)은 상술한 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법을 통해 제조된 세라믹 AMB 기판인 것을 일례로 한다. 물론, 세라믹 기판(500)은 다른 세라믹 기판 제조 방법을 통해 제조된 세라믹 DBC 기판일 수도 있다.
기존 Cu, CuMo 재질의 스페이서를 이용한 솔더링 공정으로 세라믹 기판을 접합할 때에는 구리의 열팽창계수 및 열전도가 17ppm/K, 390W/m.K이기 때문에 열팽창계수 차이로 인하여 세라믹 기판(DBC, AMB)의 미접합 이슈가 발생한다.
이에, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 기판 제조 방법은 열팽창계수 6.8ppm/K, T.C 240W/m.K로 열특성을 갖는 스페이서(300)를 이용한 브레이징 공정을 통해 세라믹 기판(400)을 접합하여 접합력이 매우 우수하고, 고신뢰성 및 고열특성을 갖는 DSC용 세라믹 AMB 기판(500)을 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (8)

  1. 구리 시트를 에칭하여 금속 기재를 준비하는 단계;
    세라믹 기재를 에칭하여 단위 세라믹 기재를 준비하는 단계;
    금속 기재 및 단위 세라믹 기재를 조립하는 단계;
    상기 금속 기재 및 상기 단위 세라믹 기재를 접합하여 적층체를 형성하는 단계;
    상기 적층체의 표면에 금속 페이스트를 부분 인쇄하는 단계; 및
    상기 금속 페이스트를 소결하는 단계를 포함하는 세라믹 기판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서는 브레이징 지그를 이용해 상기 단위 세라믹 기재의 양면에 금속 기재가 배치되도록 조립하는 세라믹 기판 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 페이스트는 은 페이스트인 세라믹 기판 제조 방법.
  4. 구리 시트의 일부에 금속을 플레이팅하여 플레이팅 기재를 형성하는 단계;
    상기 플레이팅 기재를 에칭하여 금속 기재를 준비하는 단계;
    세라믹 기재를 에칭하여 단위 세라믹 기재를 준비하는 단계; 및
    상기 금속 기재 및 상기 단위 세라믹 기재를 조립하는 단계를 포함하는 세라믹 기판 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플레이팅 기재를 형성하는 단계에서는 니켈 및 은을 부분 전해도금하여 금속 플레이팅을 형성하는 세라믹 기판 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서는 브레이징 지그를 이용해 상기 단위 세라믹 기재의 양면에 금속 기재가 배치되도록 조립하는 세라믹 기판 제조 방법.
  7. 세라믹 기판들 사이에 스페이서를 배치하는 단계; 및
    상기 스페이서 및 상기 세라믹 기판을 브레이징하여 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 배치하는 단계에서는 기준값 이상의 열전도도 및 열팽창계수를 갖는 스페이서를 배치하는 세라믹 기판 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스페이서의 열전도도 기준값은 240W/m.K이고, 상기 스페이서의 열팽창계수 기준값은 6.8ppm/m.K인 세라믹 기판 제조 방법.
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