WO2024144120A1 - 세라믹 기판 및 이를 포함하는 파워모듈 - Google Patents
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Abstract
세라믹 기판이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판은 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재 상에 배치되고, Cu 및 Ag를 포함하며 Cu를 Ag 보다 높은 중량으로 포함하는 브레이징 접합층, 및 상기 브레이징 접합층에 의해 상기 세라믹 기재 상에 접합된 금속박을 포함하여 구현된다. 이에 의하면, 층간 접합력이 우수하고, 대량 생산이 가능한 동시에 음이온 마이그레이션을 방지할 수 있는 효과를 발현할 수 있다.
Description
본 발명은 세라믹 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 층간 접합력이 우수하고, 대량 생산이 가능한 동시에 음이온 마이그레이션을 방지할 수 있는 세라믹 기판 및 이를 포함하는 파워모듈에 관한 것이다.
일반적으로 세라믹 기재의 일 예로, 세라믹 기재에 동박과 같은 금속박을 일체로 부착시킨 세라믹 DBC 기판이 많이 이용되고 있으며, 상기 세라믹 DBC 기판은 반도체 전력 모듈 등에서 사용되는 것으로서 리드를 기존의 방열소재 위에 배치하는 경우 보다 높은 방열 특성을 가질 뿐만 아니라, 방열판의 접착상태에 대한 검사 공정을 필요로 하지 않기 때문에 신뢰성이 향상되고 생산성과 일관성이 향상된 반도체 전력 모듈 등을 제공할 수 있다는 장점을 가진 기판이다.
상기 세라믹 DBC 기판은 전기 자동차의 증가와 함께 자동차의 전력 반도체 모듈로 사용 범위가 점차 확산되고 있다.
상기 세라믹 DBC 기판은 세라믹 기재와 구리 동박을 고온의 소성 공정을 통한 계면 결합으로 제조되고 있다.
일 예로, 세라믹 DBC 기판은 알루미나(Al2O3) 세라믹 기재와 CuO 산화막이 형성된 구리동박을 1000℃ ~ 1100℃로 소성하여 알루미나(Al2O3) 세라믹 기재와 CuO 산화막을 계면 결합하여 제조되고 있다.
다른 예로, 세라믹 DBC 기판은 AlN 세라믹 기재의 표면에 Al2O3층을 고온 산화로 형성한 후 AlN 세라믹 기재의 표면에 구리동박을 적층한 후 1000℃ ~ 1100℃로 소성하여 알루미나(Al2O3) 세라믹 기판과 CuO 산화막을 계면 결합하여 제조되고 있다.
한편, 종래의 세라믹 기판의 경우 층간 접합력이 좋지 않았고, 음이온 마이그레이션을 방지할 수 없는 문제가 있었다.
이에, 층간 접합력이 우수하고, 대량 생산이 가능한 동시에 음이온 마이그레이션을 방지할 수 있는 세라믹 기판에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 층간 접합력이 우수하고, 대량 생산이 가능한 동시에 음이온 마이그레이션을 방지할 수 있는 세라믹 기판 및 이를 포함하는 파워모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재 상에 배치되고, Cu 및 Ag를 포함하며 Cu를 Ag 보다 높은 중량으로 포함하는 브레이징 접합층, 및 상기 브레이징 접합층에 의해 상기 세라믹 기재 상에 접합된 금속박을 포함하는 세라믹 기판을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이징 접합층은 Cu와 Ag를 90:10 ~ 99:1의 중량비로 포함할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 기재와 상기 브레이징 접합층 사이에 시드층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 시드층은, 상기 세라믹 기재 측에 배치되는 제1시드층 및 브레이징 접합층 측에 배치되는 제2시드층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1시드층은 Ti, Hf 및 Zr 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2시드층은 Cu를 포함할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 기재는 질화규소, 질화알루미늄 및 산화알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속박은 알루미늄박 및 동박 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 수평방향 단면이 회로 패턴 형상인, 상술한 세라믹 기판을 포함하는 파워모듈을 제공한다.
본 발명의 세라믹 기판 및 이를 포함하는 파워모듈은 층간 접합력이 우수하고, 대량 생산이 가능한 동시에 음이온 마이그레이션을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 단면도, 그리고,
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 세라믹 기판의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 기판(100)은, 세라믹 기재(10), 상기 세라믹 기재(10) 상에 배치된 브레이징 접합층(20) 및 상기 브레이징 접합층(20)에 의해 상기 세라믹 기재(10) 상에 접합된 금속박(30)을 포함하여 구현된다.
이하, 상기 세라믹 기판(100)의 각 구성에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 세라믹 기재(10)에 대하여 설명한다.
상기 세라믹 기재(10)는 표면 개질을 통해 소정의 표면 거칠기를 가지는 세라믹 기재일 수 있으며, 이에 따라 인접하는 층과의 접합력을 더욱 견고히할 수 있다.
상기 표면 개질은 약품을 이용한 화학적 처리 또는 연마, 샌드 블라스트 등을 이용한 물리적 처리로 상기 세라믹 기재(10)의 표면을 거칠게 하여 미세돌기부를 형성하는 것을 일 예로 하며, 이외에도 상기 세라믹 기재(10)의 표면에 소정의 거칠기를 부여할 수 있는 어떠한 예로도 변형 실시될 수 있다.
또한, 상기 세라믹 기재는 질화규소, 질화알루미늄 및 산화알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 질화규소인 것이 본 발명의 목적 달성에 유리할 수 있다.
한편, 상기 세라믹 기재(10)는 산화질소를 포함할 수 있고, 이에 따라 소정의 금속이 상기 세라믹 기재(10)에 증착되는 경우 계면에 금속 질화물이나 금속 산화물이 형성되면서 계면 결합력이 우수할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 세라믹 기판(101)은 상기 세라믹 기재(10)와 후술하는 브레이징 접합층(20) 사이에 시드층(40)을 더 포함할 수 있다.
상기 시드층(40)은 상기 세라믹 기재(10) 측에 배치되는 제1시드층 및 후술하는 브레이징 접합층 측에 배치되는 제2시드층을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1시드층은 Ti, Hf 및 Zr 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Ti를 포함할 수 있다. 이에 따라, 산소 및 질소와 높은 반응성으로 산화물 또는 질화물을 형성할 수 있어서 상술한 세라믹 기재(10)와의 접합력이 더욱 우수할 수 있다.
또한, 상기 제2시드층은 Cu를 포함할 수 있고, 바람직하게는 Cu를 단독으로 적용할 수 있으며, 이에 따라, 본 발명의 목적 중 특히 음이온 마이그레이션 방지에 더욱 유리할 수 있다.
상기 시드층(40)은 상기 세라믹 기재(10) 상에 세라믹 기재(10)와의 결합력을 확보하는 제1시드층을 형성하고, 상기 제1시드층 상에 후술하는 브레이징 접합층(20)과의 결합력을 확보하는 제2시드층을 형성함으로써 형성될 수 있다.
상기 제1시드층은 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 방법에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는 세라믹 기재(10) 상에 증착을 통해 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2시드층은 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 방법에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는 제1시드층 상에 증착을 통해 형성할 수 있다.
다음, 상기 브레이징 접합층(20)에 대하여 설명한다.
상기 브레이징 접합층(20)은 Cu 및 Ag를 포함하고, 상기 Cu를 Ag 보다 높은 중량으로 포함한다. 만일 상기 브레이징 접합층이 Cu를 Ag 보다 낮은 중량으로 포함하거나 동일 중량으로 포함하면 대량 생산이 난이하거나 음이온 마이그레이션을 방지하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 브레이징 접합층(20)은 상기 Cu와 Ag를 90:10 ~ 99:1의 중량비로, 바람직하게는 95:5 ~ 99:1의 중량비로 포함할 수 있다. 만일 상기 Cu와 Ag의 중량비가 90:10 미만으로 Cu가 범위 보다 적으면 대량 생산이 난이하거나 음이온 마이그레이션을 방지하기 어려울 수 있고, 또한, 만일 Cu와 Ag의 중량비가 99:1을 초과하여 Cu가 범위를 초과하면 층간 접합력이 저하될 수 있다.
상기 브레이징 접합층은 Ag와 Cu를 포함하여 혼합된 합금시트일 수 있고, 또는 하나 이상의 Ag층과 하나 이상의 Cu층을 포함하여 적층된 적층시트일 수도 있다.
상기 적층시트는 일 예로 제1Ag층, 상기 제1Ag층 상에 적층되는 Cu층, 상기 Cu층 상에 적층되는 제2Ag층을 포함할 수 있고, 상기 다른 일 예로 제1Cu층, 상기 제1Cu층 상에 적층되는 Ag층, 상기 Ag층 상에 적층되는 제2Cu층을 포함할 수 있다.
상기 브레이징 접합층(20)은 상기 합금시트 또는 적층시트가 용융되면서 가압됨으로써 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 시드층(40)과 후술하는 금속박(30) 사이에서 접합면의 전면에 균일하고 고르게 퍼지면서도 측면으로 유출되지 않을 수 있다.
한편, 상기 브레이징 접합층(20)은, 상기 합금시트 또는 적층시트 상에 후술하는 금속박(30)을 적층한 후, 브레이징 로에서 가열함으써 형성될 수 있고, 이를 통해 후술하는 금속박(30)이 상기 세라믹 기재(10) 상에, 바람직하게는 상기 시드층(40)과 브레이징 접합층(20)을 통해 접합될 수 있다.
이때, 상기 가열은 온도 850 ~ 1050℃로, 바람직하게는 880 ~ 1000℃로, 보다 바람직하게는 930 ~ 980℃로 수행할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 목적 달성에 더욱 유리할 수 있다.
다음, 상기 금속박(30)에 대하여 설명한다.
상기 금속박(30)은 알루미늄박 및 동박 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이외에, 상기 금속박의 두께 등의 스펙은 공지된 스펙을 적용할 수 있음에 따라, 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 않는다.
한편, 상기 세라믹 기판은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 세라믹 기재(10)의 일면 상에 시드층(40), 브레이징 접합층(20) 및 금속박(30)을 포함할 수도 있고, 세라믹 기재의 양면 상 각각에 시드층, 브레이징 접합층 및 금속박을 포함할 수도 있다.
이 경우, 상기 시드층을 세라믹 기재의 양면에 각각 형성하고, 상기 브레이징 접합층을 형성하기 위한 합금시트 및/또는 적층시트를 상기 세라믹 기재의 양면에 형성된 시드층 상에 각각 적층할 수 있다. 그리고, 상기 합금시트 및/또는 적층시트 상에 금속박을 적층하고, 브레이징 로 내에서 양면에서 금속박을 가압함으로써 브레이징 접합층을 통해 금속박이 적층된 양면 적층 세라믹 기판을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 수평방향 단면이 회로 패턴 형상인, 상술한 세라믹 기판을 포함하는 파워모듈을 제공한다.
파워모듈 상에서, 상기 세라믹 기판은 상기와 같이 회로 패턴 형상으로 가공된다.
상기 가공은 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에칭을 통해 수행할 수 있다.
상기 에칭은 상술한 금속박(30)과 상기 브레이징 접합층(20)을 한 종류의 에칭액으로 한번에 에칭하는 제1에칭단계 및 상기 시드층(40)을 에칭하는 제2에칭단계를 포함하여 수행할 수 있다.
상기 금속박(30)과 상기 브레이징 접합층(20)을 한 종류의 에칭액으로 한번에 에칭하는 제1에칭단계는 상기 금속박(30)과 상기 브레이징 접합층(20)을 회로 패턴의 형상에 대응되도록 에칭하되, 상기 브레이징 접합층(20)을 상기 금속박(30)의 측면으로 적어도 일부가 돌출되도록 에칭할 수 있다. 이에 따라, 금속박(30)의 접합강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 제1에칭단계는 상기 금속박(30)을 회로 패턴의 형상과 대응되게 마스킹한 후 금속박용 에칭액을 이용하여 회로 패턴의 형상으로 에칭하면서 상기 브레이징 접합층(20)을 동시에 에칭할 수 있다.
상세하게는, 상기 제1에칭단계는 상기 금속박(30) 상에 포토레지스트층을 적층하는 단계, 상기 포토레지스트층 상에 회로 패턴에 대응되는 패턴홀이 형성된 마스크를 적층하고 노광하는 단계, 마스크를 제거하고 노광되어 경화된 부분만 남기고 나머지 포토레지스트층을 제거하는 단계, 상기 금속박(30) 상에 잔류된 포토레지스트층을 장벽으로 하여 에칭하는 단계, 및 금속박(30) 상에 잔류된 포토레지스트층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 시드층을 에칭하는 제2에칭단계는 에칭된 브레이징 접합층을 장벽으로 하여 시드층을 에칭할 수 있으며, 상기 제1시드층을 에칭하는 단계 및 상기 제2시드층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 시드층(40)은 단층형 합금시드층으로 형성될 수도 있는데, 이 경우 시드층의 에칭을 한번에 수행할 수 있어서 공정시간 단축에 유리할 수 있다. 이때, 상기 단층형 합금시드층은 TiCu, NiTi, TiCu, NiNb, CuMo 및 TiAg 중 어느 하나 이상의 합금을 포함하여 형성될 수 있으며, 이에 따라 활성화 금속의 역할이 가능하면서도 소정의 합금비인경우 하나의 에칭액으로 한번의 에칭을 통해 에칭될 수 있는 효과를 발현할 수 있다.
한편, 이외에 파워모듈의 세부구성은 공지된 세부구성을 적용할 수 있음에 따라, 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 세라믹 기판 및 이를 포함하는 파워모듈은 층간 접합력이 우수하고, 대량 생산이 가능한 동시에 음이온 마이그레이션을 방지할 수 있는 효과가 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예 1>
두께 0.32mm의 질화규소(Si3N4) 기판인 세라믹 기재 상에 Ti를 스퍼터링 물리적 증착 방식(PVD : 회전식 인덱스 스퍼터링 장비 / 업체 : 유민시스템 / 모델 : MSS-6)으로 Power 10Kw, 압력 3m Torr, 증착 두께 1,000Å로 증착하여 제1시드층을 형성하고, Cu를 스퍼터링 증착 공정을 동일하게 수행하여 두께 5,000Å의 제2시드층을 형성한 후, Cu층 및 Ag층이 순차적으로 적층된 적층시트를 온도 930도에서 브레이징하여, 브레이징 시트 상의 두께 300㎛의 동박인 금속박을 브레이징 접합층을 통해 제2시드층 상에 접합하여 세라믹 기판을 제조하였다. 이때, 상기 브레이징 접합층의 두께는 13㎛이고, 상기 브레이징 접합층은 Cu와 Ag를 95:5의 중량비로 포함하였다.
<실시예 2 ~ 5 및 비교예 1 ~ 2>
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, Cu와 Ag의 중량비, 제2시드층 포함여부 등을 변경하여 하기 표 1과 같은 세라믹 기판을 제조하였다.
<실험예>
실시예 및 비교예에 따라 제조한 각각의 세라믹 기판에 대하여, 하기의 물성을 평가하여 표 1에 나타내었다.
1. 층간 접합력 평가
실시예 및 비교예에 따라 제조한 각각의 세라믹 기판에 대하여, ASTM D6862에 의거하여 층간 접합력을 평가하였다.
2. 은이온 마이그레이션 평가
실시예 및 비교예에 따라 제조한 각각의 세라믹 기판에 대하여, 온도 85℃ 및 상대습도 85%의 조건으로 전압 100V를 200시간 동안 인가하여 전기저항을 측정하였으며, 초기 저항 대비 200시간 경과 후 저항 값의 편차를 측정하여 은이온 마이그레이션을 평가하였다.
| 구분 | 실시예 1 |
실시예 2 |
실시예 3 |
실시예 4 |
실시예 5 |
비교예 1 |
비교예 2 |
|
| 브레이징 접합층 | Cu:Ag 중량비 | 95:5 | 87:13 | 92:8 | 98:2 | 95:5 | 100:0 | 45:55 |
| 시드층 | 제2시드층 포함여부 | 포함 | 포함 | 포함 | 포함 | 미포함 | 포함 | 포함 |
| 층간 접합력 평가(N/mm) | 13.6 | 14.0 | 13.8 | 13.2 | 12.1 | 11.8 | 14.1 | |
| 은이온 마이그레이션 평가(%) | 0.8 | 6.6 | 3.9 | 0.8 | 1.1 | - | 8.5 | |
상기 표 1에서 알 수 있듯이,
본 발명에 따른 Cu와 Ag의 중량비, 제2시드층 포함여부 등을 모두 만족하는 실시예 1, 3 및 4가, 이 중에서 하나라도 만족하지 못하는 실시예 2, 5 및 비교예 1 ~ 2에 비하여 층간 접합력이 현저히 우수하고, 은이온 마이그레이션이 현격히 적은 효과를 모두 동시에 달성할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[과제고유번호] 1415181469
[과제번호] 20018920
[부처명] 산업통상자원부
[과제관리(전문)기관명] 한국산업기술평가관리원
[연구사업명] 소재부품기술개발사업(패키지형)
[연구과제명] 전기차 고전력 파워모듈용 질화규소 AMB(Active Metal Brazing) 회로기판 제조 기술개발
[기여율] 1/1
[과제수행기관명] (주)아모그린텍
[연구기간] 2022. 07. 01 ~ 2026. 12. 31
Claims (9)
- 세라믹 기재;상기 세라믹 기재 상에 배치되고, Cu 및 Ag를 포함하며 Cu를 Ag 보다 높은 중량으로 포함하는 브레이징 접합층; 및상기 브레이징 접합층에 의해 상기 세라믹 기재 상에 접합된 금속박;을 포함하는 세라믹 기판.
- 제1항에 있어서,상기 브레이징 접합층은 Cu와 Ag를 90:10 ~ 99:1의 중량비로 포함하는 세라믹 기판.
- 제1항에 있어서,상기 세라믹 기재와 상기 브레이징 접합층 사이에 시드층;을 더 포함하는 세라믹 기판.
- 제3항에 있어서,상기 시드층은, 상기 세라믹 기재 측에 배치되는 제1시드층 및 브레이징 접합층 측에 배치되는 제2시드층을 포함하는 세라믹 기판.
- 제4항에 있어서,상기 제1시드층은 Ti, Hf 및 Zr 중 어느 하나 이상을 포함하는 세라믹 기판.
- 제4항에 있어서,상기 제2시드층은 Cu를 포함하는 세라믹 기판.
- 제1항에 있어서,상기 세라믹 기재는 질화규소, 질화알루미늄 및 산화알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함하는 세라믹 기판.
- 제1항에 있어서,상기 금속박은 알루미늄박 및 동박 중 어느 하나 이상을 포함하는 세라믹 기판.
- 수평방향 단면이 회로 패턴 형상인, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 기판;을 포함하는 파워모듈.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2022-0189756 | 2022-12-29 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024144120A1 true WO2024144120A1 (ko) | 2024-07-04 |
Family
ID=
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