KR100873772B1 - 금속/세라믹 접합 제품 - Google Patents
금속/세라믹 접합 제품 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 충분한 내열충격성을 보장하며 외부 치수가 작은 기판을 가지며 높은 신뢰도와 소형성을 모두 갖는 금속/세라믹 접합 제품을 제공한다. 세라믹 기판과, 경납땜 충전재 금속을 통해 세라믹 기판에 접합되는 금속판을 포함하는 금속/세라믹 접합 제품에 있어서, 경납땜 충전재 금속은 30 ㎛ 초과, 250 ㎛ 이하의 길이로 금속판의 저부면으로부터 돌출되거나, 길이가 금속판의 두께의 25% 이상 금속판의 저부면으로부터 돌출된다.
납땜, 금속, 세라믹, 접합, 반도체
Description
도1a 내지 도1c는 본 발명에 따른 금속/세라믹 접합 제품을 제조하는 단계를 도시하는 단면도.
도2a 내지 도2c는 본 발명에 따른 금속/세라믹 접합 제품을 제조하는 단계를 도시하는 단면도.
도3a 내지 도3c는 본 발명에 따른 금속/세라믹 접합 제품을 제조하는 단계를 도시하는 단면도.
도4a 내지 도4b는 본 발명에 따른 금속/세라믹 접합 제품을 제조하는 단계를 도시하는 단면도.
도5는 스커트 전개 길이와 경납땜 충전재 금속 돌출 길이를 설명하는 개략도.
도6은 예 1에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품의 단면을 도시하는 현미경 사진.
도7은 예 및 비교예에서 경납땜 충전재 금속 돌출 길이(㎛)와 노 통과 저항(개수) 사이의 관계를 도시하는 그래프.
도8은 예 및 비교예에서 경납땜 충전재 금속 돌출 길이(㎛)와 굽힘 강도(㎫) 사이의 관계를 도시하는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 세라믹 기판
12 : 경납땜 충전재 금속
14 : 구리판
16 : 알칼리 박리 레지스트
18 : 알칼리 필링 레지스트
20 : 무전해 도금
본 발명은 일반적으로 세라믹 기판과 경납땜 충전재 금속을 통해 세라믹 기판에 접합되는 금속판을 갖는 금속/세라믹 접합 제품에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 부품과 같은 부품들이 상부에 부착되며 전력 모듈 또는 펠티에(Peltier) 요소 모듈로서 사용되는 금속/세라믹 접합 제품에 관한 것이다.
전력 모듈 또는 상부에 반도체를 장착하는 세라믹 회로 기판을 제조하는 통상의 방법에 있어서, 금속판과 세라믹 기판은 우선 서로 접합된다. 예를 들어, 구리판이 세라믹 기판과 직접 접촉하도록 구리판을 세라믹 기판 상에 배치하고 구리판과 세라믹 기판을 비활성 기체 내에서 가열하여 세라믹 기판과 구리판이 서로 접합되게 하는 직접 접합 방법이 산업적으로 이용된다. 또한, 구리판을 Ti, Zr 또는 Hf와 같은 활성 금속이 함유된 경납땜 충전재 금속에 의해 세라믹 기판 상에 배치 하고 이를 진공 내에서 가열하여 세라믹 기판과 구리판이 서로 접합되게 하는 경질 및 연질 납땜 방법도 산업적으로 이용된다. 경질 및 연질 납땜 방법에 있어서, 활성 금속은 세라믹 기판을 금속판에 접합시키는 것과 관련되며, 세라믹 기판은 경납땜 충전재 금속과 반응하여 반응 생성물을 형성한다. 경납땜 충전재 금속은 Al2O3와 같은 세라믹 기판의 산화물과 반응하여 활성 금속의 산화물을 형성하고, AlN 또는 Si3N4와 같은 세라믹 기판의 비산화물과 반응하여 활성 금속의 질소화물을 형성하고, SiC와 같은 세라믹 기판의 탄화물과 반응하여 활성 금속의 탄화물을 형성하여, 생성물이 세라믹 기판을 구리판에 접합시킨다. 즉, 접합 후 경납땜 충전재 금속층은 주로 금속을 함유하는 층과, 경납땜 충전재 금속과 세라믹 기판 사이의 계면의 계면 생성물을 주로 함유하는 층을 포함한다.
회로의 구리판과 같은 금속판의 접합 또는 조사(radiation) 후 패터닝에 의해 소정의 회로 형태를 형성하는 방법으로서, 인쇄 회로 기판 등에 사용되는 식각 방법이 있다. 이 방법은 미세한 패턴을 얻는 데 용이하며 비교적 간단하게 회로 디자인을 변경시킬 수 있으므로 널리 사용된다. 이 방법에 있어서, 예를 들어, 염화철 또는 염화구리, 염산 및 과산화수소의 혼합 용액이 일반적으로 구리판과 같은 금속판의 부식액으로서 사용된다. 상술한 직접 접합 방법의 경우에, 반응 생성물을 무시할 수 있으므로 이러한 부식액이 문제없이 식각과 패터닝을 수행할 수 있다. 그러나, 경질 및 연질 납땜 방법의 경우에는, 이 부식액이 금속판을 용해시킬 수는 있지만, 경납땜 충전재 금속과 세라믹 기판과의 경납땜 충전재 금속의 반응 생성물(경납땜 충전재 금속 및 반응 생성물의 일반적인 용어는 이하 "경납땜 충전재 금속 등"으로 지칭하기로 한다)은 부식시킬 수 없으므로, 경납땜 충전재 금속 등은 회로 패턴 사이 및/또는 기판의 에지면 상에 남아 있게 된다. 경납땜 충전재 금속 등은 도체이므로, 회로 패턴을 서로 및/또는 기판의 표면과 반대면을 서로 절연시키는 회로 기판의 기본 특성을 만족시킬 수 없다. 경납땜 충전재 금속을 제거하는 방법으로서, 염산만을 단독으로, 또는 염산과, 질산, 황산 및 염산으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 무기산의 혼합산을 사용하거나, 왕수(aqua regia), 수산화나트륨 및/또는 수산화칼륨을 함유하는 용액을 사용하여 경납땜 충전재 금속을 처리 및 제거하는 방법이 공지되어 있다(일본 특허 제2,594,475호 참조). 또한, 할로겐 수소 및/또는 할로겐 암모늄을 함유하는 용액에 의해 처리한 후 무기산 및 과산화수소를 함유하는 용액으로 처리하여 경납땜 충전재 금속 등을 제거하는 방법도 공지되어 있다(일본 공개 제7-36467호 참조).
상술한 공정에 의해 패턴이 형성된 금속/세라믹 접합 기판의 금속 회로부 상에, 니켈 도금, 니켈 합금 도금, 금 도금 또는 보전 처리(preservation)가 그 목적에 따라 수행된다.
또한, 반도체 부품과 같은 칩 부품이 연질 납땜 등에 의해 상부에 장착되어 전력 모듈이나 펠티에 요소 모듈로서 사용된다.
최근 수년에, 전력 모듈 및 펠티에 요소 모듈은 혹독한 환경에서 사용되었으며, 이들에 사용되는 부품은 높은 신뢰도를 가질 것이 요구된다. 특히, 자동차 부품으로 사용되거나 실외에서 사용되는 부품은 내열충격성이 향상될 것이 요구된다. 한편, 예를 들어, 금속이 경납땜 충전재 금속을 통해 세라믹 기판에 접합되는 일부 금속/세라믹 접합 기판에 있어서, 회로 패턴의 에지부의 단면 형상을 고안함으로써 특성이 더욱 향상된다.
경납땜 충전재 금속에 의해 열충격 등에 대한 신뢰도를 향상시키기 위해, 금속판의 에지부로부터 경납땜 충전재 금속의 돌출부가 금속을 세라믹에 접합시킬 때 금속과 세라믹의 열팽창 계수의 차이로 인한 열응력의 완화에 효과적인 것으로 알려졌다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제10-326949호는 금속 회로판의 외주 에지부의 저부면과 상부면의 치수 사이의 차이가 50 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위에 있고[이러한 차이는 금속판의 저부면의 일단부에서 금속판의 주 평면에 수직인 평면과, 금속판의 저부면의 일단부와 동일한 측면 상에서 금속판의 상부면의 일단부에서 금속판의 주 평면에 수직인 평면 사이의 거리, 즉 도5의 L1로 표시된 길이(저부면의 면적이 상부면의 면적보다 큰 경우를 양(＋)으로 가정됨)이고, 이러한 거리는 이하 "스커트 전개 길이(skirt spreading length)"라 지칭됨]이며, 이하 "경납땜 충전재 금속 돌출 길이"로 지칭되는, 금속판과 이에 접합되는 경납땜 충전재 금속의 계면으로부터 돌출되는 경납땜 충전재 금속의 길이(도5에서 L2로 표시된 길이)는 -50 ㎛ 내지 +30 ㎛의 범위에 있는 구조를 갖는 기판을 제안하였다. 추가로, 일본 특허 제2,797,011호는 금속판과 이에 접합되는 경납땜 충전재 금속 사이의 계면으로부터 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 250 ㎛ 이상인 구조를 갖는 기판을 제안하였다.
그러나, 금속판과 이에 접합되는 경납땜 충전재 금속 사이의 계면으로부터 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 -50 ㎛ 내지 +30 ㎛일지라도, 시장의 요구에 충분 히 맞는 내열충격성을 얻을 수는 없다. 금속판과 이에 접합되는 경납땜 충전재 금속 사이의 계면으로부터 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 250 ㎛ 이상이면, 충분히 높은 내열충격성을 얻을 수 있다. 그러나, 최근의 시장 경향은 소형성과 융통성을 현저히 강조하고 있어서, 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 너무 길게 되면, 기판의 외부 치수가 디자인 면에서 허용되기 어려우므로, 외부 치수가 작으면서도 250 ㎛의 돌출 길이를 갖는 경우와 비견되는 내열충격성을 제공할 것이 요구된다.
그러므로, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 없애고 충분한 내열충격성을 보장하며 작은 외부 치수를 가지며 높은 신뢰도와 소형성을 모두 갖는 기판을 갖는 금속/세라믹 접합 제품을 제공하는 것이다.
전술한 및 다른 목적들을 달성하기 위해서, 발명자들은 열심히 연구하였으며 큰 부품 장착 면적을 설계할 수 있도록 경납땜 충전재 금속 돌출 길이를 최적으로 제어함으로써, 충분한 내열충격성을 보장하고 작은 외부 치수를 가지며 높은 신뢰도와 소형성을 모두 갖는 기판을 갖는 금속/세라믹 접합 제품을 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 그 결과, 발명자들은 본 발명을 만들게 되었다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 세라믹 기판과, 경납땜 충전재 금속을 통해 세라믹 기판에 접합되는 금속판을 포함하는 금속/세라믹 접합 제품에 있어서, 경납땜 충전재 금속은 30 ㎛ 초과 250 ㎛ 이하의 길이로 금속판의 저부면으로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 금속/세라믹 접합 제품이 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 세라믹 기판과, 경납땜 충전재 금속을 통해 세라믹 기판에 접합되는 금속판을 포함하는 금속/세라믹 접합 제품에 있어서, 경납땜 충전재 금속은 금속판의 두께의 25% 이상의 길이로 금속판의 저부면으로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 금속/세라믹 접합 제품이 제공된다.
각각의 전술한 금속/세라믹 접합 제품에 있어서, 경납땜 충전재 금속의 돌출부의 길이는 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 저부면의 면적이 상부면의 면적보다 큰 경우에 거리를 양으로 가정하여, 금속판의 저부면의 일단부에서 금속판의 주 평면에 수직인 평면과, 금속판의 저부면의 일단부와 동일한 측면 상에서 금속판의 상부면의 일단부에서 금속판의 주 평면에 수직인 평면 사이의 거리는 50 ㎛ 이하이다. 세라믹 기판은 산화물, 질화물 및 탄화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 재료로 형성될 수 있다. 금속판은 구리, 알루미늄, 주성분으로 구리를 함유하는 합금 및 주성분으로 알루미늄을 함유하는 합금으로 구성되는 군으로부터 선택되는 재료로 형성될 수 있다. 경납땜 충전재 금속은 은 및 활성 금속을 포함할 수 있다. 경납땜 충전재 금속은 알루미늄을 포함할 수 있다. 금속판과 경납땜 충전재 금속은 니켈 도금, 니켈 합금 도금, 금 도금 및 보전 처리 중 적어도 하나에 의해 처리될 수 있다.
본 발명은 이하의 상세한 설명과 본 발명의 바람직한 실시예의 첨부된 도면들로부터 충분히 이해될 것이다. 그러나, 도면은 본 발명을 특정 실시예로 한정하고자 하는 것이 아니며, 설명 및 이해만을 위한 것이다.
이제 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 금속/세라믹 접합 제품의 바 람직한 실시예를 이하에서 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 금속/세라믹 접합 제품의 바람직한 실시예는 세라믹 기판과 경납땜 충전재 금속을 통해 세라믹 기판에 접합되는 금속판을 포함하는 바, 금속판의 저부면으로부터 돌출되는 경납땜 충전재 금속의 길이는 30 ㎛ 초과, 250 ㎛ 이하이며, 양호하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 범위 내이거나, 금속판의 저부면으로부터 돌출되는 경납땜 충전재 금속의 길이는 금속판의 두께의 25% 이상, 양호하게는 30% 이상이다.
일반적으로 전력 모듈로서 사용되는 약 0.25 내지 0.4 ㎜의 두께를 갖는 금속 회로판의 경우에, 열충격을 인가하는 중금속 회로판의 외주부에서 일어나는 응력에 의해 열화되는 기판 세기의 정도는 경납땜 충전재 금속의 돌출 길이가 증가할 수 있도록 개선되며, 경납땜 충전재 금속의 돌출 길이가 30 ㎛ 이상, 양호하게는 50 ㎛ 이상이면 충분한 내열충격성이 얻어진다. 경납땜 충전재 금속의 돌출 길이가 기판의 설계 치수가 허용하는 한 길게 설정되면, 높은 내열충격성을 얻을 수 있다.
금속 회로판의 두께가 약 0.15 ㎜ 이하이면, 금속의 열팽창 및 열수축 중 기판의 변형 응력이 감소한다. 그러므로, 금속 회로판과 경납땜 충전재 금속 사이의 계면으로부터 경납땜 충전재 금속 돌출 길이는 30 ㎛ 미만인 경우에도, 내열충격성을 유지할 수 있다. 경납땜 충전재 금속 돌출 길이는 양호하게는 금속 회로부의 두께의 25% 이상, 양호하게는 30% 이상이다. 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 기판의 설계 치수가 허용하는 한 길게 설정되면, 높은 내열충격성을 얻을 수 있다.
본 발명에 사용되는 세라믹 기판의 재료들에 관해서, Al2O3(알루미나)는 저비용을 특징으로 하며, AlN은 저비용이면서 양호한 열전도성을 특징으로 하며, Si3N4와 SiC는 높은 강도와 높은 인성을 특징으로 한다. 세라믹 기판의 이러한 특성에 따라, Al2O3은 저가의 세라믹 회로 기판을 제공할 수 있으며, AlN은 우수한 조사 성능을 이용하여 대형 전력 칩과 같은 높은 발열량을 갖는 반도체에 적당한 세라믹 회로 기판을 제공하며, Si3N4와 SiC는 우수한 강도를 이용하여 높은 내열충격성과 높은 내환경성을 가지며 자동차와 같이 혹독한 환경에서 사용되는 세라믹 회로 기판을 제공한다.
금속판을 세라믹 기판에 접합하는 데 사용되는 경납땜 충전재 금속은 금속판의 금속과 세라믹 기판의 세라믹의 물성에 따라 선택될 수 있다. 금속판이 구리판이고 세라믹 기판이 AlN 기판이거나 Al2O3 기판이면, 경납땜 충전재 금속의 금속 성분들의 조성은 양호하게는 65 내지 99 중량%의 Ag와, 1 내지 10 중량%의 활성 금속과 나머지는 대체로 Cu를 포함한다. Ti 또는 Zr로부터 선택되는 적어도 한 종류의 요소가 활성 금속으로서 추가될 수 있으며, TiO2와 같은 제4 성분의 매우 소량이 응력 완화를 위해 첨가될 수 있다. 경납땜 충전재 금속은 세라믹 기판의 전체 표면 상에 배치되어 소정 위치에만 배치될 수 있다. 이리하여, 경납땜 충전재 금속은 필요하면 그 용도에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 배치되는 경납땜 충전재 금속은 페이스트 형태 또는 호일 형태와 같은 임의의 형태를 가질 수 있다. 금속판 이 알루미늄판이면, 경납땜 충전재 금속의 금속 성분은 양호하게는 페이스트 형태 또는 호일 형태와 같은 형태에 무관하게 Al-Si 또는 Al-Si-Ti와 같은 알루미늄을 주로 함유하는 금속 성분들이다.
금속판으로서, 구리판이 양호한 전기 전도성의 견지에서 종종 사용된다. 일반적으로, 금속판을 식각하여 소정의 회로 패턴을 형성하기 위해 레지스트(resist)로 금속판을 덮는 방법이 사용된다.
경납땜 충전재 금속 등의 원하지 않는 부분을 제거하기 위한 화학 약품으로서, 일반적으로 사용되는 염화철 또는 염화구리, 염산 및 과산화수소의 혼합 용액은 경납땜 충전재 금속 등을 충분히 용해하지 못하므로, 불화물 또는 킬레이트와 같은 경납땜 충전재 금속을 용해하는 화학 약품이 사용될 수 있다.
경납땜 충전재 금속 등의 원하지 않는 부분이 화학 약품에 의해 제거된 상태에서는, 경납땜 충전재 금속 돌출 길이는 없거나 매우 짧은 길이이므로, 바람직한 경납땜 충전재 금속 돌출 길이를 얻기 위한 추가적인 작업이 요구된다. 이와 같은 바람직한 경납땜 충전재 금속 돌출 길이를 얻기 위한 방법으로서, 예를 들어, 회로 패턴의 표면 상에 식각된 금속판의 회로 패턴보다 약간 작은 레지스트를 도포하여, 식각 또는 화학적 연마에 의해 금속판을 용해시킴으로써 바람직한 경납땜 충전재 금속 돌출 길이를 얻는 방법이 사용될 수 있다. 또한, 경납땜 충전재 금속 돌출 길이는 또한 식각 또는 화학적 연마 조건에 의해 크게 변할 수 있으며, 온도 또는 분사 압력과 같은 조건에 의해 제어될 수 있다. 바람직한 경납땜 충전재 금속 돌출 길이를 얻기 위한 다른 방법으로서, 금속판의 목표 회로 패턴에 대한 목표 경납 땜 충전재 금속 돌출 길이를 예상하는 패턴 형태를 갖는 경납땜 충전재 금속을 인쇄 등에 의해 세라믹 기판 상에 형성한 후, 프레스 작업 또는 식각에 의해 패턴 형태를 갖도록 이미 가공된 금속판을 경납땜 충전재 금속을 통해 세라믹 기판에 접합시키는 방법이 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들 방법으로 제한되지 말아야 한다.
금속 회로부의 저부면 및 상부면의 치수에 대해서, Si 칩을 상부에 배치하기 위한 상부면의 면적이 더 큰 것이 장착부에 유리하다. 그러나, 일반적으로 수행되는 식각에 의해 작은 치수 차이를 형성하는 것은 어렵다. 인접한 금속 회로부로의 방전의 가능성의 증가를 방지하기 위해, 저부면과 상부면의 치수들 사이의 차이는 양호하게는 방전이 일어나지 않을 정도로 마이너스 치수 차이(상부면의 면적이 저부면의 면적보다 큼)를 가지며, 40 ㎛ 이하이다. 이러한 범위는 식각 공정 및/또는 식각 조건을 변경함으로써 설정된다.
금속/세라믹 접합 회로 기판의 표면 상의 회로 패턴으로서 형성되는 금속판의 내후성을 향상시키고 연질 납땜 습윤성(solder wettability)의 노화로 인한 열화를 방지하기 위해, 금속 도금, 니켈 합금 도금, 금 도금 또는 보전 처리가 양호하게는 수행된다. 도금 공정은, 예를 들어, 탈지(degreasing) 후 Ni-P 무전해 도금 용액으로서 하이포아인산염을 함유하는 화학 약품을 사용하는 일반적인 무전해 도금 방법, Pd 활성 화학 약품에 의한 화학적 연마 및 예비 처리 또는 전극이 패턴과 접촉하게 하면서 전기 도금을 수행하는 방법에 의해 수행된다. 또한, 보전 처리는 양호하게는 일반적인 아졸(azole) 화합물에 의해 수행된다.
본 발명에 따라 제조되는 금속/세라믹 접합 회로 기판의 금속 회로 기판 상에, 반도체 칩 및 저항기와 같은 전기 및 전자 부품이 연질 납땜 등에 의해 장착되며, 그 반대면에는 조사판이 연질 납땜 등에 의해 접합된다. 또한, 플라스틱 케이스 등을 접합하는 단계, 외부 단자를 초음파 접합 와이어에 의해 회로 기판에 연결하는 단계, 절연 젤을 주입하는 단계 및 상부 덮개를 덮는 단계가 모듈을 완성하도록 수행된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금속/세라믹 접합 제품의 예를 상세히 설명하기로 한다.
예 1
금속 성분을 함유하는 금속 분말의 중량은 성분들이 91Ag - 7Cu - 1.5Ti - 0.5TiO2(중량%)이도록 측정되었다. 이 금속 분말에, 약 10%의 아크릴 매체가 첨가되었다. 이 혼합물을 자동 모터 및 3개의 롤 밀에 의해 일반적인 방법을 사용하여 반죽함으로써, 페이스트 형태의 경납땜 충전재 금속이 준비되었다.
그런 다음, 도1a 내지 도1c에 도시된 바와 같이, 세라믹 기판(10)이 마련되고(도1a 참조), 경납땜 충전재 금속(12)이 스크린 인쇄에 의해 세라믹 기판(10)의 양면 상에 도포되었다(도1b 참조). 그러고 나서, 0.25 ㎜의 두께를 갖는 구리판(14)이 그 양측 상에 배치되었으며, 구리판(14)은 진공 노 내에서 835 ℃에서 세라믹 기판에 접합되었다. 경납땜 충전재 금속(12)의 두께를 확인하기 위해, 접합된 샘플이 절단되어 경납땜 충전재 금속(12)의 두께를 측정하였다. 그 결과, 경납땜 충전재 금속(12)의 두께는 약 20 ㎛이었다. 세라믹 기판(10)으로서, ATG 컴퍼니에 의해 제조되는 S 급 AlN 기판이 사용되었다.
그 후, 접합된 샘플은 진공 노로부터 꺼내졌다. 그런 다음, 도2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이, 바람직한 회로 패턴과 10 내지 15 ㎛의 두께를 갖는 자외선 경화 알칼리 박리 레지스트(16)가 접합된 구리판(14)의 양면 상에 도포되었으며(도2a 참조), 구리판(14)의 원하지 않는 부분들은 염화구리, 과산화수소 및 염산을 포함하는 식각액에 의해 제거되었다(도2b 참조). 그 후, 레지스트(16)는 3.5%의 수산화나트륨 수용액에 의해 제거되었다(도2c 참조).
그리고 나서, 기판의 회로 패턴들 사이와 에지면들 상의 경납땜 충전재 금속의 원하지 않는 부분들을 제거하기 위해, 샘플은 1.4% EDTA, 6% 과산화수소 및 3% 암모니아를 함유하는 혼합 용액 내에 침지되어 경납땜 충전재 금속(12)의 원하지 않는 부분들을 제거하였다(도3a 참조). 그 후, 바람직한 회로 패턴을 갖는 자외선 경화 알칼리 필링 레지스트(18)가 구리판(14)의 양면 상에 다시 도포되었으며(도3b 참조), 구리판(14)은 다시 염화구리, 과산화수소 및 염산을 포함하는 식각액에 의해 15 분간 식각되었다(도3c 참조). 그 후, 레지스트(18)는 3.5% 수산화나트륨의 수성 용액에 의해 제거되었으며(도4a 참조), Ni-P 무전해 도금(20)이 수행되었다(도4b 참조).
도6은 이렇게 얻은 금속/세라믹 접합 제품의 단면의 현미경 사진을 도시하고 있다. 이 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 금속 회로부의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 스커트 전개 길이가 측정되었으며, 길이는 각각 102 ㎛와 ＜ 0 ㎛이었다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대하여, 노 통과 처리[제품을 환원성 분위기 중에서 10 분간 370 ℃에서 가열한 후 제품을 냉각하는 처리(질소 4 ＋ 수소 1)]가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 즉, 노 통과 처리 후 세라믹부에 균열이 발생하였는 지 여부가 시각적으로 검사되었으며, 균열을 일으키는 노 통과 처리의 개수 직전의 노 통과 처리의 개수를 노 통과 저항(개수)으로 가정하였다. 이러한 노 통과 저항에 의해, 금속/세라믹 접합 제품의 신뢰도가 평가되었다. 그 결과, 본 예에서 제조되는 금속/세라믹 접합 제품의 노 통과 저항(개수)은 58이었다.
예 2
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 101 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 ＜ 0 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 58이었다.
예 3
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 95 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 3 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 68이었다.
예 4
제2 식각이 20분간 수행된 것을 제외하고는 예 1에서와 동일한 방법에 의해, 124 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 ＜ 0 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 84이었다.
예 5
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 88 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 11 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 78이었다. 추가로, 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 굽힘 강도 측정 장치(시마드즈 세이사쿠쇼에 의해 제조되는 SHIMADZUAGS-1000D)가 0.5 ㎜/분의 부하 속도와 30 ㎜의 간격 길이의 측정 조건에서 초기 굽힘 강도와 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도를 측정하는 데 사용되었다. 그 결과, 초기 굽힘 강도는 615 ㎫이었으며, 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도는 535 ㎫이었다.
예 6
예 4에서와 동일한 방법에 의해, 133 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 ＜0 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행 되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 98이었다.
예 7
제2 식각이 10분간 수행된 것을 제외하고는 예 1에서와 동일한 방법에 의해, 73 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 8 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 74이었다.
예 8
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 82 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 4 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 58이었다. 추가로, 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 초기 굽힘 강도와 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도가 예 5와 유사하게 측정되었다. 그 결과, 초기 굽힘 강도는 609 ㎫이었으며, 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도는 570 ㎫이었다.
예 9
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 83 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 11 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻 어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 42이었다.
예 10
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 93 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 5 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 52이었다.
예 11
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 65 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 21 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 32이었다.
예 12
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 53 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 23 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 32이었다.
예 13
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 62 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 31 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 32이었다.
예 14
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 54 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 15 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 40이었다.
예 15
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 57 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 26 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 26이었다.
예 16
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 55 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 25 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 30이었다.
예 17
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 55 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 26 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 32이었다.
예 18
예 4에서와 동일한 방법에 의해, 134 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 ＜ 0 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 92이었다.
예 19
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 52 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 18 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻 어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 26이었다. 추가로, 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 초기 굽힘 강도와 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도가 예 5와 유사하게 측정되었다. 그 결과, 초기 굽힘 강도는 622 ㎫이었으며, 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도는 549 ㎫이었다.
예 20
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 62 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 10 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 36이었다.
예 21
예 7에서와 동일한 방법에 의해, 62 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 20 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 38이었다.
비교예 1
제2 식각이 5분간 수행된 것을 제외하고는 예 1에서와 동일한 방법에 의해, -20 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 45 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 예 1 내지 예 21에서보다 작은 11이었다. 추가로, 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 초기 굽힘 강도와 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도가 예 5와 유사하게 측정되었다. 그 결과, 초기 굽힘 강도는 548 ㎫이었으며, 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도는 203 ㎫이었다. 2개의 강도는 모두 예 5, 예 8 및 예 19에서보다 약했다.
비교예 2
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 0 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 30 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 예 1 내지 예 21에서보다 작은 19이었다. 추가로, 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 초기 굽힘 강도와 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도가 예 5와 유사하게 측정되었다. 그 결과, 초기 굽힘 강도는 590 ㎫이었으며, 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도는 331 ㎫이었다. 2개의 강도는 모두 예 5, 예 8 및 예 19에서보다 약했다.
비교예 3
예 1에서와 동일한 방법에 의해, 30 ㎛의 경납땜 충전재 금속 돌출 길이와 15 ㎛의 스커트 전개 길이를 갖는 금속 회로부를 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 얻어졌다. 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 노 통과 처리가 수행되었으며, 신뢰도는 노 통과 저항(개수)에 의해 평가되었다. 그 결과, 노 통과 저항(개수)은 예 1 내지 예 21에서보다 작은 25이었다. 추가로, 본 예에서 얻은 금속/세라믹 접합 제품에 대해서, 초기 굽힘 강도와 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도가 예 5와 유사하게 측정되었다. 그 결과, 초기 굽힘 강도는 610 ㎫이었으며, 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도는 510 ㎫이었다. 2개의 강도는 모두 예 5, 예 8 및 예 19에서보다 약했다.
예 1 내지 예 21 및 비교예 1 내지 비교예 3의 결과가 다음의 표에 도시되었다.
| 돌출 길이(㎛) | 스커트 전개 길이(㎛) | 노 통과 저항(개수) | 초기 굽힘 강도(㎫) | 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도 | |
| 예 1 | 102 | < 0 | 58 | ||
| 예 2 | 101 | < 0 | 58 | ||
| 예 3 | 95 | 3 | 68 | ||
| 예 4 | 124 | < 0 | 84 | ||
| 예 5 | 88 | 11 | 78 | 615 | 535 |
| 예 6 | 133 | < 0 | 98 | ||
| 예 7 | 73 | 8 | 74 | ||
| 예 8 | 82 | 4 | 58 | 609 | 570 |
| 예 9 | 83 | 11 | 42 | ||
| 예 10 | 93 | 5 | 52 | ||
| 예 11 | 65 | 21 | 32 | ||
| 예 12 | 53 | 23 | 32 | ||
| 예 13 | 62 | 31 | 32 | ||
| 예 14 | 54 | 15 | 40 | ||
| 예 15 | 54 | 26 | 26 | ||
| 예 16 | 55 | 25 | 30 | ||
| 예 17 | 55 | 26 | 32 | ||
| 예 18 | 134 | < 0 | 92 | ||
| 예 19 | 52 | 18 | 26 | 622 | 549 |
| 예 20 | 62 | 10 | 36 | ||
| 예 21 | 62 | 20 | 38 | ||
| 비교예 1 | -20 | 45 | 11 | 548 | 203 |
| 비교예 2 | 0 | 30 | 19 | 590 | 331 |
| 비교예 3 | 30 | 15 | 25 | 610 | 510 |
도7 및 도8은 경납땜 충전재 금속 돌출 길이(㎛)와 노 통과 저항(개수) 사이의 관계와, 경납땜 충전재 금속 돌출 길이(㎛)와 굽힘 강도(㎫) 사이의 관계를 각각 도시하고 있다. 도7에 도시된 바와 같이, 경납땜 돌출 길이가 약 30 ㎛를 초과하면, 노 통과 저항은 신속하게 증가하며, 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 약 130 ㎛를 초과하면, 노 통과 저항 상의 변화는 감소한다. 추가로, 도8에 도시된 바와 같이, 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 약 30 ㎛를 초과하면, 초기 굽힘 강도와 3회의 노 통과 후의 굽힘 강도 사이의 차이는 작게 된다. 그러므로, 내열충격성은 경납땜 충전재 금속 돌출 길이가 약 30 ㎛ 이상이면 크게 향상되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 보다 나은 이해를 돕기 위해 본 발명이 바람직한 실시예에 관하여 개시되었으나, 본 발명은 본 발명의 원리로부터 벗어나지 않으면서 다양하게 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 기재된 본 발명의 원리를 벗어나지 않으면서 구현될 수 있는 도시된 실시예에 가능한 실시예와 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 충분한 내열충격성을 보장하며 작은 외부 치수를 가지며 높은 신뢰도와 소형성을 모두 갖는 기판을 갖는 금속/세라믹 접합 제품이 제공된다.
Claims (16)
- 세라믹 기판과, 경납땜 충전재 금속을 통해 상기 세라믹 기판에 접합되는 금속판을 포함하고,상기 경납땜 충전재 금속은 30 ㎛ 초과, 250 ㎛ 이하의 길이로 상기 금속판의 저부면으로부터 돌출되는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제1항에 있어서, 상기 길이는 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제1항에 있어서, 저부면의 면적이 상부면의 면적보다 큰 경우의 거리를 양이라고 하면, 상기 금속판의 저부면의 일단부에서 상기 금속판의 주 평면에 수직인 평면과, 금속판의 저부면의 일단부와 동일한 측면 상에서 상기 금속판의 상부면의 일단부에서 상기 금속판의 주 평면에 수직인 평면 사이의 거리는 50 ㎛ 이하인 금속/세라믹 접합 제품.
- 제1항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 산화물, 질화물 및 탄화물로 구성되는 군으로부터 선택된 재료로 형성되는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제1항에 있어서, 상기 금속판은 구리, 알루미늄, 구리를 함유하는 합금 및 알루미늄을 함유하는 합금으로 구성되는 군으로부터 선택된 재료로 형성되는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제1항에 있어서, 상기 경납땜 충전재 금속은 은 및 활성 금속을 함유하는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제1항에 있어서, 상기 경납땜 충전재 금속은 알루미늄을 포함하는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제1항에 있어서, 상기 금속판 및 상기 경납땜 충전재 금속은 니켈 도금, 니켈 합금 도금, 금 도금 및 보전 처리 중 하나 이상에 의해 처리되는 하는 금속/세라믹 접합 제품.
- 세라믹 기판과, 경납땜 충전재 금속을 통해 상기 세라믹 기판에 접합되는 금속판을 포함하고,상기 경납땜 충전재 금속은 상기 금속판 두께의 25% 이상의 길이로 상기 금속판의 저부면으로부터 돌출되는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제9항에 있어서, 상기 길이는 상기 금속판 두께의 30% 이상인 금속/세라믹 접합 제품.
- 제9항에 있어서, 저부면의 면적이 상부면의 면적보다 큰 경우의 거리를 양이라고 하면, 상기 금속판의 저부면의 일단부에서 상기 금속판의 주 평면에 수직인 평면과, 금속판의 저부면의 일단부와 동일한 측면 상에서 상기 금속판의 상부면의 일단부에서 상기 금속판의 주 평면에 수직인 평면 사이의 거리는 50 ㎛ 이하인 금속/세라믹 접합 제품.
- 제9항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 산화물, 질화물 및 탄화물로 구성되는 군으로부터 선택된 재료로 형성되는 하는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제9항에 있어서, 상기 금속판은 구리, 알루미늄, 구리를 함유하는 합금 및 알루미늄을 함유하는 합금으로 구성되는 군으로부터 선택된 재료로 형성되는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제9항에 있어서, 상기 경납땜 충전재 금속은 은 및 활성 금속을 함유하는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제9항에 있어서, 상기 경납땜 충전재 금속은 알루미늄을 포함하는 금속/세라믹 접합 제품.
- 제9항에 있어서, 상기 금속판 및 상기 경납땜 충전재 금속은 니켈 도금, 니켈 합금 도금, 금 도금 및 보전 처리 중 하나 이상에 의해 처리되는 금속/세라믹 접합 제품.
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