KR20200029480A

KR20200029480A - 세라믹스 회로 기판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20200029480A
Application number: KR1020207001838A
Authority: KR
Inventors: 아키마사 유아사; 유사쿠 하라다; 다카히로 나카무라; 슈헤이 모리타; 고우지 니시무라
Original assignee: 덴카 주식회사
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2038-07-25
Also published as: US11483926B2; KR102521140B1; EP3661337B1; EP3661337A1; WO2019022133A1; EP3661337A4; CN110945974B; CN110945974A; JPWO2019022133A1; US20200163210A1; JP7010950B2

Abstract

[과제] 높은 접합성 및 우수한 내열 사이클 특성을 갖는 세라믹스 회로 기판을 제공한다.
[해결 수단] 세라믹스 기판 상에, 브레이징재층을 개재하여 회로 패턴이 형성되고, 회로 패턴의 외연으로부터 비어져 나온 브레이징재층에 의해서 비어져나옴부가 형성되어 있고, 브레이징재층은, Ag, Cu 및 Ti 와, Sn 또는 In 을 함유하고, 비어져나옴부 외연으로부터, 세라믹스 기판과 회로 패턴의 접합 계면을 따라서 내측을 향하여 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하여 형성되어 있고, 접합 보이드율이 1.0 ％ 이하인, 세라믹스 회로 기판으로 한다.

Description

세라믹스 회로 기판 및 그 제조 방법

본 발명은 세라믹스 회로 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

엘리베이터, 차량, 하이브리드 카 등과 같은 파워 모듈 용도에는, 알루미나, 베릴리아, 질화규소, 질화알루미늄 등의 세라믹스 기판의 표면에, 금속 회로판을 브레이징재 (braze material) 로 접합하고, 추가로 금속 회로판의 소정의 위치에 반도체 소자를 탑재한 세라믹스 회로 기판이 사용된다.

최근에는, 반도체 소자의 고출력화, 고집적화에 수반하여, 반도체 소자로부터의 발열량은 증가 일로를 걷고 있다. 이 발열을 효율적으로 방산시키기 위해서, 고절연성, 고열전도성을 갖는 질화알루미늄 소결체나 질화규소 소결체의 세라믹스 기판이 사용되고 있다.

그러나, 세라믹스 기판과 금속판은 열팽창률이 크게 상이하기 때문에, 반복적인 냉열 사이클의 부하에 의해서 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 열팽창률차에서 기인하는 열응력이 발생된다. 특히, 접합부 부근의 세라믹스 기판측에 압축과 인장의 잔류 응력이 작용함으로써, 세라믹스 기판에 크랙이 발생되어, 접합 불량 또는 열저항 불량을 초래하고, 전자 기기로서의 동작 신뢰성이 저하되어 버리는 등의 문제를 갖는다.

그래서, 특허문헌 1 에는 금속판의 바닥면에서 비어져 나오는 브레이징재의 길이가 30 ㎛ 보다 길며 또한 250 ㎛ 이하, 바람직하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛ 로 제어함으로써, 세라믹스 회로 기판의 열사이클 특성을 향상시키는 구조가 제안되어 있다.

특허문헌 2 에는, 세라믹스 회로 기판의 브레이징재층의 비어져나옴 조직을 Ag 리치상이 Cu 리치상보다 많이 차지하도록 제어함으로써, 에칭에 의한 브레이징재 비어져나옴부의 용해를 억제하여, 브레이징재층 비어져나옴부의 응력 완화 효과가 저하되는 것을 방지하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 3 에는, 브레이징재층을 어느 일정한 비율로, 두께와 길이를 제어하여 비어져 나오게 함으로써, 세라믹스 회로 기판의 열사이클 특성을 향상시키는 방법이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2003-112980호 일본 공개특허공보 2005-268821호 국제 공개 제2017/056360호

최근의 전기 자동차에 탑재되는 파워 모듈은, 더 한층의 고출력화, 고집적화가 급격하게 진행되어, 세라믹스 회로 기판에 이러한 열응력이 보다 증대되는 경향이 있다. 그 때문에, 기능 안전성을 보장하기 위해서, 지금까지의 -40 ℃ 에서의 냉각 15 분, 실온에서의 유지 15 분 및 125 ℃ 에 있어서의 가열을 15 분, 실온에서의 유지 15 분으로 하는 승온/강온 사이클을 1 사이클로 하는 열사이클 시험으로부터, 지금까지의 -55 ℃ 에서의 냉각 15 분, 실온에서의 유지 15 분 및 175 ℃ 에 있어서의 가열을 15 분, 실온에서의 유지 15 분으로 하는 승온/강온 사이클을 1 사이클로 하는 가혹한 열사이클 조건에서의 내구성이 요구되고 있다. 특히 냉각 온도가 저온화함으로써, 세라믹스부에 발생되는 인장 응력이 증대되어, 세라믹스 회로 기판에 크랙이 발생되기 쉬워지는 과제가 있다. 이 점에서, 특허문헌 1, 특허문헌 2, 및 특허문헌 3 에 기재되어 있는 브레이징재층 비어져나옴의 길이, 거리, 비율, 조직을 제어함으로써, 열응력의 완화 효과는 기대할 수 있다. 그러나, 보다 가혹해진 열사이클 테스트의 조건에서는, 구리 회로 패턴부의 외연 (外緣) 아래의 브레이징재층 비어져나옴부에 보다 큰 열응력이 집중되어, 브레이징재 비어져나옴부의 맞닿음 부근에 있는 Ag 리치상과 Cu 리치상의 계면이 균열되어 버리는 경우가 있다. 그 경우에는 브레이징재 비어져나옴부가 짧아져, 응력 완화 효과를 얻지 못하고, 세라믹스 회로 기판에 크랙이 발생된다는 문제가 있다.

본원 발명은 높은 접합성 및 우수한 내열 사이클 특성을 갖는 세라믹스 회로 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해서 예의 노력한 결과, 세라믹스 회로 기판의 브레이징재 비어져나옴부 외연으로부터 회로 패턴측으로 Ag 리치상을 연속화하고, Ag 리치상과 Cu 리치상의 계면을 줄임으로써, 세라믹스 회로 기판의 내열 사이클 특성이 향상되는 것을 알아냈다. 본 발명은 이들 지견에 기초하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명은 이하에 관한 것이다.

[1] 세라믹스 기판 상에, 브레이징재층을 개재하여 회로 패턴이 형성되고, 회로 패턴의 외연으로부터 비어져 나온 브레이징재층에 의해서 비어져나옴부가 형성되어 있고, 브레이징재층은, Ag, Cu 및 Ti 와, Sn 또는 In 을 함유하고, 비어져나옴부 외연으로부터, 세라믹스 기판과 회로 패턴의 접합 계면을 따라서 내측을 향하여 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하여 형성되어 있고, 접합 보이드율이 1.0 ％ 이하인, 세라믹스 회로 기판.

[2] 비어져나옴부의 두께가 8 ∼ 30 ㎛ 이고, 길이가 40 ㎛ ∼ 150 ㎛ 인, [1] 에 기재된 세라믹스 회로 기판.

[3] 세라믹스 기판이, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 탄화규소, 및 붕화란탄에서 선택되는, [1] 또는 [2] 에 기재된 세라믹스 회로 기판.

[4] 회로 패턴이 구리를 함유하는, [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 세라믹스 회로 기판.

[5] [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 세라믹스 회로 기판의 제조 방법으로서, 세라믹스 기판의 양 주면에 브레이징재를 사용하여 구리판을 접합하는 공정을 갖고, 브레이징재가, Ag 를 85.0 ∼ 95.0 질량부, Cu 를 5.0 ∼ 13.0 질량부, Sn 또는 In 을 0.4 ∼ 2.0 질량부, 및, Ti 를 Ag, Cu 및, Sn 또는 In 의 합계 100 질량부에 대해서 1.5 ∼ 5.0 질량부 함유하고, 진공 중 또는 불활성 분위기 중에서, 접합 온도가 770 ℃ ∼ 900 ℃ 이며, 유지 시간이 10 ∼ 60 분에서 접합하는, 제조 방법.

[6] 브레이징재가, Ag 분말, Cu 분말, 및, Sn 분말 또는 In 분말을 사용하여 이루어지고, Ag 분말의 비표면적이 0.1 ∼ 0.6 ㎡/g 인, [5] 에 기재된 방법.

[7] Cu 분말의 표면적이 0.1 ∼ 1.0 ㎡/g 이며 또한 평균 입자경 D50 이 0.8 ∼ 8.0 ㎛ 인, [5] 또는 [6] 에 기재된 제조 방법.

[8] Sn 분말 또는 In 분말의 비표면적이 0.1 ∼ 1.0 ㎡/g 이며 또한 평균 입자경 D50 이 0.8 ∼ 10.0 ㎛ 인, [5] 내지 [7] 중 어느 하나에 기재된 제조 방법.

본 발명에 의하면, 높은 접합성 및 우수한 내열 사이클 특성을 갖는 세라믹스 회로 기판 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. 상세하게는, 접합 보이드율 1.0 ％ 이하이고, -55 ℃ 내지 175 ℃ 의 열사이클 시험 2500 사이클에 있어서 크랙률 2.0 ％ 미만의 세라믹스 회로 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이 가능하다.

도 1 은, 브레이징재층에 의한 비어져나옴부 외연으로부터 회로 패턴 내측을 향하여 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하고 있는 세라믹스 회로 기판의 단면 사진의 일례이다.
도 2 는, Ag 리치상 및 Cu 리치상에 대해서 설명하기 위한 확대 사진이다.
도 3 은, 브레이징재층에 의한 비어져나옴부 외연으로부터 회로 패턴 내측을 향하여 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하지 않은 세라믹스 회로 기판의 단면 사진의 일례이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 본 발명은 아래의 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 적절히 변경을 더하여 실시할 수 있다.

[세라믹스 회로 기판]

본 실시형태에 관련된 세라믹스 회로 기판은, 회로 패턴의 외연으로부터 비어져 나온 Ag, Cu 및 Ti 와 Sn 또는 In 을 함유하는 브레이징재층에 의한 비어져나옴부가 형성된 세라믹스 회로 기판의 단면의 접합 계면에 있어서, 상기 브레이징재층에 의한 비어져나옴부 외연으로부터 회로 패턴 내측으로 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하고 있고, 접합 보이드율이 1.0 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판이다. 이하, 상세하게 서술한다.

(세라믹스 기판)

세라믹스 회로 기판은, 세라믹스 기판 상에, 브레이징재층을 개재하여 회로 패턴이 형성되어 있다. 실시형태에 관련된 세라믹스 기판으로는 특별히 한정되는 것이 아니고, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물계 세라믹스, 산화알루미늄, 산화지르코늄 등의 산화물계 세라믹스, 탄화규소 등의 탄화물계 세라믹스, 붕화란탄 등의 붕화물계 세라믹스 등을 사용할 수 있다. 단, 금속판을 활성 금속법으로 세라믹스 기판에 접합하기 때문에, 질화알루미늄, 질화규소 등의 비산화물계 세라믹스가 바람직하고, 그리고, 우수한 기계 강도, 파괴 인성의 관점에서, 질화규소 기판이 바람직하다.

세라믹스 기판의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 0.1 ∼ 3.0 ㎜ 정도의 것이 일반적이고, 특히, 회로 기판 전체 방열 특성 및 열저항률 저감을 고려하면, 0.2 ∼ 1.2 ㎜ 이하가 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.25 ∼ 1.0 ㎜ 이하이다.

(브레이징재층)

브레이징재층은, 세라믹스 회로 기판에 있어서의 우수한 내열 사이클 특성을 달성하기 위해서, Ag, Cu 및 Ti 와, Sn 또는 In 을 함유하는 브레이징재로 구성된다. 브레이징재는, Ag 분말, Cu 분말, 및, Sn 분말 또는 In 분말을 사용하여 형성할 수 있다. 브레이징재 배합인 Ag/Cu 비는, Ag 와 Cu 의 공정 (共晶) 조성인 72 질량％ : 28 질량％ 보다 Ag 분말의 배합비를 높임으로써, Cu 리치상의 조대화를 방지하고, Ag 리치상이 연속한 브레이징재층 조직을 형성할 수 있다. 또, Ag 분말의 배합량이 많고, Cu 분말의 배합량이 적으면 접합시에 Ag 분말이 다 용해되지 못하고 접합 보이드로서 남는다. 또한, 브레이징재 분말 중에 함유하는 Sn 또는 In 은, 세라믹스 기판에 대한 브레이징재의 접촉각을 작게 하여, 브레이징재의 젖음성을 개선하기 위한 성분으로서, 지나치게 적으면 세라믹스 기판과의 젖음성이 저하되어, 접합 불량으로 이어질 가능성이 있고, 지나치게 많으면 브레이징재층 중의 Ag 리치상이 Cu 리치상에 의해서 불연속화하여 브레이징재가 균열되는 기점이 되어, 세라믹스 회로 기판의 열사이클 특성을 저하시킬 가능성이 있다.

따라서 Ag 분말과, Cu 분말, 및, Sn 분말 또는 In 분말의 배합비는, Ag 분말 : 85.0 ∼ 95.0 질량부, 바람직하게는 88.0 ∼ 92.0 질량부, 보다 바람직하게는 88.5 ∼ 91.0 질량부, Cu 분말 : 5.0 ∼ 13.0 질량부, 바람직하게는 6.0 ∼ 12.0 질량부, 보다 바람직하게는 7.0 ∼ 11.0 질량부, Sn 분말 또는 In 분말 : 0.4 ∼ 2.0 질량부, 바람직하게는 0.5 ∼ 1.5 질량부를 들 수 있다.

상기 Ag 분말로는, 비표면적이 0.1 ∼ 0.6 ㎡/g, 바람직하게는 0.3 ∼ 0.5 ㎡/g 의 Ag 분말을 사용하면 된다. 비표면적을 0.6 ㎡/g 이하로 함으로써, 비표면적이 큰 Ag 분말을 사용함으로써 발생되는 경우가 있는 응집의 발생이나 산소 농도가 높아지는 것을 막아, 접합 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또, 비표면적을 0.1 ㎡/g 이상으로 함으로써, 작은 비표면적을 갖는 Ag 분말을 사용함으로써 발생되는 경우가 있는 Ag 분말이 다 용해되지 못하여 세라믹스 회로 기판에 접합 보이드가 형성되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 보다 높은 접합성을 갖는 세라믹스 회로 기판으로 할 수 있다. 비표면적의 측정은, 가스 흡착법을 사용함으로써 측정할 수 있다. 상기 Ag 분말의 제법은, 아토마이즈법이나 습식 환원법 등에 의해서 제조된 것이 일반적이다. Ag 분말의 레이저 회절법에 의해서 측정한 개수 기준의 입도 분포에 있어서의 평균 입자경 D50 은, 1.0 ∼ 10.0 ㎛ 인 것이 바람직하고, 2.0 ∼ 4.0 ㎛ 인 것이 보다 바람직하다.

상기, 브레이징재 분말 중에 함유하는 Cu 분말은, Ag 리치상을 연속화시키기 위해서, 비표면적이 0.1 ∼ 1.0 ㎡/g, 바람직하게는 0.2 ∼ 0.5 ㎡/g 이고, 및/또는 레이저 회절법에 의해서 측정한 체적 기준의 입도 분포에 있어서의 평균 입자경 D50 이 0.8 ∼ 8.0 ㎛, 바람직하게는 2.0 ∼ 4.0 ㎛ 의 Cu 분말을 사용하면 된다. 비표면적을 1.0 ㎡/g 이하, 또는 평균 입자경 D50 을 0.8 ㎛ 이상으로 함으로써, 미세한 Cu 분말을 사용함으로써 발생되는 경우가 있는 Cu 분말의 산소량이 높아지는 것을 막아 접합 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또, 비표면적을 0.1 ㎡/g 이상, 또는 평균 입자경 D50 을 8.0 ㎛ 이하로 함으로써, 큰 Cu 분말을 사용함으로써 발생되는 경우가 있는 브레이징재층 중의 Ag 리치상이 Cu 리치상에 의해서 불연속화하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, Ag 리치상이 불연속으로 된 지점이 브레이징재가 균열되는 기점이 되어 세라믹스 회로 기판의 열사이클 특성을 저하시키는 것을 억제할 수 있어, 보다 우수한 내열 사이클 특성을 갖는 세라믹스 회로 기판으로 할 수 있다.

상기 Sn 분말 또는 In 분말로는, 비표면적이 0.1 ∼ 1.0 ㎡/g 및/또는 평균 입자경 D50 이 0.8 ∼ 10.0 ㎛ 인 분말을 사용하면 된다. 비표면적을 1.0 ㎡/g 이하, 또는 평균 입자경 D50 을 0.8 ㎛ 이상으로 함으로써, 미세한 분말을 사용함으로써 발생되는 경우가 있는 Sn 분말의 산소량이 높아지는 것을 막아 접합 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또, 비표면적을 0.1 ㎡/g 이상, 또는 평균 입자경 D50 을 8.0 ㎛ 이상으로 함으로써, 큰 Sn 분말 또는 In 분말을 사용함으로써 발생되는 경우가 있는, 접합 공정에 있어서의 승온 중에 Ag 분말에 Sn 분말 또는 In 분말이 용해되어 Sn 분말 또는 In 분말이 존재하고 있던 일부에 조대한 접합 보이드가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 보다 높은 접합성을 갖는 세라믹스 회로 기판으로 할 수 있다. 또한, 상기한 비표면적은, 가스 흡착법에 의해서 측정한 값으로 한다.

상기 브레이징재 배합에 첨가하는 활성 금속은, 질화알루미늄 기판, 또는, 질화규소 기판과의 반응성이 높아, 접합 강도를 매우 높일 수 있기 때문에, 본 실시형태에서는 티탄을 사용하고 있다. Ti 의 첨가량은, Ag 분말과, Cu 분말과, Sn 분말 또는 In 분말의 합계 100 질량부에 대해서, 1.5 ∼ 5.0 질량부인 것이 바람직하고, 2.0 ∼ 4.0 질량부인 것이 보다 바람직하다. 활성 금속의 함유량을 1.5 질량부 이상으로 함으로써, 세라믹스 기판과 브레이징재의 젖음성을 높여, 접합 불량의 발생을 보다 억제할 수 있다. Ti 의 함유량을 5.0 질량부 이하로 함으로써, 미반응의 Ti 가 많이 남음으로써 발생되는 경우가 있는, Ag 리치상이 불연속화하여 브레이징재층이 균열되는 기점이 되어 세라믹스 회로 기판의 열사이클 특성을 저하시키는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 열사이클 특성을 보다 높일 수 있다.

브레이징재 원료를 혼합하는 방법으로는, 금속 분말 및 유기 용제, 바인더를 배합하고, 뇌괴기, 자전 공전 믹서, 플래너터리 믹서, 3 본 롤 등을 사용하여 혼합하고, 페이스트상으로 하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 유기 용제로는, 메틸셀루솔브, 에틸셀루솔브, 이소포론, 톨루엔, 아세트산에틸, 터피네올, 디에틸렌글리콜·모노부틸에테르, 텍산올 등이 사용되고, 바인더로는, 폴리이소부틸메타크릴레이트, 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 아크릴 수지 등의 고분자 화합물이 사용된다.

브레이징재 페이스트를 세라믹스 기판의 양면에 도포하는 방법으로는, 롤 코터법, 스크린 인쇄법, 전사법 등이 있지만, 브레이징재를 균일하게 도포하기 위해서는 스크린 인쇄법이 바람직하다. 스크린 인쇄법으로, 브레이징재 페이스트를 균일하게 도포하기 위해서는, 브레이징재 페이스트의 점도를 5 ∼ 20 ㎩·s 로 제어하는 것이 바람직하다. 브레이징재 페이스트 중의 유기 용제량을 5 ∼ 17 질량％, 바인더량을 2 ∼ 8 질량％ 의 범위에서 배합함으로써 인쇄성이 우수한 브레이징재 페이스트를 얻을 수 있다.

(회로 패턴)

회로 패턴은 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 구리판으로 형성할 수 있다. 구리판에 사용하는 재질은, 순구리가 바람직하다. 구리판의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.1 ∼ 1.5 ㎜ 인 것이 일반적이고, 특히, 방열성의 관점에서, 0.3 ㎜ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ㎜ 이상이다.

회로 패턴은, 세라믹스 기판 상에 브레이징재를 사용하여 금속판 (예를 들어, 구리판) 을 접합한 후, 에칭 마스크를 형성하여 에칭 처리를 행함으로써 형성할 수 있다.

세라믹스 기판과 금속판의 접합은, 진공 중 또는 질소, 아르곤 등의 불활성 분위기 중, 770 ∼ 900 ℃ 의 온도 그리고 10 ∼ 60 분의 시간에서 접합하는 것이 바람직하고, 790 ∼ 900 ℃ 의 온도 그리고 10 ∼ 60 분의 시간에서 접합하는 것이 보다 바람직하다. 또, 770 ∼ 900 ℃ 의 온도 그리고 10 ∼ 40 분의 시간에서 접합하는 것도 바람직하다. 775 ∼ 820 ℃ 의 온도 그리고 10 ∼ 30 분의 시간에서 접합할 수도 있다. 접합 온도를 770 ℃ 이상 및 유지 시간을 10 분 이상으로 함으로써, 금속판으로부터의 Cu 의 용해가 부족한 것을 방지할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판의 접합성을 높일 수 있다. 또, 접합 온도를 900 ℃ 이하, 및 유지 시간을 60 분 이하로 함으로써, Ag 리치상의 연속성을 높일 수 있음과 함께, 접합시의 열팽창률차에서 유래하는 열스트레스가 증가하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 세라믹스 회로 기판의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.

회로 기판에 회로 패턴을 형성하기 위한 에칭 마스크를 형성하는 방법으로서, 사진 현상법 (포토레지스트법) 이나 스크린 인쇄법, 잉크젯 인쇄법 등, 일반적인 프로세스를 채용할 수 있다.

회로 패턴을 형성하기 위해서 구리판의 에칭 처리를 행한다. 에칭액에 관해서도 특별히 제한은 없고, 구리 회로를 에칭하는 에칭액은, 일반적으로 사용되고 있는 염화 제 2 철 용액이나 염화 제 2 구리 용액, 황산, 과산화수소수 등을 사용할 수 있는데, 바람직한 것으로서, 염화 제 2 철 용액이나 염화 제 2 구리 용액을 들 수 있다. 에칭 시간을 조정함으로써, 구리 회로의 측면을 경사지게 해도 된다.

에칭에 의해서, 불필요한 구리 회로 부분을 제거한 세라믹스 회로 기판에는, 도포된 브레이징재, 그 합금층, 질화물층 등이 남아 있고, 할로겐화암모늄 수용액, 황산, 질산 등의 무기산, 과산화수소수를 함유하는 용액을 사용하여, 그것들을 제거하는 것이 일반적이다. 에칭 시간이나 온도, 스프레이압 등의 조건을 조정함으로써, 브레이징재 비어져나옴부의 길이 및 두께를 조정할 수 있다.

회로 형성 후 에칭 마스크의 박리 방법에 대해서는, 특별히 한정되지 않고, 알칼리 수용액에 침지시키는 방법 등이 일반적이다.

세라믹스 접합 회로 기판의 표면의 회로 패턴이 되는 구리판의 내후성을 향상시킴과 함께, 땜납 젖음성 등의 시간 경과적 변화를 방지하기 위해서, Ni 도금, Ni 합금 도금, Au 도금 또는 녹 방지 처리를 행하는 것이 바람직하다. 도금 공정은, 예를 들어, 탈지, 화학 연마, Pd 활성화의 약액에 의한 전 (前) 처리 공정을 거치고, Ni-P 무전해 도금액으로서, 하이포아인산염을 함유하는 약액을 사용하는 통상적인 무전해 도금의 방법, 혹은 전극을 패턴에 접촉시켜 전기 도금을 행하는 방법 등에 의해서 행한다. 또한, 녹 방지 처리는 벤조트리아졸계 화합물에 의해서 행하는 것이 바람직하다

(비어져나옴부)

세라믹스 회로 기판은, 회로 패턴의 외연으로부터 비어져 나온 브레이징재층에 의해서 비어져나옴부가 형성되어 있다. 비어져나옴부에 대해서, 도 1, 2 를 참조하여 설명한다. 도 1 은, 본 실시형태에 관련된 세라믹스 회로 기판의 일례에 있어서의 접합 단면의 확대 사진이다. 이 세라믹스 회로 기판은, 세라믹스 기판 (질화규소 기판) (2) 상에, 브레이징재층 (7) 을 개재하여 회로 패턴 (구리 회로부) (1) 이 형성되어 있다. 브레이징재층 (7) 의 일부는, 회로 패턴 (1) 의 외연으로부터 비어져 나와 비어져나옴부 (4) 를 형성하고 있다.

상기 세라믹스 회로 기판에 있어서, 브레이징재 비어져나옴 두께가 8 ㎛ ∼ 30 ㎛, 길이가 40 ㎛ ∼ 150 ㎛ 이고, 바람직하게는 브레이징재 비어져나옴 두께 13 ㎛ ∼ 23 ㎛, 비어져나옴 길이 50 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 브레이징재 비어져나옴 두께를 8 ㎛ 이상으로 하고 길이를 40 ㎛ 이상으로 함으로써, 브레이징재층에 의한 응력 완화 효과를 충분히 발휘할 수 있어, 열사이클 특성을 보다 높일 수 있다. 또, 브레이징재 두께를 30 ㎛ 이하로 함으로써, 열응력이 크게 발생되어 버리는 것을 막아 열사이클 특성이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 브레이징재 비어져나옴 길이를 150 ㎛ 이하로 함으로써, 최근의 현저한 경박단소가 요구되는 시장 동향에 있어서도, 기판의 외형 치수도 설계상 허용 가능한 크기로 할 수 있다.

(Ag 리치상 및 Cu 리치상)

브레이징재층은, 비어져나옴부의 외연으로부터, 세라믹스 기판과 회로 패턴 (1) 의 접합 계면을 따라서 내측을 향하여 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상, 바람직하게는 400 ㎛ 이상 연속하여 형성되어 있다. 「Ag 리치상」이란, Ag 고용체로 형성되어 있는 상을 의미하고, 주로 Ag 를 함유하고 있다. 「주로」란, 전자선 여기 X 선 분석 장치 (EPMA) 에 있어서의 정량 분석으로서 80 ％ 이상인 것을 의미한다. Ag 리치상에는, Sn 또는 In 과 Ti 가 함유되어 있고, Cu 가 고용되어 있는 경우가 있다. 본 실시형태에서는, 주사형 전자 현미경으로 관찰했을 경우에 백색으로 관찰되는 상을「Ag 리치상」이라고 하고, 흑색으로 관찰되는 상을「Cu 리치상」이라고 한다. 「Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하여 형성되어 있다」란, 주사형 전자 현미경으로 관찰했을 경우에 백색으로 관찰되는 상이, 브레이징재 비어져나옴부 외연으로부터 300 ㎛ 에 걸쳐서 연속적으로 (끊김 없이) 형성되어 있는 것을 의미한다. 도 2 를 참조하여 설명하면, 브레이징재층 (7) 은, 백색의 Ag 리치상 (3) 과 흑색의 Cu 리치상 (6) 으로 구성되어 있다. Ag 리치상 (3) 중에는 흑색의 Cu 리치상 (6) 이 포함되는 경우가 있지만, 백색 부분이 끊겨서 분리되어 있지 않는 한「연속하여 형성되어 있는」것을 의미한다.

도 1, 3 을 참조하여 설명한다. 도 1 의 세라믹스 회로 기판에서는, 백색의 Ag 리치상 (3) 이, 적어도 300 ㎛ 에 걸쳐서 끊김 없이 형성되어 있다. 도 1 에서는, 백색의 Ag 리치상 중에 미소한 흑색이 관찰되지만, 백색의 Ag 리치상은 끊겨서 분리되지 않고 연속하여 형성되어 있다. 이에 비해서, 도 3 의 세라믹스 회로 기판에서는, 브레이징재 비어져나옴부 외연 (5) 으로부터, 100 ㎛ 미만의 지점에서 백색의 Ag 리치상이 끊겨서 분단되고, Cu 리치상 (6) 만으로 구성되어 있는 지점이 출현하고 있다 (Ag 리치상 끊김부).

본 실시형태에서는, Ag 리치상 (3) 이 브레이징재 비어져나옴부 외연 (5) 으로부터 300 ㎛ 이상 연속하여 형성되어 있기 때문에, 보다 가혹해진 열사이클 테스트의 조건에 있어서도, 브레이징재 비어져나옴부 부근 (비어져나옴부 외연 (5) 으로부터 300 ㎛ 이하의 범위) 에서 Ag 리치상과 Cu 리치상의 계면이 균열되어 버리는 경우가 없다. 그 결과, 우수한 내열 사이클 특성을 갖는 세라믹스 회로 기판으로 할 수 있다.

[실시예]

아래에 실시예를 나타내어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 이들 실시예에 의해서 본 발명의 해석이 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

두께 0.32 ㎜ 의 질화규소 기판의 양 주면에, Ag 분말 (후쿠다 금속박분 공업 (주) 제조 : Ag-HWQ, 평균 입자경 D50 : 2.5 ㎛, 비표면적 0.4 ㎡/g) 89.5 질량부, Cu 분말 (후쿠다 금속박분 공업 (주) 제조 : Cu-HWQ 평균 입자경 D50 : 3.0 ㎛ 비표면적 0.4 ㎡/g,) 9.5 질량부, Sn 분말 (후쿠다 금속박분 공업 (주) 제조 : Sn-HPN, 평균 입자경 D50 : 3 ㎛, 비표면적 0.1 ㎡/g) 1.0 질량부의 합계 100 질량부에 대해서, 수소화티탄 분말 (토호테크 (주) 제조 : TCH-100) 을 3.5 질량부 함유하는 활성 금속 브레이징재를 도포량 8 ㎎/㎠ 가 되도록 스크린 인쇄법으로 도포하였다.

그 후, 질화규소 기판의 일방의 면에 회로 형성용 금속판을, 타방의 면에 방열판 형성용 금속판 (모두 두께 0.8 ㎜, 순도 99.60 ％ 의 C1020 무산소동판) 을 중첩하고, 1.0 × 10^-3 ㎩ 이하의 진공 중에서 830 ℃ 그리고 30 분의 조건에서 접합하였다. 접합된 구리판에 에칭 레지스트를 인쇄하고, 염화 제 2 철 용액으로 에칭하여 회로 패턴을 형성하였다. 추가로 불화암모늄/과산화수소 용액으로 브레이징재층, 질화물층을 제거하고, 브레이징재 비어져나옴 길이 29 ㎛, 두께 5 ㎛ 의 비어져나옴부를 형성하였다. 도금 공정은, 탈지, 화학 연마에 의한 전처리 공정을 거쳐서, 벤조트리아졸계 화합물에 의해서 녹 방지 처리를 행하였다.

＜접합 보이드율＞

세라믹스 회로 기판의 접합 보이드율은, 초음파 탐상 장치 ((주) 히타치 파워 솔루션 제조 : ES5000) 로 관찰되는 접합 보이드의 면적을 계측하고, 구리 회로 패턴의 면적으로 나누어 산출하였다.

＜브레이징재층부의 Ag 리치상의 연속성 판정＞

세라믹스 회로 기판의 브레이징재 비어져나옴부 외연으로부터 회로 패턴 내측의 단면의 접합 조직을, 주사형 전자 현미경 (히타치 하이테크사 제조 SU6600 형) 으로 반사 전자 이미지로 관찰하고, 브레이징재층 중에 있어서, 백색으로 관찰되는 상을 Ag 리치상, 흑색으로 관찰되는 상을 Cu 리치상으로 정의하였다. 관찰에 있어서는, 브레이징재 비어져나옴부 외연으로부터 회로 패턴 내측을, 200 배의 배율, 세로 400 ㎛ × 가로 600 ㎛ 의 시야에서 4 시야분 관찰하고, Ag 리치상의 연속성에 대해서 확인을 행하였다. Ag 리치상이 모두 연속하고 있는 것을「양」, Ag 리치상이 1 시야에서도 연속하지 않는 것을「불량」으로 하였다. 이 때의 브레이징재 비어져나옴부 외연이란, Ag 리치상과 세라믹스의 접합 최외연부로 정의하였다.

＜브레이징재층의 두께와 길이의 측정＞

세라믹스 회로 기판의 회로 패턴 모서리부의 단면의 브레이징재 비어져나옴부를, 주사형 전자 현미경 (히타치 하이테크사 제조 SU6600형) 으로 반사 전자 이미지로 200 배의 배율, 세로 400 ㎛ × 가로 600 ㎛ 의 시야에서, 5 시야분 관찰하였다. 브레이징재층의 두께에 대해서는, 각각의 시야마다의 최대 두께와 최소 두께의 평균을 구하여 5 시야분의 평균치를 브레이징재층의 두께로 하였다. 브레이징재 비어져나옴부의 길이에 대해서는, 각각의 시야마다의 구리 회로 패턴 외연으로부터 브레이징재 비어져나옴부 외연간의 거리를 구하고, 5 시야 분의 평균치를 브레이징재층의 길이로 하였다.

＜내열 사이클성의 평가＞

제작된 세라믹스 회로 기판을 -55 ℃ 에서 15 분, 25 ℃ 에서 15 분, 175 ℃ 에서 15 분, 25 ℃ 에서 15 분을 1 사이클로 하는 내열 사이클 시험에서, 2500 사이클 반복 시험을 행한 후, 염화철 및 불화암모늄/과산화수소 에칭으로 금속판 및 브레이징재층을 박리하고, 세라믹스 기판의 표면에 발생된 크랙 면적을 스캐너에 의해서, 600 dpi × 600 dpi 의 해상도로 입력하고, 화상 해석 소프트 GIMP2 (임계값 140) 로 2 치화하여 산출한 후, 크랙 면적을 산출하고, 구리 회로 패턴 면적으로 나누어 크랙률을 구하였다.

＜종합 판정의 기준＞

접합 보이드율이 1.0 ％ 이하이며 또한 크랙률이 0.0 ∼ 1.0 ％ 인 것을 4, 접합 보이드율이 1.0 ％ 이하이며 또한 크랙률이 1.1 ∼ 1.5 ％ 인 것을 3, 접합 보이드율이 1.0 ％ 이하이며 또한 크랙률이 1.6 ∼ 2.0 ％ 인 것을 2, 접합 보이드율이 1.0 ％ 보다 큰 것 또는 크랙률이 2.0 ％ 보다 큰 것을 1 로 하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

[실시예 2 ∼ 4]

브레이징재의 배합 및 접합 조건을 표 1 에 기재된 대로 하여, 비어져나옴부의 길이 및 두께를 표 3 대로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 세라믹스 회로 기판을 제작하였다. 또, 실시예 1 과 동일하게, 각종 측정 및 평가를 행하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

[실시예 5]

접합에 사용하는 브레이징재에, Sn 분말 대신에 In 분말 (아토마이즈법 특급 시약) 을 사용하여 표 1 에 기재된 브레이징재 배합 및 접합 조건으로 하고, 비어져나옴부의 길이 및 두께를 표 3 대로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 세라믹스 회로 기판을 얻고, 각종 측정 및 평가를 행하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

[실시예 6 ∼ 10]

브레이징재의 배합 및 접합 조건을 표 1 에 기재된 대로 하여, 비어져나옴부의 길이 및 두께를 표 3 대로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 세라믹스 회로 기판을 얻고, 각종 측정 및 평가를 행하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

[실시예 11]

브레이징재의 배합 및 접합 조건을 표 1 에 기재된 대로 하여, 비어져나옴부의 길이 및 두께를 표 3 대로 한 것 이외에는, 실시예 5 와 동일하게 하여 세라믹스 회로 기판을 얻고, 각종 측정 및 평가를 행하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

[실시예 12 ∼ 14]

[실시예 15]

[비교예 1]

접합에 사용하는 브레이징재에, Sn 분말을 하지 않고, 표 2 에 기재된 브레이징재 배합 및 접합 조건으로 하고, 비어져나옴부의 길이 및 두께를 표 4 대로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 세라믹스 회로 기판을 얻고, 각종 측정 및 평가를 행하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.

[비교예 2]

표 2 에 기재된 브레이징재 배합 및 접합 조건으로 하고, 비어져나옴부의 길이 및 두께를 표 4 대로 한 것 이외에는, 실시예 5 와 동일하게 하여 세라믹스 회로 기판을 얻고, 각종 측정 및 평가를 행하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.

[비교예 3]

[비교예 4 ∼ 8]

표 2, 4 에 변경을 나타낸 부분 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 행하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.

[비교예 9]

[비교예 10 ∼ 14]

표 2 에 기재된 브레이징재 배합 및 접합 조건으로 하고, 비어져나옴부의 길이 및 두께를 표 4 대로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 세라믹스 회로 기판을 얻고, 각종 측정 및 평가를 행하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.

표 3 에 나타내는 바와 같이, 브레이징 중의 함유량이, Ag 가 85.0 ∼ 95.0 질량부, Cu 가 5.0 ∼ 13.0 질량부, Ti 가 1.5 ∼ 5.0 질량부, Sn 또는 In 이 0.4 ∼ 2.0 질량부이고, 접합 온도 770 ℃ ∼ 900 ℃, 유지 시간 10 ∼ 60 분에서 제작한 접합체에서는, 브레이징재층에 의한 비어져나옴부 외연으로부터 회로 패턴 내측으로 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하고 있고, 열사이클 시험 후의 크랙률이 2.0 ％ 이하였다. 또한 브레이징재 비어져나옴부의 두께를 8 ∼ 30 ㎛, 길이를 40 ㎛ ∼ 150 ㎛ 의 어느 한 쪽을 만족함으로써 크랙률 1.5 ％ 이하가 되고, 양방을 만족함으로써 크랙률 1.0 ％ 이하가 되는 것을 확인하였다.

1 : 회로 패턴
2 : 세라믹스 기판
3 : Ag 리치상
4 : 브레이징재 비어져나옴부
5 : 브레이징재 비어져나옴부 외연
6 : Cu 리치상
7 : 브레이징재층

Claims

세라믹스 기판 상에, 브레이징재층을 개재하여 회로 패턴이 형성되고,
회로 패턴의 외연으로부터 비어져 나온 브레이징재층에 의해서 비어져나옴부가 형성되어 있고,
브레이징재층은, Ag, Cu 및 Ti 와, Sn 또는 In 을 함유하고,
비어져나옴부 외연으로부터, 세라믹스 기판과 회로 패턴의 접합 계면을 따라서 내측을 향하여 Ag 리치상이 300 ㎛ 이상 연속하여 형성되어 있고, 접합 보이드율이 1.0 ％ 이하인, 세라믹스 회로 기판.
제 1 항에 있어서,
비어져나옴부의 두께가 8 ∼ 30 ㎛ 이고, 길이가 40 ㎛ ∼ 150 ㎛ 인, 세라믹스 회로 기판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
세라믹스 기판이, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 탄화규소, 및 붕화란탄에서 선택되는, 세라믹스 회로 기판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
회로 패턴이 구리를 함유하는, 세라믹스 회로 기판.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹스 회로 기판의 제조 방법으로서,
세라믹스 기판의 양 주면에 브레이징재를 사용하여 구리판을 접합하는 공정을 갖고,
브레이징재가, Ag 를 85.0 ∼ 95.0 질량부, Cu 를 5.0 ∼ 13.0 질량부, Sn 또는 In 을 0.4 ∼ 2.0 질량부, 및, Ti 를 Ag, Cu 및, Sn 또는 In 의 합계 100 질량부에 대해서 1.5 ∼ 5.0 질량부 함유하고,
진공 중 또는 불활성 분위기 중에서, 접합 온도가 770 ℃ ∼ 900 ℃ 이며, 유지 시간이 10 ∼ 60 분에서 접합하는, 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
브레이징재가, Ag 분말, Cu 분말, 및, Sn 분말 또는 In 분말을 사용하여 이루어지고, Ag 분말의 비표면적이 0.1 ∼ 0.6 ㎡/g 인, 제조 방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
Cu 분말의 표면적이 0.1 ∼ 1.0 ㎡/g 이며 또한 평균 입자경 D50 이 0.8 ∼ 8.0 ㎛ 인, 제조 방법.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
Sn 분말 또는 In 분말의 비표면적이 0.1 ∼ 1.0 ㎡/g 이며 또한 평균 입자경 D50 이 0.8 ∼ 10.0 ㎛ 인, 제조 방법.